Tiểu luận nghiên cứu quy trình sản xuất omega-3 từ hạt chia và mỡ cá tra ở quy mô phòng thí nghiệm

• Tác giả: ThS. Vi Nhã Trân
• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật – Công Nghệ Cần Thơ
• Chuyên ngành: Công Nghệ Sinh Học – Công Nghệ Hóa Học – Công Nghệ Thực Phẩm
• Đề tài: Nghiên Cứu Quy Trình Sản Xuất Omega-3 Từ Hạt Chia Và Mỡ Cá Tra
• Loại tài liệu: tiểu luận
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Cần Thơ

I. Giới thiệu

Nghiên cứu quy trình sản xuất omega-3 từ hạt chia và mỡ cá tra là một chủ đề quan trọng trong lĩnh vực dinh dưỡng và công nghệ thực phẩm. Omega-3 là nhóm axit béo thiết yếu không thể tự tổng hợp trong cơ thể, do đó cần được cung cấp qua chế độ ăn uống. Các nguồn omega-3 phổ biến bao gồm hạt chia, mỡ cá tra, và đầu cá hồi. Nghiên cứu này nhằm mục đích phát triển quy trình sản xuất omega-3 từ các nguồn nguyên liệu này, đồng thời so sánh hiệu quả và chất lượng của từng nguồn nguyên liệu. Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp thông tin quý giá cho việc phát triển sản phẩm thực phẩm chức năng và dược phẩm từ omega-3.

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Nhu cầu sử dụng omega-3 trong chế độ ăn uống ngày càng tăng cao, đặc biệt là trong bối cảnh người tiêu dùng ngày càng chú trọng đến sức khỏe. Tuy nhiên, phần lớn omega-3 trên thị trường Việt Nam hiện nay đều là sản phẩm nhập khẩu với giá thành cao. Việc nghiên cứu và phát triển quy trình sản xuất omega-3 từ hạt chia và mỡ cá tra không chỉ giúp giảm chi phí mà còn tạo ra sản phẩm chất lượng cao, đáp ứng nhu cầu trong nước. Hơn nữa, việc sử dụng các nguyên liệu sẵn có tại địa phương sẽ góp phần nâng cao giá trị kinh tế cho nông sản và thủy sản Việt Nam.

II. Quy trình sản xuất omega 3

Quy trình sản xuất omega-3 từ hạt chia và mỡ cá tra bao gồm nhiều bước quan trọng. Đầu tiên, nguyên liệu được chuẩn bị và xử lý để tách dầu hạt chia và mỡ cá tra. Các phương pháp chiết xuất như trích ly bằng dung môi và thủy phân hóa học được áp dụng để thu nhận hỗn hợp axit béo tự do. Sau đó, omega-3 được làm giàu thông qua phương pháp tủa urea. Kết quả cho thấy hàm lượng omega-3 trong hạt chia cao nhất, chủ yếu là α-linolenic acid (ALA), trong khi mỡ cá tra và đầu cá hồi chứa cả ba loại axit béo quan trọng: ALA, eicosapentaenoic acid (EPA) và docosahexaenoic acid (DHA). Việc so sánh thành phần và hiệu suất chiết xuất từ các nguồn nguyên liệu khác nhau là rất cần thiết để xác định quy trình tối ưu.

2.1 Phương pháp chiết xuất

Các phương pháp chiết xuất được sử dụng trong nghiên cứu này bao gồm trích ly lỏng và thủy phân hóa học. Trích ly lỏng là phương pháp hiệu quả để thu hồi dầu hạt chia và mỡ cá tra. Nghiên cứu cho thấy rằng nhiệt độ và thời gian gia nhiệt có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất thu hồi. Đối với thủy phân hóa học, việc sử dụng NaOH và tủa urea giúp làm giàu omega-3 từ các nguồn nguyên liệu. Kết quả cho thấy mỡ cá tra có hàm lượng omega-3 thấp hơn so với đầu cá hồi, nhưng vẫn có giá trị dinh dưỡng cao.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy hàm lượng omega-3 trong hạt chia đạt 73,8% ALA, trong khi đầu cá hồi có 8% ALA, 3,66% EPA và 4,37% DHA. Mỡ cá tra có hàm lượng thấp hơn với 1,24% ALA, 0,11% EPA và 0,29% DHA. Sự khác biệt này cho thấy hạt chia là nguồn cung cấp omega-3 dồi dào, trong khi mỡ cá tra và đầu cá hồi cung cấp các axit béo đa nối đôi quan trọng khác. Việc làm giàu omega-3 từ các nguồn nguyên liệu này không chỉ có ý nghĩa về mặt dinh dưỡng mà còn mở ra cơ hội phát triển sản phẩm thực phẩm chức năng tại Việt Nam.

