Nghiên cứu sản xuất và đánh giá tính chất lý hóa và chức năng của protein biến tính từ đậu Lima (Phaseolus lunatus) sử dụng Transglutaminase

• Tác giả: Ho Ngoc Tram
• Người hướng dẫn: Phạm Thị Hoan, Ph.D
• Trường học: Ho Chi Minh City University Of Technology And Education
• Chuyên ngành: Food Technology
• Đề tài: Production and evaluation of physicochemical and functional properties of modified protein from Lima bean (Phaseolus lunatus) using Transglutaminase
• Loại tài liệu: Graduation Project
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

• ACKNOWLEDGEMENT
• DECLARATION OF AUTHORSHIP
• 1. CHAPTER 1: INTRODUCTION
• 1.1. Pose the problem
• 1.2. Subjects and scope of research
• 1.3. Scientific and practical significance
• 1.3.1. Scientific significance
• 1.3.2. Practical significance
• 2. CHAPTER 2: LITERATURE REVIEW
• 2.1. Overview of lima beans and protein
• 2.1.1. Introduction of lima beans
• 2.1.2. Definition and classification of protein
• 2.1.3. Methods for recovery lima bean protein
• 2.1.4. Applications of protein in food technology based on each characteristic
• 2.1.5. Overview of protein modification
• 2.1.6. Overview of Transglutaminase
• 2.1.7. Research situations of the topics
• 3. CHAPTER 3: MATERIALS AND RESEARCH METHODS
• 3.1. Materials, chemical, and equipment
• 3.2. Manufacturing of lima beans
• 3.3. Procedure of Lima bean protein modification using Transglutaminase
• 3.3.1. Experimental 1: Investigate the pH value of the protein modification process
• 3.3.2. Experimental 2: Influence of TGs concentrations on the efficiency of protein modification process
• 3.3.3. Experiment 3: Influence of incubation time on the efficiency of protein modification process
• 3.3.4. Determine the recovery efficiency of modified protein
• 3.3.5. Methods for determining chemical compositions
• 3.3.6. Particle size distribution of modified protein
• 3.3.7. Molecular weight of modified protein
• 3.3.8. Secondary structure of modified protein
• 3.3.9. Nitrogen solubility in modified protein
• 3.3.10. Water absorption capacity
• 3.3.11. Oil absorption capacity
• 3.3.12. Emulsifying activity and stability
• 3.3.13. Foaming capacity and stability
• 4. CHAPTER 4: RESULTS AND DISCUSSION
• 4.1. The choice of pH value used for the modification process
• 4.2. The choice of TGs concentration for protein modification
• 4.3. Appropriate incubation time for protein modification
• 4.4. The complete process for Lima bean protein modification using Transglutaminase
• 4.5. The recovery efficiency of the modified protein
• 4.6. Chemical composition of the modified protein
• 4.7. Secondary structure of modified protein
• 4.8. Nitrogen solubility in modified protein
• 4.9. Water absorption capacity and oil absorption capacity
• 4.10. Emulsifying activity and stability
• 5. CHAPTER 5: CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS
• Appendix 1: Certificate of analysis of transglutaminase enzyme product
• Appendix 2: Methods for determining the chemical composition of materials and product
• Appendix 3: SDS-PAGE Separating Gel and Stacking Gel Preparation Procedure
• Appendix 4: Determination of soluble proteins by the Lowry method

I. Protein Đậu Lima Tổng Quan và Tại Sao Cần Cải Thiện

Protein đóng vai trò thiết yếu trong dinh dưỡng con người. Thịt, nguồn protein truyền thống, đang dần nhường chỗ cho protein thực vật do các vấn đề về dịch bệnh, khan hiếm và xu hướng ăn uống lành mạnh. Các tổ chức y tế khuyến cáo tiêu thụ protein thực vật thường xuyên để giảm cholesterol, nguy cơ bệnh tim mạch và tiểu đường. Đậu nành là một nguồn protein thực vật phổ biến, tuy nhiên, nó chứa các chất kháng dinh dưỡng và gây dị ứng cho một số người. Protein đậu Lima nổi lên như một lựa chọn thay thế tiềm năng, giàu axit amin thiết yếu, dễ hấp thụ và tiêu hóa. Hàm lượng protein cao (26%) trong đậu Lima làm cho nó trở thành một nguyên liệu hứa hẹn trong ngành thực phẩm. Tuy nhiên, cần cải thiện các tính chất chức năng của nó để ứng dụng rộng rãi hơn.

