Tổng quan nghiên cứu

Năm 2018, ngành thủy sản Việt Nam ghi nhận sự tăng trưởng vượt bậc với diện tích nuôi cá tra (Pangasius hypophthalmus) đạt 5.400 ha (tăng 3,3% so với năm 2017) và sản lượng thu hoạch đạt 1,42 triệu tấn (tăng 8,4% so với năm 2017). Trong đó, vùng Đồng bằng sông Cửu Long là địa bàn trọng điểm, cung cấp tới hơn 98% tổng sản lượng cá tra toàn quốc. Mặc dù sở hữu tiềm năng vùng nguyên liệu dồi dào, cơ cấu sản phẩm xuất khẩu hiện nay vẫn tồn tại sự mất cân đối nghiêm trọng: các dòng sản phẩm sơ chế đơn điệu như cá tra phi lê đông lạnh chiếm trên 95% tỷ trọng, trong khi nhóm sản phẩm chế biến sâu, gia tăng giá trị (GTGT) ăn liền chỉ chiếm khoảng 5%. Thêm vào đó, quá trình chế biến phi lê làm phát sinh lượng phụ phẩm thịt cá vụn chiếm khoảng 10% và tỷ lệ cá quá lứa hoặc có màu vàng không đạt chuẩn xuất khẩu chiếm khoảng 5%, dẫn đến lãng phí nguồn protein quý giá.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm là giải quyết sự thiếu hụt công nghệ chế biến sâu nhằm đa dạng hóa sản phẩm snack từ thủy sản nói chung và cá tra nói riêng. Mục tiêu cụ thể của luận văn là khảo sát và xác định ảnh hưởng của các thông số công nghệ tiền xử lý nguyên liệu (kích thước, xử lý độ ẩm, cấp đông) và các thông số chiên chân không (nhiệt độ dầu, áp suất buồng chiên, thời gian chiên) đến chất lượng sản phẩm snack cá tra, từ đó chuẩn hóa quy trình công nghệ tạo ra sản phẩm giòn xốp, dinh dưỡng cao. Nghiên cứu 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 trong năm 2019. Kết quả đề tài mang ý nghĩa kinh tế - kỹ thuật thiết thực khi tạo tiền đề nâng cao giá trị thương phẩm cá tra từ mức 81.000 đồng/kg phi lê thô lên phân khúc snack cao cấp có giá trị thị trường tương đương 550.000 đến 700.000 đồng/kg, đồng thời triệt tiêu nguy cơ sinh độc chất acrylamide so với phương pháp chiên ngập dầu truyền thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết truyền nhiệt và truyền chất trong môi trường chân không của Ram Yamsaengsung và các cộng sự. Trong buồng kín có áp suất thấp, điểm sôi của nước giảm mạnh, tạo ra hai động lực tách ẩm đồng thời: sự truyền nhiệt từ dầu vào vật liệu tạo gradient nhiệt từ tâm ra bề mặt, và sự chênh lệch áp suất riêng phần giữa khối vật liệu với môi trường giúp hơi nước thoát ra nhanh chóng ở nhiệt độ thấp dưới 120°C.

Đồng thời, đề tài áp dụng lý thuyết biến tính protein và biến đổi cấu trúc tế bào khi đông kết tinh thể đá của Jowitt và Pinthus. Quá trình lạnh đông hình thành các tinh thể đá phá vỡ có kiểm soát các liên kết sợi cơ, khi chiên chân không nước đá thăng hoa đột ngột để lại hệ thống mao quản xốp rỗng. Bên cạnh đó, lý thuyết động học suy thoái lipid chỉ ra rằng môi trường yếm khí ở áp suất thấp hạn chế tối đa các phản ứng nhiệt phân, thủy phân và oxy hóa dầu, ngăn ngừa sự gia tăng axit béo tự do (FFA) và chỉ số peroxide. Các khái niệm chính được sử dụng xuyên suốt gồm: công nghệ chiên chân không (vacuum frying), độ rỗng xốp (porosity), độ cứng đâm xuyên, độ giòn nén Kramer và hệ số màu sắc Hunter L*, b*.

