a. Nguyên lý của phương pháp
Trong quá trình thủy phân protein, đầu tiên nguyên liệu được nghiền nhỏ. Quá trình thủy phân bằng enzyme làm phá vỡ các phân tử protein mạch dài thành một loạt các peptide nhỏ hơn và các amino axit, đồng thời làm phá vỡ các mô (Dumay và cộng sự, 2006) [47], thúc đẩy dầu được giải phóng ra ngoài dễ dàng hơn. Điều này cũng làm thay đổi các tính chất của protein, từ không tan thành tan trong nước.
b. Ưu điểm của phương pháp
Ưu điểm chính đối với phương pháp tách chiết dầu bằng enzyme là có thể được
tiến hành dưới các điều kiện nhẹ nhàng như: nhiệt độ thấp ( < 600C) nên hạn chế sự
oxy hóa các axit béo không bão hòa đa nối đôi (PUFA), không sử dụng dung môi hữu cơ và quá trình thủy phân tiến hành trong một khoảng thời gian ngắn (Mbatia, 2011) [73]. Do đó, dầu thu được có chất lượng cao hơn và an toàn hơn so với các phương
pháp truyền thống. Sự phá vỡ mô tế bào bằng enzyme là một phương pháp thay thế nhiều triển vọng. Không những thế, một loạt các sản phẩm phục vụ cho nhu cầu tiêu dùng của người và động vật có thể thu được khi sử dụng phương pháp này. Thêm nữa, các tính chất chức năng của protein được giữ nguyên, trong khi phần còn lại không bị thủy phân có thể dùng để sản xuất bột cá giàu protein chất lượng cao. Sản phẩm thủy phân tạo thành cũng cung cấp một nguồn protein cá hòa tan và phospholipid rất tốt. Vì vậy, thủy phân bằng enzyme có thể mang lại việc thu hồi nhiều sản phẩm (gồm dầu cá, bột đạm thủy phân, bột khoáng và bột protein không tan), dẫn đến việc sử dụng tối đa các phế liệu từ quá trình chế biến cá [73], [74], [84].
c. Sơ đồ tách dầu theo phương pháp thủy phân bằng enzyme
Sơ đồ Hình 1.5 thể hiện các công đoạn chính của một quá trình thủy phân phế liệu cá để thu dầu:
Hình 1.4. Các công đoạn chính của quá trình thu hồi dầu bằng phương pháp thủy phân (Mbatia, 2011) [73]
d. Sự thủy phân các phế liệu cá bằng các enzyme protease thương mại và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân thu hồi dầu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân thu hồi dầu
Sự thủy phân các phế liệu cá bằng các enzyme thương mại
Việc sử dụng các enzyme bên ngoài (bổ sung) làm cho quá trình thủy phân dễ kiểm soát và thời gian thủy phân cũng được giảm xuống. Việc sử dụng tỷ lệ enzyme/cơ chất và thời gian phản ứng thích hợp cho phép cải thiện hiệu suất thu hồi dầu. Xấp xỉ 80% tổng lượng lipid có thể được phân tách từ phế liệu cá sau khi thủy phân bằng enzyme (Mbatia, 2011) [73].
