Nghiên cứu chế biến bột protein thủy phân từ phụ phẩm cá tra bằng enzyme protease

Nghiên cứu ứng dụng enzyme protease chế biến bột protein thủy phân từ phụ phẩm cá tra, tạo môi trường tối ưu cho việc nuôi cấy vi sinh vật.

• Tác giả: Đặng Minh Hiền
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Công Hà
• Trường học: Trường Đại học Cần Thơ
• Chuyên ngành: Công nghệ Thực phẩm
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Dụng Enzyme Protease Trong Chế Biến Bột Protein Thủy Phân Từ Phụ Phẩm Cá Tra Sử Dụng Làm Môi Trường Nuôi Cấy Vi Sinh Vật
• Loại tài liệu: Luận án tốt nghiệp tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Cần Thơ

Tóm tắt

I. Protein thủy phân từ cá tra Giải pháp giá trị từ phụ phẩm

Ngành công nghiệp chế biến cá tra tại Việt Nam là một trong những ngành kinh tế mũi nhọn, mang lại giá trị xuất khẩu hàng tỷ USD. Tuy nhiên, một thực tế tồn tại là chỉ khoảng 35-40% khối lượng cá được sử dụng để làm phi lê, phần còn lại, chiếm tới 60-65%, trở thành phụ phẩm. Các phụ phẩm này bao gồm đầu, xương, da, vây, nội tạng, thịt dè và máu cá. Nếu không được xử lý đúng cách, lượng phụ phẩm khổng lồ này sẽ gây ra áp lực lớn lên môi trường và là một sự lãng phí tài nguyên nghiêm trọng. Trong bối cảnh đó, việc nghiên cứu các giải pháp công nghệ để nâng cao giá trị của phụ phẩm cá tra là một yêu cầu cấp thiết. Một trong những hướng đi tiềm năng và hiệu quả nhất chính là sản xuất protein thủy phân từ cá tra. Đây là quá trình sử dụng các enzyme protease để phá vỡ các liên kết peptide trong chuỗi protein phức tạp, tạo ra các peptide ngắn hơn và các acid amin tự do. Sản phẩm cuối cùng, bột protein thủy phân, là một nguồn dinh dưỡng quý giá, dễ hấp thu và có nhiều ứng dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau. Nghiên cứu của Đặng Minh Hiền (2021) đã tiên phong trong việc ứng dụng các enzyme như bromelain, papain, và neutrase để thủy phân protein từ thịt dè và máu cá tra, mở ra một hướng đi mới đầy hứa hẹn. Quá trình này không chỉ giúp giải quyết vấn đề môi trường mà còn tạo ra một sản phẩm có giá trị gia tăng cao, có khả năng thay thế các nguồn peptone thương mại đắt đỏ trong nuôi cấy vi sinh vật, góp phần vào sự phát triển bền vững của toàn ngành.

1.1. Nguồn gốc và giá trị dinh dưỡng của phụ phẩm cá tra

Phụ phẩm từ quá trình chế biến cá tra phi lê, bao gồm thịt dè và máu cá, là một nguồn tài nguyên giàu dinh dưỡng thường bị bỏ qua. Thành phần hóa học của các phụ phẩm này cho thấy chúng chứa hàm lượng protein thô rất cao, dao động từ 8% đến 35% tùy loại. Cụ thể, thịt dè cá tra có hàm lượng protein trung bình là 71% (tính theo căn bản khô) và máu cá cũng là một nguồn protein dồi dào. Bên cạnh protein, các phụ phẩm cá tra còn chứa một phổ acid amin đa dạng và cân đối, bao gồm nhiều acid amin thiết yếu quan trọng. Theo phân tích, các acid amin như Leucine, Lysine, Arginine, và Aspartic acid chiếm tỷ lệ cao. Đây là những thành phần nền tảng không chỉ có giá trị trong dinh dưỡng cho người và vật nuôi mà còn là nguồn cơ chất lý tưởng cho sự phát triển của vi sinh vật. Việc tận dụng nguồn protein này để sản xuất dịch thủy phân protein là một giải pháp thông minh, biến chất thải thành sản phẩm có giá trị kinh tế cao.

