Tổng quan nghiên cứu

Theo báo cáo của Tổng cục Thủy sản, sản lượng tôm nuôi tại Việt Nam năm 2021 đạt khoảng 970 nghìn tấn, trong đó phụ phẩm chế biến tôm chiếm từ 48-56% khối lượng tôm nguyên liệu, tương đương khoảng 325 nghìn tấn phụ phẩm thải ra mỗi năm. Dự kiến đến năm 2025, lượng phụ phẩm này có thể tăng lên hơn 450 nghìn tấn, tương đương hơn 1.000 tấn mỗi ngày. Phụ phẩm tôm chứa hàm lượng protein cao (48,3 ± 0,3%), khoáng (31,0 ± 0,3%), lipid (5,0 ± 0,2%) và chitin (17,6 ± 1,1%), là nguồn nguyên liệu tiềm năng để thu nhận chitin – một polysaccharide có ứng dụng rộng rãi trong thực phẩm, dược phẩm và mỹ phẩm.

Tuy nhiên, phương pháp thu nhận chitin truyền thống sử dụng acid và kiềm nồng độ cao gây ô nhiễm môi trường và làm biến đổi tính chất chitin. Do đó, nghiên cứu ứng dụng nấm men trong xử lý phụ phẩm tôm nhằm loại bỏ protein, khoáng và lipid một cách sinh học, thân thiện môi trường, là hướng đi mới đầy triển vọng. Mục tiêu nghiên cứu là khảo sát hiệu quả khử protein, khoáng và lipid của nấm men Yarrowia lipolytica so với vi khuẩn Bacillus subtilis và chế phẩm enzyme Alcalase; đồng thời phân lập và đánh giá các chủng nấm men từ phụ phẩm tôm và nem chua phù hợp với điều kiện thực tế Việt Nam.

Nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm Vi sinh, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP. HCM trong khoảng thời gian từ tháng 2 đến tháng 7 năm 2022. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển công nghệ sinh học xử lý phụ phẩm tôm, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và nâng cao giá trị kinh tế của ngành thủy sản.

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 thành phần hóa học của phụ phẩm tôm: Phụ phẩm tôm chứa protein, khoáng (chủ yếu là canxi carbonate), lipid và chitin. Chitin tồn tại dưới dạng α-chitin với cấu trúc vi sợi chặt chẽ, được bao bọc bởi protein và khoáng, tạo nên độ cứng của vỏ tôm. Việc thu nhận chitin đòi hỏi loại bỏ protein và khoáng hiệu quả.

  • Phương pháp sinh học xử lý phụ phẩm tôm: Sử dụng vi sinh vật (nấm men, vi khuẩn) sinh acid hữu cơ và enzyme protease, lipase để phân giải protein, khoáng và lipid, thay thế cho phương pháp hóa học truyền thống.

  • Đặc tính sinh học của nấm men Yarrowia lipolytica: Loài nấm men này có khả năng tiết enzyme protease, lipase và tổng hợp acid hữu cơ như acid citric, giúp phá vỡ cấu trúc protein-khoáng-lipid trong phụ phẩm tôm. Y. lipolytica được FDA công nhận là an toàn (GRAS), có khả năng sử dụng nhiều nguồn cacbon và chịu được nhiệt độ lên đến 42⁰C.

Các khái niệm chính bao gồm: hiệu quả khử protein, hiệu quả khử khoáng, hiệu quả khử lipid, enzyme protease ngoại bào, enzyme lipase, acid hữu cơ sinh học, và phương pháp định danh nấm men bằng giải trình tự Sanger.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Phụ phẩm đầu tôm thẻ chân trắng thu từ nhà máy chế biến tại Nha Trang, Khánh Hòa; nấm men Y. lipolytica VTCC 0544 từ Trung tâm giống Quốc gia; nấm men phân lập từ phụ phẩm tôm và nem chua.

  • Phương pháp phân tích thành phần hóa học: Xác định hàm lượng protein bằng phương pháp Kjeldahl, lipid bằng Soxhlet, tro bằng phương pháp đốt cháy, chitin theo phương pháp chuẩn.

  • Phương pháp xử lý phụ phẩm tôm: Phụ phẩm được hấp tiệt trùng, sau đó xử lý bằng nấm men Y. lipolytica, vi khuẩn B. subtilis hoặc chế phẩm enzyme Alcalase. Các mẫu được nuôi cấy trong điều kiện kiểm soát nhiệt độ và thời gian, với mật độ tế bào khác nhau (10^6, 10^7, 10^8 cfu/g).

  • Phân lập và định danh nấm men: Cấy trên môi trường YPDA có kháng sinh, quan sát hình thái tế bào dưới kính hiển vi, định danh bằng giải trình tự Sanger so sánh với cơ sở dữ liệu GenBank.

  • Khảo sát đặc tính sinh lý và sinh hóa của nấm men: Xác định khả năng sử dụng các loại đường, sinh urease, protease, lipase, acid; xác định nhiệt độ sinh trưởng tối đa.

