Tổng quan nghiên cứu

Nước mắm là một sản phẩm truyền thống quan trọng trong ẩm thực và kinh tế của nhiều quốc gia Đông Nam Á, đặc biệt là Việt Nam. Thị trường nước mắm toàn cầu năm 2018 ước tính đạt khoảng 15,32 tỷ USD và dự kiến tăng lên 19,5 tỷ USD với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) khoảng 3%. Tại Việt Nam, giá trị kinh tế của ngành nước mắm lên tới khoảng 12.000 tỷ đồng, với sản lượng tiêu thụ nội địa đạt khoảng 380 triệu lít năm 2018, trong đó nước mắm truyền thống chiếm khoảng 120 triệu lít. Tuy nhiên, sản lượng nước mắm truyền thống có xu hướng giảm do nhiều thách thức về nguyên liệu và quy trình sản xuất.

Quá trình sản xuất nước mắm truyền thống kéo dài từ 12 đến 18 tháng, dựa trên cơ chế thủy phân protein và lên men vi sinh vật. Việc ứng dụng enzyme thủy phân protein kết hợp với vi sinh vật đã được nghiên cứu nhằm rút ngắn thời gian sản xuất xuống còn khoảng 6 tháng, đồng thời nâng cao chất lượng sản phẩm về mặt dinh dưỡng và cảm quan. Trong đó, vi khuẩn lactic Tetragenococcus halophilus được xác định là chủng vi sinh vật có vai trò quan trọng trong việc tạo hương vị đặc trưng và cải thiện chất lượng nước mắm.

Luận văn tập trung nghiên cứu điều kiện thu nhận chế phẩm vi sinh vật Tetragenococcus halophilus CH6-2 nhằm ứng dụng trong sản xuất nước mắm bằng phương pháp enzyme. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội trong năm 2022, với mục tiêu xác định các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng sống sót của chủng trong quá trình sấy phun và sấy đông khô, từ đó đề xuất quy trình tạo chế phẩm vi sinh phù hợp cho sản xuất công nghiệp. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả sản xuất nước mắm, giảm chi phí và tăng giá trị sản phẩm, đồng thời góp phần phát triển ngành công nghệ thực phẩm tại Việt Nam.

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 vi sinh vật lactic, quá trình lên men và thủy phân protein trong sản xuất nước mắm, cũng như các phương pháp bảo quản vi sinh vật bằng sấy phun và sấy đông khô. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Lý thuyết về vi sinh vật lactic và vai trò trong lên men nước mắm: Tetragenococcus halophilus là vi khuẩn lactic chịu mặn, có khả năng sinh tổng hợp các hợp chất bay hơi tạo hương thơm đặc trưng cho nước mắm. Lý thuyết này giải thích cơ chế sinh trưởng, hoạt động enzyme và ảnh hưởng của môi trường lên khả năng sống sót của vi sinh vật.

  2. Mô hình bảo quản vi sinh vật bằng phương pháp sấy: Bao gồm sấy phun và sấy đông khô, với các yếu tố ảnh hưởng như môi trường nuôi cấy, chất mang, điều kiện sốc nhiệt và áp suất thẩm thấu. Các khái niệm chính gồm khả năng sống sót (KNSS), độ giảm mật độ vi sinh vật (∆LogCFU/g), nhiệt độ chuyển tiếp tinh thể (Tg), và hiệu suất thu hồi sản phẩm.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng trong nghiên cứu gồm: sinh khối vi sinh vật, chất mang (skim milk, maltodextrin, monosodium glutamate, trehalose), điều kiện sốc nhiệt và áp suất thẩm thấu, cũng như các chỉ số đánh giá chất lượng chế phẩm vi sinh.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là chủng vi khuẩn Tetragenococcus halophilus CH6-2 được phân lập từ chượp mắm truyền thống tại Việt Nam. Chủng được bảo quản và nhân giống trong môi trường MRS và M7, với điều kiện nuôi cấy 35℃ trong 72 giờ. Sinh khối thu được được phối trộn với các chất mang khác nhau theo các tỉ lệ sinh khối/chất mang 1/20 và 1/3 (w/w).

