Chiết xuất bằng siêu âm để sản xuất leghemoglobin

Một phương pháp sạch hơn, nhanh hơn và dễ mở rộng quy mô hơn để khai thác phân tử tạo đặc tính “như thịt” cho thực phẩm có nguồn gốc thực vật: Leghemoglobin – protein chứa heme tạo nên mùi thơm, màu sắc và hương vị của thịt – đã trở thành một trong những phân tử sinh học có giá trị nhất trong ngành thực phẩm có nguồn gốc thực vật. Theo truyền thống, leghemoglobin được sản xuất bằng phương pháp lên men hoặc thông qua các công đoạn xử lý sau sản xuất phức tạp, nên việc chiết xuất vẫn tốn kém và khó mở rộng quy mô. Xử lý bằng siêu âm thay đổi hoàn toàn bài toán đó.
Xử lý bằng siêu âm cho phép giải phóng, phân tán và ổn định hiệu quả các protein hemoglobin đậu nành, mở ra hướng đi rõ ràng để chiết xuất leghemoglobin ở quy mô công nghiệp.

Vì sao leghemoglobin quan trọng

Leghemoglobin có nhiều trong tự nhiên tại các nốt sần rễ đậu nành và đóng vai trò sinh học thiết yếu trong việc điều hòa oxy. Trong ứng dụng thực phẩm, nhóm heme của protein này xúc tác các phản ứng tạo hương vị khi nấu, mô phỏng rất sát thịt động vật. Các nhà nghiên cứu đã xác nhận rằng leghemoglobin đậu nành duy trì khả năng liên kết heme, hoạt tính peroxidase và khả năng tiêu hóa, khiến protein này trở thành một thành phần thực phẩm khả thi và an toàn.
Thách thức chưa bao giờ nằm ở chức năng – mà nằm ở việc chiết xuất hiệu quả và xử lý có khả năng mở rộng quy mô.
Chiết xuất bằng siêu âm làm tăng hiệu suất thu hồi leghemoglobin, bảo toàn chức năng heme của leghemoglobin và có thể mở rộng quy mô tuyến tính từ phòng thí nghiệm đến sản xuất công nghiệp, nhờ đó trở thành một phương pháp có hiệu quả cao và đáng tin cậy để sản xuất leghemoglobin cho các ứng dụng thực phẩm có nguồn gốc thực vật.

Chiết xuất leghemoglobin từ đậu nành hoặc thiết bị phản ứng sinh học E. coli

Có thể thu nhận leghemoglobin theo hai phương pháp khác nhau về cơ bản, nhưng sản xuất công nghiệp hiện nay dựa vào quá trình tổng hợp của vi sinh vật thay vì chiết xuất trực tiếp từ đậu nành. Mặc dù leghemoglobin có mặt tự nhiên ở nồng độ cao trong các nốt sần rễ đậu nành, việc chiết xuất trực tiếp từ thực vật không khả thi ở quy mô lớn do hiệu suất thu hồi thấp, sự biến động trong sản xuất nông nghiệp và quá trình tinh sạch sau đó phức tạp. Vì vậy, leghemoglobin chủ yếu được sản xuất bằng quá trình sinh tổng hợp trong các vi sinh vật đã được biến đổi di truyền, phổ biến nhất là Escherichia coli hoặc nấm men, trong đó gen leghemoglobin đậu nành được đưa vào và biểu hiện trong các điều kiện được kiểm soát của thiết bị phản ứng sinh học. Các nghiên cứu gần đây chứng minh rằng các hệ thống dựa trên E. coli, bao gồm thiết bị phản ứng sinh học sử dụng tế bào và không sử dụng tế bào, có thể sản xuất leghemoglobin đậu nành có chức năng với trình tự axit amin chính xác, khả năng liên kết heme và hoạt tính enzym, khiến tổng hợp bằng vi sinh vật trở thành phương thức được ưu tiên trong công nghiệp.
Thiết bị chiết xuất siêu âm phù hợp để chiết xuất leghemoglobin từ cả hai nguồn – nốt sần rễ đậu nành và thiết bị phản ứng sinh học E.coli.

Siêu âm cải thiện quá trình chiết xuất leghemoglobin như thế nào

Xử lý bằng siêu âm hoạt động bằng cách tạo ra hiện tượng xâm thực âm cường độ cao trong môi trường lỏng. Khi các bong bóng vi mô sụp đổ, chúng tạo ra các lực cắt cục bộ có tác dụng:

• Phá vỡ cấu trúc tế bào thực vật và vi sinh vật
• Giải phóng các protein nội bào như leghemoglobin
• Giảm các khối kết tụ protein và cải thiện sự phân tán
• Tăng tốc độ truyền khối mà không cần hóa chất mạnh

Trong các hệ thống phòng thí nghiệm được kiểm soát, xử lý bằng siêu âm đã được chứng minh là có thể phá vỡ các khối kết tụ hemoglobin và giảm kích thước hạt nhiều bậc độ lớn, đồng thời bảo toàn chức năng của protein.

