Đề tài Thiết kế phân xưởng sản xuất protein concentrate và isolate từ đậu nành

LỜI MỞ ĐẦU Đậu nành là loại cây trồng quý vì chúng đem lại rất nhiều lợi ích cho con người. Hạt đậu nành rất giàu dinh dưỡng, đặc biệt là protein và lipid, chính vì vậy mà chúng đem lại tiềm năng rất lớn trong việc giải quyết các vấn đề về dinh dưỡng cho con người và gia súc. Bên cạnh đó, đậu nành là một nguồn nguyên liệu phong phú và tiềm năng cho sản xuất công nghiệp. Vấn đề chế biến đậu nành thành những món ăn phổ biến, ngon bổ đã trở thành nhu cầu cấp thiết. Từ xưa, tại các nước phương Đông, đậu nành đã được chế biến thành rất nhiều loại thức ăn khác nhau. Sản phẩm phổ biến nhất được chế biến từ đậu nành là đậu phụ và các sản phẩm lên men khác. Trong đó một số sản phẩm lên men từ đậu nành có giá trị dinh dưỡng rất cao như: chao, tương, xì dầu… Các sản phẩm này chủ yếu sử dụng thành phần protein của đậu nành. Các phân tích hoá sinh cho thấy: protein trong đậu nành chiếm 38 – 40% và chứa những acid amin cần thiết như cystine, methionine, lysine… và các vitamin B1, B2, A, D, E, K… Nhằm mục đích bổ sung sự thiếu hụt protein, ngoài việc đẩy mạnh sản xuất các nguồn protein truyền thống như thịt, cá, trứng, sữa… trên thế giới người ta đã đầu tư nghiên cứu nhằm tận dụng những nguồn protein chưa được sử dụng. Trong khi các nguồn protein động vật có số lượng không tăng kịp nhu cầu và giá thành đắt thì nguồn protein thực vật rất phong phú lại chưa được khai thác đúng mức. Nước ta là một nước nông nghiệp, sản lượng đậu tương hàng năm rất cao, phục vụ cho khai thác dầu béo. Do đó, việc sử dụng nguồn phế liệu khô dầu để thu nhận protein sử dụng trong chế biến thực phẩm là cần thiết. Từ khô dầu, người ta có thể sản xuất soy protein concentrate, soy protein isolate… và từ đó sản xuất ra các mặt hàng thực phẩm cao cấp như: sữa, pate, xúc xích, bột dinh dưỡng trẻ em… Tóm lại, việc sử dụng khô dầu để sản xuất protein nhằm 3 mục tiêu: Tận dụng nguồn phế liệu giàu protein trong công nghệ chế biến dầu để thu nhận các sản phẩm có giá trị. Sản xuất sạch hơn, giảm gây ô nhiễm môi trường. Tăng hiệu quả của quá trình sản xuất. Đó cũng là mục tiêu của đề tài. Chương 1: Tổng quan Đậu nành: Đậu nành có tên khoa học là Glycine max merill. Đậu nành có nhiều màu sắc khác nhau. Trong đó, đậu nành có màu vàng là loại tốt nhất, nên được trồng và sử dụng nhiều. Hình 1.1: Hạt đậu nành Điều kiện để cây đậu nành phát triển tốt : pH của đất trồng : 6.0 – 6.5. Nhiệt độ : 25 – 30oC. Lượng mưa : 500 – 700 mm. Thời kỳ trồng : cuối mùa xuân, đầu mùa hè. 1.1.1. Tính chất vật lý và hình thái của đậu nành: Hình dạng: từ tròn tới thon dài và dẹt. Màu sắc : vàng, xanh, nâu hoặc đen. Kích thước : 18 – 20 gram/100 hạt. Cấu trúc của hạt gồm : lớp vỏ áo và hai lá mầm với trụ dưới lá mầm và chồi mầm. Lá mầm (tử diệp) chiếm 90% trọng lượng của hạt và chứa toàn bộ dầu và protein. Lớp vỏ chiếm 8% trọng lượng của hạt, bao bọc hai