1.3.1. Tổng quan [4], [28], [26]
Ủ xi lô hay ủ chua thức ăn cho gia súc, động vật nuôi là phương pháp để bảo quản nguyên liệu có từ lâu đời trong nhân dân. Thức ăn ủ xi lô là một dạng thức ăn rất thiết yếu cho động vật nuôi trong nông nghiệp. Nó là kết quả của quá trình acid hóa, mà thực chất là kết quả của sự lên men trong điều kiện yếm khí.
Trong nông nghiệp, người ta sử dụng ủ xi lô cho nguyên liệu cây nông nghiệp, cỏ tươi để làm thức ăn cho động vật nuôi: Trâu, bò, heo, gà…khi nguyên liệu đã được thu hoạch, sơ chế, bảo quản đúng cách thì việc ủ xi lô ít hoặc không ảnh hưởng đến môi trường. Trong môi trường ủ, người ta thường bổ sung muối, rỉ đường thích hợp, nồng độ acid để ức chế vi sinh vật gây thối, gây hư hỏng nguyên liệu. Thức ăn ủ xi lô, trong quá trình ủ xi lô còn tạo thêm một số sản phẩm có giá trị như chất thơm, vitamin, kháng sinh (Nizin, diplocacxin…)[19]. Do đó, kích thích cho gia súc, động vật nuôi ăn ngon miệng, tiêu hóa tốt, chóng lớn, lên cân, và đồng thời kéo dài thời gian bảo quản hơn so với nguyên liệu tươi ban đầu. Tiện lợi nhất của thức ăn ủ xi lô cho cỏ tươi, cây trồng thu hoạch theo mùa vụ là có thể thực hiện ở mọi điều kiện của thời tiết. Bên cạnh đó, ta còn áp dụng ủ xi lô cho các loại hạt ngũ cốc, hướng dương,…
Ngoài việc áp dụng ủ xi lô trên nguyên liệu thuộc cây nông nghiệp, người ta còn áp dụng ủ xi lô trên phế liệu cá, nội tạng bào ngư, phế liệu đầu vỏ tôm,..để sử dụng làm thức ăn cho động vật nuôi.
Cá ủ xi lô là thức ăn động vật dạng lỏng, có thể sử dụng cá nguyên liệu hay phế liệu cá, với sự tham gia của enzyme nội tại trong bản thân nguyên liệu, các thành phần acid hay vi khuẩn lactic bổ sung vào trong quá trình ủ. Một thử nghiệm với cá ủ xi lô bắt đầu tại Thụy điển năm 1963, sử dụng acid chlohydric, acid sunfuric, acid formic và rỉ đường (Tatterson and Windsor, 1974) [28], đã cho kết quả là ức chế vi sinh vật gây thối, tăng khả năng phân giải protein, khoáng.
Việc ủ xi lô cho cá có thể thực hiện theo hai cách: Đó là ủ trực tiếp bằng việc bổ sung acid vào, hay ủ cá nhờ quá trình lên men với sự tham gia của vi
khuẩn lactic trong quá trình ủ. Cả hai cách này đều được sử dụng để cung cấp thêm thành phần dinh dưỡng vào trong thức ăn cho động vật nuôi. Cá ủ bằng quá trình ủ xi lô sinh học thì có giá trị dinh dưỡng tốt hơn là cá ủ acid (Kompiang et al., 1980).
Đối với phế liệu tôm phương pháp ủ xi lô cũng được ứng dụng khá phổ biến để bảo quản và đồng thời để chế biến dịch ủ xi lô sử dụng phối trộn thức ăn gia xúc. Một số kết quả nghiên cứu cho thấy tôm ủ xi lô hay chính là bột tôm với hàm lượng protein xấp xỉ khoảng 40% có thể thay thế cho bột cá như là một thành phần thức ăn bổ sung cho động vật nuôi vừa tiện lợi mà lại không làm giảm giá trị chất lượng thức ăn về mặt kinh tế.