Phương pháp nghiên cứu gồm hai phần chính:

  1. Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến khả năng sống sót trong quá trình sấy phun và bảo quản: Thí nghiệm được thực hiện với các biến số gồm môi trường nuôi cấy, tỉ lệ sinh khối/chất mang, loại chất mang, điều kiện sốc nhiệt (45, 50, 55℃) và sốc áp suất thẩm thấu (bổ sung NaCl và MSG). Quá trình sấy phun được tiến hành với thông số nhiệt độ đầu vào 130℃, nhiệt độ đầu ra 75-85℃, lực hút 100%, lực bơm 9%.

  2. Nghiên cứu ảnh hưởng của chất mang đến khả năng sống sót trong quá trình sấy đông khô và bảo quản: Sinh khối được phối trộn với các tổ hợp chất mang gồm skim milk, monosodium glutamate và trehalose, sau đó sấy đông khô và bảo quản ở nhiệt độ thấp.

Phân tích dữ liệu sử dụng phần mềm IBM SPSS Statistics 26 để đánh giá mức độ khác biệt có ý nghĩa thống kê giữa các mẫu. Mật độ vi sinh vật được xác định bằng phương pháp đếm khuẩn lạc trên môi trường thạch, tính toán khả năng sống sót và độ giảm mật độ vi sinh vật theo công thức chuẩn.

Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2022, với các giai đoạn chuẩn bị mẫu, thực hiện thí nghiệm sấy, bảo quản và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của môi trường nuôi cấy đến khả năng sống sót: Sinh khối thu được từ môi trường M7 có khả năng sống sót sau sấy phun là 3,04%, tương đương với môi trường MRS (2,9%). Tuy nhiên, trong quá trình bảo quản 3 tháng, khả năng sống sót của mẫu nuôi trong MRS cao hơn gấp 6-8 lần so với M7, với độ giảm mật độ vi sinh vật (∆LogCFU/g) lần lượt là 2,0 và 3,0.

  2. Ảnh hưởng của tỉ lệ sinh khối/chất mang: Tỉ lệ 1/3 (w/w) cho khả năng sống sót sau sấy phun đạt 2,91%, gấp 29 lần so với tỉ lệ 1/20 (0,1%). Sau 3 tháng bảo quản, mẫu tỉ lệ 1/3 duy trì mật độ vi sinh vật sống sót cao hơn 4,9 lần so với mẫu 1/20, với mật độ đạt 8,368 LogCFU/g so với 5,3 LogCFU/g.

  3. Ảnh hưởng của chất mang: Hệ chất mang chứa skim milk (SM) và monosodium glutamate (MSG) cho khả năng sống sót cao nhất sau sấy phun, đạt khoảng 6,5%, trong khi maltodextrin (MD) cho khả năng sống sót thấp nhất (dưới 0,01%). Tuy nhiên, trong quá trình bảo quản, sự có mặt của carbohydrate như sucrose (S) và maltodextrin lại giúp tăng khả năng sống sót, đạt 40-50%, trong khi MSG có tác động tiêu cực, làm giảm khả năng sống sót dưới 10%.

  4. Ảnh hưởng của điều kiện sốc nhiệt và áp suất thẩm thấu: Các điều kiện sốc nhiệt (45-55℃) và sốc áp suất thẩm thấu (bổ sung NaCl và MSG) không cải thiện khả năng sống sót của T. halophilus CH6-2 trong quá trình sấy phun. Thậm chí, sốc nhiệt làm giảm mật độ vi sinh vật sống sót sau sấy. Tuy nhiên, sau 6 tháng bảo quản, mẫu chịu sốc áp suất thẩm thấu duy trì khả năng sống sót trên 14%, cao hơn so với mẫu kiểm chứng (2%).

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy môi trường nuôi cấy ảnh hưởng đáng kể đến khả năng sống sót của T. halophilus CH6-2, đặc biệt trong giai đoạn bảo quản. Môi trường MRS cung cấp dinh dưỡng và điều kiện thuận lợi hơn cho sự tổng hợp các chất bảo vệ tế bào, giúp tăng khả năng chịu đựng trong thời gian dài. Điều này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về vai trò của môi trường nuôi cấy trong việc nâng cao sức sống của vi sinh vật sau sấy.

