Tổng quan nghiên cứu

Thị trường đồ ăn nhẹ (snack) toàn cầu đang chứng kiến sự chuyển dịch mạnh mẽ hướng tới các sản phẩm giàu dinh dưỡng và tiện lợi, trong đó phân khúc snack thịt đạt giá trị 10,1 tỷ USD vào năm 2022 và dự kiến vượt mốc 21,3 tỷ USD vào năm 2032 với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm đạt 7,7%. Tại Việt Nam, thị trường đồ ăn vặt cũng đạt quy mô khoảng 585 triệu USD vào năm 2020 và ước tính chạm mức 1.150 triệu USD vào năm 2026. Đi cùng với sự gia tăng tiêu thụ thịt là lượng phụ phẩm và thịt vụn phát sinh lớn trong ngành công nghiệp giết mổ, đòi hỏi các giải pháp công nghệ chế biến sâu nhằm nâng cao giá trị gia tăng và giảm thiểu lãng phí nguyên liệu.

Nghiên cứu được thực hiện tại Bộ môn Công nghệ Thực phẩm, Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM nhằm giải quyết bài toán tận dụng nguồn thịt vụn bằng công nghệ tái cấu trúc sử dụng enzyme Transglutaminase (TG), hướng tới phát triển dòng sản phẩm snack thịt sấy có giá trị dinh dưỡng vượt trội. Mục tiêu trọng tâm của đề tài là xác định các thông số kỹ thuật tối ưu bao gồm: nồng độ enzyme, kích thước hạt thịt nạc và mỡ, tỷ lệ phối trộn nạc - mỡ, cùng chế độ sấy nhiệt đối lưu ba giai đoạn.

Kết quả thực nghiệm đã xây dựng thành công quy trình công nghệ hoàn chỉnh ở quy mô phòng thí nghiệm, tạo ra sản phẩm snack thịt có hàm lượng protein ấn tượng đạt 49,44%, hàm lượng béo 20,09%, độ ẩm an toàn 24,37% và cung cấp mức năng lượng lên đến 389,57 kcal/100g. Thành công này không chỉ mang ý nghĩa khoa học trong việc làm sáng tỏ cơ chế liên kết protein bằng enzyme mà còn mở ra tiềm năng thương mại hóa lớn cho các doanh nghiệp chế biến thực phẩm tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng lý thuyết xúc tác sinh học của enzyme Transglutaminase (EC 2.3.2.13) thuộc nhóm transferase. Enzyme này đóng vai trò xúc tác phản ứng chuyển nhóm acyl giữa nhóm γ-carboxamide của gốc glutamine và nhóm ε-amino của gốc lysine trong chuỗi polypeptide, tạo thành các liên kết đồng hóa trị chéo ε-(γ-glutamyl)lysine bền vững. Phản ứng này giúp kết nối các mảnh mô cơ riêng lẻ thành một khối cấu trúc đồng nhất mà không làm phá hủy các acid amin thiết yếu.

Bên cạnh đó, đề tài kết hợp lý thuyết biến tính và tạo gel protein sợi cơ (myofibrillar protein gồm myosin, actin và actomyosin). Dưới tác dụng của muối ăn NaCl 1% và phụ gia natri tripolyphosphate (STPP) 0,2%, các protein hòa tan trong muối được trích ly tối đa ra bề mặt sợi cơ, tạo điều kiện tiếp xúc lý tưởng cho enzyme. Lý thuyết truyền nhiệt - truyền ẩm trong quá trình sấy đối lưu đa giai đoạn cũng được áp dụng nhằm kiểm soát hiện tượng biến tính nhiệt của protein thịt (bắt đầu ở khoảng 45°C) và tối ưu hóa tốc độ thoát ẩm mà không gây nứt nẻ hay chai cứng bề mặt sản phẩm.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn nguyên liệu chính sử dụng là thịt lợn nạc (protein 18,37 ± 0,28%, béo 6,73 ± 0,18%, pH 5,77) và thịt mỡ (béo 82,83 ± 0,40%, pH 7,34) được cung cấp bởi công ty VISSAN, đáp ứng đầy đủ tiêu chuẩn chất lượng theo TCVN 7046:2009. Chế phẩm enzyme sử dụng là ProtiAct® TG-GW dạng bột có hoạt lực công bố 51-69 U/g từ Thái Lan.

