Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam là quốc gia nông nghiệp với ngành chăn nuôi phát triển mạnh, đóng góp quan trọng vào kinh tế quốc dân. Tuy nhiên, việc lạm dụng kháng sinh trong chăn nuôi đang gây ra nhiều hệ lụy nghiêm trọng, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và vật nuôi. Theo ước tính, việc sử dụng probiotic như một giải pháp thay thế kháng sinh ngày càng được quan tâm nhằm nâng cao hiệu quả tiêu hóa, tăng sức đề kháng và giảm thiểu tồn dư kháng sinh trong thực phẩm. Phế liệu tôm (PLT), chiếm khoảng 50-70% trọng lượng nguyên liệu tôm, là nguồn nguyên liệu giàu protein, chitin và carotenoid, đặc biệt là astaxanthin – một chất chống oxy hóa mạnh và có nhiều ứng dụng trong thực phẩm và y học.

Mục tiêu nghiên cứu là thiết lập quy trình sản xuất chế phẩm probiotic giàu carotenoprotein từ phế liệu tôm, ứng dụng trong chăn nuôi nhằm nâng cao giá trị sử dụng phế liệu, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và hạn chế sử dụng kháng sinh. Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 11/2017 đến tháng 8/2018 tại Đại học Nông Lâm Huế và Trung tâm Ứng dụng Tiến bộ Khoa học Công nghệ Quảng Trị. Kết quả nghiên cứu góp phần bổ sung kiến thức về công nghệ chế biến thực phẩm và phát triển các sản phẩm probiotic có giá trị kinh tế và sức khỏe, đồng thời hỗ trợ phát triển ngành chăn nuôi bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình về probiotic, vi khuẩn lactic và Bacillus, cùng với đặc tính sinh học của carotenoprotein và astaxanthin. Probiotic được định nghĩa là vi sinh vật sống khi đưa vào cơ thể với lượng thích hợp sẽ mang lại lợi ích sức khỏe cho vật chủ. Vi khuẩn lactic như Lactobacillus fermentum có khả năng sinh axit lactic, enzyme tiêu hóa, kháng khuẩn và tăng cường miễn dịch. Bacillus subtilis có khả năng sinh bào tử, enzyme ngoại bào protease và các chất kháng khuẩn, giúp thủy phân protein trong phế liệu tôm hiệu quả.

Carotenoprotein là phức hợp giữa protein và carotenoid, đặc biệt là astaxanthin – một sắc tố đỏ cam có khả năng chống oxy hóa mạnh, kích thích miễn dịch và bảo vệ sức khỏe. Việc kết hợp hai chủng vi khuẩn trên nhằm tận dụng khả năng thủy phân protein và tạo ra sản phẩm probiotic giàu carotenoprotein có giá trị dinh dưỡng và chức năng sinh học cao.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là phế liệu tôm tươi được cung cấp từ Công ty Cổ phần Chăn nuôi C.P Việt Nam – Chi nhánh Đông Lạnh Thừa Thiên Huế. Vi khuẩn Bacillus subtilis C10 và Lactobacillus fermentum TC10 được phân lập từ phế liệu tôm và tôm chua, có khả năng sinh protease ngoại bào cao và tiềm năng probiotic.

Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Phân tích thành phần hóa học của phế liệu tôm (độ ẩm, protein, astaxanthin).
  • Thí nghiệm lên men phế liệu tôm với các tỷ lệ khác nhau giữa hai chủng vi khuẩn để xác định tỷ lệ gieo cấy tối ưu.
  • Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ (30-45°C) và thời gian lên men (8-72 giờ) đến chất lượng chế phẩm.
  • Phối trộn dịch carotenoprotein thu được với bã sắn khô làm chất mang, sấy chế phẩm ở 35°C trong 5 giờ.
  • Xác định các chỉ tiêu: mật độ tế bào sống (CFU/g), hoạt độ protease (UI/ml), hàm lượng astaxanthin (µg/g), độ ẩm (%), hoạt tính kháng oxy hóa (DPPH).
  • Phân tích số liệu bằng phần mềm Minitab 17 với phương pháp phân tích phương sai (ANOVA).
  • Cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy cho các thí nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thành phần hóa học của phế liệu tôm: Độ ẩm trung bình 76,3%, hàm lượng protein khoảng 38,7%, hàm lượng astaxanthin đạt 27,57 µg/g (theo chất khô). Đây là nguồn nguyên liệu giàu dinh dưỡng và sắc tố sinh học có giá trị.

