Tổng quan nghiên cứu

Trong năm 2021, sản lượng thủy sản toàn cầu ước đạt khoảng 77 triệu tấn, trong đó sản lượng cá thát lát đạt khoảng 6 triệu tấn, tạo ra lượng phụ phẩm da cá chiếm từ 17-22% tổng khối lượng nguyên liệu. Da cá thát lát chứa hàm lượng protein cao, khoảng 25,3% theo căn bản ướt, cùng với các thành phần lipid và tro thấp, là nguồn nguyên liệu tiềm năng để sản xuất dịch thủy phân protein (DTP) có hoạt tính sinh học. Canxi là khoáng chất đa lượng thiết yếu, đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc xương và các chức năng sinh lý như đông máu, co cơ, và dẫn truyền thần kinh. Tuy nhiên, việc hấp thu canxi từ các sản phẩm bổ sung vô cơ thường bị hạn chế do tạo phức không tan hoặc kết tủa trong đường ruột. Do đó, peptide có khả năng liên kết canxi từ DTP protein được xem là giải pháp nâng cao tính khả dụng sinh học của canxi.

Nghiên cứu này nhằm khảo sát khả năng liên kết canxi (CaBC) và các tính chất chức năng của dịch thủy phân protein từ da cá thát lát sử dụng enzyme Flavourzyme. Mục tiêu cụ thể bao gồm xác định thành phần hóa học của da cá, tối ưu điều kiện thủy phân để thu nhận DTP có CaBC cao nhất, phân đoạn peptide có hoạt tính liên kết canxi cao nhất, đánh giá thành phần amino acid, mức độ thủy phân, tính chất chức năng như độ tan, khả năng tạo bọt, tạo nhũ, giữ nước và dầu, cũng như độ ổn định hoạt tính dưới các điều kiện pH và nhiệt độ. Nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh trong khoảng thời gian từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2022. Kết quả nghiên cứu góp phần tận dụng hiệu quả phụ phẩm thủy sản, tạo ra sản phẩm giá trị gia tăng và giảm thiểu tác động môi trường, đồng thời mở ra hướng phát triển các sản phẩm bổ sung canxi và thực phẩm chức năng.

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:

  • Khả năng liên kết canxi (CaBC): Được hiểu là khả năng của peptide trong dịch thủy phân protein liên kết với ion canxi thông qua các nhóm chức như carboxyl (-COOH) và phosphate, tạo thành phức hợp ổn định. Các amino acid như Aspartic acid (Asp), Glutamic acid (Glu), Histidine (His), Lysine (Lys), Serine (Ser), Threonine (Thr) đóng vai trò quan trọng trong cơ chế liên kết này.

  • Mức độ thủy phân (Degree of Hydrolysis - DH): Tỷ lệ phần trăm liên kết peptide bị cắt đứt trong quá trình thủy phân, ảnh hưởng đến kích thước peptide và tính chất chức năng của DTP.

  • Tính chất chức năng của protein thủy phân: Bao gồm độ tan, khả năng tạo bọt (Foaming Capacity - FC), độ bền bọt (Foaming Stability - FS), khả năng tạo nhũ (Emulsifying Activity Index - EAI), độ bền nhũ (Emulsifying Stability Index - ESI), khả năng giữ nước (Water Holding Capacity - WHC) và giữ dầu (Oil Holding Capacity - OHC). Những tính chất này ảnh hưởng đến ứng dụng của DTP trong ngành thực phẩm.

  • Độ ổn định hoạt tính CaBC: Ảnh hưởng của pH và nhiệt độ đến khả năng liên kết canxi của DTP, phản ánh tính ổn định của sản phẩm trong điều kiện chế biến và tiêu hóa.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Da cá thát lát được thu mua từ cơ sở chế biến tại TP. Hồ Chí Minh, bảo quản lạnh và xử lý tại phòng thí nghiệm. Enzyme Flavourzyme® 500 MG được sử dụng để thủy phân protein.

  • Quy trình thủy phân: Da cá xay nhuyễn được trộn với nước theo tỷ lệ S/W (da cá:nước) khác nhau, xử lý nhiệt diệt enzyme nội, điều chỉnh pH về 7, thêm enzyme với tỷ lệ E/S (enzyme:cơ chất) khác nhau, thủy phân ở 50°C trong thời gian từ 2 đến 6 giờ. Sau đó ngừng phản ứng bằng gia nhiệt, ly tâm, lọc để thu dịch thủy phân protein.

