Thứ ba, 30/11/2021 | 12:20

Thứ ba, 30/11/2021 | 12:20

Bài báo khoa học

Cập nhật 09:07 ngày 18/10/2021

Ảnh hưởng của quá trình tách tinh bột bằng beta-amylase lên hiệu quả thu nhận protein từ nhân điều bằng phương pháp kết tủa với ethanol

TÓM TẮT:
Trong nghiên cứu này, protein từ nhân điều được thu nhận bằng phương pháp tủa với ethanol. Quá trình thủy phân tinh bột bằng beta-amylase được ứng dụng trước kết tủa nhằm nâng cao hiệu quả thu nhận. Các thông số của quá trình thủy phân được khảo sát là nồng độ enzyme (%, ml/g chất khô) và thời gian thủy phân (phút); hàm mục tiêu là hàm lượng protein trong chế phẩm (%, g/100g). Thí nghiệm được thiết kế theo kiểu 2k, điều kiện tối ưu của quá trình được xác định bằng phương pháp leo dốc. Kết quả thực nghiệm cho thấy cả 2 thông số ảnh hưởng có ý nghĩa lên hàm mục tiêu. Hàm lượng protein trong chế phẩm đạt cao nhất bằng 66,45 g/100g, cao hơn 36% so với mẫu đối chứng, tại nồng độ enzyme 0,3% và thời gian thủy phân 120 phút. Kết quả này góp phần tạo tiền đề cho ứng dụng của các enzyme thủy phân tinh bột trong sản xuất các chế phẩm protein từ hạt dầu.
Từ khóa: nhân điều, tủa ethanol, beta-amylase, thiết kế thí nghiệm kiểu 2k, phương pháp leo dốc.
1. Đặt vấn đề
Theo Hiệp hội Điều Việt Nam (Vinacas), năm 2020, Việt Nam nắm giữ vị trí số 1 thế giới về xuất khẩu điều với tổng lượng điều xuất khẩu được là hơn 1,47 triệu tấn [1]. Tuy nhiên, mặt hàng xuất khẩu của ngành Điều chủ yếu ở dạng nhân điều nên có giá trị thương mại không cao. Trong khi đó, protein thực vật hiện đang được các nhà sản xuất thực phẩm quan tâm sử dụng. Ngoài khả năng cung cấp dinh dưỡng, protein thực vật còn đóng vai trò như là một loại phụ gia thực phẩm nhờ các tính chất chức năng như khả năng hòa tan, khả năng tạo và ổn định nhũ, khả năng tạo gel, khả năng giữ nước, khả năng tạo và ổn định bọt [2]. Trong thành phần của nhân điều, protein chiếm khoảng 20% chất khô tổng [3], thành phần này có thể được khai thác bằng phương pháp thích hợp để sản xuất ra các chế phẩm protein thực vật.
Chế phẩm protein thực vật từ các loại hạt chứa dầu được thu nhận bằng cách loại bỏ các thành phần phi protein (chất béo, tinh bột, đường). Ở phương pháp tủa cồn, đầu tiên chất béo được loại bỏ bằng phương pháp trích ly với dung môi hữu cơ; tiếp theo, đường được loại bỏ bằng cách hòa tan trong ethanol; phần tủa còn lại được tách riêng bằng ly tâm và được sấy để tách nước và đuổi dung môi [4]. Tuy nhiên, hạn chế của phương pháp này là ethanol không thể hòa tan được tinh bột; trong khi đó thành phần chất khô của nhân điều có chứa xấp xỉ 29% tinh bột [3]. Do đó, quá trình chuyển hóa tinh bột thành đường là một bước cần thiết để áp dụng hiệu quả phương pháp thu nhận protein từ nhân điều bằng phương pháp kết tủa với ethanol. Nghiên cứu này được tiến hành nhằm khảo sát ảnh hưởng của quá trình thủy phân tinh bột bằng beta-amylase lên hiệu quả quả thu nhận protein từ nhân điều.
2. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu
2.1. Vật liệu
Nhân điều được cung cấp từ Công ty Cổ phần Sơn Thành, P. Tân Thiện, TX. Đồng Xoài, tỉnh Bình Phước. Chế phẩm beta amylase do hãng Novozymes sản xuất; chế phẩm có hoạt lực 240 IU/ml, nhiệt độ hoạt động tối ưu 55 - 60°C, pH hoạt động tối ưu 5,1 - 5,5. Ethanol 96% đạt tiêu chuẩn dùng cho thực phẩm do Việt Nam sản xuất. Các loại hóa chất khác đạt tiêu chuẩn dùng cho phân tích.
2.2. Quy trình thu nhận protein
Đầu tiên, nguyên liệu được nghiền nhỏ và tách béo bằng phương pháp Soxhlet trong 24h; dung môi được đuổi bằng cách sấy ở 60°C trong 2h. Tiếp theo, trộn 100,00 gam bột điều đã được tách béo với nước theo tỉ lệ bột:nước là 1:10. Huyền phù tiếp theo được hồ hóa ở 100°C trong 10 phút. Sau hồ hóa, hỗn được hạ nhiệt độ xuống 55°C - 60°C và bổ sung enzyme để thực hiện quá trình thủy phân bằng beta amylase theo kế hoạch thực nghiệm (mục 2.3); sau thủy phân hỗn hợp được làm nguội về nhiệt độ phòng. Sau đó, ethanol 90% (v/v) được trộn với dịch thủy phân theo tỷ lệ ethanol:dịch bằng 4:3 để thực hiện quá trình kết tủa protein và hòa tan đường. Tiếp theo, hỗn hợp được đem đi ly tâm để tách phần lỏng ở 5.500 vòng/phút trong 20 phút; phần rắn còn lại được đem đi sấy ở 60°C trong 10h để thu chế phẩm protein có độ ẩm trung bình 5,5%.
