Bài viết Nghiên cứu điều kiện thủy phân phụ phẩm cá tra bằng enzyme ứng dụng trong sản xuất thức ăn thủy sản phân tích, đánh giá chất lượng của phụ phẩm cá tra và lựa chọn được enzyme thích hợp cho quá trình thuỷ phân phụ phẩm cá tra là enzyme EB-Neutral BL.
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU ĐIỀU KIỆN THỦY PHÂN PHỤ PHẨM CÁ TRA BẰNG ENZYME ỨNG DỤNG TRONG SẢN XUẤT THỨC ĂN THỦY SẢN Bùi Thị Thu Hiền1*, Trần Thị Hường1, Lê Anh Tùng1, Phạm Thị Điềm1, Lê Xuân Quế1, Đào Văn Hào2, Trương Vĩnh Thành2 TÓM TẮT Dịch đạm thủy phân từ phụ phẩm cá, chứa peptide ngắn có hoạt tính sinh học đa dạng axit amin thiết yếu, nguồn dinh dưỡng tốt ứng dụng cho công nghiệp sản xuất bột cá nguyên liệu cho ngành sản xuất thức ăn chăn nuôi Trong nghiên cứu này, xác định điều kiện thủy phân phụ phẩm cá tra enzyme thương mại nhằm thu hồi tận dụng nguồn nguyên liệu phụ phẩm dồi từ công nghiệp chế biến phi-lê cá tra Trong số bốn enzyme thử nghiệm thủy phân, SEB-Neutral PL cho hiệu cao Với điều kiện thủy phân tối ưu hóa: tỷ lệ enzyme/cơ chất 0,46%; nhiệt độ 560ºC; thời gian thủy phân 5,5 giờ; với pH tự nhiên nguyên liệu 6,35 ± 0,21; tỷ lệ nước so với nguyên liệu 10% Sản phẩm dịch đạm thủy phân cá tra có hàm lượng Nts 26,9 ± 0,14 g/l, hàm lượng Naa 12,3± 0,04 g/l, nguồn nguyên liệu phù hợp cho sản xuất thức ăn thủy sản tiêu chí dễ tiêu hóa hấp thụ Từ khóa: Protein, thủy phân, phế phụ phẩm, cá tra ĐẶT VẤN ĐỀ1 Cá tra đối tượng thuỷ sản chiếm vị trí quan trọng lĩnh vực nuôi trồng, chế biến thủy sản nước ta nói chung đồng sơng Cửu Long (ĐBSCL) nói riêng Năm 2019, diện tích ni đạt 6,6 nghìn với sản lượng thu 1,42 triệu (VASEP, 2019) Ngành công nghiệp chế biến cá tra xuất tạo lượng lớn phụ phẩm, chiếm từ 65-70% sản lượng nguyên liệu thịt vụn, xương, đầu cá, nội tạng (Nguyễn Thị Lan Chi, 2009) Cùng với việc nâng cao sản lượng nuôi để đáp ứng nhu cầu nội địa xuất việc xử lý phụ phẩm cá tra nhà máy chế biến thủy sản nói chung chế biến cá tra nói riêng đặc biệt quan tâm Đối với vùng ĐBSCL nơi có ngành ni trồng chế biến thủy sản phát triển, vấn đề xử lý phụ phẩm cá tra hiệu quả, kinh tế thân thiện với môi trường ngày trở nên cấp thiết, ngành công nghiệp chế biến cá tra fillet xuất gia tăng, phụ phẩm thải từ trình xử lý fillet gây nhiều tác hại lớn cho môi trường chuyển đến nhà máy sản xuất bột cá tra (Nguyễn Văn Mười, 2013) Phụ phẩm cá chứa nhiều protein acid béo không sinh cholesterol (Rustad, 2003), với Viện Nghiên cứu Hải sản Công ty Cổ phần Đầu tư du lịch Phát triển thủy sản * Email: hien.rimf@gmail.com 80 khoáng chất khác sản xuất nhiều sản phẩm có giá trị bột cá, collagen, gelatin, dầu cá, bột đạm, bột canxi ứng dụng nhiều sản phẩm khác Những năm gần đây, việc tận dụng phụ phẩm cá tra nhận quan tâm doanh nghiệp chế biến nhằm chế biến mặt hàng có giá trị gia tăng, bột cá, da cá, nội tạng Do đó, việc xử lí nguồn phụ phẩm biện pháp sinh học lựa chọn hàng đầu, đặc biệt sử dụng enzyme thủy phân để thu hồi protein tạo sản phẩm có nhiều cơng dụng giá trị dinh dưỡng cao (Min-Tian Gao, 2005; Wangkheirakpam, 2019) Việc sử dụng enzyme