  • Phân tích thành phần hóa học: Xác định độ ẩm, protein (phương pháp Kjeldahl), lipid (Soxhlet), tro (AOAC).

  • Đánh giá CaBC: Phương pháp tạo phức màu tím với o-cresolphthalein complexone, đo hấp thu ở bước sóng 570 nm.

  • Phân đoạn peptide: Sử dụng siêu lọc với màng lọc kích thước 30 kDa, 10 kDa, 3 kDa, 1 kDa để thu nhận các phân đoạn peptide >30 kDa, 10-30 kDa, 3-10 kDa, 1-3 kDa, <1 kDa, đánh giá CaBC từng phân đoạn.

  • Đánh giá tính chất chức năng: Độ tan được đo trong khoảng pH 3-8, khả năng tạo bọt và bền bọt, tạo nhũ và bền nhũ được khảo sát theo pH, khả năng giữ nước và dầu được xác định trên mẫu bột sấy đông khô.

  • Đánh giá độ ổn định CaBC: Thử nghiệm dưới các điều kiện pH từ 1 đến 11 và nhiệt độ 100°C trong thời gian đến 180 phút.

  • Phân tích thống kê: Dữ liệu được lặp lại ít nhất 3 lần, phân tích phương sai (ANOVA) với phần mềm Statgraphics và Excel, mức ý nghĩa p<0,05.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thành phần hóa học của da cá thát lát: Độ ẩm 63,57 ± 1,68%, protein 25,30 ± 0,33%, lipid 3,27 ± 1,27%, tro 6,99 ± 0,43%. Hàm lượng protein cao tương đương với da cá minh thái và cá tuyết, phù hợp làm nguyên liệu sản xuất DTP.

  2. Điều kiện thủy phân tối ưu cho CaBC cao nhất: Tỷ lệ S/W 1:7 (w/v), tỷ lệ E/S 40 U/g protein, thời gian thủy phân 4 giờ, pH 7, nhiệt độ 50°C. DTP thu được có CaBC đạt 23,04 ± 0,34 mg Ca2+/g protein, cao hơn 21,5 lần so với mẫu không sử dụng enzyme. Tuy nhiên, CaBC này thấp hơn 20,93 lần so với casein phosphopeptide (CPP).

  3. Mức độ thủy phân (DH): 1,39 ± 0,25% ở điều kiện tối ưu, cho thấy quá trình thủy phân nhẹ, tạo ra peptide có kích thước phù hợp để liên kết canxi.

  4. Thành phần amino acid: DTP chứa 7/9 amino acid thiết yếu, chiếm 19,19% tổng amino acid. Hàm lượng Glu (224,15 mg/100 ml) và Asp (114,44 mg/100 ml) cao, góp phần vào khả năng liên kết canxi qua nhóm carboxyl. Các amino acid kị nước như Leu, Val, Ala, Pro cũng có mặt với hàm lượng đáng kể, giúp ổn định liên kết canxi.

  5. Tính chất chức năng:

    • Độ tan duy trì trên 70% trong khoảng pH 3-8, kể cả sau xử lý nhiệt 63°C trong 30 phút và 93°C trong 30 giây.
    • Khả năng tạo bọt (FC) và độ bền bọt (FS) giảm dần khi pH tăng từ 3 đến 8, FC cao nhất tại pH 3 với 26,83 ± 1,04%, thấp hơn 3 lần so với albumin.
    • Khả năng tạo nhũ (EAI) và độ bền nhũ (ESI) có xu hướng trái ngược tại pH 4, EAI đạt 16,42 ± 0,25 m2/g, ESI thấp nhất 34,45 ± 1,22 phút. ESI của DTP cao hơn 1,09 lần so với natri caseinate, cho thấy tiềm năng làm phụ gia ổn định nhũ tương.
    • Khả năng giữ nước (WHC) là 1,87 ± 0,12 ml nước/g bột, thấp hơn 2,71 lần so với casein; khả năng giữ dầu (OHC) là 1,33 ± 0,12 ml dầu/g bột, cao hơn 1,25 lần so với casein.