3.1 So sánh chất lượng sản phẩm

Chất lượng sản phẩm omega-3 từ hạt chia, mỡ cá tra, và đầu cá hồi được so sánh dựa trên hàm lượng axit béo và chỉ tiêu cảm quan. Kết quả cho thấy sản phẩm từ hạt chia có chất lượng cao nhất về hàm lượng ALA, trong khi đầu cá hồi và mỡ cá tra cung cấp các axit béo thiết yếu khác. Việc phát triển quy trình sản xuất omega-3 từ các nguồn nguyên liệu này không chỉ giúp nâng cao giá trị dinh dưỡng mà còn tạo ra sản phẩm có lợi cho sức khỏe, góp phần vào việc phòng ngừa các bệnh liên quan đến tim mạch.

Tổng quan nghiên cứu

Acid béo Omega-3 là nhóm acid béo không thay thế, có vai trò quan trọng trong dinh dưỡng và sức khỏe con người, đặc biệt trong phòng và điều trị các bệnh tim mạch, viêm nhiễm và hỗ trợ phát triển não bộ. Nhu cầu sử dụng Omega-3 ngày càng tăng cao trên toàn cầu, trong đó Việt Nam chủ yếu phải nhập khẩu sản phẩm này với giá thành cao. Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển quy trình sản xuất Omega-3 từ ba nguồn nguyên liệu giàu acid béo thiết yếu gồm hạt Chia, đầu cá hồi và mỡ cá tra, nhằm tạo ra sản phẩm chất lượng cao, đáp ứng nhu cầu trong nước và giảm phụ thuộc nhập khẩu.

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm của Trường Đại học Kỹ thuật – Công nghệ Cần Thơ trong năm 2021, với mục tiêu xây dựng quy trình trích ly Omega-3 hiệu quả, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trích ly và so sánh chất lượng sản phẩm thu được từ ba nguồn nguyên liệu này. Nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực trong việc tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có tại Việt Nam, đặc biệt là phụ phẩm cá tra và đầu cá hồi, đồng thời khai thác tiềm năng của hạt Chia – một nguồn thực vật giàu ALA.

Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao giá trị kinh tế của nguyên liệu, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho việc phát triển công nghệ sản xuất Omega-3 quy mô phòng thí nghiệm, hướng tới ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm và dược phẩm. Qua đó, nghiên cứu hỗ trợ phát triển ngành công nghiệp thực phẩm chức năng và dinh dưỡng tại Việt Nam, góp phần cải thiện sức khỏe cộng đồng.

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 lipid học, đặc biệt tập trung vào acid béo Omega-3, bao gồm α-linolenic acid (ALA), eicosapentaenoic acid (EPA) và docosahexaenoic acid (DHA). Các khái niệm chính gồm:

• Acid béo Omega-3: Acid béo không bão hòa đa nối đôi, không thể tổng hợp trong cơ thể, cần bổ sung qua thực phẩm.
• Phương pháp trích ly lipid: Bao gồm trích ly vật lý (gia nhiệt, ép ướt), hóa học (dung môi, Soxhlet), và sinh học (enzyme, lên men).
• Phương pháp làm giàu Omega-3 bằng tủa urea: Dựa trên khả năng tạo phức kết tinh của urea với acid béo bão hòa và acid béo bất bão hòa một nối đôi, giúp tách và làm giàu acid béo bất bão hòa đa nối đôi (PUFAs).
• Chỉ số đặc trưng lipid: Chỉ số acid, chỉ số peroxyde, chỉ số iod dùng để đánh giá chất lượng nguyên liệu và sản phẩm.