  2. Ảnh hưởng của tỷ lệ gieo cấy B. fermentum TC10 vào phế liệu tôm: Tỷ lệ 1:2 (B. fermentum TC10 : phế liệu tôm) cho hoạt độ protease cao nhất 46,81 UI/ml, tăng 88% so với đối chứng không bổ sung vi khuẩn. Mật độ tế bào sống đạt 9,45 log CFU/g, hàm lượng astaxanthin 4,2 µg/g, độ ẩm 6,9%. Các tỷ lệ 1:1 và 2:1 cũng cho kết quả tốt nhưng thấp hơn không đáng kể.

  3. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên men: Nhiệt độ 35°C là tối ưu, cho mật độ tế bào sống cao nhất, hoạt độ protease và hoạt tính kháng oxy hóa đạt giá trị tốt nhất. Nhiệt độ trên 40°C làm giảm hiệu quả lên men và hoạt tính enzyme.

  4. Ảnh hưởng của thời gian lên men: Thời gian 24 giờ là thích hợp nhất để đạt mật độ tế bào sống cao, hoạt độ protease và hàm lượng protein tách chiết tối ưu. Thời gian lên men dài hơn không làm tăng đáng kể các chỉ tiêu và có thể gây giảm chất lượng do quá trình phân hủy.

  5. Tỷ lệ phối trộn dịch carotenoprotein với bã sắn khô: Tỷ lệ 1:4 (dịch carotenoprotein : bã sắn) cho mật độ tế bào sống 9,45 log CFU/g, hoạt độ protease 28,74 UI/ml, hàm lượng astaxanthin 4,2 µg/g và độ ẩm 6,9%, đạt yêu cầu chất lượng chế phẩm probiotic.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy sự phối hợp giữa Bacillus subtilis C10 và Lactobacillus fermentum TC10 trong xử lý phế liệu tôm tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình thủy phân protein và sản xuất carotenoprotein giàu astaxanthin. Hoạt độ protease cao giúp phá vỡ liên kết protein-chitin, tăng hiệu quả thu hồi carotenoprotein. Nhiệt độ và thời gian lên men được tối ưu nhằm đảm bảo mật độ vi sinh vật sống và hoạt tính enzyme cao nhất, phù hợp với điều kiện sinh trưởng của hai chủng vi khuẩn.

Việc phối trộn dịch carotenoprotein với bã sắn khô làm chất mang và sấy nhẹ ở 35°C giúp bảo quản vi sinh vật sống và giữ nguyên hàm lượng astaxanthin, đồng thời tạo thành sản phẩm dạng bột dễ sử dụng trong chăn nuôi. So sánh với các nghiên cứu trước đây, quy trình này vừa tận dụng được nguồn nguyên liệu phế liệu tôm, vừa tạo ra sản phẩm probiotic có giá trị dinh dưỡng và chức năng sinh học cao, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và hạn chế sử dụng kháng sinh trong chăn nuôi.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh hoạt độ protease, mật độ tế bào sống và hàm lượng astaxanthin theo các tỷ lệ gieo cấy, nhiệt độ và thời gian lên men để minh họa rõ ràng sự khác biệt và tối ưu hóa quy trình.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng quy trình lên men phế liệu tôm với tỷ lệ gieo cấy B. fermentum TC10 : phế liệu tôm là 1:2, nhiệt độ 35°C, thời gian 24 giờ nhằm tối ưu hóa hoạt độ protease và mật độ vi sinh vật sống, nâng cao hiệu quả thu hồi carotenoprotein giàu astaxanthin. Thời gian thực hiện: ngay trong quy trình sản xuất tại phòng thí nghiệm và mở rộng quy mô.

  2. Phối trộn dịch carotenoprotein với bã sắn khô theo tỷ lệ 1:4 và sấy ở 35°C trong 5 giờ để tạo thành chế phẩm probiotic dạng bột ổn định, dễ bảo quản và sử dụng trong chăn nuôi. Chủ thể thực hiện: các cơ sở sản xuất thức ăn chăn nuôi.

  3. Khuyến khích các doanh nghiệp chế biến thủy sản tận dụng phế liệu tôm để sản xuất chế phẩm probiotic, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và nâng cao giá trị kinh tế của phế liệu. Thời gian triển khai: trung hạn (1-2 năm).

  4. Đẩy mạnh nghiên cứu mở rộng quy mô sản xuất và ứng dụng chế phẩm probiotic giàu carotenoprotein trong chăn nuôi gia súc, gia cầm và thủy sản, nhằm thay thế kháng sinh, nâng cao sức khỏe vật nuôi và chất lượng sản phẩm. Chủ thể thực hiện: viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành công nghệ thực phẩm, công nghệ sinh học: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về quy trình lên men vi sinh, tách chiết carotenoprotein từ phế liệu thủy sản.