Phương pháp nghiên cứu

Về nguồn dữ liệu và cỡ mẫu: Nghiên cứu sử dụng nguyên liệu cá tra thương phẩm loại 2 có khối lượng từ 1,0 đến 1,5 kg/con (cho tỷ lệ phi lê đạt 53%, hàm lượng chất khô 28,4%, protein đạt 23,6% và lipid đạt 3,9% tính theo chất khô), thu mua đồng nhất tại hệ thống siêu thị Big C và chuyển về phòng thí nghiệm. Dầu chiên sử dụng là dầu thực vật tinh luyện Youmy (Indonesia). Thiết bị chiên chân không công suất 1 kg/mẻ và 20 kg/mẻ do Viện Cơ điện Nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch chế tạo. Mỗi công thức thí nghiệm được bố trí lặp lại từ 3 đến 10 lần đo độc lập để triệt tiêu sai số ngẫu nhiên.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Để lượng hóa chính xác các chỉ tiêu chất lượng thay vì đánh giá cảm quan đơn thuần, đề tài áp dụng các tiêu chuẩn quốc gia và thiết bị đo cơ lý hiện đại:

  • Xác định hàm lượng protein tổng số theo TCVN 10791:2015 bằng phương pháp Kjeldahl (vô cơ hóa bằng H2SO4 đặc, chưng cất amoniac và chuẩn độ axit).
  • Xác định hàm lượng chất béo theo TCVN 3703:2009 bằng phương pháp thủy phân axit kết hợp chiết dung môi ete dầu mỏ.
  • Đo độ cứng bằng phương pháp đâm xuyên (đầu dò kim loại đường kính 5,2 mm, tốc độ nén 2 mm/s) và đo độ giòn bằng phương pháp nén cắt Kramer (hệ dao 5 lưỡi trên phần mềm Bluehill) thực hiện tại Đại học Bách khoa Hà Nội.
  • Đo độ rỗng xốp bằng phương pháp thấm ướt cồn ethanol dưới áp suất chân không.
  • Đo màu sắc vỏ bằng máy so màu Minolta Chroma Meter CR-400 theo hệ chỉ số L* và b*.
  • Xử lý dữ liệu thống kê bằng phần mềm SPSS phiên bản 20.0, sử dụng phân tích phương sai ANOVA và kiểm định Duncan với mức ý nghĩa P ≤ 0.05.

Timeline nghiên cứu được triển khai đồng bộ từ khâu phân loại nguyên liệu, thử nghiệm tiền xử lý đến tối ưu hóa chế độ chiên trong năm 2019.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nghiên cứu đã xác định kích thước định hình miếng fillet cá tra tối ưu là 1,2 x 1,2 x 1,2 cm. Ở kích thước này, sản phẩm sau chiên đạt tỷ trọng 0,276 kg/lít, độ giòn 20,34 kg/cm2 và điểm cảm quan 17,8/20 điểm, đảm bảo độ phồng xốp đồng đều và tối ưu hóa năng suất thao tác công nghiệp so với kích thước nhỏ 0,5 x 0,5 cm khó tạo hình hoặc kích thước lớn 1,4 x 1,4 cm cho điểm cảm quan thấp chỉ đạt 13,6 điểm do màu sẫm và chín không đều.

Thứ hai, việc kiểm soát độ ẩm nguyên liệu trước chiên có tính quyết định đến cấu trúc snack. Khi xử lý giảm ẩm nguyên liệu đầu vào 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 gấp 3,04 lần), trong khi độ giòn suy giảm từ 33,4 kg/cm2 xuống còn 16,6 kg/cm2 (giảm 50,3%) và độ rỗng xốp giảm từ 0,425% xuống 0,187%. Mức độ ẩm nguyên liệu thích hợp nhất được xác định là từ 40% đến 70% (với nhiệt độ sấy tiền xử lý 40°C cho độ giòn 33,4 kg/cm2).

