Phát triển và ứng dụng công nghệ sinh học trong công nghiệp chế biến

Thứ tư, 16/01/2019 | 08:55

Thứ tư, 16/01/2019 | 08:55

Công nghệ

Cập nhật lúc 10:32 ngày 19/11/2018

Sản xuất bột pep tide chức năng từ phụ phẩm cá hội ứng dụng bổ sung vào thực phẩm chức năng cho bộ đội hoạt động đặc biệt

TÓM TẮT
Các sản phẩm thực phẩm chức năng quân dụng giúp binh sỹ nâng cao thể lực, tăng cường khả năng tác chiến có ý nghĩa vô cùng quan trọng trong điều kiện chiến tranh hiện đại.Những peptit chức năng, là những protein mạch ngắn khoảng 2-20 amino acid, khối lượng phân tử dưới 10kDa, có giá trị dinh dưỡng và một số ảnh hưởng đặc biệt đến chức năng sinh lý của cơ thể, giúp tăng cường và nâng cao sức khỏe của con người. Viện Công nghệ mới đã sản xuất được bột peptide mạch ngắn từ 3-10 kDa ở quy mô pilot 100L/mẻ, từ nguồn phụ phẩm cá hồi, và ứng dụng sản xuất 10.000 bộ khẩu phần ăn chức năng KPAP dành cho bộ đội hoạt động ở điều kiện đặc biệt.Phụ phẩm cá hồi được thủy phân bằng enzyme Trypsin và Alcalase, dịch thủy phân thu được sau khi lọc qua màng siêu lọc có hàm lượng acid amin đạt 29,48 mg/ml và có hoạt tính chống oxy hóa là 70,34%. Peptide dạng bột được thu nhận bằng phương pháp sấy phun ở 115°C với hiệu suất thu hồi đạt trên 85%. Bộ khẩu phần ăn KPAP gồm 3 sản phẩm dạng thanh nén, tuýp gel nước và viên nang, được bổ sung peptide với hàm lượng lần lượt là 0,5 mg/g; 1,2 mg/g và 400 mg/g. Thử nghiệm sử dụng bộ KPAP cho lực lượng Hải quân, trên 90% cán bộ chiến sỹ đã sử dụng sản phẩm cho biết bộ sản phẩm đảm bảo đủ năng lượng cho 1 ngày hoạt động, kích thước nhỏ gọn, thuận tiện khi sử dụng đi biển dài ngày.
1. MỞ ĐẦU
Cá hồi có tên khoa học là Salmonidae là một họ cá vây tia, đồng thời là họ duy nhất sống trong bộ Salmoniformes (bộ cá hồi).Cá hồi chứa rất nhiều chất dinh dưỡng có lợi cho sức khỏe như: vitamin D, vitamin B12, vitamin B, vitamin A, vitamin B6; Các nguyên tố vi chất như canxi, kali, sắt, phốt pho, kẽm, đồng, magie và nhóm axit amin như: thiamin, niacin, riboflavin, pantothenic…Theo “Quy hoạch phát triển cá nước lạnh đến năm 2020, tầm nhìn 2030” của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn ước tính tổng sản lượng nuôi cá nước lạnh đến năm2015 đạt 3460 tấn (cá hồi là 1.448 tấn), đến năm2020, sản lượng nuôi đạt 10.000 tấn (cá hồi là 2.713 tấn) [1].
Trong quá trình chế biến cá, một lượng lớn các sản phẩm phụ (xương, da, vụn thịt,…) thường được chế biến làm thức ăn cho tôm, cá, gia súc hoặc sử dụng cho các sản phẩm có giá trị kinh tế thấp như chế biến thành bột cá, dầu cá hay làm dầu diezel sinh học. Phụ phẩm cá hồi cũng chứa một hàm lượng protein lớn và có một số ứng dụng như: chế biến đồ hộp, sản xuất nước mắm, tinh chế collagen,... Chính vì vậy,việc chế biến, xử lý các phụ phẩm cá hồi nhằmthu được protein có giá trị thương mại cao hơnđồng thời tránh các vấn đề về môi trường đangđược quan tâm nghiên cứu. Trong đó, việc thủyphân bằng enzym để thu hồi protein từ phụphẩm cá là một cách tiếp cận hiệu quả và đượcứng dụng rộng rãi[5, 6].
