Tổng quan nghiên cứu

Nước hầm xương là một sản phẩm truyền thống được ưa chuộng trong chế biến thực phẩm, đặc biệt là các món canh, súp, nhờ vào hương vị ngọt tự nhiên và giá trị dinh dưỡng cao. Theo ước tính, tổng sản lượng thịt gà sống toàn cầu năm 2016 đạt khoảng 116 triệu tấn, tạo ra từ 23,2 đến 41,5 triệu tấn xương gà, một nguồn nguyên liệu giàu protein và khoáng chất có giá trị kinh tế cao. Tuy nhiên, phương pháp hầm xương truyền thống thường tốn nhiều thời gian và năng lượng, đồng thời làm giảm giá trị dinh dưỡng do nhiệt độ cao kéo dài.

Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu ứng dụng enzyme trong quá trình hầm xương gà nhằm nâng cao hiệu quả thủy phân, tăng hàm lượng acid amin trong sản phẩm dịch thủy phân, đồng thời giảm thời gian và năng lượng tiêu thụ. Mục tiêu cụ thể là khảo sát điều kiện thủy phân với ba loại enzyme thương mại Protamex, Alcalase và Flavourzyme, lựa chọn enzyme thích hợp, tối ưu hóa các thông số thủy phân như nồng độ enzyme, thời gian, nhiệt độ và thời gian hầm xương, cũng như đánh giá chất lượng sản phẩm cuối cùng.

Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh trong khoảng thời gian từ tháng 8/2016 đến 6/2017, với nguyên liệu chính là xương gà lấy từ nhà máy chế biến thực phẩm tại TP. Hồ Chí Minh. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển quy trình sản xuất nước hầm xương công nghiệp hiệu quả, nâng cao giá trị kinh tế của phụ phẩm xương gà và góp phần cải thiện chất lượng dinh dưỡng cho người tiêu dùng.

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:

  • Lý thuyết thủy phân protein: Quá trình thủy phân protein là sự phá vỡ liên kết peptide trong phân tử protein nhờ tác động của enzyme protease, tạo ra các peptide và acid amin tự do. Có ba phương pháp thủy phân chính: thủy phân truyền thống (nhiệt độ cao, thời gian dài), thủy phân hóa học (dùng acid hoặc bazơ), và thủy phân sinh học (dùng enzyme).

  • Mô hình enzyme protease: Enzyme protease được phân thành endoprotease và exoprotease, có tính đặc hiệu cao trong việc cắt liên kết peptide. Ba loại enzyme thương mại được khảo sát là Protamex, Alcalase và Flavourzyme, có nguồn gốc từ vi sinh vật khác nhau và điều kiện hoạt động tối ưu riêng biệt.

  • Khái niệm acid amin và hoạt tính kháng oxy hóa: Acid amin là thành phần thiết yếu của protein, đóng vai trò quan trọng trong cấu tạo tế bào và chức năng sinh học. Hoạt tính kháng oxy hóa của dịch thủy phân được đánh giá bằng khả năng quét gốc tự do DPPH, thể hiện tiềm năng bảo vệ cơ thể khỏi stress oxy hóa.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu chính là xương gà được thu thập từ nhà máy chế biến thực phẩm tại TP. Hồ Chí Minh. Ba loại enzyme thương mại Protamex, Alcalase và Flavourzyme được sử dụng với hoạt tính đã được nhà sản xuất công bố.

  • Phương pháp phân tích: Các chỉ tiêu hóa học của nguyên liệu và sản phẩm được xác định theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) như độ ẩm, tro, lipid, nitơ tổng, canxi, magie, phospho. Hàm lượng acid amin được định lượng bằng phương pháp Ninhydrin. Hoạt tính kháng oxy hóa được đánh giá bằng phương pháp quét gốc tự do DPPH với bước sóng 517 nm.

  • Thiết kế thí nghiệm: Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như tỷ lệ xương gà/nước, nồng độ enzyme, thời gian hoạt động enzyme, nhiệt độ và thời gian hầm xương đến hàm lượng acid amin trong dịch thủy phân. Thiết kế thí nghiệm sử dụng phương pháp đáp ứng bề mặt (Response Surface Methodology) với phần mềm Minitab 16 để tối ưu hóa các thông số.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mỗi thí nghiệm được lặp lại 3 lần để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả. Mẫu xương gà được xử lý sơ bộ loại bỏ da, nội tạng và rửa sạch trước khi tiến hành thủy phân.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong vòng 10 tháng, từ tháng 8/2016 đến tháng 6/2017, bao gồm các giai đoạn khảo sát nguyên liệu, thử nghiệm thủy phân với các enzyme, tối ưu hóa quy trình và đánh giá sản phẩm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Lựa chọn enzyme thích hợp: Trong ba loại enzyme Protamex, Alcalase và Flavourzyme, enzyme Protamex cho hàm lượng acid amin cao nhất trong dịch thủy phân xương gà với giá trị 20,02 mg/g xương gà, đồng thời sử dụng nồng độ enzyme thấp nhất là 0,5%. Alcalase và Flavourzyme cho kết quả thấp hơn lần lượt là khoảng 11,74 mg/g và 7,78 mg/g.