Điều này đặc biệt quan trọng đối với leghemoglobin, vì sự kết tụ và phân tán không đồng đều có thể hạn chế hiệu suất thu hồi và hiệu quả của các công đoạn xử lý tiếp theo.

Từ phòng thí nghiệm đến nhà máy: Khả năng mở rộng quy mô tuyến tính với máy siêu âm công nghiệp

Một trong những ưu điểm lớn nhất của siêu âm là khả năng mở rộng quy mô tuyến tính. Khác với đồng hóa cơ học hoặc nghiền bi, năng lượng siêu âm đưa vào tăng tỷ lệ thuận với thể tích xử lý. Điều này có nghĩa là các thông số được tối ưu hóa ở quy mô để bàn – như biên độ, mật độ năng lượng và thời gian lưu – có thể được chuyển một cách đáng tin cậy sang quy mô thí điểm và sản xuất.

Các hệ thống siêu âm công nghiệp của Hielscher Ultrasonics được thiết kế riêng cho mục đích này. Các máy siêu âm công suất cao, vận hành theo dòng chảy liên tục của hãng cho phép:

• Chiết xuất trực tiếp trên đường ống từ huyền phù đậu nành
• Giải phóng protein với khả năng tái lập ở quy mô kilôgam và tấn
• Kiểm soát chính xác năng lượng đưa vào (W/L)
• Vận hành công nghiệp 24/7 với các vật liệu phù hợp để tiếp xúc với thực phẩm

Các hệ thống này cho phép nhà sản xuất chuyển đổi liền mạch từ nghiên cứu và phát triển sang sản xuất thương mại mà không cần thiết kế lại quy trình.

Xử lý sạch hơn, chất lượng protein tốt hơn

Một ưu điểm lớn khác của chiết xuất bằng siêu âm là tính sạch của quy trình. Các nghiên cứu cho thấy siêu âm có thể giảm sự phụ thuộc vào các dung môi có tác động mạnh hoặc xử lý nhiệt quá mức, cả hai đều có nguy cơ làm hỏng nhóm heme hoặc gây biến tính protein.

Khi nhiệt độ được kiểm soát phù hợp, xử lý bằng siêu âm bảo toàn:

• Tính toàn vẹn của heme
• Đặc tính liên kết oxy
• Khả năng tiêu hóa trong điều kiện dạ dày mô phỏng

Điều này phù hợp với nhu cầu của ngành về các công nghệ xử lý bền vững, đáp ứng tiêu chí nhãn sạch.

Ý nghĩa đối với thực phẩm có nguồn gốc thực vật

Khi nhu cầu về thịt có nguồn gốc thực vật tiếp tục tăng, các nhà sản xuất đang tìm cách giảm chi phí đồng thời cải thiện tính đồng nhất của sản phẩm. Chiết xuất bằng siêu âm mang đến một giải pháp đầy sức thuyết phục:

• Hiệu suất thu hồi cao hơn từ nguyên liệu đậu nành
• Thời gian xử lý ngắn hơn
• Khả năng mở rộng quy mô có thể dự đoán được
• Mức độ phức tạp trong vận hành thấp hơn

Kết hợp với các thiết bị phản ứng siêu âm cấp công nghiệp của Hielscher Ultrasonics, công nghệ này mở ra con đường trực tiếp hướng tới sản xuất leghemoglobin khả thi về mặt thương mại.

Bằng chứng khoa học hiện nay củng cố điều mà các kỹ sư quy trình từ lâu đã nhận định: siêu âm không chỉ là một công cụ phòng thí nghiệm – mà còn là một công nghệ chủ lực trong công nghiệp. Đối với việc chiết xuất leghemoglobin từ đậu nành, xử lý bằng siêu âm mang lại hiệu quả, khả năng mở rộng quy mô và chất lượng sản phẩm trong cùng một nền tảng.

Khi ngành thực phẩm có nguồn gốc thực vật tiếp tục mở rộng quy mô, chiết xuất bằng siêu âm có thể trở thành công nghệ nền tảng giúp việc sản xuất leghemoglobin cuối cùng đạt được tốc độ nhanh hơn, sạch hơn và bền vững về kinh tế.

Bảng dưới đây cung cấp thông tin tham khảo về năng lực xử lý gần đúng của các máy siêu âm của chúng tôi:

Thiết kế, sản xuất và tư vấn – Chất lượng sản xuất tại Đức

Máy siêu âm Hielscher nổi tiếng với các tiêu chuẩn chất lượng và thiết kế cao nhất. Độ bền và khả năng vận hành dễ dàng cho phép tích hợp thuận lợi các máy siêu âm của chúng tôi vào cơ sở công nghiệp. Máy siêu âm Hielscher dễ dàng đáp ứng các điều kiện khắc nghiệt và môi trường đòi hỏi cao.

Hielscher Ultrasonics là công ty được chứng nhận ISO và đặc biệt chú trọng các máy siêu âm hiệu suất cao ứng dụng công nghệ tiên tiến nhất và thân thiện với người dùng. Tất nhiên, các máy siêu âm Hielscher tuân thủ CE và đáp ứng các yêu cầu của UL, CSA và RoHs.