Tổng quan nghiên cứu

Rong sụn Kappaphycus alvarezii (Doty) Doty là nguồn nguyên liệu giàu carrageenan (car), chiếm tới 40% trọng lượng khô, được nuôi trồng phổ biến tại các vùng ven biển Việt Nam như Khánh Hòa, Ninh Thuận và Bình Thuận. Carrageenan là polysaccharide có nhiều ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm, dược phẩm và y học nhờ tính chất tạo gel, ổn định và hoạt tính sinh học. Tuy nhiên, phương pháp sản xuất carrageenan truyền thống sử dụng hóa chất kiềm như NaOH gây ô nhiễm môi trường và khó khăn trong tinh chế sản phẩm. Do đó, nghiên cứu ứng dụng enzyme polysaccharase trong sản xuất carrageenan và oligocarrageenan (oligocar) từ rong sụn nhằm tạo ra sản phẩm “sạch”, thân thiện môi trường là hướng đi mới và cần thiết.

Mục tiêu chính của luận văn là phát triển quy trình sản xuất carrageenan và oligocarrageenan từ rong sụn K. alvarezii bằng phương pháp enzyme polysaccharase, đồng thời đánh giá ứng dụng của các sản phẩm này trong chế biến và bảo quản surimi cá đổng. Nghiên cứu được thực hiện trên nguyên liệu rong sụn thu hoạch tại đầm Thủy Triều, xã Cam Đức, huyện Cam Lâm, tỉnh Khánh Hòa, trong khoảng thời gian nhất định, đảm bảo tính đại diện và khả năng ứng dụng thực tiễn. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao giá trị kinh tế của nghề nuôi trồng rong sụn, giảm thiểu xuất khẩu nguyên liệu thô, đồng thời mở rộng ứng dụng carrageenan và oligocarrageenan trong ngành công nghiệp chế biến thủy sản, đặc biệt là sản xuất surimi.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về polysaccharide từ rong sụn, đặc biệt là carrageenan và oligocarrageenan. Carrageenan là polymer mạch thẳng gồm các liên kết luân phiên 1,3 β-D-galactose và 1,4 α-D-galactose với các nhóm sunphat khác nhau, tạo nên các loại κ-, ι-, λ-carrageenan với tính chất vật lý và hóa học đặc trưng. Oligocarrageenan là sản phẩm thủy phân carrageenan có khối lượng phân tử nhỏ hơn, giữ lại cấu trúc cơ bản nhưng có hoạt tính sinh học cao hơn.

Hai enzyme polysaccharase chính được nghiên cứu là Viscozyme L và Termamyl 120L. Viscozyme L chứa hỗn hợp cellulase, hemicellulase, xylanase giúp phá vỡ thành tế bào rong sụn, tạo điều kiện thuận lợi cho chiết carrageenan. Termamyl 120L là endo-amylase có khả năng thủy phân liên kết α-1,4 glycosid trong carrageenan, chịu nhiệt độ cao đến 85°C, thích hợp cho quá trình thủy phân carrageenan thành oligocarrageenan.

Các khái niệm chính bao gồm: hiệu suất thu hồi carrageenan, độ tinh sạch sản phẩm, hoạt tính enzyme, cấu trúc hóa học carrageenan và oligocarrageenan (xác định bằng phổ NMR, IR), tính chất vật lý (độ nhớt, sức đông), và ứng dụng trong sản xuất surimi.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là nguyên liệu rong sụn K. alvarezii thu hoạch tại đầm Thủy Triều, Khánh Hòa, và cá đổng cờ (Nemipterus virgatus) làm nguyên liệu sản xuất surimi. Cỡ mẫu rong sụn được sấy khô ở 50°C, cá được bảo quản lạnh 0-4°C. Chuột nhắt và chuột lang được sử dụng trong nghiên cứu độc tính.

Phương pháp phân tích bao gồm sắc ký khí để xác định monosaccharide, phương pháp Lowry để đo protein hòa tan, đo hoạt độ enzyme theo phương pháp Miller và Heinkel, xác định đường khử bằng phản ứng DNS, phổ NMR (1H, 13C), IR, và đo độ nhớt bằng nhớt kế Brookfield. Đánh giá chất lượng surimi theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 3215-79 và TCVN 8682:2011.

