Tài liệu: Nghiên cứu ứng dụng nấm men để xử lý phế liệu tôm

Chuyên khảo phân tích Nghiên cứu ứng dụng nấm men để xử lý phế liệu tôm, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Tác giả: Trịnh Thị Tuyết Nhung
• Người hướng dẫn: Tạ Thị Minh Ngọc
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Thực phẩm
• Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng nấm men để xử lý phế liệu tôm
• Loại tài liệu: Luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về xử lý phế liệu tôm bằng công nghệ nấm men

Ngành công nghiệp chế biến tôm tại Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ, tuy nhiên cũng tạo ra một lượng phế liệu khổng lồ. Theo báo cáo, phụ phẩm tôm (gồm đầu, vỏ, đuôi) chiếm khoảng 48-56% tổng khối lượng nguyên liệu. Lượng chất thải này nếu không được xử lý đúng cách sẽ gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Tuy nhiên, đây lại là nguồn tài nguyên giá trị, chứa các hợp chất sinh học quan trọng như protein (20-40%), chitin (15-40%), khoáng chất (chủ yếu là canxi cacbonat) và sắc tố astaxanthin. Việc tận dụng vỏ tôm đầu tôm không chỉ giải quyết bài toán môi trường mà còn mở ra cơ hội phát triển kinh tế. Các phương pháp xử lý truyền thống bằng hóa chất bộc lộ nhiều hạn chế về chi phí và tác động tiêu cực đến môi trường. Do đó, xu hướng ứng dụng công nghệ sinh học xử lý phế thải đang nhận được sự quan tâm lớn. Trong đó, việc sử dụng các chủng vi sinh vật, đặc biệt là nấm men, để xử lý phế liệu tôm đang cho thấy tiềm năng vượt trội. Hướng tiếp cận này không chỉ thân thiện với môi trường mà còn giúp thu hồi các sản phẩm có giá trị gia tăng cao, phù hợp với mô hình kinh tế tuần hoàn trong nuôi trồng thủy sản. Nghiên cứu ứng dụng nấm men để xử lý phế liệu tôm là một bước đi chiến lược, biến chất thải thành tài nguyên quý giá.

1.1. Phụ phẩm tôm Nguồn tài nguyên quý giá bị lãng phí

Mỗi năm, ngành tôm Việt Nam thải ra hàng trăm nghìn tấn phụ phẩm. Theo nghiên cứu của Trịnh Thị Tuyết Nhung và Nguyễn Thị Minh Như (2022), thành phần hóa học trong chất khô của phụ phẩm tôm bao gồm protein chiếm tới 48,3%, tro (khoáng) chiếm 31,0% và lipid chiếm 5,0%. Những con số này cho thấy tiềm năng to lớn trong việc thu hồi các hợp chất giá trị. Protein có thể được thủy phân để tạo ra dịch đạm dùng trong thực phẩm hoặc thức ăn chăn nuôi từ vỏ tôm. Chitin, sau khi được deacetyl hóa thành chitosan, có ứng dụng rộng rãi trong y sinh, mỹ phẩm và nông nghiệp. Khoáng chất và sắc tố như astaxanthin cũng là những sản phẩm có giá trị kinh tế cao. Tuy nhiên, hiện nay phần lớn lượng phế liệu này đang bị thải bỏ hoặc xử lý sơ sài, gây lãng phí tài nguyên và tạo gánh nặng cho công tác quản lý chất thải ngành tôm.

1.2. Công nghệ sinh học và vai trò của vi sinh vật xử lý môi trường

Trước những hạn chế của phương pháp hóa học, công nghệ sinh học xử lý phế thải nổi lên như một giải pháp bền vững. Phương pháp này sử dụng các vi sinh vật xử lý môi trường có khả năng sản sinh enzyme và acid hữu cơ để phân giải các thành phần trong phế liệu. Ưu điểm của phương pháp này là giảm thiểu việc sử dụng hóa chất độc hại, tiết kiệm năng lượng, và quan trọng nhất là bảo toàn được chất lượng của sản phẩm thu hồi. Quá trình lên men phế liệu thủy sản bằng vi sinh vật giúp chuyển hóa các hợp chất phức tạp thành những sản phẩm đơn giản hơn, có giá trị hơn. Các chủng vi khuẩn như Bacillus subtilis và đặc biệt là các loài nấm men như Yarrowia lipolytica đang được nghiên cứu sâu rộng nhờ khả năng sinh tổng hợp đồng thời cả protease và acid hữu cơ, tối ưu hóa quá trình xử lý.

II. Thách thức trong quản lý chất thải và phương pháp truyền thống

Việc quản lý chất thải ngành tôm là một thách thức lớn đối với các doanh nghiệp và cơ quan quản lý môi trường. Lượng phụ phẩm tôm khổng lồ phát sinh hàng ngày nếu không được xử lý kịp thời sẽ phân hủy, gây mùi hôi thối và ô nhiễm nguồn nước, không khí. Phương pháp thu nhận chitin truyền thống dựa hoàn toàn vào hóa chất. Quá trình khử khoáng sử dụng các acid mạnh như HCl, và quá trình khử protein sử dụng kiềm mạnh như NaOH ở nồng độ và nhiệt độ cao. Phương pháp này tuy cho hiệu quả nhanh nhưng tiềm ẩn nhiều rủi ro. Việc sử dụng lượng lớn hóa chất không chỉ làm tăng chi phí sản xuất mà còn tạo ra dòng thải thứ cấp có tính ăn mòn cao, khó xử lý trước khi thải ra môi trường. Hơn nữa, điều kiện xử lý khắc nghiệt có thể phá vỡ cấu trúc mạch polysacarit của chitin, làm giảm trọng lượng phân tử và mức độ acetyl hóa, từ đó ảnh hưởng đến chất lượng và hoạt tính sinh học của sản phẩm cuối cùng. Dịch protein thủy phân từ đầu tôm thu được bằng phương pháp hóa học thường có giá trị dinh dưỡng thấp và không thể tái sử dụng. Đây là những rào cản lớn, thúc đẩy việc tìm kiếm các giải pháp thay thế xanh hơn và hiệu quả hơn.

2.1. Nhược điểm của phương pháp hóa học trong chiết xuất chitosan

Phương pháp hóa học để chiết xuất chitosan từ vỏ tôm bao gồm hai bước chính: khử khoáng bằng acid và khử protein bằng kiềm. Quá trình này tiêu tốn một lượng lớn HCl và NaOH, là những hóa chất nguy hiểm và gây ô nhiễm. Theo nhiều nghiên cứu, việc sử dụng acid/base nồng độ cao không chỉ gây ăn mòn thiết bị mà còn làm thay đổi cấu trúc hóa lý của chitin. Phản ứng depolymer hóa và deacetyl hóa không mong muốn có thể xảy ra, làm giảm chất lượng chitin thu được. Hơn nữa, dòng thải từ quá trình này có độ pH rất thấp hoặc rất cao, chứa nồng độ muối lớn, đòi hỏi chi phí xử lý tốn kém trước khi được phép thải ra môi trường. Những nhược điểm này khiến phương pháp hóa học ngày càng không phù hợp với các tiêu chuẩn sản xuất bền vững và bảo vệ môi trường.