protease cho việc thủy phân phụ phẩm cá tra quan tâm nghiên cứu có nhiều triển vọng để ứng dụng sản xuất thực tế Các enzyme thuộc nhóm protease có khả thuỷ phân liên kết protein thành sản phẩm có kích thước nhỏ hơn, giúp tăng cường độ hấp thụ tiêu hoá vật nuôi ứng dụng ngành chăn nuôi Ngồi ra, dịch thuỷ phân từ phụ phẩm cá có chất lượng cảm quan tốt, giá thành thấp, có độ hấp dẫn, đặc biệt mùi thơm đặc trưng thuỷ sản, ứng dụng làm dịch dẫn dụ cung cấp dinh dưỡng sản phẩm thức ăn chăn nuôi Nguyễn Công Hà cộng (2015) khảo sát khả thủy phân protein từ phụ phẩm cá tra enzyme Bromelain thương mại với hiệu suất đạt 22,75% (tính theo lượng tryrosin giải phóng ra), Nông nghiệp phát triển nông thôn - K - TH¸NG 7/2021 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Nguyễn Thị Thủy cộng (2015) nghiên cứu thủy phân protein từ phụ phẩm cá tra enzyme Papain thương mại sử dụng làm thức ăn nguồn protein cho lợn gia cầm Hiện nay, sản phẩm bột cá sản xuất theo công nghệ truyền thống sử dụng làm nguồn cung cấp đạm sản phẩm thức ăn chăn nuôi Tuy nhiên, nhà máy chế biến bột cá sử dụng phương pháp sản xuất truyền thống sử dụng nhiệt độ áp suất cao để sản xuất bột cá nói chung bột cá từ phụ phẩm cá tra nói riêng Điều dẫn tới sản phẩm bột cá truyền thống có hệ số tiêu hoá thấp, khả hấp thụ chưa cao, gây lãng phí q trình ni trồng Trong nghiên cứu này, dạng enzyme, tỉ lệ E/S, nhiệt độ, thời gian thuỷ phân, tỉ lệ nước, hàm lượng nito tổng số, hàm lượng axit amin, hiệu suất thuỷ phân đánh giá Sản phẩm dịch đạm thuỷ phân từ phụ phẩm cá tra trở thành nguyên liệu có giá trị ngành cơng nghiệp sản xuất thức ăn chăn nuôi ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Nguyên vật liệu, hóa chất thiết bị - Phụ phẩm cá tra thu hồi từ nhà máy chế biến phile cá tra tập kết khu phân loại nguyên liệu Công ty Cổ phần Đầu tư du lịch Phát triển thủy sản – Trisedco, gồm: đầu, xương, vây, nội tạng (Hình 1) Phụ phẩm cá tra xay sơ thành mảnh khoảng 3-5 mm, đồng trước sử dụng nhiệt độ hoạt động 50oC đến 70oC, pH tương đối rộng từ 4,5-8,5, hoạt tính 500 IU SEB-Neutral PL có pH 5,5 - 7,5, nhiệt độ 35 - 60C, hoạt tính 750 IU, mua từ Cơng ty ICFOOD Việt Nam Đây enzyme chuyên sử dụng sản xuất thức ăn chăn ni 2.2 Bố trí thí nghiệm Thí nghiệm khảo sát điều kiện thủy phân sở thực với phụ phẩm cá tra xay (kích thước 3-5 mm) trộn với 20% nước Các enzyme sử dụng nghiên cứu có chung điều kiện hoạt động khoảng 55-60oC, pH từ 5,5 – 7,0, điều kiện thủy phân sở lựa chọn nhiệt độ 55C, pH tự nhiên, trước bổ sung enzyme cho phản ứng riêng biệt Quá trình thủy phân thực trong thiết bị thủy phân quy mô pilot công suất 80 kg/mẻ Kết thúc phản ứng thực cách nâng nhiệt độ nhanh lên đạt 95 100C thời gian 10 phút Hỗn hợp sau phản ứng lọc thu hồi dịch phân tích hàm lượng nitơ axit amin Naa Điều kiện phản ứng thích hợp tìm cách thực thay đổi điều kiện phản ứng đơn yếu tố Hiệu suất thủy phân đánh giá dựa tỷ lệ nitơ axit amin (Naa) so với nitơ tổng số (Nts) có dịch đạm sau thủy phân a Thí nghiệm 1: Khảo sát thành phần hoá chất dùng để thuỷ phân Tiến hành phân tích tiêu protein