Quy trình nghiên cứu gồm các bước: xử lý rong sụn bằng enzyme Viscozyme L với các thông số tối ưu (tỷ lệ nước/rong 20/1, nồng độ enzyme 1,45%, pH 5,1, nhiệt độ 42°C, thời gian 60 phút), chiết carrageenan ở 90°C trong 80 phút; tinh sạch carrageenan và oligocarrageenan bằng phương pháp kết tủa phân đoạn với ethanol 960 ở các nồng độ và nhiệt độ thích hợp; thủy phân carrageenan thành oligocarrageenan bằng enzyme Termamyl 120L (nồng độ carrageenan 1%, enzyme 0,5%, pH 6,5, nhiệt độ 85°C, thời gian 16 giờ); đánh giá độc tính trên chuột thí nghiệm; thử nghiệm ứng dụng carrageenan và oligocarrageenan trong sản xuất surimi cá đổng.

Thời gian nghiên cứu kéo dài theo từng giai đoạn xử lý enzyme, tinh sạch, thủy phân, đánh giá độc tính và thử nghiệm ứng dụng, đảm bảo tính hệ thống và khoa học.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tối ưu hóa quy trình sản xuất carrageenan bằng enzyme Viscozyme L: Các thông số tối ưu gồm tỷ lệ nước/rong khô 20/1, nồng độ enzyme 1,45%, pH 5,1, nhiệt độ 42°C, thời gian xử lý 60 phút. Hiệu suất thu hồi carrageenan đạt khoảng 70%, cao hơn so với phương pháp hóa học truyền thống. Sức đông của carrageenan thu được tăng 15% so với carrageenan sản xuất bằng NaOH.

  2. Tinh sạch carrageenan bằng ethanol: Quy trình kết tủa phân đoạn protein và tạp chất bằng ethanol 960 ở nồng độ 25% và 60% tại 70°C cho sản phẩm carrageenan tinh sạch đạt tiêu chuẩn hóa lý, kim loại nặng và vi sinh vật theo quy định Bộ Y tế. Hàm lượng protein giảm từ 2,4% xuống dưới 0,1%, độ ẩm ổn định ở khoảng 10%.

  3. Thủy phân carrageenan thành oligocarrageenan bằng enzyme Termamyl 120L: Điều kiện tối ưu là nồng độ carrageenan 1%, enzyme 0,5%, pH 6,5, nhiệt độ 85°C, thời gian 16 giờ. Sản phẩm oligocarrageenan có khối lượng phân tử trung bình nhỏ hơn carrageenan khoảng 132 lần, chứa từ 2 đến 10 monosaccharide. Hàm lượng đường khử tăng 25% so với carrageenan ban đầu.

  4. Tinh sạch oligocarrageenan: Sử dụng ethanol 960 ở nồng độ 30% và 80% tại 60°C để kết tủa protein và oligocarrageenan, sản phẩm đạt tiêu chuẩn an toàn thực phẩm, hàm lượng tạp chất giảm đáng kể, độ ẩm dưới 12%.

  5. Đánh giá độc tính: Thử nghiệm trên chuột nhắt và chuột lang cho thấy carrageenan và oligocarrageenan không gây độc tính liều đơn và liều lặp lại trong 21 và 42 ngày, không ảnh hưởng đến trọng lượng cơ thể, các chỉ số huyết học, sinh hóa máu và mô bệnh học gan, thận, lách.

  6. Ứng dụng trong sản xuất surimi cá đổng: Bổ sung 1% carrageenan hoặc 0,2% oligocarrageenan vào surimi làm tăng cường độ gel lên 20-25%, cải thiện độ dai, độ mịn bề mặt và độ bền nhiệt. Trong quá trình bảo quản đông lạnh, surimi có phụ gia carrageenan và oligocarrageenan giữ được chất lượng cảm quan cao hơn 15% so với nhóm đối chứng, giảm lượng dịch thoát ra sau rã đông.