2.2. Hướng tới kinh tế tuần hoàn trong nuôi trồng thủy sản

Mô hình kinh tế tuần hoàn trong nuôi trồng thủy sản là mộtแนวทาง chiến lược nhằm tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên và giảm thiểu chất thải. Thay vì xem phụ phẩm tôm là chất thải cần loại bỏ, mô hình này coi chúng là nguồn nguyên liệu đầu vào cho các quy trình sản xuất khác. Việc ứng dụng công nghệ sinh học để tận dụng vỏ tôm đầu tôm hoàn toàn phù hợp với triết lý này. Quá trình này không chỉ tạo ra chitin/chitosan chất lượng cao mà còn thu hồi được dịch đạm, khoáng và sắc tố. Các sản phẩm này có thể được tái sử dụng để sản xuất thức ăn chăn nuôi từ vỏ tôm, phân bón hữu cơ từ phụ phẩm tôm, hoặc các hợp chất sinh học giá trị khác, tạo thành một chu trình khép kín, giảm thiểu tác động đến môi trường và gia tăng giá trị kinh tế cho toàn ngành.

III. Phương pháp dùng nấm men xử lý phụ phẩm tôm hiệu quả

Phương pháp sinh học sử dụng nấm men để xử lý phế liệu tôm là một giải pháp đột phá, giải quyết đồng thời cả hai vấn đề khử khoáng và khử protein trong cùng một quy trình. Cơ chế hoạt động dựa trên khả năng trao đổi chất độc đáo của một số chủng nấm men. Trong quá trình lên men phế liệu thủy sản, các chủng nấm men này sẽ tiết ra môi trường các acid hữu cơ (như acid citric, acid succinic). Các acid này phản ứng với canxi cacbonat trong vỏ tôm, chuyển hóa chúng thành các muối hữu cơ dễ dàng loại bỏ bằng cách rửa, hoàn thành quá trình khử khoáng một cách nhẹ nhàng. Đồng thời, nấm men cũng sản sinh và tiết ra các enzyme protease từ nấm men có hoạt tính cao. Các enzyme này sẽ thủy phân các liên kết peptide, phá vỡ mạng lưới protein bao bọc chitin, giúp giải phóng chitin một cách hiệu quả. Quá trình kép này diễn ra trong điều kiện ôn hòa về nhiệt độ và pH, giúp bảo toàn tối đa cấu trúc tự nhiên của chitin. Trong số các vi sinh vật được nghiên cứu, nấm men Yarrowia lipolytica nổi lên như một ứng cử viên sáng giá nhất nhờ hiệu suất xử lý vượt trội và đã được chứng nhận an toàn (GRAS) cho các ứng dụng thực phẩm.

3.1. Vai trò của nấm men Yarrowia lipolytica VTCC 0544

Nghiên cứu của Trịnh Thị Tuyết Nhung và Nguyễn Thị Minh Như (2022) đã tập trung khảo sát khả năng của chủng Yarrowia lipolytica VTCC 0544. Đây là một loại nấm men có khả năng đặc biệt trong việc đồng hóa các nguồn cơ chất đa dạng, bao gồm cả lipid và protein. Chủng nấm men này được chứng minh có khả năng sản xuất đồng thời acid hữu cơ và protease ngoại bào hoạt tính cao. Khi được nuôi cấy trên môi trường phụ phẩm tôm, Y. lipolytica không chỉ thực hiện hiệu quả quá trình khử khoáng và khử protein mà còn có khả năng sinh lipase để loại bỏ lipid. Việc được FDA cấp chứng nhận GRAS (Generally Recognized As Safe) là một lợi thế lớn, cho phép các sản phẩm thu hồi từ quá trình này, như protein thủy phân từ đầu tôm, có thể được ứng dụng an toàn trong ngành thực phẩm và dược phẩm.

3.2. Cơ chế phân hủy sinh học chitin và protein trong vỏ tôm

Quá trình phân hủy sinh học chitin và protein trong vỏ tôm bởi nấm men diễn ra một cách tự nhiên và hiệu quả. Đầu tiên, các acid hữu cơ do nấm men tiết ra sẽ hòa tan lớp khoáng canxi cacbonat, phá vỡ cấu trúc cứng bên ngoài của vỏ. Việc này tạo ra các lỗ trống và tăng diện tích bề mặt, giúp cho enzyme protease từ nấm men dễ dàng tiếp cận và tấn công vào mạng lưới protein liên kết với chitin. Protease thủy phân protein thành các peptide và acid amin hòa tan, giải phóng các sợi chitin. Một số nghiên cứu còn cho thấy Y. lipolytica có thể tiết ra cả enzyme chitinase, hỗ trợ quá trình phá vỡ cấu trúc phức hợp Ca-protein-chitin, làm tăng đáng kể hiệu quả xử lý so với việc chỉ sử dụng enzyme protease đơn thuần.

IV. So sánh hiệu quả xử lý phế liệu tôm của các vi sinh vật

Để đánh giá tiềm năng thực sự của phương pháp sinh học, việc so sánh hiệu quả giữa các chủng vi sinh vật khác nhau là vô cùng cần thiết. Luận văn "Nghiên cứu ứng dụng nấm men để xử lý phế liệu tôm" đã tiến hành một so sánh toàn diện giữa nấm men Yarrowia lipolytica VTCC 0544, vi khuẩn Bacillus subtilis, và hai chủng nấm men phân lập khác (S2 từ phụ phẩm tôm và N3 từ nem chua). Các thí nghiệm được thực hiện trong cùng điều kiện nuôi cấy (mật độ tế bào 10⁸ cfu/g, lắc 200 vòng/phút, nhiệt độ phòng trong 5 ngày). Kết quả cho thấy sự khác biệt rõ rệt về khả năng khử khoáng, khử protein và khử lipid. Nấm men Y. lipolytica thể hiện sự vượt trội trên cả ba chỉ tiêu, khẳng định vị thế là vi sinh vật tiềm năng nhất cho ứng dụng này. Sự thành công này đến từ khả năng sản xuất đồng bộ nhiều loại enzyme và acid hữu cơ, tạo ra một tác động hiệp đồng mạnh mẽ lên cấu trúc phức tạp của phụ phẩm tôm. Trong khi đó, các vi sinh vật khác chỉ thể hiện thế mạnh ở một vài khía cạnh nhất định, cho thấy tính chuyên biệt trong cơ chế hoạt động của chúng.

