Tài liệu Nghiên cứu quy trình sản xuất dịch lên men Lactic giàu carotenoids từ đầu tôm thẻ chân trắng (penaeus vannamei) và thử nghiệm ứng dụng dịch lên men làm thức ăn cho cá tứ vân (capoeta Tetrazone)

i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG -----oOo----- NGUYỄN THỊ NHƯ XUÂN NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH SẢN XUẤT DỊCH LÊN MEN LACTIC GIÀU CAROTENOIDS TỪ ĐẦU TÔM THẺ CHÂN TRẮNG (Penaeus vannamei) VÀ THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG DỊCH LÊN MEN LÀM THỨC ĂN CHO CÁ TỨ VÂN (Capoeta Tetrazona) LUẬN VĂN THẠC SĨ Khánh Hòa - 2014 ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG -----oOo----- NGUYỄN THỊ NHƯ XUÂN NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH SẢN XUẤT DỊCH LÊN MEN LACTIC GIÀU CAROTENOIDS TỪ ĐẦU TÔM THẺ CHÂN TRẮNG (Penaeus vannamei) VÀ THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG DỊCH LÊN MEN LÀM THỨC ĂN CHO CÁ TỨ VÂN (Capoeta Tetrazona) Chuyên ngành Mã số : CÔNG NGHỆ SAU THU HOẠCH : 60 54 01 04 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS - TS. TRANG SĨ TRUNG TS. LÊ MINH HOÀNG Khánh Hòa – 2014 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực, chưa từng được ai công bố trong bất kì công trình nào khác. Tác giả luận văn Nguyễn Thị Như Xuân ii LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập và nghiên cứu để thực hiện đề tài tốt nghiệp, tôi đã nhận được sự quan tâm tận tình của quý thầy cô hướng dẫn khoa học, Khoa Công nghệ Thực phẩm, Viện Công nghệ Sinh học và Môi trường và các cá nhân trong trường, đã giúp tôi hoàn thành luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn PGSTS. Trang Sĩ Trung, Hiệu phó Trường Đại học Nha Trang và TS. Lê Minh Hoàng, đã hết lòng chỉ bảo và hướng dẫn tận tình, thường xuyên theo dõi quá trình thực hiện đề tài. Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của thầy giáo ThS. Nguyễn Công Minh, đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu tại phòng thí nghiệm. Xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Khoa Sau đại học và Khoa Công nghệ Thực phẩm Trường Đại học Nha Trang đã tạo điều kiện cho tôi thuận lợi trong quá trình học tập, nghiên cứu và bảo vệ luận văn. Xin cảm ơn đến gia đình và các bạn đã luôn quan tâm, chia sẻ khó khăn và động viên để tôi hoàn thành công việc. iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .........................................................................................................i LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................ii MỤC LỤC................................................................................................................. iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT...................................................................................vi DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................vii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ................................................................viii MỞ ĐẦU.....................................................................................................................1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN........................................................................................3 1.1. Tổng quan về nguyên liệu tôm và phế liệu tôm .....................................................3 1.1.1. Nguồn lợi từ tôm...............................................................................................3 1.1.2. Diện tích nuôi trồng, sản lượng và thị trường xuất khẩu tôm ở Việt Nam ..........3 1.1.3. Giới thiệu chung về phế liệu tôm.......................................................................4 1.2. Tổng quan về vi khuẩn lactic ...............................................................................11 1.2.1. Tác nhân lên men lactic ..................................................................................11 1.2.2. Cơ chế lên men lactic...........................................................................................13 1.