Tổng quan nghiên cứu

Gamma Aminobutyric Acid (GABA) là một axit amin phi protein đóng vai trò quan trọng trong hệ thần kinh trung ương và có nhiều tác dụng sinh học như điều hòa hoạt động tế bào thần kinh, cải thiện sức khỏe, giảm lo âu, mất ngủ và hỗ trợ điều trị các bệnh thần kinh. Ở Việt Nam, nguồn nguyên liệu cám gạo là phế phẩm của ngành lúa gạo, chứa nhiều protein và axit amin, đặc biệt là axit glutamic – tiền chất quan trọng cho quá trình sinh tổng hợp GABA bằng vi khuẩn Lactobacillus brevis. Nồng độ GABA thu được từ quá trình lên men cám gạo có thể đạt khoảng 9,507 g/L, tương đương 10% hàm lượng cám gạo ban đầu, tạo điều kiện thuận lợi cho việc phân tách và tinh sạch GABA.

Nghiên cứu tập trung ứng dụng kỹ thuật màng siêu lọc để phân riêng GABA từ canh trường lên men cám gạo, khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố tiền xử lý, áp suất vận hành, và giải pháp bổ sung nước trong quá trình phân riêng. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. HCM trong năm 2015-2016. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả khai thác nguồn phế liệu cám gạo, đồng thời phát triển công nghệ thu nhận GABA với hiệu suất và độ tinh sạch cao, góp phần nâng cao giá trị gia tăng sản phẩm 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 về Gamma Aminobutyric Acid (GABA): GABA là axit amin phi protein, có cấu trúc hóa học đặc trưng với nhóm amino tại vị trí cacbon γ, tồn tại ở nhiều dạng cấu trúc khác nhau trong môi trường nước, đóng vai trò là chất dẫn truyền thần kinh và có nhiều tác dụng sinh học quan trọng.

  • Mô hình sinh tổng hợp GABA từ glutamate: Quá trình chuyển hóa glutamate thành GABA được xúc tác bởi enzyme glutamate decarboxylase (GAD) trong vi khuẩn Lactobacillus brevis, dưới điều kiện pH 5 và nhiệt độ khoảng 30°C, với sự hỗ trợ của coenzyme pyridoxal 5’-phosphate (vitamin B6).

  • Lý thuyết kỹ thuật màng siêu lọc: Màng siêu lọc có kích thước mao quản từ 1 kDa đến 100 kDa, cho phép phân tách các phân tử dựa trên kích thước và điện tích. Quá trình phân riêng được điều khiển bởi áp suất vận hành, tốc độ khuấy, và các đặc tính của màng và nguyên liệu.

  • Hiện tượng tập trung nồng độ và tắc nghẽn màng: Là các hiện tượng làm giảm hiệu suất lọc do sự tích tụ các đại phân tử và tạp chất trên bề mặt màng, gây giảm thông lượng dòng permeate và ảnh hưởng đến độ tinh sạch sản phẩm.

  • Kỹ thuật diafiltration: Phương pháp bổ sung dung môi vào dòng retentate để tăng hiệu suất thu hồi và độ tinh sạch của GABA trong quá trình siêu lọc.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu cám gạo tách béo lấy từ nhà máy xay xát lúa gạo tại TP. HCM, vi khuẩn Lactobacillus brevis VTCC-B-397 phân lập từ cải chua, màng siêu lọc ETNA01 PP (MWCO 45 kDa) của Alfa Laval.

  • Phương pháp phân tích: Xác định thành phần hóa học của canh trường lên men cám gạo gồm hàm lượng chất khô tổng, đường tổng, đường khử, axit amin tổng, protein hòa tan và GABA bằng các phương pháp quang phổ, phản ứng hóa học đặc hiệu (phương pháp Berthelot cho GABA).

  • Thiết bị và quy trình: Sử dụng thiết bị lọc màng mô hình dead-end Sterlitech HP4750 Stirred Cell với diện tích màng 14.6 cm², áp suất vận hành từ 2 đến 10 bar, nhiệt độ 28 ± 2°C, tốc độ khuấy 100 rpm.

  • Tiền xử lý mẫu: So sánh các phương pháp lọc thô, ly tâm, lọc màng vi lọc (MF 0.45 µm) và kết hợp các phương pháp để lựa chọn quy trình tiền xử lý tối ưu.

  • Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng: Thực hiện thí nghiệm thay đổi áp suất vận hành, khảo sát ảnh hưởng của giải pháp bổ sung nước vào dòng retentate với tỷ lệ 1:1, 0.75:1, 0.5:1, 0.25:1 so với thể tích dòng permeate.

  • Mô hình toán học: Xây dựng mô hình dự đoán thông lượng dòng qua màng và hiệu quả phân riêng dựa trên hệ số cô đặc thể tích (VCR) và các thông số vận hành.

