Tổng quan nghiên cứu

Ngành thủy sản Việt Nam ghi nhận sự tăng trưởng vượt bậc với diện tích nuôi cá tra đạt 5.400 ha và sản lượng chạm mốc 1,42 triệu tấn, trong đó khu vực Đồng bằng sông Cửu Long đóng góp tới hơn 98% tổng sản lượng cả nước. Mặc dù tiềm năng vùng nguyên liệu dồi dào, cơ cấu sản phẩm chế biến từ cá tra hiện nay vẫn còn rất đơn điệu khi dòng sản phẩm cá tra phi lê đông lạnh chiếm trên 95% tỷ trọng xuất khẩu. Các mặt hàng chế biến sâu, phối chế ăn liền giàu giá trị gia tăng chỉ chiếm vỏn vẹn khoảng 5%. Bên cạnh đó, quá trình chế biến phi lê thải ra lượng phụ phẩm khổng lồ từ 47% đến 51%, bao gồm 32% đến 37% đầu xương vây, 11% đến 14% mỡ cá và khoảng 10% thịt vụn chưa được khai thác hiệu quả.

Nhằm giải quyết bài toán đa dạng hóa sản phẩm và nâng cao chuỗi giá trị cho ngành hàng cá tra, nghiên cứu này được thực hiện tại Trung tâm Nghiên cứu chế biến nông sản thực phẩm thuộc Viện Cơ điện nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch vào năm 2019. Mục tiêu trọng tâm của đề tài là xác định ảnh hưởng của các thông số kỹ thuật tiền xử lý nguyên liệu và quá trình chiên chân không đến chất lượng sản phẩm snack cá tra ăn liền, từ đó thiết lập quy trình công nghệ tối ưu. Nghiên cứu mở ra hướng đi đột phá trong việc chuyển hóa nguồn nguyên liệu cá tra có giá trị thương phẩm thông thường 81.000 đồng/kg thành dòng snack giòn xốp cao cấp có tiềm năng đạt mức giá trị tương đương 550.000 đến 700.000 đồng/kg trên thị trường quốc tế, góp phần giảm thiểu rủi ro kinh tế và nâng cao năng lực cạnh tranh cho các doanh nghiệp chế biến thủy sản Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết truyền nhiệt và truyền chất hai pha trong môi trường áp suất thấp. Khi thực hiện quá trình chiên chân không, sự kết hợp giữa môi trường dầu gia nhiệt và áp suất buồng chiên giảm sâu tạo ra hai động lực tách ẩm đồng thời: gradient nhiệt độ hướng từ bề mặt vào tâm vật liệu và gradient áp suất riêng phần đẩy hơi nước từ tâm thoát nhanh ra bề mặt. Hiện tượng này làm hạ điểm sôi của nước trong mô thịt cá xuống dưới 80°C, cho phép quá trình bốc hơi nước diễn ra mạnh mẽ ở nhiệt độ dầu thấp từ 90°C đến 120°C, khắc phục triệt để nhược điểm cháy khét và sẫm màu của phương pháp chiên hở truyền thống ở 170°C đến 200°C.

Bên cạnh đó, lý thuyết biến tính protein sợi cơ và cơ chế hình thành cấu trúc rỗng xốp được ứng dụng để giải thích sự thay đổi liên kết mô thịt cá dưới tác động của nhiệt độ và áp suất. Khi nước bốc hơi nhanh chóng, màng tế bào tái cấu trúc và để lại các vi lỗ xốp rỗng, quyết định trực tiếp đến độ giòn và độ cứng của sản phẩm. Đồng thời, lý thuyết thoái hóa lipid và oxy hóa nhiệt được kiểm soát chặt chẽ nhằm hạn chế tối đa sự gia tăng chỉ số peroxide, axit béo tự do (FFA) và ngăn chặn hoàn toàn nguy cơ hình thành hợp chất gây hại acrylamide.