  • Phân tích số liệu: Thí nghiệm lặp lại 3-4 lần, xử lý thống kê bằng phần mềm Statgraphic Centurion và Microsoft Excel 2016, kiểm định ý nghĩa thống kê với mức p<0,05.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thành phần hóa học của phụ phẩm tôm: Protein chiếm 48,3 ± 0,3%, khoáng 31,0 ± 0,3%, lipid 5,0 ± 0,2%, chitin 17,6 ± 1,1% (khối lượng chất khô). Hàm lượng protein và chitin cao hơn so với một số nghiên cứu trước đây, khẳng định tiềm năng làm nguyên liệu thu nhận chitin.

  2. Hiệu quả khử protein: Nấm men Y. lipolytica đạt hiệu quả khử protein cao nhất 85,8 ± 0,6% sau 5 ngày, cao hơn 1,2 lần so với vi khuẩn B. subtilis và 1,1 lần so với chế phẩm Alcalase. Hoạt tính protease của Y. lipolytica tuy thấp hơn Alcalase nhưng hiệu quả khử protein cao hơn nhờ khả năng sinh acid hữu cơ và lipase hỗ trợ phá vỡ cấu trúc protein-khoáng-lipid.

  3. Hiệu quả khử khoáng: Y. lipolytica đạt 46,4 ± 0,5% sau 2 ngày, trong khi B. subtilis chỉ đạt khoảng 15-16%. Acid citric sinh ra từ Y. lipolytica phản ứng với canxi carbonate tạo muối hữu cơ dễ loại bỏ. Hiệu quả khử khoáng của các vi sinh vật trong nghiên cứu thấp hơn nhiều so với các nghiên cứu khác do điều kiện nuôi cấy chưa tối ưu.

  4. Hiệu quả khử lipid: Y. lipolytica đạt 90,1 ± 0,1%, B. subtilis 94,2 ± 0,1%, Alcalase chỉ 42,4 ± 0,6%. Nấm men có khả năng tiết lipase ngoại bào và liên kết tế bào, giúp thủy phân lipid hiệu quả, giảm cản trở cho protease.

  5. Phân lập và đặc điểm nấm men từ phụ phẩm tôm và nem chua: Hai loài Candida tropicalis và Pichia kudriavzevii được phân lập, có nhiệt độ sinh trưởng tối đa 42⁰C, sử dụng nhiều loại đường, sinh protease, lipase và acid. Tuy nhiên, hiệu quả khử protein (26-33%), khoáng (35-48%) và lipid (40-78%) thấp hơn nhiều so với Y. lipolytica.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả xử lý phụ phẩm tôm của Y. lipolytica vượt trội nhờ khả năng sinh đồng thời protease, lipase và acid hữu cơ, tạo điều kiện thuận lợi cho việc phân giải protein, khoáng và lipid. Acid citric đóng vai trò quan trọng trong việc khử khoáng bằng cách chuyển canxi carbonate thành muối hữu cơ dễ hòa tan. Sự phối hợp enzyme và acid giúp phá vỡ cấu trúc phức tạp của phụ phẩm tôm, nâng cao hiệu quả xử lý so với vi khuẩn B. subtilis và chế phẩm enzyme Alcalase chỉ có protease.

Mặc dù các nấm men phân lập từ phụ phẩm tôm và nem chua có hiệu quả xử lý thấp hơn, chúng có đặc tính sinh lý phù hợp với điều kiện địa phương và tiềm năng phát triển trong nghiên cứu sâu hơn. Kết quả này mở ra hướng nghiên cứu mới trong việc sử dụng nấm men bản địa để xử lý phụ phẩm tôm, góp phần phát triển công nghệ sinh học thân thiện môi trường.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh hiệu quả khử protein, khoáng và lipid của các tác nhân xử lý theo thời gian nuôi cấy và mật độ tế bào, giúp minh họa rõ ràng sự khác biệt hiệu quả giữa các phương pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển quy trình xử lý phụ phẩm tôm bằng nấm men Y. lipolytica: Tối ưu điều kiện nuôi cấy (nhiệt độ, pH, mật độ tế bào, thời gian) để nâng cao hiệu quả khử protein, khoáng và lipid, hướng tới thu nhận chitin chất lượng cao. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng; chủ thể: các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ sinh học.

  2. Nghiên cứu sâu về các chủng nấm men bản địa phân lập từ phụ phẩm tôm và nem chua: Đánh giá khả năng cải tiến hiệu quả xử lý qua biến đổi điều kiện nuôi cấy hoặc kết hợp với các vi sinh vật khác. Thời gian: 12 tháng; chủ thể: các nhóm nghiên cứu đại học.

  3. Ứng dụng công nghệ sinh học trong thu nhận chitin thân thiện môi trường: Thay thế phương pháp hóa học truyền thống, giảm thiểu ô nhiễm và chi phí xử lý hóa chất. Thời gian: 1-2 năm; chủ thể: doanh nghiệp chế biến thủy sản và các cơ quan quản lý môi trường.