1.2. Khái niệm dịch thủy phân protein và quy trình sản xuất

Dịch thủy phân protein (Protein Hydrolysate) là sản phẩm thu được sau khi protein bị thủy phân thành các peptide có trọng lượng phân tử thấp và các acid amin tự do. Quá trình này có thể được thực hiện bằng phương pháp hóa học (sử dụng acid hoặc kiềm) hoặc phương pháp sinh học (sử dụng enzyme). Thủy phân bằng enzyme được ưa chuộng hơn do các ưu điểm vượt trội: điều kiện phản ứng ôn hòa, tính đặc hiệu cao, giữ được giá trị dinh dưỡng của sản phẩm và ít tạo ra các sản phẩm phụ không mong muốn. Quy trình sản xuất protein thủy phân từ cá tra về cơ bản bao gồm các bước: (1) Chuẩn bị nguyên liệu (tách béo phụ phẩm), (2) Phản ứng thủy phân với enzyme protease trong điều kiện pH và nhiệt độ được kiểm soát chặt chẽ, (3) Tách lọc để loại bỏ phần không tan, và (4) Cô đặc và sấy phun để thu được sản phẩm cuối cùng là bột protein thủy phân. Sản phẩm này có độ hòa tan cao, dễ hấp thu và giàu dinh dưỡng, sẵn sàng cho các ứng dụng tiếp theo.

II. Thách thức từ phụ phẩm cá tra chi phí môi trường cấy

Mặc dù tiềm năng của phụ phẩm cá tra là rất lớn, việc xử lý chúng vẫn đối mặt với nhiều thách thức đáng kể. Hiện nay, phần lớn phụ phẩm vẫn được chế biến thành bột cá dùng trong thức ăn chăn nuôi, một sản phẩm có giá trị kinh tế thấp. Một lượng không nhỏ khác bị thải bỏ trực tiếp ra môi trường, gây ra tình trạng ô nhiễm nguồn nước nghiêm trọng do hàm lượng chất hữu cơ và protein cao. Chi phí để xử lý lượng chất thải này là một gánh nặng không nhỏ cho các doanh nghiệp chế biến. Song song đó, trong lĩnh vực công nghệ sinh học và vi sinh vật học, một thách thức khác là chi phí cao của môi trường nuôi cấy. Peptone thương mại, một thành phần cung cấp nitơ và acid amin thiết yếu cho vi sinh vật, thường được sản xuất từ nguồn gốc động, thực vật khác và có giá thành khá cao. Điều này làm tăng chi phí nghiên cứu và sản xuất ở quy mô công nghiệp. Việc tìm kiếm một nguồn peptone thay thế, có chất lượng tương đương hoặc tốt hơn, với giá thành rẻ hơn và nguồn cung ổn định là một bài toán cần lời giải. Nghiên cứu ứng dụng protein thủy phân từ cá tra làm môi trường nuôi cấy vi sinh chính là câu trả lời cho cả hai thách thức trên. Giải pháp này không chỉ mở ra một hướng xử lý phụ phẩm hiệu quả, nâng cao giá trị kinh tế mà còn cung cấp một nguồn dinh dưỡng dồi dào, bền vững cho ngành công nghệ sinh học, tạo ra một chu trình kinh tế tuần hoàn kiểu mẫu.

2.1. Thực trạng lãng phí và ô nhiễm từ phụ phẩm thủy sản

Ngành công nghiệp chế biến thủy sản, đặc biệt là cá tra, tạo ra một khối lượng phụ phẩm thủy sản khổng lồ hàng năm. Theo thống kê, sản lượng 1 triệu tấn cá tra nguyên liệu có thể tạo ra khoảng 600.000 tấn phụ phẩm. Việc xử lý không triệt để nguồn phụ phẩm này dẫn đến nhiều hệ lụy tiêu cực. Về mặt kinh tế, đây là sự lãng phí một nguồn tài nguyên giàu protein và các hợp chất có giá trị sinh học. Về mặt môi trường, sự phân hủy của các chất hữu cơ trong phụ phẩm gây ra mùi hôi, ô nhiễm nguồn nước mặt và nước ngầm, ảnh hưởng đến hệ sinh thái và sức khỏe cộng đồng. Các phương pháp xử lý truyền thống như chôn lấp hoặc sản xuất bột cá thô sơ chưa thực sự giải quyết được gốc rễ vấn đề và chưa tối ưu hóa được giá trị của nguồn nguyên liệu này.

2.2. Hạn chế của peptone thương mại trong vi sinh vật học

Peptone thương mại là thành phần không thể thiếu trong hầu hết các môi trường nuôi cấy vi sinh vật, từ phòng thí nghiệm đến sản xuất công nghiệp. Tuy nhiên, nó có một số hạn chế nhất định. Thứ nhất, giá thành sản phẩm tương đối cao, chiếm một phần đáng kể trong chi phí sản xuất. Thứ hai, chất lượng của các lô peptone khác nhau có thể không đồng nhất, ảnh hưởng đến sự ổn định của quá trình nuôi cấy và kết quả nghiên cứu. Thứ ba, nguồn cung có thể phụ thuộc vào các yếu tố thị trường biến động. Do đó, việc phát triển một nguồn peptone thay thế từ phụ phẩm cá tra không chỉ giúp giảm chi phí mà còn đảm bảo một nguồn cung cấp ổn định, chất lượng cao và có thể kiểm soát được, đặc biệt phù hợp với bối cảnh kinh tế của Việt Nam.