Khung lý thuyết này giúp giải thích cơ chế trích ly, tinh chế và làm giàu Omega-3 từ các nguyên liệu động vật và thực vật, đồng thời đánh giá chất lượng sản phẩm cuối cùng.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn nguyên liệu gồm mỡ cá tra, đầu cá hồi và hạt Chia, được thu mua và bảo quản nghiêm ngặt tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Kỹ thuật – Công nghệ Cần Thơ. Cỡ mẫu được lựa chọn phù hợp với quy mô phòng thí nghiệm: 30 g mỡ cá tra, 100 g đầu cá hồi và 20 g hạt Chia cho mỗi nghiệm thức.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Phân tích thành phần nguyên liệu: hàm lượng nước, protein, lipid tổng, tro tổng số, chất xơ.
• Đánh giá chỉ số acid, peroxyde, iod theo tiêu chuẩn TCVN.
• Xác định thành phần acid béo Omega-3 bằng sắc ký khí (GC/FID).

Quy trình thí nghiệm gồm ba giai đoạn chính:

1. Trích ly mỡ lỏng và dầu thô:

   • Mỡ cá tra được gia nhiệt gián tiếp ở các mức nhiệt 70°C, 80°C, 90°C trong 20-60 phút, khuấy đều để thu hồi mỡ lỏng sạch.
   • Đầu cá hồi được xay nhỏ, trộn với nước theo tỉ lệ 1:1, gia nhiệt 80-85°C, khuấy với tốc độ 100-500 vòng/phút trong 15-45 phút, sau đó ly tâm để thu mỡ lỏng.
   • Hạt Chia được trích ly bằng hệ thống Soxhlet với các dung môi ether dầu hỏa, n-hexan, isopropanol ở 55°C trong 90 phút.

2. Thu nhận hỗn hợp acid béo tự do: Thủy phân hóa học có hỗ trợ siêu âm với NaOH 3,85% ở 75°C, sau đó acid hóa bằng H2SO4 6M để tách acid béo tự do.

3. Làm giàu Omega-3 bằng tủa urea: Hỗn hợp acid béo tự do được hòa tan với urea trong ethanol, kết tinh ở nhiệt độ -15°C, 2°C và nhiệt độ phòng trong 24 giờ, lọc tách tinh thể, thu hồi acid béo bất bão hòa đa nối đôi.

Dữ liệu thu thập được xử lý thống kê bằng phần mềm Statgraphics Centurion XV.I với phân tích ANOVA và phép thử LSD để xác định mức độ khác biệt có ý nghĩa thống kê.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thành phần nguyên liệu:

   • Mỡ cá tra có hàm lượng lipid tổng cao nhất (85,79%), nước 9,98%, protein 3,21%.
   • Đầu cá hồi chứa 54,96% nước, 22,26% lipid tổng và 16,72% protein.
   • Hạt Chia có 32,70% lipid tổng, 27,20% protein và 27,72% chất xơ.
     Các chỉ số acid và peroxyde của nguyên liệu đều nằm trong giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn TCVN, đảm bảo chất lượng nguyên liệu.

2. Hiệu suất thu hồi mỡ lỏng và dầu thô:

   • Mỡ cá tra đạt hiệu suất thu hồi mỡ lỏng cao nhất 84,72% khi gia nhiệt gián tiếp ở 80°C trong 60 phút.
   • Đầu cá hồi thu hồi mỡ lỏng tối ưu với hiệu suất 51,00% ở 30 phút và tốc độ khuấy 300 vòng/phút.
   • Hạt Chia trích ly dầu thô hiệu quả nhất với dung môi n-hexan, đạt hiệu suất khoảng 30-35% (theo ước tính).

3. Hàm lượng Omega-3 trong sản phẩm:

   • Hạt Chia chứa hàm lượng Omega-3 cao nhất với 73,8% ALA.
   • Đầu cá hồi có 8% ALA, 3,66% EPA và 4,37% DHA, vượt trội so với mỡ cá tra (1,24% ALA, 0,11% EPA, 0,29% DHA).
   • Phương pháp tủa urea làm giàu Omega-3 hiệu quả, tăng hàm lượng acid béo bất bão hòa đa nối đôi trong sản phẩm cuối cùng.

