Tổng quan nghiên cứu

Nước mắm là một gia vị truyền thống quan trọng trong ẩm thực Việt Nam và nhiều quốc gia châu Á, với giá trị dinh dưỡng và hương vị đặc trưng. Quá trình sản xuất nước mắm truyền thống thường kéo dài từ 12 đến 24 tháng, gây ra nhiều hạn chế về chi phí và chất lượng sản phẩm. Theo ước tính, hàm lượng axit amin trong nước mắm truyền thống Việt Nam đạt khoảng 85 mg/mL, cao hơn nhiều so với các nước khác trong khu vực. Tuy nhiên, thời gian lên men dài và khó kiểm soát chất lượng là những thách thức lớn trong sản xuất nước mắm.

Đề tài nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa môi trường thu sinh khối của vi khuẩn Tetragenococcus halophilus CH6-2 nhằm tạo chế phẩm khởi động ứng dụng trong sản xuất nước mắm sử dụng protease. Chủng vi sinh vật này có khả năng chịu mặn cao (lên đến 25% NaCl), hoạt tính aminopeptidase cao và tạo ra nhiều hợp chất bay hơi góp phần cải thiện hương vị nước mắm. Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là tối ưu hóa các thành phần dinh dưỡng trong môi trường nuôi cấy để tăng mật độ tế bào, phát triển chế phẩm vi sinh vật sấy ổn định và ứng dụng chế phẩm này trong quá trình lên men nước mắm nhằm rút ngắn thời gian lên men và nâng cao chất lượng sản phẩm.

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Viện Công nghệ Sinh học và Công nghệ Thực phẩm, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, trong năm 2022. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ sản xuất nước mắm công nghiệp, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế và chất lượng sản phẩm, đồng thời giảm thiểu thời gian lên men truyền thống kéo dài.

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 vi sinh vật lactic acid bacteria (LAB): Tetragenococcus halophilus thuộc nhóm LAB, có khả năng sinh trưởng trong môi trường có độ mặn cao và đóng vai trò quan trọng trong quá trình lên men thực phẩm, đặc biệt là nước mắm. LAB có khả năng tạo ra axit lactic, enzyme protease và các hợp chất tạo hương vị.

  • Mô hình tối ưu hóa môi trường nuôi cấy vi sinh vật: Sử dụng thiết kế thí nghiệm giai thừa (Factorial Design) và phương pháp đáp ứng bề mặt (Response Surface Methodology - RSM) để xác định và tối ưu các yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng của T. halophilus CH6-2, bao gồm các thành phần dinh dưỡng như glucose, K2HPO4, MgSO4.7H2O, chiết xuất nấm men.

  • Khái niệm chế phẩm vi sinh vật sấy phun: Phương pháp sấy phun được áp dụng để tạo chế phẩm vi sinh vật có mật độ tế bào cao, ổn định về mặt di truyền và dễ bảo quản, vận chuyển. Chế phẩm này được sử dụng làm chủng khởi động trong quá trình lên men nước mắm.

  • Lý thuyết về enzyme protease trong thủy phân protein cá: Sử dụng hỗn hợp enzyme Alcalase (endoprotease) và Coloprotease P200 (exoprotease) để thủy phân protein cá, tăng hiệu quả thủy phân, rút ngắn thời gian lên men và cải thiện hàm lượng axit amin tự do trong nước mắm.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu cá cơm được thu mua tại Nghĩa Hưng, Nam Định, với hàm lượng protein 18,8%. Chủng vi sinh vật T. halophilus CH6-2 được phân lập từ chượp nước mắm Cát Hải. Enzyme Alcalase và Coloprotease P200 được sử dụng trong quá trình thủy phân protein.

  • Phương pháp phân tích: Sinh trưởng vi sinh vật được đánh giá bằng độ hấp thụ quang học OD600 và đếm số khuẩn lạc (CFU/mL). Hàm lượng protein được xác định bằng phương pháp Lowry, axit amin tự do bằng phương pháp Ninhydrin và HPLC. Đánh giá cảm quan nước mắm theo tiêu chuẩn Việt Nam với 15 người tham gia thử nếm.

  • Thiết kế thí nghiệm: Sử dụng thiết kế giai thừa Resolution IV để sàng lọc các yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng, tiếp theo là mô hình Box-Behnken để tối ưu nồng độ glucose, K2HPO4 và MgSO4.7H2O. Các thí nghiệm thủy phân protein cá khảo sát tỷ lệ enzyme/cơ chất, tỷ lệ hai enzyme và nhiệt độ thủy phân.