Tôm ủ xi lô là thức ăn động vật dạng lỏng, đôi khi còn gọi là protein lỏng. Sự hoá lỏng của mô tôm là kết quả của việc thủy phân protein nhờ hoạt động của enzyme trong bản thân nguyên liệu, ngoài ra còn được hỗ trợ bằng cách bổ sung thêm các acid hữu cơ, vô cơ. Chất lượng của dịch ủ xi lô chủ yếu phụ thuộc vào hàm lượng các acid amin quan trọng trong đó. [4]
Tôm ủ xi lô là một phương pháp thu hồi protein từ phế liệu tôm phổ biến hiện nay. Như vậy, khi áp dụng phương pháp này, đã tận thu phần lớn protein để làm thức ăn trong chăn nuôi từ nguồn phế liệu tôm. Đồng thời trong quá trình ủ còn có một lượng khoáng trong vỏ tôm cũng được tách ra một phần do kết hợp sử dụng lượng acid hỗn hợp gồm hữu cơ và vô cơ với nồng độ và tỷ lệ thích hợp trong quá trình ủ. Bã tôm sau khi được tách riêng khỏi dịch ép, sẽ sử dụng cho việc sản xuất chitin. Có thể minh họa bằng sơ đồ quy trình đơn giản sau
Phế liệu tôm (đầu + vỏ)
Ủ xilô Ép Bã ép Dịch ép
Bảng 1.3. Thành phần gần đúng của đầu tôm ủ xi lô
% Hàm lượng ướt % Hàm lượng khô
Protein 14,10 69,0 Chất béo 1,40 6,8 Tro 3,50 17,1 Calxi 1,08 5,3 Phospho 0,30 1,5 Độẩm 81,00 7,0 Nguồn: Meyer, 1986
1.3.2. Cơ sở lý thuyết ủ xi lô bằng acid
Việc ủ xi lô có bổ sung acid nhằm mục đích hạ thấp pH ban đầu, khống chế quá trình gây thối, do vi sinh vật gây thối, bảo quản nguyên liệu đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình lên men lactic và các enzyme nội tại hoạt động.
1.3.2.1. Vai trò acid
Thông thường người ta sử dụng acid formic với hàm lượng 3% (w/v) làm tác nhân để hạ pH xuống 4,0, acid formic chứa một số thành phần có tác dụng khử trùng, ức chế vi khuẩn và bảo quản phế liệu [4].
Việc sử dụng các acid hữu cơ như acid formic để bảo quản phế liệu từ nguyên liệu tươi đã được dùng trong thực phẩm bắt đầu từ sau chiến tranh thế giới thứ II. Với những lợi ích của acid formic như trên thì ngoài ra khi sử dụng acid hữư cơ này trong quá trình ủ xi lô không tạo ra thành phần acid thừa trong dịch ủ, và do vậy không cần phải trung hòa bằng một bazơ trước khi sử dụng. Nhìn chung giá thành của acid hữu cơ này tương đối cao nên người ta đã kết hợp thêm các thành phần acid vô cơ khác để có thể giảm bớt giá thành sử dụng [26]. Vì vậy, khi ủ xi lô cho phế liệu tôm, có thể sử dụng hỗn hợp acid hữu cơ và vô cơ như là acid formic, acid chlohydric, và/ho ặc acid sunfuric, acid propyonic và hydrochloric và/hoặc acid sunfuric với các nồng độ khác nhau [4].
Theo Windsor và Barlow (1981) sử dụng nguyên liệu hoặc phế liệu thủy sản để ủ xi lô là một dạng thức ăn cho động vật nuôi vừa rẻ lại vừa đơn giản. Người ta có thể sử dụng cá sau khi đánh bắt hoặc phế liệu từ cá sau các quá trình
gia công chế biến, cùng với việc bổ sung thêm lượng acid hữu cơ, vô cơ như là acid formic với acid sunfuric, hay acid formic với acid chlohydric.. hay là thêm vào đó một nguồn carbohydrate để thúc đẩy quá trình lên men. Trong suốt thời gian ủ, enzyme nội tại, phân giải protein sẽ phá vỡ cấu trúc tế bào phân tử protein hình thành nên các peptid, amino acid với khả năng hòa tan và ổn định trong dịch ủ. Sự hiện diện của acid hữu cơ và vô cơ và quá trình lên men lactic sẽ làm giảm pH của môi trường, ức chế sự phát triển của vi khuẩn gây thối rữa, và do đó kéo dài thời gian bảo quản cho nguyên liệu.
