Đặt vấn đề Protein là các hợp chất chứa nitơ đƣợc tạo thành từ các đơn vị amino acid. Chúng là thành phần cấu trúc chính của cơ và các mô khác trong cơ thể, cũng là thành phần của hormone, enzyme và hemoglobin (Jay và cộng sự, 2004). Protein bao gồm 20 amino acid khác nhau liên kết với nhau bằng liên kết peptide và chuỗi tạo thành đƣợc gọi là polypeptide. Đặc tính và chức năng của mỗi protein là riêng biệt do sự khác nhau về trình tự sắp xếp amino acid và các liên kết peptide.
Các amino acid này đƣợc phân loại thành thiết yếu (những acid không thể đƣợc tổng hợp bởi cơ thể mà đƣợc bổ sung từ chế độ ăn uống) và không cần thiết (có thể đƣợc tổng hợp bởi cơ thể) (Clark 2003). Thông thƣờng, tất cả các protein động vật trong chế độ ăn uống (ví dụ: trứng, sữa, thịt, cá và gia cầm) đƣợc coi là protein hoàn chỉnh vì chúng chứa tất cả các amino acid thiết yếu. Protein từ các nguồn thực vật là những protein không hoàn chỉnh vì chúng thiếu một hoặc hai amino acid thiết yếu, trừ một số trƣờng hợp ngoại lệ, ví dụ nhƣ đậu nành – nguồn protein thực vật đƣợc cho là “hoàn chỉnh” (Michael và cộng sự, 2004). Hiện nay, nhu cầu tìm kiếm các nguồn protein có giá thành tƣơng đối rẻ có thể kết hợp vào các sản phẩm thực phẩm có giá trị ngày càng tăng trên toàn thế giới.
Chính vì vậy, những năm gần đây có nhiều nghiên cứu về các nguồn protein thực vật khác nhau có thể giúp cải thiện giá trị dinh dƣỡng của các sản phẩm thực phẩm với chi phí thấp (Gurpreet và cộng sự, 2006). Một số nghiên cứu tách chiết protein đã đƣợc tiến hành nhƣ protein từ hạt gai dầu; protein từ bột gạo lứt. Ngoài ra còn có protein từ hạt họ đậu nhƣ đậu nành; đậu Hà Lan; đậu xanh, đậu đen, đậu viba, đậu gà, đậu phộng,… Đặc biệt là protein từ đậu ngự – protein có hàm lƣợng amino acid gần nhƣ tƣơng đƣơng đậu nành nhất. Trong số các phƣơng pháp kết tủa đƣợc biết đến trong công nghệ sản xuất protein, phƣơng pháp trích ly kết tủa tại điểm đẳng điện có nhiều ƣu điểm nhƣ ít tốn chi phí năng lƣợng, chế phẩm protein thu đƣợc có độ hòa tan và tính chất chức năng tốt hơn so với những kỹ thuật tinh sạch (Ogunwwolu và cộng sự, 2010).
Nhu cầu protein thực vật ngày càng gia tăng trên toàn cầu. Theo thống kê của Statista, giá trị thị trƣờng của protein thực vật toàn thế giới năm 2019 là 8,97 tỉ USD và dự báo năm 2025 sẽ đạt 14,32 tỉ USD (CESTI, 2020). Trƣớc xu hƣớng thị trƣờng thế giới 1 cũng nhƣ những diễn biến của thị trƣờng trong nƣớc, một số nghiên cứu về lĩnh vực protein thực phẩm đƣợc chú ý và đang đƣợc khai thác, trong đó có nghiên cứu “Thu nhận, đánh giá tính chất hóa lý, cơ lý và đặc điểm chức năng của protein concentrate từ hạt đậu ngự” của Nguyễn và cộng sự, 2021. Kết quả của nghiên cứu thu đƣợc chế phẩm PPC với hiệu suất thu hồi và độ tinh sạch của chế phẩm lần lƣợt là 67% và 71,77% nên chúng tôi đã thực hiện đề tài nghiên cứu “Hoàn thiện quy trình thu nhận và phân tích các đặc điểm hóa lý của protein concentrate từ hạt đậu ngự (Phaseolus lunatus)” nhằm nâng cao hiệu suất thu nhận và hàm lƣợng protein trong chế phẩm.
