Vì sao sữa đông lại khi lên men thành sữa chua? Vì sao cho chanh vào sữa đậu nành nóng lại tạo thành tào phớ? Vì sao đồ uống protein có vị chua dễ bị vẩn đục, lắng cặn? Lời giải chung cho những hiện tượng này là điểm đẳng điện, một khái niệm hóa học đơn giản nhưng chi phối rất nhiều quá trình trong chế biến thực phẩm giàu protein.

Điểm đẳng điện là gì?

Protein được cấu tạo từ axit amin, trong đó có các nhóm có thể mang điện tích dương (nhóm amin, chuỗi bên của lysine, arginine, histidine) và điện tích âm (nhóm carboxyl, chuỗi bên của axit aspartic, axit glutamic). Điện tích tổng của protein phụ thuộc vào pH môi trường:

  • Ở pH thấp (môi trường axit), các nhóm bị proton hóa, protein mang điện tích dương.
  • Ở pH cao (môi trường kiềm), các nhóm mất proton, protein mang điện tích âm.
  • Tại một giá trị pH nhất định, điện tích dương và âm cân bằng, điện tích tổng bằng không. Giá trị pH này gọi là điểm đẳng điện (isoelectric point, ký hiệu pI).

Vì sao điểm đẳng điện quan trọng?

Khi protein mang điện tích, các phân tử cùng dấu đẩy nhau và tương tác mạnh với nước, giúp protein tan và phân tán ổn định. Tại điểm đẳng điện, lực đẩy tĩnh điện gần như biến mất, các phân tử protein dễ tiến lại gần, liên kết với nhau qua tương tác kỵ nước và liên kết hydro, dẫn đến:

  • Độ tan thấp nhất: protein kết tụ và kết tủa.
  • Khả năng giữ nước thấp nhất: thịt ở pH gần pI giữ nước kém, dễ chảy dịch.
  • Khả năng nhũ hóa và tạo bọt giảm do mất lực đẩy giữa các giọt, bọt khí.
  • Độ nhớt thay đổi và dễ tạo gel hoặc đông tụ.

Điểm đẳng điện của một số protein thực phẩm

  • Casein (sữa): khoảng 4,6.
  • Beta-lactoglobulin (whey): khoảng 5,2; alpha-lactalbumin khoảng 4,2–4,5.
  • Protein đậu nành (glycinin, β-conglycinin): khoảng 4,5–5.
  • Ovalbumin (lòng trắng trứng): khoảng 4,5–4,7; lysozyme khoảng 10,7.
  • Protein cơ thịt (myosin): khoảng 5,0–5,4.
  • Gluten: gliadin và glutenin có pI tương đối cao, khoảng 6–8.
  • Gelatin: loại A (xử lý axit) khoảng 7–9, loại B (xử lý kiềm) khoảng 4,7–5,4.

Giá trị cụ thể thay đổi theo giống, phương pháp đo, lực ion và sự có mặt của muối, nên chỉ mang tính tham khảo.

Ứng dụng trong chế biến

Sữa chua và phô mai tươi

Trong lên men sữa chua, vi khuẩn lactic chuyển lactose thành axit lactic, hạ pH sữa từ khoảng 6,7 xuống khoảng 4,6. Khi tiến gần điểm đẳng điện của casein, các micelle casein mất ổn định, kết tụ tạo mạng gel giữ nước: đó là khối sữa chua. Phô mai tươi, phô mai kem, quark cũng được đông tụ bằng axit theo nguyên lý này; trong khi phô mai cứng chủ yếu dùng enzyme rennet.

Đậu hũ, tào phớ

Protein đậu nành có thể đông tụ bằng axit (giấm, nước chua, GDL – glucono-delta-lactone) đưa pH về gần điểm đẳng điện, hoặc bằng muối canxi, magie (thạch cao, nigari). GDL thủy phân từ từ thành axit gluconic, tạo đậu hũ non mịn, đồng nhất.

Sản xuất protein phân lập

Protein phân lập đậu nành, đậu Hà Lan thường được sản xuất bằng cách hòa tan protein ở pH kiềm, loại bỏ bã, rồi hạ pH về điểm đẳng điện để kết tủa protein (kết tủa đẳng điện), sau đó trung hòa và sấy. Casein axit cũng được sản xuất bằng cách axit hóa sữa gầy đến pH khoảng 4,6.

Đồ uống protein có tính axit

Nước giải khát pha sữa, đồ uống whey vị trái cây thường có pH 3,5–4,5, rất gần pI của casein và whey. Để tránh kết tủa, nhà sản xuất:

  • Dùng pH thấp hẳn dưới pI (khoảng 3–3,5) với whey phân lập, nơi protein mang điện dương mạnh và tan trong;
  • Thêm pectin methoxyl cao hoặc CMC, soy polysaccharide hấp phụ lên bề mặt hạt casein, tạo lực đẩy tĩnh điện và lập thể, giữ hạt lơ lửng (ứng dụng điển hình trong sữa chua uống);
  • Đồng hóa sau khi phối trộn để phân tán đều.

Thịt và sản phẩm thịt

Sau giết mổ, pH thịt giảm từ khoảng 7 xuống khoảng 5,5, gần pI của protein cơ, nên khả năng giữ nước giảm. Thịt PSE (nhạt màu, mềm, rỉ dịch) có pH giảm quá nhanh khi thân thịt còn nóng. Muối và phosphate trong chế biến giò chả, xúc xích làm tăng pH và lực ion, đẩy protein xa khỏi pI, giúp tăng khả năng giữ nước và tạo gel.

Nhũ tương và bọt

Nhũ tương và bọt được ổn định bằng protein thường kém bền khi pH gần điểm đẳng điện. Khi thiết kế nước sốt, kem phủ, đồ uống chứa protein, cần chọn pH đủ xa pI hoặc bổ sung chất ổn định. Xem thêm nhũ tương.

Các yếu tố làm thay đổi hành vi gần pI

  • Lực ion (nồng độ muối): muối ở nồng độ thấp có thể làm tăng độ tan (“salting in”), ở nồng độ cao làm giảm độ tan (“salting out”).
  • Nhiệt độ: protein đã biến tính nhiệt kết tụ mạnh hơn khi gần pI.
  • Ion canxi: làm cầu nối giữa các phân tử protein mang điện âm.
  • Polysaccharide: tạo phức với protein, ở pH dưới pI có thể tạo phức tụ (coacervate), ứng dụng trong vi bao.

Xác định điểm đẳng điện

  • Đo độ tan protein theo pH: pH có độ tan thấp nhất xấp xỉ pI.
  • Đo thế zeta theo pH: pH tại đó thế zeta bằng không.
  • Điện di hội tụ đẳng điện (isoelectric focusing) trong phòng thí nghiệm sinh hóa.
  • Ước tính từ trình tự axit amin bằng phần mềm (chỉ mang tính lý thuyết).

Câu hỏi thường gặp

Vì sao cho chanh vào sữa nóng thì sữa bị vón? Axit trong chanh hạ pH sữa về gần điểm đẳng điện của casein, nhiệt làm quá trình kết tụ xảy ra nhanh hơn, tạo thành các cục đông. Đây cũng là cách làm phô mai paneer.

Protein có bị mất dinh dưỡng khi kết tủa ở điểm đẳng điện? Không. Kết tủa đẳng điện chỉ làm protein mất độ tan, thành phần axit amin không thay đổi.

Thuật ngữ liên quan

Đọc thêm: Ngành Công Nghệ Thực Phẩm Là Gì? Tổng Quan A-Z