4.1. Đánh giá hiệu quả khử protein khoáng và lipid

Kết quả định lượng từ nghiên cứu cho thấy, sau 5 ngày lên men, chủng nấm men Yarrowia lipolytica đạt hiệu quả cao nhất với hiệu suất khử protein là 85,8%, khử khoáng 49,4% và khử lipid lên tới 95,1%. Vi khuẩn Bacillus subtilis, mặc dù có khả năng sinh protease tốt, nhưng hiệu quả khử khoáng rất thấp (chỉ 15,9%) do không sản sinh acid hữu cơ. Hiệu quả khử protein của B. subtilis cũng thấp hơn đáng kể so với Y. lipolytica. Hai chủng nấm men phân lập S2 và N3 cho hiệu quả xử lý trung bình, trong đó chủng S2 (từ tôm) có khả năng khử khoáng tốt nhưng khử protein kém, ngược lại với chủng N3 (từ nem chua). Những dữ liệu này cung cấp bằng chứng khoa học vững chắc về ưu thế của Y. lipolytica trong việc xử lý toàn diện phụ phẩm tôm.

4.2. Enzyme protease từ nấm men so với vi khuẩn B. subtilis

Một phát hiện thú vị từ nghiên cứu là hiệu quả khử protein của Y. lipolytica (85,8%) cao hơn cả chế phẩm enzyme thương mại Alcalase (chiết xuất từ Bacillus licheniformis). Điều này cho thấy enzyme protease từ nấm men không chỉ có hoạt tính cao mà còn hoạt động hiệu quả hơn trong môi trường phức tạp của phế liệu tôm. Lý giải cho điều này có thể là do Y. lipolytica sản xuất đồng thời cả chitinase, giúp phá vỡ lớp bảo vệ chitin và tạo điều kiện cho protease tiếp cận cơ chất tốt hơn. Trong khi đó, Bacillus subtilis tuy cũng sinh protease nhưng không có khả năng khử khoáng, khiến phức hợp Ca-protein-chitin vẫn còn bền vững, cản trở hoạt động của enzyme và dẫn đến hiệu quả khử protein thấp hơn.

V. Ứng dụng thực tiễn từ tận dụng vỏ tôm đầu tôm bằng nấm men

Việc ứng dụng thành công nấm men trong xử lý phế liệu tôm mở ra nhiều ứng dụng thực tiễn giá trị, đóng góp trực tiếp vào mô hình kinh tế tuần hoàn trong nuôi trồng thủy sản. Thay vì là một gánh nặng môi trường, phụ phẩm tôm trở thành nguồn nguyên liệu quý giá để sản xuất ra hàng loạt sản phẩm có giá trị gia tăng. Sản phẩm chính thu được là chitin có độ tinh khiết cao, là tiền chất để sản xuất chitosan. Chitosan có vô số ứng dụng trong y học (vật liệu băng bó vết thương, chất mang thuốc), thực phẩm (màng bao sinh học, chất bảo quản) và nông nghiệp (chất kích thích tăng trưởng cây trồng). Bên cạnh chitin, quá trình lên men còn tạo ra một lượng lớn dịch protein thủy phân từ đầu tôm. Dịch đạm này giàu acid amin, có thể được cô đặc để làm thức ăn chăn nuôi từ vỏ tôm, bổ sung dinh dưỡng cho vật nuôi. Ngoài ra, các hợp chất khác như sắc tố astaxanthin và khoáng chất cũng có thể được thu hồi, tối đa hóa giá trị kinh tế từ nguồn phế liệu. Đây là một minh chứng rõ ràng cho việc tận dụng vỏ tôm đầu tôm một cách bền vững và hiệu quả.

5.1. Tạo thức ăn chăn nuôi từ vỏ tôm và protein thủy phân

Dịch lỏng thu được sau quá trình lên men phế liệu thủy sản rất giàu protein đã được thủy phân, peptide và acid amin tự do. Đây là nguồn dinh dưỡng cực kỳ giá trị. Dịch protein thủy phân từ đầu tôm này có thể được xử lý, cô đặc và sấy khô để tạo ra bột đạm chất lượng cao. Sản phẩm này có thể được phối trộn để tạo ra thức ăn chăn nuôi từ vỏ tôm, đặc biệt là thức ăn cho thủy sản, giúp giảm chi phí sản xuất và thay thế các nguồn protein nhập khẩu. Việc sử dụng nguồn protein tại chỗ từ phế liệu không chỉ kinh tế mà còn đảm bảo tính bền vững cho chuỗi cung ứng.

5.2. Chiết xuất chitosan và thu hồi astaxanthin giá trị cao

Mục tiêu chính của quá trình xử lý là thu hồi chitin để chiết xuất chitosan. Chitin thu được bằng phương pháp sinh học có chất lượng vượt trội, ít bị biến tính, phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi độ tinh khiết cao. Bên cạnh đó, trong lớp vỏ và đầu tôm còn chứa astaxanthin, một chất chống oxy hóa mạnh có giá trị thương mại rất cao, được ứng dụng trong ngành dược phẩm, mỹ phẩm và thực phẩm chức năng. Quá trình lên men bằng nấm men có thể được tối ưu hóa để không chỉ phân giải protein và khoáng mà còn giúp giải phóng và bảo vệ hoạt tính của astaxanthin, tạo điều kiện thuận lợi cho việc thu hồi astaxanthin ở các công đoạn sau.

5.3. Sản xuất phân bón hữu cơ từ phụ phẩm tôm còn lại

Sau khi thu hồi các sản phẩm chính như chitin và dịch đạm, phần bã rắn còn lại vẫn chứa nhiều chất dinh dưỡng và khoáng chất vi lượng. Phần bã này có thể được tiếp tục ủ sinh học để tạo ra phân bón hữu cơ từ phụ phẩm tôm. Loại phân bón này không chỉ cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng mà còn cải tạo đất, tăng cường hệ vi sinh vật có lợi trong đất. Đây là bước cuối cùng để hoàn thiện chu trình của mô hình kinh tế tuần hoàn, đảm bảo không có bất kỳ thành phần nào của phế liệu bị lãng phí, biến toàn bộ đầu ra của ngành chế biến tôm thành đầu vào hữu ích cho các ngành khác.

VI. Hướng đi tương lai cho công nghệ sinh học xử lý phế thải tôm

Nghiên cứu ứng dụng nấm men, đặc biệt là Yarrowia lipolytica, đã chứng minh được tiềm năng to lớn trong việc xử lý phế liệu tôm một cách bền vững. Kết quả đạt được là tiền đề quan trọng, mở ra một hướng đi mới cho ngành công nghệ sinh học xử lý phế thải. Tuy nhiên, để đưa công nghệ này từ phòng thí nghiệm ra ứng dụng công nghiệp, vẫn còn nhiều vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu và hoàn thiện. Hướng đi tương lai sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa các thông số của quá trình lên men để đạt hiệu suất cao nhất với chi phí thấp nhất. Việc nghiên cứu các kỹ thuật nuôi cấy đồng thời nhiều chủng vi sinh vật xử lý môi trường có khả năng bổ trợ cho nhau cũng là một hướng đi đầy hứa hẹn. Mục tiêu cuối cùng là xây dựng một quy trình công nghệ hoàn chỉnh, hiệu quả và có khả năng nhân rộng, góp phần giải quyết triệt để vấn đề quản lý chất thải ngành tôm và thúc đẩy một nền kinh tế xanh, tuần hoàn. Sự thành công của mô hình này không chỉ có ý nghĩa với ngành tôm mà còn có thể áp dụng cho các loại phế liệu thủy sản khác.