Mục tiêu đề tài Đề tài này đƣợc thực hiện nhằm “Hoàn thiện quy trình thu nhận và phân tích các đặc điểm hóa lý của protein concentrate từ hạt đậu ngự (Phaseolus lunatus)” 1. Nội dung nghiên cứu Đề tài gồm các nội dung chính nhƣ sau: Tổng quan tài liệu, thử nghiệm và đề xuất thay đổi một số thông số công nghệ thích hợp trong quy trình để sản xuất protein concentrate từ hạt đậu ngự. Khảo sát một số tính chất hóa lý (thành phần hóa học, thành phần acid amin, khối lƣợng phân tử, cấu trúc bậc hai, màu sắc, kích thƣớc hạt của protein) của chế phẩm protein concentrate từ hạt đậu ngự. Khảo sát các yếu tố (pH, nhiệt độ) ảnh hƣởng tới đặc tính chức năng (điểm đẳng điện, độ hòa tan, tính lƣu biến, độ hút dầu, độ hút nƣớc) của chế phẩm protein concentrate từ hạt đậu ngự.
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 1. Đối tượng nghiên cứu Đậu ngự (Phaseolus lunatus) đƣợc cung cấp bởi Công ty cổ phần nông sản Dung Hà có địa chỉ Số 02/B, Khu phố 3, đƣờng Trung Mỹ Tây 13, Quận 12, Tp Hồ Chí Minh, Việt Nam. Protein concentrate từ hạt đậu ngự (PPC). Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu đƣợc thực hiện tại phòng thí nghiệm của ngành Công nghệ Thực phẩm, khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật TP.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 1. Ý nghĩa khoa học Kết quả nghiên cứu của đề tài cung cấp thông số công nghệ thích hợp cho quy trình sản xuất protein concentrate từ đậu ngự. Những kết quả của nghiên cứu này có thể đƣợc sử dụng để làm cơ sở khoa học cho những nghiên cứu sâu hơn đối với protein từ đậu ngự. Ý nghĩa thực tiễn Quy trình thu hồi sản phẩm này giúp cải thiện chất lƣợng của chế phẩm.
Đa dạng các dòng protein concentrate có nguồn gốc từ thực, mở rộng nguồn cung cấp protein giá rẻ vật trên thị trƣờng. Kết quả nghiên cứu của đề tài cung cấp những thông tin liên quan đến các tính chất hóa lý, đặc tính chức năng của loại protein concentrate này. Dựa theo kết quả ở nghiên cứu này, có thể đề xuất hƣớng ứng dụng của chế phẩm vào chế biến một số thực phẩm. Tổng quan về nguyên liệu đậu ngự 2.
Nguồn gốc cây đậu ngự Phaseolus lunatus có nguồn gốc từ vùng Neotropical của châu Mỹ, nguồn gốc ở vùng nhiệt đới Trung và Nam Mỹ (Mackie, 1943), trải dài từ Mexico đến Chile, đi qua vùng Andean của Peru. Nguồn gốc sâu xa của Phaseolus lunatus là ở Guatemala vì tổ tiên của nó đã đƣợc tìm thấy trong khu vực này. Mặt khác, các nghiên cứu phân tử đề xuất rằng nguồn gốc của loài này đƣợc tìm thấy ở khu vực Andean và sự phân bố của nó trên khắp châu Mỹ là do quá trình thuần hóa (FAO 2018). Theo phân loại, đậu thuộc chi Phaseolus, bao gồm khoảng 35 loài, trong đó có 4 loài đƣợc trồng: P.
thuộc họ Fabaceae, có hai nguồn gen đƣợc thuần hóa từ hai dạng hoang dại khác nhau với hai hình thái hạt, nhỏ và lớn (Debouk 2019).1: Hạt đậu ngự (Phaseolus lunatus) tươi (bên trái) – khô (bên phải) 2. Đặc điểm sinh thái cây đậu ngự Cây đậu ngự đƣợc tìm thấy ở vùng khí hậu nhiệt đới ẩm, cận ẩm và bán khô hạn cũng nhƣ khí hậu ôn đới ấm áp. Trong điều kiện khí hậu ẩm ƣớt, đậu ngự thƣờng đƣợc trồng xen với các loại cây ngũ cốc, cây lấy củ hoặc các cây trồng khác, độ ẩm dƣ thừa sẽ làm thay đổi màu hạt, nhăn vỏ hạt và làm biến dạng hình dạng hạt. Trong tự nhiên, một số loài đậu ngự có khả năng chịu nhiệt cao, tuy nhiên, nhiệt độ phát triển tốt nhất của đậu ngự trong khoảng 16°C đến 27°C.