thơ, hàm ẩm, lipid, tro, độ tươi TVB-N, tổng số vi sinh hiếu khí nguyên liệu phụ phẩm cá tra theo phương pháp hành mục 2.3 b Thí nghiệm 2: Khảo sát lựa chọn enzyme thích hợp Hình Phế phụ phẩm cá Tra làm nguyên liệu nghiên cứu Nguồn: Công ty Cổ phần Đầu tư du lịch Phát triển thủy sản – Trisedco - Enzyme protease: Bromelain pH hoạt động 5,5 – 7,0, nhiệt độ hoạt động 50-600C, hoạt tính 500 IU; Protease có nhiệt độ tối ưu hoạt động khoảng từ 50oC đến 600C, hoạt động khoảng pH tương đối rộng từ 4,5-8,5, hoạt tính 500 IU/g; Papain có Thí nghiệm lựa chọn enzyme thủy phân phụ phẩm cá tra phù hợp tiến hành với enzyme Protease, Bromelain, Papain SEB-Neutral PL với tỉ lệ E/S 0,3%, nhiệt độ 550C, tỷ lệ nước bổ sung 20%, thời gian thuỷ phân Sản phẩm sau thuỷ phân phân tích tiêu đạm tổng số, hàm lượng Naa, từ lựa chọn enzyme phù hợp c Thí nghiệm 3: Khảo sát tỉ lệ enzyme/nguyên liệu Thí nghiệm lựa chọn tỉ lệ enzyme/nguyên liệu tiến hành với công thức bổ sung bao gồm: 0%; 0,1%; 0,2%; 0,3%; 0,4%; 0,5% 0,6% Điều kiện thí nghiệm thiết lập nhiệt độ 550C, tỉ lệ nước bổ N«ng nghiệp phát triển nông thôn - K - TH¸NG 7/2021 81 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ sung 20%, thời gian thuỷ phân Sản phẩm sau lọc qua giấy lọc phân tích tiêu hoá học để lựa chọn nồng độ enzyme bổ sung thích hợp d Thí nghiệm 4: Khảo sát nhiệt độ thuỷ phân thích hợp Thí nghiệm lựa chọn nhiệt độ thuỷ phân thích hợp tiến hành với cơng thức bổ sung bao gồm: 45, 50, 55, 60 650C Điều kiện thí nghiệm thiết lập tỉ lệ E/S 0,4%, tỉ lệ nước bổ sung 20%, thời gian thuỷ phân Sản phẩm sau lọc qua giấy lọc phân tích tiêu hố học để lựa chọn nhiệt độ thủy phân thích hợp e Thí nghiệm 5: Khảo sát tỉ lệ nước bổ sung thích hợp lượng nitơ axit amin (TCVN 3708:1990); phương pháp xác định hàm lượng nước (TCVN 3700:1990); phương pháp xác định hàm lượng nitơ bazơ bay (TCVN 9215:2012; phương pháp xác định tổng số vi sinh vật hiếu khí (TCVN 5165: 1990/ TCVN 4884:2005) 2.4 Phương pháp xử lý số liệu Mỗi thí nghiệm tiến hành lần, lần mẫu kết trung bình cộng lần thí nghiệm Xử lý số liệu thực nghiệm vẽ đồ thị sử dụng phần mềm MS Excel 2007 Phân tích số liệu thực Design Expert (version 10) KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1 Chất lượng phụ phẩm cá tra Với điều kiện tối ưu nhiệt độ 55oC, tỉ lệ E/S 0,4%, tiến hành thủy phân chất với tỉ lệ nước bổ sung sau: 0%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30% Sản phẩm sau phân tích tiêu protein tổng số, hàm lượng axit amin để đánh giá hiệu suất thủy phân, từ chọn tỉ lệ nước bổ sung thích hợp Nguyên liệu nghiên cứu bao gồm chủ yếu phần đầu, xương, vEB-neutral PL lựa chọn phù hợp để thủy phân hiệu phế phụ phẩm cá tra nghiên cứu Hình Ảnh hưởng enzyme đến chất lượng dịch thuỷ phân 3.2.2 Ảnh hưởng tỷ lệ enzyme/ chất Hình Ảnh hưởng tỷ lệ enzyme/cơ chất đến chất lượng dịch thuỷ phân Kết khảo sát tỷ lệ enzyme so với nguyên liệu từ 0-0,6% thể hình Kết phân tích (Hình 3) cho thấy hiệu suất thuỷ phân thí nghiệm thủy phân thay đổi tăng theo tỷ lệ tăng dần nồng độ enzyme khoảng nồng độ lựa chọn để khảo sát (E/S = - 0,6%) Tỷ lệ Naa/Nts thấp thu công thức không bổ sung enzyme 14,96 ± 0,38% cao công thức 0,6% 45,22 ± 0,32% Tỷ lệ Naa/Nts công thức bổ sung 0,1%, 0,2%, 0,3% 0,4% 20,10 ± 0,48%; 29,18 ± 0,35%; 36,12 ± 0,31% 44,32 ± 0,16% Kết nghiên cứu tương đồng với Thái Văn Trọng (2014) sử dụng enzyme papain để thuỷ phân phụ phẩm cá tra, với tỉ lệ enzyme 0,4% thời gian thuỷ phân 4h Do vậy, tỉ lệ E/S từ 0,3 - 0,5% có ảnh hưởng mạnh đến hiệu suất thủy phân lựa chọn cho thí nghiệm 3.2.3 Ảnh hưởng nhiệt độ thủy phân Nhiệt độ có yếu tố có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất phản ứng thuỷ phân Thí nghiệm khảo sát điều kiện nhiệt độ 45- 65C, kết phân tích trình bày hình Kết nghiên cứu cho thấy hiệu suất thuỷ phân tỉ lệ thuận với mức gia tăng nhiệt độ thuỷ phân, đạt cao mức 55C, tỷ lệ Naa/Nts 44,32 ± 0,16% (Hình 4) Tuy nhiên, tăng nhiệt độ phản ứng lên 60 - 65C hiệu suất thuỷ phân bị giảm xuống 39,65 ± 0,33% 30,64 ± 0,35% Do vậy, với nhiệt độ thủy phân khoảng 50 - 60C, hiệu suất thủy phân enzyme chất phế phụ phẩm cá tra đạt cao nhất, khoảng nhiệt độ có ảnh hưởng mạnh đến hiệu suất trình thủy phân Do nhiệt độ 50 - 600C lựa chọn điều kiện nhiệt độ cho thí nghiệm Hình Ảnh hưởng nhiệt độ thủy phân đến cht lng thu phõn Nông nghiệp phát triển nông thôn - K - THáNG 7/2021 83 KHOA HC CÔNG NGHỆ 3.2.4 Xác định tỉ lệ nước bổ sung thích hợp Lượng nước bổ sung có ảnh hưởng đến khả phân tán hoạt động enzyme tiếp xúc với chất trình thủy phân Hàm lượng nước bổ sung khảo sát khoảng từ 0-30%, kết thể hình Từ hình cho thấy tỷ lệ Naa/Nts tăng dần theo lượng nước bổ sung từ 28,87 ± 0,25% đến 45,20 ± 0,18% Tỷ lệ Naa/Nts tăng nhanh tăng tỷ lệ nước bổ sung từ 0% đến 10%, 0% tỷ lệ Naa/Nts 28,87 ± 0,25%, 5% tỷ lệ Naa/Nts 36,25 ± 0,51%, 10% tỷ lệ Naa/Nts 43,98 ± 0,15% Điều giải thích tăng lượng nước lên enzyme phân tán đều, tăng diện tích tiếp xúc enzyme với nguyên liệu, từ tăng hiệu suất thủy phân thí nghiệm Cịn từ 15% trở tỷ lệ Naa/Nts tăng tăng chậm Đó dịch đạm thủy phân thu loãng hơn, phần trăm lượng đạm Naa thấp nên tỷ lệ Naa/Nts tăng không đáng kể từ 39,60 ± 0,31% đến 40,46 ± 0,21% Hình Ảnh hưởng lượng nước bổ sung đến chất lượng dịch thuỷ phân Tuy nhiên, xem xét mục đích sử dụng dịch đạm sau thủy phân bổ sung vào bột cá để tăng hàm lượng amin chi phí lượng sản xuất bổ sung 10% phù hợp Do đó, dịch thủy phân bổ sung 10% nước cho hiệu thủy phân tốt, đồng thời có hàm lượng Nts cao 3.2.5 Xác định thời gian thủy phân phù hợp Để khảo sát ảnh hưởng thời gian đến trình thủy phân, tiến hành thủy phân mẫu với mức thời gian từ 3-7 Kết ảnh hưởng thời gian thủy phân đến chất lượng dịch thủy phân thể hình 84 Hình Ảnh hưởng thời gian thủy phân tới hiệu suất thủy phân Từ hình cho thấy hàm lượng Naa dịch thủy phân tăng tỉ lệ thuận theo thời gian thủy phân Kết nghiên cứu cho thấy từ đến tỷ lệ Naa/Nts dịch thủy phân tăng nhanh từ 34,44 ± 0,34% đến 43,90 ± 0,26% Cơng thức có thời gian thuỷ phân có tỷ lệ Naa/Nts đạt cao nhất, 44,65 ± 0,30%, công thức giờ, 44,22 ± 0,15% Tuy nhiên khác biệt tỷ lệ Naa/Nts công thức thuỷ phân khơng có ý nghĩa thống kê (p