Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp sản xuất sữa đậu nành tại Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ với quy mô diện tích trồng đậu nành khoảng 100,8 nghìn ha, sản lượng đạt 485,1 nghìn tấn theo báo cáo của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn. Tuy nhiên, trong quá trình sản xuất sữa đậu nành, lượng bã đậu nành thải ra lên đến khoảng 40.000 tấn mỗi năm, gây lãng phí nguồn nguyên liệu giàu dinh dưỡng và tiềm năng ứng dụng cao. Bã đậu nành chứa hàm lượng protein khô từ 25,4% đến 28,4%, cùng nhiều vitamin và khoáng chất có giá trị kinh tế và dinh dưỡng lớn.

Nghiên cứu tập trung vào việc sử dụng enzyme protease từ nấm mốc Aspergillus oryzae để thủy phân bã đậu nành, nhằm thu nhận peptide có hoạt tính sinh học, đặc biệt là khả năng chống oxy hóa. Mục tiêu chính là khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nuôi cấy nấm mốc tạo enzyme protease, tối ưu hóa điều kiện thủy phân bã đậu nành để thu peptide có hoạt tính chống oxy hóa cao, góp phần nâng cao giá trị sử dụng bã đậu nành trong công nghiệp thực phẩm.

Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại phòng thí nghiệm Viện Công nghệ Sinh học và Công nghệ Thực phẩm, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, trong giai đoạn 2016-2018. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ sinh học ứng dụng enzyme trong chế biến thực phẩm, giảm thiểu chất thải và tạo ra sản phẩm peptide có giá trị dinh dưỡng và chức năng cao.

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:

  • Lý thuyết enzyme protease: Protease là enzyme thủy phân liên kết peptide trong protein, giải phóng acid amin và peptide ngắn. Protease được phân loại theo cơ chế hoạt động gồm serin protease, cysteine protease, aspartic protease và metallo protease. Enzyme protease từ Aspergillus oryzae thuộc nhóm protease trung tính, hoạt động hiệu quả ở pH khoảng 6,5-7,5 và nhiệt độ 28-32°C.

  • Mô hình lên men nấm mốc Aspergillus oryzae: Nấm mốc này được nuôi cấy bề mặt trên giá thể chứa cám gạo hoặc cám mì, tạo điều kiện tối ưu cho sinh tổng hợp enzyme protease. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nuôi cấy gồm nhiệt độ, độ ẩm, pH, thời gian nuôi và độ thoáng khí.

  • Khái niệm peptide sinh học: Peptide thu nhận từ thủy phân protein có kích thước nhỏ (<10 kDa), có hoạt tính chống oxy hóa, giúp bảo vệ tế bào khỏi stress oxy hóa.

  • Phương pháp đánh giá hoạt tính chống oxy hóa DPPH: DPPH là chất oxy hóa mạnh, khi gặp peptide có khả năng khử sẽ làm giảm màu tím đặc trưng, đo bằng quang phổ tại bước sóng 517 nm.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu bã đậu nành lấy từ nhà máy sản xuất sữa đậu nành Vinasoy, bột mì dùng làm giá thể nuôi cấy nấm mốc. Nấm mốc Aspergillus oryzae được lấy từ Viện Công nghệ Sinh học và Công nghệ Thực phẩm, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.

  • Phương pháp phân tích:

    • Xác định độ ẩm nguyên liệu bằng phương pháp sấy khô ở 105°C trong 60 phút.
    • Xác định protein hòa tan bằng phương pháp Lowry, xây dựng đường chuẩn albumin với hệ số tương quan R² = 0,991.
    • Đo hoạt độ protease bằng phương pháp Anson cải tiến, sử dụng caseinat natri làm cơ chất, chuẩn độ sản phẩm thủy phân bằng thuốc thử Folin.
    • Xác định acid amin trong dịch thủy phân bằng phản ứng với ninhydrin, xây dựng đường chuẩn glutamic acid với hệ số tương quan R² = 0,99.
    • Định lượng peptide bằng phương pháp OPA, xây dựng đường chuẩn L-glutathione với hệ số tương quan R² = 0,98.
    • Đánh giá hoạt tính chống oxy hóa bằng phương pháp DPPH, đo hấp thụ tại 517 nm, tính phần trăm hoạt tính khử DPPH.
    • Đếm số lượng vi sinh vật bằng phương pháp đếm khuẩn lạc trên môi trường thạch, pha loãng mẫu theo chuẩn.
  • Timeline nghiên cứu:

    • Giai đoạn 1: Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến nuôi cấy nấm mốc và sinh tổng hợp enzyme protease (tháng 1-6/2017).
    • Giai đoạn 2: Thủy phân bã đậu nành bằng enzyme thu được, xác định các chỉ tiêu peptide, acid amin, hoạt tính chống oxy hóa (tháng 7-12/2017).
    • Giai đoạn 3: Phân tích dữ liệu, hoàn thiện luận văn (tháng 1-6/2018).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sinh tổng hợp enzyme protease: Nhiệt độ tối ưu cho sinh tổng hợp enzyme protease của Aspergillus oryzae là trong khoảng 28-32°C. Khi nhiệt độ giảm xuống 24°C hoặc tăng lên 40°C, hoạt độ enzyme giảm đáng kể, giảm khoảng 30-40% so với nhiệt độ tối ưu.

  2. Ảnh hưởng của pH môi trường nuôi cấy: pH thích hợp cho nuôi cấy Aspergillus oryzae tạo enzyme protease là khoảng 6,5-7,5. pH thấp hơn 5,5 hoặc cao hơn 8,0 làm giảm hoạt độ enzyme đến 25-35%.

  3. Thời gian nuôi cấy tối ưu: Hoạt độ protease đạt cao nhất sau 48-72 giờ nuôi cấy, với hoạt độ enzyme tăng gấp 2 lần so với 24 giờ đầu. Sau 72 giờ, hoạt độ enzyme giảm nhẹ do enzyme bị phân hủy hoặc ức chế.

  4. Hiệu quả thủy phân bã đậu nành: Sau thủy phân bằng enzyme protease thu được, hàm lượng protein hòa tan tăng lên khoảng 40%, peptide thu nhận đạt khoảng 0,5 g/g bã đậu nành. Hoạt tính chống oxy hóa DPPH của dịch thủy phân tăng lên đến 65%, cao hơn 30% so với mẫu đối chứng chưa thủy phân.

Thảo luận kết quả

Các kết quả cho thấy điều kiện nuôi cấy nấm mốc Aspergillus oryzae ảnh hưởng rõ rệt đến hoạt độ enzyme protease thu được. Nhiệt độ và pH là hai yếu tố quan trọng nhất, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về enzyme protease từ nấm mốc tương tự. Thời gian nuôi cấy 48-72 giờ là khoảng thời gian tối ưu để enzyme đạt hoạt độ cao nhất, phù hợp với chu kỳ sinh trưởng của nấm mốc.

Hoạt động thủy phân bã đậu nành bằng enzyme protease đã làm tăng đáng kể hàm lượng protein hòa tan và peptide, đồng thời nâng cao hoạt tính chống oxy hóa của sản phẩm. Điều này chứng tỏ enzyme protease từ Aspergillus oryzae có khả năng phân giải protein trong bã đậu nành hiệu quả, tạo ra các peptide có hoạt tính sinh học cao, có tiềm năng ứng dụng trong ngành công nghệ thực phẩm chức năng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh hoạt độ enzyme protease theo nhiệt độ và pH, bảng số liệu hàm lượng protein hòa tan và peptide trước và sau thủy phân, cùng biểu đồ phần trăm hoạt tính chống oxy hóa DPPH của các mẫu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình nuôi cấy Aspergillus oryzae: Áp dụng nhiệt độ 28-32°C, pH 6,5-7,5 và thời gian nuôi 48-72 giờ để đạt hoạt độ enzyme protease cao nhất. Chủ thể thực hiện: các nhà máy sản xuất enzyme và phòng thí nghiệm nghiên cứu. Thời gian áp dụng: ngay sau khi hoàn thiện quy trình.

  2. Ứng dụng enzyme protease trong thủy phân bã đậu nành: Sử dụng enzyme thu được để thủy phân bã đậu nành nhằm thu peptide có hoạt tính sinh học, nâng cao giá trị sản phẩm phụ. Chủ thể thực hiện: doanh nghiệp chế biến thực phẩm, nhà máy sản xuất sữa đậu nành. Thời gian áp dụng: trong vòng 6 tháng tới.

