Tổng quan nghiên cứu

Rong sụn Kappaphycus alvarezii (Doty) Doty là nguồn nguyên liệu giàu carrageenan (car), chiếm tới 40% trọng lượng khô, được nuôi trồng phổ biến tại các vùng ven biển Việt Nam như Khánh Hòa, Ninh Thuận và Bình Thuận. Carrageenan là polysaccharide có hoạt tính sinh học, ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm, dược phẩm và y học. Tuy nhiên, phương pháp sản xuất carrageenan truyền thống sử dụng hóa chất như NaOH gây ô nhiễm môi trường và khó khăn trong tinh chế sản phẩm. Do đó, nghiên cứu ứng dụng enzyme polysaccharase trong sản xuất carrageenan và oligocarrageenan (oligocar) từ rong sụn nhằm tạo ra sản phẩm “sạch”, thân thiện môi trường là rất cần thiết.

Mục tiêu chính của luận văn là phát triển quy trình sản xuất carrageenan và oligocarrageenan từ rong sụn K. alvarezii bằng enzyme polysaccharase, đồng thời đánh giá ứng dụng của các sản phẩm này trong chế biến và bảo quản surimi cá đổng. Nghiên cứu được thực hiện trên nguyên liệu rong sụn thu hoạch tại đầm Thủy Triều, xã Cam Đức, huyện Cam Lâm, tỉnh Khánh Hòa, trong khoảng thời gian nhất định, với các chỉ tiêu kỹ thuật và tiêu chuẩn an toàn thực phẩm theo quy định của Bộ Y tế Việt Nam.

Kết quả nghiên cứu không chỉ cung cấp quy trình công nghệ sản xuất carrageenan và oligocarrageenan hiệu quả, mà còn mở rộng ứng dụng trong ngành chế biến thủy sản, góp phần nâng cao giá trị kinh tế của nghề nuôi trồng rong sụn và phát triển bền vững ngành công nghiệp 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 polysaccharide từ rong sụn, đặc biệt là carrageenan và oligocarrageenan. Carrageenan là polymer mạch thẳng gồm các liên kết luân phiên của β-D-Galactose và α-D-Galactose với các nhóm sunphat khác nhau, tạo thành các loại κ-, ι-, λ-carrageenan với tính chất vật lý và hóa học đặc trưng. Oligocarrageenan là sản phẩm thủy phân carrageenan có khối lượng phân tử nhỏ hơn, giữ lại các đặc tính sinh học và ứng dụng trong y học, thực phẩm.

Hai enzyme polysaccharase chính được nghiên cứu là Viscozyme L và Termamyl 120L. Viscozyme L chứa hỗn hợp cellulase, hemicellulase, xylanase giúp phá vỡ thành tế bào rong sụn, tạo điều kiện chiết xuất carrageenan hiệu quả. Termamyl 120L là endo-amylase có khả năng thủy phân liên kết α-1,4 glycosid trong carrageenan thành oligocarrageenan, hoạt động ổn định ở nhiệt độ cao (đến 85°C) và pH trung tính.

Các khái niệm chính bao gồm: quá trình chiết xuất carrageenan bằng enzyme, thủy phân enzymatic carrageenan thành oligocarrageenan, kỹ thuật tinh sạch bằng kết tủa phân đoạn với ethanol, phân tích cấu trúc bằng phổ NMR và IR, đánh giá độc tính tiền lâm sàng trên động vật thí nghiệm, và ứng dụng carrageenan, oligocarrageenan trong sản xuất surimi.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là nguyên liệu rong sụn K. alvarezii thu hoạch tại đầm Thủy Triều, Khánh Hòa và cá đổng cờ (Nemipterus virgatus) làm nguyên liệu sản xuất surimi. Rong sụn được sấy lạnh ở 50°C, cá được bảo quản lạnh và xử lý theo tiêu chuẩn kỹ thuật.

Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Chiết xuất carrageenan: sử dụng enzyme Viscozyme L với các thông số tối ưu tỷ lệ nước/rong khô 20/1, nồng độ enzyme 1,45%, pH 5,1, nhiệt độ 42°C, thời gian 60 phút. Sau đó chiết carrageenan ở 90°C trong 80 phút với tỷ lệ nước/rong 50/1.

  • Tinh sạch carrageenan và oligocarrageenan: kết tủa phân đoạn protein và tạp chất bằng ethanol 960 ở các nồng độ gây kết tủa khác nhau (25% và 60% cho carrageenan; 30% và 80% cho oligocarrageenan), ly tâm, rửa kết tủa bằng ethanol và sấy lạnh ở 45±2°C.

  • Thủy phân carrageenan thành oligocarrageenan: sử dụng enzyme Termamyl 120L với nồng độ carrageenan 1%, enzyme 0,5%, pH 6,5, nhiệt độ 85°C, thời gian 16 giờ.

  • Phân tích thành phần và cấu trúc: xác định monosaccharide bằng sắc ký khí, phổ NMR (1H, 13C), phổ hồng ngoại IR, đo độ nhớt, khối lượng phân tử trung bình.

  • Đánh giá độc tính: thử nghiệm độc tính liều đơn và liều lặp lại trên chuột nhắt và chuột lang theo hướng dẫn nghiên cứu tiền lâm sàng của Bộ Y tế.

  • Ứng dụng trong sản xuất surimi: thử nghiệm bổ sung carrageenan 1% và oligocarrageenan 0,2% vào surimi cá đổng, đánh giá cường độ gel, chất lượng cảm quan, độ ổn định trong quá trình bảo quản đông.

Quy trình nghiên cứu được thực hiện theo thiết kế thí nghiệm đối chứng, với cỡ mẫu phù hợp (6-10 con vật cho nhóm thí nghiệm độc tính), sử dụng các phương pháp phân tích chuẩn quốc gia và quốc tế, đảm bảo tính chính xác và khả năng lặp lại.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tối ưu hóa chiết carrageenan bằng enzyme Viscozyme L: Quy trình với tỷ lệ nước/rong 20/1, enzyme 1,45%, pH 5,1, nhiệt độ 42°C, thời gian 60 phút cho hiệu suất thu carrageenan cao, đạt khoảng 70% so với nguyên liệu. Sức đông carrageenan thu được cao hơn so với phương pháp xử lý bằng NaOH, cho thấy chất lượng gel tốt hơn.

  2. Tinh sạch carrageenan và oligocarrageenan bằng ethanol: Phương pháp kết tủa phân đoạn với ethanol 960 ở nồng độ 25% và 60% cho carrageenan, 30% và 80% cho oligocarrageenan, loại bỏ hiệu quả protein và tạp chất, đạt tiêu chuẩn hóa lý, kim loại nặng và vi sinh vật theo quy định Bộ Y tế. Độ ẩm sản phẩm dưới 10%, độ tinh khiết cao.

  3. Thủy phân carrageenan thành oligocarrageenan bằng enzyme Termamyl 120L: Điều kiện tối ưu là nồng độ carrageenan 1%, enzyme 0,5%, pH 6,5, nhiệt độ 85°C, thời gian 16 giờ. Sản phẩm oligocarrageenan có khối lượng phân tử trung bình nhỏ hơn carrageenan khoảng 132 lần, chứa từ 2 đến 10 monosaccharide, giữ nguyên cấu trúc cơ bản.

  4. Đánh giá độc tính: Thử nghiệm trên chuột nhắt và chuột lang cho thấy carrageenan và oligocarrageenan không gây độc tính liều đơn và liều lặp lại trong 21 và 42 ngày, không ảnh hưởng đến trọng lượng cơ thể, các chỉ số huyết học, sinh hóa máu và mô bệnh học gan, thận, lách.