6.1. Tối ưu hóa quy trình và nâng quy mô công nghiệp

Để chuyển giao công nghệ vào thực tiễn, các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc tối ưu hóa điều kiện nuôi cấy như nhiệt độ, pH, tốc độ lắc, mật độ giống cấy và thời gian lên men. Mục đích là để tối đa hóa hiệu quả khử khoáng và khử protein trong thời gian ngắn nhất. Theo kiến nghị trong luận văn, việc khảo sát sâu hơn về chủng Y. lipolytica là cần thiết. Bên cạnh đó, việc thiết kế và xây dựng các hệ thống bioreactor phù hợp cho việc lên men phế liệu thủy sản ở quy mô lớn là một thách thức kỹ thuật cần được giải quyết. Quá trình nâng quy mô đòi hỏi phải tính toán kỹ lưỡng về chi phí vận hành, hiệu quả kinh tế và khả năng kiểm soát chất lượng sản phẩm một cách ổn định.

6.2. Triển vọng của vi sinh vật xử lý môi trường bền vững

Thành công trong việc ứng dụng nấm men xử lý phụ phẩm tôm khẳng định vai trò ngày càng quan trọng của vi sinh vật xử lý môi trường. Triển vọng trong tương lai là rất lớn, không chỉ dừng lại ở việc tận dụng vỏ tôm đầu tôm. Các nhà khoa học có thể tiếp tục sàng lọc và phân lập các chủng vi sinh vật mới từ các nguồn tự nhiên khác nhau, tìm kiếm những loài có khả năng phân hủy mạnh mẽ hơn hoặc sản xuất các enzyme có giá trị đặc biệt. Việc ứng dụng các kỹ thuật di truyền và sinh học phân tử để cải tiến các chủng vi sinh vật hiện có cũng là một hướng đi tiềm năng. Những nỗ lực này sẽ góp phần xây dựng một nền tảng công nghệ sinh học vững chắc, cung cấp các giải pháp bền vững cho nhiều vấn đề môi trường khác.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Theo báo cáo của Tổng cục Thủy sản, năm 2021 sản lượng tôm nuôi của Việt Nam đạt 970.000 tấn, tăng 4,3% so với năm 2020, mang lại kim ngạch xuất khẩu ấn tượng 3,9 tỷ USD. Bước sang năm 2022, toàn ngành đặt mục tiêu sản lượng 980.000 tấn và kim ngạch chạm mốc 4,0 tỷ USD. Tuy nhiên, quá trình chế biến tôm xuất khẩu dạng bóc vỏ bỏ đầu phát sinh lượng phế phụ phẩm rất lớn, chiếm từ 48% đến 56% khối lượng nguyên liệu đầu vào, trong đó riêng phần đầu chiếm 34% đến 45% và vỏ chiếm 10% đến 15%. Ước tính đến năm 2025, tổng khối lượng phế liệu tôm thải bỏ có thể vượt 450.000 tấn mỗi năm, tương đương hơn 1.000 tấn chất thải rắn hữu cơ xả ra mỗi ngày.

Vỏ tôm chứa nguồn tài nguyên sinh học quý giá gồm 15% đến 40% chitin, 20% đến 40% protein và 20% đến 50% canxi carbonate cùng hàm lượng sắc tố carotenoid tự nhiên từ 24 đến 50 µg/g. Hiện nay, quy trình thu nhận chitin công nghiệp chủ yếu sử dụng phương pháp hóa học với axit clohydric nồng độ 0,25 đến 2,0 M ở nhiệt độ gần 100°C và dung dịch kiềm natri hydroxit 0,125 đến 5,0 M ở 60°C đến 100°C. Phương pháp này tiêu tốn nhiều năng lượng, làm thay đổi cấu trúc polyme tự nhiên và thải ra lượng nước thải độc hại lớn.

Nghiên cứu được thực hiện tại Khoa Kỹ thuật Hóa học thuộc Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh nhằm ứng dụng chủng nấm men Yarrowia lipolytica VTCC 0544 để xử lý phế liệu tôm thẻ chân trắng (Litopenaeus vannamei), đồng thời so sánh hiệu quả với vi khuẩn Bacillus subtilis, chủng nấm men S2 phân lập từ vỏ tôm và chủng N3 phân lập từ nem chua. Đề tài mở ra giải pháp công nghệ sinh học xanh giúp thu hồi chitin đạt hiệu suất khử protein 85,8% và khử lipid 95,1%, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và gia tăng giá trị kinh tế cho ngành thủy sản.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết cấu trúc sinh hóa màng vỏ động vật giáp xác và lý thuyết chuyển hóa vi sinh học. Cấu trúc vỏ tôm gồm ba lớp màng liên kết chặt chẽ: màng ngoài chứa canxi carbonate và protein; màng giữa chứa khoáng cùng chitin; màng trong gồm mạng lưới vi sợi alpha-chitin sắp xếp đối song song ngược chiều được bao bọc bởi protein. Để thu nhận chitin tinh khiết, quy trình bắt buộc phải phá vỡ phức hợp canxi - protein - chitin thông qua hai phản ứng trọng tâm là khử khoáng và khử protein.

Mô hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học khai thác hai con đường chuyển hóa chính của vi sinh vật:

1. Con đường tổng hợp axit hữu cơ thông qua chu trình Krebs, đặc biệt là sự tích tụ và tiết axit citric qua chất vận chuyển màng Yhm2p khi tế bào nấm men ở trạng thái hạn chế nguồn nitơ tự do, giúp chuyển hóa canxi carbonate rắn thành muối hữu cơ hòa tan.
2. Con đường sinh tổng hợp enzyme ngoại bào bao gồm alkaline extracellular protease do gene XPR2 điều hòa và enzyme lipase do gene LIP2 kiểm soát, giúp cắt đứt các liên kết peptide và thủy phân triacylglycerol.

Các khái niệm then chốt được lượng hóa trong mô hình gồm: hiệu suất khử khoáng (DA%), hiệu suất khử protein (DP%), hiệu suất khử lipid (DL%) và hoạt độ enzyme protease biểu thị theo đơn vị Anson (IU/mL).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm sử dụng phụ phẩm vỏ tôm thẻ chân trắng (Litopenaeus vannamei) thu nhận từ nhà máy chế biến xuất khẩu Nha Trang Seafood F17 tại tỉnh Khánh Hòa. Mẫu được lấy ngẫu nhiên đại diện từ dây chuyền công nghiệp với quy mô 100 gam mỗi túi, làm sạch, nghiền đồng nhất về kích thước 3 mm bằng máy xay trục vít và cấp đông bảo quản ở nhiệt độ -20°C. Việc lựa chọn mẫu từ nhà máy chế biến thực tế giúp kết quả nghiên cứu có tính tương thích và khả năng ứng dụng thực tiễn cao.