Tỉ lệ sinh khối/chất mang 1/3 được xác định là tối ưu, cân bằng giữa mật độ vi sinh vật cao và khả năng bảo vệ trong quá trình sấy. Cơ chế tự bảo vệ của tế bào khi tập hợp gần nhau giúp giảm tổn thương do nhiệt và mất nước trong sấy phun, tương đồng với các nghiên cứu về vi khuẩn lactic khác.

Chất mang skim milk và monosodium glutamate đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ tế bào trong quá trình sấy phun, nhờ khả năng ổn định màng tế bào và chống oxy hóa. Tuy nhiên, MSG lại có tác động tiêu cực trong quá trình bảo quản lâu dài, có thể do phản ứng Maillard gây tổn thương tế bào. Sự bổ sung trehalose giúp tăng nhiệt độ chuyển tiếp tinh thể (Tg), giảm độ ẩm và tăng khả năng sống sót trong bảo quản, phù hợp với các nghiên cứu về carbohydrate bảo vệ vi sinh vật.

Điều kiện sốc nhiệt và áp suất thẩm thấu không mang lại hiệu quả tích cực trong nghiên cứu này, có thể do chủng T. halophilus CH6-2 đã thích nghi với môi trường muối cao và pH thấp, nên các biện pháp sốc không kích hoạt được cơ chế bảo vệ thêm. Kết quả này cũng phù hợp với một số báo cáo cho thấy không phải chủng nào cũng phản ứng tích cực với các điều kiện sốc.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ cột thể hiện khả năng sống sót (%) của các mẫu theo từng điều kiện môi trường, tỉ lệ sinh khối/chất mang và loại chất mang, cũng như bảng so sánh mật độ vi sinh vật (LogCFU/g) trước và sau sấy, bảo quản.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Sử dụng môi trường MRS để nuôi cấy sinh khối T. halophilus CH6-2 nhằm tăng khả năng sống sót trong quá trình bảo quản, giảm thiểu tổn thất vi sinh vật, áp dụng trong vòng 3 tháng bảo quản, do các phòng thí nghiệm và nhà sản xuất chế phẩm vi sinh thực hiện.

  2. Áp dụng tỉ lệ sinh khối/chất mang 1/3 (w/w) trong phối trộn chế phẩm trước khi sấy phun để tối ưu mật độ vi sinh vật sống sót, nâng cao hiệu quả sản xuất, thời gian thực hiện trong quy trình sản xuất hàng ngày.

  3. Lựa chọn hệ chất mang chứa skim milk và monosodium glutamate với tỉ lệ MSG dưới 25% để bảo vệ vi sinh vật trong quá trình sấy phun, đồng thời bổ sung trehalose trong chất mang để tăng khả năng sống sót trong bảo quản dài hạn, áp dụng trong quy trình sản xuất và bảo quản chế phẩm.

  4. Không khuyến khích sử dụng điều kiện sốc nhiệt và áp suất thẩm thấu trước khi sấy đối với chủng T. halophilus CH6-2 do không cải thiện khả năng sống sót, tránh gây tổn thương tế bào, áp dụng trong quy trình tiền xử lý sinh khối.

  5. Xây dựng quy trình sấy phun với thông số nhiệt độ đầu vào 130℃, nhiệt độ đầu ra 75-85℃, lực hút 100%, lực bơm 9% để đảm bảo chất lượng chế phẩm, giảm thiểu tổn thất vi sinh vật, áp dụng trong sản xuất công nghiệp.

Các giải pháp trên cần được triển khai đồng bộ trong vòng 6-12 tháng để đánh giá hiệu quả thực tế, đồng thời phối hợp với các đơn vị sản xuất nước mắm để ứng dụng rộng rãi.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ thực phẩm và Công nghệ sinh học: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về vi sinh vật lactic, phương pháp sấy bảo quản vi sinh vật và ứng dụng trong sản xuất nước mắm, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển sản phẩm mới.