III. Phương pháp thủy phân protein cá tra bằng enzyme protease

Để chuyển hóa protein từ phụ phẩm cá tra thành một môi trường dinh dưỡng hiệu quả, phương pháp thủy phân bằng enzyme protease được xem là tối ưu nhất. Luận án của Đặng Minh Hiền (2021) đã trình bày một quy trình chi tiết và khoa học, bắt đầu từ khâu xử lý nguyên liệu đến khi tạo ra sản phẩm cuối cùng. Điểm mấu chốt của phương pháp này là việc lựa chọn enzyme phù hợp và tối ưu hóa các điều kiện phản ứng như tỷ lệ enzyme/cơ chất (E/S), thời gian, nhiệt độ và pH để đạt được hiệu suất thủy phân cao nhất. Hiệu suất thủy phân (Degree of Hydrolysis - DH) là chỉ số quan trọng, thể hiện mức độ các liên kết peptide đã bị cắt đứt. Hiệu suất càng cao, sản phẩm thu được càng chứa nhiều peptide ngắn và acid amin tự do, làm tăng giá trị dinh dưỡng và khả năng hấp thu của vi sinh vật. Quá trình này đòi hỏi sự kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo sản phẩm cuối cùng là bột protein thủy phân không chỉ giàu dinh dưỡng mà còn đồng nhất về chất lượng. Đây là một quy trình công nghệ sinh học tiên tiến, biến một nguyên liệu giá trị thấp thành một sản phẩm có giá trị gia tăng cao, phục vụ cho các ngành công nghiệp đòi hỏi kỹ thuật cao.

3.1. Quy trình tách béo phụ phẩm thịt dè và máu cá hiệu quả

Trước khi tiến hành thủy phân, việc loại bỏ lipid (chất béo) ra khỏi nguyên liệu là một bước cực kỳ quan trọng. Hàm lượng lipid cao có thể cản trở hoạt động của enzyme và ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm cuối cùng. Nghiên cứu đã khảo sát và chỉ ra rằng việc sử dụng dung dịch NaHCO3 ở nồng độ 0,2% cho khả năng tách béo tốt nhất đối với cả phụ phẩm thịt dè và máu cá. Phương pháp này không chỉ hiệu quả trong việc giảm hàm lượng lipid mà còn ít ảnh hưởng đến cấu trúc và chất lượng của protein trong nguyên liệu. Một quy trình tách béo hiệu quả là tiền đề để quá trình thủy phân bằng enzyme diễn ra thuận lợi và đạt hiệu suất cao.

3.2. Tối ưu hóa thông số động học của quá trình thủy phân

Để đạt được hiệu suất thủy phân cao nhất, việc xác định các thông số động học của enzyme là rất cần thiết. Các thông số như vận tốc cực đại (Vmax) và hằng số Michaelis-Menten (KM) được xác định để hiểu rõ hơn về cơ chế tương tác giữa enzyme và cơ chất. Bên cạnh đó, các yếu tố như tỷ lệ enzyme trên cơ chất (E/S) và thời gian thủy phân được khảo sát kỹ lưỡng. Kết quả cho thấy, mỗi loại enzyme (bromelain, papain, neutrase) sẽ có một tỷ lệ E/S và thời gian tối ưu khác nhau để đạt được hiệu suất thủy phân đạm amin và tyrosin cao nhất. Việc tối ưu hóa các thông số này giúp tối đa hóa lượng acid amin tự do được giải phóng, đồng thời tiết kiệm chi phí sử dụng enzyme.

3.3. Kỹ thuật sấy phun tạo bột protein thủy phân thành phẩm

Sau khi quá trình thủy phân kết thúc và dịch lọc đã được thu nhận, bước cuối cùng để tạo ra sản phẩm thương mại hóa là sấy khô. Kỹ thuật sấy phun được lựa chọn vì những ưu điểm vượt trội. Phương pháp này cho phép biến dịch thủy phân protein từ dạng lỏng thành dạng bột mịn một cách nhanh chóng. Quá trình sấy diễn ra ở nhiệt độ cao trong thời gian rất ngắn, giúp bảo toàn tối đa giá trị dinh dưỡng, đặc biệt là các acid amin nhạy cảm với nhiệt. Sản phẩm bột protein thủy phân thu được có độ ẩm thấp, dễ bảo quản, dễ vận chuyển và có khả năng hòa tan tốt, rất thuận tiện cho việc pha chế môi trường nuôi cấy hoặc ứng dụng trong các lĩnh vực khác.

