Tổng quan nghiên cứu

Đậu phộng (Arachis hypogaea L.) là nguồn cung cấp protein thực vật quan trọng, đứng thứ hai thế giới sau đậu nành, với sản lượng toàn cầu đạt khoảng 40,86 triệu tấn trong năm 2014, trong đó Việt Nam đóng góp khoảng 0,55 triệu tấn. Protein đậu phộng chiếm từ 21 đến 36% thành phần hạt, gồm các globulin chính như arachin và conarachin có khối lượng phân tử lớn, giàu acid amin thiết yếu. Tuy nhiên, các phương pháp truyền thống để tách protein đậu phộng thường sử dụng acid, base hoặc dung môi, gây biến tính protein và phát sinh chất thải ô nhiễm môi trường.

Kỹ thuật siêu lọc (ultrafiltration) được xem là giải pháp tiềm năng để phân riêng protein đậu phộng với điều kiện vận hành ôn hòa, không dùng hóa chất độc hại và tiết kiệm năng lượng. Nghiên cứu này nhằm khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ như kích thước mao quản màng, pH dòng nhập liệu, áp suất vận hành và hệ số cô đặc đến hiệu quả phân riêng protein đậu phộng bằng kỹ thuật siêu lọc. Ngoài ra, giải pháp bổ sung nước gián đoạn cũng được thử nghiệm nhằm nâng cao độ tinh sạch và hiệu suất thu hồi protein.

Phạm vi nghiên cứu tập trung trên dịch trích protein đậu phộng từ bột đậu phộng tách béo, thực hiện tại quy mô phòng thí nghiệm với thiết bị Stirred Cell và màng polysulfone có kích thước mao quản 25 kDa và 50 kDa. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển quy trình sản xuất protein đậu phộng chất lượng cao, thân thiện môi trường, góp phần đa dạng hóa nguồn protein thực vật trong ngành công nghệ thực phẩm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết siêu lọc màng (Ultrafiltration Theory): Quá trình phân riêng dựa trên sự khác biệt kích thước phân tử, trong đó màng có kích thước mao quản (MWCO) giữ lại các đại phân tử protein, cho phép các phân tử nhỏ hơn như phytate và carbohydrate đi qua. Màng polysulfone được sử dụng do tính bền cơ học và hóa học cao.

  • Mô hình tắc nghẽn màng (Membrane Fouling Mechanisms): Bao gồm các cơ chế che kín cơ bản, che kín hoàn toàn, che kín một phần và bánh lọc, ảnh hưởng đến thông lượng dòng qua màng theo thời gian.

  • Khái niệm độ phân riêng (Rejection Rate): Đánh giá hiệu quả giữ lại hoặc loại bỏ các thành phần protein, phytate, carbohydrate trong quá trình siêu lọc.

  • Khái niệm hệ số tách (Separation Factor): Tỷ lệ loại bỏ các thành phần tạp chất so với protein, phản ánh khả năng tinh sạch protein.

  • Khái niệm hiệu suất thu hồi protein (Protein Recovery Yield): Tỷ lệ protein thu hồi trên tổng protein ban đầu, là chỉ số quan trọng đánh giá hiệu quả quy trình.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dịch trích protein đậu phộng được chuẩn bị từ bột đậu phộng tách béo giống Arachis hypogaea VDI, với hàm lượng protein hòa tan 20,97 mg/mL, carbohydrate 2,90 mg/mL và phytate 0,59 mg/mL.

  • Thiết bị: Sử dụng thiết bị Stirred Cell HP4750 (Sterlitech, Mỹ) với màng polysulfone MWCO 25 kDa (GR60PP) và 50 kDa (GR51PP), diện tích màng 146 cm², vận hành theo mô hình dead-end.

  • Phương pháp phân tích: Hàm lượng protein xác định bằng phương pháp Lowry, phytate bằng phương pháp phức chất ion Fe³⁺, carbohydrate bằng phương pháp phenol-sulfuric acid. Thông lượng dòng qua màng được tính theo phương trình Darcy.

  • Phương pháp phân tích số liệu: Mỗi thí nghiệm lặp lại 3 lần, kết quả trình bày dưới dạng trung bình ± sai số chuẩn. Phân tích thống kê ANOVA với mức ý nghĩa p<0,05.

  • Timeline nghiên cứu: Thực hiện từ tháng 01/2013 đến tháng 06/2014, gồm các bước khảo sát ảnh hưởng của kích thước mao quản màng, pH dòng nhập liệu, áp suất vận hành, hệ số cô đặc và thử nghiệm bổ sung nước gián đoạn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của kích thước mao quản màng:

    • Màng 50 kDa cho thông lượng dòng qua màng gần gấp đôi màng 25 kDa (khoảng 45 L/m².h so với 23 L/m².h).
    • Độ phân riêng protein cao trên 95% với cả hai màng, chênh lệch không đáng kể (50 kDa: 95,35%, 25 kDa: 96,14%).
    • Độ phân riêng phytate tương tự, khoảng 94-95%, do phytate tồn tại dưới dạng phức tam phân với protein.
    • Độ phân riêng carbohydrate thấp hơn, 45,20% với màng 50 kDa và 56,01% với màng 25 kDa, do carbohydrate có kích thước nhỏ hơn dễ đi qua màng.
    • Hệ số tách phytate/protein và carbohydrate/protein của màng 50 kDa cao hơn màng 25 kDa, lần lượt khoảng 1,27 và 11,5.