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của vi khuẩn lactic............................14 1.3. Tổng quan phương pháp lên men phế liệu thủy sản bằng vi khuẩn lactic .............15 1.3.1. Phương pháp lên men lactic phế liệu thủy sản .................................................15 1.3.2. Cơ sở lý thuyết lên men lactic .........................................................................18 1.3.3. Các dạng hư hỏng thường gặp trong lên men lactic .........................................21 1.4. Tổng quan về cá Tứ Vân .......................................................................................23 1.4.1. Phân loại..........................................................................................................23 1.4.2. Đặc điểm phân bố ............................................................................................23 1.4.3. Đặc điểm hình thái...........................................................................................23 1.4.4. Điều kiện sống và phát triển của cá Tứ Vân ....................................................24 1.4.5. Đặc điểm sinh sản ........................................................................................... 24 1.4.6. Điều kiện cho ăn của cá Tứ Vân......................................................................25 1.5. Tổng quan về thành phần dinh dưỡng cho cá cảnh...................................................26 1.5.1. Vai trò của protein và các sắc tố trong việc đối tượng cá cảnh.........................26 1.5.2. Thức ăn cho cá cảnh .......................................................................................32 iv 1.6. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về việc sử dụng vi sinh vật để lên men phế liệu tôm nhằm mục đích thu protein, astaxanthin và sử dụng astaxanthin bổ sung vào thức ăn cho cá ....................................................................................................................33 1.6.1. Nghiên cứu trong nước.....................................................................................33 1.6.2. Nghiên cứu trên thế giới...................................................................................34 CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...............................38 2.1. Vật liệu nghiên cứu .............................................................................................38 2.1.1. Mẫu .................................................................................................................38 2.1.2. Thiết bị chuyên dụng........................................................................................38 2.1.3. Hóa chất, môi trường và thuốc thử ...................................................................38 2.2. Phương pháp nghiên cứu.....................................................................................39 2.2.1. Phương pháp thu mẫu ......................................................................................39 2.2.2. Phương pháp phân tích.....................................................................................40 2.3. Bố trí thí nghiệm .................................................................................................43 2.3.1. Bố trí thí nghiệm tổng quát...............................................................................43 2.3.2. Bố trí thí nghiệm chi tiết ....................................................................................44 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN.....................................51 3.1. Phân lập và tuyển chọn chủng vi khuẩn lactic .....................................................51 3.1.1. Đặc điểm hình thái của các chủng vi khuẩn phân lập từ thực phẩm lên men chua....51 3.1.2. Kết quả test sinh hóa của những chủng vi khuẩn được chọn .............................56 3.1.3. Đánh giá khả năng lên men nguyên liệu đầu tôm của hai chủng đã chọn ..........58 3.2. Nghiên cứu sử dụng chủng vi khuẩn lactic LB7 đã phân lập từ thực phẩm lên men tự nhiên vào công đoạn lên men nguyên liệu đầu tôm thẻ chân trắng...................................60 3.2.1. Phân tích thành phần hóa học cơ bản của đầu tôm thẻ chân trắng (Penaeus vannamei) ..................................................................................................................60 3.2.2. Tối ưu điều kiện lên men dịch đầu tôm thẻ chân trắng bằng chủng vi khuẩn LB7 phân lập được từ thực phẩm lên men chua tự nhiên....................................................61 3.2.3. Kiểm tra chất lượng vi sinh của dịch lên men..................................................72 v 3.3. Thử nghiệm ảnh hưởng của tỷ lệ dịch lên men lactic và tỷ lệ dầu đậu nành bổ sung vào thức ăn tổng hợp đến màu sắc của cá Tứ Vân..........................................................72 3.3.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ dịch lên men khác nhau đến màu sắc của cá Tứ Vân.......73 3.3.