  • Xử lý số liệu: Mỗi thí nghiệm lặp lại ba lần, kết quả phân tích bằng phần mềm STAGRAPHICS Centurion XV với phân tích phương sai ANOVA, độ tin cậy 95%.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thành phần hóa học của canh trường lên men cám gạo: Hàm lượng GABA đạt 9,507 g/L, tương đương khoảng 10% so với hàm lượng cám gạo ban đầu. Protein hòa tan chiếm khoảng 12-15%, đường tổng chiếm 3-5%, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phân riêng.

  2. Ảnh hưởng của tiền xử lý: Phương pháp ly tâm kết hợp lọc màng vi lọc (MF 0.45 µm) cho kết quả tối ưu với nồng độ GABA trong dòng permeate đạt 5,072 g/L, cao hơn 1,02 lần so với mẫu đối chứng, đồng thời tỷ lệ loại bỏ protein đạt khoảng 90%. Thông lượng dòng qua màng ổn định ở áp suất 6 bar, nhiệt độ 28 ± 2°C, tốc độ khuấy 100 rpm.

  3. Ảnh hưởng của áp suất vận hành: Khi tăng áp suất từ 2 đến 10 bar, thông lượng dòng permeate tăng nhưng không tuyến tính, đạt giới hạn tại áp suất 6 bar do hiện tượng tập trung nồng độ và tắc nghẽn màng. Độ phân riêng GABA đạt tối đa khoảng 88,6%, trong khi protein bị loại bỏ khoảng 90%.

  4. Mô hình toán học: Mô hình dự đoán thông lượng dòng qua màng dựa trên hệ số cô đặc thể tích (VCR) phù hợp với dữ liệu thực nghiệm. Khi VCR tiến về giá trị a, thông lượng dòng permeate giảm về 0, báo hiệu cần vệ sinh màng để loại bỏ tắc nghẽn.

  5. Ảnh hưởng của giải pháp bổ sung nước (diafiltration): Tỷ lệ bổ sung nước 1:1 so với thể tích dòng permeate làm tăng hiệu suất thu hồi GABA lên 19,47%, tăng 1,17 lần so với mẫu không bổ sung nước, độ tinh sạch GABA đạt 9,6%, tỷ lệ loại bỏ protein khoảng 80%. Giải pháp này giúp giảm tắc nghẽn màng và nâng cao hiệu quả phân riêng.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy kỹ thuật màng siêu lọc là phương pháp hiệu quả để phân riêng và tinh sạch GABA từ canh trường lên men cám gạo. Việc tiền xử lý bằng ly tâm kết hợp lọc màng vi lọc giúp loại bỏ phần lớn vi sinh vật và tạp chất, giảm độ nhớt và hiện tượng tắc nghẽn màng, từ đó tăng thông lượng và độ phân riêng GABA. Áp suất vận hành tối ưu là 6 bar, vượt quá áp suất này không làm tăng thông lượng do hiện tượng tập trung nồng độ và tắc nghẽn màng.

Mô hình toán học xây dựng giúp dự đoán hiệu quả phân riêng và xác định thời điểm cần vệ sinh màng, góp phần tối ưu hóa quy trình vận hành. Giải pháp diafiltration bổ sung nước vào dòng retentate làm giảm nồng độ các đại phân tử trên bề mặt màng, giảm tắc nghẽn và tăng hiệu suất thu hồi GABA, phù hợp với các nghiên cứu trước đây trong ngành công nghệ màng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa áp suất vận hành và thông lượng dòng permeate, đồ thị mô tả hiệu suất thu hồi GABA theo tỷ lệ bổ sung nước, và bảng so sánh độ phân riêng các thành phần trước và sau các bước tiền xử lý.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng quy trình tiền xử lý kết hợp ly tâm và lọc màng vi lọc: Để tối ưu hóa hiệu quả phân riêng GABA, cần thực hiện tiền xử lý dịch lên men bằng ly tâm 6.000 rpm trong 30 phút, sau đó lọc qua màng vi lọc 0,45 µm trước khi siêu lọc. Chủ thể thực hiện: nhà máy sản xuất; Thời gian: ngay trong quy trình sản xuất.

  2. Vận hành màng siêu lọc ở áp suất 6 bar, nhiệt độ 28 ± 2°C, tốc độ khuấy 100 rpm: Đây là điều kiện tối ưu giúp cân bằng giữa thông lượng và độ phân riêng, hạn chế tắc nghẽn màng. Chủ thể thực hiện: kỹ thuật viên vận hành; Timeline: áp dụng liên tục trong quá trình lọc.

  3. Thực hiện vệ sinh màng định kỳ dựa trên mô hình toán học: Sử dụng mô hình dự đoán để xác định thời điểm thông lượng giảm về gần 0, tiến hành vệ sinh màng bằng phương pháp phù hợp nhằm loại bỏ tắc nghẽn và duy trì hiệu suất. Chủ thể thực hiện: bộ phận bảo trì; Timeline: theo lịch vận hành và mô hình dự báo.