Thảo luận kết quả

Hiệu suất thu hồi mỡ lỏng từ mỡ cá tra cao nhất ở 80°C trong 60 phút do nhiệt độ này đủ để làm tan chảy mỡ mà không gây biến tính protein làm giảm khả năng tách dầu. Ở 90°C, hiệu suất giảm do protein gelatin hóa làm tăng độ nhớt, cản trở quá trình chiết tách. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về ảnh hưởng nhiệt độ đến trích ly lipid.

Đối với đầu cá hồi, tốc độ khuấy và thời gian gia nhiệt ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu suất thu hồi mỡ lỏng. Tốc độ khuấy 300 vòng/phút và thời gian 30 phút tạo điều kiện khuếch tán tốt nhất, cân bằng giữa hiệu quả trích ly và hạn chế bay hơi nước. Kết quả này tương đồng với cơ chế khuếch tán đối lưu và phân tử trong trích ly.

Hạt Chia với hàm lượng ALA cao nhất trong ba nguyên liệu, phù hợp làm nguồn Omega-3 thực vật. Việc sử dụng dung môi n-hexan và phương pháp Soxhlet cho hiệu suất trích ly cao, phù hợp với điều kiện phòng thí nghiệm và kinh tế.

Phương pháp tủa urea chứng minh hiệu quả trong làm giàu Omega-3, tách acid béo bão hòa và acid béo bất bão hòa một nối đôi, giữ lại acid béo bất bão hòa đa nối đôi có lợi cho sức khỏe. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh hàm lượng Omega-3 trước và sau khi làm giàu, thể hiện sự tăng đáng kể hàm lượng EPA và DHA.

So sánh với các nghiên cứu trong và ngoài nước, quy trình này đơn giản, tiết kiệm chi phí, phù hợp với điều kiện phòng thí nghiệm Việt Nam, đồng thời tận dụng hiệu quả nguồn nguyên liệu địa phương và nhập khẩu.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng quy trình gia nhiệt gián tiếp ở 80°C trong 60 phút cho trích ly mỡ cá tra nhằm tối ưu hiệu suất thu hồi mỡ lỏng, giảm chi phí năng lượng và đảm bảo chất lượng sản phẩm. Chủ thể thực hiện: các cơ sở chế biến cá tra; thời gian áp dụng: ngay sau khi nghiên cứu hoàn thiện.

2. Tối ưu hóa tốc độ khuấy 300 vòng/phút và thời gian 30 phút trong trích ly mỡ đầu cá hồi để nâng cao hiệu suất thu hồi dầu, giảm thất thoát nguyên liệu. Chủ thể thực hiện: các nhà máy chế biến cá hồi; thời gian áp dụng: trong vòng 6 tháng tới.

3. Sử dụng dung môi n-hexan kết hợp phương pháp Soxhlet cho trích ly dầu thô từ hạt Chia nhằm đạt hiệu suất cao và tiết kiệm chi phí, phù hợp với quy mô phòng thí nghiệm và sản xuất nhỏ. Chủ thể thực hiện: các đơn vị sản xuất dầu thực vật; thời gian áp dụng: 3-6 tháng.

4. Áp dụng phương pháp làm giàu Omega-3 bằng tủa urea để nâng cao hàm lượng acid béo bất bão hòa đa nối đôi trong sản phẩm cuối cùng, đảm bảo chất lượng và giá trị dinh dưỡng. Chủ thể thực hiện: phòng thí nghiệm và nhà sản xuất thực phẩm chức năng; thời gian áp dụng: ngay sau khi hoàn thiện quy trình.

5. Khuyến khích nghiên cứu tiếp tục mở rộng quy mô sản xuất và ứng dụng công nghệ trích ly Omega-3 từ các nguồn nguyên liệu khác nhau, đồng thời đánh giá tính ổn định và an toàn sản phẩm trong điều kiện bảo quản thực tế. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu, doanh nghiệp; thời gian: 1-2 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành công nghệ thực phẩm, công nghệ sinh học: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về quy trình trích ly và làm giàu Omega-3, phương pháp phân tích và đánh giá chất lượng sản phẩm.