Việc kết hợp bổ sung acid ở nồng độ thấp trong quá trình ủ xi lô có những tác dụng đáng kể sau:
+ Có tác dụng thủy phân protein trong phế liệu tôm do hoạt động của enzyme protease trong bản thân nguyên liệu, hạ pH thúc đẩy lên mem lactic nhờ quá trình ủ có bổ sung rỉ đường.
+ Ức chế hoạt động, sự phát triển của vi sinh vật gây thối, nấm mốc, bảo quản cho vỏ tôm không bị hư hỏng, đảm bảo chất lượng chitin sau này.
+ Với acid hữu cơ có tác dụng kháng khuẩn, decalxi hóa, tách khoáng ra khỏi vỏ tôm tạo điều kiện thuận lợi khi sản xuất chitin.
+ Mặt khác còn tạo thành dịch protein lỏng có giá trị về mặt dinh dưỡng khi thu hồi tận dụng làm thức ăn cho gia súc động vật nuôi, có tác dụng ngăn chặn sự oxy hóa astaxanthin, ổn định hàm lượng này để có thể tận thu dịch.
Do đó việc ủ xi lô cho phế liệu tôm sử dụng phương pháp sinh học kết hợp với phương pháp hóa học để tách protein và khoáng từ phế liệu tôm, ta có thể áp dụng phương pháp này như là một bước tiền xử lý để giảm thiểu được lượng hóa chất cần thiết trước khi sản xuất chitin. Khi ủ xi lô ngoài việc bổ sung hỗn hợp acid hữu cơ và vô cơ như formic, sunfuric cho vào nguyên liệu trước khi ủ như 2% acid formic (w/v), 2% acid sunfuric (w/v) [34], để sản xuất chitin, đối với dịch ủ có thể bổ sung thêm một số chất kháng khuẩn, phòng thối, chống oxy
H2N – CH – CO – NH – CH – CO – R1 R2 enzym e H2O Polypeptid H2N – CH – COOH R1 +H2N – CH – CO – NH – CH – R2 R3
hóa, Natribenzoate, Kalisorbate, muối hạt để đảm bảo đồng thời vỏ tôm ít bị biến đổi chất lượng, bảo vệ thành phần astaxanthin ít bị oxy hóa. Mặt khác, còn sử dụng thành phần rỉ đường từ 10÷20% [28], để kích thích quá trình lên men vi khuẩn trong khi ủ. Tuy nhiên việc sử dụng acid vô cơ được khuyến cáo hạn chế sử dụng do tác động xấu đến chất lượng chitin, môi trường và chất lượng dịch ủ (nếu sử dụng phải trung hòa dịch ủ), các acid hữu cơ mang tính ưu việc hơn nó khắc phục được những nhược điểm của acid vô cơ, tuy nhiên giá thành cao hơn.
Ứng dụng acid hữu cơ trong việc khử khoáng từ phế liệu thủy sản trong sản xuất chitin, chitosan
Ứng dụng acid hữu cơ trong việc khử khoáng của phế liệu thủy sản trong sản xuất chitin, chitosan đã được các nhà khoa học nghiên cứu rộng rãi, tiêu biểu là đề tài nghiên cứu của Pratya Charoenvuttitham ; John Shi ; Gauri S. Mittal [31] sử dụng acid hữu cơ để khử khoáng trong sản xuất chitin từ phế liệu tôm sú, với chế độ khử khoáng HCOOH 0,25M, acid citric 0,25M, nhiệt độ phòng, thời gian 30 phút, tỷ lệ 1/28(w/v), hiệu suất khử khoáng là 88,1±1,8%.
