3. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỂN
1.2.7. Tình hình nghiên cứu sử dụng bã sắn lên men trong chăn nuôi
1.2.7.1. Phương pháp lên men vi sinh vật
Trong quá trình lên men của củ sắn và sản phẩm của sắn, có hai kỹ thuật lên men phổ biến đã được lựa chọn, đó là: kỹ thuật lên men lỏng hoặc lên men chìm và kỹ thuật lên men bề mặt rắn. Balagopalan và cs, (2002) đã mô tả các kỹ thuật lên men; trong đó lên men lỏng trong điều kiện có mặt của nước ở trạng thái tự do, còn các chất dinh dưỡng ở dạng carbon, nitrogen, phosphor và các chất khác thì ở dạng hòa tan trong nước. Trong khi đó kỹ thuật lên men bề mặt rắn (Solid substrate fermentations, SSF), là một hệ thống sinh học bao gồm có cơ chất ở dạng rắn, xốp, nước ở dạng liên kết với cơ chất, và lên men rắn có thể thực hiện được hay không là nhờ lượng nước có trong môi trường yếm khí, trong đó hỗn hợp khí oxy với các loại khí được khác tự do lưu thông dưới một áp lực tương đối thấp trong chất rắn lên men (Raimbault, 1998). Điều kiện khác tối ưu cho kỹ thuật lên men rắn là cơ chất rắn phải có bề mặt tốt phù hợp cho sự sinh trưởng và phát triển của nấm mốc, nấm men, hoặc các vi khuẩn có lợi khác. Các vi sinh vật có lợi thường được nuôi cấy trên bề mặt chất rắn ẩm như cám gạo, bã bia, phế phụ phẩm nông nghiệp. Các chất dinh dưỡng trong môi trường nuôi cấy thường được bổ sung các chất dinh dưỡng như N, P, K.
Lên men trong môi trường rắn có một số ưu thế so với lên men trong môi trường lỏng, ví dụ như việc cung cấp oxy cho vi sinh vật thuận tiện hơn do hàm lượng oxy trong không khí cao hơn; trang thiết bị đơn giản, chi phí năng lượng thấp, dễ thích ứng với điều kiện nông thôn, loại bỏ các chất tạo bọt và giảm chi phí của các sản phẩm cuối cùng (Brook và cs, 1969).
(Gregory, 1977 và Gregory và cs, 1977) đã thông báo một số công trình lên men bã sắn ở Canada sử dụng nấm chịu nhiệt để làm tăng protein thô của bã sắn làm thức ăn chăn nuôi. Theo Muindi và Hanssen, (1981 b) và Mikami và cs, (1982) đã sử dụng phương pháp lên men lỏng với hai chủng nấm ưa acid: Trichoderma harzianum
và Cephalosporium eichhorniae tương ứng để làm giàu protein của bã sắn. Kết quả cho thấy protein thô đạt 37,6% (từ 2,4% trong bột sắn không được lên men) và 41% protein thô tính theo vật chất khô cho Trichoderma harzianum và Cephalosporium eichhorniae, tương ứng.
Oboh và Akindahunsi, (2003) đã sử dụng nấm men Saccharomyces cerevisiae
và Lactobacillus để làm tăng hàm lượng dinh dưỡng của vỏ sắn, kết quả cho thấy hàm lượng protein của vỏ sắn lên men tăng 8,2% so với vỏ chưa lên men. Ngoài ra có thể sử dụng nấm men phối hợp với nấm sợi để lên men làm giàu protein cho các nguyên liệu như sắn, bã sắn, chuối khô, vỏ chuối, bã củ cải đường.
1.2.7.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
- Nghiên cứu của Thongkratok và cs, (2010) đã sử dụng 3 chủng vi sinh vật
Aspergillus oryzae (3019), Saccharomyces cerevisiae (EC1118) và Candida utilis
(5046) để lên men bã sắn với nồng độ urê khác nhau (0; 0,25; 0,50; 0,75; 1,0 và 1,25%, tương ứng) trong 7 ngày. Kết quả cho thấy hàm lượng đường trong bã sắn đã giảm sau khi lên men với A. oryzae ở mức urê 0,25% trong 3 ngày và sau đó có xu hướng giảm vào cuối giai đoạn lên men. Trong khi đó sự giảm lượng đường trong bã sắn lên men với S. cerevisiae và C. utilis là không đáng kể ở tất cả các nồng độ urê và thời gian lên men. Nhìn chung, các vi sinh vật khác nhau có khả năng sản sinh enzyme thủy phân tinh bột thành đường và glucose khác nhau (Sun và cs, 2009).
