Sản xuất protein thủy phân & vật liệu HA từ phế phẩm xương cá

Nghiên cứu sản xuất protein từ phụ phẩm xương cá không phải là đề tài mới lạ, nhưng những nghiên cứu trước đây hầu hết đều gặp phải rào cản về hiệu quả, giá thành.

Các nhà khoa học tại Viện Công nghệ hóa học, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam, đã đề xuất một phương pháp giúp hạ giá thành sản xuất thông qua việc tận dụng bã rắn sau khi thu hồi protein để tổng hợp hydroxyapatite có trong cá.

“Một mũi tên trúng hai đích”

Tổ chức FAO (Food and Agricultural Organisation) ước tính chỉ có khoảng 50-60% các phần của những loài thủy hải sản được 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. Những phế phẩm thải ra từ các cơ sở chế biến bị “bán tống bán tháo” giá rẻ, thường sử dụng làm thức ăn chăn nuôi với chuỗi giá trị kinh tế thấp.

Đó là một điều lãng phí khi thành phần của phế phẩm xương cá chứa hàm lượng protein cao với các axit amin thiết yếu có giá trị. Để tận dụng nguồn dinh dưỡng này, các nhà khoa học thường thủy phân hóa học protein. 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.

Trước những khó khăn đó, các nhà khoa học bắt đầu cân nhắc đến phương pháp thủy phân protein bằng enzyme, bởi phương pháp này giúp tạo ra protein chất lượng cao có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như phụ gia thực phẩm, thực phẩm chức năng, dược phẩm và mỹ phẩm. Tuy nhiên, cái khó ở đây là chi phí enzyme khá cao - đây là một trong những trở ngại khiến việc triển khai sản xuất còn hạn chế.

Làm thế nào để giảm giá thành sản xuất, mang đến một nguồn cung cấp protein ổn định, an toàn, chất lượng cho người Việt? Câu hỏi này đã thôi thúc các nhà khoa học tại Viện Công nghệ hóa học (Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam) đi tìm lời giải, và họ nhận ra rằng việc tận dụng bã rắn sau khi thu hồi protein để tổng hợp một chất dinh dưỡng khác sẽ giúp nâng cao giá trị thu được, giúp bù đắp chi phí enzyme. Trong xương cá liệu có còn ẩn chứa một chất nào khác? Câu trả lời là có, đó là hydroxyapatite (HA) - một dạng canxi phosphat tự nhiên có tính tương thích sinh học cao với tế bào và mô.

Theo TS. Nguyễn Trí (Viện Công nghệ hóa học) - đại diện nhóm nghiên cứu, trên thế giới, HA đã được 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.

Các nhà nghiên cứu thường lựa chọn những nguồn tự nhiên để tổng hợp HA như xương cá, xương bò, răng và xương của lợn; bởi đây 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). Nhờ 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,…

Mặt khác, dù là một nước với thủy hải sản dồi dào - một nguồn cung cấp canxi tiềm năng, theo điều tra của Viện Dinh dưỡng, khẩu phần canxi của người Việt hiện nay chỉ đạt 500-540mg/người/ngày, bằng 50-60% nhu cầu canxi khuyến nghị. Việc không hấp thụ đủ lượng canxi cần thiết phần nào lý giải vì sao chiều cao trung bình của người Việt vẫn ở mức thấp so với chiều cao trung bình trên thế giới. Hiện nay nguyên liệu để sản xuất sản phẩm canxi dùng trong y học hay thực phẩm bổ sung phần lớn đều phải nhập khẩu với giá thành cao.

Thực chất, đã có nhiều nhà khoa học tại Việt Nam và trên thế giới quan tâm đến việc nghiên cứu phương pháp thu hồi HA từ phụ phẩm xương cá như tiến hành 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.

Như vậy thủy phân trích protein có trong phụ phẩm xương cá bằng enzym, sau đó sẽ tận dụng tổng hợp HA từ bã rắn sau quá trình thủy phân này, là “một mũi tên trúng hai đích”: vừa giúp cung cấp nguồn protein và HA chất lượng, vừa “ 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”, nhóm nghiên cứu cho biết.

Khai thác hiệu quả giá trị của cá

Các nhà khoa học đã chọn cá chẽm, cá hồi và cá ngừ để nghiên cứu, bởi chúng có khung xương lớn và nguồn cung dồi dào. Như vậy, phụ phẩm trong nghiên cứu gồm khung xương, phần thịt bám trên khung xương và vây của các loại cá.