Một số nghiên cứu gần đây đã chứng minh việc thủy phân các protein từ cá thu nhận được nhiều peptit có giá trị, trong đó một số peptit chống oxi hóa đã được tách chiết và xác định trình tự sau đó đánh giá hoạt tính chống oxi hóa qua khả năng bắt gốc tự do DPPH. Năm 2012, Amissah đã đánh giá hoạt tính của các peptit được thủy phân từ da cá hồi cho thấy chúng có khả năng chống oxi hóa, kháng khuẩn và đặc tính ức chế protease. Kết quả hiệu quả loại bỏ các gốc tự do của sản phẩm peptit đạt 58,3% khi thủy phân bằng trypsin, đạt 26,3% khi thủy phân với α-chymotrypsin và khả năng loại bỏ gốc tự do đạt 55,9% khi thủy phân da cá hồi bằng papain[3].Nghiên cứu của See và tập thể (2011) đã sử dụng enzym thủy phân protein từ nguồn phụ phẩm từ cá hồi để tạo ra các peptit và các acid amin có giá trị dinh dưỡng cao. Sử dụng enzym Alcalase 2.4 L để thủy phân protein từ da cá hồi ở nhiệt độ từ 55,3oC, pH 8,39 với tỷ lệ enzym là 2,5% đã tìm được mức độ thủy phân cao nhất đạt 77,03%[4].
Trong nghiên cứu trước, chúng tôi đã xác định điều kiện thủy phân phụ phẩm cá hồi (Salmo salar) để thu nhận được peptide mạch ngắn có hoạt tính chống oxi hóa. Kết quả thu được phụ phẩm cá hồi được thủy phân bằng Trypsin 2% ở pH 8,5, nhiệt độ 40oC trong 4 giờ, tiếp theo được thủy phân bằng Alcalase 2% ở pH 8,0, nhiệt độ 55oC trong 4 giờ, sau đó được lọc tiếp tuyến qua màng 30kDa và 10kDa. Dịch thủy phân thu được có hàm lượng axit amin đạt 29,48 mg/ml và có hoạt tính chống oxi hóa đo qua khả năng bắt gốc tự do DPPH (SC) là 70,34%[2].
Nghiên cứu này sẽ tiến hành áp dụng các thông số của quá trình thủy phân đã xây dựng ở quy mô phòng thí nghiệm lên quy mô sản xuất pilot với công suất 100L/mẻ và thử nghiệm khả năng áp dụng bộ thực phẩm KPAP bổ sung peptide cá hồi cho bộ đội hoạt động ở điều kiện đặc biệt. 
2. NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
2.1. Nguyên liệu và hóa chất
Phụ phẩm cá hồi (da, thịt vụn,...) được rửa sạch, cắt nhỏ, xay nhuyễn. Mẫu được bảo quản -20oC cho đến khi sử dụng.
Các hoá chất Alcalase 2.4L, Trypsin của Novozymes, 1,1–diphenyl-2-picryl-hydrazyl (DPPH), pyridine, acid L-glutamic và một số hóa chất khác của hãng Sigma (Mỹ), Mecrk (Đức), Thermo Scientific (Đức)...
2.2. Thiết bị
Các thiết bị chính bao gồm hệ thống lọc tiếp tuyến AKTA flux của hãng GE Healthcare (Úc), hệ thống gia nhiệt có cánh khuấy dung tích 100L (Đức), hệ thống sấy phun APS Anhydro A/S (Đan Mạch), máy vắt ly tâm 20L/mẻ (Việt Nam)
2.3. Phương pháp nghiên cứu
2.3.1. Quy trình thủy phân phụ phẩm cá hồi
Hình 1. Sơ đồ quá trình sản xuất peptide chức năng từ cá hồi