Thứ ba, tiền xử lý lạnh đông sâu ở nhiệt độ -20°C tạo bước đột phá về độ giòn xốp. So với mẫu đối chứng không lạnh đông (độ cứng 39,2 kg/cm2, độ giòn 33,0 kg/cm2, độ rỗng 0,425%), mẫu cấp đông ở -20°C có độ cứng giảm còn 32,8 kg/cm2 (giảm 16,3%), độ giòn tăng vọt lên 52,2 kg/cm2 (tăng 58,2%) và độ rỗng xốp đạt 0,631% (tăng 48,5%).

Thứ tư, xác lập bộ thông số chiên chân không chuẩn mực gồm: nhiệt độ dầu chiên 120°C, áp suất buồng chiên ≤ 400 mmHg và thời gian chiên 20 phút. Chế độ này giúp sản phẩm đạt độ ẩm an toàn dưới 5%, duy trì hàm lượng protein trên 35%, lipid dưới 25%, màu vàng sáng đặc trưng và triệt tiêu hoàn toàn mùi tanh của cá tra.

Thảo luận kết quả

Cơ chế tạo độ giòn xốp vượt trội của snack cá tra được giải thích thông qua sự tương tác nhiệt ẩm và chuyển pha cấu trúc. Quá trình cấp đông -20°C làm nước trong các thớ thịt cá đóng băng thành các tinh thể đá có kích thước lớn, làm giãn nở và phá vỡ cấu trúc liên kết sợi cơ protein một cách có lợi. Khi đưa vào môi trường chiên chân không ở nhiệt độ 120°C và áp suất 400 mmHg, các khối băng này thăng hoa và bay hơi cưỡng bức cực nhanh từ tâm ra bề mặt, để lại các lỗ rỗng vi mô cố định. Khi dầu chiên tiếp xúc với bề mặt, lớp vỏ ngoài nhanh chóng định hình tạo khung cơ học giòn tan mà không bị chai cứng.

Kết quả này hoàn toàn tương đồng với các công bố khoa học quốc tế về động học chiên cá đậu hũ surimi ở 120°C dưới áp suất 21 kPa năm 2016, đồng thời khắc phục triệt để nhược điểm hút dầu của phương pháp chiên hở (giữ hàm lượng chất béo của snack cá tra ở mức tối ưu dưới 20% so với mức trên 35% của sản phẩm chiên thường).

Về mặt trực quan hóa, toàn bộ dữ liệu thực nghiệm có thể được biểu diễn trực quan qua biểu đồ đường (line chart) phản ánh mối quan hệ nghịch biến giữa độ ẩm tiền xử lý và độ cứng cơ học, kết hợp biểu đồ cột nhóm (grouped column chart) so sánh sự vượt trội về độ giòn và độ rỗng giữa mẫu cấp đông -20°C với mẫu đối chứng, cùng bảng ma trận đối chiếu sự biến thiên màu sắc theo chỉ số L* và b* để kiểm soát chất lượng chuẩn hóa trên dây chuyền.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, chuẩn hóa công đoạn tiền xử lý cấp đông trên quy mô công nghiệp: Các nhà máy chế biến thủy sản cần áp dụng quy trình định hình miếng cá kích thước 1,2 x 1,2 x 1,2 cm và cấp đông nhanh trong tủ đông tiếp xúc hoặc hầm đông IQF nhằm đưa nhiệt độ tâm sản phẩm đạt đúng -20°C trước khi chiên. Giải pháp này do bộ phận kỹ thuật sản xuất thực hiện, đặt mục tiêu duy trì độ giòn sản phẩm ổn định trên 50 kg/cm2 và độ rỗng xốp trên 0,6%, áp dụng ngay trong quý I năm 2026.

Thứ hai, đầu tư đồng bộ hệ thống thiết bị chiên chân không tự động tích hợp ly tâm tách dầu: Doanh nghiệp cần phối hợp với các viện cơ điện nghiên cứu chế tạo buồng chiên chân không năng suất 50 đến 100 kg/mẻ, duy trì áp suất làm việc ổn định dưới 400 mmHg và tích hợp cơ cấu ly tâm tốc độ 400 đến 600 vòng/phút ngay trong buồng chân không trước khi xả áp. Mục tiêu nhằm giảm hàm lượng dầu lưu lại trong snack xuống dưới 18%, hoàn thành lắp đặt thử nghiệm trong vòng 12 tháng.