Một số giống đậu ngự rụng hoa ở nhiệt độ trên 32oC (Davis và cộng sự, 1987). Đậu ngự có thể thích ứng với nhiều loại đất trồng khác nhau, nhƣng thích hợp nhất với loại đất thoát nƣớc tốt, pH trên 6,0. Tuy nhiên, một số giống cây trồng tốt ở đất chua có độ pH thấp đến 4,4 (Brink và cộng sự, 2006) 4 2. Thành phần hóa học của hạt đậu ngự Theo báo cáo của Chel–Guerrero và cộng sự, 2012 (Bảng 2.1) về thành phần dinh dƣỡng trong hạt đậu ngự có hàm lƣợng protein chiếm khoảng 21 – 26 %, hàm lƣợng carbohydrate khoảng 55 – 64%, hàm lƣợng tro dao động trong khoảng là 3,4 – 6,4%.
Chất béo trong đậu ngự thấp khoảng 0,6 – 3,5%, hầu hết các mẫu có hàm lƣợng chất béo khoảng 1,5%. Hàm lƣợng chất xơ cũng vừa phải, trong khoảng 4,3 – 7,5%.1: Thành phần hóa học của hạt đậu ngự Thành phần hóa học % khối lƣợng ( /100g đậu ngự) Protein 21 – 26 Carbohydrate 55 – 64 Ẩm 8,3 – 15,8 Xơ 4,3 – 7,5 Tro 3,4 – 6,4 Béo 0,6 – 3,5 (Nguồn: Chel–Guerrero và cộng sự, 2012) Protein Hàm lƣợng protein (Bảng 2.1) chiếm một tỉ lệ tƣơng đối trong thành phần hóa học, khoảng 21–26 %, so với hàm lƣợng protein của đậu nành (36–40 %) (KeShun và cộng sự, 1997) thì nó thấp hơn, nhƣng nó vẫn là một nguồn cung nguyên liệu để khai thác protein tiềm năng. Giống với các loại đậu khác, đậu ngự thiếu các amino acid lƣu huỳnh – loại amino acid hạn chế nhất trong đậu (Evans và cộng sự, 1974), nhƣng nó lại có chứa một lƣợng lysine khá cao (6,7 g/100 g protein). So với các loại ngũ cốc khác, lysine trong đậu ngự cao hơn 2,9 lần lysine có trong lúa mì, 4 lần lúa mạch, 4,5 lần yến mạch, 13,4 lần gạo, 3,8 lần ngô (Hamad và Fields, 1979).
Hàm lƣợng cụ thể các amino acid trong đậu ngự đƣợc so sánh với đậu nành trong bảng 2.2: Thành phần amin acid của đậu ngự và đậu nành Hàm lƣợng Hàm lƣợng Amino acids Amino acids (g/100 g protein) (g/100 g protein) Đậu ngự Đậu nành Đậu ngự Đậu nành Lysine 6,70 7,42 Aspartic acid 12,88 14,00 Tryptophan 1,16 1,42 Glutamic acid 14,14 21,56 Phenylalanine + 9,30 3,28 Serine 6,65 6,47 Tyrosine Methionine + 2,37 3,28 Histidine 3,07 3,01 Cysteine Threonine 4,33 4,85 Glycine 4,23 5,15 Leucine 8,60 9,07 Arginine 6,14 8,63 Isoleucine 5,25 5,40 Alanine 5,12 5,26 Valine 6,00 5,56 14,00 Theo Betancur và cộng sự, 2004 Thành phần amino acid của protein đậu ngự và đậu nành (bảng 2.2) thể hiện một vài chênh lệch nổi bất có thể chỉ ra nhƣ hàm lƣợng phenylalanine và tyrosine (9,3 g/100 g protein) cao gấp 3 lần protein từ đậu nành (3,28 g/100 g protein)và hàm lƣợng amino acid không thiết yếu gồm Aspartic acid và Glutamic acid từ đậu ngự lần lƣợt là 12,88g/100g protein và 14,14g/ 100g protein đều thấp hơn so với hàm lƣợng này trong đậu nành là 14,00g/ 100g protein và 21,56g/ 100g protein. Carbonhydrate Từ phân tích thành phần carbohydrate của 18 giống đậu lima, Ologhobo và Fetuga, 1982b kết luận rằng tinh bột chiếm khoảng 32,1 – 50,6% và oligosaccharides chiếm khoảng 7,5 – 12,8%. Glucose, fructose và sucrose chỉ là thành phần phụ của hạt và lần lƣợt chiếm 0,07, 0,62 và 1,54%. Hàm lƣợng cenllulose chỉ đạt khoảng 5,0–6,0% và hàm lƣợng lignin chỉ khoảng 1,0–2,4% trong hạt (Meredith và cộng sự, 1988).
Khoáng Các khoáng chất đƣợc tìm thấy nhƣ K, Zn, Ca, Fe có hàm lƣợng cao hơn Na và P (Chel–Guerrero và cộng sự, 2012).