Cỡ mẫu phân tích được thực hiện lặp lại tối thiểu 3 lần cho mỗi chỉ tiêu lý hóa và cảm quan để đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy. Phương pháp lấy mẫu ngẫu nhiên được áp dụng trong toàn bộ các lô thí nghiệm. Các phương pháp phân tích chuẩn bao gồm: phương pháp Kjeldahl-Nessler xác định protein, phương pháp Soxhlet xác định lipid, phương pháp sấy đến khối lượng không đổi ở 105°C xác định độ ẩm, và nung trong lò múp ở 550°C xác định tro. Lực liên kết của khối thịt tái cấu trúc sau khi ủ được đo bằng dao cắt Warner-Bratzler, trong khi đặc tính cấu trúc sản phẩm sau sấy được phân tích qua phép thử nén hai chu kỳ (TPA) trên máy TAXT Plus C của Anh. Dữ liệu thực nghiệm được xử lý thống kê bằng phân tích phương sai ANOVA một chiều trên phần mềm STATGRAPHICS với mức ý nghĩa p ≤ 0,05 để kiểm tra sự khác biệt giữa các nghiệm thức.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình khảo sát thực nghiệm đã chỉ ra những điểm mấu chốt quyết định chất lượng của snack thịt tái cấu trúc:

Thứ nhất, chế độ sấy ba giai đoạn hạ nhiệt dần (75°C trong 60 phút, 65°C trong 60 phút, 55°C trong 60 phút) cho kết quả vượt trội so với các chế độ duy trì nhiệt thấp kéo dài. Độ ẩm của sản phẩm giảm đều đặn từ mức ban đầu 69,36% xuống còn 14,78 ± 0,06%, đạt năng suất sấy 39,78 ± 0,55%. Độ cứng sản phẩm đạt 2409,15 ± 175,32 g, tạo cảm giác giòn dai vừa phải và đạt điểm đánh giá cảm quan chấp nhận chung cao nhất là 6,63/9 điểm.

Thứ hai, nồng độ enzyme Transglutaminase 30 U/g được xác định là điểm tối ưu về mặt công nghệ và chi phí. Lực cắt của thịt sau ủ đạt 3224,19 ± 469,92 g, tăng 44,76% so với mẫu đối chứng không bổ sung enzyme (2227,15 ± 120,97 g). Việc tăng nồng độ lên 40 U/g (3226,55 g) hoặc 50 U/g (3117,89 g) không tạo ra sự khác biệt có ý nghĩa thống kê về mặt cấu trúc nhưng làm gia tăng đáng kể chi phí sản xuất.

Thứ ba, kích thước hình học của nguyên liệu có tác động mang tính quyết định đến độ bền gel. Kích thước thịt nạc 15 mm mang lại lực cắt 2784,47 ± 190,28 g, cao gấp gần 8 lần so với kích thước 5 mm (349,07 ± 20,74 g). Đối với mỡ, kích thước 3 mm duy trì lực liên kết ở mức 2732,61 ± 303,61 g, tương đương hoàn toàn với mẫu đối chứng không bổ sung mỡ (2784,47 g), trong khi kích thước mỡ 7 mm làm suy giảm lực cắt nghiêm trọng xuống chỉ còn 1235,07 ± 28,54 g.

Thứ tư, tỷ lệ phối trộn thịt nạc - thịt mỡ 70:30 (w/w) được chứng minh là công thức tối ưu, mang lại độ ẩm thành phẩm 24,37 ± 0,18%, năng suất sấy 44,41 ± 1,03%, pH ổn định ở mức 6,09, màu sắc đỏ hài hòa với giá trị a* đạt 6,21 ± 1,25 và b* đạt 6,19 ± 1,94.

