Quy trình sản xuất các sản phẩm giá trị cao từ phế phẩm xương cá

 

Với đặc trưng bờ biển trải dài 3.260km và có hệ thống sông ngòi, kênh rạch chằng chịt, hoạt động khai thác, đánh bắt và nuôi trồng thủy sản tại Việt Nam diễn ra khá sôi động. Theo thông tin của Hiệp hội Chế biến và Xuất khẩu Thủy sản Việt Nam (VASEP), năm 2019, tốc độ tăng giá trị sản xuất thủy sản (giá so sánh năm 2010) đạt 6,25% so với năm 2018 và tổng sản lượng đạt khoảng 8,15 triệu tấn (tăng 4,9%), kim ngạch xuất khẩu ước đạt ƣớc đạt 8,6 tỷ USD.

 

Tổ chức FAO (Food and Agricultural Organisation) ước tính chỉ có khoảng 50-60% thủy hải sản đánh bắt phục vụ cho nhu cầu của con người, phần còn lại gồm các sản phẩm như xương, da, nội tạng được xem là phế phẩm có giá trị rất thấp. Trong đó, đầu và xương cá chiếm khoảng 45% tổng lượng các phế phẩm.

 

Hiện nay, những phế phẩm thải ra từ các cơ sở chế biến được bán với giá thành thấp, thường sử dụng làm thức ăn chăn nuôi với chuỗi giá trị kinh tế thấp. Trong khi đó, thành phần của phế phẩm xương cá chứa hàm lượng canxi khá cao và protein với các axit amin thiết yếu có giá trị. Đã có nhiều công trình khoa học nhận định xương cá là một nguồn canxi từ thiên nhiên có tính ứng dụng cao, đặc biệt đây là nguồn thu nhận hydroxyapatite (HA). Thêm vào đó, tổng hợp HA từ xương cá là quá trình thân thiện với môi trường và sản phẩm thu được có tính tương thích sinh học cao.

 

 

 

Theo TS. Nguyễn Trí (Viện Công nghệ hóa học), trên thế giới, HA đã ứng dụng rộng rãi trong y sinh như một chất độn, sửa chữa xương và tái tạo mô xương hoặc chất mang thuốc để chữa trị thoái hóa xương. Ngoài ra, HA cũng có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực xúc tác, trao đổi ion, cảm biến, gốm sứ sinh học, xử lý môi trường. So với HA được tổng hợp từ nguyên liệu có nguồn gốc tự nhiên, HA tổng hợp từ các hóa chất phức tạp hơn và không an toàn về mặt sinh học (không thể sử dụng làm vật liệu y sinh). Do đó, các nhà nghiên cứu đã lựa chọn những nguồn tự nhiên để tổng hợp HA như xương cá,

 

xương bò, răng và xương của lợn. Phân tích thành phần hóa học của những nguồn nguyên liệu tự nhiên này đã chỉ ra rằng chúng là nguồn cung cấp canxi phong phú. Việc tổng hợp HA từ những nguồn phế phẩm này không chỉ đạt hiệu quả về kinh tế mà còn thân thiện với môi trường. Trong đó, xương cá chiếm khoảng 50% chất thải tạo ra từ ngành công nghiệp chế biến cá, được chứng minh là nguồn nguyên liệu an toàn, dồi dào và khả năng truyền bệnh thấp, nên nhiều loài cá đã được sử dụng để chế tạo HA như cá hồi, cá chép, cá cơm Nhật Bản, cá mòi, cá ngừ,…

 