  4. Áp dụng kỹ thuật diafiltration với tỷ lệ bổ sung nước 1:1: Giải pháp này giúp tăng hiệu suất thu hồi GABA lên 19,47% và nâng cao độ tinh sạch sản phẩm, đồng thời giảm hiện tượng tắc nghẽn màng. Chủ thể thực hiện: kỹ thuật viên vận hành; Timeline: trong giai đoạn cô đặc cuối cùng của quá trình siêu lọc.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Thực phẩm: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về ứng dụng kỹ thuật màng siêu lọc trong phân riêng hợp chất sinh học, đặc biệt là GABA từ nguyên liệu lên men, hỗ trợ phát triển đề tài nghiên cứu mới.

  2. Doanh nghiệp sản xuất thực phẩm chức năng và dược phẩm: Thông tin về quy trình thu nhận GABA hiệu quả từ phế phẩm cám gạo giúp doanh nghiệp tối ưu hóa công nghệ sản xuất, nâng cao giá trị sản phẩm và giảm chi phí nguyên liệu.

  3. Chuyên gia kỹ thuật vận hành thiết bị màng siêu lọc: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu thực nghiệm và mô hình toán học giúp cải tiến quy trình vận hành, kiểm soát hiện tượng tắc nghẽn và nâng cao hiệu suất thiết bị.

  4. Cơ quan quản lý và phát triển ngành nông nghiệp và công nghiệp chế biến lúa gạo: Luận văn góp phần thúc đẩy khai thác hiệu quả nguồn phế liệu nông nghiệp, phát triển công nghệ xanh, bền vững và nâng cao giá trị gia tăng cho ngành lúa gạo.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn Lactobacillus brevis để sinh tổng hợp GABA?
    Lactobacillus brevis là vi khuẩn axit lactic có khả năng sinh tổng hợp GABA cao nhờ enzyme glutamate decarboxylase hoạt động hiệu quả, an toàn cho người sử dụng và được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm.

  2. Kỹ thuật màng siêu lọc có ưu điểm gì trong phân riêng GABA?
    Màng siêu lọc vận hành ở nhiệt độ thấp, không cần chất phụ gia, giữ được các hợp chất sinh học nhạy cảm, tiết kiệm năng lượng và cho hiệu suất thu hồi GABA cao, đồng thời loại bỏ protein và tạp chất hiệu quả.

  3. Hiện tượng tắc nghẽn màng ảnh hưởng thế nào đến quá trình lọc?
    Tắc nghẽn màng làm giảm thông lượng dòng permeate, tăng áp suất vận hành, giảm hiệu quả phân riêng và độ tinh sạch sản phẩm. Cần vệ sinh màng định kỳ và áp dụng kỹ thuật diafiltration để giảm thiểu hiện tượng này.

  4. Giải pháp bổ sung nước (diafiltration) giúp gì cho quá trình phân riêng?
    Diafiltration bổ sung nước vào dòng retentate giúp pha loãng các đại phân tử, giảm tắc nghẽn màng, tăng hiệu suất thu hồi GABA và nâng cao độ tinh sạch sản phẩm, đặc biệt hiệu quả khi tỷ lệ bổ sung nước là 1:1 so với dòng permeate.

  5. Mô hình toán học được sử dụng để làm gì?
    Mô hình toán học dự đoán thông lượng dòng qua màng và hiệu quả phân riêng dựa trên hệ số cô đặc thể tích, giúp xác định thời điểm cần vệ sinh màng, tối ưu hóa quy trình vận hành và nâng cao hiệu quả sản xuất.

Kết luận

  • Kỹ thuật màng siêu lọc là phương pháp hiệu quả để phân riêng và tinh sạch GABA từ canh trường lên men cám gạo với nồng độ GABA thu được lên đến 9,507 g/L.
  • Tiền xử lý bằng ly tâm kết hợp lọc màng vi lọc giúp tăng nồng độ GABA trong dòng permeate lên 5,072 g/L và loại bỏ protein khoảng 90%.
  • Áp suất vận hành tối ưu là 6 bar, nhiệt độ 28 ± 2°C, tốc độ khuấy 100 rpm, cân bằng giữa thông lượng và độ phân riêng.
  • Mô hình toán học xây dựng giúp dự đoán hiệu quả phân riêng và xác định thời điểm vệ sinh màng để duy trì hiệu suất.
  • Giải pháp diafiltration với tỷ lệ bổ sung nước 1:1 làm tăng hiệu suất thu hồi GABA lên 19,47% và nâng cao độ tinh sạch sản phẩm.

Next steps: Áp dụng quy trình nghiên cứu vào quy mô công nghiệp, mở rộng nghiên cứu tối ưu hóa các thông số vận hành và kết hợp với kỹ thuật sắc ký để nâng cao độ tinh sạch GABA.

Call to action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực công nghệ thực phẩm nên tiếp cận và ứng dụng kỹ thuật màng siêu lọc kết hợp diafiltration để phát triển sản phẩm GABA chất lượng cao từ nguồn nguyên liệu phế liệu nông nghiệp.