Phế liệu cá Xay nhỏ Thủy phân
Xương Lọc Ly tâm Phần Lỏng Cặn Dịch lỏng Nhũ tương Dầu
Năm 2002, Liaset và cộng sự đã sử dụng enzyme Protamex để thủy phân các phần còn lại của cá hồi sau khi fillet. Kết quả nghiên cứu cho thấy sau khi thủy phân với các điều kiện hoạt động tối ưu của enzyme Protamex, phần lipid thu được sau quá trình ly tâm xấp xỉ 77% lượng lipid tổng số có trong nguyên liệu ban đầu và phần lipid này có chứa hàm lượng EPA và DHA cao. [66]
Linder, Fanni, và Parmentier (2005) đã sử dụng các enzyme thương mại khác nhau: Alcalase, Neutrase và Flavourzyme để tách chiết dầu từ đầu cá hồi đã nghiền nhỏ. Họ kết luận rằng hiệu suất thu hồi dầu cao nhất (17,4% sau 2h) đạt được khi sử dụng Alcalase, gần với hiệu suất thu hồi dầu đạt được bằng phương pháp Bligh and Dyer (20%). [69]
Slizyté và cộng sự (2005) đã nghiên cứu sự thủy phân các phế liệu của cá tuyết bằng enzyme Flavourzyme và Neutrase tương ứng. Kết quả cũng cho thấy hiệu suất thu hồi lipid trong pha dầu cao. [99]
Sathivel và cộng sự (2005) nghiên cứu thủy phân đầu cá hồi đỏ bằng các loại enzyme thương mại như Alcalase, Flavourzyme 500L, Palatase 2000L và Neutrase. Các tác giả này kết luận rằng quá trình tách chiết dầu cá bằng việc sử dụng công nghệ enzyme có hiệu suất thu hồi dầu tốt hơn so với các phương pháp nhiệt. [86]
Dumay và cộng sự (2006) đã nghiên cứu hoàn thiện quy trình thu hồi lipid và phospholipid từ nội tạng cá mòi sử dụng các enzyme thương mại như: Flavourzyme, Protamex, Alcalase. Kết quả nghiên cứu cho thấy hàm lượng lipid tổng số trong các phần chất lỏng sau khi ly tâm (phần dầu và phần dung dịch) tăng lên (ít nhất 85% các lipid đã được xác định có trong nguyên liệu có mặt trong các pha này). Điều này có thể giúp cải thiện sự thu hồi lipid đối với các ứng dụng mang tính thương mại. [47]
Ngoài ra còn nhiều công trình nghiên cứu khác liên quan như: Shahidi và cộng sự (1995), Gbogouri và cộng sự (2006) đã nghiên cứu quá trình thủy phân đầu cá hồi tươi bằng các enzyme Alcalase, Neutrase và Protamex [91], [54]. Mahmoud và cộng sự (2008) đã nghiên cứu về quá trình tách chiết dầu từ trứng cá hồi bằng enzyme Alcalase, Neutrase và Protamex [71].
Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất thu hồi dầu
Nồng độ enzyme: đã được báo cáo là yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất đến việc nâng cao quá trình giải phóng các lipid và phospholipid từ các phế liệu cá. Tuy nhiên, việc tăng lượng enzyme lên vượt quá một nồng độ giới hạn nhất định không có tác dụng cải thiện hiệu suất thu hồi dầu nữa. Vì vậy, tỷ lệ enzyme/cơ chất tối ưu rất quan trọng trong việc thu hồi dầu tối đa (Mbatia, 2011) [73] .
Thời gian thủy phân: Theo Chantachum và cộng sự (2000), Diniz và cộng sự (1997), thời gian thủy phân có ảnh hưởng đến hiệu suất thu hồi dầu nhưng thời gian thủy phân quá dài cũng không dẫn đến hiệu suất thu dầu tăng lên [39], [45]. Sự thủy phân các mô đạt được ở giai đoạn đầu của quá trình thủy phân (1-3h), có thể đã đủ khả năng để giải phóng các lipid. Điều này được giải thích là do các amino axit kỵ nước lộ ra càng nhiều khi mức độ thủy phân tăng sẽ tương tác với các phân tử lipid được giải phóng hình thành các phức chất lipid – protein (Mbatia, 2011) [73].
Hàm lượng nước: Phế liệu cá chứa trên 60% nước. Sự làm loãng phế liệu trước khi thủy phân dẫn đến hiệu suất thu dầu giảm xuống. Điều này được cho là do sự hình thành lớp nhũ tương lipid – protein. Hàm lượng nhũ tương tăng lên cùng với sự tăng hàm lượng nước trong suốt quá trình thủy phân. Trong quá trình thủy phân phế liệu cá tuyết và cá hồi, người ta nhận thấy rằng hiệu suất thu hồi dầu cao nhất đạt được khi không bổ sung thêm nước vào cơ chất, trong khi sự pha loãng tỷ lệ 1:1 (w/v) dẫn đến hiệu suất thu dầu giảm và phần nhũ tương hình thành lớn. Tuy nhiên, việc bổ sung nước vào hỗn hợp thủy phân dẫn đến hiệu suất thu hồi các protein hòa tan trong dịch thủy phân tăng lên. Tuy nhiên, rất khó để thu được hiệu suất protein hòa tan và lipid tối đa trong cùng các điều kiện thủy phân (Mbatia, 2011) [73].