Quy trình lên men thực hiện trên 10 gam vỏ tôm phối trộn với 20 mL nước cất, hấp tiệt trùng ở 121°C trong 15 phút, sau đó cấy dịch treo tế bào vi sinh vật để đạt mật độ 10^8 CFU/g nguyên liệu. Hệ thống được nuôi lắc ở tốc độ 200 vòng/phút tại nhiệt độ phòng trong các mốc thời gian 2 ngày và 5 ngày. Mẫu đối chứng sử dụng chế phẩm enzyme thương phẩm Alcalase 2.5L PF chiết xuất từ Bacillus licheniformis ở nồng độ 0,3% (v/w), ủ tại 55°C trong 6 giờ.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích dựa trên các quy chuẩn quốc tế chuẩn mực của AOAC 2000:

• Định lượng protein thô bằng phương pháp Kjeldahl nhân hệ số chuyển đổi 6,25 đảm bảo độ chính xác cao đối với các hợp chất chứa nitơ.
• Xác định khoáng tổng bằng phương pháp nung tro ở 550°C đến 600°C loại bỏ hoàn toàn chất hữu cơ.
• Trích ly lipid bằng hệ thống Soxhlet với dung môi diethyl ether giúp thu hồi triệt để chất béo.
• Hoạt tính protease ngoại bào được xác định bằng phương pháp Anson cải tiến đo độ hấp thụ quang phổ UV-Vis tại bước sóng 660 nm. Toàn bộ thí nghiệm lặp lại 3 đến 4 lần, số liệu được phân tích phương sai ANOVA một yếu tố và kiểm định Multiple Range Test với mức ý nghĩa thống kê p < 0,05 trên phần mềm Statgraphics VIII.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, phân tích thành phần hóa học của phụ phẩm tôm nguyên liệu xác định hàm lượng protein thô chiếm tỷ lệ cao nhất với 48,3 ± 0,3% khối lượng chất khô, hàm lượng tro khoáng đạt 31,0 ± 0,2%, lipid chiếm 5,0 ± 0,2% và độ ẩm ban đầu là 70,0 ± 0,4%. Tỷ lệ protein và khoáng rất cao này khẳng định tính cấp thiết của việc loại bỏ triệt để hai thành phần trên để giải phóng chitin.

Thứ hai, chủng nấm men Yarrowia lipolytica VTCC 0544 thể hiện hoạt lực phân giải vượt trội khi đạt hiệu quả khử protein 80,9 ± 0,4% sau 2 ngày và tăng lên 85,8 ± 0,6% sau 5 ngày lên men. Hiệu quả khử protein của Y. lipolytica cao hơn 1,24 lần so với vi khuẩn Bacillus subtilis (đạt khoảng 69% đến 72%) và cao hơn 1,12 lần so với phương pháp sử dụng enzyme thương mại Alcalase, mặc dù hoạt tính protease ban đầu của dịch enzyme Alcalase cao gấp 8,7 lần so với canh trường nấm men.

Thứ ba, nấm men Y. lipolytica đạt hiệu suất khử khoáng 46,4 ± 0,5% sau 2 ngày và đạt 49,4 ± 0,4% sau 5 ngày, tương đương với chủng nấm men phân lập S2 (48,1 ± 0,5%). Ngược lại, vi khuẩn Bacillus subtilis chỉ đạt hiệu quả khử khoáng 15,9 ± 0,9% sau 5 ngày, thấp hơn 3,1 lần so với Y. lipolytica. Chủng nấm men N3 từ nem chua đạt mức khử khoáng trung bình 38,2 ± 0,7%.

Thứ tư, quá trình khử chất béo ghi nhận hiệu suất đạt 95,1 ± 0,1% ở Y. lipolytica và 94,2 ± 0,1% ở B. subtilis, cao hơn rõ rệt so với chủng N3 (80%) và chủng S2 (40%).

Thảo luận kết quả

Khả năng khử protein và khoáng vượt trội của Yarrowia lipolytica bắt nguồn từ cơ chế tác động kép đồng thời. Trong giai đoạn đầu lên men, nấm men rơi vào trạng thái thiếu nitơ dễ tiêu, kích hoạt enzyme AMP deaminase làm đứt đoạn chu trình Krebs và tích tụ lượng lớn axit citric. Axit citric được tiết ra môi trường nhờ chất vận chuyển Yhm2p, phản ứng với canxi carbonate để hòa tan khoáng chất, tạo ra các lỗ rỗng trên bề mặt vỏ tôm. Nhờ đó, protease kiềm và endochitinase do nấm men tiết ra dễ dàng len lỏi sâu vào cấu trúc vi sợi để cắt đứt liên kết phức hợp protein - chitin. Ngược lại, Bacillus subtilis không có khả năng sinh axit hữu cơ nên khoáng chất không bị phân giải, tạo thành lớp rào cản vật lý ngăn cản protease tiếp xúc với cơ chất protein bên trong.

Khi biểu diễn dữ liệu bằng biểu đồ cột so sánh động học giữa các mốc 2 ngày và 5 ngày, sự gia tăng hiệu suất từ ngày thứ 2 đến ngày thứ 5 của Y. lipolytica diễn ra chậm lại do axit amin tự do giải phóng từ protein đã cung cấp nguồn nitơ cho tế bào, làm giảm sự tích tụ axit citric. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng vi khuẩn lactic đơn thuần (Lactobacillus plantarum đạt khử khoáng trên 90% nhưng khử protein hạn chế), việc ứng dụng Y. lipolytica đem lại lợi thế lớn khi vừa khử được protein ở mức 85,8% vừa loại bỏ hơn 95% lipid, ngăn ngừa hiện tượng oxy hóa ôi khét của chitin thành phẩm.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa điều kiện công nghệ lên men: Doanh nghiệp và phòng thí nghiệm cần điều chỉnh dải nhiệt độ nuôi cấy ở 28°C đến 30°C, nâng mật độ giống cấy lên mức 10^8 đến 10^9 CFU/g và duy trì tốc độ khuấy lắc 200 đến 250 vòng/phút. Bổ sung nguồn carbon bổ trợ thích hợp nhằm nâng hiệu suất khử khoáng từ 49,4% lên mục tiêu trên 80% trong khung thời gian 6 đến 12 tháng. Trách nhiệm thực hiện thuộc về nhóm nghiên cứu công nghệ sinh học và bộ phận R&D.

2. Áp dụng kỹ thuật đồng lên men phối hợp: Triển khai mô hình kết hợp hai chủng vi sinh vật gồm nấm men Yarrowia lipolytica và vi khuẩn sinh axit lactic như Lactobacillus plantarum theo tỷ lệ cấy 1:1. Giải pháp này hướng tới mục tiêu kép đạt hiệu suất khử protein trên 95% và khử khoáng trên 90% trong giai đoạn 2024 đến 2025, do các viện nghiên cứu chuyên ngành chủ trì thực nghiệm.