IV. So sánh hiệu quả thủy phân của Bromelain Papain Neutrase

Việc lựa chọn enzyme đóng vai trò quyết định đến hiệu quả của toàn bộ quá trình thủy phân và chất lượng của sản phẩm cuối cùng. Nghiên cứu đã tiến hành so sánh khả năng thủy phân protein từ phụ phẩm cá tra của ba loại enzyme protease thương mại phổ biến: bromelain (chiết xuất từ dứa), papain (chiết xuất từ đu đủ) và neutrase (nguồn gốc vi khuẩn). Mỗi enzyme có những đặc tính riêng về pH và nhiệt độ hoạt động tối ưu, cũng như tính đặc hiệu đối với các liên kết peptide khác nhau. Việc đánh giá dựa trên các tiêu chí chính như hiệu suất giải phóng tyrosin, hiệu suất tạo đạm amin và hàm lượng các acid amin tự do trong dịch thủy phân. Kết quả so sánh cung cấp một cơ sở khoa học vững chắc để lựa chọn loại enzyme hiệu quả nhất và kinh tế nhất cho việc sản xuất bột protein thủy phân từ phụ phẩm cá tra ở quy mô công nghiệp. Sự khác biệt về hiệu quả giữa các enzyme này cho thấy tầm quan trọng của việc nghiên cứu sâu về động học enzyme để tối ưu hóa quy trình sản xuất, đảm bảo sản phẩm cuối cùng đạt chất lượng cao nhất, phục vụ tốt nhất cho mục tiêu ứng dụng làm môi trường nuôi cấy vi sinh.

4.1. Vai trò và hiệu suất vượt trội của enzyme bromelain

Trong ba loại enzyme được khảo sát, enzyme bromelain thể hiện hiệu suất thủy phân vượt trội nhất trên cả hai loại cơ chất là thịt dè và máu cá. Cụ thể, tại thời điểm 240 phút, hiệu suất thủy phân tyrosin và đạm amin từ máu cá của bromelain đạt tới 95,93% và 75,65%. Đối với thịt dè, các con số tương ứng là 65,25% và 71,02%. Lượng acid amin tự do được giải phóng bởi bromelain cũng cao hơn đáng kể so với hai enzyme còn lại. Kết quả này cho thấy bromelain có khả năng phá vỡ cấu trúc protein của phụ phẩm cá tra một cách mạnh mẽ và hiệu quả, tạo ra một dịch thủy phân protein giàu dinh dưỡng, là tiền đề lý tưởng để tạo ra môi trường nuôi cấy chất lượng cao.

4.2. Đánh giá khả năng thủy phân của enzyme papain và neutrase

Enzyme papain cũng cho thấy hiệu quả thủy phân khá tốt, xếp thứ hai sau bromelain. Hiệu suất thủy phân tyrosin và đạm amin của papain trên máu cá lần lượt là 76,62% và 70,91%. Trong khi đó, enzyme neutrase có hiệu quả thấp nhất trong ba loại, với các chỉ số tương ứng là 59,17% và 63,65%. Mặc dù không hiệu quả bằng bromelain, cả papain và neutrase vẫn là những lựa chọn khả thi, tùy thuộc vào mục tiêu cụ thể của sản phẩm cuối cùng và chi phí enzyme. Sự so sánh này cho phép các nhà sản xuất có thể lựa chọn enzyme phù hợp nhất với điều kiện và yêu cầu kỹ thuật của mình.

V. Ứng dụng làm môi trường nuôi cấy vi sinh Kết quả bất ngờ

Mục tiêu cuối cùng và quan trọng nhất của nghiên cứu là đánh giá khả năng ứng dụng của bột protein thủy phân từ cá tra làm môi trường nuôi cấy vi sinh. Hai chủng vi sinh vật có ý nghĩa quan trọng trong công nghiệp là vi khuẩn Bacillus subtilis và nấm mốc Aspergillus oryzae đã được lựa chọn để thử nghiệm. Các sản phẩm bột protein thủy phân tối ưu (từ thịt dè và máu cá, được thủy phân bởi ba loại enzyme) được sử dụng để pha chế môi trường nuôi cấy. Kết quả tăng trưởng và khả năng sinh tổng hợp enzyme protease của hai chủng vi sinh vật này sau đó được so sánh với môi trường đối chứng sử dụng peptone thương mại. Kết quả thu được rất khả quan và đầy bất ngờ. Đường cong tăng trưởng của cả hai chủng trên các môi trường thử nghiệm đều cho thấy mật độ tế bào cao hơn và thời gian pha tiềm phát ngắn hơn so với môi trường peptone thương mại. Điều này chứng tỏ nguồn dinh dưỡng từ protein thủy phân cá tra không chỉ đầy đủ mà còn dễ hấp thu hơn, giúp vi sinh vật phát triển mạnh mẽ. Đây là một minh chứng thuyết phục cho tiềm năng to lớn của sản phẩm này, mở ra khả năng thay thế hoàn toàn peptone thương mại trong nhiều ứng dụng công nghệ sinh học.