50 kg phụ phẩm cá được rửa sạch, xay nhuyễn và bổ sung thêm nước với tỷ lệ 1:1, đưa vào hệ thống nồi gia nhiệt có cánh khuấy dung tích 100L, tiến hành tách mỡ bằng phương pháp gia nhiệt. Sau đó được thủy phân lần lượt bằng các enzyme protease là Trypsin 2% và Alcalase 2%. Điều kiện thủy phân lần lượt là pH 8,5; nhiệt độ 40oC và pH 8; nhiệt độ 55oC, chỉnh pH bằng dung dịch NaOH 5M. Thời gian thủy phân 4h. Hỗn hợp được khuấy trộn tốc độ 300 vòng/phút. Sau khi thủy phân làm bất hoạt enzyme ở 95oC trong 15 phút. Hỗn hợp sau thủy phân được lọc qua rây để loại bỏ phần xương vụn. Phần dịch lọc được đem ly tâm với tốc độ 3.000 vòng/phút trong 10 phút để loại bã. Dịch lọc thô sau đó được lọc lần lượt qua các màng lọc 30 kDa, 10 kDa và 3kDa bằng hệ thống lọc tiếp tuyến AKTA Flux. Phân đoạn có hoạt tính chống oxy hóa cao nhất được đem sấy phun thu được sản phẩm bột peptide chức năng.
2.3.2. Tạo bột peptide bằng phương pháp sấy phun
Phân đoạn peptide thu được sẽ được cô đặc lại, sau đó bổ sung chất mang (maltodextrin 5% w/v). Hỗn hợp được phối trộn và sấy phun trên thiết bị APS Anhydro A/S (Đan Mạch). Sản phẩm được đóng gói, hút chân không và bảo quản ở nhiệt độ phòng. Hiệu quả quá trình sấy được đánh giá thông qua độ ẩm sản phẩm và hiệu suất thu hồi, tiến hành theo mô tả của Himonides và cộng sự (2011) [7].
2.3.3. Phương pháp định lượng acid amin bằng ninhydrin
0,1 ml dịch lọc được cho vào ống nghiệm,bổ sung 1 ml pyridine 20% và 1 ml ninhydrin 2%, ủ mẫu tại nhiệt độ 70-75oC trong 7-10 phút, sau đó lấy ra để nguội ở nhiệt độ phòng. Sau 30 phút, xác định độ hấp thụ của mẫu bằng đo quang phổ ở bước sóng A570 nm và dựa vào đường chuẩn glutamic để xác định hàm lượng acid amin có trong mẫu thử.
2.3.4. Xác định hoạt tính chống oxy hóa của protein bằng 1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl (DPPH) [3].
0,1 ml dịch lọc được cho vào ống nghiệm, bổ sung 1,9 ml dung dịch DPPH trong methanol99%, ủ 20 phút trong điều kiện không có ánh sáng, ở nhiệt độ phòng. Hoạt tính chống oxy hoá được đánh giá thông qua giá trị hấp thụ ánh sáng của mẫu nghiên cứu so với đối chứng tại bước sóng A517 nm.
Tỉ lệ % hoạt tính bắt gốc tự do DPPH = x 100
Trong đó: ODc là giá trị mật độ quang của chứng âm
ODm là giá trị mật độ quang của mẫu nghiên cứu
2.3.5. Thử nghiệm khả năng ứng dụng bộ sản phẩm KPAP ở điều kiện thực tế dài ngày trên biển.
Cán bộ, chiến sĩ của Lữ đoàn 126/Quân chủng Hải quân, sau khi sử dụng bộ thử nghiệm thực phẩm chức năng KPAP bổ sung peptide từ cá hồi liên tục trong vòng 3 ngày ở trên tàu, sẽ đánh giá, nhận xét về cảm quan mùi vị, khả năng tiện dụng, cơ cấu bữa ăn, bao bì đóng gói vào phiếu thu nhận thông tin được phát cho từng chiến sĩ. Sau khi thử nghiệm các Phiếu thu nhận thông tin sẽ được thu lại, chọn lọc làm cơ sở để nghiên cứu, hiệu chỉnh sản phẩm cho lần thử nghiệm tiếp theo.