  3. Phát triển sản phẩm peptide chức năng: Nghiên cứu tiếp tục phát triển các sản phẩm peptide chống oxy hóa từ bã đậu nành thủy phân, phục vụ thị trường thực phẩm chức năng và dinh dưỡng. Chủ thể thực hiện: viện nghiên cứu, doanh nghiệp công nghệ sinh học. Thời gian: 1-2 năm.

  4. Giảm thiểu chất thải và bảo vệ môi trường: Khuyến khích các nhà máy sữa đậu nành áp dụng công nghệ thủy phân enzyme để tận dụng bã đậu nành, giảm lượng chất thải ra môi trường. Chủ thể thực hiện: các nhà máy sản xuất sữa đậu nành, cơ quan quản lý môi trường. Thời gian: triển khai trong năm tiếp theo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ thực phẩm: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp thực nghiệm chi tiết về enzyme protease và ứng dụng trong thủy phân protein thực phẩm.

  2. Doanh nghiệp sản xuất sữa đậu nành và thực phẩm chức năng: Tham khảo để áp dụng công nghệ enzyme trong xử lý bã đậu nành, nâng cao giá trị sản phẩm và giảm thiểu chất thải.

  3. Viện nghiên cứu công nghệ sinh học và thực phẩm: Là tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu phát triển enzyme và peptide sinh học từ nguyên liệu thực phẩm.

  4. Cơ quan quản lý môi trường và phát triển bền vững: Tham khảo giải pháp công nghệ sinh học giảm thiểu ô nhiễm từ chất thải công nghiệp thực phẩm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn nấm mốc Aspergillus oryzae để sản xuất enzyme protease?
    Aspergillus oryzae là nấm mốc an toàn, có khả năng sinh tổng hợp enzyme protease hoạt động hiệu quả ở pH trung tính và nhiệt độ phòng, phù hợp cho ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm.

  2. Điều kiện nuôi cấy nào tối ưu cho sinh tổng hợp enzyme protease?
    Nhiệt độ 28-32°C, pH 6,5-7,5 và thời gian nuôi 48-72 giờ là điều kiện tối ưu để đạt hoạt độ enzyme cao nhất, theo kết quả nghiên cứu.

  3. Làm thế nào để xác định hoạt tính chống oxy hóa của peptide thu được?
    Hoạt tính chống oxy hóa được đánh giá bằng phương pháp DPPH, đo khả năng khử gốc tự do DPPH qua sự thay đổi màu sắc và hấp thụ quang phổ tại 517 nm.

  4. Peptide thu được từ thủy phân bã đậu nành có ứng dụng gì?
    Peptide có hoạt tính sinh học như chống oxy hóa, có thể ứng dụng trong thực phẩm chức năng, dinh dưỡng bổ sung và dược phẩm.

  5. Nghiên cứu này có thể áp dụng trong sản xuất công nghiệp không?
    Có, quy trình nuôi cấy và thủy phân enzyme có thể được tối ưu và mở rộng quy mô để ứng dụng trong công nghiệp chế biến thực phẩm, tận dụng nguồn nguyên liệu phụ giàu protein.

Kết luận

  • Nấm mốc Aspergillus oryzae sinh tổng hợp enzyme protease hiệu quả nhất ở nhiệt độ 28-32°C, pH 6,5-7,5 và thời gian nuôi 48-72 giờ.
  • Enzyme protease thu được có khả năng thủy phân bã đậu nành, tăng hàm lượng protein hòa tan và peptide sinh học.
  • Peptide thu nhận có hoạt tính chống oxy hóa cao, tiềm năng ứng dụng trong thực phẩm chức năng.
  • Nghiên cứu góp phần nâng cao giá trị sử dụng bã đậu nành, giảm thiểu chất thải công nghiệp.
  • Đề xuất áp dụng quy trình nuôi cấy và thủy phân enzyme trong sản xuất thực phẩm, phát triển sản phẩm peptide chức năng trong 1-2 năm tới.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các doanh nghiệp và viện nghiên cứu phối hợp triển khai ứng dụng công nghệ enzyme trong chế biến bã đậu nành, đồng thời mở rộng nghiên cứu về các hoạt tính sinh học khác của peptide thu được.