3. Xây dựng và mở rộng hệ thống thiết bị lên men pilot: Đầu tư thiết kế hệ thống bioreactor tầng sôi hoặc thùng lên men khuấy cơ học quy mô pilot dung tích 50 đến 100 lít tại các nhà máy chế biến thủy sản trong giai đoạn 2025 đến 2026. Mục tiêu xử lý tại chỗ 5 đến 10 tấn phế liệu vỏ tôm mỗi ngày do các doanh nghiệp chế biến thủy sản phối hợp cùng chuyên gia kỹ thuật chế tạo máy đảm nhiệm.

4. Thương mại hóa dịch thủy phân protein giàu dinh dưỡng: Thu hồi và tinh chế phân đoạn dịch lỏng sau lên men để sản xuất bột đạm thủy phân hoặc dịch đạm sinh học giàu peptide chức năng và chất chống oxy hóa tự nhiên. Đạt mục tiêu hoàn thiện quy trình kiểm nghiệm an toàn thực phẩm và đưa sản phẩm thức ăn chăn nuôi ra thị trường trong lộ trình 18 tháng, do các công ty chế biến phụ phẩm nông nghiệp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Doanh nghiệp và nhà máy chế biến thủy sản xuất khẩu: Đơn vị quản lý và kỹ sư vận hành có thể ứng dụng quy trình lên men sinh học để xử lý phụ phẩm tôm tại chỗ, giúp cắt giảm 70% chi phí xử lý chất thải rắn và tạo thêm nguồn thu từ chitin và bột đạm chất lượng cao. Use case điển hình là tích hợp hệ thống xử lý sinh học cho phân xưởng bóc vỏ tôm quy mô 500 đến 1.000 tấn phế liệu mỗi năm.

2. Nhà khoa học và giảng viên ngành Công nghệ Thực phẩm, Công nghệ Sinh học: Nghiên cứu cung cấp tài liệu thực nghiệm giá trị về đặc tính sinh lý của nấm men Yarrowia lipolytica VTCC 0544, cơ chế tiết enzyme protease và lipase ngoại bào. Use case cụ thể là phát triển các đề tài nghiên cứu chuyên sâu về động học enzyme hoặc công nghệ cố định tế bào vi sinh vật.

3. Sinh viên và học viên cao học khối ngành Hóa sinh - Kỹ thuật Môi trường: Luận văn là hình mẫu chuẩn mực về phương pháp bố trí thí nghiệm, kỹ thuật phân tích hóa lý theo tiêu chuẩn AOAC 2000 (Kjeldahl, Soxhlet, tro nung) và quy trình xử lý dữ liệu thống kê ANOVA. Use case thực tế là tham khảo phương pháp luận để xây dựng đề cương khóa luận tốt nghiệp về tái chế phụ phẩm hữu cơ.

4. Cơ quan quản lý môi trường và tổ chức phát triển kinh tế tuần hoàn: Báo cáo cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm giúp xây dựng các bộ tiêu chuẩn kỹ thuật về sản xuất sạch hơn trong ngành thủy sản. Use case là hoạch định chính sách khuyến khích kinh tế tuần hoàn và cấp phép công nghệ xanh cho các khu công nghiệp chế biến thủy hải sản tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long và Duyên hải miền Trung.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao phương pháp sinh học sử dụng nấm men lại ưu việt hơn phương pháp hóa học truyền thống trong xử lý vỏ tôm? Phương pháp hóa học sử dụng axit và kiềm nồng độ cao gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, phá hủy cấu trúc tự nhiên của polyme và làm biến tính protein. Ngược lại, phương pháp sinh học sử dụng nấm men Yarrowia lipolytica vận hành ở nhiệt độ thường, không phát sinh hóa chất độc hại, bảo tồn cấu trúc vi sợi chitin và thu hồi được dịch đạm giàu dinh dưỡng với hiệu suất khử protein đạt 85,8%.

2. Chủng nấm men Yarrowia lipolytica VTCC 0544 có điểm gì nổi trội so với vi khuẩn Bacillus subtilis trong nghiên cứu này? Chủng nấm men Yarrowia lipolytica sở hữu khả năng sinh đồng thời enzyme protease, lipase và axit hữu cơ. Nhờ cơ chế tiết axit citric hòa tan khoáng chất, Y. lipolytica đạt hiệu suất khử khoáng 49,4%, cao gấp 3,1 lần so với Bacillus subtilis (chỉ đạt 15,9%), đồng thời hiệu suất khử protein đạt 85,8% cao hơn 1,24 lần so với vi khuẩn này.

3. Thành phần sinh hóa ban đầu của phụ phẩm tôm thẻ chân trắng bao gồm những gì? Kết quả kiểm nghiệm trên mẫu phụ phẩm tôm thẻ chân trắng xác định hàm lượng protein thô chiếm tỷ lệ lớn nhất đạt 48,3 ± 0,3% khối lượng chất khô, hàm lượng tro khoáng (chủ yếu là CaCO3) chiếm 31,0 ± 0,2%, hàm lượng lipid đạt 5,0 ± 0,2% và độ ẩm tự nhiên của nguyên liệu là 70,0 ± 0,4%.

4. Dịch thủy phân đạm thu được từ quá trình lên men có thể ứng dụng vào lĩnh vực nào? Khác với dịch thủy phân hóa học có vị đắng và chứa muối vô cơ cao, dịch thủy phân đạm từ nấm men Y. lipolytica chứa các peptide ngắn cân bằng axit amin, không chứa độc tố vi nấm và có hoạt tính kháng oxy hóa. Phân đoạn này rất thích hợp để làm phụ gia điều vị thực phẩm, dịch đạm dinh dưỡng hoặc thức ăn thủy sản cao cấp.

5. Đâu là rào cản kỹ thuật chính khi chuyển giao công nghệ này sang quy mô sản xuất công nghiệp? Thách thức lớn nhất là nâng cao hiệu suất khử khoáng từ 49,4% lên trên 90% và duy trì điều kiện hiếu khí đồng đều trong các bồn lên men thể tích lớn. Giải pháp khắc phục là kết hợp lên men đồng thời với vi khuẩn lactic hoặc bổ sung công đoạn rửa nhẹ bằng axit hữu cơ sinh học để thu nhận chitin có độ tinh khiết tuyệt đối.

Kết luận

• Luận văn đã xác định chính xác thành phần hóa học của phụ phẩm tôm thẻ chân trắng với 48,3% protein, 31,0% tro khoáng và 5,0% lipid tính theo hàm lượng chất khô.
• Chứng minh tiềm năng sinh học vượt trội của nấm men Yarrowia lipolytica VTCC 0544 nhờ năng lực tiết đồng thời protease kiềm, lipase và axit citric.
• Xác lập hiệu suất xử lý ấn tượng sau 5 ngày nuôi cấy với tỷ lệ khử protein đạt 85,8 ± 0,6%, khử khoáng đạt 49,4 ± 0,4% và khử lipid đạt 95,1 ± 0,1%.
• Đặt nền móng khoa học vững chắc cho quy trình sản xuất chitin sinh học thân thiện với môi trường, thay thế hoàn toàn phương pháp hóa học độc hại.
• Định hình lộ trình nghiên cứu tiếp theo bao gồm tối ưu hóa thông số công nghệ và thử nghiệm quy mô pilot 50 đến 100 lít trong giai đoạn 2024 đến 2026.