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|               KHUNG LÝ THUYẾT TRUYỀN NHIỆT - TRUYỀN CHẤT VÀ TẠO HÌNH CẤU TRÚC     |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| 1. Động lực truyền nhiệt - truyền chất: Áp suất thấp hạ điểm sôi nước (<80°C)     |
| 2. Động học thoát ẩm: Chênh lệch áp suất riêng phần tạo hệ thống vi mao quản rỗng |
| 3. Tái cấu trúc Protein - Lipid: Giữ độ giòn xốp, kiểm soát thoái hóa dầu chiên   |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn nguyên liệu là cá tra tươi nguyên con loại 2 có khối lượng từ 1,0 đến 1,5 kg/con được thu mua trực tiếp từ hệ thống siêu thị Big C. Cỡ mẫu thực nghiệm được chuẩn hóa với các khối thịt cá phi lê cắt kích thước 1,2 x 1,2 x 1,2 cm, sử dụng dầu thực vật tinh luyện Youmy và vận hành trên hệ thống thiết bị chiên chân không công suất 1 kg/mẻ do Viện Cơ điện nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch chế tạo. Phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên phân tầng được áp dụng nhằm đảm bảo tính đồng nhất về thành phần hóa học và cấu trúc cơ thịt.

Các chỉ tiêu chất lượng được phân tích theo hệ thống tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế nghiêm ngặt:

  • Hàm lượng protein thô được xác định theo TCVN 10791:2015 bằng phương pháp vô cơ hóa Kjeldahl và chưng cất định lượng đạm với hệ số quy đổi 6,25.
  • Hàm lượng lipid được xác định theo TCVN 3703:2009 qua phương pháp thủy phân bằng axit clohydric và chiết xuất dung môi hữu cơ.
  • Các thông số cơ lý cấu trúc bao gồm độ cứng (đo bằng phương pháp đâm xuyên với que dò hình trụ đường kính 5,2 mm) và độ giòn (đo bằng phương pháp nén cắt Kramer Shear Cell qua hệ 5 dao cắt trên phần mềm Bluehill).
  • Độ rỗng xốp (%) được định lượng chính xác bằng phương pháp thấm ướt cồn ethanol dưới áp suất chân không.
  • Màu sắc sản phẩm được đo trên máy Chroma Meter CR-400 theo hệ màu L* và b*.
  • Đánh giá cảm quan thực hiện theo thang điểm thị hiếu Hedonic 9 bậc với hội đồng 10 kiểm nghiệm viên đã qua tập huấn bài bản.
  • Toàn bộ dữ liệu thí nghiệm được lặp lại 3 đến 10 lần, xử lý thống kê bằng phần mềm SPSS phiên bản 20.0 và kiểm định sự khác biệt có ý nghĩa bằng phép thử Duncan ở mức xác suất tin cậy p ≤ 0,05.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình khảo sát thực nghiệm đã mang lại những kết quả định lượng cụ thể, đóng vai trò bản lề trong việc hoàn thiện quy trình sản xuất snack cá tra:

  • Tối ưu hóa kích thước tạo hình: Kích thước mẫu cắt 1,2 x 1,2 x 1,2 cm mang lại chất lượng cơ lý và hiệu quả kinh tế vượt trội với tỷ trọng đạt 0,276 kg/lít, độ giòn 20,34 kg/cm2 và điểm cảm quan đạt 17,8/20 điểm. So với kích thước 0,5 x 0,5 cm và 1,0 x 1,0 cm tuy có độ giòn cao hơn (22,76 đến 26,45 kg/cm2) nhưng thao tác định hình khó và năng suất thấp, kích thước 1,2 cm đáp ứng hoàn hảo tiêu chuẩn công nghiệp.
  • Kiểm soát độ ẩm nguyên liệu tiền xử lý: Độ ẩm ban đầu của thịt cá trước khi chiên có ảnh hưởng mang tính quyết định đến cấu trúc giòn xốp. Khi độ ẩm nguyên liệu giảm từ 70% xuống 10% ở cùng nhiệt độ sấy 50°C, độ cứng của cá chiên tăng vọt từ 36,8 kg/cm2 lên 112,1 kg/cm2 (tăng hơn 304%), trong khi độ giòn giảm từ 33,4 kg/cm2 xuống còn 16,6 kg/cm2 và độ rỗng xốp sụt giảm mạnh từ 0,425% xuống 0,187%. Nhiệt độ xử lý ẩm ở 40°C cho cấu trúc tối ưu hơn rõ rệt so với 50°C và 60°C. Do đó, độ ẩm nguyên liệu đầu vào thích hợp nhất phải duy trì từ 40% đến 70%.
  • Hiệu quả vượt trội của công đoạn cấp đông sâu: Xử lý lạnh đông nguyên liệu đến nhiệt độ tâm -20°C trước khi chiên giúp cải thiện ngoạn mục cấu trúc sản phẩm. Cụ thể, mẫu lạnh đông -20°C có độ cứng giảm xuống 32,8 kg/cm2 (thấp hơn 1,2 lần so với mẫu đối chứng không lạnh đông là 39,2 kg/cm2), độ giòn tăng vọt lên 52,2 kg/cm2 (cao gấp 1,58 lần so với mẫu đối chứng 33,0 kg/cm2) và độ rỗng xốp đạt 0,631% (tăng 48,5% so với mức 0,425% của đối chứng).
  • Thiết lập thông số chiên chân không: Chế độ chiên lý tưởng được xác định tại nhiệt độ dầu 120°C, áp suất chân không 400 mmHg trong thời gian 20 phút, cho ra thành phẩm snack có màu vàng sáng đồng đều, độ ẩm triệt tiêu xuống dưới 5% và hàm lượng protein đạt trên 35%.
+---------------------------------------------------------------------------------------+
|        BẢNG TỔNG HỢP SO SÁNH CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ THEO ĐIỀU KIỆN TIỀN XỬ LÝ            |
+----------------------+--------------------+--------------------+----------------------+
| Điều kiện xử lý      | Độ cứng (kg/cm2)   | Độ giòn (kg/cm2)   | Độ rỗng xốp (%)      |
+----------------------+--------------------+--------------------+----------------------+
| Không lạnh đông (ĐC) | 39,20              | 33,00              | 0,425                |
| Lạnh đông ở -10°C    | 36,50              | 41,20              | 0,510                |
| Lạnh đông ở -20°C    | 32,80              | 52,20              | 0,631                |
| Lạnh đông ở -30°C    | 31,40              | 53,40              | 0,640                |
+----------------------+--------------------+--------------------+----------------------+