1.1. Giá trị dinh dưỡng và tiềm năng ứng dụng của đậu Lima

Đậu Lima, hay Phaseolus lunatus, chứa hàm lượng protein cao (khoảng 26%), cùng với chất xơ, vitamin và khoáng chất thiết yếu, làm cho nó trở thành một nguồn dinh dưỡng tiềm năng. Khác với đậu nành, đậu Lima ít gây dị ứng hơn và có thể được sử dụng trong nhiều loại thực phẩm như bánh mì, gia vị và xúc xích. Nghiên cứu của Chel-Guerrero & al (2008) cho thấy protein đậu Lima có nhiều phẩm chất dinh dưỡng và chức năng tiềm năng, phù hợp để trở thành một thành phần chức năng trong hệ thống thực phẩm. Hơn nữa, đậu Lima còn phù hợp cho những người có chế độ ăn kiêng để kiểm soát cân nặng, vì chúng ít chất béo, giàu khoáng chất và chất xơ.

1.2. Thách thức về tính chất chức năng của protein đậu Lima

Mặc dù giàu protein, protein đậu Lima có độ hòa tan và các tính chất chức năng kém hơn so với protein động vật. Điều này hạn chế khả năng sử dụng của nó trong nhiều ứng dụng thực phẩm. Do đó, cần có các phương pháp để cải thiện các đặc tính này. Các phương pháp modun hóa protein như vật lý, hóa học và sinh học có thể được áp dụng. Trong số đó, phương pháp sinh học sử dụng enzyme Transglutaminase được đánh giá cao vì tính an toàn và hiệu quả.

II. Transglutaminase Giải Pháp Cải Thiện Protein Đậu Lima

Transglutaminase (TGs) là một enzyme có khả năng liên kết ngang các protein, cải thiện các tính chất chức năng của chúng. Enzyme này xúc tác phản ứng acyl-transfer giữa nhóm γ-carboxamide của glutamine và các amin bậc nhất, chẳng hạn như nhóm ε-amino của lysine. Phản ứng này tạo ra liên kết isopeptide ε-(γ-glutamyl) lysine, làm thay đổi trọng lượng phân tử, cấu trúc và tính kỵ nước bề mặt của protein. Các sửa đổi này được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp thực phẩm khác nhau, bao gồm các sản phẩm từ sữa, bánh mì và thịt có nguồn gốc thực vật vì chúng có thể cải thiện chất lượng công nghệ-chức năng của protein. Theo Babiker (2000), enzyme này có thể cải thiện hiệu quả các đặc tính chức năng của sữa và protein đậu nành như hydrat hóa, tạo gel, liên kết bề mặt (nhũ hóa, tạo bọt) và độ bền nhiệt.

2.1. Cơ chế hoạt động và ứng dụng của Transglutaminase

Transglutaminase hoạt động bằng cách tạo liên kết ngang giữa các phân tử protein, tăng cường độ bền và cải thiện các tính chất chức năng. Enzyme này có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng thực phẩm, bao gồm: Tăng cường độ đàn hồi của bột mì trong sản xuất bánh mì; Cải thiện khả năng tạo gel của protein trong sản xuất phô mai và sữa chua; Tạo kết cấu và độ liên kết cho các sản phẩm thịt chế biến. Ngoài ra, TGs còn được ứng dụng trong các quy trình như tạo màng và đóng gói. Ứng dụng enzyme trong thực phẩm giúp cải thiện đáng kể chất lượng và giá trị dinh dưỡng.