  2. Ảnh hưởng của tỷ lệ xương gà/nước: Khi tăng tỷ lệ xương gà/nước từ 1/7 đến 1/3, hàm lượng acid amin trong dịch thủy phân tăng lên nhưng đạt ngưỡng bão hòa tại tỷ lệ 1/4 đối với Protamex (11,35 mg/g) và 1/5 đối với Flavourzyme (7,60 mg/g). Tỷ lệ này được chọn làm điều kiện tối ưu cho các thí nghiệm tiếp theo.

  3. Tối ưu hóa điều kiện thủy phân với enzyme Protamex trước giai đoạn hầm xương: Các yếu tố ảnh hưởng chính gồm nồng độ enzyme 0,49%, thời gian enzyme hoạt động 151 phút, nhiệt độ 51°C và thời gian hầm xương 75 phút. Dưới điều kiện này, hàm lượng acid amin đạt 20,64 mg/g xương gà. Phương trình hồi quy mô tả mối quan hệ giữa các yếu tố và hàm lượng acid amin được xây dựng từ phần mềm Minitab 16.

  4. Tối ưu hóa điều kiện thủy phân với enzyme Protamex sau giai đoạn hầm xương: Hai yếu tố chính là thời gian hầm xương 61 phút và thời gian enzyme hoạt động 141 phút, cho hàm lượng acid amin cao hơn, đạt 23,85 mg/g xương gà. Hàm lượng acid Glutamic trong dịch thủy phân tăng gấp 1,88 lần so với bổ sung enzyme trước giai đoạn hầm xương.

  5. Hoạt tính kháng oxy hóa: Dịch thủy phân có bổ sung enzyme Protamex có giá trị IC50 quét gốc tự do DPPH là 45,31 mg/ml, cao hơn so với mẫu không bổ sung enzyme với IC50 là 71,28 mg/ml, chứng tỏ enzyme Protamex cải thiện đáng kể hoạt tính kháng oxy hóa của sản phẩm.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy enzyme Protamex có hiệu quả thủy phân xương gà vượt trội so với Alcalase và Flavourzyme, phù hợp với điều kiện nhiệt độ và pH của quá trình hầm xương. Việc bổ sung enzyme sau giai đoạn hầm xương giúp tăng hàm lượng acid amin, đặc biệt acid Glutamic, góp phần nâng cao vị ngọt tự nhiên và giá trị dinh dưỡng của nước hầm xương.

So sánh với các nghiên cứu trong và ngoài nước, kết quả hàm lượng acid amin và hoạt tính kháng oxy hóa tương đồng hoặc vượt trội, khẳng định tính khả thi và hiệu quả của phương pháp ứng dụng enzyme trong sản xuất nước hầm xương. Biểu đồ thể hiện sự tăng hàm lượng acid amin theo nồng độ enzyme và thời gian hoạt động enzyme sẽ minh họa rõ ràng xu hướng này.

Ngoài ra, việc sử dụng enzyme giúp giảm thời gian hầm xương và nhiệt độ hoạt động, tiết kiệm năng lượng và bảo toàn các thành phần dinh dưỡng nhạy cảm với nhiệt độ cao. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong phát triển quy trình sản xuất nước hầm xương công nghiệp hiện đại, thân thiện với môi trường.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng enzyme Protamex bổ sung sau giai đoạn hầm xương để tối ưu hàm lượng acid amin và hoạt tính kháng oxy hóa, nâng cao chất lượng nước hầm xương. Thời gian hầm xương nên duy trì khoảng 61 phút, enzyme hoạt động 141 phút, nhiệt độ enzyme 50-51°C. Chủ thể thực hiện: các nhà máy chế biến thực phẩm, timeline áp dụng trong 6-12 tháng.

  2. Tối ưu tỷ lệ xương gà/nước ở mức 1/4 đến 1/5 để cân bằng giữa hiệu quả thủy phân và chi phí nguyên liệu, đảm bảo hàm lượng acid amin cao mà không gây lãng phí nước. Chủ thể thực hiện: bộ phận nghiên cứu và phát triển sản phẩm, timeline 3-6 tháng.

  3. Đào tạo nhân viên kỹ thuật và công nhân vận hành quy trình mới về kỹ thuật bổ sung enzyme và kiểm soát các thông số thủy phân nhằm đảm bảo quy trình ổn định và hiệu quả. Chủ thể thực hiện: phòng đào tạo và quản lý sản xuất, timeline 3 tháng.

  4. Xây dựng hệ thống kiểm soát chất lượng sản phẩm định kỳ bao gồm đo hàm lượng acid amin, hoạt tính kháng oxy hóa và các chỉ tiêu hóa học khác để đảm bảo sản phẩm đạt tiêu chuẩn dinh dưỡng và an toàn thực phẩm. Chủ thể thực hiện: phòng kiểm soát chất lượng, timeline liên tục.