Nhiệt độ thủy phân: nhiệt độ thủy phân có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất thu hồi dầu. Bởi vì, mỗi loại enzyme chỉ thích hợp hoạt động trong một khoảng nhiệt độ nhất định. Tại nhiệt độ thủy phân tối ưu, hoạt động thủy phân của enzyme đạt hiệu quả cao nhất. Vận tốc phản ứng do enzyme xúc tác chỉ tăng theo nhiệt độ trong một giới hạn xác định mà ở đó phân tử enzyme vẫn còn bền chưa bị biến tính [23].
1.2.4. Tiêu chuẩn chất lượng dầu cá thô
Hiện nay trên thế giới, theo Khiari (2010), dầu cá thô sản xuất ra được đánh giá
2005) [42] đối với dầu cá thô. Theo đó, chỉ số axit của dầu cá thô đạt tiêu chuẩn phải
thấp hơn giới hạn 4,0 mg KOH/g và chỉ số peroxyt thấp hơn 15 meq O2/kg.
Theo Bimbo (1998) [36], các chỉ tiêu chất lượng của dầu cá thô thu được nằm trong khoảng giới hạn nhất định, thể hiện trong Bảng 1.4.
Bảng 1.4. Các chỉ tiêu chất lượng của dầu cá thô [36]
Chỉ tiêu chất lượng
Độ ẩm và tạp chất, % Thường từ 0,5 – 1
Các axit béo, % axit oleic Trong khoảng 1 – 7, thường từ 2 – 5%
Chỉ số Peroxyt, meq/kg 3 – 20 Chỉ số Anisidine 4 – 60 Chỉ số Iod (g I2/100g) Cá trứng 95 – 160 Cá trích 115 – 160 Cá mòi dầu 120 – 200 Cá mòi 160 – 200 Cá cơm 180 – 200 Cá thu 160 – 190 Cá chình 150 – 190
Độ màu, thang đo Gardner Lên đến 14
Sắt, ppm 0,5 – 7,0
Đồng, ppm Thấp hơn 0,3
Photpho, ppm 5 – 100
Hiện tại, ở nước ta có Tiêu chuẩn chất lượng dầu thô cá ngừ vây vàng do Nhà máy chế biến bột cá và dầu cá Bến Cát [112] xây dựng như sau:
Bảng 1.5. Tiêu chuẩn dầu thô cá ngừ vây vàng của Nhà máy chế biến bột cá và dầu cá Bến Cát [112]
Tiêu chuẩn dầu thô cá ngừ vây vàng
Axit béo tự do Max 0,02%
Chỉ số Axit Max 4 mg KOH/g
Chỉ số Peroxide Max 5 meqO2/kg
Chỉ số Iod Min 175 g l2/100g
Tạp chất 0,02%
Độ ẩm Max 0,35%
1.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ DẦU CÁ VÀ PHƯƠNG PHÁP THỦY PHÂN ĐỂ THU HỒI DẦU CÁ TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƯỚC PHÂN ĐỂ THU HỒI DẦU CÁ TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƯỚC
1.3.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Phế liệu cá (hay còn gọi là nguyên liệu còn lại sau chế biến) có thể là nguồn cung cấp lipid rất tốt cho sức khỏe khi sử dụng nó vào các sản phẩm dinh dưỡng cho người và động vật (Falch, 2006) [50]. Việc sử dụng dầu cá cho tiêu dùng của con người đang ngày càng tăng lên trong vài thập niên gần đây (Aidos, 2002) [29] và các nghiên cứu về dinh dưỡng đã cho thấy rằng hầu hết con người không có đủ các axit béo ω-3 trong khẩu phần ăn của họ (Horrock và Yeo, 1999; Simopolous 2002) [58], [95]. Hàm lượng các axit béo không bão hòa đa nối đôi mạch dài đặc trưng như axit eicosapentaenoic (EPA) và axit docosahexaenoic (DHA) làm cho các lipid từ thủy sản trở nên đáng chú ý hơn so với các nguồn lipid khác. EPA đóng vai trò quan trọng trong việc ngăn ngừa các bệnh về tim mạch và DHA có tác dụng tăng cường sự phát triển trí não (Uauy and Valenzuela, 2000; Stillwell và Wassall, 2003; Calder, 2004) [105], [102], [38].