  2. Doanh nghiệp chế biến thủy sản và sản xuất thức ăn chăn nuôi: Áp dụng quy trình tận dụng phế liệu tôm để sản xuất chế phẩm probiotic, nâng cao giá trị sản phẩm và giảm chi phí xử lý chất thải.

  3. Chuyên gia và kỹ thuật viên trong ngành chăn nuôi: Sử dụng chế phẩm probiotic giàu carotenoprotein để cải thiện sức khỏe vật nuôi, tăng hiệu quả tiêu hóa và giảm sử dụng kháng sinh.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách về nông nghiệp và môi trường: Tham khảo để xây dựng các chính sách khuyến khích phát triển công nghệ sinh học thân thiện môi trường và an toàn thực phẩm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Probiotic là gì và tại sao lại quan trọng trong chăn nuôi?
    Probiotic là vi sinh vật sống khi đưa vào cơ thể với lượng thích hợp sẽ mang lại lợi ích sức khỏe cho vật chủ, giúp cải thiện tiêu hóa, tăng cường miễn dịch và giảm sử dụng kháng sinh. Ví dụ, Lactobacillus fermentum có khả năng kháng khuẩn và tăng sức đề kháng cho vật nuôi.

  2. Tại sao chọn phế liệu tôm làm nguyên liệu sản xuất probiotic?
    Phế liệu tôm chứa hàm lượng protein cao (khoảng 38,7%) và astaxanthin (27,57 µg/g), là nguồn nguyên liệu giàu dinh dưỡng và sắc tố sinh học có giá trị, giúp tạo ra chế phẩm probiotic giàu carotenoprotein có lợi cho sức khỏe vật nuôi.

  3. Làm thế nào để tối ưu hóa quá trình lên men phế liệu tôm?
    Nghiên cứu cho thấy tỷ lệ gieo cấy B. fermentum TC10 : phế liệu tôm là 1:2, nhiệt độ lên men 35°C và thời gian 24 giờ là điều kiện tối ưu để đạt mật độ tế bào sống cao và hoạt độ protease tốt nhất.

  4. Chế phẩm probiotic giàu carotenoprotein có ứng dụng gì trong chăn nuôi?
    Chế phẩm giúp cải thiện tiêu hóa, tăng cường miễn dịch, giảm stress và nguy cơ bệnh tật cho vật nuôi, đồng thời cung cấp astaxanthin – chất chống oxy hóa và tạo màu tự nhiên, nâng cao chất lượng sản phẩm chăn nuôi.

  5. Làm thế nào để bảo quản chế phẩm probiotic sau khi sản xuất?
    Phối trộn dịch carotenoprotein với bã sắn khô theo tỷ lệ 1:4 và sấy nhẹ ở 35°C trong 5 giờ giúp bảo quản vi sinh vật sống và giữ nguyên hàm lượng astaxanthin, tạo sản phẩm dạng bột dễ sử dụng và bảo quản lâu dài.

Kết luận

  • Đã xác định thành công quy trình sản xuất chế phẩm probiotic giàu carotenoprotein từ phế liệu tôm với tỷ lệ gieo cấy B. fermentum TC10 : phế liệu tôm là 1:2, nhiệt độ 35°C, thời gian 24 giờ.
  • Chế phẩm đạt mật độ tế bào sống 9,45 log CFU/g, hoạt độ protease 28,74 UI/ml, hàm lượng astaxanthin 4,2 µg/g và độ ẩm 6,9%, đáp ứng yêu cầu chất lượng.
  • Phối trộn dịch carotenoprotein với bã sắn khô theo tỷ lệ 1:4 và sấy nhẹ giúp bảo quản sản phẩm hiệu quả.
  • Quy trình góp phần nâng cao giá trị sử dụng phế liệu tôm, giảm ô nhiễm môi trường và hạn chế sử dụng kháng sinh trong chăn nuôi.
  • Đề xuất triển khai nghiên cứu mở rộng quy mô và ứng dụng trong sản xuất công nghiệp, đồng thời khuyến khích các doanh nghiệp và cơ quan quản lý áp dụng.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị nghiên cứu và sản xuất nên phối hợp để thử nghiệm quy trình ở quy mô pilot, đánh giá hiệu quả kinh tế và tác động môi trường, từ đó phát triển sản phẩm thương mại có giá trị cao.