Trước tiên, xương cá được cắt nhỏ, bổ sung nước với tỷ lệ 1:1,5 và gia nhiệt, làm lạnh để tách lớp béo trên bề mặt. Sau đó, hỗn hợp được tiến hành thủy phân với enzyme rồi lọc, ly tâm để loại bỏ phần xương. Phần dịch lọc thu được cấp đông, sấy thăng hoa, được sản phẩm là protein dạng bột, có thể sử dụng trong nhiều lĩnh vực như phụ gia thực phẩm, mỹ phẩm, dược phẩm, thực phẩm chức năng.

Các sản phẩm phụ của cá, nếu được khai thác hiệu quả, sẽ giúp ngành nuôi trồng thủy sản cải thiện tính bền vững.

Để tổng hợp nano canxi HA từ xương cá, phần phụ phẩm xương cá thu được sau quá trình thủy phân protein bằng enzyme được xử lý sơ bộ bằng nước để loại bỏ các tạp chất. Sau đó, xương được sấy khô ở 60ºC trong 24 giờ, rồi nghiền mịn thành dạng bột với kích thước hạt nhỏ hơn 0,25 mm, 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 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.

Sau đó, các nhà khoa học bổ sung phospho và H3PO4 nồng độ 1% 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).

Kết thúc phản ứng, nhóm nghiên cứu đem hỗn hợp thủy nhiệt trong tủ để đảm bảo ổn định cấu trúc của sản phẩm HA. Sau khi thủy nhiệt, nhóm 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. 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.

Kết quả thử nghiệm cho thấy, hiệu suất thu hồi protein đối với ba loại xương cá trên đạt từ 60 - 83%; hiệu suất tổng hợp canxi HA đạt từ 44 - 56% so với lượng bã rắn ban đầu, tùy vào từng loại xương. Đặc biệt, sản phẩm bột HA kích thước nano thu được 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.

Các quy trình này cũng đã được đưa vào thử nghiệm ở quy mô pilot 30 kg xương/mẻ để hoàn thiện quy trình sản xuất bột nano canxi hydroxyapatite và protein thủy phân bằng enzyme. Các sản phẩm của đề tài nghiên cứu (bột protein, HA) đều được kiểm nghiệm tại Viện Pasteur TP.HCM, đạt chất lượng ở các chỉ tiêu về hóa lý, vi sinh.

Xét về hiệu quả kinh tế, nhóm nghiên cứu khẳng định công nghệ này giúp thu hồi và tận dụng tối đa phụ phẩm xương cá nhằm tạo ra các sản phẩm có giá trị cao hơn hẳn, từ đó giúp cho giá trị của quy trình chế biến thủy hải sản tăng thêm giá trị và có nhiều cơ hội cạnh tranh hơn trên thị trường.

Là người có kinh nghiệm nhiều năm trong việc kinh doanh thủy hải sản, bà Đặng Thị Phương Ninh, Tổng Giám đốc Công ty Cofidec nhìn nhận đây là một nghiên cứu hữu ích, bởi “quy trình giúp tổng hợp hai loại hợp chất có giá trị kinh tế và ứng dụng rất cao trong ngành sản xuất thực phẩm và lĩnh vực vật liệu y sinh”, từ đó “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”.

Nghiên cứu của các nhà khoa học tại ĐH Stirling cho thấy việc xử lý cá nguyên con sẽ mang lại tổng sản lượng thịt cao hơn đáng kể (64-77%) so với việc chỉ lấy phần phi-lê (30-56%) như thông thường. Phần đầu, xương và thịt vụn của hầu hết mọi loài cá còn hứa hẹn bổ sung vào nguồn cung cấp thực phẩm, thông qua những sản phẩm ở dạng chất lỏng hoặc đã qua chế biến, chẳng hạn cá thái lát tẩm bột, nước sốt và viên cá,… “Bên cạnh đó, chúng cũng có thể được chiết xuất thành các sản phẩm giàu dinh dưỡng như bột protein, dầu cá hay chất bổ sung collagen – cho giá trị kinh tế rất cao. Chưa hết, nội tạng cá còn được tận dụng trong ngành sản xuất thức ăn chăn nuôi, giống như da cá, do chứa hàm lượng protein, axit béo omega-3 cao và độ tro thấp,” Malcorps nói.

Khoahocphattrien