  2. Doanh nghiệp sản xuất nước mắm và chế phẩm vi sinh: Thông tin về quy trình tạo chế phẩm T. halophilus CH6-2 giúp cải tiến công nghệ sản xuất, rút ngắn thời gian lên men, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí.

  3. Cơ quan quản lý và phát triển ngành thực phẩm: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng tiêu chuẩn chất lượng, kiểm soát an toàn thực phẩm và thúc đẩy phát triển ngành nước mắm truyền thống theo hướng công nghiệp hóa.

  4. Các phòng thí nghiệm và trung tâm nghiên cứu vi sinh vật: Hướng dẫn kỹ thuật nuôi cấy, bảo quản và ứng dụng vi sinh vật lactic trong công nghiệp thực phẩm, đặc biệt trong lĩnh vực lên men và chế phẩm vi sinh.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn Tetragenococcus halophilus CH6-2 làm chủng nghiên cứu?
    T. halophilus CH6-2 được phân lập từ chượp mắm truyền thống, có khả năng sinh tổng hợp các hợp chất bay hơi tạo hương thơm đặc trưng và chịu được môi trường muối cao, phù hợp làm chủng khởi động trong sản xuất nước mắm cải tiến.

  2. Phương pháp sấy phun và sấy đông khô khác nhau thế nào về khả năng bảo quản vi sinh vật?
    Sấy đông khô giữ được mật độ vi sinh vật sống sót cao hơn (>90%) nhưng chi phí và thời gian sấy dài. Sấy phun nhanh, chi phí thấp nhưng khả năng sống sót thấp hơn, cần tối ưu điều kiện và chất mang để cải thiện.

  3. Chất mang nào hiệu quả nhất trong bảo vệ T. halophilus CH6-2?
    Hệ chất mang chứa skim milk và monosodium glutamate bảo vệ tốt trong quá trình sấy phun, còn trehalose giúp tăng khả năng sống sót trong bảo quản dài hạn nhờ nâng cao nhiệt độ chuyển tiếp tinh thể.

  4. Điều kiện sốc nhiệt và áp suất thẩm thấu có giúp tăng khả năng sống sót không?
    Trong nghiên cứu này, các điều kiện sốc nhiệt (45-55℃) và áp suất thẩm thấu không cải thiện khả năng sống sót mà còn làm giảm mật độ vi sinh vật sau sấy, do chủng đã thích nghi với môi trường muối cao.

  5. Khả năng ứng dụng của chế phẩm T. halophilus CH6-2 trong sản xuất nước mắm là gì?
    Chế phẩm giúp rút ngắn thời gian lên men từ 12 tháng xuống còn 4-6 tháng, nâng cao hàm lượng amino acid và chất lượng hương vị, đồng thời giảm chi phí sản xuất và tăng tính ổn định sản phẩm.

Kết luận

  • Tetragenococcus halophilus CH6-2 là chủng vi sinh vật tiềm năng cho ứng dụng trong sản xuất nước mắm bằng phương pháp enzyme, với khả năng sinh hương và chịu mặn tốt.
  • Môi trường nuôi cấy MRS và tỉ lệ sinh khối/chất mang 1/3 (w/w) được xác định là điều kiện tối ưu để tăng khả năng sống sót của chủng trong quá trình sấy phun và bảo quản.
  • Hệ chất mang chứa skim milk, monosodium glutamate và trehalose giúp bảo vệ vi sinh vật hiệu quả trong các giai đoạn sấy và bảo quản, trong khi điều kiện sốc nhiệt và áp suất thẩm thấu không mang lại lợi ích.
  • Quy trình sấy phun với thông số kỹ thuật cụ thể được đề xuất nhằm đảm bảo chất lượng chế phẩm vi sinh, phù hợp cho sản xuất quy mô công nghiệp.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển công nghệ sản xuất nước mắm cải tiến, góp phần nâng cao giá trị sản phẩm truyền thống và thúc đẩy ngành công nghệ thực phẩm Việt Nam phát triển bền vững.

Đề nghị các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp tiếp tục triển khai ứng dụng quy trình và chế phẩm trong thực tế sản xuất, đồng thời mở rộng nghiên cứu để hoàn thiện công nghệ và nâng cao hiệu quả sản xuất.