lá mầm, đóng vai trò là lớp bảo vệ. Phôi chiếm 2% trong lượng hạt. 1.1.2. Thành phần hoá học: Bảng 1.1: Thành phần hoá học của hạt đậu nành Thành phần Tỷ lệ khối lượng Tỷ lệ phần trăm (%) Protein Nx6.25 Lipid Cacbohydrate Tro Lá mầm 90 43 23 43 5 Vỏ 8 9 1 86 4.3 Trụ dưới lá mầm 2 41 11 43 4.4 Nguyên hạt 100 40 20 35 4.9 Protein: Trong thành phần hoá học của đậu nành, thành phần protein chiếm một tỷ lệ rất lớn. Thành phần acid amin trong protein của đậu nành ngoài 2 thành phần methionine và tryptophan ra còn có các acid amin khác, có hàm lượng khá cao tương đương lượng acid amin có trong thịt. Bảng 1.2: Thành phần protein đậu nành Phân đoạn (S) Hàm lượng (%) Thành phần Phân tử lượng (Da) 2 15 Chất ức chế trypsin 8000 - 20000 7 35 ß – conglicinine ß – amylase Lipoxygenase Hemagglutinin 150000 62000 102000 110000 11 40 Glycinin 320000 - 350000 15 10 600000 Bảng 1.3: Thành phần amino acid có trong protein đậu nành Amino acid Hàm lượng aa (g/100 g protein) Isoleucine Leucine Lysine Methionine Cystine Phenylalanine Tyrosine Threonine Tryptophan Valine 4.54 7.78 6.38 1.26 1.33 4.94 3.14 3.86 1.28 4.80 Trong protein đậu nành, globulin chiếm 85 – 95%. Ngoài ra còn có một lượng nhỏ albumin, một lượng không đáng kể prolamin và glutelin. Hydratcacbon: Hydratcacbon chiếm khoảng 34% hàm lượng chất khô hạt đậu nành. Phần hydratcacbon có thể chia làm 2 loại: loại tan trong nước (bao gồm các loại đường khử như sucrose, raffinose và stachyose) và loại không tan trong nước (cellulose, hemicellulose). Loại tan được trong nước chỉ chiếm khoảng 10% toàn bộ hydratcacbon. Bảng 1.4: Thành phần hydratcacbon trong đậu nành Cellulose Hemicellulose Stachyose 4.0% 15.4% 3.8% Raffinose Saccharose Các loại đường khác 1.1% 5.0% 5.1% Các loại đường khác bao gồm một lượng nhỏ các đường arabinose, glucose và verbascose. Lipid: Lipid chiếm khoảng 20% hạt đậu nành, bao gồm: triglyceride (96%), phospholipids - chất nhũ hoá lecithin (2%), các chất chống oxy hoáù- tocopherol và sterol (1.6%), acid béo tự do (0.5%), và một lượng nhỏ carotenoid Bảng 1.5: Thành phần acid béo trong đậu nành Acid béo Ký hiệu % khối lượng LauricMyristicPalmiticStearicOleicLinoleicLinolenic 12:014:016:018:018:118:218:3 4.54.511.62.521.152.47.1 Khoáng: Thành phần khoáng chiếm khoảng 5% trọng lượng khô của hạt đậu nành. Trong đó đáng chú ý nhất là canxi, photpho, mangan, kẽm và sắt. Bảng 1.6: Hàm lượng các chất khoáng trong đậu nành Canxi Photpho Mangan 0.16-0.47% 0.41-0.82% 0.22-0.24% Kẽm Sắt 37mg/kg 90-150g/kg Vitamin: Đậu nành có chứa rất nhiều loại vitamin khác nhau, trừ vitamin C và vitamin D. Bảng 1.7: Hàm lượng các vitamin trong đậu nành Thiamin Riboflavin Niacin Pyridocin Biotin Acid tantothenic 11-17.5mg/kg 3.4-3.6 21.4-23 7.1-12.0 0.8 13-21.5 Inoxton Acid folic Vitamin A Vitamin E Vitamin K 1.9 2300 0.18-2.43 1.4 1.9 Enzym: Urease: enzyme xúc tác cho phản ứng thuỷ phân urea thành carbon dioxide và ammoniac, có