Tổng quan nghiên cứu

Sản lượng khai thác mực ống tại Việt Nam đạt khoảng 24.000 tấn mỗi năm, trong đó vùng biển miền Nam chiếm tới 70% sản lượng với hơn 16.000 tấn. Lượng nang mực chiếm khoảng 0,3% trọng lượng mực, tương đương 48 – 72 tấn, là nguồn phế liệu lớn và giàu B-chitin, thích hợp cho việc thu nhận N-acetylglucosamine (GlcNAc). GlcNAc là thành phần quan trọng trong các sản phẩm thực phẩm chức năng hỗ trợ điều trị viêm khớp, giúp tăng sản xuất chất nhầy dịch khớp, cải thiện độ nhớt và khả năng bôi trơn của khớp, đồng thời ngăn chặn quá trình thoái hóa sụn.

Mục tiêu nghiên cứu là thiết lập quy trình thu nhận N-acetylglucosamine từ nang mực ống bằng phương pháp enzyme, thay thế cho các phương pháp hóa học truyền thống nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường và nâng cao giá trị sản phẩm. Nghiên cứu tập trung khảo sát và tối ưu hóa các điều kiện xử lý protein bằng enzyme alcalase để thu B-chitin, sau đó thủy phân B-chitin bằng enzyme Viscoenzyme Cassava C để thu nhận GlcNAc. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại TP. Hồ Chí Minh trong năm 2017, sử dụng nguyên liệu nang mực tươi từ vùng biển Việt Nam.

Việc tận dụng phế liệu nang mực không chỉ góp phần phát triển bền vững ngành chế biến thủy sản mà còn tạo ra sản phẩm có giá trị sinh học cao, giảm chi phí sản xuất và mở rộng ứng dụng trong ngành công nghệ thực phẩm và dược phẩm.

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:

  • Cấu trúc và tính chất của B-chitin: B-chitin là polysaccharide dạng poly(β-(1→4)-N-acetyl-D-glucosamine), có cấu trúc sợi song song cùng chiều, đặc trưng bởi tính hydrophobic và khả năng tạo màng. B-chitin từ nang mực có hàm lượng khoáng thấp, giúp giảm bước khử khoáng trong quy trình.

  • Phản ứng thủy phân enzyme: Alcalase là protease serine alkaline từ Bacillus licheniformis, có khả năng thủy phân protein trong nang mực để thu B-chitin. Viscoenzyme Cassava C, chứa cellulase và các enzyme không đặc hiệu, thủy phân B-chitin thành N-acetylglucosamine.

  • Khái niệm enzyme/substrate ratio (E/S): Tỷ lệ enzyme trên cơ chất ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất thủy phân và thời gian phản ứng.

  • Hiệu suất thu nhận N-acetylglucosamine (GlcNAc yield): Tỷ lệ phần trăm GlcNAc thu được so với lượng B-chitin ban đầu, là chỉ số quan trọng đánh giá hiệu quả quy trình.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu là nang mực ống tươi thu thập từ các vùng biển Việt Nam. Enzyme alcalase 2.4L dùng để xử lý protein, enzyme Viscoenzyme Cassava C dùng để thủy phân B-chitin.

  • Thiết kế thí nghiệm: Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý protein gồm tỉ lệ nang : đệm (1:5 w/w), pH (7.5), nhiệt độ (60°C), tỉ lệ E/S (496.35 UI/g), thời gian (45 phút). Tiếp tục khảo sát các yếu tố thủy phân B-chitin gồm nồng độ chitin huyền phù, pH (5.0), nhiệt độ (55°C), tỉ lệ E/S (3.28% v/v), thời gian (4.5 giờ).

  • Phân tích và tối ưu hóa: Sử dụng ma trận Plackett-Burman để xác định các yếu tố quan trọng, sau đó tối ưu hóa tỷ lệ E/S và thời gian thủy phân bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm.