5.1. Tăng trưởng của Bacillus subtilis trên môi trường mới

Vi khuẩn Bacillus subtilis là một trong những vi khuẩn được ứng dụng rộng rãi nhất trong sản xuất enzyme và probiotics. Khi được nuôi cấy trên môi trường chứa protein thủy phân từ cá tra, đặc biệt là sản phẩm từ enzyme bromelain, vi khuẩn này cho thấy sự tăng trưởng vượt trội. Đường cong tăng trưởng cho thấy pha log (pha tăng trưởng theo cấp số nhân) đạt đến mật độ tế bào cao hơn và trong thời gian ngắn hơn so với môi trường đối chứng. Không chỉ vậy, hoạt tính enzyme protease do B. subtilis sinh tổng hợp trên môi trường mới cũng cao hơn, cho thấy nguồn dinh dưỡng này đã kích thích hiệu quả quá trình trao đổi chất và sản xuất enzyme của vi khuẩn.

5.2. Hiệu quả sinh tổng hợp protease của Aspergillus oryzae

Tương tự, nấm mốc Aspergillus oryzae, vốn được mệnh danh là "nhà máy sản xuất enzyme", cũng phát triển rất tốt trên môi trường mới. Sinh khối nấm mốc thu được cao hơn và hoạt tính enzyme protease trong dịch nuôi cấy cũng vượt trội so với khi sử dụng peptone thương mại. Điều này đặc biệt có ý nghĩa trong ngành công nghiệp thực phẩm, nơi A. oryzae được sử dụng để sản xuất tương, nước mắm và nhiều loại enzyme khác. Việc sử dụng một môi trường nuôi cấy hiệu quả và kinh tế từ phụ phẩm cá tra sẽ giúp giảm giá thành sản xuất và nâng cao năng suất.

VI. Tương lai Protein thủy phân cá tra trong công nghệ sinh học

Nghiên cứu về ứng dụng protein thủy phân từ cá tra làm môi trường nuôi cấy vi sinh vật đã mở ra một chương mới đầy hứa hẹn cho cả ngành thủy sản và công nghệ sinh học. Kết quả của luận án không chỉ dừng lại ở việc chứng minh một giả thuyết khoa học mà còn mang lại ý nghĩa thực tiễn to lớn. Việc biến một lượng lớn phụ phẩm cá tra từ chất thải tiềm ẩn nguy cơ ô nhiễm thành một sản phẩm có giá trị cao là một mô hình kinh tế tuần hoàn điển hình, góp phần vào sự phát triển bền vững. Tương lai của sản phẩm này không chỉ giới hạn ở việc làm môi trường nuôi cấy vi sinh. Với hàm lượng acid amin dồi dào và khả năng hấp thu cao, bột protein thủy phân còn có thể được ứng dụng trong sản xuất thực phẩm chức năng, dinh dưỡng thể thao, thức ăn cho vật nuôi cao cấp, và thậm chí là trong ngành mỹ phẩm. Để hiện thực hóa tiềm năng này, các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình ở quy mô công nghiệp, đánh giá sâu hơn về các hoạt tính sinh học khác của sản phẩm và xây dựng các tiêu chuẩn chất lượng cụ thể. Đây là một hướng đi chiến lược, giúp nâng cao chuỗi giá trị của con cá tra Việt Nam trên thị trường toàn cầu.

6.1. Tổng kết những điểm mới và ý nghĩa khoa học của nghiên cứu

Điểm mới nổi bật của nghiên cứu là lần đầu tiên khảo sát một cách hệ thống động học thủy phân của ba loại enzyme protease (bromelain, papain, neutrase) trên hai cơ chất đặc thù là thịt dè và máu cá tra. Nghiên cứu đã chứng minh một cách thuyết phục rằng sản phẩm protein thủy phân từ nguồn phụ phẩm này có hiệu quả vượt trội hơn so với peptone thương mại trong việc nuôi cấy Bacillus subtilis và Aspergillus oryzae. Về mặt khoa học, kết quả này cung cấp những dữ liệu quý giá về động học enzyme, làm cơ sở cho các ứng dụng công nghệ, đồng thời khẳng định tiềm năng to lớn của phụ phẩm thủy sản trong công nghệ sinh học.