Thảo luận kết quả

Cơ chế tạo nên cấu trúc giòn xốp của snack cá tra bắt nguồn từ sự chuyển pha của các tinh thể đá trong quá trình chiên chân không. Dưới điều kiện nhiệt độ tâm đạt -20°C, nước tự do và nước liên kết trong sợi cơ cá bị đóng băng thành các mạng lưới tinh thể đá siêu nhỏ. Khi đưa vào môi trường chiên chân không ở nhiệt độ 120°C và áp suất 400 mmHg, các khối đá này lập tức thăng hoa và bốc hơi với tốc độ cực nhanh, tạo ra áp lực giãn nở vi mô phá vỡ các bó cơ đặc khít và để lại các khoang rỗng đồng nhất. Điều này giải thích tại sao độ rỗng xốp của mẫu xử lý lạnh đông lại tăng vọt lên 0,631% so với mẫu không xử lý.

+-----------------------------------------------------------------------------------+
| Sơ chế phi lê -> Cắt khối (1,2 cm) -> Cấp đông tâm (-20°C) -> Chiên (120°C, 20p)  |
|                                                                                   |
|                               ĐỘNG HỌC CHUYỂN PHA:                                |
| Tinh thể đá đóng băng ------(Áp suất 400 mmHg, 120°C)------> Bốc hơi nhanh         |
|                                                                     |             |
|                                                                     v             |
| Thành phẩm Snack: Protein >35%, Lipid <25%, Độ rỗng 0,631% <- Tạo mạng vi rỗng    |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Trên biểu đồ động học thoát ẩm và biến đổi cấu trúc, sự tương quan nghịch giữa độ cứng và độ giòn phản ánh rõ nét sự hình thành của lớp vỏ xốp giòn. Nếu hạ thấp độ ẩm nguyên liệu ban đầu bằng sấy nhiệt độ cao (50°C đến 60°C), protein bề mặt bị biến tính co rút sớm, khóa chặt các mao quản khiến hơi nước bên trong không thể thoát ra ngoài theo dạng bùng nổ, dẫn đến cấu trúc bị chai cứng cục bộ (độ cứng lên đến 112,1 kg/cm2). So sánh với các nghiên cứu chiên cá đậu hũ hay snack cá cơm truyền thống tại Nhật Bản và Thái Lan, việc kiểm soát áp suất 400 mmHg tại 120°C giúp bảo tồn trọn vẹn hơn 90% giá trị dinh dưỡng của protein và axit béo omega-3 không bão hòa, đồng thời hạn chế tối đa hiện tượng ngấm dầu vào sản phẩm.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả thực nghiệm đã được kiểm chứng, nghiên cứu đưa ra 4 khuyến nghị then chốt nhằm ứng dụng hiệu quả công nghệ vào thực tiễn sản xuất:

  1. Chuẩn hóa quy trình sơ chế và tạo hình khối nguyên liệu: Các nhà máy chế biến cần sử dụng nguồn cá tra thương phẩm đạt khối lượng từ 1,0 đến 1,5 kg/con (cho tỷ lệ nạc phi lê đạt 53%), áp dụng thiết bị cắt tự động để tạo hình các khối vuông kích thước chuẩn 1,2 x 1,2 x 1,2 cm nhằm đảm bảo độ đồng đều nhiệt và nâng cao năng suất chế biến thêm 25% so với phương pháp thủ công.
  2. Thiết lập nghiêm ngặt công đoạn cấp đông sâu tiền xử lý: Bắt buộc đưa khối thịt cá sau khi cắt vào hầm đông tiếp xúc hoặc cấp đông gió nhanh để nhiệt độ tâm sản phẩm đạt chính xác -20°C trong thời gian từ 45 đến 60 phút trước khi chiên. Giải pháp này giúp tăng độ giòn lên 1,58 lần và giảm 16,3% độ cứng của thành phẩm.
  3. Đồng bộ hóa dây chuyền chiên chân không và ly tâm tách dầu: Vận hành thiết bị chiên chân không ở dải nhiệt độ dầu ổn định 120°C, duy trì áp suất chân không ≤ 400 mmHg trong thời gian chuẩn 20 phút. Ngay sau khi xả áp, tích hợp hệ thống ly tâm tách dầu ở tốc độ 400 đến 600 vòng/phút trong 3 phút nhằm khống chế hàm lượng dầu lưu lại trong snack ở mức dưới 18% đến 20%, đáp ứng tiêu chuẩn dinh dưỡng quốc tế.
  4. Xây dựng tiêu chuẩn cơ sở và lộ trình thương mại hóa giai đoạn 2020 - 2025: Hiệp hội Chế biến và Xuất khẩu Thủy sản (VASEP) phối hợp cùng các doanh nghiệp tại Đồng bằng sông Cửu Long áp dụng quy chuẩn TCVN 10791:2015 và TCVN 3703:2009 để công bố tiêu chuẩn chất lượng sản phẩm snack cá tra ăn liền, sử dụng bao bì màng ghép nhôm hút chân không có bơm khí nitơ nhằm duy trì hạn sử dụng trên 6 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng trọng điểm:

  • Doanh nghiệp chế biến và xuất khẩu thủy sản: Cung cấp giải pháp công nghệ chế biến sâu để tận dụng 10% lượng thịt cá vụn và nguồn cá tra thương phẩm cỡ lớn, giúp đa dạng hóa danh mục sản phẩm và nâng cao biên lợi nhuận lên 30% đến 40% so với xuất khẩu phi lê đông lạnh đơn thuần.
  • Kỹ sư công nghệ thực phẩm và bộ phận R&D: Nắm vững toàn bộ thông số vận hành máy chiên chân không (120°C, 400 mmHg, 20 phút) cùng phương pháp tiền xử lý cấp đông -20°C để nhanh chóng mở rộng quy mô từ phòng thí nghiệm 1 kg/mẻ lên dây chuyền công nghiệp 20 kg/mẻ hoặc 100 kg/mẻ.
  • Giảng viên, nghiên cứu sinh và sinh viên chuyên ngành: Là tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp phân tích cấu trúc cơ lý thực phẩm (đâm xuyên, nén cắt Kramer Shear Cell, độ rỗng ethanol) và ứng dụng phần mềm SPSS 20.0 trong xử lý dữ liệu thực nghiệm công nghệ sinh học - sau thu hoạch.
  • Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách nông nghiệp: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng các đề án phát triển chuỗi giá trị nông sản chất lượng cao, thúc đẩy chuyển dịch cơ cấu ngành thủy sản theo hướng chế biến tinh và phát triển bền vững.

Câu hỏi thường gặp

1. Công nghệ chiên chân không có ưu điểm gì vượt trội so với công nghệ chiên hở truyền thống?
Chiên chân không thực hiện trong môi trường kín ở áp suất thấp (≤ 400 mmHg), giúp nước sôi và thoát ẩm ở nhiệt độ dầu chỉ 120°C thay vì 170°C đến 200°C như chiên hở. Nhờ đó, sản phẩm giữ nguyên màu vàng sáng tự nhiên, bảo toàn trên 90% hàm lượng protein, hạn chế tối đa sự oxy hóa chất béo và ngăn chặn hoàn toàn sự hình thành độc chất acrylamide gây ung thư.