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ dầu đậu nành khác nhau đến màu sắc của cá Tứ Vân......77 3.4. Đề xuất quy trình sản xuất dịch lên men lactic từ nguyên liệu đầu tôm và bổ sung vào thức ăn tổng hợp cho cá.......................................................................................81 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN.........................................................................83 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................84 PHỤ LỤC vi DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải DHA Decosahexaenoic EPA Eicosapentaenoic ĐBSCL Đồng Bằng Sông Cửu Long ĐBSH Đồng Bằng Sông Hồng NTTS Nuôi trồng thủy sản TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Thống kê diện tích nuôi tôm 2010 tại 6 tỉnh ĐBSCL ..................................3 Bảng 1.2: Thành phần đầu và vỏ phế liệu tôm (%) ......................................................6 Bảng 1.3: Một số loài vi khuẩn lactic có trong sản phẩm ủ chua ...............................15 Bảng 3.1: Một số đặc điểm hình thái của 16 chủng vi khuẩn phân lập được...............52 Bảng 3.2: Một số đặc tính sinh hóa của 16 chủng vi khuẩn ........................................54 Bảng 3.3: Giá trị OD600 của một số chủng vi khuẩn ...................................................55 Bảng 3.4: Thành phần hóa học cơ bản của phế liệu đầu tôm thẻ chân trắng ...............60 Bảng 3.5: Một số thành phần cơ bản trong dịch lên men đầu tôm thẻ chân trắng........65 Bảng 3.6: Một số thành phần cơ bản trong dịch lên men đầu tôm thẻ chân trắng........69 Bảng 3.7: Một số thành phần cơ bản trong dịch lên men đầu tôm thẻ chân trắng........72 Bảng 3.8: Chất lượng vi sinh của dịch lên men bằng vi khuẩn lactic ..........................72 Bảng 3.9: Sự biến đổi màu sắc của cá theo thời gian thí nghiệm qua các tỷ lệ dịch lên men bổ sung vào thức ăn tổng hợp khác nhau. ...........................................................73 Bảng 3.10: Sự biến đổi màu sắc của cá theo thời gian thí nghiệm qua các tỷ lệ dầu đậu nành bổ sung vào thức ăn tổng hợp khác nhau ...........................................................77 viii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Đồ thị thể hiện phần trăm thị trường xuất khẩu chính trong 9 tháng đầu năm 2011 của Việt Nam đối với mặt hàng thủy sản ............................................................4 Hình 1.2: Các liên kết hóa học của astaxanthin trong tôm ...........................................8 Hình 1.3: Sơ đồ tóm tắt lên men lactic phế liệu tôm...................................................17 Hình 1.4: Chiều dài của cá Tứ Vân sau các khoảng thời gian: 3 ngày tuổi, 5 ngày tuổi, 7 – 8 ngày tuổi, 15 – 20 ngày tuổi, 25 ngày tuổi (lần lượt từ trái sang phải) .......................24 Hình 1.5: Sơ đồ trao đổi protein tổng số ở cá ............................................................27 Hình 1.6: Công thức của một số dạng carotenoids của động vật thủy sinh ................28 Hình 2.1: Sơ đồ phân lập và tuyển chọn chủng vi khuẩn lactic...................................41 Hình 2.2: Sơ đồ bố trí thí nghiệm tổng quát ...............................................................43 Hình 2.3: Sơ đồ bố trí thí nghiệm chọn tỷ lệ chế phẩm thích hợp bổ sung vào phế liệu tôm ............................................................................................................................45 Hình 2.4: Sơ đồ bố trí thí nghiệm chọn thời gian lên men phế liệu tôm thích hợp ......46 Hình 2.5: Sơ đồ bố trí thí nghiệm chọn tỷ lệ rỉ đường thích hợp bổ sung vào phế liệu tôm ............................................................................................................................47 Hình 2.6: Sơ đồ bố trí thử nghiệm tỷ lệ dịch lên men lactic bổ sung vào thức ăn tổng hợp cho cá Tứ Vân.....................................................................................................48 Hình 2.7: Sơ đồ bố trí thử nghiệm tỷ lệ dầu đậu nành bổ sung vào thức ăn tổng cho cá Tứ Vân ......................................................................................................................49 Hình 3.1: Hình thái khuẩn lạc và tế bào của chủng vi khuẩn LB2 ...............................51 Hình 3.2: Hình thái khuẩn lạc và tế bào của chủng vi khuẩn LB4 ..............................51 Hình 3.3: Hình thái khuẩn lạc và tế bào của chủng vi khuẩn LB7 ...............................51 Hình 3.4: Hình nhuộm Gram của một số chủng vi khuẩn ...........................................55 Hình 3.5: Hình kiểm tra khả năng chuyển hóa tạo indol của 6 chủng vi khuẩn...........56 Hình 3.6: Hình kiểm tra khả năng tạo khí H2S của 6 chủng vi khuẩn .........................57 Hình 3.7: Hình kiểm tra khả năng khử nitrat của 6 chủng vi khuẩn ............................58 Hình 3.8: Hàm lượng astaxanthin và protein thu được trong dịch lên men đầu tôm khi sử dụng 2 chủng vi khuẩn khác nhau .........................................................................59 Hình 3.9: Biến đổi của pH ở các tỷ lệ chế phẩm vi sinh khác nhau.............................62 Hình 3.10: Ảnh hưởng của tỷ lệ chế phẩm đến hàm lượng protein, astaxanthin thu được trong dịch lên men đầu tôm........................................................................................63 ix Hình 3.11: Biến đổi pH trong các khoảng thời gian lên men khác nhau .....................66 Hình 3.12: Ảnh hưởng của thời gian lên men đến hàm lượng protein và astaxanthin thu đơợc trong dịch lên men ............................................................................................67 Hình 3.13: Giá trị pH của mẻ ủ ở nồng độ rỉ đường khác nhau...................................70 Hình 3.14: Ảnh hưởng của tỷ lệ rỉ đường đến hàm lượng astaxanthin và protein có trong dịch lên men ..............................................................................................................71 Hình 3.15: Màu sắc của cá nuôi sau 45 ngày tại 2 nghiệm thức: thức ăn tổng hợp (đối chứng) và thức ăn tổng hợp có kết hợp với 5% (v/w) dịch lên men ............................74 Hình 3.16 : Màu sắc của cá nuôi sau 45 ngày tại 2 nghiệm thức: thức ăn tổng hợp (đối chứng) và thức ăn tổng hợp có kết hợp với 10% (v/w) dịch lên men ..........................75 Hình 3.17: Màu sắc của cá nuôi sau 45 ngày tại 2 nghiệm thức: thức ăn tổng hợp (đối chứng) và thức ăn tổng hợp có kết hợp với 15% (v/w) dịch lên men ..........................75 Hình 3.18: Màu sắc của cá nuôi sau 45 ngày tại 2 nghiệm thức: thức ăn tổng hợp (đối chứng) và thức ăn tổng hợp có kết hợp với 20% (v/w) dịch lên men ..........................76 Hình 3.19: Màu sắc của cá nuôi sau 45 ngày tại 2 nghiệm thức: thức ăn tổng hợp (đối chứng) và thức ăn tổng hợp có kết hợp với 25% (v/w) dịch lên men ..........................76 Hình 3.20: Màu sắc của cá sau 45 ngày nuôi tại 2 nghiệm thức: mẫu đối chứng và thức ăn tổng hợp có kết hợp với 5% (v/w) dầu đậu nành....................................................78 Hình 3.21: Màu sắc của cá sau 45 ngày nuôi tại 2 nghiệm thức: mẫu đối chứng và thức ăn tổng hợp có kết hợp với 10% (v/w) dầu đậu nành..................................................79 Hình 3.22: Màu sắc của cá sau 45 ngày nuôi tại 2 nghiệm thức: mẫu đối chứng và thức ăn tổng hợp có kết hợp với 15% (v/w) dầu đậu nành..........................................79 Hình 3.23: Màu sắc của cá sau 45 ngày nuôi tại 2 nghiệm thức: mẫu đối chứng và thức ăn tổng hợp có kết hợp với 20% (v/w) dầu đậu nành..................................................80 Hình 3.24: Màu sắc của cá sau sau 45 ngày nuôi tại 2 nghiệm thức: mẫu đối chứng và thức ăn tổng hợp có kết hợp với 25% (v/w) dầu đậu nành..........................................80 Hình 3.25: Quy trình sản xuất dịch lên men bằng đầu tôm thẻ chân trắng và bổ sung dịch lên men vào thức ăn tổng hợp cho cá..................................................................81 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay ở Việt Nam ngành công nghiệp chế biến tôm thải ra hơn 200.000 tấn phế liệu và xu hướng ngày càng tăng nên đã gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng [94]. Theo tài liệu nghiên cứu thành phần hóa học trong phế liệu tôm gồm: protein, khoáng, chitin, chất màu chủ yếu là astaxanthin tuy hàm lượng nhỏ nhưng hoạt tính sinh học cao [10]. Phế liệu này được sử dụng chủ yếu trong sản xuất chitin – chitosan, tuy nhiên các phương pháp sản xuất chitin – chitosan đều sử dụng NaOH và HCl ở nồng độ cao dẫn đến việc dư thừa hóa chất hơn nữa quá trình sản xuất chitin lại chưa chú ý đến công đoạn tiền xử lý để loại bớt một phần protein và khoáng nhằm mục đích giảm tải cho hệ thống xử lý nước thải và tận thu được nguồn protein, sắc tố có giá trị dinh dưỡng cao từ đầu tôm. Đã có nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng công đoạn tiền xử lý trong quá trình sản xuất chitin và xử lý vi sinh