  • Phương pháp phân tích: Hàm lượng GlcNAc được xác định bằng sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC). Hoạt độ enzyme được đo theo phương pháp Elson-Morgan. Hàm lượng protein hòa tan được xác định bằng phương pháp Microbiuret.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2017, bao gồm các giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu, khảo sát điều kiện thủy phân protein, khảo sát điều kiện thủy phân B-chitin, tối ưu hóa quy trình và phân tích sản phẩm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Xử lý protein thu B-chitin: Điều kiện tối ưu là tỉ lệ nang : đệm 1:5 (w/w), pH 7.5, nhiệt độ 60°C, tỉ lệ E/S 496.35 UI/g, thời gian 45 phút. Hàm lượng protein hòa tan còn lại giảm xuống dưới 1%, đạt yêu cầu chất lượng B-chitin công nghiệp.

  2. Thủy phân B-chitin thu nhận GlcNAc: Nồng độ chitin huyền phù 4.5%, pH 5.0, nhiệt độ 55°C, tỉ lệ E/S 3.28% (v/v), thời gian 4.5 giờ cho hiệu suất thu nhận GlcNAc thô đạt 16.33%. Sản phẩm chứa 15% GlcNAc theo phân tích HPLC.

  3. Hiệu suất toàn quy trình: Từ nang mực tươi đến sản phẩm GlcNAc đạt khoảng 16% hiệu suất, chưa cao nhưng có ý nghĩa trong việc tận dụng phế liệu và giảm chi phí sản xuất.

  4. Đặc điểm nguyên liệu: Nang mực có hàm lượng khoáng rất thấp, do đó không cần bước khử khoáng, giúp tránh hiện tượng phân hủy chuỗi polymer chitin.

Thảo luận kết quả

Hiệu suất thu nhận GlcNAc đạt 16.33% thấp hơn so với một số nghiên cứu sử dụng enzyme đặc hiệu chitinase, tuy nhiên việc sử dụng enzyme thương mại phổ biến như alcalase và cellulase giúp giảm chi phí và hạn chế dư lượng hóa chất độc hại so với phương pháp hóa học truyền thống. Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng phù hợp với các nghiên cứu trước đây về enzyme alcalase và cellulase, trong đó pH và nhiệt độ là các yếu tố quyết định hoạt tính enzyme.

Việc không cần khử khoáng do hàm lượng khoáng thấp trong nang mực là một lợi thế lớn, giúp bảo toàn cấu trúc B-chitin và nâng cao chất lượng sản phẩm. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện ảnh hưởng của pH, nhiệt độ, tỉ lệ E/S và thời gian đến hàm lượng protein hòa tan và hiệu suất thu nhận GlcNAc, giúp minh họa rõ ràng các điều kiện tối ưu.

So với các phương pháp hóa học, phương pháp enzyme trong nghiên cứu này thân thiện môi trường hơn, đồng thời mở ra hướng phát triển bền vững cho ngành chế biến thủy sản, đặc biệt là tận dụng phế liệu mực ống.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng quy trình enzyme trong công nghiệp: Khuyến nghị các doanh nghiệp chế biến thủy sản áp dụng quy trình xử lý protein bằng alcalase và thủy phân B-chitin bằng Viscoenzyme Cassava C để sản xuất GlcNAc, nhằm giảm chi phí và ô nhiễm môi trường. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng để chuyển giao công nghệ.

  2. Nâng cao hiệu suất thu nhận GlcNAc: Tiếp tục nghiên cứu sử dụng enzyme đặc hiệu chitinase hoặc phối hợp enzyme để tăng hiệu suất thu nhận trên 25%, giảm thời gian thủy phân. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu và trường đại học trong 1-2 năm.

  3. Phát triển sản phẩm thực phẩm chức năng: Sử dụng GlcNAc thu nhận từ nang mực làm nguyên liệu sản xuất thực phẩm chức năng hỗ trợ điều trị viêm khớp, tận dụng tiềm năng thị trường trong nước và xuất khẩu. Thời gian triển khai: 12-18 tháng.

  4. Quản lý và thu gom phế liệu nang mực: Xây dựng hệ thống thu gom và xử lý phế liệu nang mực tại các cơ sở chế biến mực để đảm bảo nguồn nguyên liệu ổn định và chất lượng. Chủ thể thực hiện: các doanh nghiệp chế biến và cơ quan quản lý ngành thủy sản trong 6 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Doanh nghiệp chế biến thủy sản: Có thể áp dụng quy trình enzyme để tận dụng phế liệu nang mực, giảm chi phí xử lý và tạo ra sản phẩm giá trị gia tăng như GlcNAc.