  • Timeline nghiên cứu: Nuôi cấy vi sinh vật trong 72 giờ, khảo sát hoạt hóa chế phẩm trong 72 giờ, lên men nước mắm trong 6 tháng, bảo quản chế phẩm vi sinh vật sấy trong 16 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tối ưu môi trường sinh trưởng: Qua thiết kế giai thừa và Box-Behnken, môi trường tối ưu M7 gồm glucose 10 mg/mL, K2HPO4 5 mg/mL và MgSO4.7H2O 5 mg/mL cho mật độ tế bào đạt OD600 cao nhất sau 72 giờ nuôi cấy, tăng khoảng 20% so với môi trường MRS truyền thống.

  2. Chế phẩm vi sinh vật sấy phun: Chế phẩm T. halophilus CH6-2 sấy với chất mang Trehalose và MSG (tỷ lệ 19:1) đạt mật độ tế bào ổn định khoảng 3x10^8 CFU/g trong suốt 16 tháng bảo quản ở 4°C, đảm bảo tính ổn định và khả năng sử dụng trong sản xuất.

  3. Hiệu quả thủy phân protein cá: Hỗn hợp enzyme Alcalase và Coloprotease P200 với tỷ lệ 1:1, tỷ lệ enzyme/cơ chất 0,6%, nhiệt độ thủy phân 55°C trong 6 giờ đạt hiệu quả thủy phân cao nhất, với tỷ lệ protein hòa tan tăng 35% và mức độ thủy phân (DH) đạt khoảng 40%.

  4. Ứng dụng chế phẩm trong lên men nước mắm: Sử dụng chế phẩm T. halophilus CH6-2 sấy bổ sung vào dịch thủy phân cá cơm, lên men 6 tháng, hàm lượng nitơ tổng đạt 21,6 mg/mL, cao hơn 6% so với mẫu không bổ sung vi sinh vật. Hàm lượng axit amin tự do tăng đáng kể, đặc biệt glutamic acid và aspartic acid, góp phần tăng vị umami. Đánh giá cảm quan cho thấy mẫu nước mắm có mùi thơm đặc trưng, vị ngọt thịt và hậu vị tốt hơn mẫu đối chứng.

Thảo luận kết quả

Kết quả tối ưu hóa môi trường nuôi cấy phù hợp với đặc tính sinh trưởng của T. halophilus CH6-2, tương tự các nghiên cứu trước về nhu cầu dinh dưỡng của LAB. Việc sử dụng chế phẩm sấy phun giúp duy trì mật độ tế bào cao và ổn định, thuận tiện cho ứng dụng công nghiệp. Hỗn hợp enzyme Alcalase và Coloprotease P200 phát huy hiệu quả thủy phân nhờ tác động phối hợp giữa endoprotease và exoprotease, nâng cao hàm lượng axit amin tự do, đặc biệt là các axit amin tạo vị umami.

So sánh với các nghiên cứu khác, việc bổ sung chế phẩm vi sinh vật khởi động giúp rút ngắn thời gian lên men từ 12 tháng xuống còn 6 tháng mà vẫn đảm bảo chất lượng nước mắm. Biểu đồ động thái lên men thể hiện sự tăng trưởng ổn định của vi sinh vật và sự gia tăng hàm lượng axit amin theo thời gian, minh chứng cho hiệu quả của chế phẩm. Kết quả cảm quan phù hợp với tiêu chuẩn Việt Nam, khẳng định tính khả thi của công nghệ.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai sản xuất chế phẩm vi sinh vật quy mô công nghiệp: Áp dụng quy trình sấy phun với chất mang Trehalose và MSG tỷ lệ 19:1, duy trì mật độ tế bào ≥ 3x10^8 CFU/g, bảo quản ở 4°C, nhằm cung cấp chế phẩm ổn định cho sản xuất nước mắm. Thời gian thực hiện: 6 tháng; chủ thể: doanh nghiệp sản xuất nước mắm.

  2. Ứng dụng hỗn hợp enzyme Alcalase và Coloprotease P200 trong thủy phân protein cá: Sử dụng tỷ lệ enzyme/cơ chất 0,6%, tỷ lệ enzyme 1:1, nhiệt độ 55°C, thời gian 6 giờ để rút ngắn thời gian lên men và nâng cao hàm lượng axit amin tự do. Thời gian thực hiện: 3 tháng; chủ thể: nhà máy chế biến thủy sản.

  3. Bổ sung chế phẩm T. halophilus CH6-2 sấy vào giai đoạn lên men nước mắm: Đảm bảo mật độ vi sinh vật ban đầu 10^6 CFU/g, lên men 6 tháng ở nhiệt độ môi trường để cải thiện hương vị và chất lượng sản phẩm. Thời gian thực hiện: 6 tháng; chủ thể: nhà sản xuất nước mắm.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ cho các cơ sở sản xuất nước mắm truyền thống: Tổ chức các khóa đào tạo về kỹ thuật nuôi cấy, tạo chế phẩm và ứng dụng enzyme nhằm nâng cao năng lực sản xuất và chất lượng sản phẩm. Thời gian thực hiện: 12 tháng; chủ thể: viện nghiên cứu, trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Doanh nghiệp sản xuất nước mắm: Nghiên cứu cung cấp giải pháp công nghệ mới giúp rút ngắn thời gian lên men, nâng cao chất lượng và ổn định hương vị sản phẩm, từ đó tăng sức cạnh tranh trên thị trường.