Về phương pháp tổng hợp HA, nhiều phương pháp khác nhau đã được áp dụng như các phản ứng ở trạng thái rắn, phương pháp đồng kết tủa, phương pháp thủy nhiệt, phương pháp sol-gel,… Nhìn chung, các quá trình tổng hợp HA từ phế phẩm xương cá hiện nay đều trải qua các công đoạn xử lý nguyên liệu ban đầu như nấu chín và nung (nhằm tách hết thịt và mô còn sót lại trên bề mặt và các chất hữu cơ có trong xương) hoặc xử lý NaOH và H2O2. Tuy nhiên, các công đoạn này làm tăng chi phí cho quá trình sản xuất HA, đây là rào cản lớn cho việc ứng dụng triển khai vào thực tiễn. Đến nay chưa có công trình nào nghiên cứu toàn diện kết hợp quá trình thủy phân trích protein có trong phế phẩm xương cá và tổng hợp HA từ bã rắn sau quá trình thủy phân nhằm tiết kiệm chi phí cho quá trình sản xuất hai dòng sản phẩm HA và protein.

 

Mặt khác, protein thường được thủy phân bởi quá trình hóa học. Phương pháp này tuy tiêu tốn ít chi phí, nhưng phản ứng thủy phân bằng hóa chất rất khó kiểm soát chất lượng sản phẩm do điều kiện phản ứng khắc nghiệt và thời gian tiêu tốn nhiều hơn. Hơn nữa, một số axit amin thiết yếu sẽ bị giảm trong quá trình phản ứng và chứa các peptide không mong muốn.

 

TS. Nguyễn Trí cho biết, hiện nay, phương pháp thủy phân protein bằng enzyme thu hút sự quan tâm do đây là quá trình tạo ra protein chất lượng cao. Protein thu được từ phương pháp này có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như phụ gia thực phẩm, thực phẩm chức năng, dược phẩm và mỹ phẩm. Một số enzyme protease có sẵn trên thị trường đã được sử dụng để thủy phân protein cá, điển hình là Alcalase, Flavourzyme, Papain, Neutrase và Bromeline. Tuy nhiên, chi phí enzyme cao là một trong những trở ngại khiến việc triển khai sản xuất còn hạn chế.

 

Vì vậy, với nhiệm vụ khoa học công nghệ “Nghiên cứu sản xuất bột nano canxi hydroxyapatite và chế phẩm protein thủy phân bằng enzyme từ phế phẩm xương cá chẽm, cá hồi và cá ngừ”, nhóm nghiên cứu tại Viện Công nghệ hóa học (Viện Hàn lâm Khoa học công nghệ Việt Nam) đã kết hợp quá trình thủy phân trích protein có trong phụ phẩm xương cá với quá trình tổng hợp HA từ bã rắn sau quá trình thủy phân, qua đó giảm thiểu chi phí sản xuất và giá thành sản phẩm bột protein và bột HA, hướng đến ứng dụng sản xuất quy mô công nghiệp.

 

 

Trước tiên, nguyên liệu phụ phẩm xương cá sẽ được cắt nhỏ (kích thước 1 – 2cm). Tiếp theo, bổ sung nước với tỷ lệ 1:1,5 (w:w) và gia nhiệt đến nhiệt độ tách béo trong 1 giờ và khuấy liên tục với tốc độ khuấy là 200 vòng/phút để tiến hành tách béo (nhiệt độ tách béo đối với xương cá hồi, cá chẽm và cá ngừ tương ứng 95oC, 95oC và 90oC). Sau đó, tắt khuấy và gia nhiệt để yên cho hỗn hợp nguội về nhiệt độ phòng rồi đem làm lạnh ở 4oC, tiếp theo tách lớp lipid đã đóng rắn trên bề mặt hỗn hợp.

 

Hỗn hợp sau khi đã tách lipid sẽ tiến hành thủy phân với enzyme. Ở bước này tiến hành khảo sát các yếu tố ảnh hưởng lên quá trình thủy phân (thời gian, nhiệt độ, và nồng độ enzyme theo phương pháp khảo sát luân phiên từng biến) với kết quả mong đợi là hiệu suất thu hồi protein.