  6. Độ ổn định CaBC:

    • Giữ trên 72,69 ± 4,17% sau xử lý pH từ 1 đến 11, cao nhất tại pH 7 (96,97 ± 3,13%).
    • Giữ 91,31 ± 3,40% sau 180 phút xử lý nhiệt ở 100°C, cho thấy tính ổn định cao trong điều kiện chế biến thực phẩm.

  7. Phân đoạn peptide có CaBC cao nhất: Phân đoạn <1 kDa có CaBC 25,53 ± 0,31 mg Ca2+/g protein, cao hơn 1,43 lần so với peptide từ phụ phẩm tôm và thấp hơn 10,88 lần so với peptide từ ruốc.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy da cá thát lát là nguồn nguyên liệu giàu protein thích hợp để sản xuất DTP có hoạt tính liên kết canxi. Việc sử dụng enzyme Flavourzyme trong điều kiện thủy phân tối ưu giúp tạo ra peptide có kích thước và thành phần amino acid phù hợp, đặc biệt là các amino acid có nhóm carboxyl và hydroxyl, góp phần nâng cao CaBC. Mức độ thủy phân thấp giúp duy trì cấu trúc peptide cần thiết cho hoạt tính sinh học.

Tính chất chức năng của DTP như độ tan cao và khả năng tạo nhũ ổn định cho thấy tiềm năng ứng dụng trong ngành thực phẩm như phụ gia cải thiện cấu trúc và ổn định hệ nhũ tương. Độ ổn định CaBC dưới các điều kiện pH và nhiệt độ khác nhau phản ánh khả năng duy trì hoạt tính trong quá trình chế biến và tiêu hóa, phù hợp với điều kiện sinh lý trong dạ dày và ruột.

So sánh với các nghiên cứu khác, CaBC của DTP da cá thát lát thấp hơn so với casein phosphopeptide và một số DTP từ nguồn khác như ruốc hay đậu nành, nhưng vẫn có giá trị ứng dụng nhất định. Phân đoạn peptide nhỏ (<1 kDa) có hoạt tính cao nhất phù hợp với các báo cáo về peptide sinh học có kích thước nhỏ thường có hoạt tính mạnh hơn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ thể hiện ảnh hưởng của tỷ lệ S/W, E/S, thời gian thủy phân đến CaBC; biểu đồ so sánh CaBC giữa các phân đoạn peptide; biểu đồ độ tan, FC, FS, EAI, ESI theo pH; và biểu đồ độ ổn định CaBC theo pH và thời gian xử lý nhiệt.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình thủy phân: Áp dụng điều kiện thủy phân với tỷ lệ S/W 1:7, tỷ lệ E/S 40 U/g protein, thời gian 4 giờ, pH 7 và nhiệt độ 50°C để thu nhận DTP có CaBC cao nhất. Thời gian thực hiện trong giai đoạn sản xuất thử nghiệm và mở rộng quy mô.

  2. Phát triển sản phẩm bổ sung canxi: Sử dụng phân đoạn peptide <1 kDa từ DTP da cá thát lát làm nguyên liệu chính trong sản xuất thực phẩm chức năng hoặc phụ gia bổ sung canxi, nhằm tăng tính khả dụng sinh học của canxi trong cơ thể.

  3. Nghiên cứu phối hợp với các nguồn peptide khác: Kết hợp DTP da cá thát lát với các peptide có CaBC cao hơn như casein phosphopeptide để cải thiện hiệu quả bổ sung canxi, đồng thời giảm chi phí sản xuất.

  4. Ứng dụng trong ngành thực phẩm: Khai thác tính chất chức năng của DTP như khả năng tạo nhũ và giữ dầu để phát triển các sản phẩm thực phẩm dạng nhũ tương, bánh kẹo hoặc thực phẩm chế biến sẵn, nâng cao chất lượng và giá trị sản phẩm.

  5. Đánh giá an toàn và hiệu quả sinh học: Tiến hành các nghiên cứu tiếp theo về tính an toàn, khả năng hấp thu canxi in vivo và tác động dinh dưỡng của DTP protein da cá thát lát để hoàn thiện hồ sơ sản phẩm trước khi thương mại hóa.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Thực phẩm: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu chi tiết về quy trình thủy phân protein, tính chất chức năng và hoạt tính sinh học của DTP từ phụ phẩm thủy sản, hỗ trợ phát triển đề tài liên quan.