Theo Begum và cs, (2009), Aspergillus được sử dụng rộng rãi để sản xuất enzyme cellulose và amylase thương mại. Đặc biệt A. oryzae có khả năng sinh enzyme cellulase cần thiết cho sự chuyển hóa của cellulose thành những phân tử đường. Ngoài ra A. oryzae cũng có một khả năng sản xuất α - amylase trong quá trình lên men trạng thái rắn của bã bia (Francis và cs, 2002) và cám lúa mì (Sivaramakrishnan và cs, 2007). Vì vậy, với sự giảm hàm lượng đường cao nhất của quá trình lên men bã sắn với A. oryzae cho thấy A. oryzae có khả năng sản sinh enzyme cellulase và amylase để thủy phân liên kết glucosidic trong polysaccharide tốt hơn S. cerevisiae và C. utilis.
- Các chủng vi sinh vật, nồng độ urea và thời gian lên men khác nhau cũng ảnh hưởng đến hàm lượng các chất dinh dưỡng có trong bã sắn. Hiện tượng này là do những tác động của quá trình phát triển tế bào vi sinh vật và nguồn N từ urê (Belewu và Babalola, 2009).
- Chumkhunthod và cs, (2001) cho rằng củ sắn lên men với C. utilis có thể làm tăng lượng protein thô lên đến 18,3%, protein thô sản xuất từ A. oryzae, S. cerevisiae và C. utilis là 18,11% lên men trong 1 ngày tại 1,25% urê, 21,21% lên men trong 6 ngày ở 1,25% urê và 19,18% lên men trong 2 ngày tại 1,25% urê, tương ứng.
- Tuy nhiên, sự tăng protein này đã được bao gồm một phần của N từ urê được coi là một loại phi protein và không hữu ích cho động vật dạ dày đơn.
- Kết quả nghiên cứu của Thongkratok và cs, (2010), kết luận rằng điều kiện tối ưu cho A. oryzae, S. cerevisiae và C. utilis sinh trưởng trong bã sắn cho sinh khối cao nhất tại nồng độ urê 0,75%, và thời gian lên men trong 4 ngày, và tại nồng độ urê 0,5% và thời gian lên men trong 6 ngày; và tại nồng độ urê 1,25% và thời gian lên men trong 5 ngày, tương ứng.
- Trong những điều kiện này, A. oryzae, S. cerevisiae và C. utilis có thể sản xuất protein và amino N từ 2,59% so với 0,89% (chưa lên men) lên 17,4% so với 15,1% và 10,0% so với 7,58% và 16,82% so với 9,2%, tương ứng. Có sự tương tác của các vi sinh vật, nồng độ urê và thời gian lên men đã được tìm thấy Varghese và cs, (1976); (Thongkratok và cs, 2010) đã lên men củ sắn trên môi trường rắn với nấm Aspergillus neurospora và Rhizopus, kết quả đã làm tăng hàm lượng protein lên đến 7%.
Bảng 1.9. Làm giàu protein sắn bằng cách lên men trạng thái rắn
Các chất ban đầu Thành phần Bột sắn 100 g (NH4)2SO4 9 g Urea 2,7 g KH2PO4 5 g Nước 100 - 120 g
Điều kiện phát triển
T0 35 - 400C; pH: 3.5
Bào tử ủ: 2 x 107 bào tử/g bột sắn Thời gian lên men: 30 h
Thành phần của sản phẩm
Protein 18 - 20%
Đường 25 - 30%
Nước 63%
- Các nguyên tắc cơ bản để làm giàu protein bã sắn qua chất nền lên men bề mặt rắn đã được báo cáo bởi Raimbault và cs, (1977), protein thô của bột sắn từ 1% lên 18-20%, nâng cao từ 1.700-1.900% chỉ trong vòng 30 giờ, (bảng 1.9). Raimbault và cs, (1985) đã nghiên cứu khả năng sử dụng các chế phẩm của chủng nấm từ Mỹ, châu Phi và châu Á cho các thử nghiệm cơ chất lên men rắn với bã sắn. Kết quả đã cho
thấy hàm lượng protein tăng khác nhau, từ 10,9-16,5%. Nghiên cứu của Kompiang và cs, (1992) cho rằng khi sử dụng 2 g A. niger/kg hỗn hợp chất dinh dưỡng đã làm tăng hàm lượng protein trong củ sắn từ 3% đến 18-42% thông qua SSF với Aspergillus niger, urê, khoáng và muối với thành phần sau đây: urê (16,7g), (NH4)2SO4 (32,2g), NaH2PO4 (62,5g), MgSO4 (2,08g), KCl (0,63g) và FeSO4 (0,31g).