Thảo luận kết quả

Cơ chế tạo gel liên kết thịt được củng cố mạnh mẽ nhờ sự kết hợp giữa xử lý cơ học và xúc tác sinh học. Khi bổ sung 1% NaCl và 0,2% STPP, áp suất thẩm thấu và lực ion tăng lên, phá vỡ màng sarcolemma để giải phóng các sợi protein myofibril ra bề mặt. Tại đây, enzyme TG đóng vai trò như chiếc cầu nối sinh học liên kết các phân tử protein. Khi kích thước thịt nạc quá nhỏ (5 mm), diện tích bề mặt tiếp xúc tăng vọt khiến lượng enzyme bị phân tán quá loãng, đồng thời cấu trúc sợi cơ bị băm nát dẫn đến lực liên kết sụt giảm nghiêm trọng. Ngược lại, kích thước 15 mm đảm bảo diện tích bề mặt vừa đủ để enzyme bao phủ và tạo mạng lưới bền vững.

Khi bổ sung mỡ, các hạt lipid không có khả năng tạo liên kết đồng hóa trị với protein mà đóng vai trò như các pha phân tán cơ học. Nếu kích thước mỡ lớn (5-7 mm), chúng hoạt động như những vật cản ngăn chặn sự tiếp xúc giữa các chuỗi protein nạc, làm rách mạng lưới gel. Với kích thước 3 mm, các hạt mỡ phân bố đồng đều vào các khoảng trống của khung protein, vừa duy trì lực cắt vừa giữ ẩm và tăng độ mềm mọng cho sản phẩm.

Các xu hướng dữ liệu này được thể hiện rất rõ ràng qua các biểu đồ hình cột so sánh lực cắt giữa các nồng độ enzyme và các đồ thị đường biểu diễn động học tách ẩm theo thời gian sấy. So sánh với các nghiên cứu tiền nhiệm trong ngành công nghệ thịt, kết quả này hoàn toàn tương đồng với các phát hiện về tương quan giữa độ ẩm và độ cứng trong sản phẩm thịt sấy dẻo, đồng thời nâng cao hiệu suất liên kết thịt mà không cần dùng đến các chất độn tạo gel tổng hợp.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm chuyển giao và ứng dụng hiệu quả công nghệ tái cấu trúc thịt vào thực tiễn sản xuất công nghiệp, nhóm nghiên cứu đưa ra 4 giải pháp cụ thể:

Thứ nhất, chuẩn hóa quy trình sơ chế và định cỡ nguyên liệu thịt. Bộ phận sản xuất cần đầu tư hệ thống máy cắt hạt lựu công nghiệp có khả năng kiểm soát chính xác kích thước thịt nạc ở mức 15 mm và thịt mỡ ở mức 3 mm với dung sai không quá 5%. Giải pháp này cần hoàn thành trong vòng 2 tháng đầu triển khai nhằm đảm bảo lực cắt khối thịt luôn đạt trên 2700 g.

Thứ tư, tối ưu hóa định mức sử dụng chế phẩm enzyme trong quy mô công nghiệp. Phòng Nghiên cứu và Phát triển (R&D) cần cố định nồng độ enzyme ProtiAct® TG-GW ở mức 30 U/g nguyên liệu, kết hợp với dung dịch nước muối 1% và STPP 0,2% theo tỷ lệ pha loãng 1:5. Việc kiểm soát chính xác thông số này giúp doanh nghiệp tiết kiệm 25% đến 40% chi phí enzyme so với các công thức sử dụng 40-50 U/g mà vẫn đảm bảo độ bền liên kết tối đa.

