Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Cá tra (Pangasius hypophthalmus) là một trong những đối tượng thủy sản nuôi trồng chủ lực tại các tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long, đặc biệt là tỉnh An Giang, đóng góp tỷ trọng lớn vào kim ngạch xuất khẩu thủy sản của Việt Nam. Các sản phẩm truyền thống từ cá tra chủ yếu tồn tại dưới dạng cá nguyên con, cá fillet đông lạnh, đồ hộp, xúc xích và chả cá. Để gia tăng chuỗi giá trị và duy trì tính cạnh tranh trên thị trường, yêu cầu đặt ra cho ngành công nghệ thực phẩm là phải đa dạng hóa các mặt hàng chế biến sâu, trong đó có nhóm sản phẩm thủy sản khô tẩm gia vị ăn liền nhằm đáp ứng xu hướng tiêu dùng hiện đại.

Tuy nhiên, thịt cá tra có đặc tính chứa hàm lượng chất béo tương đối cao với nhiều acid béo chưa bão hòa, khiến sản phẩm cá tra khô tẩm gia vị rất dễ bị oxy hóa lipid trong quá trình sấy nhiệt và bảo quản. Quá trình này tạo ra các hợp chất hydroperoxide, aldehyde, ceton gây mùi ôi khét, làm sẫm màu và suy giảm nghiêm trọng giá trị cảm quan cũng như giá trị dinh dưỡng. Đồng thời, việc lạm dụng hoặc sử dụng sai quy chuẩn các chất phụ gia hóa học tổng hợp trong bảo quản thủy sản tiềm ẩn nhiều nguy cơ đối với sức khỏe người tiêu dùng. Xuất phát từ thực tiễn đó, đề tài "Ứng dụng kết hợp chitosan và phụ gia thực phẩm trong bảo quản cá tra khô tẩm gia vị" được thực hiện nhằm tìm kiếm giải pháp màng bảo quản sinh học tự nhiên, vừa hạn chế ôi hóa chất béo, vừa nâng cao tính an toàn vệ sinh thực phẩm.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài tập trung vào việc xác lập quy trình chế biến có bổ sung chitosan kết hợp phụ gia thực phẩm, thông qua 3 nội dung cụ thể:

  1. Nghiên cứu ảnh hưởng của loại phụ gia đến sự thay đổi chỉ số peroxide của sản phẩm cá tra khô tẩm gia vị sau khi sấy và trong quá trình bảo quản.
  2. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ acid lactic đến chỉ số peroxide của sản phẩm cá tra khô tẩm gia vị sau khi sấy và trong quá trình bảo quản.
  3. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ chitosan bổ sung đến chỉ số peroxide của sản phẩm cá tra khô tẩm gia vị sau khi sấy và trong quá trình bảo quản.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu chính: Thịt cá tra fillet thương phẩm (Pangasius hypophthalmus), cỡ khối lượng 900 – 1000g/con thu mua tại Công ty TNHH Metro Cash & Carry Việt Nam (Nha Trang); polymer sinh học chitosan được tách chiết từ phế liệu vỏ tôm; các loại acid hữu cơ (acid acetic, acid lactic) và phụ gia điều vị, tạo ngọt (sorbitol, đường, muối, bột ngọt, ớt, tiêu).
  • Phạm vi nghiên cứu: Đề tài thực nghiệm được triển khai tại phòng thí nghiệm Bộ môn Công nghệ Thực phẩm, Khoa Công nghệ Thực phẩm, Trường Đại học Nha Trang, hoàn thành vào tháng 06 năm 2015, gắn với đề tài Nghị định thư "Nghiên cứu các sản phẩm giá trị gia tăng từ phế liệu tôm để ứng dụng trong nông nghiệp" do Bộ Khoa học và Công nghệ cấp kinh phí.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án dựa trên các nguyên lý hóa sinh và công nghệ chế biến thực phẩm:

  • Đặc tính nguyên liệu cá tra: Phân loại sinh học thuộc bộ Siluriformes, họ Pangasiidae, loài Pangasius hypophthalmus. Thành phần cơ thịt giàu protein và lipid, trong đó lipid chứa hàm lượng cao các acid béo không no đa nối đôi như Myristic (C14:0), Palmitic (C16:0), Oleic (C18:1), Arachidonic (C20:4), Docosapentaenoic (C22:5), cùng hai acid béo omega-3 quan trọng là DHA (C22:6n-3) và EPA (C20:5n-3).
  • Cấu trúc và cơ chế chống oxy hóa của chitosan: Chitosan là polymer sinh học poly-β-(1,4)-D-glucosamine thu được từ phản ứng khử acetyl của chitin. Chitosan có các nhóm hoạt tính gồm một nhóm amin (-NH2) tại vị trí C2 và hai nhóm hydroxyl (-OH) tại vị trí C3, C6. Cơ chế chống oxy hóa và bảo quản của chitosan được giải thích qua khả năng tạo màng ngăn cản sự tiếp xúc của oxy không khí với bề mặt lipid; khả năng dập tắt và khử gốc tự do nhờ các nhóm amin nhận ion hydro tạo thành nhóm amoni bền vững; khả năng tạo phức chelat cố định các ion kim loại xúc tác quá trình oxy hóa; cùng hoạt tính ức chế vi khuẩn Gram âm, Gram dương và vi nấm.
  • Cơ chế tự oxy hóa lipid và biến đổi khi làm khô: Phản ứng tự oxy hóa lipid trải qua 3 giai đoạn (khởi đầu tạo gốc tự do $L^\bullet$, lan truyền tạo gốc peroxide $LOO^\bullet$ và hydroperoxide $LOOH$, kết thúc tạo hợp chất không hoạt động). Nhiệt độ cao trong quá trình sấy đối lưu làm tăng tốc độ tạo gốc tự do, thúc đẩy phản ứng Maillard giữa đường khử và acid amin gây biến màu nâu sẫm, làm biến tính protein và gây đông đặc bề mặt.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và phân tích:

  • Bố trí thí nghiệm: Bố trí các lô thí nghiệm so sánh có đối chứng theo phương pháp đơn yếu tố để lần lượt khảo sát: (1) Bản chất loại phụ gia và dung môi acid; (2) Dải nồng độ acid lactic dung môi; (3) Dải nồng độ chitosan bổ sung.
  • Phương pháp phân tích tiêu chuẩn:
    • Xác định độ ẩm: Phương pháp sấy đến khối lượng không đổi theo tiêu chuẩn AOAC-1990.
    • Xác định chỉ số peroxide (POV): Phương pháp chuẩn độ iod theo TCVN 6121:2010.
    • Xác định hàm lượng protein thô: Phương pháp định phân Kjeldahl.
    • Xác định hàm lượng lipid tổng số: Phương pháp chiết tách dung môi theo Folch.
    • Đánh giá chất lượng cảm quan: Phương pháp cho điểm thị hiếu kết hợp theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 3215-79 trên thang điểm 20 với các chỉ tiêu màu sắc, mùi, vị và trạng thái cấu trúc.
  • Xử lý số liệu: Thu thập số liệu lặp lại 2 lần phân tích, tính toán giá trị trung bình và độ lệch chuẩn bằng phần mềm Microsoft Excel và xử lý phương sai thống kê bằng SPSS 16.0.

Nội dung chính theo từng chương

Tổng quan tài liệu

Phần tổng quan hệ thống hóa các tư liệu lý thuyết và thực tiễn trong và ngoài nước liên quan đến đề tài:

  • Trình bày đặc điểm hình thái, sinh thái học, phân loại và giá trị dinh dưỡng của cá tra so sánh với một số loài cá da trơn khác (cá basa, cá leo).
  • Tổng quan về chitosan: Cấu trúc hóa học, phân tử lượng, độ deacetyl, tính chất hòa tan trong môi trường acid loãng tạo dung dịch keo dương, cơ chế diệt khuẩn và chống oxy hóa. Điểm qua các công trình nghiên cứu sử dụng màng chitosan bảo quản thịt bò, thịt gà, xúc xích, cá tươi, mực khô của các tác giả Bùi Văn Miên, Nguyễn Anh Trinh, Nguyễn Trọng Bách, Shahidi, Kamil, No và Young.
  • Tổng quan về kỹ thuật chế biến sản phẩm tẩm gia vị: Khái niệm, phân loại (sản phẩm tẩm gia vị đông lạnh, khô sống, khô chín), giới thiệu quy trình công nghệ cá bò tẩm gia vị và ngao khô tẩm gia vị ăn liền cán mỏng, phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp ướp muối/gia vị (ướp ướt, ướp khô, ướp hỗn hợp).
  • Nguyên lý kỹ thuật sấy thủy sản: Động học tách ẩm, phân loại sấy tự nhiên và sấy nhân tạo (sấy tiếp xúc, sấy đối lưu, sấy dòng điện cao tần, sấy chân không thăng hoa). Phân tích chi tiết các biến đổi hóa lý, biến tính protein myosin/myogen ở nhiệt độ 50 – 60°C, phản ứng oxy hóa lipid, sự hút ẩm trở lại và hiện tượng cứng vỏ của sản phẩm khô trong quá trình bảo quản.
  • Đánh giá các phương pháp bảo quản cá khô: Bảo quản lạnh, chiếu xạ bức xạ điện ly, dùng hóa chất bảo quản và công nghệ màng bao sinh học (chitosan, MAP).

Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Chương này mô tả chi tiết thông số nguyên vật liệu, thiết kế quy trình công nghệ chế biến dự kiến và sơ đồ bố trí 3 nội dung thực nghiệm:

  • Tiêu chuẩn nguyên liệu: Cá tra tươi sống vận chuyển lạnh ở 4°C, sau đó phi lê, lạng sạch da không phạm thịt. Chitosan bột chiết từ vỏ tôm đạt độ ẩm 10 ± 2,1%, protein 0,73 ± 0,12%, khoáng 0,46 ± 0,08%, độ đục 8 ± 1,05, độ nhớt biểu kiến 1343 ± 37 cP, trọng lượng phân tử 1235 ± 32 kDa, độ deacetyl 86 ± 3%.
  • Xác lập quy trình công nghệ chuẩn bị mẫu: Cá fillet được ngâm dung dịch acid acetic 0,2% trong 1 – 2 phút để khử tanh; định hình miếng cá đạt độ dày 0,5 – 0,7 cm; ướp muối ướt trong dung dịch NaCl 10 – 12% (thời gian 20 – 30 phút); xả muối bằng nước lã tỷ lệ 1:1 trong 10 – 15 phút; phối trộn đều hỗn hợp gia vị gồm đường 20%, sorbitol 1,5%, bột ngọt 1%, ớt bột 1%, tiêu bột 0,2%, nước 10% trong thời gian 20 – 30 phút (đảo trộn định kỳ 2 phút/lần).
  • Bố trí thí nghiệm 1 (Loại phụ gia): Gồm 5 lô xử lý nhúng trong 15 phút:
    • Lô 1: Mẫu đối chứng (không nhúng phụ gia).
    • Lô 2: Nhúng acid acetic 1%.
    • Lô 3: Nhúng acid lactic 1%.
    • Lô 4: Nhúng chitosan 0,5% hòa trong acid acetic 1%.
    • Lô 5: Nhúng chitosan 0,5% hòa trong acid lactic 1%.
  • Bố trí thí nghiệm 2 (Nồng độ acid lactic): Khảo sát 6 lô mẫu gồm đối chứng và chitosan 0,5% hòa tan trong dung dịch acid lactic ở các nồng độ: 0,25%; 0,5%; 0,75%; 1,0%; 1,25%.
  • Bố trí thí nghiệm 3 (Nồng độ chitosan): Khảo sát 7 lô mẫu gồm đối chứng và chitosan ở các nồng độ: 0,1%; 0,3%; 0,5%; 0,7%; 0,9%; 1,0% (hòa tan trong nền dung dịch acid lactic 1%).
  • Chế độ sấy và lấy mẫu: Mẫu sau nhúng được sấy đối lưu nóng ở 55 – 60°C (vận tốc gió 2 m/s, thời gian 14 giờ), làm nguội, đóng gói túi kín màng PP và bảo quản ở nhiệt độ phòng. Định kỳ kiểm tra chỉ số peroxide, độ ẩm và điểm cảm quan tại các mốc 0 ngày, 10 ngày và 20 ngày.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Chương 3 trình bày các số liệu thực nghiệm thu được từ quá trình phân tích:

  • Thành phần hóa học cơ bản của cơ thịt cá tra fillet nguyên liệu:
Thành phần hóa học Giá trị phân tích (% tính theo trọng lượng ướt)
Hàm lượng ẩm 75,40 ± 0,34
Hàm lượng protein thô 17,30 ± 0,57
Hàm lượng lipid tổng số 4,20 ± 0,04
Hàm lượng tro (khoáng) 1,02 ± 0,03
  • Đánh giá ảnh hưởng của loại phụ gia đến chỉ số peroxide và cảm quan:
Lô thí nghiệm xử lý phụ gia Chỉ số Peroxide sau sấy (0 ngày) (meq/kg chất béo) Chỉ số Peroxide sau 10 ngày (meq/kg chất béo) Chỉ số Peroxide sau 20 ngày (meq/kg chất béo) Điểm cảm quan 0 ngày (thang 20) Điểm cảm quan 10 ngày (thang 20) Điểm cảm quan 20 ngày (thang 20)
Đối chứng (không phụ gia) 0,87 1,17 1,31 15,28 10,72 8,08
Acid acetic 1% 0,30 Không sai khác ý nghĩa 0,45 14,80 12,52 10,20
Acid lactic 1% 0,14 Không sai khác ý nghĩa 0,37 14,84 13,32 11,32
Chitosan 0,5% / Acid acetic 1% 0,06 Biến thiên chậm Thấp hơn mẫu acid 16,00 14,96 11,52
Chitosan 0,5% / Acid lactic 1% 0,05 Biến thiên chậm Thấp nhất 16,44 15,40 12,24
  • Thảo luận kết quả:
    • Chỉ số peroxide sau sấy của các mẫu có xử lý phụ gia đều thấp hơn rõ rệt so với mẫu đối chứng ($0,87\text{ meq/kg}$). Việc kết hợp chitosan với acid lactic cho giá trị peroxide ban đầu thấp nhất ($0,05\text{ meq/kg}$), chứng minh hiệu ứng hiệp đồng ức chế quá trình oxy hóa chất béo trong suốt quá trình xử lý nhiệt.
    • Trong quá trình bảo quản 20 ngày ở nhiệt độ thường, mẫu đối chứng bị oxy hóa nhanh, chỉ số peroxide tăng vọt lên $1,31\text{ meq/kg}$ và điểm cảm quan tụt dốc xuống $8,08$ điểm (không đạt chất lượng). Ngược lại, mẫu bổ sung chitosan 0,5% trong dung môi acid lactic 1% duy trì chỉ số peroxide ở mức thấp và giữ vững điểm cảm quan ở mức khá ($12,24$ điểm). Màng chitosan đóng vai trò như rào cản hạn chế oxy xâm nhập, đồng thời ngăn cản sự thoái hóa màu sắc và mùi vị đặc trưng của sản phẩm.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả khoa học và thực tiễn:

  • Cung cấp dẫn liệu thực nghiệm về thành phần hóa sinh của cơ thịt cá tra nuôi thương phẩm tại Nha Trang với hàm lượng ẩm 75,40%, protein 17,30%, lipid 4,20% và khoáng 1,02%.
  • Chứng minh tính hiệu quả của giải pháp kết hợp màng bao sinh học chitosan (0,5%) hòa tan trong dung môi acid lactic (1%) đối với việc kìm hãm chỉ số peroxide (chỉ số ôi hóa chất béo chỉ đạt $0,05\text{ meq/kg}$ sau sấy so với $0,87\text{ meq/kg}$ ở mẫu đối chứng).
  • Duy trì chất lượng cảm quan vượt trội cho sản phẩm cá tra khô tẩm gia vị qua 20 ngày bảo quản ở điều kiện nhiệt độ thường, điểm cảm quan đạt 12,24 điểm so với 8,08 điểm của mẫu không xử lý.
  • Thiết lập hoàn chỉnh sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất cá tra khô tẩm gia vị có bổ sung phụ gia sinh học an toàn, định lượng rõ ràng tỷ lệ ướp gia vị (đường 20%, sorbitol 1,5%, bột ngọt 1%, ớt 1%, tiêu 0,2%), thông số ngâm khử mùi tanh (acid acetic 0,2%), thông số ướp muối (10 – 12%) và chế độ sấy đối lưu (55 – 60°C, 2 m/s, 14 giờ).
  • Đóng góp vào hướng ứng dụng phụ phẩm tôm (chitosan) để tạo giá trị gia tăng, cung cấp giải pháp kỹ thuật thay thế phụ gia bảo quản tổng hợp cho các cơ sở chế biến thủy sản khô.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

  • Thời gian theo dõi quá trình bảo quản sản phẩm khô mới dừng lại ở mốc 20 ngày tại điều kiện nhiệt độ phòng.
  • Nghiên cứu tập trung chủ yếu vào chỉ số peroxide (POV) và đánh giá cảm quan, chưa phân tích chi tiết động thái biến đổi của vi sinh vật chỉ thị (tổng số vi khuẩn hiếu khí, nấm men, nấm mốc) trong toàn bộ chuỗi bảo quản dài ngày.
  • Nguồn chitosan sử dụng là chế phẩm phòng thí nghiệm từ vỏ tôm, chưa đánh giá biến động chất lượng khi áp dụng ở quy mô sản xuất công nghiệp.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Kéo dài thời gian khảo sát bảo quản sản phẩm lên các mốc 60, 90 và 180 ngày để xác định chính xác hạn sử dụng của sản phẩm cá tra khô tẩm gia vị.
  • Nghiên cứu kết hợp màng chitosan với công nghệ bao gói hút chân không hoặc bao gói khí quyển biến đổi (Modified Atmosphere Packaging - MAP) nhằm tăng cường hiệu quả ức chế oxy hóa lipid.
  • Thử nghiệm mở rộng quy trình trên các đối tượng thủy sản da trơn hoặc cá có hàm lượng chất béo cao khác.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên, học viên chuyên ngành Công nghệ Thực phẩm, Kỹ thuật Chế biến Thủy sản và Công nghệ Sau thu hoạch trong việc nghiên cứu phương pháp chống oxy hóa lipid thực phẩm.
  • Kỹ sư nghiên cứu và phát triển sản phẩm (R&D) tại các doanh nghiệp chế biến thủy sản đang tìm kiếm giải pháp cải thiện chất lượng mặt hàng khô tẩm gia vị từ cá tra, cá basa.
  • Các nhà nghiên cứu quan tâm đến lĩnh vực ứng dụng polymer sinh học (chitin, chitosan từ phế liệu thủy sản) trong bao gói và bảo quản thực phẩm.

Nội dung có giá trị tham khảo nổi bật bao gồm công thức phối trộn gia vị cân đối, quy trình ngâm nhúng xử lý chitosan kết hợp acid lactic, và phương pháp bố trí thực nghiệm đánh giá biến thiên chỉ số peroxide theo thời gian sấy và bảo quản.