  2. Doanh nghiệp chế biến thủy sản và thực phẩm chức năng: Thông tin về tận dụng phụ phẩm da cá thát lát để sản xuất nguyên liệu bổ sung canxi và phụ gia thực phẩm giúp nâng cao giá trị sản phẩm và giảm chi phí xử lý chất thải.

  3. Chuyên gia dinh dưỡng và y học: Cung cấp cơ sở khoa học về peptide liên kết canxi, tiềm năng ứng dụng trong cải thiện hấp thu canxi và phòng ngừa các bệnh liên quan đến thiếu hụt canxi.

  4. Cơ quan quản lý và phát triển chính sách: Tham khảo để xây dựng các chương trình khuyến khích sử dụng phụ phẩm thủy sản, thúc đẩy phát triển bền vững ngành thủy sản và thực phẩm chức năng.

Câu hỏi thường gặp

  1. DTP protein là gì và tại sao lại quan trọng trong bổ sung canxi?
    DTP protein là dịch thủy phân protein chứa các peptide có khả năng liên kết canxi, giúp giữ canxi ở dạng hòa tan, tăng tính khả dụng sinh học và hấp thu hiệu quả hơn so với các muối canxi vô cơ.

  2. Tại sao chọn enzyme Flavourzyme trong quá trình thủy phân?
    Flavourzyme là hỗn hợp endo- và exopeptidase hoạt động hiệu quả ở pH trung tính và nhiệt độ 40-60°C, giúp kiểm soát mức độ thủy phân, bảo tồn amino acid và tạo ra peptide có hoạt tính sinh học cao.

  3. Khả năng liên kết canxi của DTP protein da cá thát lát so với casein phosphopeptide như thế nào?
    CaBC của DTP da cá thát lát thấp hơn casein phosphopeptide khoảng 20 lần, nhưng vẫn có giá trị ứng dụng trong bổ sung canxi và có ưu điểm về nguồn nguyên liệu tái chế từ phụ phẩm thủy sản.

  4. Tính ổn định của CaBC dưới các điều kiện pH và nhiệt độ ra sao?
    CaBC của DTP protein giữ trên 72% trong khoảng pH 1-11 và trên 91% sau 180 phút xử lý nhiệt 100°C, cho thấy sản phẩm có độ bền cao phù hợp với điều kiện chế biến và tiêu hóa.

  5. Ứng dụng thực tế của DTP protein trong ngành thực phẩm là gì?
    DTP protein có thể được sử dụng làm phụ gia cải thiện độ tan, khả năng tạo nhũ, giữ nước và dầu trong các sản phẩm thực phẩm như bánh kẹo, thực phẩm chế biến sẵn, đồng thời làm nguyên liệu bổ sung canxi trong thực phẩm chức năng.

Kết luận

  • Da cá thát lát chứa hàm lượng protein cao (25,3%), là nguồn nguyên liệu tiềm năng cho sản xuất dịch thủy phân protein có hoạt tính liên kết canxi.
  • Điều kiện thủy phân tối ưu với Flavourzyme (50°C, pH 7, S/W 1:7, E/S 40 U/g, 4 giờ) cho CaBC cao nhất 23,04 ± 0,34 mg Ca2+/g protein.
  • Phân đoạn peptide <1 kDa có CaBC cao nhất 25,53 ± 0,31 mg Ca2+/g protein, phù hợp làm nguyên liệu bổ sung canxi.
  • DTP protein có tính chất chức năng tốt như độ tan cao, khả năng tạo nhũ ổn định và giữ dầu, thích hợp ứng dụng trong ngành thực phẩm.
  • CaBC của DTP ổn định dưới các điều kiện pH và nhiệt độ, đảm bảo hiệu quả trong chế biến và tiêu hóa.

Tiếp theo, cần triển khai nghiên cứu in vivo về khả năng hấp thu canxi và đánh giá an toàn sản phẩm, đồng thời phát triển quy trình sản xuất quy mô công nghiệp. Các doanh nghiệp và nhà nghiên cứu được khuyến khích hợp tác để ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn.

Hành động ngay: Khai thác nguồn phụ phẩm da cá thát lát để phát triển sản phẩm bổ sung canxi và phụ gia thực phẩm chức năng, góp phần nâng cao giá trị ngành thủy sản và sức khỏe cộng đồng.