  5. Ứng dụng trong sản xuất surimi cá đổng: Bổ sung carrageenan 1% hoặc oligocarrageenan 0,2% làm tăng cường độ gel surimi lên 15-20%, cải thiện độ dai, độ mịn bề mặt và độ bền nhiệt. Trong quá trình bảo quản đông lạnh, các mẫu surimi có phụ gia giữ được chất lượng cảm quan cao hơn 25% so với mẫu đối chứng, giảm lượng dịch thoát ra sau rã đông.

Thảo luận kết quả

Việc sử dụng enzyme Viscozyme L giúp phá vỡ thành tế bào rong sụn hiệu quả hơn so với phương pháp hóa học, tăng hiệu suất chiết carrageenan và cải thiện tính chất gel. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về ứng dụng enzyme cellulase trong chiết polysaccharide từ rong biển. Phương pháp tinh sạch bằng ethanol đơn giản, hiệu quả, phù hợp với quy mô pilot và công nghiệp, giảm thiểu ô nhiễm môi trường so với các phương pháp sắc ký phức tạp.

Thủy phân enzymatic carrageenan bằng Termamyl 120L tạo ra oligocarrageenan có cấu trúc gần giống carrageenan gốc, nhưng với khối lượng phân tử nhỏ hơn nhiều, giúp tăng hoạt tính sinh học và khả năng ứng dụng trong thực phẩm chức năng. Kết quả độc tính cho thấy sản phẩm an toàn, phù hợp cho ứng dụng thực phẩm.

Ứng dụng carrageenan và oligocarrageenan trong surimi cá đổng giúp cải thiện tính chất cơ lý và ổn định sản phẩm trong bảo quản đông lạnh, phù hợp với nhu cầu nâng cao chất lượng surimi từ nguyên liệu cá tạp tại Việt Nam. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh cường độ gel, độ dai và lượng dịch thoát ra giữa các mẫu có và không có phụ gia trong quá trình bảo quản.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng quy trình enzyme Viscozyme L trong sản xuất carrageenan công nghiệp: Đề xuất các doanh nghiệp chế biến rong sụn áp dụng quy trình enzyme với các thông số tối ưu đã xác định để nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm, giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Thời gian triển khai dự kiến 6-12 tháng.

  2. Triển khai công nghệ thủy phân enzymatic carrageenan thành oligocarrageenan: Khuyến khích phát triển sản phẩm oligocarrageenan làm nguyên liệu cho thực phẩm chức năng và dược phẩm, tận dụng nguồn nguyên liệu rong sụn sẵn có. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ sinh học.

  3. Ứng dụng carrageenan và oligocarrageenan trong sản xuất surimi cá tạp: Các cơ sở chế biến thủy sản nên bổ sung carrageenan 1% hoặc oligocarrageenan 0,2% vào surimi để cải thiện chất lượng và kéo dài thời gian bảo quản đông lạnh, nâng cao giá trị sản phẩm. Thời gian áp dụng trong vòng 3-6 tháng.

  4. Nâng cao năng lực nghiên cứu và đào tạo về công nghệ enzyme trong chế biến thủy sản: Đề xuất các trường đại học và viện nghiên cứu tăng cường đào tạo, chuyển giao công nghệ enzyme polysaccharase, hỗ trợ doanh nghiệp phát triển sản phẩm mới. Chủ thể thực hiện là các cơ sở đào tạo và nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành công nghệ chế biến thủy sản: Luận văn cung cấp dữ liệu mới về công nghệ enzyme trong sản xuất carrageenan và oligocarrageenan, phương pháp phân tích cấu trúc và đánh giá độc tính, phục vụ nghiên cứu và giảng dạy.

  2. Doanh nghiệp chế biến rong sụn và thủy sản: Tham khảo quy trình sản xuất carrageenan “sạch” và ứng dụng trong sản xuất surimi, giúp nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí xử lý môi trường và mở rộng thị trường.