  2. Các viện nghiên cứu và trường đại học: Tham khảo để phát triển các nghiên cứu tiếp theo về enzyme thủy phân chitin, tối ưu hóa quy trình và ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm và dược phẩm.

  3. Nhà sản xuất thực phẩm chức năng và dược phẩm: Sử dụng GlcNAc làm nguyên liệu để phát triển sản phẩm hỗ trợ điều trị viêm khớp, viêm ruột và mỹ phẩm.

  4. Cơ quan quản lý ngành thủy sản và môi trường: Tham khảo để xây dựng chính sách quản lý phế liệu thủy sản, thúc đẩy phát triển bền vững và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. N-acetylglucosamine là gì và có tác dụng gì?
    N-acetylglucosamine (GlcNAc) là một amino monosaccharide, thành phần chính của chitin và các polysaccharide sinh học. GlcNAc hỗ trợ điều trị viêm khớp bằng cách tăng sản xuất chất nhầy dịch khớp, cải thiện độ nhớt và khả năng bôi trơn, đồng thời giúp phục hồi cấu trúc sụn.

  2. Tại sao sử dụng enzyme thay vì phương pháp hóa học để thu nhận GlcNAc?
    Phương pháp enzyme thân thiện môi trường, giảm sử dụng hóa chất độc hại, bảo toàn cấu trúc polymer chitin, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí xử lý ô nhiễm so với phương pháp hóa học truyền thống.

  3. Điều kiện tối ưu để thu nhận GlcNAc từ nang mực là gì?
    Xử lý protein bằng alcalase ở pH 7.5, 60°C, tỉ lệ enzyme/substrate 496.35 UI/g trong 45 phút; thủy phân B-chitin bằng Viscoenzyme Cassava C ở pH 5.0, 55°C, tỉ lệ E/S 3.28% (v/v), thời gian 4.5 giờ.

  4. Hiệu suất thu nhận GlcNAc trong nghiên cứu này đạt bao nhiêu?
    Hiệu suất thu nhận GlcNAc thô đạt khoảng 16.33%, tương đương 15% hàm lượng GlcNAc trong sản phẩm cuối cùng theo phân tích HPLC.

  5. Làm thế nào để tận dụng phế liệu nang mực trong công nghiệp?
    Phế liệu nang mực có thể được xử lý bằng enzyme alcalase để loại protein, thu B-chitin, sau đó thủy phân bằng enzyme cellulase để thu GlcNAc, tạo ra nguyên liệu cho thực phẩm chức năng và dược phẩm, đồng thời giảm lượng phế thải ra môi trường.

Kết luận

  • Thiết lập thành công quy trình thu nhận N-acetylglucosamine từ nang mực ống bằng phương pháp enzyme với hiệu suất khoảng 16%.
  • Xác định điều kiện tối ưu xử lý protein bằng alcalase và thủy phân B-chitin bằng Viscoenzyme Cassava C.
  • Nang mực có hàm lượng khoáng thấp, không cần bước khử khoáng, giúp bảo toàn cấu trúc B-chitin.
  • Phương pháp enzyme thân thiện môi trường, giảm chi phí và dư lượng hóa chất so với phương pháp hóa học.
  • Đề xuất ứng dụng quy trình trong công nghiệp chế biến thủy sản và phát triển sản phẩm thực phẩm chức năng hỗ trợ điều trị viêm khớp.

Next steps: Nghiên cứu nâng cao hiệu suất thu nhận GlcNAc bằng enzyme đặc hiệu, phát triển sản phẩm ứng dụng và chuyển giao công nghệ cho doanh nghiệp.

Call to action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong ngành công nghệ thực phẩm và thủy sản nên hợp tác để phát triển quy trình và sản phẩm từ phế liệu nang mực, góp phần phát triển bền vững ngành công nghiệp chế biến thủy sản Việt Nam.