Xử lý phụ phẩm chế biến tôm bằng phương pháp vi sinh vật

Dù mang lại hàng tỷ USD giá trị xuất khẩu mỗi năm song ngành chế biến tôm cũng mang đến không ít áp lực môi trường cho Việt Nam - một trong những quốc gia xuất khẩu tôm lớn nhất thế giới. Hầu hết tôm xuất khẩu được chế biến dưới dạng bóc vỏ bỏ đầu, tỉ lệ phần đầu và vỏ bị thải bỏ khá lớn, chiếm khoảng 50% trọng lượng tôm. Chỉ tính riêng năm 2020, lượng phế phẩm đầu tôm ở Việt Nam đã lên tới khoảng 500 ngàn tấn, trong đó có khoảng 30% chưa được xử lý (theo thống kê của Hiệp hội Chế biến và xuất khẩu thủy sản Việt Nam). Điều đáng lo ngại là với xu hướng chế biến tôm ngày càng phát triển như hiện nay, lượng phụ phẩm tích lũy từ quá trình chế biến tôm ngày càng nhiều.

Nhưng bên cạnh mối lo ô nhiễm, dưới góc nhìn của các nhà khoa học trong lĩnh vực công nghệ thực phẩm như PGS.TS Đỗ Thị Bích Thủy ở khoa Cơ khí - Công nghệ, trường ĐH Nông Lâm (ĐH Huế), phụ phẩm tôm còn là một nguồn nguyên liệu đầy giá trị. Vỏ và đầu tôm rất giàu protein, chitin cùng nhiều khoáng chất,... có thể tách chiết để tạo ra các sản phẩm giá trị như chitosan, glucosamine và astaxanthin. Làm thế nào để giảm bớt gánh nặng cho môi trường và khai thác các hợp chất giá trị này là điều mà chị không ngừng suy nghĩ. “Từ trước năm 2000, tôi đã rất băn khoăn về việc xử lý phế phụ phẩm thủy hải sản, đặc biệt là tôm. Do vậy, tôi đã theo đuổi hướng nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật để xử lý phế liệu tôm”, chị giải thích trong sự kiện kết nối ý tưởng về công nghệ chế biến phụ phẩm tôm, mực do Sàn giao dịch công nghệ TP.HCM (Sở KH&CN TP.HCM) tổ chức vào tháng 8/2022.

Tuy nhiên, việc xử lý phụ phẩm tôm không phải là bài toán chưa có lời giải. Ở Việt Nam cũng như trên thế giới, rất nhiều nơi đã phát triển các phương pháp xử lý phụ phẩm tôm để tạo thành chitosan, phân bón, thức ăn chăn nuôi, dịch đạm bổ sung trong thực phẩm hay phổ biến gần đây là nhựa sinh học,... Việc khai thác một “địa hạt” đã được “thâm canh” như vậy liệu có cần thiết? “Mỗi nơi sẽ giải quyết dưới một góc độ khác nhau. Việc đa dạng hóa giải pháp giúp chúng ta có thêm nhiều lựa chọn hiệu quả và tiết kiệm chi phí hơn”, PGS.TS Đỗ Thị Bích Thủy nhận xét. “Với phương pháp vi sinh vật mà chúng tôi đã phát triển, không chỉ giúp thu hồi được các nguyên liệu giá trị từ vỏ tôm như chitin, caroten-protein với hàm lượng cao mà còn giảm thiểu ảnh hưởng đến môi trường”.

Một trong những giải pháp xử lý phụ phẩm tôm phổ biến nhất hiện nay là sử dụng hóa chất để thu hồi chitin - một polysaccharide mạch thẳng, tạo nên lớp vỏ của các loài giáp xác như tôm. Với khả năng kháng nấm, kháng khuẩn, tự phân hủy sinh học, không gây dị ứng và độc hại cho người, chitin được ứng dụng rất nhiều trong các ngành công nghiệp và y tế. Cách khai thác nguồn chitin dồi dào và sẵn có trong vỏ tôm khá đơn giản, người ta thường dùng axit HCl để loại bỏ các loại khoáng chất trong vỏ, sau đó dùng NaOH để khử protein, từ đó thu được chitin nguyên chất. Tuy thu được lượng chitin giá trị song phương pháp này vẫn chưa thu hồi triệt để các thành phần còn lại trong đầu, vỏ tôm và chưa thân thiện với môi trường: “Việc sử dụng hóa chất như NaOH trong sản xuất chitin dẫn đến nhược điểm là dịch chiết sẽ lẫn với hóa chất nên khó tận dụng, bỏ phí nguồn khoáng chất và protein rất quý. Hơn nữa, với lượng phụ phẩm tôm lớn như hiện nay, việc sử dụng hóa chất sẽ tác động đến môi trường rất nhiều”, PGS.TS Đỗ Thị Bích Thủy giải thích.