  3. Cơ quan quản lý và phát triển ngành thủy sản: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển bền vững nghề nuôi trồng rong sụn và chế biến thủy sản giá trị gia tăng.

  4. Các nhà sản xuất thực phẩm chức năng và dược phẩm: Tận dụng oligocarrageenan có hoạt tính sinh học cao làm nguyên liệu cho sản phẩm mới, đảm bảo an toàn và hiệu quả.

Câu hỏi thường gặp

  1. Carrageenan và oligocarrageenan khác nhau như thế nào?
    Carrageenan là polysaccharide có khối lượng phân tử lớn, còn oligocarrageenan là sản phẩm thủy phân có khối lượng phân tử nhỏ hơn khoảng 132 lần, chứa từ 2 đến 10 monosaccharide, giữ lại cấu trúc cơ bản và có hoạt tính sinh học cao hơn.

  2. Tại sao sử dụng enzyme polysaccharase trong sản xuất carrageenan?
    Enzyme polysaccharase giúp phá vỡ thành tế bào rong sụn nhẹ nhàng, tăng hiệu suất chiết xuất carrageenan, giảm ô nhiễm môi trường so với phương pháp hóa học, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tinh sạch sản phẩm.

  3. Quy trình tinh sạch carrageenan và oligocarrageenan bằng ethanol có ưu điểm gì?
    Phương pháp này đơn giản, hiệu quả trong việc loại bỏ protein và tạp chất, cho sản phẩm đạt tiêu chuẩn an toàn thực phẩm, dễ áp dụng trong quy mô công nghiệp và thân thiện với môi trường.

  4. Carrageenan và oligocarrageenan có an toàn khi sử dụng trong thực phẩm?
    Nghiên cứu độc tính trên chuột thí nghiệm cho thấy cả hai sản phẩm không gây độc tính liều đơn và liều lặp lại, không ảnh hưởng đến các chỉ số sinh học và mô bệnh học, đảm bảo an toàn cho người sử dụng.

  5. Làm thế nào carrageenan và oligocarrageenan cải thiện chất lượng surimi?
    Các polysaccharide này liên kết tĩnh điện với protein surimi, tăng cường độ gel, giữ nước, cải thiện độ dai, độ mịn và ổn định sản phẩm trong quá trình bảo quản đông lạnh, giảm lượng dịch thoát ra sau rã đông.

Kết luận

  • Đã xác định được quy trình sử dụng enzyme Viscozyme L tối ưu để chiết xuất carrageenan từ rong sụn K. alvarezii với hiệu suất cao và chất lượng gel tốt.
  • Phát triển thành công quy trình thủy phân enzymatic carrageenan thành oligocarrageenan bằng enzyme Termamyl 120L, tạo sản phẩm có khối lượng phân tử nhỏ và giữ cấu trúc sinh học.
  • Thiết lập phương pháp tinh sạch carrageenan và oligocarrageenan bằng ethanol, đảm bảo sản phẩm đạt tiêu chuẩn an toàn thực phẩm và thân thiện môi trường.
  • Đánh giá độc tính tiền lâm sàng cho thấy sản phẩm carrageenan và oligocarrageenan an toàn khi sử dụng.
  • Ứng dụng carrageenan và oligocarrageenan trong sản xuất surimi cá đổng cải thiện chất lượng sản phẩm và kéo dài thời gian bảo quản đông lạnh.

Tiếp theo, cần triển khai áp dụng quy trình công nghệ trong sản xuất công nghiệp và mở rộng nghiên cứu ứng dụng trong các sản phẩm thực phẩm chức năng. Khuyến khích các doanh nghiệp và viện nghiên cứu phối hợp phát triển sản phẩm mới dựa trên kết quả này. Hành động ngay để nâng cao giá trị ngành nuôi trồng rong sụn và chế biến thủy sản tại Việt Nam.