 

Sau khi thủy phân với enzyme, hỗn hợp sẽ được tiến hành bất hoạt enzyme ở nhiệt độ 85oC trong 15 phút, rồi lọc qua rây hoặc vải để loại bỏ phần xương, phần dịch còn lại sẽ mang đi ly tâm ở tốc độ 7000 vòng/phút trong 10 phút để loại bỏ phần xương còn sót lại (phần bã rắn tách bên dưới) và thu được dịch protein. Sau đó, dịch protein được cấp đông sâu và sấy thăng hoa thu được sản phẩm ở dạng bột. Sản phẩm bột protein được bảo quản ở nhiệt độ -10oC cho những nghiên cứu tiếp theo.

 

Sơ đồ quy trình:

 

 

 

 

Xương cá hồi/cá chẽm/cá ngừ sau quá trình thủy phân protein bằng enzyme được thu gom và rửa sơ bộ bằng nước để loại bỏ các tạp chất còn sót lại. Sau đó, xương được sấy khô ở 60oC trong 24 giờ rồi nghiền mịn thành dạng bột (đảm bảo kích thước hạt phải nhỏ hơn 0,25mm). Cuối cùng, lấy mẫu đem phân tích XRD và XRF để xác định thành phần pha cũng như thành phần các nguyên tố của xương trước khi làm tiền chất tổng hợp HA.

 

* Sơ đồ quy trình:

 

 

 

Cân 1,00 gram bã rắn xương cá khô đã được nghiền mịn (d < 0,25mm) cho vào cốc thủy tinh 250mL, thêm vào 50mL nước cất rồi khuấy ở nhiệt độ phòng với tốc độ khuấy 300 vòng/phút trong thời gian 30 phút. Tiếp theo, thêm từ từ từng giọt dung dịch H3PO4 nồng độ 1% vào hỗn hợp, lượng thể tích dung dịch H3PO4 nồng độ 1% thêm vào tùy thuộc vào từng loại xương cá, đồng thời dùng NH4OH pha loãng 5% để duy trì pH = 10 trong suốt quá trình phản ứng.

 

Lượng phospho bổ sung vào sao cho tỉ lệ mol Ca/P trong dung dịch phản ứng là 1,8. Dựa vào kết quả phân tích thành phần (XRF) các nguyên tố trong bã rắn các loại xương ban đầu, dung dịch H3PO4 nồng độ 1% được bổ sung vào quá trình tổng hợp HA từ xương cá với lượng phù hợp. Trong giai đoạn phản ứng này, hỗn hợp vẫn được khuấy (bếp) từ giữ ở nhiệt độ phòng và thời gian phản ứng là 2 giờ (tính từ khi nhỏ giọt H3PO4 cuối cùng). Nồng độ và lượng chất sử dụng cũng sẽ thay đổi tùy theo yếu tố cần khảo sát, điển hình là khi khảo sát tỉ lệ rắn/lỏng.

 

Kết thúc phản ứng đem hỗn hợp thủy nhiệt trong tủ để đảm bảo ổn định cấu trúc của sản phẩm HA. Nhiệt độ thủy nhiệt (Th) và thời gian thủy nhiệt (th) được khảo sát để chọn điều kiện thủy nhiệt phù hợp thông qua kết quả đánh giá thành phần pha và kích thước tinh thể HA thu được.

 

Sau khi thủy nhiệt, gạn lấy phần rắn đem rửa bằng nước cất và ly tâm với tốc độ 5000 vòng/phút, thời gian mỗi lần ly tâm là 15 phút. Tiến hành rửa và ly tâm nhiều lần cho đến khi pH dung dịch sau lọc đạt giá trị 7 ± 0,2. Tiếp theo, rửa và ly tâm lần cuối cùng thực hiện với ethanol 95%. Sau ly tâm, mẫu rắn được đem sấy khô ở nhiệt độ 80oC trong thời gian 12 giờ. Mẫu sau sấy được đem nung để loại bỏ các thành phần hữu cơ còn liên kết chặt chẽ trong xương cá để thu nhận được sản phẩm HA.