Ngoài ra Nesreen Samir Mahmoud, Abdelkader Ghaly [30] sử dụng acid lactic và acid acetic ở các chế độ thời gian, nhiệt độ, nồng độ khác nhau cũng thu được kết quả khử khoáng đạt hiệu suất 82-95%.
Ưu điểm của việc sử dụng acid hữu cơ là ít ảnh hưởng đến tính chất, chất lượng chitosan, ít ảnh hưởng và tác động xấu đến môi trường. Mặc khác, các sản phẩm trung gian của quá trình nếu thu hồi sử dụng không phải trung hòa và không ảnh hưởng đến sức khỏe con người hay vật nuôi.
Qua đó, nhận thấy ưu điểm khi áp dụng phương pháp ủ xilô kết hợp bổ sung acid hữu cơ cho phế liệu tôm là không những tách được đáng kể protein và khoáng trong vỏ tôm hạn chế lượng hóa chất sau này khi sản xuất chitin. Đồng thời còn có thể tận thu các thành phần giá trị trong dịch ủ để sản xuất thức ăn trong chăn nuôi, do nồng độ hóa chất sử dụng trong khi ủ là không cao.
Như vậy, khi sử dụng phương pháp này để tách protein và khoáng trước
khi sử dụng sản xuất chitin thì có thể giảm bớt lượng hóa chất sử dụng cần thiết.
Mặt khác đối với các sản phẩm cần thu hồi trong dịch ủ khi bổ sung acid hữu cơ
cao chất lượng dịch ủ (Sachindra và cộng sự, 2006). Bên cạnh đó là việc lợi
dụng bản thân enzyme protease trong phế liệu tôm để thủy phân protein; kết hợp
với một lượng acid hữu cơ theo tỷ lệ thích hợp; ủ trong một thời gian nhất định,
sẽ có bã tôm với hàm lượng khoáng, protein, sắc tố,.. tách ra đáng kể. Vì vậy,
quá trình sản xuất chitin sẽ ít tốn kém hóa chất hơn, thời gian sản xuất ngắn.
1.3.2.2. Enzyme
Trong quá trình ủ xi lô các enzym trong phế liệu đầu, vỏ tôm đóng vai trò chính của quá trình phân giải protein. Cơ chế phân giải protein cũng giống như sử dụng xút để khử protein. Tuy nhiên, việc sử dụng enzyme đem đến nhiều mặt tích cực hơn như nâng cao chất lượng chitin, chitosan, hàm lượng protein- astaxanthin[12] [20]… Trong phế liệu tôm có chứa một số loại enzyme, theo tạp chí Khoa học và Công nghệ Thủy sản (số 05/1993) thì hoạt độ enzyme của protease của đầu tôm khoảng 6,5 đơn vị hoạt độ/g tươi. Trong đầu tôm có chứa enzyme tiêu hóa chymotrypsin và một vài loại enzyme khác có mặt trong phế liệu tôm như alkaline phosphatase, -N-acetyl glucosaminse, chitinase cũng được ứng dụng nhiều trong thực tế.
1.3.2.3. Quá trình ủ lên men lactic
Lên men lactic là một trong những quá trình công nghệ phát triển từ lâu đời và được con người ứng dụng sớm nhất trong bảo quản và chế biến thực phẩm (sữa lên men, thịt lên men, rau lên men, các sản phẩm đồ uống) cũng như trong nhiều lĩnh vực khác như y dược, hoá chất và chăn nuôi.
Quá trình tạo ra các acid, chủ yếu là acid lactic là tác nhân chủ yếu trong việc sử dụng lên men lactic. Các chủng lactic có mặt trong sản phẩm sẽ làm thay đổi các tính chất cảm quan và giá trị dinh dưỡng của sản phẩm. Các sản phẩm sinh ra trong quá trình lên men sẽ ức chế sự hoạt động của đa số các vi sinh vật gây thối khác, do đó làm tăng tính an toàn và kéo dài thời gian bảo quản của sản phẩm. Các loài vi khuẩn lactic bao gồm: Lactococcus, Leuconostoc,
Bifidobacterium, Carnobacterium, Enterococcus, Sporolactobacillus [22].