2. Doanh nghiệp chế biến thủy sản và thực phẩm chức năng: Tham khảo quy trình công nghệ trích ly Omega-3 từ phụ phẩm cá tra, đầu cá hồi và hạt Chia để phát triển sản phẩm mới, nâng cao giá trị nguyên liệu và giảm chi phí nhập khẩu.

3. Cơ quan quản lý và phát triển ngành công nghiệp thực phẩm: Sử dụng kết quả nghiên cứu làm cơ sở khoa học cho việc xây dựng chính sách phát triển ngành Omega-3 nội địa, thúc đẩy sản xuất trong nước.

4. Các chuyên gia dinh dưỡng và y tế cộng đồng: Hiểu rõ về nguồn gốc, thành phần và lợi ích của Omega-3 từ các nguyên liệu tự nhiên, hỗ trợ tư vấn dinh dưỡng và phát triển sản phẩm bổ sung phù hợp.

Câu hỏi thường gặp

1. Omega-3 là gì và tại sao cần thiết cho cơ thể?
   Omega-3 là nhóm acid béo không bão hòa đa nối đôi, không thể tự tổng hợp trong cơ thể, cần bổ sung qua thực phẩm để hỗ trợ chức năng tim mạch, não bộ và giảm viêm. Ví dụ, DHA chiếm khoảng 60% acid béo trong não bộ, rất quan trọng cho phát triển thần kinh.

2. Tại sao chọn hạt Chia, đầu cá hồi và mỡ cá tra làm nguyên liệu nghiên cứu?
   Ba nguyên liệu này có hàm lượng Omega-3 cao và đa dạng về thành phần acid béo. Hạt Chia giàu ALA, đầu cá hồi và mỡ cá tra chứa EPA và DHA, giúp so sánh hiệu quả trích ly và làm giàu Omega-3 từ nguồn thực vật và động vật.

3. Phương pháp tủa urea có ưu điểm gì trong làm giàu Omega-3?
   Phương pháp này đơn giản, chi phí thấp, hiệu quả cao trong tách acid béo bão hòa và acid béo bất bão hòa một nối đôi, giữ lại acid béo bất bão hòa đa nối đôi (PUFAs) có lợi, phù hợp với quy mô phòng thí nghiệm.

4. Hiệu suất thu hồi mỡ lỏng từ mỡ cá tra và đầu cá hồi như thế nào?
   Hiệu suất thu hồi mỡ lỏng từ mỡ cá tra đạt tối đa 84,72% ở 80°C trong 60 phút, trong khi đầu cá hồi đạt 51,00% ở 30 phút và tốc độ khuấy 300 vòng/phút, cho thấy điều kiện trích ly ảnh hưởng lớn đến hiệu quả thu hồi.

5. Nghiên cứu này có thể ứng dụng trong sản xuất công nghiệp không?
   Quy trình nghiên cứu phù hợp với quy mô phòng thí nghiệm, có thể được điều chỉnh và mở rộng cho sản xuất công nghiệp với các thiết bị và điều kiện thích hợp, góp phần phát triển ngành công nghiệp Omega-3 trong nước.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công quy trình trích ly Omega-3 từ mỡ cá tra, đầu cá hồi và hạt Chia với hiệu suất thu hồi mỡ lỏng và dầu thô cao, phù hợp với điều kiện phòng thí nghiệm Việt Nam.
• Phương pháp làm giàu Omega-3 bằng tủa urea hiệu quả trong việc tăng hàm lượng acid béo bất bão hòa đa nối đôi, đặc biệt EPA và DHA.
• Hạt Chia là nguồn thực vật giàu ALA, trong khi đầu cá hồi và mỡ cá tra cung cấp EPA và DHA, tạo điều kiện so sánh và lựa chọn nguyên liệu phù hợp.
• Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao giá trị kinh tế của nguyên liệu địa phương và giảm phụ thuộc nhập khẩu Omega-3.
• Đề xuất áp dụng quy trình trong sản xuất thực phẩm chức năng và mở rộng nghiên cứu quy mô công nghiệp trong thời gian tới.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp triển khai ứng dụng quy trình, đồng thời phát triển sản phẩm Omega-3 chất lượng cao phục vụ thị trường trong nước và xuất khẩu.