Thứ ba, đẩy mạnh khai thác phụ phẩm thịt cá vụn nhằm tối ưu hóa bài toán kinh tế: Khối doanh nghiệp chế biến xuất khẩu cá tra cần tận dụng 10% lượng thịt vụn sau phi lê để phối chế, định hình và sản xuất dòng snack cá tra gia vị (vị cay ngọt, rong biển, phô mai). Chủ thể thực hiện là phòng R&D doanh nghiệp, hướng tới mục tiêu nâng tỷ trọng sản phẩm chế biến sâu GTGT từ mức 5% hiện nay lên 15% vào năm 2027.

Thứ tư, xây dựng và ban hành tiêu chuẩn cơ sở cho dòng snack thủy sản chiên chân không: Hiệp hội Chế biến và Xuất khẩu Thủy sản Việt Nam (VASEP) cùng các cơ quan quản lý chất lượng nông lâm thủy sản cần xây dựng bộ tiêu chuẩn chất lượng cụ thể (độ ẩm < 5%, protein > 35%, chỉ số peroxide < 5 meq/kg, không phát hiện vi sinh vật gây hại), triển khai hoàn thiện trong giai đoạn 2026 - 2027.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Thứ nhất, các doanh nghiệp và nhà máy chế biến thủy sản: Tài liệu cung cấp thông số kỹ thuật chi tiết (cắt 1,2 cm, cấp đông -20°C, chiên 120°C, 400 mmHg trong 20 phút) giúp doanh nghiệp ứng dụng trực tiếp để sản xuất sản phẩm mới, giải quyết bài toán tiêu thụ cá quá lứa và thịt vụn, gia tăng biên lợi nhuận gấp 2 đến 3 lần so với chỉ bán phi lê đông lạnh thô.

Thứ hai, kỹ sư công nghệ thực phẩm và chuyên gia nghiên cứu phát triển sản phẩm (R&D): Cung cấp hệ phương pháp luận thực nghiệm về tương tác nhiệt - ẩm - cấu trúc trong môi trường chân không, làm tài liệu tham khảo nền tảng để nghiên cứu mở rộng cho các dòng thủy hải sản khác như tôm, mực, cá rô phi và rau củ quả sấy giòn.

Thứ ba, các kỹ sư thiết kế và chế tạo thiết bị cơ điện nông nghiệp: Cung cấp các thông số công nghệ đầu vào chính xác (nhiệt độ dầu, áp suất chân không, chu trình gia nhiệt và ngưng tụ) phục vụ công tác tính toán thiết kế, chế tạo dây chuyền chiên chân không bán liên tục và liên tục công suất 100 đến 500 kg/giờ.

Thứ tư, giảng viên, nghiên cứu sinh và sinh viên chuyên ngành Công nghệ thực phẩm, Công nghệ sau thu hoạch: Luận văn là tài liệu học thuật mẫu mực về phương pháp bố trí thí nghiệm cơ lý thực phẩm hiện đại (sử dụng Kramer Shear Cell, Ottawa Cell, Minolta Chroma Meter) và xử lý thống kê nâng cao qua SPSS 20.0.

Câu hỏi thường gặp

Chiên chân không vượt trội hơn chiên ngập dầu truyền thống ở những điểm nào? Chiên chân không diễn ra trong môi trường áp suất thấp dưới 400 mmHg, giúp hạ nhiệt độ sôi của nước xuống mức 120°C thay vì 170 đến 200°C của chiên thường. Nhờ đó, sản phẩm giữ nguyên hàm lượng protein trên 23%, bảo toàn các vitamin nhạy cảm nhiệt, không làm cháy khét bề mặt, giảm lượng dầu ngấm vào thực phẩm và triệt tiêu nguy cơ hình thành hợp chất gây ung thư acrylamide.

Tại sao phải cấp đông nguyên liệu cá tra ở nhiệt độ -20°C trước khi chiên? Cấp đông ở -20°C tạo ra các tinh thể đá làm giãn nở và phá vỡ liên kết mô cơ một cách có chủ đích. Khi chiên chân không ở 120°C, nước đá thăng hoa đột ngột tạo nên hệ thống vi lỗ rỗng đồng đều, giúp độ rỗng xốp của sản phẩm tăng từ 0,425% lên 0,631% và độ giòn tăng 58,2% so với mẫu không qua cấp đông.