6.2. Triển vọng phát triển bền vững cho ngành chế biến cá tra

Việc thương mại hóa thành công sản phẩm bột protein thủy phân sẽ mang lại lợi ích kép. Đối với doanh nghiệp, nó tạo ra một dòng doanh thu mới, giảm chi phí xử lý chất thải và nâng cao lợi nhuận. Đối với xã hội, nó giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tạo ra các sản phẩm an toàn, chất lượng cao. Đây chính là mô hình phát triển bền vững mà ngành chế biến cá tra đang hướng tới. Trong tương lai, việc tích hợp các nhà máy sản xuất protein thủy phân ngay tại các khu chế biến cá tra sẽ tạo thành một chu trình sản xuất khép kín, hiệu quả và thân thiện với môi trường, củng cố vị thế của ngành cá tra Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: GIỚI THIỆU 1.1 Tính cấp thiết của luận án Nhiều quốc gia trên thế giới coi ngành công nghiệp cá là trụ cột của nền kinh tế của họ với sản lượng hàng năm khoảng 140 triệu tấn, trong đó khoảng 80% được dành cho tiêu dùng của con người (Benfteres et al. Người ta ước tính rằng 1 tỷ người phụ thuộc trực tiếp hoặc gián tiếp vào ngành hàng chế biến và xuất khẩu cá (Oosterveer, 2008). Tuy nhiên, trong quá trình chế biến cho thấy các sản phẩm phụ từ cá chưa được sử dụng hết bao gồm đầu, da, thịt vụn, vây, nội tạng và trứng cá, chiếm hơn 60% tổng sinh khối. Phụ phẩm chế biến cá là nguyên liệu cá còn sót lại từ quá trình xử lý sơ bộ của quá trình sản xuất (He et al.

Trong hầu hết các trường hợp, những phụ phẩm từ cá này bị loại bỏ mà không có ý định thu hồi (Halim et al. Hơn nữa, việc loại bỏ các sản phẩm phụ của cá có tác động sinh thái lớn và cũng ảnh hưởng đáng kể đến khả năng kinh tế của ngành đánh bắt và nuôi trồng thủy sản. Các biện pháp kỹ thuật bắt buộc phải sử dụng phụ phẩm từ cá làm nguyên liệu để sản xuất các hợp chất có giá trị gia tăng (Morales-Medina et al. Trong những năm qua, nghề nuôi cá tra ở Việt Nam phát triển nhanh chóng góp phần vào việc nâng cao thu nhập của người nuôi và đồng thời sản phẩm cá tra cũng là một trong những mặt hàng chiếm tỷ trọng cao trong xuất khẩu thủy sản.

Theo số liệu thống kê của vasep từ năm 2015 đến 2019 sản lượng cá tra liên tục tăng. Năm 2015, Việt Nam xuất khẩu cá tra đạt 1,565 tỷ USD đến năm 2018, tăng lên 2,261 tỷ USD. Tính đến ngày 19/11/2019, diện tích thả nuôi là 7.086 ha bằng 41,3% so với cùng kỳ năm 2018), diện tích thu hoạch là 5.669 ha bằng 44,6% so với cùng kỳ năm 2018). Sản lượng thu hoạch đạt 1.

Tính đến tháng 9/2019, tổng diện tích nuôi cá tra áp dụng VietGAP khoảng 2.000 ha, áp dụng GAP khác (GlobalGAP, ASC, BAP…), đạt 1. Bên cạnh việc nuôi trồng và xuất khẩu cá tra tăng nhanh, quá trình chế biến cá tra thành sản phẩm đông lạnh xuất khẩu chỉ sử dụng 1/3 khối lượng nguyên liệu đầu vào, phần còn lại thải ra như đầu xương cá, da cá, dè cá, mỡ cá, bao tử cá, thịt vụn cá, máu cá đây là những phụ phẩm chứa rất nhiều các thành phần có giá trị dùng để sản xuất nhiên liệu sinh học, dầu ăn, gelatin, phân bón lá, thực phẩm chức năng, mỹ phẩm. Nếu sản lượng nguyên liệu cá tra 1 triệu tấn/năm thì có khoảng 600.000 tấn phụ phẩm. Phần phụ phẩm sau chế biến cá tra phi lê chiếm khoảng 60-65% tổng khối lượng nguyên liệu, là nguyên liệu đầu vào cho chế biến bột phụ phẩm cá tra, những phụ phẩm này Ngành Công nghệ thực phẩm 1 Khoa Nông nghiệp Luận án tốt nghiệp tiến sĩ Khóa 14 – Đợt 1 Trường Đại học Cần Thơ bao gồm đầu, xương, da và thịt vụn còn lại sau khi phi lê hai bên đã được xay tươi, luộc chín và loại bỏ dầu, sau đó sấy khô để sản xuất phụ phẩm cá da trơn.