  2. Ảnh hưởng của pH dòng nhập liệu:

    • pH 5 là điều kiện tối ưu để đạt hiệu quả phân riêng protein cao nhất, với hiệu suất thu hồi protein trên 95%.
    • pH gần điểm đẳng điện của protein (4,5-5,5) làm giảm hiện tượng kết tụ và tắc nghẽn màng, tăng thông lượng dòng qua màng lên khoảng 40 L/m².h.
    • pH quá cao hoặc quá thấp làm giảm hiệu quả phân riêng do thay đổi điện tích bề mặt protein và màng.

  3. Ảnh hưởng của áp suất vận hành:

    • Áp suất 6 bar được xác định là tối ưu, cho thông lượng dòng qua màng cao và ổn định, đồng thời duy trì độ phân riêng protein trên 95%.
    • Áp suất tăng trên 6 bar không làm tăng thông lượng đáng kể do hiện tượng tập trung nồng độ và tắc nghẽn màng.
    • Trở lực tổng của màng 25 kDa gấp đôi màng 50 kDa, ảnh hưởng đến hiệu suất lọc.

  4. Ảnh hưởng của hệ số cô đặc:

    • Ở hệ số cô đặc 2,5, hiệu suất thu hồi protein đạt trên 95%, tỉ lệ loại bỏ phytate và carbohydrate lần lượt trên 30% và 56%.
    • Thông lượng dòng qua màng giảm theo thời gian và hệ số cô đặc do hiện tượng tắc nghẽn màng, chủ yếu theo cơ chế bánh lọc.
    • Đồ thị t/V theo V và ln(t) theo V cho thấy cơ chế tắc nghẽn chủ yếu là tích tụ protein trên bề mặt màng.

  5. Ảnh hưởng của giải pháp bổ sung nước gián đoạn:

    • Bổ sung nước 3 lần vào dòng chưa qua màng làm tăng tỉ lệ loại bỏ phytate và carbohydrate lên trên 90%.
    • Hiệu suất thu hồi protein vẫn duy trì trên 95%, thông lượng dòng qua màng được cải thiện đáng kể.
    • Giải pháp này giúp giảm trở lực tắc nghẽn màng, nâng cao độ tinh sạch protein đậu phộng.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy màng siêu lọc 50 kDa phù hợp hơn cho quá trình phân riêng protein đậu phộng do thông lượng dòng qua màng cao hơn và khả năng loại bỏ tạp chất tốt hơn, mặc dù độ phân riêng protein hơi thấp hơn màng 25 kDa. Điều này phù hợp với đặc tính protein đậu phộng có khối lượng phân tử lớn, chủ yếu là arachin và conarachin (~180 kDa), nên màng 50 kDa vẫn giữ lại hiệu quả.

pH dòng nhập liệu ảnh hưởng mạnh đến hiện tượng kết tụ protein và tắc nghẽn màng, với pH 5 gần điểm đẳng điện của protein giúp giảm tương tác protein-protein và protein-màng, từ đó tăng thông lượng và hiệu quả phân riêng. Áp suất vận hành 6 bar là điểm cân bằng giữa lực đẩy qua màng và hạn chế tắc nghẽn, tương tự các nghiên cứu trên protein đậu nành và các loại đậu khác.

Hệ số cô đặc 2,5 được đề xuất là phù hợp để đạt hiệu suất thu hồi protein cao và loại bỏ tạp chất hiệu quả, đồng thời hạn chế sự giảm thông lượng do tắc nghẽn. Giải pháp bổ sung nước gián đoạn chứng minh hiệu quả trong việc rửa trôi các tạp chất tích tụ trên màng, nâng cao độ tinh sạch protein và duy trì thông lượng dòng qua màng ổn định.

Các kết quả này tương đồng với nghiên cứu trên protein đậu nành và các loại đậu họ Fabaceae khác, đồng thời mở ra hướng ứng dụng kỹ thuật siêu lọc trong sản xuất protein đậu phộng quy mô công nghiệp, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường so với phương pháp truyền thống.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Lựa chọn màng siêu lọc 50 kDa để tối ưu hóa thông lượng dòng qua màng và khả năng loại bỏ phytate, carbohydrate trong quy trình phân riêng protein đậu phộng, nhằm nâng cao hiệu suất thu hồi protein trên 95%. Thời gian áp dụng: ngay trong giai đoạn phát triển quy trình.

  2. Điều chỉnh pH dòng nhập liệu về khoảng 5 để giảm hiện tượng kết tụ protein và tắc nghẽn màng, tăng thông lượng dòng qua màng lên khoảng 40 L/m².h, giúp nâng cao độ tinh sạch sản phẩm. Chủ thể thực hiện: bộ phận vận hành quy trình sản xuất.