  4. Xây dựng mô hình sản xuất chitin quy mô pilot: Áp dụng quy trình xử lý bằng nấm men, đánh giá hiệu quả kinh tế và môi trường, làm cơ sở cho sản xuất công nghiệp. Thời gian: 2 năm; chủ thể: doanh nghiệp công nghệ sinh học phối hợp viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ thực phẩm, Vi sinh vật: Nắm bắt kiến thức về ứng dụng nấm men trong xử lý phụ phẩm thủy sản, phương pháp phân lập và định danh vi sinh vật, kỹ thuật phân tích enzyme.

  2. Doanh nghiệp chế biến thủy sản và công nghệ sinh học: Áp dụng công nghệ sinh học thân thiện môi trường để xử lý phụ phẩm tôm, nâng cao giá trị sản phẩm và giảm chi phí xử lý chất thải.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và phát triển bền vững: Tham khảo giải pháp giảm thiểu ô nhiễm từ phụ phẩm thủy sản, thúc đẩy phát triển công nghệ xanh trong ngành thủy sản.

  4. Nhà sản xuất nguyên liệu chitin và các sản phẩm dẫn xuất: Tìm hiểu quy trình thu nhận chitin sinh học, cải tiến chất lượng nguyên liệu, mở rộng nguồn cung ứng nguyên liệu sạch và bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nấm men Yarrowia lipolytica có ưu điểm gì trong xử lý phụ phẩm tôm?
    Y. lipolytica có khả năng tiết đồng thời protease, lipase và acid hữu cơ như acid citric, giúp phân giải hiệu quả protein, lipid và khoáng trong phụ phẩm tôm. Điều này vượt trội hơn so với vi khuẩn hoặc enzyme đơn lẻ, đồng thời an toàn và thân thiện môi trường.

  2. Hiệu quả khử protein và khoáng của nấm men so với phương pháp hóa học ra sao?
    Hiệu quả khử protein của Y. lipolytica đạt khoảng 85,8%, hiệu quả khử khoáng khoảng 46,4%, thấp hơn so với phương pháp hóa học truyền thống nhưng bù lại phương pháp sinh học giảm thiểu ô nhiễm và giữ nguyên tính chất chitin.

  3. Tại sao cần loại bỏ protein và khoáng trong phụ phẩm tôm để thu nhận chitin?
    Protein và khoáng (canxi carbonate) bao bọc chitin trong vỏ tôm, làm giảm độ tinh khiết và chất lượng chitin. Loại bỏ chúng giúp thu nhận chitin tinh khiết, phù hợp cho các ứng dụng trong thực phẩm, dược phẩm và mỹ phẩm.

  4. Các nấm men phân lập từ nem chua và phụ phẩm tôm có tiềm năng ứng dụng không?
    Mặc dù hiệu quả xử lý thấp hơn Y. lipolytica, các chủng Candida tropicalis và Pichia kudriavzevii có đặc tính sinh lý phù hợp với điều kiện địa phương, có thể được nghiên cứu sâu để cải thiện hiệu quả xử lý hoặc phối hợp trong công nghệ sinh học.

  5. Làm thế nào để tối ưu hiệu quả xử lý phụ phẩm tôm bằng nấm men?
    Cần nghiên cứu điều chỉnh các yếu tố như mật độ tế bào, thời gian nuôi cấy, pH, nhiệt độ và nguồn dinh dưỡng để tăng cường hoạt tính enzyme và sinh acid, từ đó nâng cao hiệu quả khử protein, khoáng và lipid.

Kết luận

  • Phụ phẩm tôm chứa hàm lượng protein (48,3%), khoáng (31,0%), lipid (5,0%) và chitin (17,6%) cao, là nguồn nguyên liệu tiềm năng thu nhận chitin.
  • Nấm men Yarrowia lipolytica thể hiện hiệu quả xử lý phụ phẩm tôm vượt trội với hiệu quả khử protein 85,8%, khử khoáng 46,4% và khử lipid 90,1%.
  • Hai loài nấm men bản địa Candida tropicalis và Pichia kudriavzevii được phân lập, có đặc tính sinh lý phù hợp nhưng hiệu quả xử lý thấp hơn Y. lipolytica.
  • Nghiên cứu mở ra hướng ứng dụng công nghệ sinh học thân thiện môi trường trong xử lý phụ phẩm tôm và thu nhận chitin.
  • Đề xuất tiếp tục tối ưu quy trình nuôi cấy, nghiên cứu sâu các chủng nấm men bản địa và phát triển mô hình sản xuất chitin quy mô pilot.

Hành động tiếp theo: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên phối hợp triển khai nghiên cứu tối ưu quy trình và ứng dụng công nghệ sinh học trong công nghiệp chế biến thủy sản để nâng cao giá trị phụ phẩm và bảo vệ môi trường.