Điểm neo3. KẾT QUẢ

3.1. Thử nghiệm tạo bột peptide bằng phương pháp sấy phun
Phương pháp sấy phun có chi phí thấp, năng suất cao và được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm. Ở quy mô pilot, hiệu suất thu hồi sản phẩm là rất quan trọng vì vậy chúng tôi tiến hành khảo sát một số thông số cho quá trình sấy phun như nhiệt độ sấy, tốc độ nhập liệu, để thu được năng suất tốt nhất khi thu nhận sản phẩm. Hệ thống sấy phun sử dụng là APS Anhydro A/S (Đan Mạch) có năng suất tối đa là 15L/mẻ.
3.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ sấy
Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ sấy đến hiệu quả quá trình sấy được ghi lại ở bảng 1.
Bảng 1. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ sấy
Thông số
Áp suất khí nén 3,0 bar, tốc độ nhập liệu 15rpm
Nhiệt độ (oC)
110
115
120
Độ ẩm sản phẩm
5,12
4,80
4,79
Hiệu suất thu hồi
79,24
81,43
75,79
Hoạt tính chống oxy hóa
24,24
24,35
21,16

  Nhiệt độ sấy quá cao hay quá thấp đều gây bất lợi cho quá trình sấy peptide [7]. Nhiệt độ không khí sấy thấp thì độ ẩm các hạt vật liệu sấy vẫn còn cao nên cũng gây bám dính trên thiết bị, giảm hiệĐiểm neou suất thu hồi. Ngược lại khi tăng nhiệt độ lên quá cao thì hiệu suất thu hồi cũng sẽ giảm do hơi nước bốc hơi quá nhanh, hạt tạo thành bị khô và cháy, bám lên thành thành thiết bị, ngoài ra còn ảnh hưởng đến màu sắc và mùi vị của sản phẩm. Hoạt tính chống oxy hóa của sản phẩm cũng giảm đi khi tăng nhiệt độ sấy có thể do cấu trúc phân tử peptide bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ cao. Như vậy, nhiệt độ sấy 115oC là thích hợp để tiến hành thí nghiệm
3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ nhập liệu
Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ sấy đến hiệu quả quá trình sấy được ghi lại ở bảng 2.
Bảng 2. Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ nhập liệu
Thông số
Áp suất khí nén 3,0 bar, nhiệt độ 115oC
Tốc độ dòng nhập liệu (rpm)
10
15
20
Độ ẩm sản phẩm
4,92
4,79
5,22
Hiệu suất thu hồi
78,12
81,42
73,32
Hoạt tính chống oxy hóa
24,10
24,36
23,76