2.3. Thiết kế thí nghiệm khảo sát quá trình thủy phân tinh bột bằng beta amylase
2.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của điều kiện thủy phân lên hàm lượng protein trong chế phẩm
Thí nghiệm được tiến hành nhằm khảo sát ảnh hưởng của điều kiện thủy phân lên hiệu quả thu nhận protein từ nhân điều. Kiểu thiết kế thí nghiệm 2k được sử dụng với 2 yếu tố thí nghiệm là nồng độ enzyme và thời gian thủy phân, hàm mục tiêu là hàm lượng protein trong chế phẩm. Các mức của yếu tố thí nghiệm được trình bày trong Bảng 1. Với số thí nghiệm ở tâm phương án bằng 3, tổng số thí nghiệm được tính toán như sau: N = 22 + 3  = 7. Ma trận thực nghiệm được trình bày ở Bảng 2.
Bảng 1. Các mức của yếu tố theo biến mã hóa và biến thực
Bảng 2. Ma trận thực nghiệm theo biến mã hóa (Xi)
Kết quả thực nghiệm được xử lý bằng phương pháp phân tích hồi quy với phương trình hồi quy có dạng tuyến tính như sau: Y = b0 + b1X1 + b2X2 + b12X1X2
Trong đó, b0, b1, b2, b12 là các hệ số của phương trình hồi quy. Phần mềm thiết kế thí nghiệm và xử lý số liệu được sử dụng là SAS JMP 10. Mức ý nghĩa a = 0,05.
2.3.2. Thí nghiệm đối chứng
Thí nghiệm đối chứng được tiến hành để so sánh hiệu quả thu nhận protein của 2 phương pháp trích ly có thủy phân tinh bột bằng beta amylase và phương pháp không thủy phân tinh bột bằng beta amylase (đối chứng).
2.4. Phương pháp xác định hàm lượng protein trong chế phẩm
Hàm lượng protein trong chế phẩm được xác định bằng phương pháp Kjeldahl trên thiết bị cất đạm bán tự động UDK 139 (xuất xứ Ý). Trong đó, hàm lượng protein bằng 16% ´ lượng nitơ toàn phần (g/100g).
3. Kết quả và thảo luận
3.1. Ảnh hưởng của điều kiện thủy phân lên hàm lượng protein trong chế phẩm
Điều kiện thủy phân được khảo sát bao gồm 2 thông số là nồng độ enzyme và thời gian thủy phân. Ảnh hưởng của điều kiện thủy phân được đánh giá bằng phương pháp phân tích hồi quy, kết quả được trình bày ở Bảng 3 và Bảng 4. Trong đó, hàm lượng protein (Y) thay đổi trong khoảng 42,05 - 60,08 g/100g ở 7 thí nghiệm. Hàm lượng protein đạt cao nhất (60,08 g/100g) tại mức cao của 2 yếu tố (nồng độ enzyme 0,15%, thời gian 75 phút).
Bảng 3. Bảng kết quả phân tích phương sai cho mô hình (ANOVA)
Cụ thể, kết quả phân tích phương sai (Bảng 3) cho thấy mô hình hồi quy được chọn tương thích với thực nghiệm khi trị số p = 0,0011, tương đương với có ít nhất 1 hệ số bi trong phương trình khác không ở a = 0,05. Hay nói cách khác, có ít nhất 1 yếu tố thí nghiệm ảnh hưởng lên hàm mục tiêu.
Bảng 4. Kết quả kiểm định các hệ số bi trong phương trình hồi quy
Bảng 4 thể hiện giá trị ước lượng và trị số p của các hệ số bi. Theo đó, các hệ số b1 và b2  đều có ý nghĩa thống kê với các trị số p < 0,05; điều này cho thấy cả 2 yếu tố thí nghiệm cùng ảnh hưởng ý nghĩa lên hàm mục tiêu. Hai yếu tố đều có mối quan hệ thuận với hàm mục tiêu khi cả 2 hệ số b1 và b2 cùng lớn hơn 0; theo đó, hàm lượng protein tăng khi nồng độ enzyme và thời gian thủy phân tăng trong khoảng khảo sát. Ngoài ra, tồn tại sự tương tác giữa 2 yếu tố khi hệ số b12 có ý nghĩa thống kê với p bằng 0,0008. Từ các kết quả thống kê ở trên, phương trình hồi quy mô tả mối quan hệ giữa điều kiện thủy phân (X1, X2) và hàm lượng protein (Y) trong chế phẩm có thể được viết như sau:
Y = 49,24 + 2,31*X1 + 4,10*X2 +  4,69*X1*X2
Hệ số xác định (R2) bằng 99,26%; điều này có nghĩa là điều kiện thủy phân giải thích được 99,26% sự thay đổi của hàm lượng protein.
3.2. Tối ưu hóa điều kiện thủy phân