Có một số phương pháp khác nhau để trích ly dầu từ nguyên liệu cá ngừ tươi và các phế liệu cá ngừ. Bao gồm phương pháp ép ướt, phương pháp ép khô, phương pháp thủy phân, và tách chiết bằng dung môi. Phương pháp ép ướt được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp chế biến dầu cá. Các bước chính của phương pháp này là nấu, ép và phân tách (Bimbo, 1990) [36]. Dầu thô từ phế liệu cá ngừ (đầu cá ngừ sọc dưa) đã qua nấu chín và chưa qua nấu chín đã được tách chiết bằng phương pháp ép ướt, với lượng
dầu thu hồi tương ứng là 2,8 và 4,8 g/100g nguyên liệu (Chantanchum và cộng sự, 2000) [39]. Nhìn chung, phương pháp này mang lại hiệu quả cao đối với các nguyên liệu hoặc phế liệu cá có hàm lượng dầu cao như cá trích, cá ngừ, cá mòi, cá hồi…nhưng lại không hiệu quả đối với các nguyên liệu có hàm lượng dầu thấp (Rubio- Rodriguez và cộng sự, 2010) [84]. Một phương pháp khác được sử dụng là tách chiết dầu bằng dung môi. Dầu từ các phế liệu cá ngừ có thể thu được bằng phương pháp này. Các kết quả đã chỉ ra rằng mắt và đầu cá ngừ chứa 14 – 18% dầu trong khi ruột chỉ chứa khoảng 2,8 – 3,9% dầu (Kungsuwan và cộng sự, 1996).
Cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, phương pháp tách chiết dầu cá cũng đã có những thay đổi đáng kể. Dầu cá là một sản phẩm chủ yếu được sản xuất từ nguyên liệu còn lại của cá và được sản xuất theo truyền thống bằng cách nấu và ép, sau đó phân riêng bằng ly tâm. Các quy trình này có thể gây nên sự phân hủy lipid nhanh, vì vậy sự tách chiết lipid nhẹ nhàng hơn có thể tạo nên các phần lipid bền hơn (Dauksas và cộng sự, 2005) [43]. Do đó, việc sử dụng các enzyme trong các quá trình công nghiệp để thu hồi dầu cá mới được sử dụng gần đây nhưng đã trở thành một sự thay thế tốt cho các phương pháp truyền thống vì nó đơn giản hơn và chi phí đầu tư thấp hơn, ít tiêu tốn năng lượng. Dưới tác dụng của enzyme, các phân tử protein bị phân giải thành một loạt các peptide nhỏ hơn và các amino axit, đồng thời các mô bị phá vỡ, thúc đẩy dầu được giải phóng ra ngoài dễ dàng hơn. Ưu điểm chính đối với phương pháp tách chiết dầu bằng enzyme là nó có thể được tiến hành dưới các điều
kiện nhẹ nhàng như: nhiệt độ thấp (< 600C) nên hạn chế đến mức tối thiểu sự oxy hóa
các axit béo không bão hòa đa nối đôi (PUFA), không sử dụng dung môi hữu cơ và quá trình thủy phân tiến hành trong một khoảng thời gian ngắn (Mbatia, 2011) [73]. Chính những ưu điểm này đã thúc đẩy các công trình nghiên cứu dựa trên việc sử dụng công nghệ enzyme để thu hồi lipid từ cá và các phế liệu của chúng (Rubio-Rodriguez và cộng sự, 2010) [84]. Đối tượng nghiên cứu của các công trình này chủ yếu tập trung vào các phế liệu của quá trình chế biến các mặt hàng thủy sản, với mục đích tăng hiệu quả lợi nhuận từ việc tận dụng tối đa các phế liệu của quá trình sản xuất.