Thứ ba, tự động hóa hệ thống sấy đối lưu ba giai đoạn. Bộ phận kỹ thuật cơ điện cần thiết lập chương trình điều khiển nhiệt độ tự động cho tủ sấy công nghiệp: cài đặt giai đoạn một ở 75°C trong 60 phút, giai đoạn hai ở 65°C trong 60 phút và giai đoạn ba ở 55°C trong 60 phút. Mục tiêu kiểm soát độ ẩm cuối của sản phẩm ổn định trong khoảng 14,5% đến 15,5% đối với snack giòn và 24,0% đến 25,0% đối với snack dẻo, duy trì năng suất sấy trên 39,5% trong thời gian 3 tháng vận hành thử nghiệm.

Thứ tư, thương mại hóa sản phẩm snack thịt giàu dinh dưỡng hướng tới người tiêu dùng hiện đại. Bộ phận Marketing và Phát triển kinh doanh cần xây dựng thông điệp truyền thông tập trung vào các chỉ số dinh dưỡng vượt trội gồm 49,44% protein tự nhiên và cung cấp 389,57 kcal/100g năng lượng, định vị sản phẩm là món ăn nhẹ lành mạnh cho người tập thể thao và nhân viên văn phòng, lộ trình ra mắt thị trường trong vòng 6 đến 12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả của luận văn mang lại giá trị thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng chính:

Nhóm chuyên viên nghiên cứu và phát triển sản phẩm (R&D) tại các doanh nghiệp thực phẩm: Có thể sử dụng ngay các thông số kỹ thuật chuẩn xác về tỷ lệ phối trộn (70:30), nồng độ enzyme (30 U/g) và chế độ ủ - sấy để phát triển các dòng sản phẩm snack thịt, thịt xông khói tái cấu trúc hoặc xúc xích tiệt trùng mà không mất nhiều thời gian thử nghiệm ban đầu.

Nhóm quản lý sản xuất tại các nhà máy giết mổ và chế biến thịt: Tìm thấy giải pháp công nghệ khả thi để tận dụng 15% đến 20% lượng thịt vụn và mỡ thừa phát sinh trong quá trình pha lóc, giúp tối ưu hóa chi phí nguyên liệu và gia tăng biên lợi nhuận cho chuỗi sản xuất.

Nhóm giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Công nghệ Thực phẩm, Kỹ thuật Hóa học: Sử dụng luận văn như một tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp bố trí thí nghiệm yếu tố, phương pháp phân tích TPA, đo lực cắt Warner-Bratzler và kỹ thuật xử lý số liệu ANOVA bằng phần mềm chuyên dụng.

Nhóm chuyên gia đánh giá chất lượng và xây dựng tiêu chuẩn an toàn thực phẩm: Có thêm cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm về việc ứng dụng enzyme vi sinh vật thay thế cho các phụ gia tạo cấu trúc hóa học, phục vụ việc xây dựng quy chuẩn kỹ thuật cho nhóm sản phẩm thịt tái cấu trúc tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

Enzyme Transglutaminase có an toàn và được phép sử dụng trong thực phẩm không? Enzyme Transglutaminase, đặc biệt là nguồn gốc từ vi sinh vật (Streptomyces mobaraensis), đã được Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) công nhận an toàn (GRAS) và được Bộ Y tế Việt Nam cho phép sử dụng. Trong quy trình sản xuất snack, enzyme bị bất hoạt hoàn toàn khi nhiệt độ tâm sản phẩm vượt quá 65°C trong giai đoạn sấy, đảm bảo không để lại hoạt tính sinh học dư thừa gây ảnh hưởng đến sức khỏe người tiêu dùng.

Tại sao kích thước thịt nạc 15 mm lại cho độ liên kết tốt hơn kích thước 5 mm? Khi kích thước thịt giảm xuống 5 mm, diện tích bề mặt riêng của khối thịt tăng lên gấp nhiều lần, khiến lượng enzyme 30 U/g bị dàn mỏng và không đủ mật độ để hình thành liên kết chéo. Đồng thời, việc xay cắt quá nhỏ làm đứt gãy cấu trúc sợi cơ tự nhiên, làm lực cắt giảm mạnh xuống 349,07 g so với mức 2784,47 g ở kích thước 15 mm.

