1.5.1.1. Vai trò dinh dưỡng của thành phần protein trong thức ăn dành cho cá [16]
Protein là vật chất hữu cơ chủ yếu xây dựng nên các tổ chức mô của cá cũng như của động vật, protein chiếm khoảng 60 – 75% tổng số vật chất khô của cơ thể. Tùy kích thước, loài cá nuôi mà thành phần protein được bổ sung khác nhau. Protein được hình thành từ các acid amin, trong đó có 10 acid amin cá không thể tự tổng hợp mà phải bổ sung từ thức ăn bên ngoài gồm methionine, arginine, threonine, tryptophan, histidine [50]. Cá sử dụng protein để đáp ứng nhu cầu amino acid cho cơ thể. Protein vào cơ thể sẽ được các enzyme protease thực hiện quá trình tiêu hóa hóa học giải phóng các amino acid tự do. Các amino acid này sẽ được hấp thụ qua thành ống tiêu hóa và đi vào máu, được máu vận chuyển đến các tổ chức cơ quan, các tổ chức mô khác nhau, ở đó chúng sẽ tham gia vào quá trình tổng hợp protein mới. Nhu cầu protein phụ thuộc vào việc sử dụng các amino acid để xây dựng nên các protein mới (xảy ra đối với động vật trong thời kỳ sinh trưởng và sinh sản) hoặc để thay thế các protein già cũ (chức năng duy trì). Thức ăn thiếu protein sẽ làm giảm tốc độ sinh trưởng của cá và các loại động vật vì chúng phải huy động các nguồn protein trong các tổ chức cơ thể để đáp ứng nhu cầu amino acid, dẫn đến khối lượng bị sút giảm. Ngược lại nếu thức ăn quá dư thừa protein thì chỉ một phần từ protein thức ăn sẽ được sử dụng để tổng hợp nên các protein mới trong cơ thể, phần còn lại sẽ được chuyển hóa thành năng lượng, hoặc bài tiết ra ngoài cơ thể. Protein là thành phần có giá thành cao nhất trong thức ăn vì vậy nếu hàm lượng protein trong thức ăn quá cao sẽ gây ra lãng phí làm giảm hiệu quả nuôi. Hàm lượng protein trong nuôi trồng thủy sản nói chung nguồn cấp dữ
liệu trung bình 18 – 20% đối với tôm biển, 28 – 32% cho cá da trơn, 32 – 38% cho cá rô phi [51]. Cá sử dụng protein cũng như các động vật có xương sống ở trên cạn, quá trình tổng hợp protein và quá trình dị hóa protein diễn ra đồng thời trong suốt quá trình sống [14] được thể hiện ở Hình 1.7.
Hình 1.5: Sơ đồ trao đổi protein tổng số ở cá [14]
1.5.1.2. Vai trò dinh dưỡng của thành phần sắc tố trong thức ăn dành cho cá [16]
Carotenoids là sắc tố có màu tan trong dầu. Khoảng màu của sắc tố này nằm trong dãi từ màu vàng đến đỏ sậm. Vật chất chứa sắc tố phân bố rất rộng ở động vật và thực vật cụ thể ở đây carotenoids có trong thành phần phế liệu tôm đặc biệt là ở phần đầu tôm. Các nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu đến thành phần này từ những năm 1950. Cho đến nay người ta biết đến gần 600 loại carotenoids khác nhau. Carotenoids là thành phần dinh dưỡng mà động vật không thể tổng hợp được, những thành phần này không chỉ rất cần thiết mà chúng còn đóng vai trò quan trọng khác nhau đối với cả động vật không xương sống và có xương sống [14].
Đối với người nuôi trồng thủy sản và những người sản xuất thức ăn cho nuôi trồng thủy sản thì điều quan trọng nhất là khả năng tạo sắc tố của carotenoids. Khả năng này được xác định bằng cấu trúc của chúng, màu sắc đặc trưng, khả năng tiêu hóa được, khả năng chuyển đổi và sự tương đồng đặc trưng đối với các mô [14].
Cấu trúc carotenoids: Carotenoids là thành phần cao phân tử đặc trưng bởi mạch gồm nhiều nối đôi có dạng khác nhau. Số lượng nối đôi dao động từ 7 đến 15 và thường là 11 đối với carotenoids của cá. Sự tồn tại một số lượng lớn các nối đôi trong phân tử là nguyên nhân dẫn đến sự không ổn định (dễ biến đổi) các loại sắc tố này.