- Công trình nghiên cứu của các tác giả (Kompiang và cs, 1995 và Nwafor và Ejukonemu, 2004) đã đưa ra bằng chứng rõ ràng về làm giàu protein của bã sắn thông qua quá trình lên men. Các chất làm giảm chất dinh dưỡng trong sắn đặc biệt là tannin hydrogen cyanide và phytates đã được báo cáo bởi (Oboh và Akindahunsi, 2003) trong khi sự an toàn và bảo quản các sản phẩm lên men như gari và lafun ở Nigeria thông qua quá trình axit hóa và mất nước theo báo cáo của (Akindahunsi và cs, 1999 và Oboh và cs, 2000).
Bảng 1.10. Thành phần dinh dưỡng của bã sắn có hoặc
không có sự lên men của vi sinh vật
Chỉ tiêu T1 T2 T3 T4 T5 Độ ẩm (%) 5,16 ± 0,91a 3,66 ± 0,26c 4,52 ± 0,65b 3,09 ± 1,46d 2,83 ± 0,21d Protein thô (%) 1,12 ± 0,04c 7,00 ± 0,03a 5,83 ± 0,58b 7,00 ± 0,02a 6,71 ± 0,29ab Xơ thô (%) 19,20 ± 0,23a 14,77 ± 0,48bc 13,74 ± 0,49bc 16,92 ± 0,44b 18,18 ± 0,50ab Khoáng (%) 2,74 ± 0,04b 3,04 ± 0,29b 3,96 ± 0,25a 3,63 ± 0,21ab 3,39 ± 0,03ab Mỡ thô (%) 2,03 ± 0,06d 3,97 ± 0,09b 4,11 ± 0,03a 3,21 ± 0,03c 3,85 ± 0,09b Dẫn xuất không đạm (%) 74,81 71,22 72,35 69,24 67,86 Xơ tan (%) 40,89 ± 0,40a 30,74 ± 1,04d 29,45 ± 0,17c 38,99 ± 0,74ab 38,46 ± 0,24ab NDF (%) 17,64 ± 0,06b 4,02 ± 0,03c 10,16 ± 0,01c 12,20 ± 0,04c 34,17 ± 0,02a Hemicellulose (%) 23,25 26,72 19,29 26,79 4,29
T1, bã sắn chưa lên men; T2, bã sắn lên men với A. fumigates + L. delbrueckii và L. coryneformis; T3, bã sắn lên men với A. niger + L. delbrueckii và L. coryneformis, T4, bã sắn lên men với A. flavus + L. delbrueckii và L. coryneformis, T5, bã sắn lên men với S. cerevisiae + L. delbrueckii
và L. coryneformis.
abcdGiá trị trung bình trong cùng một hàng nhưng với chữ cái khác nhau là khác nhau về mặt thống kê (P <0,05). (Nguồn: Aro và cs, (2008)).
- Theo Aro và cs, (2008) đã tiến hành một thử nghiệm trong đó bã sắn đã được lên men riêng biệt với bốn loài nấm và hai loài vi khuẩn acid lactid trong 14 ngày sử dụng kỹ thuật SSF. Bốn loài nấm sử dụng trong thử nghiệm này là Aspergillus fumigatus, A. niger, Aspergillus flavus và Saccharomyces cerevisiae, trong khi vi khuẩn là Lactobacillus delbrueckii và Lactobacillus coryneformis. Kết quả, thành phần dinh dưỡng và hàm lượng khoáng của bã sắn thí nghiệm được thể hiện trong (bảng 1.10, 1.11 và 1.12).
- Nghiên cứu của nhiều tác giả đã cho thấy những lợi ích tiềm năng từ sự lên men của vi sinh vật, thông qua phương pháp lên men để làm tăng các chất dinh dưỡng và làm giảm độc tố, hoặc các chất kháng dinh dưỡng (bảng 1.11).
