Ứng dụng công nghệ sinh học trong sản xuất tinh bột biến tính

Khác với tinh bột thường dùng để làm các món ăn hằng ngày, tinh bột biến tính thoạt nghe có vẻ xa lạ hơn rất nhiều. Nhưng trên thực tế, chúng có mặt trong hầu hết các vật dụng quen thuộc hàng ngày với chúng ta, từ thực phẩm cho đến đồ trang điểm. Ngoài ra, tinh bột biến tính còn là nguyên liệu quan trọng với nhiều ngành công nghiệp, từ dệt nhuộm, sản xuất giấy cho đến khai khoáng… “Trong sản xuất giấy, chúng được dùng làm chất phủ bề mặt, thành phần nguyên liệu giấy không tro, tã giấy… Ngoài ra, người ta còn ứng dụng trong dệt nhuộm, hồ sợi, tuyển nổi quặng, dung dịch nhũ tương khoan dầu”, TS. Phạm Minh Nhựt, Trưởng ngành Công nghệ sinh học, trường ĐH Công nghệ TP.HCM (HUTECH) cho biết.

Với ứng dụng rộng rãi, không có gì đáng ngạc nhiên khi thị trường tinh bột biến tính phát triển ngày càng nhanh. Theo dữ liệu của các công ty nghiên cứu thị trường trên thế giới, thị trường tinh bột biến tính toàn cầu đạt giá trị 9,36 tỷ USD vào năm 2016 và ước tính sẽ tăng lên 15,9 tỷ USD vào năm 2027. Là một trong những quốc gia xuất khẩu sắn, khoai và gạo hàng đầu thế giới, Việt Nam có lẽ là một trong những quốc gia có lợi thế lớn về sản xuất tinh bột biến tính. “Tinh bột biến tính được chế biến từ tinh bột gốc, trong khi chúng ta có rất nhiều đơn vị trong nước sản xuất tinh bột gốc. Nếu một đơn vị trực tiếp sản xuất tinh bột biến tính từ tinh bột gốc thì riêng giá thành đã giảm được từ 6-8%”, ông Võ Văn Danh, Chủ tịch HĐQT Công ty Cổ phần Nông sản thực phẩm Quảng Ngãi, nhận định trong một bài viết trên website của Liên hiệp các hội Khoa học và kỹ thuật Quảng Ngãi từ năm 2014.

Dù có nguồn nguyên liệu tinh bột phong phú, các nhà máy sản xuất tinh bột biến tính với quy mô công nghiệp ở Việt Nam vẫn khá thưa thớt. Do vậy, lượng tinh bột biến tính hiện nay chưa đáp ứng được nhu cầu sử dụng trong nước, chưa nói đến xuất khẩu. Tiêu biểu như trong ngành dệt nhuộm, “khi tôi làm việc với các đơn vị này, họ cho biết tinh bột biến tính dùng cho ngành nhuộm bây giờ đều phải nhập khẩu hoàn toàn”, PGS.TS. Trịnh Khánh Sơn, Phó trưởng Khoa Công nghệ hóa học và thực phẩm, trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM nhận xét trong sự kiện kết nối về sản xuất tinh bột biến tính bằng phương pháp sinh học do Trung tâm Thông tin và Thống kê KH&CN TP.HCM (Sở KH&CN TP.HCM) tổ chức vào cuối năm 2021.

Trước thực tế này, làm thế nào để thúc đẩy việc sản xuất tinh bột biến tính để cung cấp nguyên liệu sản xuất trong nước, cũng như góp phần nâng cao giá trị cho nông sản Việt Nam không chỉ là bài toán đặt ra với các nhà quản lý mà còn thu hút sự quan tâm của không ít nhà nghiên cứu như TS. Phạm Minh Nhựt. Từ nền tảng công nghệ sinh học ứng dụng trong thực phẩm và nông nghiệp, TS. Nhựt và cộng sự đã nghiên cứu và đưa quy trình sản xuất tinh bột biến tính kết hợp giữa men vi sinh và enzyme. “Việc ứng dụng công nghệ sinh học trong sản xuất tinh bột biến tính, đặc biệt kết hợp giữa phương pháp enzyme thủy phân và lên men sẽ tạo ra sản phẩm có độ an toàn cao, vừa tiết kiệm chi phí lại thân thiện với môi trường”, anh nhận xét.

Bản chất của quá trình sản xuất tinh bột biến tính là biến đổi cấu trúc của tinh bột thô, tạo ra các phân tử có mạch ngắn hơn, hay gắn các nhóm khác vào phân tử tinh bột dưới tác dụng của các yếu tố như nhiệt độ, axit, enzyme… làm thay đổi cấu trúc hóa học, vật lý của tinh bột. Các phương pháp biến tính tinh bột rất đa dạng, chẳng hạn như phương pháp vật lý - dùng các lực vật lý như ép, nén và hồ hóa, tạo ra sản phẩm là tinh bột hồ hóa, tinh bột xử lý nhiệt ẩm. “Một phương pháp phổ biến khác là biến tính hóa học, dùng hóa chất như axit hoặc kiềm để thủy phân, cắt ngắn mạch cấu trúc của tinh bột, sản phẩm chủ yếu là tinh bột xử lý axit, tinh bột ete hóa, este hóa, phosphat hóa”, TS. Phạm Minh Nhựt giải thích.