Giảm cấp Sinh tổng hợp Oxy hóa Tổng hợp Đi vào Các thành phần chức Nito khác Protein cơ thể Amino acid tự do
Amino acid thức ăn
Amino acid không cần thiết
CO2
NH Ammonia
Carotenoids dễ bị phá hủy bởi nhiệt độ cao hoặc cường độ chiếu sáng mạnh. Có 3 loại carotenoids thường gặp [14]:
- carotene : loại carotenoids này là một trong những loại phổ biến rộng rãi
nhất trong tự nhiên. Cấu trúc của chúng bao gồm hai đơn vị mang điện tích ở hai đầu. Canthaxanthin : sắc tố này có hai nhóm ketone ở vị trí 4 và 4’.
Astaxanthin : sắc tố màu đỏ này có hai nhóm OH ở vị trí 3 và 3’ và có 2 nhóm keton ở vị trí 4 và 4’. Đây là thành phần sắc tố chính ở cá hồi và các loại giáp xác.
Hình 1.6: Công thức của một số dạng carotenoids của động vật thủy sinh [14]
Ngoài các sắc tố trên, còn một số sắc tố khác cũng được phát hiện nhưng với hàm lượng rất nhỏ, một số trong các sắc tố này mà sản phẩm trung gian trong quá trình trao đổi sắc tố. Một số dạng tự do của canthaxanthin và astaxanthin có thể được tổng hợp dạng công nghiệp và chúng được sử dụng trong nuôi thâm canh [14].
Màu sắc của carotenoids do thành phần quan trọng quyết định là hai loại ketocarotenoids: canthaxanthin và astaxanthin. Không giống như giáp xác, cá không có khả năng tổng hợp nên các sắc tố từ carotenoids đơn giản. Trong tự nhiên, carotenoids được cung cấp từ thức ăn tự nhiên nhưng trong môi trường thâm canh, chúng được cung cấp từ thức ăn [14]. Trong tự nhiên, astaxanthin được tìm thấy trong
cơ thể các sinh vật như trong vi tảo nước ngọt Haematococcus pluvialis, trong nấm
men Phaffia rhodozyma, trong tôm, cua và một số loài cá như cá hồng, cá hồi….Astaxanthin trong cá hồng, cá hồi chủ yếu tập trung ở phần cơ thịt, da và gan [55],[56],[57],[58], tạo cho cơ, da và trứng thủy sản có màu vàng, cam hay đỏ. Astaxanthin không phải là hormone nên không gây hại đến khả năng sinh sản của cá.
Canthaxanthin
Astaxanthin
carotene
Cá sẽ chuyển hóa Astaxanthin trong thức ăn thành tuaxanthin và tích lũy dưới da cá. Hiện nay, trong công nghệ nuôi cá cảnh, để nhuộm màu cho cơ, da hay làm cho cá chuyển màu vàng cam, màu đỏ, trong thức ăn cá cảnh thường được bổ sung Astaxanthin hay Canthaxanthin để cá có màu sắc đẹp hơn và dễ tiêu thụ hơn [42]. Ngoài ra, chất tạo màu Astaxanthin còn giúp tăng hoạt động sinh trưởng, phát triển tuyến sinh dục, tăng khả năng chịu sốc, nâng cao giá trị thương phẩm của vật nuôi. Do vậy, Astaxanthin chính là nhân tố vi lượng khá quan trọng đối với động vật thủy sinh. Trong một nghiên cứu về cá hồi Atlantic salmon, khi nuôi cá với các nồng độ Astaxanthin khác nhau (từ 0 đến 200mg kg-1), Torrissen và cộng sự đã kết luận rằng không có sự sai khác về màu sắc trong thịt cá fillet khi tăng hàm lượng Astaxanthin trên 60mg kg-1 [51].
1.5.1.3. Khả năng tiêu hóa của carotenoids của cá [16]
Sau khi tiêu hóa và hấp thu, sắc tố carotenoids có thể bài tiết ra ngoài theo con đường phân. Tuy nhiên, các sản phẩm tiêu hóa carotenoids cũng có thể bị hấp thu trở lại bởi tế bào niêm mạc ruột. Carotenoids là thành phần tan trong chất béo vì vậy khả năng hấp thu của chúng có liên quan chặt chẽ đến lipid và khả năng tiêu hóa được của chúng bị ảnh hưởng bởi thành phần lipid trong thức ăn. Astaxanthin trong các loại dầu có khả năng tiêu hóa, hấp thụ cao hơn 85 – 90% so với trong bột tôm 75 – 80%. Khả năng tiêu hóa được của carotenoids phụ thuộc chủ yếu vào dạng và sự tồn tại trong tự nhiên của carotenoids. Vì vậy, khả năng tiêu hóa được của astaxanthin có thể dao động từ 10% đến 60% và phụ thuộc rất nhiều vào nguồn gốc, trong khi khả năng tiêu hóa được của canthaxanthin chỉ có thể đạt từ 20 – 30%. Astaxanthin thường có khả năng tiêu hóa, hấp thụ tốt hơn khi chúng tồn tại dưới dạng ester so với dạng tự do [14].