  3. Vận hành quá trình siêu lọc ở áp suất 6 bar nhằm cân bằng giữa lực đẩy và hạn chế tắc nghẽn màng, duy trì hiệu quả phân riêng protein ổn định. Thời gian áp dụng: trong toàn bộ quá trình vận hành.

  4. Áp dụng hệ số cô đặc khoảng 2,5 để đạt hiệu suất thu hồi protein cao và loại bỏ tạp chất hiệu quả, đồng thời giảm thiểu hiện tượng giảm thông lượng do tắc nghẽn. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu và kỹ thuật vận hành.

  5. Triển khai giải pháp bổ sung nước gián đoạn 3 lần trong quá trình siêu lọc để tăng tỉ lệ loại bỏ phytate và carbohydrate lên trên 90%, đồng thời duy trì thông lượng dòng qua màng ổn định. Thời gian thực hiện: trong giai đoạn tối ưu quy trình.

  6. Xây dựng quy trình vệ sinh màng định kỳ kết hợp rửa nước và hóa chất kiềm pH 10 để loại bỏ trở lực bất thuận nghịch, kéo dài tuổi thọ màng và duy trì hiệu suất lọc.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Thực phẩm: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm về ứng dụng kỹ thuật siêu lọc trong phân riêng protein đậu phộng, hỗ trợ phát triển đề tài liên quan.

  2. Doanh nghiệp sản xuất protein thực vật và thực phẩm chức năng: Tham khảo để cải tiến quy trình sản xuất protein đậu phộng chất lượng cao, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và nâng cao giá trị sản phẩm.

  3. Chuyên gia phát triển sản phẩm trong ngành công nghiệp thực phẩm: Áp dụng kiến thức về ảnh hưởng các thông số kỹ thuật siêu lọc để thiết kế sản phẩm protein concentrate/isolate với tính chất chức năng vượt trội.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách về an toàn thực phẩm và phát triển nông nghiệp: Sử dụng kết quả nghiên cứu để đánh giá tiềm năng phát triển nguồn protein thực vật bền vững, góp phần đảm bảo an ninh lương thực.

Câu hỏi thường gặp

  1. Kỹ thuật siêu lọc có ưu điểm gì so với phương pháp truyền thống trong tách protein đậu phộng?
    Siêu lọc vận hành ở điều kiện ôn hòa, không dùng acid hay base mạnh, giảm biến tính protein, tiết kiệm năng lượng và giảm phát sinh chất thải ô nhiễm so với phương pháp kết tủa truyền thống.

  2. Tại sao màng 50 kDa được ưu tiên sử dụng hơn màng 25 kDa?
    Màng 50 kDa có thông lượng dòng qua màng gần gấp đôi, khả năng loại bỏ phytate và carbohydrate cao hơn, giúp nâng cao hiệu quả phân riêng và năng suất quy trình.

  3. Ảnh hưởng của pH dòng nhập liệu đến quá trình siêu lọc như thế nào?
    pH gần điểm đẳng điện của protein (khoảng 5) làm giảm kết tụ protein và tắc nghẽn màng, tăng thông lượng dòng qua màng và hiệu quả phân riêng.

  4. Giải pháp bổ sung nước gián đoạn có tác dụng gì trong quá trình siêu lọc?
    Giúp rửa trôi các tạp chất tích tụ trên màng, giảm trở lực tắc nghẽn, nâng cao tỉ lệ loại bỏ phytate và carbohydrate trên 90%, duy trì thông lượng dòng qua màng ổn định.

  5. Hiệu suất thu hồi protein đạt được trong nghiên cứu là bao nhiêu?
    Hiệu suất thu hồi protein đạt trên 95% ở hệ số cô đặc 2,5 và áp suất vận hành 6 bar, cho thấy hiệu quả cao của kỹ thuật siêu lọc trong phân riêng protein đậu phộng.

Kết luận

  • Kỹ thuật siêu lọc với màng polysulfone 50 kDa là lựa chọn tối ưu để phân riêng protein đậu phộng, đạt hiệu suất thu hồi protein trên 95%.
  • pH dòng nhập liệu điều chỉnh về 5 và áp suất vận hành 6 bar giúp tăng thông lượng dòng qua màng và giảm tắc nghẽn.
  • Hệ số cô đặc 2,5 cân bằng hiệu quả thu hồi protein và loại bỏ tạp chất, đồng thời hạn chế hiện tượng giảm thông lượng.
  • Giải pháp bổ sung nước gián đoạn 3 lần nâng cao tỉ lệ loại bỏ phytate và carbohydrate trên 90%, cải thiện độ tinh sạch protein.
  • Nghiên cứu tạo tiền đề cho ứng dụng kỹ thuật siêu lọc trong sản xuất protein đậu phộng quy mô công nghiệp, góp phần phát triển nguồn protein thực vật bền vững.

Tiếp theo: Đề xuất mở rộng nghiên cứu quy mô pilot, tối ưu hóa quy trình vận hành và đánh giá tính kinh tế để triển khai ứng dụng công nghiệp.

Hành động: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên phối hợp thử nghiệm quy trình, áp dụng các thông số kỹ thuật đã đề xuất để phát triển sản phẩm protein đậu phộng chất lượng cao.