Câu hỏi thường gặp

1. Thành phần lipid của cá tra fillet trong nghiên cứu này chiếm bao nhiêu phần trăm và tại sao cá tra khô tẩm gia vị lại dễ bị ôi khét? Theo kết quả phân tích thành phần hóa học cơ bản, cá tra fillet có hàm lượng lipid chiếm 4,20 ± 0,04% trọng lượng ướt. Cơ thịt cá tra chứa tỷ lệ cao các acid béo chưa bão hòa (như Oleic, Arachidonic, Docosapentaenoic, EPA, DHA). Dưới tác động của nhiệt độ sấy (55 – 60°C) và oxy không khí, các liên kết đôi dễ bị phân cắt tạo thành các gốc tự do và hydroperoxide, dẫn đến hiện tượng tự oxy hóa sinh ra mùi ôi khét và biến màu sản phẩm.

2. Chitosan sử dụng trong nghiên cứu có nguồn gốc từ đâu và các chỉ tiêu chất lượng đạt mức nào? Chitosan được tách chiết từ phế liệu vỏ tôm theo phương pháp hóa học. Các chỉ tiêu chất lượng đạt được gồm: độ ẩm 10 ± 2,1%, hàm lượng protein 0,73 ± 0,12%, hàm lượng khoáng 0,46 ± 0,08%, độ đục 8 ± 1,05, độ nhớt biểu kiến 1343 ± 37 cP, trọng lượng phân tử 1235 ± 32 kDa và độ deacetyl đạt 86 ± 3%.

3. Vì sao mẫu xử lý chitosan hòa tan trong acid lactic lại kìm hãm chỉ số peroxide tốt hơn mẫu chỉ dùng acid đơn lẻ hoặc mẫu đối chứng? Sự kết hợp giữa chitosan và acid lactic tạo nên tác động hiệp đồng: acid lactic có tính kháng khuẩn và hạ pH làm chậm phân giải lipid, trong khi chitosan vừa tạo màng bao vật lý ngăn cản oxy tiếp xúc bề mặt, vừa có các nhóm amin (-NH2) khử các gốc tự do và tạo phức chelat cố định ion kim loại xúc tác oxy hóa. Nhờ đó, chỉ số peroxide sau sấy chỉ đạt 0,05 meq/kg chất béo (so với 0,87 meq/kg ở mẫu đối chứng).

4. Tỷ lệ gia vị phối trộn chuẩn cho sản phẩm cá tra khô tẩm trong quy trình được thiết lập như thế nào? Tỷ lệ phối trộn tính theo phần trăm khối lượng nguyên liệu chính bao gồm: đường 20%, sorbitol 1,5%, bột ngọt (mono natri glutamat) 1%, ớt bột 1%, tiêu bột 0,2% và nước 10%. Nguyên liệu được ướp trong 20 – 30 phút và đảo trộn định kỳ 2 phút/lần để gia vị ngấm đều.

5. Điểm chất lượng cảm quan của sản phẩm thay đổi như thế nào sau 20 ngày bảo quản ở các lô thí nghiệm khác nhau? Sau 20 ngày bảo quản ở nhiệt độ phòng, điểm cảm quan của mẫu đối chứng tụt giảm mạnh từ 15,28 xuống 8,08 điểm (không đạt chất lượng do biến màu, ôi dầu). Mẫu dùng acid acetic đạt 10,20 điểm, acid lactic đạt 11,32 điểm, mẫu chitosan trong acid acetic đạt 11,52 điểm, và mẫu tối ưu là chitosan trong acid lactic duy trì điểm cảm quan cao nhất đạt 12,24 điểm (xếp loại khá).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Thị Thu Thảo đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả rõ rệt của việc ứng dụng màng sinh học chitosan kết hợp phụ gia acid lactic trong quy trình chế biến cá tra khô tẩm gia vị. Giải pháp công nghệ này giúp kìm hãm mạnh mẽ sự gia tăng chỉ số peroxide, hạn chế tối đa quá trình ôi hóa lipid và duy trì chất lượng cảm quan cho sản phẩm trong suốt quá trình sấy và bảo quản. Đây là công trình thực nghiệm hoàn chỉnh, mang lại cơ sở dữ liệu khoa học có giá trị ứng dụng thực tiễn cao cho ngành chế biến và bảo quản thủy sản tại Việt Nam.