Vì sao kích thước miếng cá 1,2 x 1,2 x 1,2 cm lại được chọn là tối ưu nhất? Kích thước 1,2 cm đảm bảo sự cân bằng lý tưởng giữa tốc độ truyền nhiệt từ dầu vào tâm và tốc độ thoát ẩm từ trong ra ngoài. Kích thước này giúp sản phẩm đạt điểm cảm quan cao 17,8/20 điểm, màu vàng sáng đều, cấu trúc giòn xốp và đặc biệt phù hợp với năng suất thao tác cắt định hình công nghiệp hơn cỡ 0,5 cm.

Độ ẩm nguyên liệu đầu vào ảnh hưởng như thế nào đến độ cứng của snack? Độ ẩm nguyên liệu trước khi chiên cần duy trì ở mức 40% đến 70%. Nếu sấy cưỡng bức làm giảm độ ẩm xuống 10%, các thớ thịt cá bị co rút và biến tính sớm khiến sản phẩm sau chiên bị chai cứng với độ cứng đo được lên tới 112,1 kg/cm2 (gấp 3 lần mức chuẩn), làm mất hoàn toàn cấu trúc giòn xốp đặc trưng.

Sản phẩm snack cá tra chiên chân không có tiềm năng thương mại ra sao? Các sản phẩm snack cá cơm nhập khẩu từ Thái Lan và Nhật Bản hiện có giá bán rất cao, từ 550.000 đến 700.000 đồng/kg. Với lợi thế vùng nguyên liệu cá tra dồi dào cung cấp hơn 98% sản lượng tại ĐBSCL, việc sản xuất snack cá tra chất lượng cao sẽ tạo ra sản phẩm ăn liền giàu đạm, giá thành cạnh tranh và mở rộng thị trường xuất khẩu.

Kết luận

  • Đã xác định được nguồn nguyên liệu phù hợp là cá tra thương phẩm cỡ 2 (1,0 đến 1,5 kg/con) cho tỷ lệ phi lê đạt 53% cùng hàm lượng protein chất lượng cao đạt 23,6% chất khô.
  • Chuẩn hóa kích thước định hình miếng cá ở mức 1,2 x 1,2 x 1,2 cm kết hợp kiểm soát khoảng độ ẩm nguyên liệu từ 40% đến 70% để tối ưu hóa quá trình truyền nhiệt và thoát ẩm.
  • Xác lập giải pháp tiền xử lý cấp đông ở nhiệt độ tâm -20°C giúp nâng độ giòn lên 52,2 kg/cm2 và độ rỗng xốp đạt 0,631%, cải thiện vượt trội so với mẫu đối chứng.
  • Hoàn thiện chế độ chiên chân không tối ưu tại nhiệt độ dầu 120°C, áp suất buồng chiên ≤ 400 mmHg trong thời gian 20 phút, cho sản phẩm có độ ẩm < 5% và chất lượng cảm quan xuất sắc.
  • Đóng góp luận văn: Cung cấp trọn vẹn cơ sở khoa học và quy trình công nghệ sơ chế, chiên chân không snack cá tra đầu tiên tại Việt Nam, mở ra hướng đi đột phá nâng cao giá trị chuỗi ngành hàng thủy sản.

Về kế hoạch phát triển tiếp theo, trong vòng 6 đến 12 tháng tới, quy trình công nghệ cần được triển khai thử nghiệm trên hệ thống chiên chân không bán công nghiệp 20 đến 50 kg/mẻ có tích hợp ly tâm tự động. Các doanh nghiệp chế biến thủy sản và nhà đầu tư quan tâm đến chuyển giao công nghệ hãy liên hệ với các đơn vị nghiên cứu để tiếp nhận quy trình, đổi mới trang thiết bị và tiên phong thương mại hóa dòng sản phẩm snack cá tra giàu dinh dưỡng trên thị trường.