  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Sinh học, Công nghệ Thực phẩm: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp thực nghiệm chi tiết về tối ưu hóa môi trường nuôi cấy vi sinh vật, ứng dụng enzyme và vi sinh vật trong lên men thực phẩm.

  3. Cơ quan quản lý chất lượng thực phẩm và an toàn vệ sinh thực phẩm: Tham khảo các tiêu chuẩn cảm quan, chỉ tiêu hóa học và quy trình sản xuất nước mắm cải tiến nhằm xây dựng chính sách và quy định phù hợp.

  4. Các cơ sở đào tạo và chuyển giao công nghệ: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo để phát triển chương trình đào tạo, hướng dẫn kỹ thuật sản xuất nước mắm công nghiệp và truyền thống cải tiến.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn Tetragenococcus halophilus CH6-2 làm chủng vi sinh vật khởi động?
    T. halophilus CH6-2 có khả năng chịu mặn cao (đến 25% NaCl), hoạt tính aminopeptidase cao (2,2 U/mL), tạo nhiều hợp chất bay hơi góp phần cải thiện hương vị nước mắm, phù hợp với điều kiện lên men nước mắm truyền thống.

  2. Lợi ích của việc sử dụng chế phẩm vi sinh vật sấy phun là gì?
    Chế phẩm sấy phun có mật độ tế bào cao, ổn định về mặt di truyền, dễ bảo quản và vận chuyển, giúp đơn giản hóa quy trình sản xuất và đảm bảo chất lượng vi sinh vật khi sử dụng trong công nghiệp.

  3. Tỷ lệ enzyme Alcalase và Coloprotease P200 được tối ưu như thế nào?
    Tỷ lệ 1:1 giữa Alcalase (endoprotease) và Coloprotease P200 (exoprotease) với tỷ lệ enzyme/cơ chất 0,6% và nhiệt độ 55°C trong 6 giờ cho hiệu quả thủy phân protein cá cao nhất, tăng hàm lượng axit amin tự do và protein hòa tan.

  4. Thời gian lên men nước mắm có thể rút ngắn bao nhiêu khi sử dụng chế phẩm và enzyme?
    Thời gian lên men có thể rút ngắn từ 12-24 tháng xuống còn khoảng 6 tháng mà vẫn đảm bảo chất lượng và hương vị đặc trưng của nước mắm truyền thống.

  5. Chế phẩm vi sinh vật có ảnh hưởng đến các chỉ tiêu cảm quan của nước mắm không?
    Có, việc bổ sung chế phẩm T. halophilus CH6-2 giúp tăng mùi thơm đặc trưng, vị ngọt thịt và hậu vị, đồng thời giảm vị đắng và mặn gắt, nâng cao mức độ chấp nhận của người tiêu dùng theo đánh giá cảm quan.

Kết luận

  • Tối ưu hóa môi trường nuôi cấy với glucose 10 mg/mL, K2HPO4 5 mg/mL và MgSO4.7H2O 5 mg/mL giúp tăng mật độ tế bào T. halophilus CH6-2 lên khoảng 20% so với môi trường truyền thống.
  • Chế phẩm vi sinh vật sấy phun với chất mang Trehalose và MSG đạt mật độ tế bào ổn định 3x10^8 CFU/g trong 16 tháng bảo quản.
  • Hỗn hợp enzyme Alcalase và Coloprotease P200 tối ưu thủy phân protein cá, tăng hàm lượng axit amin tự do và protein hòa tan, rút ngắn thời gian lên men.
  • Ứng dụng chế phẩm vi sinh vật sấy trong lên men nước mắm giúp nâng cao hàm lượng nitơ tổng, axit amin tự do và cải thiện cảm quan sản phẩm.
  • Đề xuất triển khai công nghệ sản xuất chế phẩm và ứng dụng enzyme trong sản xuất nước mắm công nghiệp nhằm nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm.

Hành động tiếp theo: Các doanh nghiệp và viện nghiên cứu nên phối hợp triển khai sản xuất chế phẩm vi sinh vật quy mô công nghiệp, đồng thời áp dụng quy trình thủy phân enzyme và lên men cải tiến để nâng cao chất lượng nước mắm. Đào tạo kỹ thuật và chuyển giao công nghệ cần được đẩy mạnh để phổ biến rộng rãi giải pháp này.