Trong quá trình tìm hiểu, chị nhận thấy việc ứng dụng vi sinh vật có thể là “ứng cử viên” tiềm năng để giải quyết hạn chế của phương pháp hóa học. “Việc ứng dụng phương pháp sinh học như sử dụng các loại enzyme hay vi sinh vật để xử lý vỏ tôm là xu hướng nghiên cứu nhiều nơi đang theo đuổi, bởi vì nó vừa có khả năng tách protein trong phụ phẩm tôm, vừa thân thiện với môi trường”, chị nói. Về bản chất, họ sẽ sử dụng các vi khuẩn có khả năng sinh tổng hợp ra protease - nhóm enzym thủy phân có khả năng cắt mối liên kết peptide trong các phân tử polypeptide, protein và một số cơ chất khác tương tự, để phân hủy protein. Tuy nhiên, phương pháp sinh học có nhược điểm là tốn nhiều thời gian xử lý, dẫn đến hiệu suất chưa cao bằng xử lý hóa học, vì vậy ứng dụng trong thực tế vẫn còn hạn chế.

Bài toán đặt ra lúc này là tìm kiếm chủng vi khuẩn có khả năng sinh tổng hợp protease cao. Quy trình tuyển chọn, phân lập chủng vi khuẩn không phải là điều phức tạp với những nhà nghiên cứu đã có nhiều năm kinh nghiệm trong lĩnh vực vi sinh như PGS.TS Đỗ Thị Bích Thủy. Trước đó, chị từng nghiên cứu về các chủng vi khuẩn được phân lập từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm cả các loại thực phẩm lên men như tôm chua. Những kinh nghiệm kết hợp với sự mày mò kiên trì của các nhà nghiên cứu đã giúp họ thu được kết quả xứng đáng: “Chúng tôi đã phân lập được chủng vi khuẩn Bacillus subtilis C10 có khả năng xử lý phụ phẩm tôm. Chủng này được phân lập từ chính phế liệu tôm vì nếu lấy từ đó thì nó dễ thích nghi và xử lý phế liệu tôm hiệu quả hơn. Một điều may mắn là chủng này có khả năng sinh tổng hợp protease rất cao và đa dạng”.

Để tăng cường hiệu quả khử protein của chủng vi khuẩn B.subtilis C10, nhóm nghiên cứu đã chuẩn bị môi trường tối ưu và tiến hành thử nghiệm. Cụ thể, môi trường nuôi cấy gồm 0,5% pepton; 0,15% cao thịt, 0,1% cao nấm, 0,5% NaCl, 5,2% bột sắn và 1,3% phế liệu tôm. Sau khi hấp tiệt trùng môi trường ở nhiệt độ 121°C trong 20 phút và để nguội trước khi bổ sung sinh khối B. subtilis C10, họ lên men hỗn hợp trong 24 giờ ở nhiệt độ 35oC, từ đó thu được phần dịch lỏng caroten-protein và phần bã chitin. Kết quả phân tích cho thấy phương pháp này có khả năng khử gần như toàn bộ protein trong phụ phẩm tôm, hàm lượng protein còn lại ở phần bã chitin chỉ là 11%. “Quá trình xử lý khá đơn giản và hiệu quả. Chúng tôi chỉ cần thực hiện ở điều kiện dưới 40oC vì đã phân lập được chủng vi khuẩn thuần chủng và kiểm soát được hệ vi sinh vật”, chị cho biết.