Trong quá trình này, một lượng lớn nước thải chế biến được thải ra ngoài, đặc biệt ở các nhà máy quy mô nhỏ, không có hệ thống máy móc hiện đại để sử dụng trong quá trình xử lý và thải ra môi trường bên ngoài, dẫn đến lãng phí tài nguyên gây ô nhiễm môi trường (Nguyen Thi Thuy and Nguyen Cong Ha, 2017). Do đó, phụ phẩm về cơ bản được coi là chất thải phải được xử lý, nếu không sẽ gây ô nhiễm môi trường. Những sản phẩm phụ này có thể là một nguồn giá trị gia tăng lớn như protein, axit amin, collagen, gelatin, dầu và enzym (Ghaly et al. Các sản phẩm phụ (chủ yếu là đầu và khung xương) là một nguồn protein tuyệt vời (42,7% protein, db) có giá trị dinh dưỡng cao và nó có thể được chế biến thành các sản phẩm hoặc thành phần thực phẩm có giá trị gia tăng với các giá trị chức năng và dinh dưỡng mong muốn (Pal and Suresh, 2016; Tan and Chang, 2018; Tan, Gao, Chang, Bechtel and Mahoud, 2019).

Hơn nữa, tới 10-20% (w/w) tổng lượng protein cá có thể được tìm thấy trong các sản phẩm phụ của cá. Ngoài ra, hàm lượng protein thô của phụ phẩm cá thay đổi từ 8 đến 35% (Sila and Bougatef, 2016). Để thu hồi protein và peptid từ các sản phẩm phụ của cá, một số phương pháp như thủy phân bằng axit hoặc kiềm, tự phân và thủy phân bằng enzym đã được phát triển. Các protein cá không thủy phân không có các đặc tính này do khả năng tiếp cận kém với trình tự peptid chức năng (Ghaly et al., 2013; Kim and Wijesekara, 2010).

Gần đây, một số tác giả đã tinh chế sản phẩm thủy phân từ cá và đã báo cáo chuỗi peptid có hoạt tính sinh học khác nhau như chất chống oxy hóa (Ahn et al., 2014; Cai et al., 2015; Chi et al., 2015a, b), hoạt tính hạ huyết áp (Intarasirisawat et al., 2013), hoạt động kháng khuẩn (Ennaas et al., 2015), hoạt động giải phóng cholecystokinin (Cudennec và cộng sự 2008), và chống tăng sinh (Picot et al. Mặt khác, sản phẩm thủy phân protein được chế biến từ các bộ phận nội tạng của cá chứa nhiều peptid có đặc tính dinh dưỡng và chức năng tốt hơn. Chất lượng của sản phẩm thủy phân protein nội tạng dạng sấy phun chiết xuất từ chất thải chế biến cá tra bằng phương pháp xử lý bằng enzym và hóa học đã được nghiên cứu và đánh giá ảnh hưởng của chúng đến năng suất, thành phần hóa học, màu sắc và các đặc tính chức năng (Md. Aman Hassan et al.

So với thủy phân hóa học, thủy phân bằng enzym được ưa chuộng hơn do một số ưu điểm, chẳng hạn như điều kiện phản ứng nhẹ, sản phẩm không mong muốn thấp, chất lượng và sản phẩm cao. Hơn nữa, nó là một quá trình cụ thể với việc kiểm soát dễ dàng mức độ thủy phân cũng như cho phép giữ lại Ngành Công nghệ thực phẩm 2 Khoa Nông nghiệp Luận án tốt nghiệp tiến sĩ Khóa 14 – Đợt 1 Trường Đại học Cần Thơ giá trị dinh dưỡng của protein nguồn. Ưu điểm chính của quá trình thủy phân protein bằng enzyme là nó cho phép định lượng aspargine và glutamine và các chất cặn nhạy cảm khác, thường bị phá hủy bởi quá trình thủy phân bằng acid hoặc kiềm, và không gây ra bất kỳ sự phân hóa nào trong quá trình tiêu hóa (Ghaly et al. Trong quá trình này, một số enzyme phân giải protein thường được sử dụng để thủy phân protein và chuyển chúng thành các sản phẩm chức năng, sinh học và đặc tính dinh dưỡng có giá trị gia tăng (Kristinsson and Rasco, 2000; Shahidi et al.