vật là một quá trình được nhiều nhà khoa học quan tâm. Phương pháp sử dụng vi sinh vật trong sản xuất chitin – chitosan bên cạnh thu sản phẩm xuất chitin – chitosan đạt chất lượng còn có thể thu hồi dịch lên men chứa hàm lượng chất có giá trị như: protein, astaxanthin, khoáng để tận dụng nguồn dinh dưỡng này làm thức ăn cho gia súc, gia cầm, đối tượng thủy sản, nâng cao được giá trị của nguyên liệu và đặc biệt giúp giảm tải quá trình xử lý nước thải, hạn chế ô nhiễm môi trường. Do đó, việc sử dụng vi sinh vật trong sản xuất chitin – chitosan rất quan trọng nên trong nghiên cứu này mục tiêu đề tài là áp dụng vi sinh vật ở công đoạn đầu của sản xuất chitin nhằm thu sản phẩm dịch lên men chứa những thành phần dinh dưỡng để làm thức ăn cho các đối tượng trong NTTS, đồng thời góp vai trò trong việc hạn chế ô nhiễm môi trường do nguồn phế liệu tôm thải ra từ công nghiệp chế biến thủy sản ở Việt Nam. Với tính cấp thiết và lý do đó, đề tài “Nghiên cứu quy trình sản xuất dịch lên men lactic giàu carotenoids từ đầu tôm thẻ chân trắng (Penaeus vannamei) và thử nghiệm ứng dụng dịch lên men làm thức ăn cho cá Tứ Vân (Capoeta Tetrazona)” được thực hiện. 2. Nội dung nghiên cứu - Xác định thành phần hóa học của nguyên liệu đầu tôm. - Phân lập chủng vi khuẩn lactic từ thực phẩm lên men chua tự nhiên. - Xác định chế độ len men lactic thích hợp bao gồm: tỷ lệ chế phẩm bổ sung, thời gian lên men, tỷ lệ rỉ đường bổ bung vào nguyên liệu đầu tôm. 2 - Thử nghiệm phối chế dịch lên men vào thức ăn cho cá Tứ Vân bao gồm: tỷ lệ dịch lên men bổ sung vào thức ăn và tỷ lệ dầu bổ sung tạo màng bao thức ăn. 3. Ý nghĩa khoa học, thực tiễn và tính mới của đề tài Ý nghĩa khoa học: Kết quả nghiên cứu của đề tài là dẫn liệu khoa học về việc thu dịch lên men từ đầu tôm. Những dẫn liệu khoa học này sẽ là tài liệu tham khảo cho sinh viên, giảng viên và các cán bộ nghiên cứu khoa học. Đồng thời, kết quả nghiên cứu này sẽ là cơ sở cho các nghiên cứu về lên men phế liệu từ tôm tiếp theo sâu và rộng hơn như nghiên cứu sản xuất quy mô công nghiệp, tinh chế, sử dụng làm thức ăn cho người… Ý nghĩa thực tiễn: Việc tận dụng đầu tôm sau quá trình chế biến để sản xuất thức ăn cho cá cảnh không chỉ giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra được sản phẩm rất cần thiết cho việc sản xuất thức ăn cho nuôi trồng thủy sản – một ngành đang được quan tâm và ngày càng phát triển. Việc tận dụng phế liệu đầu tôm sẽ mang lại lợi ích to lớn cho các doanh nghiệp chế biến thủy sản, đem lại hiệu quả kinh tế cao. Tính mới của đề tài: Phân lập vi khuẩn lactic từ thực phẩm lên men tự nhiên, sử dụng vào lên men đầu tôm nhằm ức chế hoạt động của vi sinh vật gây thối, tạo môi trường thuận lợi để enzyme hoạt động, thu hồi dịch lên men từ đó ứng dụng trong việc bổ sung vào thức ăn nuôi cá Tứ Vân giúp tăng hàm lượng chất dinh dưỡng và tăng khả năng lên màu cho cá. 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về nguyên liệu tôm và phế liệu tôm 1.1.1. Nguồn lợi từ tôm Hiện nay nuôi tôm đã phát triển ở nhiều địa phương trên cả nước Việt Nam và tôm nuôi đã đóng góp vào tỷ trọng xuất khẩu thủy sản suốt một thập kỷ vừa qua. Phần lớn diện tích nuôi tôm ở Việt Nam tập trung ở ĐBSCL, rải rác dọc các cửa sông, kênh, lạch ven biển miền Trung và ở ĐBSH, sông Thái Bình ở miền Bắc. Ngành hàng tôm nước lợ ở ĐBSCL giữ vai trò quan trọng trong lĩnh vực NTTS của Việt Nam, năm 2011 ngành công nghiệp tôm tại vùng này đã chiếm 92% diện tích nuôi và 75% sản lượng tôm nuôi cả nước [11]. Giá trị xuất khẩu của tôm thường chiếm tỉ lệ cao trong tổng giá trị xuất khẩu thủy sản của Việt Nam. Tính trong năm 2012 thì giá trị xuất khẩu tôm đạt 2,25 tỷ USD (VASEP). Tôm Việt Nam chủ yếu được xuất khẩu dưới dạng tôm đông lạnh, đóng hộp và chế biến [14]. Ngành NTTS nói chung và ngành nuôi tôm xuất khẩu nói riêng đã trở thành ngành kinh tế mũi nhọn của đất nước ta hiện nay. 1.1.2. Diện tích nuôi trồng, sản lượng và thị trường xuất khẩu tôm ở Việt Nam Nghề nuôi tôm xuất hiện ở Việt Nam cách đây khoảng 100 năm trước. Số liệu ghi chép được cho thấy vào thập kỉ 70 cả miền Bắc và miền Nam Việt Nam đều tồn tại hình thức nuôi tôm quảng canh. Diện tích nuôi tôm ở ĐBSCL thời kì này đạt khoảng 70.000 ha. Ở Miền Bắc, trước năm 1975 có 15.000 ha nuôi tôm nước lợ [25]. Từ đó cho đến nay diện tích nuôi tôm ở Việt Nam đã tăng lên đáng kể và trở thành một trong những nước có diện tích nuôi tôm thuộc vào loại lớn nhất trên thế giới. Phần lớn diện tích nuôi tôm ở Việt Nam tập trung ở ĐBSCL