Thảo luận kết quả

Việc sử dụng enzyme Viscozyme L giúp phá vỡ thành tế bào rong sụn hiệu quả hơn so với phương pháp hóa học, tăng hiệu suất thu hồi carrageenan và giảm ô nhiễm môi trường. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về ứng dụng enzyme cellulase trong chiết polysaccharide từ rong biển. Quy trình tinh sạch bằng ethanol đơn giản, hiệu quả, phù hợp với sản xuất quy mô công nghiệp, đảm bảo an toàn thực phẩm.

Thủy phân carrageenan bằng enzyme Termamyl 120L tạo ra oligocarrageenan có kích thước phân tử nhỏ, giữ nguyên cấu trúc cơ bản, phù hợp với các nghiên cứu về enzyme polysaccharase trong thủy phân carrageenan. Sản phẩm oligocarrageenan có hoạt tính sinh học cao hơn, mở rộng ứng dụng trong y học và thực phẩm.

Đánh giá độc tính cho thấy sản phẩm an toàn với động vật thí nghiệm, tạo cơ sở cho ứng dụng trong thực phẩm chức năng và chế biến thực phẩm. Ứng dụng carrageenan và oligocarrageenan trong surimi cá đổng cải thiện tính chất cơ lý và bảo quản sản phẩm, phù hợp với nhu cầu phát triển ngành chế biến thủy sản Việt Nam.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất thu hồi carrageenan, biểu đồ so sánh cường độ gel surimi với và không có phụ gia, bảng phân tích các chỉ số sinh hóa máu và mô bệnh học chuột thí nghiệm.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng quy trình enzyme Viscozyme L trong sản xuất carrageenan công nghiệp: Động viên các doanh nghiệp chế biến rong sụn chuyển đổi công nghệ từ hóa học sang enzyme polysaccharase để nâng cao hiệu quả và giảm ô nhiễm môi trường. Mục tiêu tăng hiệu suất thu hồi carrageenan lên trên 70% trong vòng 1-2 năm.

  2. Triển khai quy trình tinh sạch carrageenan và oligocarrageenan bằng ethanol: Khuyến khích áp dụng phương pháp tinh sạch đơn giản, tiết kiệm chi phí, đảm bảo tiêu chuẩn an toàn thực phẩm, phù hợp với quy mô pilot và công nghiệp. Thời gian thực hiện trong 1 năm.

  3. Phát triển sản phẩm oligocarrageenan làm thực phẩm chức năng và phụ gia thực phẩm: Nghiên cứu sâu hơn về hoạt tính sinh học, mở rộng ứng dụng trong y học và công nghiệp thực phẩm, đặc biệt trong bảo quản và cải thiện chất lượng sản phẩm thủy sản. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp dược phẩm.

  4. Ứng dụng carrageenan và oligocarrageenan trong sản xuất surimi và các sản phẩm chế biến thủy sản: Đề xuất bổ sung carrageenan 1% hoặc oligocarrageenan 0,2% trong quy trình sản xuất surimi để nâng cao chất lượng và kéo dài thời gian bảo quản đông lạnh. Thời gian áp dụng trong 6-12 tháng, chủ thể là các nhà máy chế biến thủy sản.

  5. Tăng cường đào tạo và chuyển giao công nghệ enzyme polysaccharase cho các cơ sở sản xuất: Tổ chức các khóa đào tạo, hội thảo nhằm nâng cao nhận thức và kỹ năng vận hành công nghệ enzyme trong sản xuất carrageenan và oligocarrageenan. Chủ thể là các trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và học viên cao học ngành Công nghệ chế biến thủy sản: Luận văn cung cấp dữ liệu mới về quy trình enzyme polysaccharase trong sản xuất carrageenan và oligocarrageenan, phương pháp tinh sạch và ứng dụng trong chế biến thực phẩm, phục vụ nghiên cứu và giảng dạy.

  2. Doanh nghiệp chế biến rong sụn và thủy sản: Tham khảo để chuyển đổi công nghệ sản xuất carrageenan sạch, nâng cao hiệu quả kinh tế và chất lượng sản phẩm, đồng thời ứng dụng carrageenan và oligocarrageenan trong sản xuất surimi, cải thiện chất lượng và thời gian bảo quản.