Tối ưu hóa được thực hiện theo con đường dốc nhất (Bảng 5), trong đó tiến trình leo dốc gồm 5 bước với điểm bắt đầu tại mức cao của các yếu tố. Theo đó, hàm lượng protein có xu hướng tăng dần từ bước 1 đến bước 3. Hàm lượng protein đạt cao nhất bằng 66,45 g/100g tại bước 3 và sau đó giảm dần đến bước 5. Như vậy, điều kiện tối ưu được xác định tại bước 3 với nồng độ enzyme 0,3% (ml/g chất khô) và thời gian 120 phút.
Bảng 5. Kết quả tối ưu hóa hàm lượng protein theo đường dốc nhất
Ethanol có hai vai trò, thứ nhất là hòa tan các đường và các chất tan được trong ethamol, thứ hai là kết tủa protein trong nguyên liệu [4]. Điều có chứa một lượng tinh bột khoảng 29% (tính theo chất khô) [1], thành phần này không thể hòa tan trong ethanol nên dẫn đến hiệu quá thu nhận protein sẽ thấp nếu không tách tinh bột khỏi nguyên liệu. Trong nghiên cứu này, beta amylase giúp chuyển hóa tinh bột thành đường amylose, nhờ vậy đã loại bỏ được đáng kể được thành phần tinh bột. Kết quả là hàm lượng protein được nâng cao.
Để khẳng định hiệu quả của quá trình thủy phân tinh bột, hàm lượng protein của mẫu thu nhận ở điều kiện tối ưu được so sánh với mẫu đối chứng. Theo đó, trung bình hàm lượng protein thu nhận tại mẫu đối chứng bằng 42,27 g/100g, thấp hơn 36% so với mẫu thu được tại điều kiện tối ưu (66,45%). Như vây, quá trình thủy phân tinh bột thành đường amylose bằng beta amylse đã đem lại hiệu quả đáng kể.
4. Kết luận
Nghiên cứu này đã thành công trong việc tối ưu hóa quá trình tách tinh bột nhằm nâng cao hiệu quả thu nhận protein từ nhân điều. Cả 2 thông số của quá trình đều ảnh hưởng ý nghĩa lên hàm lượng protein của chế phẩm. Điều kiện thủy phân tối ưu là nồng độ enzyme 0,3% (ml/g chất khô) và thời gian 120 phút; tương ứng với hàm lượng protein đạt cao nhất là 66,45 g/100g. Kết quả nghiên cứu này góp phần tạo tiền đề cho việc ứng dụng các enzyme thủy phân tinh bột trong sản xuất các chế phẩm protein từ hạt dầu.
TÀI LIỆU THAM KHẢO:
1. Hiệp hội Điều Việt Nam (2021). Available: www.vinacas.com.vn
2. Y. Yada. (2004). Proteins in Food Processing. Sawston, United Kingdom: Woodhead Publishing Limited.
3. Viện Dinh dưỡng (2007), Bảng thành phần thực phẩm Việt Nam, Nhà xuất bản Y học.
4. U. A. (1988). Vegetable protein products from seeds: technology and uses in the food industry vol. 6. New York: Elsevier Applied Science.
The impacts of starch hydrolysis by beta-amylase on cashew kernel protein which is obtained by using the ethanol precipitation method
Master. Mac Xuan Hoa1
Ky Chi Nguyen1
Nguyen Thi Be Nhi1
Vo Hoaang Vu1
1Faculty of Food Engineering, Ho Chi Minh City University of Food Industry
ABSTRACT:
In this study, cashew kernel protein was obtained by using the ethanol precipitation method. Starch hydrolysis by beta-amylase was applied to improve the yield. This study examines the hydrolysis parameters including the enzyme concentration (%, ml/g dry matter) and the hydrolysis time (min); and the response was the protein content (%, g/100g). The study’s experiment was designed by using the 2k method and the optimal conditions were determined by the method of steepest descent. Experimental results show that both parameters had a significant influence on the response. The highest protein content was 66.45 g/100g, 36% higher than the control sample, at 0.3% enzyme concentration and 120 min hydrolysis time.
Keywords: cashew nut, ethanol precipitation, beta-amylase, 2k design, method of steepest descent.
ThS. MẠC XUÂN HÒA - KỸ CHÍ NGUYÊN - NGUYỄN THỊ BÉ NHI - VÕ HOÀNG VŨ - Khoa Công nghệ Thực phẩm - Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm Thành phố Hồ Chí Minh
(Nguồn: Tạp chí Công Thương - Các kết quả nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghệ, Số 22, tháng 9 năm 2021)
Tổng số lượt truy cập :
  • 3
  • 4
  • 0
  • 6
  • 3
  • 8
  • 9
lên đầu trang