bao gồm 6 tỉnh thuộc ĐBSCL, trong đó Cà Mau có diện tích thả tôm lớn nhất. Bảng 1.1: Thống kê diện tích nuôi tôm 2010 tại 6 tỉnh ĐBSCL [3] Stt 1 2 3 4 5 6 Địa phương Kiên Giang Cà Mau Bạc Liêu Sóc Trăng Trà Vinh Bến Tre Tổng Bộ Nông Nghiệp và Phát Triển Nông Thôn (2011) Diện tích thả tôm (ha) 80.000 266.592 122.254 47.896 23.986,2 32.878 573.606,2 4 Song song với việc mở rộng về diện tích, sản lượng tôm nuôi cũng tăng mạnh từ những năm 90 và đặc biệt là từ sau năm 2000, Việt Nam trở thành một trong 5 nước có sản lượng tôm nuôi cao nhất trên thế giới. Các loài tôm nuôi chính ở Việt Nam gồm Penaeus monodon, P. merguiensis, P. orientalis, và Metapenaeus ensis, trong đó P. monodon là loài nuôi chủ đạo, đóng góp sản lượng cao nhất. Từ năm 2000 tôm thẻ chân trắng Nam Mỹ (P. vannamei cũng được đưa vào nuôi ở Việt Nam). Trong những năm gần đây, sản lượng nuôi tôm tăng lên đáng kể, năm 2011 tổng sản lượng nuôi tôm đạt 632,9 nghìn tấn và tăng 6,8% so với năm 2010 nhưng đến năm 2012 sản lượng nuôi tôm giảm gần 4% do dịch bệnh, tuy nhiên riêng sản lượng nuôi tôm nước lợ đã đạt hơn 470.000 tấn [15]. Thị trường xuất khẩu tôm quan trọng của Việt Nam là Mỹ, Nhật Bản, Trung Quốc và liên minh Châu Âu (Đức, Anh, Pháp và Bỉ là nhập khẩu tôm nhiều). Hiện nay Nhật Bản vẫn được xem là thị trường lớn nhất nhập khẩu tôm Việt Nam, đạt 505.180 triệu USD. Năm 2011 sản phẩm tôm xuất khẩu đạt 220.000 tấn tương đương khoảng 2,4 tỷ USD, xuất khẩu tôm chiếm 18% về khối lượng và 38% về giá trị xuất khẩu thủy sản của Việt Nam [11]. Năm 2012, Việt Nam xuất khẩu tôm sang 92 thị trường, tổng giá trị ước tính 2,25 tỷ USD, giảm 4,7% so với cùng kỳ năm ngoái [15]. Thị trường xuất khẩu chính trong 9 tháng đầu năm 2011 của Việt Nam đối với mặt hàng thủy sản thể hiện ở Hình 1.1. Hình 1.1: Đồ thị thể hiện phần trăm thị trường xuất khẩu chính trong 9 tháng đầu năm 2011 của Việt Nam đối với mặt hàng thủy sản (Vasep 2011) 1.1.3. Giới thiệu chung về phế liệu tôm Theo thống kê của Tổ chức lương thực và Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc (FAO) thì sản lượng tôm trên thế giới khoảng trên dưới 4 triệu tấn/năm. Hầu hết sản lượng tôm trên thế giới từ các nước đang phát triển như: Thái Lan, Việt Nam, Trung Quốc, 5 Ecudo, Malaysia, Ấn Độ và Indonexia. Theo đó đã tạo ra một lượng phế liệu tôm rất lớn, ước tính có khoảng 1,6 – 2 triệu tấn/năm [2]. Ở Mexico mỗi năm chất thải tôm thải ra từ 35.000 tấn đến 40.000 tấn, một phần chất thải này làm thức ăn cho gia súc nhưng hầu hết đều gây ảnh hưởng đến hệ sinh thái [88]. Ở Việt Nam nguồn nguyên liệu tôm rất dồi dào, khả năng khai thác từ 25.000 – 30.000 tấn/năm. Toàn vùng biển Nam Bộ có trữ lượng và khả năng khai thác lớn nhất nước ta, ước tính khả năng khai thác bằng 50% sản lượng của cả nước. Đặc biệt, nuôi tôm đã phát triển trong những năm gần đây và trở thành ngành kinh tế mũi nhọn. Diện tích nuôi tôm đã tăng từ 250.000 ha năm 2000 lên đến 478.000 ha năm 2001. Qua đó thì lượng phế liệu thải ra của tôm cũng vô cùng lớn, theo thống kê của Trung tâm Nghiên Cứu Chế Biến Thủy Sản, Đại học Thủy Sản thì lượng phế liệu năm 2004 tại Việt Nam ước tính khoảng 45.000 tấn phế liệu, năm 2005 ước tính khoảng 75.000 tấn/năm và tiếp tục tăng trong những năm tiếp theo. Năm 2008 Việt Nam đứng hàng đầu thế giới về nuôi tôm sú, tôm sú là đối tượng nuôi rất quan trọng trong lĩnh vực nuôi trồng và chế biến xuất khẩu ở nước ta (chủ yếu tập trung ở khu vực Đồng bằng Sông Cửu Long trên 90% sản lượng). Theo Bộ Thủy Sản (2008), tổng sản lượng tôm nuôi 392.000 tấn, trong đó tôm sú khoảng 360.000 tấn. Cùng với việc tăng sản lượng tôm sú xuất khẩu sẽ là sự gia tăng lượng phế liệu đầu, vỏ tôm [2]. Với sản lượng tôm hàng năm mà nước ta đạt được như trên đã đem lại giá trị kinh tế rất cao cho đất nước nhưng chính vì vậy mà phế liệu từ tôm bị thải ra môi trường cũng ngày càng nhiều do đó nếu không có hướng giải quyết vấn đề trên thì môi trường sẽ ngày càng bị ô nhiễm nghiêm trọng từ đó gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người. Hiện nay phế liệu tôm thải ra từ các cở sở chế biến tôm bao gồm: Đầu, vỏ và đuôi tôm ngoài ra còn có tôm gãy thân, tôm lột vỏ sai quy cách hoặc tôm bị biến màu. Tùy thuộc vào loài và phương pháp xử lý mà lượng phế liệu có thể vượt quá 60% khối lượng sản phẩm, ví dụ: Tôm càng xanh Macrobrachium rosenbergii đầu tôm chiếm tới 60% trọng lượng tôm, tôm sú: Đầu tôm sú Penaeus monodon cũng chiếm tới 40% trọng lượng tôm. Với sản phẩm tôm lột vỏ, rút chỉ lưng, lượng đuôi và vỏ đuôi của tôm chiếm khoảng 25% trọng lượng tôm. Đối với tôm thẻ thì lượng phế liệu đầu tôm chiếm 28% và vỏ chiếm 9%, như vậy tổng lượng phế liệu vỏ đầu tôm thẻ là 37% [22]. Nguồn phế liệu này ngày càng tăng lên do đó nếu không được giải quyết sẽ gây ra vấn đề về môi trường. 