Các protease thương mại phổ biến sử dụng để thủy phân protein cá được thu từ cả nguồn thực vật như papain hoặc từ nguồn động vật như pepsin, trypsin và chymotrypsin. Các enzyme thu từ nguồn vi sinh vật cũng được ứng dụng cho mục đích này. So với enzyme thu được từ thực vật hoặc động vật, enzyme từ vi sinh vật mang
đến nhiều ưu điểm bao gồm hoạt tính xúc tác đa dạng, sự ổn định về pH và nhiệt độ tốt hơn.
Liaset và cộng sự (2003) đã nghiên cứu quá trình thủy phân các phần còn lại của cá hồi sau khi fillet bằng các enzyme protease và sau đó nghiên cứu thành phần hóa học của các phần khác nhau thu được sau quá trình phân riêng bằng ly tâm. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng phương pháp thủy phân bằng enzyme thu được dầu cá giàu hàm lượng ω-3 với hiệu suất thu hồi cao (khoảng 77%) cũng như thu được nhiều thành phần khác có giá trị như: các peptid và các axit amin không thay thế. [67]
Các enzyme thương mại sử dụng để thủy phân protein có rất nhiều loại với các điều kiện hoạt động tối ưu khác nhau. Vì vậy, các thông số của quá trình thủy phân để tạo điều kiện tốt nhất cho hoạt động của từng loại enzyme là mục đích chính của các công trình nghiên cứu. Bên cạnh đó, nhiều nhà nghiên cứu đã so sánh các loại enzyme protease thương mại với nhau để kiểm tra xem loại nào thích hợp nhất đối với quá trình thủy phân protein cá.
Alcalase, một enzyme có tính kiềm, được sinh ra từ Bacillus licheniformis, đã
được nhận thấy trong nhiều nghiên cứu là một trong những loại enzyme tốt nhất để sản xuất các sản phẩm thủy phân từ protein cá. Alcalase tạo ra các sản phẩm thủy phân có hiệu suất thu hồi protein cao nhất và hàm lượng lipid thấp nhất so với các sản phẩm thủy phân thu được khi sử dụng Papain và Neutrase (Shahidi và cộng sự, 1995) [91]. Gbogouri và cộng sự (2006) đã nghiên cứu quá trình thủy phân đầu cá hồi tươi bằng các enzyme Alcalase, Neutrase và Protamex. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng Alcalase là enzyme mang lại hiệu quả thu hồi dầu cao nhất [54]. Kết luận tương tự về tính hiệu quả của Alcalase cũng đã được khẳng định bởi Mahmoud và cộng sự (2008) [71] khi nghiên cứu về quá trình tách chiết dầu từ trứng cá hồi bằng enzyme Alcalase, Neutrase và Protamex. Ngoài Alcalase, một số enzyme thương mại được sử dụng phổ biến bao gồm Protamex, Flavourzyme, Neutrase, Lecitase… Protamex là một hỗn hợp protease thương mại thường được lựa chọn ứng dụng trong thủy phân protein cá vì có ưu điểm là chúng thủy phân tạo ra các sản phẩm thủy phân không có vị đắng (Liaset và cộng sự, 2003) [67]. Flavourzyme là một hỗn hợp protease / peptidase nấm mốc thường được sử dụng để thủy phân protein dưới các điều kiện môi trường trung tính hoặc axit nhẹ (Dauksas và cộng sự, 2005) [43].
Năm 2002, Liaset và cộng sự đã sử dụng enzyme Protamex để thủy phân các phần còn lại của cá hồi sau khi fillet. Kết quả nghiên cứu cho thấy sau khi thủy phân