Tuy giúp khử protein hiệu quả song chủng vi khuẩn B.subtilis lại có một nhược điểm là gây ra mùi hôi trong quá trình xử lý phụ phẩm tôm. Nếu không khắc phục vấn đề này, giải pháp dù có tốt đến mấy cũng sẽ khó ứng dụng trong thực tế, bởi nó sẽ gây ảnh hưởng đến môi trường và cuộc sống của người dân xung quanh. Với kinh nghiệm của mình, PGS.TS Đỗ Thị Bích Thủy nhận thấy phương pháp vi sinh vật có thể giải quyết hiệu quả bài toán này: “Sau khi dùng B.subtilis, chúng tôi tiếp tục sử dụng vi khuẩn lactic để xử lí phụ phẩm tôm. Ngoài ưu điểm là lợi khuẩn, vi khuẩn lactic còn có khả năng khống chế hoạt động của B.subtilis, đồng thời cũng sinh ra enzyme ngoại bào để tiếp tục xử lý phế liệu tôm”, chị giải thích.

Từ đó, nhóm nghiên cứu đã hoàn thiện quy trình xử lí phụ phẩm tôm bằng hai chủng vi khuẩn B.subtilis và lợi khuẩn lactic. Đầu tiên, phế liệu tôm sẽ được xử lí nhiệt - phơi khô hoặc sấy khô, hoặc thanh trùng. “Nếu ứng dụng thực tế, chúng ta có thể cân nhắc lựa chọn phương án tiền xử lý phế liệu tôm sao cho cân bằng hiệu quả về mặt kinh tế”, chị cho biết. Ở giai đoạn thứ nhất, họ đem ủ phế phẩm tôm với chủng vi khuẩn B.subtilis để khử protein. Đến giai đoạn hai, họ bổ sung thêm vi khuẩn lactic để ủ trong điều kiện 43oC. Sau khi ủ xong, có thể sử dụng thiết bị ép hoặc ly tâm để tách dịch đạm ra khỏi phần chitin, thu được hai sản phẩm: phần bã để sản xuất chitin, thứ hai là phần dịch đạm chứa enzyme và probiotic có thể dùng làm thức ăn chăn nuôi hoặc chất dẫn dụ tôm.

Quá trình ứng dụng thực tế đã chứng minh hiệu quả của quy trình này. “Chúng tôi đã thử nghiệm xử lý phế liệu tôm ở quy mô nhỏ và thu được hai sản phẩm trên. Phần dịch đạm được mang đến một nhà máy sản xuất thức ăn nuôi tôm và phối trộn vào quá trình sản xuất thức ăn. Dù trải qua quy trình ép, đùn, sấy với mức nhiệt cao song khi chúng tôi phân tích thức ăn nuôi tôm thành phẩm, hàm lượng của lợi khuẩn B.subtilis C10 vẫn còn rất nhiều. Khi thử nghiệm ở đầm nuôi tôm, thức ăn có bổ sung dịch đạm của chúng tôi có khả năng dẫn dụ tôm rất tốt, cao hơn so với loại thức ăn bình thường. Ngoài ra, chúng tôi cũng thử nghiệm trên thức ăn gia súc, kết quả thử nghiệm ở các trang trại lợn cho thấy chế phẩm của chúng tôi không chỉ giúp lợn tăng trưởng nhanh hơn mà còn giảm bệnh tiêu chảy ở lợn”, chị cho biết.

Với một giải pháp hiệu quả như thế này, liệu họ có nghĩ đến việc thương mại hóa hoặc chuyển giao cho các bên có nhu cầu? “Đây là điều chúng tôi rất mong muốn, bởi lẽ là một nhà khoa học, chúng tôi luôn mong những kết quả của mình có thể đóng góp lợi ích cho xã hội, điều này còn quan trọng hơn cả vấn đề lợi nhuận”, chị bày tỏ. “Đội ngũ nhân lực ở khoa chúng tôi đều là những chuyên gia giàu kinh nghiệm, nếu doanh nghiệp có nhu cầu, chúng tôi sẵn sàng chuyển giao và hỗ trợ tất cả trong quá trình này, bao gồm cả việc tư vấn thiết kế để gia công thiết bị”.