6 Qua các nghiên cứu người ta đã xác định được trong đầu tôm chứa những thành phần chủ yếu là protein, sắc tố, chitin, lipid, chất khoáng... và đây là cơ sở để ta tiến hành nghiên cứu những phương pháp nhằm thu hồi những hợp chất có giá trị còn tồn tại trong phế liệu, từ đó ngoài việc mang lại lợi ích kinh tế thì cũng sẽ giải quyết được vấn đề ô nhiễm môi trường. 1.1.3.1. Thành phần, tính chất phế liệu tôm Trong thành phần phế liệu tôm, phần đầu thường chiếm khoảng 35 ÷ 45% trọng lượng của tôm nguyên liệu, phần vỏ chiếm 10 ÷ 15%. Tuy vậy, tỷ lệ này còn phụ thuộc vào giống loài, giai đoạn sinh trưởng [10]. Thành phần chiếm tỷ lệ đáng kể trong đầu tôm là protein, chitin, canxi cacbonate, sắc tố mà có thể được phục hồi [73]. Tỷ lệ các thành phần này không ổn định vì chúng thay đổi theo giống, đặc điểm sinh thái, sinh lý,… Thành phần chitin và protein trong vỏ tươi tương ứng là 4,50% và 8,05%, trong vỏ tôm khô là 11 –27,50% và 23,25 – 53%. Hàm lượng chitin, protein, khoáng và carotenoid trong phế liệu vỏ tôm thay đổi rất rộng phụ thuộc vào điều kiện bảo quản cũng như phụ thuộc vào loài, trạng thái dinh dưỡng, chu kỳ sinh sản. Vỏ giáp xác chứa chủ yếu là protein (30 – 40%), khoáng (30 – 50%), chitin (13 – 42%) [22]. Bảng 1.2: Thành phần đầu và vỏ phế liệu tôm (%) [10] Phế liệu Protein Chitin Lipid Tro Canxi Phospho Đầu 53,5 11,1 8,9 22,6 7,2 1,68 Vỏ 22,8 27,2 0,4 11,7 11,1 3,16 Protein: Protein đầu tôm phần lớn thuộc loại khó tiêu hóa và khó trích ly, protein đầu tôm thường tồn tại ở hai dạng chính là dạng tự do (có trong nội tạng và có gắn với phần thân tôm) và dạng liên kết với chitin hoặc canxicacbonat như một phần thống nhất của vỏ tôm. Hệ enzyme: Hệ enzyme của tôm thường có hoạt độ mạnh hơn đặc biệt ở cơ quan nội tạng thuộc phần đầu tôm do đó bộ phận này rất dễ bị hư hỏng. Hệ enzyme của tôm bao gồm: Protease là enzyme chủ yếu trong đầu tôm, chủ yếu phân giải protein thành acid amin. Lipase phân giải lipid thành glyxeryl và acid béo. Đối với Tyrozinaza thì khi có mặt của oxi không khí thì sẽ biến đổi tyrozin thành melanin có màu đen ảnh hưởng đến giá trị cảm quan và chất lượng của sản phẩm. 7 Chitin: Tồn tại dưới dạng liên kết với protein, khoáng, và những hợp chất hữu cơ khác, chủ yếu là CaCO3 là thành phần chính cấu tạo nên vỏ tôm. Chính sự liên kết này đã gây khó khăn trong việc tách chiết và tinh chế. Canxi: Trong thành phần vỏ, đầu tôm có chứa một lượng lớn muối vô cơ, chủ yếu là cacbonat canxi (CaCO3). Astaxanthin: Là sắc tố chủ yếu trong vỏ tôm, astaxanthin là dẫn xuất của caroten, thường ở dạng liên kết với acid béo (ester hóa) hay với protein tạo nên một phức hợp chặt chẽ có màu xanh đặc trưng cho tôm. Khi liên kết này bị phá vỡ thì astaxanthin dễ dàng bị oxy hóa thành astaxin. Trong đầu tôm có chứa một lượng nhỏ sắc tố nhưng nó cực kỳ có giá trị vì vậy người ta đã có nhiều nghiên cứu nhằm thu hồi sắc tố một cách triệt để nhất trong phế liệu tôm và đi kèm với nó là việc thu hồi protein để từ đó làm tăng giá trị sản phẩm, tạo sản phẩm mới và cải thiện môi trường đáng kể. Lipid: Chứa một lượng đáng kể, chủ yếu gồm các acid béo chưa no bão hòa như EPA, DHA. Đây là những acid béo rất có lợi cho sức khỏe con người và có nhiều ứng dụng khác trong y học. Chất ngấm ra ở đầu tôm: Trymethylamin (TMA), Trymethinlaminoyt (TMAO), Betain, bazo purin, các acid amin tự do, ure… Từ thành phần, tính chất nguồn phế liệu đầu, vỏ tôm, nhận thấy đây là nguồn nguyên liệu phong phú không chỉ sản xuất chitin - chitosan mà còn chứa một lượng protein, astaxanthin và các acid béo không no có lợi cho cơ thể cần được thu hồi. Vậy trong phế liệu tôm có chứa rất nhiều thành phần giá trị nên cần có chế độ xử lý thích hợp đối với nguồn phế liệu tôm bao gồm đầu và vỏ nhằm thu được thành phẩm có chất lượng cao. Việc tách phần lớn protein, chất màu, khoáng trước khi sản xuất chitin, chitosan bằng cách sử dụng vi sinh vật để lên men lactic và ta tận dụng dịch lên men này làm thức ăn cho chăn nuôi là một phương phát xử lý phế liệu tôm này. Từ đó, vừa góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế, vừa giảm được sự ô nhiễm môi trường do nguồn phế liệu tôm thải ra, bảo vệ môi trường đưa ngành thủy sản phát triển bền vững. 1.1.3.2. Thành