Thông thường, tinh bột thô khó có thể ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp vì không đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật như độ nhớt, độ trong, độ kết dính. Nhưng quá trình biến tính sẽ cải thiện khả năng làm đặc, cải thiện mối liên kết, cảm quan, tạo gel, độ bền… của tinh bột. Nhờ đó, người ta có thể dùng tinh bột biến tính làm phụ gia để điều chỉnh kết cấu của thực phẩm, chẳng hạn như tạo độ nhớt, độ dính, dai, giữ nước, tạo độ cứng/giòn, trợ sấy, vi bao…

Biến tính hóa học là một trong những phương pháp biến tính tinh bột phổ biến nhất ở Việt Nam. Dù có hiệu suất cao song nhược điểm lớn nhất của phương pháp hóa học là không thân thiện với môi trường, các chất hóa học có thể còn dư lại trong sản phẩm, không đảm bảo an toàn cho người sử dụng. Để khắc phục vấn đề này, các nhà nghiên cứu cũng như đơn vị sản xuất tinh bột biến tính trên thế giới hiện nay có xu hướng lựa chọn phương pháp tiên tiến hơn như thủy phân bằng enzyme, thu được sản phẩm là các loại đường gluco, fructo; các poliol như sorbitol, mannitol; các axit amin như lysin, MS…

Nhóm nghiên cứu của TS. Phạm Minh Nhựt cũng đi theo con đường này. Tuy nhiên, sự kiên trì và sáng tạo trên hành trình nghiên cứu đã giúp họ tạo ra dấu ấn riêng trong giải pháp của mình: “Con đường chúng tôi đang đi có hơi khác một chút so với thông thường, đó là kết hợp giữa men vi sinh và enzyme”, anh cho biết. “Phương pháp này vừa giải quyết được bài toán về độ an toàn, không tạo ra hóa chất dư thừa, lại vừa tiết kiệm chi phí trong quá trình sản xuất”.

Việc sử dụng enzyme thủy phân để tạo ra tinh bột biến tính không phải là ý tưởng mới. Điểm then chốt trong giải pháp của nhóm nghiên cứu là chủng vi sinh lên men TPH. “Việc sử dụng vi sinh vật để ủ lên men sẽ giúp phân giải tinh bột - chính là quá trình ‘cắt mạch’ tinh bột, sau đó chúng tôi mới sử dụng tiếp enzyme thủy phân để tiếp tục quá trình này, nhờ đó giúp biến tính tinh bột hiệu quả hơn. Công đoạn ủ lên men cũng tạo ra thêm một chất có thể giảm pH của tinh bột, theo hơi hướng hơi axit”, anh phân tích.

Chủng vi sinh vật này là “kết quả tình cờ” sau một quá trình dài mày mò, tìm kiếm của TS. Phạm Minh Nhựt và các cộng sự: “Chúng tôi may mắn tìm ra chủng men mà chúng tôi gọi là men TPH, chứa một hỗn hợp các vi sinh vật hỗ trợ quá trình phân giải tinh bột. Bắt nguồn từ các quần thể vi sinh vật hiện diện trên một số loại thực vật, chủ yếu trong các tán rừng cây, chúng tôi mang về để tiến hành làm tăng số lượng lên, qua quá trình sàng lọc tuyển chọn đến nay thu được nhóm quần thể vi sinh vật có khả năng hỗ trợ lẫn nhau trong việc lên men”.

Với những bước nghiên cứu bài bản, từ tính chất của chủng vi sinh vật cho đến các điều kiện biến tính tối ưu, TS. Phạm Minh Nhựt và các cộng sự đã xây dựng thành công quy trình sản xuất tinh bột biến tính bằng enzyme kết hợp với lên men. “Đầu tiên nguyên liệu, chẳng hạn như khoai, sắn sẽ được xay nhuyễn, thêm lượng nước phù hợp và tiến hành ủ men TPH, thông thường thời gian ủ mỗi mẻ từ khoảng 7-10 ngày. Sau đó, chúng tôi tiếp tục xử lý bằng enzyme theo hai lần, thứ nhất là dùng enzyme alpha-amylase trong 90-120 phút để cắt mạch tinh bột còn lại, sau đó sử dụng enzyme glucoamylase có khả năng cắt mạch nhánh. Sau khi phân giải xong sẽ tạo ra tinh bột biến tính”, anh giải thích. “Quá trình xử lý bằng enzyme khá nhanh, vì chúng tôi sử dụng các loại enzyme công nghiệp, có độ bền nhiệt tốt và có thể dễ dàng tìm mua trên thị trường”.

Tuy nhiên, nhiều người e ngại việc sử dụng enzyme công nghiệp liệu có gây tốn kém? “Nếu nhìn riêng giá thành enzyme có thể đắt, nhưng thực ra, tỉ lệ sử dụng rất ít, chẳng hạn 1 lít enzyme có thể dùng cho 10-20 tấn nguyên liệu. Do vậy, nếu tính chi phí sản xuất 1kg hoàn toàn không đáng là bao”, anh giải thích.

Những ưu điểm của phương pháp này như hiệu suất cao, thân thiện với môi trường và dễ dàng mở rộng trên quy mô lớn, đã góp phần rút ngắn khoảng cách trên con đường chuyển giao công nghệ: “Phương pháp này có thể triển khai ở điều kiện bình thường, không cần thiết bị máy móc phức tạp, quan trọng nhất là lên chủng men và enzyme. Vì thế, chúng tôi đã nghiên cứu chế phẩm men vi sinh để tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình bảo quản, sử dụng và thương mại hóa trong thực tế. Hiện nay, giải pháp của chúng tôi cũng nhận được sự quan tâm của một số doanh nghiệp. Chúng tôi đang nghiên cứu chuyển giao cho một số đơn vị sản xuất tinh bột biến tính từ củ hoài sơn (củ mài), khoai lang…”, TS. Phạm Minh Nhựt cho biết.