Một số enzym phân giải protein thường được sử dụng để thủy phân các sản phẩm phụ của protein bao gồm: alcalase, papain, pepsin, trypsin, alpha-chymotrypsin, pancreatin, flavourzyme, pronase, neutrase, protamex, bromelain, cryotin F, protease N, protease A, orientase, thermolysin , và validase (Hsu, 2010; Je et al., 2007; Ngo et al., 2010; Raghavan and Kristinsson, 2008). Sản xuất protein cá thủy phân thông qua thủy phân bằng enzyme là một cách để tăng thêm giá trị cho chất thải cá giàu protein. Do đó, chế biến dịch thủy phân từ phụ phẩm cá tra sẽ giúp tận dụng tốt hơn các sản phẩm phụ thường được sử dụng cho ngành công nghiệp thức ăn vật nuôi hoặc thức ăn cho cá. Nguồn phụ phẩm từ da được thu mua và chế biến gelatine, collagen như Nhà máy chế biến collagen Vĩnh Hoàn Đồng Tháp, sản phẩm collagen thủy phân sẽ được dùng trong nhiều lĩnh vực như thực phẩm, mỹ phẩm.

Vây cá cũng được dùng trong chế biến collagen, ngoài ra vây và bao tử cá cũng được xuất khẩu hay dùng trong chế biến thức ăn tại các nhà hàng. Thịt dè cá tra cũng được sử dụng trong chế biến surimi hay dạng cá viên. Như vậy, những phần trong phụ phẩm cá tra đã được tận dụng nhưng cũng chỉ sử dụng không quá 30% tổng số phụ phẩm. Việc sử dụng các thành phần phụ phẩm khác như máu cá, thịt vụn, protein từ đầu hay xương cá chưa được quan tâm.

Nguồn phụ phẩm này chủ yếu được đem đi sơ chế, sấy khô làm bột cá dùng trong thức ăn chăn nuôi là chủ yếu. Những nguồn phụ phẩm này là rất lớn, nếu không được xử lý thì môi trường nhanh chóng bị ô nhiễm. Có thể nói, việc sử dụng phụ phẩm cá tra chưa thật sự hiệu quả, đây chính là thực trạng hiện nay của công nghiệp sản xuất các sản phẩm có giá trị từ cá tra. Như vậy, việc xử lý phụ phẩm cá tra hiệu quả, kinh tế và thân thiện với môi trường ngày càng trở nên cấp thiết.

Sản phẩm thủy phân protein từ phụ phẩm của cá được sự chú ý ngày càng nhiều trong những năm gần đây. Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để đánh giá các điều kiện thủy phân và các tính chất chức năng của sản phẩm thủy phân protein cá. Chẳng hạn, một số nghiên cứu đã báo cáo việc thủy phân các sản phẩm phụ của cá bằng enzyme để thu hồi các thành phần có giá trị (Je Ngành Công nghệ thực phẩm 3 Khoa Nông nghiệp Luận án tốt nghiệp tiến sĩ Khóa 14 – Đợt 1 Trường Đại học Cần Thơ et al., 2007; Safari et al., 2009; Renhoran et al. Các enzyme phân giải protein như alcalase, pepsin, papain, flavozyme và bromelain, đã được sử dụng trong quá trình thủy phân cá (Kristinsson and Rasco, 2000a, 2000b).

Enzyme papain được dùng thủy phân protein cá, protein thủy phân ở mức độ trung bình được sử dụng làm môi trường nuôi cấy vi sinh vật (Dufosse et al. Enzyme papain và bromelain đã được sử dụng để cải thiện giá trị dinh dưỡng của thức ăn và chiết xuất men. Chúng cũng đã được sử dụng trong việc tạo hương vị, màu sắc và trong sản xuất môi trường vi sinh (Sumantha et al. Cho đến nay, đã có nhiều nghiên cứu về thu hồi và tận dụng nguồn protein phụ phẩm từ quá trình chế biến cá tra, đánh giá động học của một số enzyme protease trên cơ chất phụ phẩm cá tra, nghiên cứu sử dụng enzyme thủy phân protein phụ phẩm cá tra và thử nghiệm các đặc tính sinh học của sản phẩm thủy phân,…( Yuqing Tan, Sam K.

and Chang Shi Meng, 2019; Tam Dinh Le Vo et al. Tuy nhiên, chưa có thông tin nào về việc thủy phân thịt vây và máu cá tra bằng các enzym protease (bromelain, papain, neutrase) để ứng dụng nuôi cấy vi sinh vật.