tính chất chống lại sự hấp thu các chất đạm qua màng ruột do đó không nên ăn đậu nành sống. Lipase: thủy phân glyceride tạo thành glycerine và acid béo. Phospholipase: enzyme thủy phân phospholipid thành các acid béo và các hợp chất tan trong chất béo khác. Lipoxygenase: enzyme có chứa sắt, xúc tác cho phản ứng oxy hoá acid béo không no tạo sản phẩm hydroperoxide, gây mùi hôi cho đậu nành. Các sản phẩm thực phẩm từ đậu nành: Do đậu nành có chứa nhiều thành phần dinh dưỡng, giúp ích cho con người trong việc bổ sung lượng protein và lipid cần thiết cho cơ thể, nên được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực khác nhau: y dược, nông nghiệp, chăn nuôi, công nghiệp… Tuy nhiên khả năng ứng dụng của đậu nành được sử dụng nhiều nhất là trong thực phẩm. Thực phẩm chế biến từ đậu nành có thể chia làm 2 nhóm lớn: Nhóm thực phẩm không lên men: + sản phẩm sữa đậu nành. + cà phê sữa đậu nành. + đậu phụ. + các loại bánh nướng. + bột dinh dưỡng cho trẻ em. + các sản phẩm giả thịt, lạp xưởng. + nước tương hoá giải. + các chất chiết từ protein đậu nành. Nhóm thực phẩm có lên men: + chao + nước tương lên men. + tương. + miso. + tempeh. + đạm tương. Bảng 1.8: Thành phần dinh dưỡng của một số sản phẩm từ đậu nành Soyfood Calories Protein (g) Fat (g) Carbohydrate (g) Fiber (g) Calcium (mg) Soybeans, boiled 1/2 cup 149 14.30 7.70 8.50 1.80 88 Soybeans, dry roasted, 1/2 cup 387 34.00 18.60 28.10 4.60 232 Soy flour, full fat, roasted 1/2 cup 185 14.60 9.20 14.10 0.90 79 Soy Flour, defatted, 1/2 cup 165 23.50 0.30 19.20 2.10 120 Soy protein concentrated, 1 oz 93 16.30 0.13 8.70 1.10 102 Soy protein isolate, 1 ounce 95 22.60 0.95 2.10 0.07 50 Soymilk, 1/2 cup 165 3.30 2.30 2.20 0.92 5 Miso, 1/2 cup 284 16.30 8.40 38.60 3.40 92 Natto, 1/2 cup 187 15.60 9.70 12.60 1.40 191 Okara, 1/2 cup 47 2.00 1.10 7.70 2.50 49 Tempeh, 1/2 cup 165 15.70 6.40 14.10 2.50 77 Tofu, firm, raw, 1/4 block 118 12.80 7.10 3.50 0.10 166 Tofu, regular, raw, 1/4 cup 88 9.40 5.60 2.20 0.83 122 Sources: Composition of Foods: Legume and Legume Products. USDA, Human Nutrition Information Service, Agricultural Handbook Number 8-16. Rev. December 1986. Bảng 1.9: Thành phần dinh dưỡng của một số sản phẩm từ đậu nành Soyfood Iron (mg) Zinc (mg) Thiamine (mg) Riboflavin (mg) Niacin (mg) B-6 (mg) Folacin (mg) Soybeans, boiled 1/2 cup 4.40 1.00 0.10 0.30 0.30 0.200 46.20 Soybeans, dry roasted, 1/2 cup 3.40 4.10 0.40 0.70 0.90 0.190 175.90 Soy flour, full fat, roasted 1/2 cup 2.40 1.50 0.20 0.40 1.40 0.150 95.50 Soy Flour, defatted, 1/2 cup 4.60 1.20 0.40 0.10 1.30 0.290 152.70 Soy protein concentrated,1 oz 3.00 1.20 0.90 0.04 0.20 0.040 95.20 Soy protein isolate, 1 ounce 4.00 1.10 0.05 0.03 0.40 NA 49.30 Soymilk, 1/2 cup 0.70 0.10 0.19 0.08 0.18 0.049 1.80 Miso, 1/2 cup 3.80 4.60 0.13 0.35 1.19 0.297 45.50 Natto, 1/2 cup 7.60 2.67 0.14 0.17 0.00 NA NA Okara, 1/2 cup 0.80 NA 0.01 0.01 0.06 NA NA Tempeh, 1/2 cup 1.90 1.50 0.09 0.09 3.80 0.250 43.20 Tofu, firm, raw, 1/4 block 8.50 1.30 0.08 0.08 0.31 0.080 23.70 Tofu, regular, raw, 1/4 cup 6.20 0.93 0.06 0.06 0.23 0.080 0.060 Sources: Composition of Foods: Legume and Legume Products. USDA, Human Nutrition Information Service, Agricultural Handbook Number 8-16. Rev. December 1986.  