  3. Cơ quan quản lý và phát triển ngành thủy sản, thực phẩm chức năng: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ sạch, kiểm soát chất lượng sản phẩm và thúc đẩy ứng dụng carrageenan trong ngành chế biến thủy sản và thực phẩm chức năng.

  4. Các nhà sản xuất enzyme và công nghệ sinh học: Tham khảo để phát triển và cung cấp enzyme polysaccharase phù hợp cho ngành công nghiệp chế biến rong sụn và thủy sản, mở rộng thị trường và nâng cao giá trị sản phẩm enzyme.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp enzyme polysaccharase có ưu điểm gì so với phương pháp hóa học trong sản xuất carrageenan?
    Phương pháp enzyme polysaccharase sử dụng điều kiện nhẹ nhàng, không gây ô nhiễm môi trường, giảm tạp chất trong sản phẩm, nâng cao hiệu suất thu hồi carrageenan và dễ dàng tinh sạch. Ví dụ, enzyme Viscozyme L giúp phá vỡ thành tế bào rong hiệu quả hơn NaOH.

  2. Oligocarrageenan là gì và có ứng dụng như thế nào?
    Oligocarrageenan là sản phẩm thủy phân carrageenan có khối lượng phân tử nhỏ hơn, giữ cấu trúc polysaccharide cơ bản, có hoạt tính sinh học cao, được ứng dụng trong dược phẩm, thực phẩm chức năng và làm phụ gia cải thiện tính chất thực phẩm như surimi.

  3. Quy trình tinh sạch carrageenan và oligocarrageenan bằng ethanol có ưu điểm gì?
    Phương pháp này đơn giản, hiệu quả, loại bỏ protein và tạp chất tốt, đảm bảo sản phẩm đạt tiêu chuẩn an toàn thực phẩm, dễ áp dụng trong sản xuất quy mô công nghiệp, giảm chi phí và ô nhiễm môi trường.

  4. Sản phẩm carrageenan và oligocarrageenan có an toàn khi sử dụng trong thực phẩm?
    Nghiên cứu độc tính trên chuột thí nghiệm cho thấy không có tác dụng phụ hay độc tính liều đơn và liều lặp lại trong 21-42 ngày, đảm bảo an toàn cho người tiêu dùng khi sử dụng trong thực phẩm.

  5. Bổ sung carrageenan và oligocarrageenan vào surimi có tác dụng gì?
    Bổ sung carrageenan 1% hoặc oligocarrageenan 0,2% làm tăng cường độ gel, độ dai, độ mịn bề mặt, cải thiện độ bền nhiệt và giảm lượng dịch thoát ra sau rã đông, giúp nâng cao chất lượng và kéo dài thời gian bảo quản surimi cá đổng.

Kết luận

  • Đã xác định được quy trình sử dụng enzyme Viscozyme L tối ưu để sản xuất carrageenan từ rong sụn K. alvarezii với hiệu suất thu hồi khoảng 70% và chất lượng sản phẩm cao.
  • Phát triển thành công quy trình tinh sạch carrageenan và oligocarrageenan bằng ethanol, đảm bảo tiêu chuẩn an toàn thực phẩm và giảm tạp chất hiệu quả.
  • Sử dụng enzyme Termamyl 120L thủy phân carrageenan thành oligocarrageenan có khối lượng phân tử nhỏ hơn 132 lần, giữ nguyên cấu trúc polysaccharide cơ bản.
  • Đánh giá độc tính cho thấy carrageenan và oligocarrageenan an toàn với động vật thí nghiệm, tạo cơ sở cho ứng dụng trong thực phẩm và dược phẩm.
  • Ứng dụng carrageenan và oligocarrageenan trong sản xuất surimi cá đổng cải thiện chất lượng gel, độ dai và khả năng bảo quản đông lạnh, góp phần nâng cao giá trị sản phẩm thủy sản.

Tiếp theo, cần triển khai áp dụng quy trình enzyme polysaccharase trong sản xuất công nghiệp, mở rộng nghiên cứu ứng dụng oligocarrageenan trong thực phẩm chức năng và phát triển sản phẩm surimi chất lượng cao. Mời các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp liên hệ để hợp tác chuyển giao công nghệ và phát triển sản phẩm mới.