Lên men lactic được thực hiện trong điều kiện có mặt của hệ vi khuẩn lactic và nguồn cơ chất là cacbonhydrate như: Saccharose, glucose, fructose, tinh bột ngô, tinh bột sắn…kết quả là trong điều kiện thích hợp cho sự hoạt động của
vi khuẩn lactic sẽ tạo ra acid lactic và một số loại protease (Rao và cộng sự, 2000). Acid lactic sẽ làm hạ pH và ức chế sự hoạt động của các vi sinh vật gây thối rữa. Thành phần canxicacbonat trong vỏ tôm sẽ tác dụng với acid lactic để tạo ra lactatcanxi ở dạng không hoà tan. P hản ứng này gần tương tự như quá trình khử khoáng bởi HCl trong phương pháp hoá học. Sơ đồ của phản ứng như sau:
CaCO3 + 2CH3CHOHCOOH (CH3CHOHCOO)2Ca + H2O + CO2 Đồng thời trong quá trình này protein cũng bị hoá lỏng do hệ enzyme có sẵn trong nguyên liệu và do vi khuẩn lactic sinh ra [34], [22].
Trong quá trình lên men lactic ở giai đoạn đầu vi khuẩn lactic và vi khuẩn khác đều hoạt động, số lượng vi khuẩn lactic chiếm đa số, đồng thời với số lượng vượt trội vi khuẩn lactic sẽ hấp thu cơ chất để hạ pH của môi trường. Vì vậy, trong giai đoạn này cần tạo điều kiện tốt cho vi khuẩn lactic phát triển. Vi khuẩn lactic hô hấp yếm khí tuyệt đối, vì vậy cần tạo ra môi trường không có oxy [18]. Trong công nghệ lên men lactic người ta thường nghiền nguyên liệu nhỏ để tăng bề mặt tiếp xúc, hạn chế oxy.
Bảng 1.4. Một số loài vi khuẩn lactic được tìm thấy trong thành phần ủ [36]
Giống Lên men Glucose Hình thái học Loài
Lactobacillus Đồng hình Que L. acidophilus
L. casei L. coryniformis L. curvatus L. plantarum L. salivarius Dị hình Que L. brevis L. buchneri L. fermentum L. viridescens
Pediococcus Đồng hình Cầu khuẩn P. acidilacti
H2N – CH – CO – NH – CH – R1 R2 enzym e H2O Polypeptide H2N – CH – R1 +H2N – CH – CO – NH – CH R2 R3
P. damnosus (cerevisiae) P. pentosaceus
E. faecalis
Enterococcus Đồng hình Cầu khuẩn E. faecium E. faecium
Lactococcus Đồng hình Cầu khuẩn E. faecium
Streptococcus Đồng hình Cầu khuẩn S. bovis
Leuconostoc Dị hình Cầu khuẩn L. mesenteroides
Theo Tomas James Rees (1997) trong thành phần ủ chua của đầu tôm vi khuẩn lactic chủ yếu gồm 6 giống là Lactobacillus, Pediococcus, Enterococcus, Lactococcus, Streptococcus và Leuconostoc. Trong số 6 giống này chỉ có giống
Leuconostoc và loài L. brevis lên men glucose dị hình, còn lại đều là lên men đồng hình. Do có rất nhiều loài vi khuẩn lactic tham gia trong quá trình lên men lactic. Vì vậy sản phẩm tạo thành cũng rất đa dạng, các sản phẩm bao gồm acid lactic, acid butyric, acid acetic, CO2, các chất kháng sinh.
Vi khuẩn lactic bị dừng hoạt động ở pH môi trường <3,0, khi đó hệ thống đã xảy ra hiện tượng nuôi ngược âm. Điều này có nghĩa là chất được sinh ra (acid