Tốc độ bơm nhập liệu tăng đồng nghĩa với thời gian lưu của vật liệu sấy trong buồn sấy giảm do đó ảnh hưởng tới hiệu quả sấy. Khi tốc độ nhập liệu quá cao, thời gian lưu trong buồng sấy không đủ dài cho việc bốc hơi, dẫn tới độ ẩm sản phẩm sẽ tăng, phần hạt ẩm dính lại trong buồng sấy cũng tăng lên, dẫn đến hiệu suất thu hồi giảm[7]. Số liệu thực nghiệm cho thấy, hiệu suất thu hồi sản phẩm tăng nhẹ từ 78,12% ở tốc độ 10rpm lên 81,42% ở tốc độ 15rpm và sau đó giảm xuống còn 73,32% ở tốc độ 20rpm. Điều này cho thấy hiệu suất thu hồi ở tốc độ 15rpm là tốt nhất trong các giá trị khảo sát. Hoạt tính chống oxy hóa ở các 3 thí nghiệm không có sự khác biệt rõ ràng. Vì vậy chọn tốc độ nhập liệu là 15 rpm, 115oC cho các thí nghiệm sau.
3.2. Quá trình thủy phân phụ phẩm cá hồi nhằm thu nhận peptide quy mô 100L/mẻ
Hình 5. Cân bằng khối lượng quá trình sản xuất bột peptide quy mô pilot
Sau khi thu được bột peptide, đem đi đo hàm lượng acid amin và khả năng chống oxy hóa, kết quả cho thấy hàm lượng acid amin đạt 24,36 mg/ml và có hoạt tính chống oxi hóa đo qua khả năng bắt gốc tự do DPPH (SC) là 67,41%. Thấy rằng kết quả này có thấp hơn so với kết quả nghiên cứu ở quy mô phòng thí nghiệm, tuy nhiên thấp hơn không đáng kể. So sánh với nghiên cứu của Amissah và cộng sự (2012) [3] cho kết quả hoạt tính loại bỏ các gốc tự do của sản phẩm peptit đạt 58,3% khi thủy phân bằng trypsin, đạt 26,3% khi thủy phân với α-chymotrypsin và khả năng loại bỏ gốc tự do đạt 55,9% khi thủy phân da cá hồi bằng papain, thì kết quả nghiên cứu này đã cho thấy hoạt tính cao hơn hẳn, điều này có thể giải thích là do sự hiệu quả của việc kết hợp 2 loại protease là Alcalase và Trypsin thay vì chỉ sử dụng 1 loại enzyme như tác giả Amissah.
Như vậy, quy trình thủy phân phụ phẩm cá hồi thu nhận peptide chức năng quy mô pilot cho thấy kết quả tương đối tốt, chất lượng sản phẩm thu được có màu sắc trằng hơi ngà vàng, mùi thơm, hàm lượng acid amin đạt 24,36 mg/ml và có hoạt tính chống oxi hóa đo qua khả năng bắt gốc tự do DPPH (SC) là 67,41%. Lượng sản phẩm thu được dùng để sản xuất 10.000 bộ khẩu phần ăn chức năng KPAP cung cấp cho Quân chủng Hải quân.
3.3. Thử nghiệm khả năng ứng dụng bộ sản phẩm KPAP ở điều kiện thực tế dài ngày trên biển.
Bộ khẩu phần ăn KPAP bao gồm 3 loại sản phẩm với 3 công dụng khác nhau, phù hợp cho điều kiện hoạt động của bộ đội. Dạng thanh nén với các thành phần giàu dinh dưỡng: peptide chức năng từ cá hồi với hàm lượng 20mg/thanh, sữa, tinh chất đậu tương, tinh dầu đậu xanh, whey protein, dầu thực vật, bột gạo lứt nảy mầm, cung cấp năng lượng từ 200-250 kcal/thanh 50g và 1600 - 2000 kcal/bộ. Các thành phần trong thanh nén đều là các tinh chất, protein, đường và peptide, loại bỏ tối đa phần chất xơ và các thành phần không được tiêu hóa, do đó được hấp thụ nhanh chóng trong hệ tiêu hóa và hạn chế việc đại tiện cho bộ đội khi hoạt động ở các điều kiện đặc biệt như trong tầu ngầm.
Sản phẩm dạng tuýp gel nước, có vai trò cung cấp một phần lượng nước, đường, các vitamin, muối khoáng, peptide trong bữa ăn, kết hợp ăn với thanh nén. 1 tuýp gel nước có thể tích 100ml cung cấp khoảng 120-125 kcal năng lượng và trong 1 bộ sẽ cung cấp 600-625 kcal. Hàm lượng peptide là 15mg/tuýp.
Viên nang 500mg với thành phần chủ yếu là bột peptide với hàm lượng cao gấp 10 lần trong thanh nén (200mg/viên), giúp bộ đội nhanh chóng hồi phục sức khỏe, tăng cường các chức năng chống oxy hóa, giảm căng thẳng và tăng cường khả năng liên kết canxi.
Bộ sản phẩm cung cấp tổng cộng 2500kcal/bộ/ngày. Theo Tổ chức Y tế thế giới (1985) mức năng lượng nhu cầu trung bình cả ngày tính theo mức chuyển hóa cơ sở của đối tượng Nam giới, mức lao động trung bình là 2570 kcal/ngày. Như vậy bộ sản phẩm đã cung cấp tương đối đầy đủ nhu cầu năng lượng trong 1 ngày. Chúng tôi tiến hành thử nghiệm cho bộ đội sử dụng thực tế bộ sản phẩm trong điều kiện đi tàu dài ngày, không thuận lợi sử dụng các bữa ăn bình thường, và thu được các ý kiến được trình bày ở biểu đồ 1.
Biểu đồ 1.1. Đánh giá của cán bộ chiến sỹ về mùi vị sản phẩm
Biểu đồ 1.2. Đánh giá của cán bộ chiến sỹ về khả năng tiện dụng của sản phẩm
Kết quả khảo sát các cán bộ chiến sỹ của Trung đoàn 126 và Lữ đoàn 196 của Quân chủng Hải quân, cho thấy 87% ý kiến đánh giá cao mùi vị của sản phẩm, tuy nhiên có một số ít ý kiến vẫn cảm thấy có mùi tanh của bột peptide có trong sản phẩm (5%). Về khả năng sử dụng thì có 72% ý kiến cho rằng bộ sản phẩm rất phù hợp cho điều kiện hoạt động trên biển, do bộ sản phẩm được trang bị lớp bao bì có khả năng chống nước tốt, đóng gói nhỏ gọn, sản phẩm dạng tuýp có thể sử dụng trực tiếp ngay khi đang bơi. Tuy nhiên vẫn có 28% ý kiến cho rằng nên làm gọn hơn nữa do bộ đội khi hoạt động đã mang theo từ 15-20kg trang bị vũ khí.
Tóm lại, bộ sản phẩm KPAP có bổ sung peptide chức năng từ cá hồi đã đáp ứng được các yêu cầu về mùi vị, cách sử dụng phù hợp với điều kiện hoạt động khó khăn của bộ đội, cụ thể là khi hoạt động trên biển.