Để đón đầu xu hướng kinh tế tuần hoàn và nâng cao giá trị chuỗi cung ứng ngành tôm xuất khẩu, các doanh nghiệp chế biến thủy sản và viện nghiên cứu hãy kết nối hợp tác ngay hôm nay nhằm triển khai ứng dụng công nghệ sinh học xanh vào thực tiễn sản xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Tổng quan chuyển hóa nguyên liệu kỵ nước (alkanes, triglyceride và acid béo) để tạo ra protein. Loài nấm men này không những có khả năng sản xuất và tiết ra canh trường nhiều loại enzyme tự nhiên như lipase lip2p, protease có hoạt tính cao mà còn tổng hợp được các acid hữu cơ và đường ol [24]. lipolytica thuộc họ Saccharomycetaceae, và thuộc giới nấm Ascomyces (dưới họ Sacchromycetoideae) [25].

Nó thường được tìm thấy trên các cơ chất có nguồn gốc động vật hoặc thực vật mà các nguồn cacbon chính dưới dạng các ankan; lipid hoặc protein. Mặt khác nó được phân lập đầu tiên trên magarine. Nấm men này có thể phân lập từ các thực phẩm giàu lipid và protein [26] như phomai [27] hoặc xúc xích [28]. lipolytica không gây bệnh [29].

Nó rất nhạy cảm với nhiệt độ cao từ 32-34°C [28]. lipolytica không có khả năng phát triển ở nhiệt độ 32°C và là vi sinh vật hiếu khí bắt buộc. lipolytica đã được Cơ quan quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ FDA (American food and drug administration) cấp chứng nhận GRAS (Generally Recognized As Safe) là sản phẩm tuyệt đối an toàn. Điều này cho phép chúng được sử dụng trong công nghiệp thực phẩm hoặc dược phẩm.

Đây là một nấm men lưỡng hình hình thành các tế bào chồi, các sợi nấm hoặc giả sợi nấm tùy theo điều kiện nuôi cấy như thông gió, nguồn carbon hoặc nguồn nitơ, pH…. Khuẩn lạc của Y. lipolytica có nhiều hình dạng khác nhau như nhẵn và lấp lánh, cuộn xoắn, sần sùi và màu trắng đục [30]. lipolytica có khả năng đồng hóa nhiều loại đường như glucose, galactose hoặc manitol nhưng nó không có khả năng đồng hóa saccharose do thiếu hoạt động của enzyme invertase [6].

Ngược lại, nấm men này có khả năng sử dụng các chất kỵ nước như alcan (như hexadecan, decan), các acid béo (như acid palmitic, acid rininoleic, acid lauric), và các triglycerid (trioleine, tripalmitine). lipolytica cũng có thể sử dụng acetate như một nguồn cacbon duy nhất [6].lipolytica cũng có thể tăng trưởng trong môi trường có bổ sung lipid như ricinoleic (dầu thầu dầu), sử dụng lipid để tổng hợp thành lactone do hoạt động của enzyme lipase và esterase [31]. Tổng hợp acid hữu cơ 1. Acid citric Nấm men Y.

lipolytica được xem là một tác nhân sản xuất acid citric với số lượng lớn tiềm năng với những ưu điểm như sử dụng được nhiều loại cơ chất (đặc biệt có khả năng sử dụng cơ chất kỵ nước), tốc độ phản ứng hình thành sản phẩm cao, hiệu suất tổng hợp cao, chịu được nồng độ cơ chất cao, chịu được ion kim loại và nồng độ oxy thấp, kiểm soát quá trình dễ dàng, tối thiểu lượng chất thải và nước thải [25]. Quá trình tổng hợp và tiết acid citric diễn ra nhanh hơn ở pH trung tính do ở pH này, gen điều hòa tăng tổng hợp chất vận chuyển Yhm2p hoạt động [24]. Thêm vào đó, tính toán động học và đề xuất rằng quá trình tiết acid citric có nhiều mặt lợi về năng lượng [24]. Aicd hữu cơ khác Ngoài acid citric và acid isocitric, nấm men Y.

lipolytica còn có khả năng sinh tổng hợp và tiết ra canh trường những acid hữu cơ khác có thể kể đến như: Succinic acid là một sản phẩm trung gian của chu trình Krebs, tổng hợp từ succinyl-CoA bởi enzyme succinyl-CoA synthetase (Hình 1. α-ketoglutaric acid cũng là một sản phẩm trung gian của chu trình Krebs, được chuyển hóa từ isocitrate bởi enzyme isocitrate dehydrogenase và được α-ketoglutarate dehydrogenase chuyển thành succinyl CoA khi có mặt NAD và CoA. Tuy nhiên, nấm + men Y. lipolytica không có khả năng tổng hợp thiamine pyrophosphate, cofactor của enzyme α-ketoglutarate dehydrogenase.

Do đó, khi nuôi cấy trong môi trường thiếu thiamine, α-ketoglutaric acid tích tụ bên trong tế bào nấm men và tiết ra canh trường [24]. Itaconic acid (IA) được tổng hợp nhờ enzyme cis-aconitic acid decarboxylase xúc tác phản ứng decarboxyl hóa cis-aconitate (hình 1. Nhờ vào khả năng sinh acid hữu cơ, nấm men Y. lipolytica có tiềm năng loại khoáng trong quá trình thu nhận chitin từ phụ phẩm tôm.

Tổng quan ACL: ATP citrate lyase; ACC: acetyl CoA carboxylase; ACO: aconitase; ACO *: truncated aconitase; ACH: acetyl CoA hydrolase; CAD: cis-aconitate decarboxylase; CIT: citrate synthase; DHAP: dihydroxyacetone-P; FUM: fumarase; GK: glycerol kinase; G3PDH: glycerol-3P dehydrogenase; ICL: isocitrate lyase; IDH: isocitrate dehydrogenase; MLS: malate synthase; PEP: phosphoenol pyruvate; PYC: pyruvate carboxylase; SCS: succinyl CoA synthetase; SDH: succinate dehydrogenase; PCK: phosphoenolpyruvate carboxykinase; KD: ketoglutarate dehydrogenase. Tổng quan con đường tổng hợp acid hữu cơ của nấm men Y. Protease ngoại bào Nấm men Y. lipolytica được chứng minh có khả năng tổng hợp alkaline extracellular protease, chiếm 1-2% tổng lượng protein của tế bào [27].

Hơn 99% enzyme tổng hợp được tiết ra môi trường nuôi cấy và chỉ 1% enzyme được giữ lại bên trong tế 11 Chương 1. Tổng quan bào [27]. Ngoài alkaline extracellular protease, nấm men Y. lipolytica còn có tiết ra môi trường ngoài ít nhất 3 loại acid protease và một ribonuclease [28].

Sinh tổng hợp protease ở nấm men Y. lipolytica bị ảnh hưởng mạnh bởi pH môi trường. Nhờ vào khả năng sinh protease ngoại bào, nấm men Y. lipolytica có tiềm năng loại protein trong quá trình thu nhận chitin từ phụ phẩm tôm.