 

Nhiệt độ nung (Tc) và thời gian nung (tc) được khảo sát để chọn điều kiện nung phù hợp thông qua kết quả đánh giá thành phần pha và kích thước tinh thể HA thu được. Các sản phẩm HA được tổng hợp từ xương cá chẽm, cá hồi và cá ngừ lần lượt ký hiệu là BHA, SHA và THA.

 

Các quy trình trên đã được hoàn thiện và sản xuất thành công sản phẩm bột protein, bột HA từ các phế phẩm xương cá. Bột protein thủy phân hòa tan trong nước, có hoạt tính kháng oxy hóa cao và chứa các axit amin thiết yếu với hàm lượng cao, phù hợp làm nguồn bổ sung đạm cho thực phẩm, ứng dụng trong thực phẩm chức năng. Bột HA có kích thước nano, có độ tinh sạch và tính tương thích sinh học cao, có khả năng bổ sung canxi cho răng bằng cách bổ sung vào thành phần của kem đánh răng thông thường.

 

 

 

TS. Nguyễn Trí cho biết, hai dòng sản phẩm bột protein, bột nano canxi HA đã được Viện Pasteur TP.HCM kiểm nghiệm và đánh giá đạt các chỉ tiêu chất lượng sản phẩm (về hóa lý, vi sinh, hàm lượng vết các kim loại As, Cd, Hg và Pb,…). Quy trình sản xuất được xác định các thông số phù hợp và vận hành đơn giản, hiệu quả, sạch và xanh. Đây là công nghệ thu hồi và tận dụng tối đa phụ phẩm xương cá nhằm tạo ra các sản phẩm có giá trị cao hơn hẳn, góp phần nâng cao giá trị của chuỗi sản phẩm trong chế biến thủy hải sản, cũng như nâng cao hiệu quả kinh tế cho doanh nghiệp.

 

 

Theo bà Đặng Thị Phương Ninh, Giám đốc Công ty Phát triển kinh tế Duyên Hải (COFIDEC), đơn vị đang bán xương cá phế phẩm với mức giá 4.000 đồng/kg cho nhiều nơi để làm nguyên liệu đầu vào cho sản xuất nước mắm, nước tương hoặc sản xuất thức ăn chăn nuôi. Kết quả nghiên cứu của Viện Công nghệ hóa học với quy trình sản xuất 2 dòng sản phẩm có tính ứng dụng và giá trị kinh tế cao là rất hữu ích cho ngành sản xuất thực phẩm và cần thiết cho lĩnh vực vật liệu y sinh. Bà Ninh nhận định, thành công của nhóm nghiên cứu đã mở ra một hướng tiếp cận mới cho các doanh nghiệp trong lĩnh vực thực phẩm, y học, đồng thời giúp nâng cao giá trị của nguồn phụ phẩm thải ra từ các nhà máy chế biến thủy hải sản. Từ hai dòng sản phẩm protein và nano canxi hydroxyaptite, có thể tạo ra các sản phẩm thực phẩm chức năng bổ sung dinh dưỡng và canxi đưa ra thị trường cũng như các sản phẩm ứng dụng trong lĩnh vực nha khoa, cấy ghép xương,…

  

 

Hiện tại, nhóm nghiên cứu của Viện Công nghệ hóa học tiếp tục hợp tác với Sàn Giao dịch công nghệ Techport.vn (thuộc Trung tâm Thông tin và Thống kê Khoa học và Công nghệ – Sở KH&CN TP.HCM) để sẵn sàng chuyển giao quy trình công nghệ cho các cơ sở, đơn vị, doanh nghiệp có nhu cầu áp dụng sản xuất.

 

Thông tin chuyên gia, hỗ trợ

Điện thoại: 0834283283

E-mail: ntri@ict.vast.vn

 

Địa chỉ: 1A, Đường TL29, P. Thạnh Lộc, Q. 12, TP.HCM. Điện thoại: (028) 38222263

 

Địa chỉ: 79 Trương Định, P. Bến Thành, Q.1, TP. HCM

Điện thoại: (028) 3822 1635 - Fax: (028) 3829 1957

Email: giaodichcongnghe@cesti.gov.vn