Tại sao quy trình cần kết hợp cả giai đoạn ủ lạnh 0-10°C và ủ nóng 55°C? Giai đoạn ủ lạnh ở 0-10°C trong 8 giờ giúp enzyme phân tán đều và len lỏi vào các khe hở giữa các mảnh thịt mà không làm biến tính cấu trúc protein và ức chế sự phát triển của vi sinh vật gây hại. Giai đoạn ủ nóng tiếp theo ở 55°C trong 60 phút là điều kiện nhiệt độ tối ưu nhất để enzyme đạt hoạt tính cực đại, đẩy nhanh phản ứng tạo liên kết trước khi protein bị đông tụ hoàn toàn bởi nhiệt độ cao.

Sản phẩm snack thịt tái cấu trúc có giá trị dinh dưỡng như thế nào so với các loại snack truyền thống? Khác với các loại snack khoai tây hay bột ngũ cốc thường chứa nhiều tinh bột và chất béo bão hòa, snack thịt tái cấu trúc tỷ lệ 70:30 sở hữu hàm lượng protein vượt trội lên đến 49,44%, chất béo 20,09% và cung cấp 389,57 kcal/100g. Đây là nguồn bổ sung protein và năng lượng sạch, phù hợp với xu hướng tiêu dùng lành mạnh và người có nhu cầu dinh dưỡng cao.

Làm thế nào để kiểm soát hiện tượng sản phẩm bị khô cứng hoặc biến màu sau khi sấy? Việc áp dụng chế độ sấy giảm nhiệt 3 giai đoạn (75°C - 65°C - 55°C) giúp ẩm thoát ra từ từ từ tâm ra ngoài, tránh hiện tượng đóng rắn bề mặt gây chai cứng. Đồng thời, việc bổ sung 0,05% acid ascorbic và 0,25% bột gạo men đỏ trong công thức gia vị giúp bảo vệ sắc tố myoglobin, duy trì độ sáng L* ở mức 42,24 và màu đỏ a* tự nhiên ở mức 6,21 cho sản phẩm.

Kết luận

Đề tài nghiên cứu đã giải quyết trọn vẹn cả yêu cầu lý thuyết lẫn bài toán thực tiễn của công nghệ chế biến thịt với 5 đóng góp nổi bật:

  • Khẳng định tính khả thi vượt trội của việc ứng dụng enzyme Transglutaminase (30 U/g) trong việc tái cấu trúc các mảnh thịt vụn thành sản phẩm snack có giá trị thương mại cao.
  • Xác lập các thông số hình học nguyên liệu tối ưu gồm thịt nạc 15 mm và thịt mỡ 3 mm, giúp duy trì lực liên kết cơ học đạt 2732,61 g tương đương khối thịt nguyên bản.
  • Hoàn thiện quy trình sấy đối lưu 3 giai đoạn (75°C - 65°C - 55°C trong tổng thời gian 180 phút), kiểm soát độ ẩm thành phẩm đạt 14,78% và đạt cấu trúc cơ lý hoàn hảo.
  • Phát triển thành công công thức snack thịt tỷ lệ nạc - mỡ 70:30 với hàm lượng dinh dưỡng ấn tượng (protein 49,44%, năng lượng 389,57 kcal/100g) và cảm quan xuất sắc.
  • Đóng góp quy trình công nghệ chi tiết từ khâu xử lý nguyên liệu, phối trộn muối - enzyme, định hình, ủ nhiệt đến sấy khô, sẵn sàng chuyển giao cho quy mô sản xuất lớn.

Trong giai đoạn 6 đến 12 tháng tới, hướng phát triển tiếp theo là mở rộng thử nghiệm ở quy mô pilot 50-100 kg/mẻ và nghiên cứu kéo dài thời hạn bảo quản sản phẩm bằng bao bì hút chân không cải tiến. Các doanh nghiệp chế biến thực phẩm nên nhanh chóng tiếp cận và ứng dụng các thông số công nghệ này để tối ưu hóa chuỗi giá trị và dẫn đầu xu hướng thị trường snack giàu đạm tại Việt Nam.