- Các thí nghiệm về bã sắn lên men được thực hiện bởi Padmaja và Balagopalan (1990), Kompiang và cs, (1995) và Nur (1995) trên gà thịt. Các tác giả kết luận có thể sử dụng 10% bã sắn lên men trong khẩu phần, thậm chí tăng lên trên 12% đến 16% bã sắn lên men trong khẩu phần mà không ảnh hưởng đến hiệu quả sinh trưởng của gà (Nur, 1995; Thongkratok và cs, 2010).
Bảng 1.11. Các chất kháng dinh dưỡng của bã sắn có hoặc
không có sự lên men vi sinh vật
Thông số T1 T2 T3 T4 T5 Cyanide (mg/kg) 17,88 ± 0,08a 9,84 ± 0,08 10,48 ± 0,27b 10,91 ± 0,16b 9,40 ± 0,13c Phytate (mg/kg) 9,89 ± 0,48a 7,41 ± 0,48b 9,21 ± 0,08a 2,75 ± 0,28c 8,84 ± 0,10a Oxalate (mg/kg) 270,10 ± 2,54a 56,32 ± 1,29e 158,78 ± 1,70c 203,45 ± 0,81b 95,39 ± 4,60d Tannin (%) 0,09 ± 0,00a 0,05 ± 0,00b 0,04 ± 0,00bc 0,04 ± 0,00bc 0,05 ± 0,00b Saponin (%) 0,04 ± 0,00a 0,02 ± 0,00bc 0,03 ± 0,00ab 0,02 ± 0,00bc 0,01 ± 0,00c Total alkaloids (%) 5,44 ± 0,04a 0,12 ± 0,05d 0,64 ± 0,02b 0,29 ± 0,01c 0,03 ± 0,01e
T1, bã sắn chưa lên men; T2, bã sắn lên men với A. fumigates + L. delbrueckii và L. coryneformis; T3, bã sắn lên men với A. niger + L. delbrueckii và L. coryneformis; T4, bã sắn lên men với A. flavus + L. delbrueckii và L. coryneformis; T5, bã sắn lên men với S. cerevisiae + L. delbrueckiiand L. coryneformis.
abcdGiá trị trung bình trong cùng một hàng nhưng với chữ cái khác nhau là khác nhau về mặt thống kê (P <0,05). (Nguồn: Aro và cs, (2008)).
- Lên men vi sinh đã đóng một vai trò quan trọng trong việc nâng cao giá trị dinh dưỡng của các phụ phẩm của ngành nông công nghiệp tạo ra. Vô số phân tích trong phòng thí nghiệm và động vật thử nghiệm đã cho thấy các giá trị dinh dưỡng của vi khuẩn có thể lên men sản phẩm sắn và các sản phẩm phụ. Quá trình lên men cũng đã làm giảm các chất độc tốc và tăng hàm lượng calo của vỏ sắn và bã sắn. Tại Nigeria đã nỗ lực nghiên cứu để làm tăng thêm hàm lượng năng lượng của các chất thải nông nghiệp thông qua quá trình lên vi sinh để tiến tới có thể thay thế các thành phần thường rất đắt tiền như ngô, bột đậu tương và kê trong công thức khẩu phần chăn nuôi thực tế.
Bảng 1.12. Hàm lượng khoáng của bã sắn chưa lên men và lên men Chất khoáng T1 T2 T3 T4 T5 Calcium (ppm) 403,45 ± 2,90ab 410,23 ± 1,97a 308,18 ± 0,23c 416,45 ± 1,43a 392,08 ± 3,67b Potassium (ppm) 384,76 ± 2,76a 410,08 ± 3,98a 315,27 ± 2,43c 292,36 ± 3,07d 276,19 ± 3,46d Magnesium (ppm) 449,21 ± 8,18c 488,28 ± 5,63b 425,33 ± 3,30d 438,85 ± 2,86cd 511,17 ± 4,15a Iron (ppm) 41,29 ± 0,37a 36,80 ± 0,76b 35,30 ± 1,94b 38,00 ± 0,79ab 34,12 ± 0,54b Manganese (ppm) ND ND ND ND ND Copper (ppm) ND ND ND ND ND Sodium (ppm) 418,12 ± 2,63d 502,60 ± 3,03a 477,14 ± 5,70b 433,21 ± 2,93c 441,32 ± 3,63c Selenium (ppm) ND ND 0,81 ± 0,02b 1,60 ± 0,09a 0,83 ± 0,03b Phosphorus (ppm) 257,10 ± 2,75b 531.30 ± 2,54a 239,50 ± 2,68d 236,40 ± 2,87d 246,40 ± 1,82c
T1, bã sắn chưa lên men; T2, bã sắn lên men với A. fumigates + L. delbrueckii và L. coryneformis; T3, bã sắn lên men với A. niger + L. delbrueckii và L. Coryneformis; T4, bã sắn lên men với A. flavus + L. delbrueckii và L. Coryneformis; T5, bã sắn lên men với S. cerevisiae + L. delbrueckii và L. Coryneformis; ND, không phát hiện.