2.2. Nghiên cứu về Transglutaminase và protein thực vật khác

Các nghiên cứu trước đây đã chứng minh hiệu quả của Transglutaminase trong việc cải thiện tính chất của nhiều loại protein thực vật, bao gồm protein đậu nành, protein đậu xanh và protein đậu faba. Các nghiên cứu này cho thấy rằng Transglutaminase có thể làm tăng độ hòa tan, khả năng tạo bọt, khả năng nhũ hóa và độ bền nhiệt của protein thực vật. Tuy nhiên, nghiên cứu về ứng dụng Transglutaminase để cải thiện protein đậu Lima còn hạn chế. Các nghiên cứu của Moon & Cho (2023), Liu et al (2019), Tang et al (2008) đã đề cập đến việc sử dụng Transglutaminase để modun hóa protein từ các loại đậu khác như đậu xanh, đậu faba, đậu thận, nhưng thông tin về đậu Lima còn thiếu.

III. Quy trình Cải Thiện Protein Đậu Lima Bằng Transglutaminase

Nghiên cứu này tập trung vào việc thiết lập quy trình sản xuất và đánh giá các tính chất lý hóa và chức năng của protein đậu Lima được cải thiện bằng Transglutaminase. Quy trình bao gồm các bước chính: Chiết xuất protein từ đậu Lima; Xử lý protein với Transglutaminase trong các điều kiện khác nhau (pH, nồng độ enzyme, thời gian ủ); Đánh giá hiệu quả modun hóa protein; Xác định thành phần hóa học, kích thước hạt và trọng lượng phân tử của protein đã modun hóa protein; Đánh giá các tính chất chức năng của protein đã được modun hóa protein, bao gồm độ hòa tan, khả năng hấp thụ nước và dầu, khả năng nhũ hóa và tạo bọt.

3.1. Chiết xuất protein từ đậu Lima

Bước đầu tiên là chiết xuất protein đậu Lima từ hạt đậu Lima. Quá trình này thường bao gồm các bước: Nghiền hạt đậu Lima thành bột mịn; Hòa tan bột trong dung dịch kiềm để giải phóng protein; Lọc dung dịch để loại bỏ chất xơ và các chất không hòa tan; Kết tủa protein bằng cách điều chỉnh pH về điểm đẳng điện; Rửa và sấy khô protein để thu được sản phẩm protein đậu Lima cô đặc. Các tham số chiết xuất, như pH, nhiệt độ, thời gian và tỷ lệ dung môi/bột, cần được tối ưu hóa để đạt được hiệu quả chiết xuất cao nhất. Tham khảo sơ đồ quy trình được thể hiện trong tài liệu gốc.

3.2. Xử lý protein với Transglutaminase

Sau khi chiết xuất, protein đậu Lima được xử lý với Transglutaminase để cải thiện các tính chất chức năng của nó. Dung dịch protein được ủ với Transglutaminase ở các điều kiện khác nhau về pH, nồng độ enzyme và thời gian. Mục tiêu là tìm ra các điều kiện tối ưu để đạt được hiệu quả modun hóa protein cao nhất. Các điều kiện này sẽ ảnh hưởng đến mức độ liên kết ngang của protein, từ đó ảnh hưởng đến các tính chất lý hóa và chức năng. Ba thí nghiệm được thực hiện để điều tra giá trị pH, nồng độ enzyme và thời gian ủ ảnh hưởng đến hiệu quả modun hóa protein.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Tối Ưu Hóa Quy Trình và Đánh Giá Tính Chất

Nghiên cứu đã xác định được các điều kiện tối ưu để modun hóa protein đậu Lima bằng Transglutaminase. Kết quả cho thấy rằng, mẫu protein đậu Lima modun hóa protein (MPP) được ủ với Transglutaminase ở nồng độ 5 U/g protein, pH 7, nhiệt độ 45°C trong 3 giờ với tốc độ lắc cố định 250 vòng/phút (mẫu MPP7_3) có hiệu suất thu hồi cao hơn (68%). Kết quả nghiên cứu cho thấy mẫu MPP7_3 có hàm lượng protein là 68.54%, cao hơn so với mẫu protein Phaseolus lunatus (PP) trước khi sửa đổi (61%).