  5. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng enzyme trong thủy phân các loại xương khác như xương bò, xương heo để đa dạng hóa sản phẩm nước hầm xương và nâng cao giá trị kinh tế. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu công nghệ sinh học, timeline 12-18 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà sản xuất thực phẩm chế biến sẵn và gia vị: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để cải tiến quy trình sản xuất nước hầm xương, nâng cao chất lượng sản phẩm như hạt nêm, súp ăn liền, giúp tăng sức cạnh tranh trên thị trường.

  2. Chuyên gia và nhà nghiên cứu công nghệ sinh học thực phẩm: Luận văn trình bày phương pháp ứng dụng enzyme trong thủy phân protein, cung cấp dữ liệu thực nghiệm và mô hình tối ưu hóa có giá trị tham khảo cho các nghiên cứu tương tự.

  3. Các cơ sở đào tạo và sinh viên ngành công nghệ sinh học, kỹ thuật hóa học: Tài liệu chi tiết về quy trình nghiên cứu, phương pháp phân tích và ứng dụng enzyme, giúp nâng cao kiến thức thực tiễn và kỹ năng nghiên cứu khoa học.

  4. Doanh nghiệp chế biến phụ phẩm động vật: Nghiên cứu mở ra hướng đi mới trong việc tận dụng phụ phẩm xương gà, nâng cao giá trị kinh tế và giảm thiểu lãng phí nguyên liệu trong ngành chế biến thực phẩm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn enzyme Protamex thay vì Alcalase hay Flavourzyme?
    Enzyme Protamex cho hàm lượng acid amin cao nhất (20,02 mg/g xương gà) với nồng độ enzyme thấp hơn, đồng thời hoạt động hiệu quả trong điều kiện nhiệt độ và pH phù hợp với quá trình hầm xương, giúp tiết kiệm chi phí và nâng cao chất lượng sản phẩm.

  2. Bổ sung enzyme trước hay sau giai đoạn hầm xương hiệu quả hơn?
    Bổ sung enzyme sau giai đoạn hầm xương cho hàm lượng acid amin cao hơn (23,85 mg/g so với 20,64 mg/g), đặc biệt acid Glutamic tăng gấp 1,88 lần, đồng thời cải thiện hoạt tính kháng oxy hóa, do enzyme hoạt động tốt hơn khi môi trường đã được làm mềm bởi quá trình hầm.

  3. Tỷ lệ xương gà/nước ảnh hưởng như thế nào đến quá trình thủy phân?
    Tỷ lệ xương gà/nước tăng làm tăng hàm lượng acid amin trong dịch thủy phân đến một ngưỡng nhất định (1/4 đến 1/5), sau đó không còn tăng đáng kể, do đó cần cân đối để tối ưu hiệu quả và tiết kiệm nguyên liệu.

  4. Hoạt tính kháng oxy hóa của dịch thủy phân có ý nghĩa gì?
    Hoạt tính kháng oxy hóa cao giúp sản phẩm nước hầm xương bảo vệ cơ thể khỏi stress oxy hóa, góp phần tăng cường sức khỏe và kéo dài thời gian bảo quản sản phẩm.

  5. Quy trình ứng dụng enzyme có thể áp dụng cho các loại xương khác không?
    Có thể áp dụng cho xương bò, heo hoặc các loại phụ phẩm động vật khác, tuy nhiên cần nghiên cứu điều kiện tối ưu riêng biệt do thành phần và cấu trúc xương khác nhau.

Kết luận

  • Enzyme Protamex được lựa chọn là enzyme thích hợp nhất cho quá trình thủy phân xương gà, cho hàm lượng acid amin cao và hiệu quả kinh tế tốt.
  • Tối ưu hóa quy trình bổ sung enzyme sau giai đoạn hầm xương với các thông số: nồng độ enzyme 0,49%, thời gian enzyme hoạt động 141 phút, nhiệt độ 51°C, thời gian hầm 61 phút.
  • Hàm lượng acid amin và acid Glutamic trong dịch thủy phân tăng đáng kể, đồng thời hoạt tính kháng oxy hóa được cải thiện rõ rệt.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển quy trình sản xuất nước hầm xương công nghiệp tiết kiệm năng lượng, nâng cao giá trị dinh dưỡng và chất lượng sản phẩm.
  • Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm áp dụng quy trình vào sản xuất thử nghiệm, đào tạo nhân lực và mở rộng nghiên cứu ứng dụng enzyme cho các loại nguyên liệu khác.

Call-to-action: Các doanh nghiệp và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ sinh học thực phẩm nên cân nhắc ứng dụng kết quả nghiên cứu này để nâng cao hiệu quả sản xuất và giá trị sản phẩm nước hầm xương, góp phần phát triển ngành công nghiệp thực phẩm bền vững.