abcdGiá trị trung bình trong cùng một hàng nhưng với chữ cái khác nhau là khác nhau về mặt thống kê (P < 0,05). (Nguồn: Aro và cs, (2008 )).
- Phương pháp lêm men phụ phẩm nhờ vi sinh vật để làm tăng giá trị dinh dưỡng, giảm độc tố và tăng thời gian bảo quản như là một giải pháp để gải quyết các vấn đề nêu trên. Các vi sinh vật thường được sử dụng để lên men phụ phẩm là
Saccharomycecerevisiae, Mucor sp., Rhizopus sp. hoặc Aspergillus niger Aro, và cs, (2008), đã làm tăng hàm lượng protein từ 2,03 đến 18,05% (Nwafor và Ejukonemu, 2004). Đặc biệt, khi sử dụng hỗn hợp nhiều vi sinh vật và thời gian lên men khác nhau cũng ảnh hưởng đến hàm lượng protein của bã sắn.
1.2.7.3. Tình hình nghiên cứu trong nước
Để tránh cho gia súc, gia cầm không bị ngộ độc HCN đồng thời làm tăng giá trị sử dụng sắn thì cần thiết phải nghiên cứu các biện pháp khử HCN ra khỏi sắn. Đã có nhiều công trình nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng sắn và sản phẩm phụ của sắn thông qua nhiều phương chế biến như sau:
- Ngâm vào nước nhằm tạo môi trường đủ lớn phù hợp cho sự lên men và cho phép loại trực tiếp glucoside cũng như một lượng nhỏ HCN hòa tan trong nước. Sau khi ngâm sắn tươi trong 4 giờ có thể làm giảm 20% lượng HCN tự do trong sắn.
- Phân giải cyanogenic glucoside thành aceton và acid hydrocyanic dưới tác dụng của các enzyme linayrase trong sắn, sau đó loại bỏ HCN bằng cách cho bốc hơi
hoặc rửa trôi. Nguyên tắc này được áp dụng nhiều trong kỹ thuật chế biến sắn như sắn thái lát, nghiền mài, phơi khô, ủ chua lên men vi sinh vật. Trong quá trình cắt, sấy, phơi đã làm thay đổi hình thái, cấu trúc sinh thái tế bào đồng thời xảy ra sự tiếp xúc giữa glucoside và enzyme dẫn đến HCN tự do được giải phóng và bay hơi. Phơi khô là phương pháp rẻ nhất ở vùng nhiệt đới. Tuy nhiên ít có hiệu quả kinh tế vì giá bã sắn phơi khô trên thị trường rất thấp. Khi phơi khô còn phụ thuộc vào điều kiện khí hậu, gây mùi hôi. Hơn nữa không thể áp dụng cho các cơ sở sản xuất lớn vì lượng bã sắn thải ra hàng ngày quá nhiều.
Ủ chua là phương pháp đã được nhiều tác giả nghiên cứu để chế biến và bảo quản bã sắn làm thức ăn cho gia súc nhai lại như Bùi Quang Tuấn, (2005). Theo kết quả nghiên cứu của Bùi Văn Chính, Lê Viết Ly, (2001) khi chế biến sắn bằng phương pháp ủ chua đã làm giảm rõ rệt hàm lượng độc tố. Nếu lá sắn tươi hàm lượng HCN là 862,5 mg/kg VCK thì ủ chua chỉ còn 32,5 mg/kg VCK; bột khô chỉ còn có 90,2 mg/kg VCK. Theo quy định của Cộng đồng Châu Âu (EC) thì hỗn hợp cho gia súc chỉ được