Một số hình ảnh:
Các chuyên gia, đoàn công tác của Bộ Công Thương kiểm tra chất lượng sản phẩm
Chủ nhiệm đề tài giới thiệu bộ sản phẩm KPAP với cán bộ chiến sỹ Lữ đoàn 126
Các chiến sỹ ăn thử sản phẩm dưới sự hướng dẫn của nhóm tác giả.
4. Kết luận
Đã xây dựng được quy trình sản xuất bột peptide chức tăng từ cá hồi quy mô pilot với các điều kiện về tỷ lệ enzyme:cơ chất, thời gian thủy phân, nhiệt độ và pH, điều kiện sấy phun để có hiệu suất thu hồi bột peptide cao nhất. Kết quả thu được là 40-45kg bột peptide có hàm lượng acid amin đạt 24,36 mg/ml và có hoạt tính chống oxi hóa đo qua khả năng bắt gốc tự do DPPH (SC) là 67,41%.
Sản xuất được bộ khẩu phần ăn KPAP có bổ sung peptide chức năng và thử nghiệm ở điều kiện thực tế cho thấy khả năng ứng dụng rất lớn của bộ sản phẩm này cho các lực lượng hoạt động đặc biệt của quân đội.
Tài liệu tham khảo
Nguyễn Hà Trung, Trần Kiều Anh, Trương Hương Lan, Đặng Tất Thành, Phạm Kiên Cường
Viện Công nghệ mới, Viện Công nghiệp Thực Phẩm
lên đầu trang