Soy Protein Concentrate (SPC): Định nghĩa : Theo định nghĩa của Association of American Feed Control Officials, Inc. (AAFCO) thì soy protein concentrate được sản xuất từ hạt đậu nành đã bóc vỏ, tách gần hết dầu và các cấu tử tan trong nước không phải là protein, và phải chứa tối thiểu là 70% protein trên hàm lượng chất khô. Hình 1.2: Soy protein concentrate dạng bột Dưới đây là tiêu chuẩn của SPC được sản xuất bởi công ty Solbar Hatzor Ltd : - Protein min 70% - Aåm max 8% - Tro max 7% - Kích thước hạt 95% < 150 µm - Béo max 1% - Xơ max 4.5% - Khuẩn lạc max 15000cfu/g - Salmonella trong 200g không có - E.coli trong 1g không có 1.2.2. Ứng dụng : Tương tự bột đậu nành, SPC được sử dụng trong thực phẩm là do giá trị dinh dưỡng hay những tính chất chức năng của nó hay cà hai. Những tính chất chức năng quan trọng của SPC là khả năng hấp thụ nước, khả năng liên kết với béo và tính chất nhũ hoá 1.2.2.1 Trong sản xuất bánh: SPC được sử dụng chủ yếu do hàm lượng protein cao, ngoài ra không có lí do nào khác. Về mặt dinh dưỡng và chức năng, bột đậu nành cũng có khả năng tương tự nhưng kinh tế hơn 1.2.2.2 Trong sản xuất các sản phẩm từ thịt: đây là ứng dụng quan trọng nhất của SPC trong công nghiệp thực phẩm. SPC phần lớn được dùng trong các sản phẩm từ thịt heo, thịt gia cầm và cá (chả, xúc xích, cá viên,...) để tăng hàm lượng nước và giữ béo. SPC đóng vai trò quan trọng trong việc giảm lượng thịt, tăng lượng chất béo và giảm giá thành sản phẩm Hàm lượng SPC trong các sản phẩm thông thường như sau (theo hàm lượng chất khô) (Campbel et al. 1985): - chả 5 - 10% - tương ớt 2 - 8% - thịt viên 2 - 12% - xúc xích max 3.5% - cá viên 5 - 10% 1.2.2.3 Ứng dụng khác: SPC được dùng làm chất làm bền hệ phân tán trong thức uống” milk-like” và giả các sản phẩm từ sữa tương tự như kem chua. Campbel et al.(1985) đã giới thiệu một sản phẩm thức uống” milk –like” làm từ SPC và syrup bắp như sau: - soy protein concentrate 6% - đường sucrose 0.6% - syrup bắp 2.0% - chất béo 3.0% - mono và di-glycerides 0.1% - muối 0.05% - nước 88.25% 1.3 . Protein Isolate: 1.3.1 Định nghĩa: Theo định nghĩa của Association of American Feed Control Officials, Inc. (AAFCO) thì soy protein isolate được sản xuất từ bột đậu nành đã tách vỏ, tách béo và loại hết những phần không phải là protein và chứa ít nhất là 90% protein trên hàm lượng chất khô. Hình 1.3: Soy protein isolate dạng bột Thành phần tiêu chuẩn của SPI(theo hàm lượng chất khô): - Protein 90% - Béo 0.5% - Tro 4.5% - Tổng carbohydrate 0.3% ( Source: Kolar et al. (1985)) 1.3.2. Ứng dụng: 1.3.2.1. Trong các sản phẩm từ thịt: trong xúc xích dạng nhũ tương như xúc xích Đức và xúc xích hun khói, SPI và proteinate được sử dụng do có khả năng vừa liên kết với nước vừa liên kết với béo, làm bền hệ nhũ tương. Hàm lượng sử dụng là từ 1-4% (theo hàm lượng chất khô). Việc sử dụng SPI trong các sản phẩm này cho phép chúng ta giảm tỷ lệ của thịt (đắt tiền) khi chế biến, mà không làm giảm lượng protein hay chất lượng sản phẩm. 1.3.2.2 Trong các sản phẩm từ thuỷ, hải sản: SPI được sử dụng trong xúc xích cá và surimi do khả năng tái cấu trúc của protein. 1.3.2.3 Trong các sản phẩm từ ngũ cốc: SPI đôi khi được sử dụng thay thế hay kết hợp với bột đậu nành trong thành phần của hỗn hợp thay thế sữa trong sản xuất bánh. SPI còn được sử dụng do khả năng củng cố cấu trúc protein của mì sợi và đặc biệt là bánh mì. 1.3.2.4 Trong các sản phẩm từ sữa: sản phẩm giả phô mai được sản xuất từ SPI, có hay không có huyết thanh sữa. Những loại phô mai đã được sản xuất bao gồm: phô mai mềm, bán mềm, nuôi cấy bề mặt (giả Camembert) và phô mai cứng ủ chín. 1.3.2.5 Trong sữa bột nhân tạo cho trẻ em (infant formulas): trong các sản phẩm này, SPI được dùng thay cho sữa. Đây là sản phẩm dùng cho những trẻ em không hấp thụ được đường lactose trong sữa. 1.3.2.6 Các ứng dụng khác: Một phần SPI thuỷ phân có tính chất tạo bọt và có thể được sử dụng như là tác nhân tạo bọt khi kết hợp với lòng trắng trứng trong sản phẩm bánh kẹo và tráng miệng. SPI cũng là một tác nhân làm tăng hiệu quả của quá trình sấy phun puree trái cây. Trong ứng dụng này, nó có thể thay thế maltodextrin, với ưu điểm là tăng hàm lượng protein trong sản phẩm cuối. Chương 2: Quy trình sản xuất 2.1. Soy protein concentrate: Nguyên liệu cho sản xuất SPC là bột đậu nành đã tách vỏ và tách béo với hàm lượng protein hoà tan cao. Nồng độ của protein sẽ tăng lên bằng cách loại đi những phần hoà tan không phải là protein. Những thành phần này bao gồm carbohydrate (mono, di và oligosacchride), những hợp chất chứa nitơ có phân tử lượng thấp và khoáng. Thông thường một tấn bột đậu nành đã tách béo có thể sản xuất được 750kg SPC. Bột thô đã khử béo (Defatted Meal) có thể xử lý bằng một trong 3 quá trình: xử lý với alcohol (methanol, ethanol, isopropyl alcohol), acid loãng ở pH=4.5 hoặc gia nhiệt ẩm, hơi nước. Ở quá trình thứ nhất, những thành phần không phải protein được chiết cùng với alcohol, còn lại protein và polysaccharides. Chúng được desovat hoá và sấy khô thành concentrate protein. Alcohol sau khi chiết đường sẽ tái sử dụng lại. Ở quá trình thứ hai, protein là thành phần chính được tách chiết với acid loãng ở pH = 4.2 - 4.5 (điểm đẳng điện của protein). Do có một vài protein tan trong pH =4.2 -4.5 nên sẽ có thất thoát protein trong quá trình này. Những phần không tan như polysaccharides, protein được trung hoà và sấy khô thành concentrate protein. Ở quá trình thứ ba, bột đậu nành được xử lý với nhiệt ẩm, làm biến tính protein. Những thành phần có khối