2. Tại sao công đoạn cấp đông sâu đến -20°C lại quyết định độ giòn xốp của snack cá tra?
Quá trình cấp đông sâu giúp hình thành mạng lưới tinh thể đá phân bố đều khắp các sợi cơ thịt cá. Khi tiếp xúc với dầu nóng trong buồng chân không, các tinh thể đá lập tức thăng hoa nhanh, tạo ra áp lực vi mô để lại các khoảng trống rỗng. Cơ chế này giúp độ rỗng xốp của sản phẩm tăng mạnh lên 0,631% và độ giòn đạt 52,2 kg/cm2, cao gấp 1,58 lần so với mẫu không cấp đông.

3. Vì sao không nên sấy giảm độ ẩm nguyên liệu xuống dưới 40% trước khi chiên?
Khi sấy giảm độ ẩm xuống dưới 40% (đặc biệt là mức 10%), nhiệt độ sấy làm biến tính nhiệt sớm và co rút các bó cơ, làm mất đi lượng nước tự do cần thiết để tạo lực giãn nở bốc hơi. Kết quả thực nghiệm chứng minh độ cứng của sản phẩm sẽ tăng vọt lên 112,1 kg/cm2 và độ giòn sụt giảm nghiêm trọng còn 16,6 kg/cm2, khiến snack bị dai cứng và mất giá trị cảm quan.

4. Kích thước cắt mẫu 1,2 x 1,2 x 1,2 cm mang lại lợi ích gì trong sản xuất công nghiệp?
Kích thước khối vuông 1,2 cm đảm bảo sự cân bằng hoàn hảo giữa quá trình truyền nhiệt từ dầu vào tâm và tốc độ thoát ẩm ra ngoài. Mẫu đạt độ giòn 20,34 kg/cm2 và điểm cảm quan 17,8 điểm, đồng thời hạn chế tình trạng vỡ vụn khi gia công, giúp nâng cao năng suất thao tác cắt định hình hơn hẳn so với kích thước nhỏ 0,5 cm.

5. Sản phẩm snack cá tra hoàn thiện đạt các chỉ tiêu dinh dưỡng và chất lượng nào?
Snack cá tra sau quy trình chiên chân không tối ưu có độ ẩm triệt để dưới 5%, hàm lượng protein thô đạt trên 35%, hàm lượng lipid kiểm soát dưới 25%, cấu trúc xốp giòn rỗng với màu vàng sáng đồng nhất, không có mùi tanh của cá và an toàn tuyệt đối theo tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công quy trình công nghệ chế biến snack cá tra bằng kỹ thuật chiên chân không, mở ra hướng đi đột phá trong việc nâng cao giá trị gia tăng cho ngành thủy sản.
  • Xác định kích thước tạo hình tối ưu của khối nguyên liệu là 1,2 x 1,2 x 1,2 cm từ cá tra thương phẩm khối lượng 1,0 đến 1,5 kg/con.
  • Xác lập điều kiện tiền xử lý then chốt với độ ẩm nguyên liệu duy trì 40% đến 70% và cấp đông sâu đạt nhiệt độ tâm -20°C, giúp tăng độ giòn lên 1,58 lần và độ rỗng xốp đạt 0,631%.
  • Chuẩn hóa chế độ chiên chân không tại nhiệt độ dầu 120°C, áp suất ≤ 400 mmHg trong thời gian 20 phút, tạo ra sản phẩm snack có hàm lượng protein vượt trội > 35% và độ ẩm < 5%.
  • Đóng góp luận cứ khoa học quan trọng cho việc thiết kế, vận hành hệ thống thiết bị chiên chân không quy mô công nghiệp tại Việt Nam.

Trong giai đoạn tiếp theo, các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp cần hoàn thiện hệ thống tách dầu ly tâm tự động và thử nghiệm đa dạng hóa các dòng gia vị tẩm ướp. Hãy liên hệ ngay với các trung tâm chuyển giao công nghệ thực phẩm để ứng dụng giải pháp chiên chân không vào dây chuyền sản xuất, đón đầu xu hướng tiêu dùng snack thủy sản giàu dinh dưỡng trên thị trường quốc tế!