Người ta cũng có thể nghiên cứu khả năng tiêu hóa được của carotenoids có trong thức ăn thông qua việc xác định hàm lượng sắc tố có trong máu cá. Canthaxanthin được tìm thấy trong serum 3 giờ sau khi cho cá ăn. Hàm lượng tối đa sau 24 giờ cho ăn. Sau thời gian này thì hàm lượng astaxanthin trong máu có giảm xuống. Hàm lượng astaxanthin trong máu có thể cao hơn từ 2 đến 3 lần so với canthaxanthin. Hàm lượng carotenoids trong máu sẽ giảm ít nhất là 3 ngày sau khi dừng bổ sung carotenoids [14].
1.5.1.4. Sự trao đổi và tiêu chuẩn đánh giá hiệu quả sắc tố của carotenoids
Phân loại carotenoids dựa trên khả năng của động vật thủy sinh đối với việc trao đổi sắc tố carotenoids thành astaxanthin. Dựa trên khả năng này mà người ta chia động vật thành 3 nhóm:
Động vật có thể chuyển hóa lutein hoặc zeaxathin thành astaxanthin. Động vật có khả năng tổng hợp astaxanthin từ beta carotene.
Động vật không thể tiến hành bất cứ sự chuyển hóa nào.
Trong cơ thể động vật thủy sinh các thành phần trao đổi carotenoids tập trung ở các mô (da, cơ, mai, tuyến sinh hóa).
Các tiêu chuẩn để xác định hiệu quả sắc tố của carotenoids. Có nhiều tiêu chuẩn khác nhau được sử dụng để đánh giá hiệu quả này, như phân tích hàm lượng carotenoids trong máu hoặc cơ, đo màu sắc của cơ và phân tích cảm quan:
Phân tích hóa học: Carotenoids không bền vững trong môi trường điều kiện có
ánh sáng, nhiệt độ, oxy, preoxyt, acid và một trong số trường hợp nhất định. Việc đo đạc hàm lượng carotenoids là một qua trình dài và được tiến hành sau khi chiết xuất, tách chiết và đo bằng máy quang phổ. Hàm lượng của mỗi sắc tố được tính toán trên chiều dài của bước sóng.
Đo màu sắc: phương pháp đo màu sắc gồm 3 đặc trưng sau:
+ Sự chuyển màu dựa trên cơ sở lựa chọn các gam màu phù hợp.
+ Màu sắc mà nó thể hiện được tỷ lệ phối hợp của các màu này với màu trắng (màu sáng hay đục mờ).
+ Dải sáng yếu đặc trưng sự phát sáng của màu sắc (sáng hoặc tối).
Phân tích bằng cảm quan.
Thông qua phân tích hóa học, hàm lượng carotenoids và xác định màu sắc của cơ là những phương pháp đòi hỏi nhiều thời gian, đắt tiền và những phương pháp này chỉ xác định sắc tố (hàm lượng hoặc màu đối với mỗi loại carotenoids).
Những phương pháp đánh giá đơn giản có thể ứng dụng trong thực tế cũng có thể đánh giá hiệu quả về màu sắc của carotenoids. Những phương pháp này dựa trên cơ sở so sánh màu sắc thịt cá hoặc với màu sắc chuẩn.
+ Tập bản đồ màu sắc (hệ thống màu sắc tự nhiên). + Các khoảng màu.
+ Các khung màu thứ tự từ 1 (không có sắc tố) đến giá trị nào đó (có thể màu đỏ) có thể là 8; hoặc 10 thậm chí là 18 tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể.