lượng phân tử nhẹ được chiết với nước nóng. Phương pháp này cho sản phẩm có hàm lượng protein là 70%, 20% là carbohydrates, 6% là tro và 1% là dầu. Trong các phương pháp trên, phương pháp kết tủa protein (phương pháp 2) là phương pháp được ứng dụng nhiều nhất trong công nghiệp để thu nhận các chế phẩm protein từ dung dịch. Nguyên tắc của phương pháp này là dưới tác động của các yếu tố bên ngoài, tương tác giữa protein với nước, giữa protein với protein và giữa protein với các thành phần khác bị thay đổi. Kết quả là làm thay đổi tính chất ban đầu của phân tử protein (sự biến tính), mà tiêu biểu là giảm khả năng hoà tan của protein trong dung dịch, dẫn đến sự tập hợp các phân tử protein tạo thành khối kết tủa và tách ra khỏi dung dịch. Tuỳ theo mức độ thay đổi mà sự biến tính protein được chia thành 2 dạng: Biến tính thuận nghịch: hầu như không có sự phân huỷ các liên kết bền trong phân tử (liên kết cầu disunfua), hay nếu có thì chỉ ở mức độ không đáng kể. Chính vì thế mà khi tác nhân gây biến tính được loại ra khỏi môi trường thì các cấu trúc ban đầu của phân tử protein có thể được phục hồi trở lại, dẫn đến các tính chất ban đầu cũng được phục hồi. Trường hợp này thường được ứng dụng khi muốn thu nhận các chế phẩm protein mà vẫn giữ được hoạt tính sinh học (chủ yếu là các enzym, kháng thể). Biến tính không thuận nghịch: là dạng biến tính gây ra những biến đổi sâu sắc, dẫn đến mất khả năng phục hồi trở lại cấu trúc ban đầu của phân tử protein. Khi đó, hầu hết các liên kết yếu trong phân tử và cả một số liên kết mạnh như cầu disunfua cũng bị phá huỷ. Và trong trường hợp này do mất đi các liên kết bền ban đầu mà phân tử protein không còn khả năng phục hồi lại cấu trúc tự nhiên khi tác nhân gây biến tính được loại bỏ, điều này cũng đồng nghĩa với việc các phân tử protein mất đi các tính chất ban đầu. Trên cơ sở đó, phương pháp kết tủa gây biến tính không thuận nghịch được ứng dụng rất nhiều để thu nhận protein với mục đích giữ lại các giá trị dinh dưỡng của sản phẩm. Các phương pháp kết tủa protein: Kết tủa bằng pH: bằng các tác nhân acid, base, dung dịch đệm… có thể đưa pH của dung dịch về giá trị mà tại đó điện tích của các phân tử protein bị trung hoà, khiến cho lực đẩy tĩnh điện giữa các phân tử mất đi, đồng thời tương tác giữa phân tử protein với các phân tử nước cũng giảm đi, dẫn đến lớp vỏ hydrat bao quanh bề mặt bị phá vỡ, tạo điều kiện cho các phân tử tập hợp lại với nhau hình thành kết tủa. Ở đây do không có sự thay đổi cấu trúc phân tử nên sau khi loại tác nhân ra khỏi dung dịch, protein có thể hoà tan trở lại trong môi trường có pH thích hợp. Sau khi lọc hay ly tâm để thu kết tủa thì tác nhân sẽ được loại ra. Kết tủa bằng nhiệt độ: dưới tác dụng của nhiệt độ cao, các liên kết trong cấu trúc phân tử protein sẽ bị phá huỷ. Các cấu trúc bậc 2, 3, 4 bị duỗi mạch, xuất hiện các nhóm kỵ nước trên bề mặt phân tử protein, làm giảm tương tác giữa protein