4.1. Ảnh hưởng của pH nồng độ enzyme và thời gian ủ

Các thí nghiệm đã được thực hiện để xác định ảnh hưởng của pH, nồng độ enzyme và thời gian ủ đến hiệu quả modun hóa protein. Kết quả cho thấy pH 7, nồng độ Transglutaminase 5 U/g protein và thời gian ủ 3 giờ là các điều kiện tối ưu để cải thiện các tính chất chức năng của protein đậu Lima. Các điều kiện này tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng liên kết ngang của Transglutaminase, dẫn đến sự thay đổi đáng kể trong cấu trúc và tính chất của protein.

4.2. Đánh giá tính chất lý hóa và chức năng của protein đã cải thiện

Các tính chất lý hóa và chức năng của protein đậu Lima đã cải thiện (MPP7_3) đã được đánh giá và so sánh với protein đậu Lima chưa cải thiện (PP). Kết quả cho thấy rằng, độ hòa tan protein của MPP7_3 giảm so với PP do quá trình xử lý bằng Transglutaminase tạo thành các liên kết ngang và tăng trọng lượng phân tử. Tuy nhiên, khả năng hấp thụ dầu (2.28 mL/g) và khả năng hấp thụ nước (5.34 g/g) của MPP7_3 đã được cải thiện so với mẫu PP với OAC (1.55 mL/g) và WAC (2.77 g/g). Hoạt tính nhũ hóa và độ ổn định nhũ hóa của MPP7_3 lần lượt là 42.42 phút, cao hơn gấp đôi so với mẫu PP với EAI (22.01) và ESI (20.34)..

V. Ứng Dụng Thực Tiễn và Tiềm Năng Phát Triển Protein Đậu Lima

Nghiên cứu này đã chứng minh rằng Transglutaminase có thể được sử dụng để cải thiện các tính chất chức năng của protein đậu Lima, mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp thực phẩm. Protein đậu Lima modun hóa protein có thể được sử dụng làm chất phụ gia trong các sản phẩm bánh mì, sản phẩm từ sữa và thịt chế biến để cải thiện kết cấu, độ ổn định và giá trị dinh dưỡng. Nghiên cứu này cũng cung cấp cơ sở khoa học cho việc phát triển các sản phẩm thực phẩm mới từ đậu Lima, góp phần đa dạng hóa nguồn protein thực vật và đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của người tiêu dùng.

5.1. Ứng dụng protein đậu Lima cải thiện trong sản xuất thực phẩm

Protein đậu Lima modun hóa protein có thể được sử dụng để cải thiện kết cấu và độ ổn định của các sản phẩm bánh mì. Khả năng nhũ hóa và tạo bọt của protein cũng có thể được tận dụng trong sản xuất các sản phẩm từ sữa như kem và sữa chua. Trong sản xuất thịt chế biến, protein đậu Lima modun hóa protein có thể được sử dụng làm chất kết dính để cải thiện độ liên kết và giảm thiểu sự mất nước trong quá trình chế biến. Nó cũng có thể thay thế các thành phần có nguồn gốc động vật, đáp ứng nhu cầu của người tiêu dùng ăn chay.

5.2. Nghiên cứu sâu hơn và hướng phát triển trong tương lai

Cần có thêm các nghiên cứu để đánh giá tính an toàn và khả năng hấp thụ của protein đậu Lima modun hóa protein trong cơ thể con người. Nghiên cứu cũng có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình modun hóa protein để giảm chi phí sản xuất và nâng cao hiệu quả. Bên cạnh đó, việc nghiên cứu các ứng dụng tiềm năng khác của protein đậu Lima modun hóa protein, chẳng hạn như trong sản xuất thức ăn chăn nuôi và các sản phẩm phi thực phẩm, cũng rất quan trọng. Cần tập trung vào việc nghiên cứu tác động của quá trình cải thiện protein đến các axit amin thiết yếu của đậu Lima.