1.5.1.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến sắc tố của cá cảnh [16]
Yếu tố thức ăn:
Nguồn carotenoids: Một số nguồn sắc tố gồm nguyên liệu (ngũ cốc, tảo và giáp xác, động vật thân mềm), thịt tôm cua, bột tôm… các nguồn nguyên liệu trên tồn tại
với số lượng tương đối lớn, rẻ, dễ kiếm, chúng cũng có thể là nguồn cung cấp protein. Việc sử dụng nguồn carotenoids này sẽ làm tăng sắc tố của cá. Tuy nhiên sự xuất hiện một số vấn đề bất lợi liên quan đến thành phần sắc tố mà sự tồn tại với số lượng lớn của chúng trong nguyên liệu ảnh hưởng đến quá trình tiêu hóa của thức ăn. Ví dụ: trong vỏ giáp xác thường có hàm lượng canxi carbonate rất cao (trên 30% vật chất khô) hoặc thành tế bào rất khó tiêu hóa (chất xơ từ tảo và ngũ cốc). Qui trình công nghệ để xử lý loại bỏ các thành phần này thường có ảnh hưởng bất lợi đến sự bền vững của carotenoids. Vì vậy mà người ta thường chiết xuất sắc tố từ nguyên liệu thô trước khi bổ sung chúng vào thức ăn. Sau khi chiết xuất các thành phần sắc tố được hòa tan vào dầu thực vật hoặc động vật mà các dầu này không có thành phần carotenoids [14].
Sự tổng hợp canthaxanthin và sau đó là astaxanthin từ các nguyên liệu thô giàu carotenoids. Tuy nhiên sự bổ sung các sản phẩm canthaxanthin và astaxanthin làm tăng giá thành của thức ăn từ 15 – 30%. Mặt khác sự bổ sung này còn tùy thuộc vào luật pháp của mỗi nước. Ví dụ: Các nước trong khối liên minh Châu Âu theo điều luật chung của khối này liều lượng bổ sung cụ thể như sau: Canthaxanthin chỉ được phép với liều lượng 80 mg/kg thức ăn. Astaxanthin 100 mg/kg thức ăn [14].
Sự bền vững của carotenoids: Sự bền vững của carotenoids trong thức ăn của động vật thủy sinh là tương đối thấp. Carotenoids trong thức ăn dễ bị oxy hóa, vì vậy dễ bị thủy phân. Vì những lý do trên nên việc bảo vệ các sắc tố tổng hợp trong thức ăn có thể thực hiện được bằng cách phủ lên thức ăn một lớp gelatine. Thức ăn cũng có thể được bảo quản trong phòng lạnh trong điều kiện áp suất bình thường sau khi sản xuất, như vậy rủi ro do quá trình oxy hóa thức ăn sẽ giảm. Việc bổ sung chất chống oxy hóa cũng sẽ là tăng sự bền vững của carotenoids có trong thức ăn [14].
Thức ăn viên thường dẫn đến tình trạng hao hụt lượng sắc tố carotenoids khoảng 20% đối với canthaxanthin. Việc tăng nhiệt độ cùng với các vết rạn nứt trên bề mặt lớp áo bảo vệ thức ăn làm tăng sự hao hụt hàm lượng sắc tố carotenoids có trong thức ăn. Như vậy cùng với thời gian bảo quản thức ăn trong kho sẽ làm cho hàm lượng carotenoids trong thức ăn giảm dần [14].
Số lượng các sắc tố: Ảnh hưởng của số lượng sắc tố carotenoids được tiêu hóa bởi cá hoặc là giáp xác lên thành phần sắc tố của chúng là rất rõ rệt. Sự kết hợp carotenoids trong cơ cá tăng lên khi số lượng sắc tố được tiêu hóa và hấp thu cùng với thức ăn cao [14].
Tuy nhiên ở mức carotenoids nhất định nào đó khi hàm lượng carotenoids trong thức ăn tăng lên thì không có một ảnh hưởng nào. Ví dụ mức giới hạn đối với canthaxanthin khoảng gần 100 mg/kg thức ăn là bão hòa [14].
Cần lưu ý: Trong thịt cá sự kết hợp của canthaxanthin thường thấp hơn so với astaxanthin. Có sự khác biệt này là do sự hấp thu của astaxanthin tốt hơn canthaxanthin. Hàm lượng carotenoids trong thức ăn có thể hoàn toàn mất đi trong quá trình sản xuất và bảo quản thức ăn. Hàm lượng carotenoids trong thức ăn còn khoảng 5 – 6 mg/kg thức ăn là thích hợp [14].
Thành phần lipid thức ăn: Carotenoids là thành phần tan trong chất béo, bổ sung lipid vào thức ăn là tăng thành phần sắc tố vì sự bổ sung lipid làm tăng khả năng tiêu hóa, hấp thu các thành phần sắc tố [14].
Ảnh hưởng của bản thân động vật, khối lượng cơ thể, tuổi, sự thành thục sinh dục. Mô: Ở động vật giáp xác carotenoids được tìm thấy chủ yếu ở dạng kết hợp trong đó dạng carotenoprotein là dạng được biết nhiều nhất (chromoprotein). Dạng kết hợp này hình thành nên cơ sở của sự biến đổi rất rộng của màu sắc tùy thuộc vào dạng tự nhiên.