Lipase Sinh tổng hợp lipase của nấm men Y. lipolytica tăng cao khi môi trường nuôi cấy có chứa cơ chất kỵ nước như acid béo, triglyceride, methyl ester [29]. lipolytica không chỉ sản sinh enzyme lipase ngoại bào mà còn còn sinh tổng hợp enzyme lipase liên kết với tế bào. Trong điều kiện nguồn carbon trở nên khan hiếm và nấm men trong pha cân bằng của quá trình sinh trưởng, cả hai loại enzyme lipase trên đều được tiết ra môi trường ngoài [29].

Điều kiện môi trường khan hiếm nguồn carbon hoặc nguồn N ở dạng phức tạp sẽ thúc đẩy nấm men Y. lipolytica tạo ra lipase [31]. Nhờ vào khả năng sinh lipase ngoại bào, nấm men Y. lipolytica có tiềm năng loại lipid trong quá trình thu nhận chitin từ phụ phẩm tôm.

Vi khuẩn Bacillus subtilis Bacillus subtilis là một vi khuẩn Gram dương hình móc câu, có khả năng tiết endopeptidases vào môi trường lên men [32]. Trong hầu hết điều kiện lên men, B. subtilis sinh tổng hợp protease ngoại bào trong suốt pha tăng trưởng chậm và pha cân bằng của quá trình phát triển [4]. Những ưu điểm sau đã giúp B.subtilis được sử dụng rộng rãi trong sản xuất endopeptidase [4]: - Không phải là chủng vi sinh vật gây bệnh - Không sản sinh endotoxins (có thể ứng dụng trong cả thực phẩm và y dược) 12 Chương 1.

Tổng quan - Không có cơ chế điều chỉnh protein, đảm bảo hoạt tính enzyme tạo thành - Có thể thay đổi, điều chỉnh quá trình sinh tổng hợp protease bằng các kỹ thuật hóa sinh phổ biến - Phát triển nhanh và tốc độ tổng hợp protein nhanh hơn so với hầu hết các vi sinh vật khác - Protease tạo thành phù hợp với nhiều loại cơ chất Hầu hết các vi sinh vật sinh protease để đáp ứng với điều kiện môi trường nuôi cấy như chất dinh dưỡng, hormone tăng sinh và ion. Do đó, cần phải tối ưu điều kiện nuôi cấy để có thể thu được protease với hàm lượng và hoạt tính cao [33]. Quá trình sinh tổng hợp protease ở B.subtilis bị tác động bởi nhiều yếu tố như nguồn N, nồng độ oxy, mật độ tế bào, pH, nhiệt độ,…[33]. Khi nuôi cấy B.subtilis trên phụ phẩm tôm he ở 37⁰C trong 36 giờ, hoạt tính protease thu được đạt 1550 U/ml [32].

Protease từ Bacillus subtilis đã được ứng dụng để loại protein trong phụ phẩm tôm [34, 35]. Kết quả hiệu quả loại bỏ protein đạt trên 77%. Từ những phân tích trên có thể thấy vi khuẩn B.subtilis có khả năng loại bỏ protein để thu nhận chitin từ phụ phẩm tôm. Nấm men phân lập 1.

Nấm men phân lập từ nem chua Nem chua là sản phẩm thịt lên men truyền thống của Việt Nam. Nó được là từ thịt heo xay trộn da heo thái mỏng, định hình thành khối lập phương, gói trong lá ổi. Sau đó, nem tiếp tục được gói trong lá chuối tạo môi trường yếm khí cho quá trình lên men và ngăn cản sự xâm nhập của vi sinh vật gây bệnh. Quá trình lên men thực hiện bởi vi sinh vật tự nhiên trong nguyên liệu, xảy ra trong 2-4 ngày ở nhiệt độ thường [36].

Trong ngày đầu của quá trình lên men, đã có sự phát hiện sự phát triển của nấm men. Tuy nhiên, càng gần điểm kết của quá trình lên men, số lượng nấm men giảm mạnh do acid lactic và hợp chất kháng khuẩn sinh ra trong quá trình lên men lactic [37]. Có hơn 80 giống nấm men được phân lập từ nem chua với mật độ 5x104-4x105 CFU/g (Bảng 1. Tổng quan Bảng 1.

Loài và số lượng giống nấm men phân lập được từ nem chua Tên loài Số lượng giống Bullera variabilis 2 Candida haemulonii 11 Candida halonitratophila 2 Candida maltosa 3 Candida mesenterica 1 Candida milleri 2 Candida parapsilosis 2 Candida sake 20 Debaryomyces hansenii 5 Endomycopsella vini 1 Kluyveromyces marxianus 1 Pachitichospora stransvaalensis 1 Pichia farinosa 2 Pichia guilliermondii 3 Pichia heedii 1 Pichia jadinii 1 Rhodotorula minuta 1 Saccharomyces cerevisiae 3 Sporobolomyces antarcticus 1 Torulaspora delbrueckii 4 Tremella foliacea 1 Trichosporon beigelii 5 Moniliella spp. 3 Yarrowia lipolytica 3 Unidentified strains 5 1. Nấm men phân lập từ phụ phẩm tôm Quần thể nấm men trong nước từ các ao nuôi tôm có mật độ khá cao. Nguyên nhân là do chất hữu cơ bao gồm thức ăn thừa và phân của tôm làm tăng quần thể nấm men trong nước ao.

Chất hữu cơ không chỉ đóng vai trò là nguồn cung cấp năng lượng mà còn là nguồn cacbon và nitơ, và một số thành phần cung cấp các chất thiết yếu cho sự phát triển của nấm men như vitamin. Chúng có thể tích tụ carotenoid và các sắc tố chính như b-carotene, torulene và torularhodin [39]. Khi tôm ăn vào, những sắc tố này đóng vai trò như một chất kháng oxy hóa, cải thiện sức đề kháng của tôm. Ngoài ra, nấm men Rhodosporidium paludigenum được công bố làm tăng hoạt tính protease và lipase trong 14 Chương 1.

Tổng quan dịch gan và tụy tôm [40]. 86 giống nấm men đã được định danh từ hệ tiêu hóa của tôm (Bảng 1. Nấm men định danh được từ hệ tiêu hóa của tôm Tên loài Số giống xác định được Rhodosporidium paludigenum 26 Rhodosporidium toruloides 21 Rhodotorula Mucilaginosa 19 Rhizophydium sphaerocarpum 14 Rhodotorula glutinis 3 Rhodosporidium diobobatum 2 Sporidiobolus pararoseus 1 1. Tình hình nghiên cứu bằng phương pháp sinh học sử dụng vi sinh vật để thu nhận chitin từ vỏ tôm Ứng dụng nấm men Y.

lipolytica để xử lý phụ phẩm tôm thu nhận chitin là một hướng nghiên cứu mới và tiềm năng. Hầu hết các công bố về thu nhận chitin từ vỏ tôm sử dụng vi khuẩn làm đối tượng nghiên cứu (Bảng 1.