phần caroteinoprotein Carotenoprotein là phức chất giữa protein và carotenoid được tìm thấy ở nhiều sinh vật biển. Đặc biệt, carotenoprotein có nhiều ở nhiều loài động vật giáp xác, không những tồn tại nhiều ở lớp ngoại bì, trong vỏ mà còn phân bố rộng ở các bộ phận cơ quan như trứng, dạ dày hay bạch huyết của chúng [41]. Một số loài giáp xác đã được nghiên cứu 8 chiết rút carotenoprotein như tôm, cua, ghẹ [52], [66]. Carotenoprotein được chia thành 2 nhóm chính: (1) carotenoprotein thật: có sự liên kết chặt chẽ giữa carotenoid với protein, (2) carotenolipoprotein: carotenoid liên kết với các nhóm lipid và không thể hiện liên kết cụ thể với protein [66]. Zagalsky cho rằng phản ứng giữa các nhóm 4 và 4’ keto trong các vòng mang điện của β-astaxanthin là điều kiện tiên quyết cho phản ứng giữa nhóm carbonyl trong carotenoid với các gốc amin để hình thành carotenoprotein [97]. Bên cạnh đó, tất cả các carotenoprotein đều được tách ra thành carotenoid và apoprotein bằng aceton hoặc ethanol. Crustacyanin và ovorudin là những carotenoprotein có thể được khôi phục lại dạng tự nhiên khi trộn hỗn hợp dung dịch aceton của carotenoid với dung dịch protein, pha loãng với nước, tách aceton ra. Các carotenoid có liên quan đến protein thì ít bị oxi hóa hơn các carotenoid khác ở dạng tự do [52]. Carotenoid có nguồn gốc từ sinh vật biển được sử dụng rộng rãi như là một chất màu tự nhiên an toàn cho các ngành công nghệ thực phẩm, được phẩm và mỹ phẩm. Carotenoid có vai trò quan trọng để loại trừ hoặc ngăn chặn một số bệnh thoái hóa cơ thể như chứng xơ vữa động mạch, ung thư, thoái hóa cơ thể và các bệnh về mắt [68]. Carotenoid chiết tách từ các loài giáp xác có chức năng hình thành sắc tố được xem như là một nguồn tiền tố vitamine A quan trọng và là nhóm chất chống oxy hóa. Hình 1.2: Các liên kết hóa học của astaxanthin trong tôm [27] 9 Armenta và Guerrero – Legarreta cho biết trong phế liệu tôm, carotenoid chủ yếu là astaxanthin (trên 95%) [36]. Astaxanthin là một carotenoid, thuộc nhóm chất phytochemical tecpen, là chất sắc tố màu vàng đỏ. Giống như nhiều carotenoid, nó là một chất màu hòa tan trong mỡ hoặc dầu. Astaxanthin có thể được tìm thấy trong vi tảo, men bia, cá hồi, cá, loài nhuyễn thể, tôm, tôm càng, động vật giáp xác, và những chiếc lông của một số loài chim. Trong các loài giáp xác thủy sản, astaxanthin chủ yếu tập trung ở phần vỏ ngoài. Astaxanthin thường tồn tại ở dạng tự do, dạng mono hay di-ester với các acid béo không no mạch dài, hoặc dưới dạng phức hợp carotenoprotein của đồng phân quang học (3S, 3’S). Hàm lượng astaxanthin trong vỏ tôm, cua thay đổi đáng kể theo tùy loài (từ 10-140 mg/kg trọng lượng ướt hay là khoảng 50 – 700 mg/kg trọng lượng khô), chứng tỏ ở vỏ các loài giáp xác chứa một nguồn astaxanthin tự nhiên đáng kể [22]. Astaxanthin được thu nhận từ các loài sinh vật biển, có ảnh hưởng rất lớn đối với cơ thể con người, như có khả năng ngăn chặn sự oxy hóa của các acid béo không no có lợi, ngăn chặn ảnh hưởng của tia cực tím, tăng khả năng miễn dịch, hình thành chất màu, quá trình sao chép và truyền dẫn thông tin [68]. Astaxanthin là chất chống oxy hóa rất hiệu quả, có khả năng bảo vệ phospholipid của màng tế bào khỏi sự peroxid hóa, hoạt tính chống oxy hóa của astaxanthin lớn hơn gấp 10 lần các carotenoid khác như zeaxanhin, lutein, canthaxanthin và β-caroten. Ngoài ra, astaxanthin cũng có tác dụng tăng cường khả năng miễn dịch. 1.1.3.3. Các hướng tận dụng phế liệu tôm hiện nay Sản xuất chitin – chitosan: Chitin – chitosan có nguồn gốc khác nhau như từ tôm, cua, mực… chúng đóng một vai trò quan trọng trong các ngành công nghiệp. Hiện nay chitin – chitosan được nghiên cứu và ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau như ứng dụng vào trong việc xử lý nước thải, công nghiệp dệt nhuộm, giấy, cố định enzyme, tạo viên bọc tế bào trong y học, làm chất ổn định trong mỹ phẩm… Có rất nhiều ứng dụng dựa vào chitin – chitosan do vậy nguồn phế liệu tôm hiện nay được sử dụng nhiều trong việc sản xuất chitin và chitosan. Sản xuất bột màu astaxanthin: Thành phần hóa học của tôm rất giàu protein nên trước khi sản xuất chitin chúng ta nên thu hồi protein lại. Trong thành phần của vỏ phế liệu cũng chứa sắc tố astaxanthin, tuy nó có hàm lượng nhỏ nhưng giá thành lại cao trên thị trường (2.500 USD/kg). Hơn nữa astaxanthin còn là một carotenoid có tác dụng kích thích sinh trưởng, kháng một số bệnh, chống oxy hóa, tăng chất màu cho sản phẩm nuôi, tăng màu hương vị cho sản phẩm.