Thu hồi protein và lipit từ đầu cá ngừ theo phương pháp thủy phân bằng enzyme

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2013 22 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG THU HỒI PROTEIN VÀ LIPIT TỪ ĐẦU CÁ NGỪ THEO PHƯƠNG PHÁP THỦY PHÂN BẰNG ENZYME PROTEIN AND LIPID RECOVERY FROM TUNA HEAD BY METHOD OF ENZYMATIC HYDROLYSIS Nguyễn Thị Mỹ Hương1 Ngày nhận bài: 22/10/2012 ; Ngày phản biện thông qua: 28/12/2012; Ngày duyệt đăng: 10/9/2013 TÓM TẮT Việc thu hồi protein và lipit từ đầu cá ngừ vây vàng theo phương pháp thủy phân bằng enzyme đã được nghiên cứu. Các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng tỉ lệ thu hồi nitơ trong sản phẩm thủy phân tăng lên cùng với sự tăng thời gian thủy phân. Sau 120 phút thủy phân, sự thu hồi nitơ đạt 70,3% và thu hồi lipit đạt 65,4%. Sản phẩm thủy phân protein từ đầu cá ngừ vây vàng có hàm lượng protein 80%, lipit 1,3% và tro 7,9%. Bột protein không tan có hàm lượng protein 53,5%, lipit 25,7% và tro 6,4%. Các axit béo có hàm lượng cao trong dầu đầu cá ngừ là axit palmitic (29,75%), axit oleic (16,76%), axit docosahexaenoic (DHA; 14,56%), và axit stearic (10,28%). Dầu đầu cá ngừ giàu axit béo omega 3, đặc biệt là axit docosahexaenoic (DHA) và axit eicosapentaenoic (EPA). Từ khóa: Đầu cá ngừ, Protamex, sản phẩm thủy phân protein, thu hồi lipit ABSTRACT Protein and lipid recovery from yellowfi n tuna head by method of enzymatic hydrolysis was studied. Results showed that the ratio of nitrogen recovery in hydrolysate increased with increasing hydrolysis time. After 120 minutes of hydrolysis, the nitrogen recovery of 70.3% and lipid recovery of 65.4% were obtained. Protein hydrolysate from yellowfi n tuna head had protein content of 80%, lipid content of 1.3% and ash content of 7.9%. The insoluble protein powder had protein content of 53.5%, lipid content of 25.7% and ash content of 6.4%. Fatty acids with high contents in tuna head oil were palmitic acid (29.75%), oleic acid (16.76%), docosahexaenoic acid (DHA; 14.56%) and stearic acid (10.28%). Tuna head oil was rich in omega-3 fatty acids, especially docosahexaenoic acid (DHA) and eicosapentaenoic acid (EPA). Keywords: Tuna head, Protamex, protein hydrolysate, lipit recovery 1 TS. Nguyễn Thị Mỹ Hương: Khoa Công nghệ thực phẩm - Trường Đại học Nha Trang THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC I. ĐẶT VẤN ĐỀ Cá ngừ là một trong những loài cá có giá trị kinh tế cao và thường được sử dụng trong việc sản xuất các sản phẩm đồ hộp, đông lạnh, hun khói cho xuất khẩu. Việc chế biến cá ngừ cho xuất khẩu đã thải ra một lượng lớn đầu cá. Đầu cá ngừ là một nguồn giàu protein, lipit và cũng dễ gây ô nhiễm môi trường (Nguyen và cộng sự, 2011). Vì vậy cần phải thu hồi protein và lipit để nâng cao giá trị sử dụng đầu cá ngừ. Việc thu hồi protein và lipit từ phế liệu cá theo phương pháp thủy phân bằng enzyme protease thương mại được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm và nghiên cứu (Liaset và cộng sự, 2002; Aspmo và cộng sự, 2005; Sathivel và cộng sự, 2005; Slizyté và cộng sự, 2005; Souissi và cộng sự, 2007; Mbatia và cộng sự, 2010). Một số tác giả trong nước cũng đã nghiên cứu sử dụng enzyme protease để thủy phân protein phế liệu cá (Đặng Thị Mộng Quyên và Trần Thị Xô, 2006; Trần Thị Hồng Nghi và cộng sự, 2009), nghiên cứu tách chiết và tinh chế dầu từ phế liệu cá (Thái Lâm Phát, 2008). Tuy nhiên, hầu hết các công trình nghiên cứu này chủ yếu trên đối tượng phế liệu cá tra còn đối với phế liệu cá ngừ thì chưa được tập trung nghiên cứu. Vì vậy việc sử dụng enzyme protease thương mại để thủy phân phế liệu cá ngừ tạo ra các sản phẩm Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2013 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 23 có giá trị cao, từ đó có thể ứng dụng trong thực phẩm hoặc trong nuôi trồng thủy sản là hết sức cần thiết. Điều này không những góp phần hạn chế sự ô nhiễm môi trường mà còn nâng cao giá trị sử dụng của phế liệu cá ngừ và đem lại lợi ích kinh tế. Trong bài báo này, sự thu hồi protein và lipit từ đầu cá ngừ dưới dạng sản phẩm thủy phân protein và dầu cá cũng như thành phần hoá học của sản phẩm thủy phân protein đầu cá ngừ và thành phần axit béo của dầu đầu cá ngừ sẽ được trình bày. II. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1. Vật liệu nghiên cứu 1.1. Đầu cá ngừ vây vàng Đầu cá ngừ vây vàng (Thunnus albacares) được cung cấp bởi Công ty chế biến thủy sản Hải Vương, khu công nghiệp Suối Dầu, Khánh Hòa. Đầu cá ngừ đông lạnh được rã đông, xay nhỏ và trộn đều, sau đó được bao gói trong các túi nhựa hút chân không. Các túi nguyên liệu này được bảo quản trong tủ đông ở nhiệt độ -200C cho tới khi sử dụng. 1.2. Enzyme Protamex Enzyme Protamex dùng cho sự thủy phân protein đầu cá ngừ được cung cấp bởi công ty Novozyme của Đan Mạch. Đây là enzyme proteaza có nguồn gốc từ vi sinh vật Bacillus. Enzyme Protamex có hoạt độ 1,5 AU (Anson Units)/g, điều kiện thích hợp cho enzyme này hoạt động là pH = 5,5 - 7,5 và nhiệt độ 35 - 60°C. 2. Phương pháp nghiên cứu 2.1. Thủy phân đầu cá ngừ Quá trình thủy phân đầu cá ngừ được thể hiện ở sơ đồ hình 1. Hình 1. Sơ đồ quá trình thủy phân đầu cá ngừ bằng enzyme Protamex Đầu cá ngừ đã xay nhỏ đông lạnh được rã đông trong tủ lạnh qua đêm, sau đó được thủy phân bằng enzyme Protamex. Tỉ lệ nước/nguyên liệu là 1/1, tỉ lệ enzyme là 0,5% so với nguyên liệu. Quá trình thủy phân được thực hiện ở nhiệt độ 450C, pH tự nhiên (6,5) trong thời gian 120 phút. Sau khi kết thúc quá trình thủy phân làm bất hoạt enzyme ở nhiệt độ 950C trong 15 phút. Hỗn hợp sau khi thủy phân Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2013 24 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG 2. Thu hồi nitơ Theo Benjakul và Morrissey (1997) sự thu hồi nitơ (hay thu hồi protein) phản ánh tỉ lệ nitơ (hay protein) thu hồi được trong sản phẩm thủy phân. Tỉ lệ thu hồi nitơ từ đầu cá ngừ trong quá trình thủy phân được thể hiện ở hình 2. Hình 2. Thu hồi nitơ trong quá trình thủy phân đầu cá ngừ bằng Protamex Kết quả nghiên cứu cho thấy tỉ lệ thu hồi nitơ trong sản phẩm thủy phân tăng theo thời gian thủy phân. Trong 30 phút đầu tiên của quá trình thủy phân, tỉ lệ thu hồi nitơ tăng nhanh, sau đó tăng chậm dần. Sau 120 phút thủy phân thì hiệu suất thu hồi nitơ trong sản phẩm thủy phân đạt 70,3%. Các công trình nghiên cứu trước đây cũng đã cho thấy dưới tác dụng của enzyme trong quá trình thủy phân xảy ra sự hoà tan protein (hoặc nitơ) từ phế liệu, dẫn đến tỉ lệ thu hồi nitơ trong sản phẩm thủy phân tăng theo thời gian thủy phân (Liaset và cộng sự, 2002; Aspmo và cộng sự, 2005). Theo Liaset và cộng sự (2002) sau 120 phút thủy phân xương cá hồi bằng enzyme Protamex, sự thu hồi nitơ trong sản phẩm thủy phân là 44 - 76%, tùy thuộc vào các thông số của quá trình thủy phân như tỉ lệ enzyme, tỉ lệ nước, nhiệt độ, pH và thời gian thủy phân. 3. Thành phần hoá học của sản phẩm thủy phân protein và bột protein không tan Thành phần hóa học của sản phẩm thủy phân protein đầu cá ngừ và bột protein không tan thu được sau 120 phút thủy phân đã được xác định và thể hiện ở bảng 2. được lọc qua rây để tách riêng phần xương và phần dịch lọc. Phần dịch lọc được đem ly tâm lạnh với tốc độ 10.000 vòng/phút ở 40C trong 30 phút. Sau khi ly tâm thu được 3 phần: Dầu cá, dịch thủy phân và cặn ly tâm. Dịch thủy phân và cặn ly tâm được sấy chân không thăng hoa thu được sản phẩm thủy phân protein (bột protein tan) và bột protein không tan. 2.2. Phương pháp phân tích Hàm lượng ẩm, tro và protein thô được xác định theo phương pháp của AOAC (1990). Hàm lượng lipit được xác định theo Folch và cộng sự (1957). Thành phần axit béo được phân tích theo Noriega-Rodríguez và cộng sự (2009). Hiệu suất thu hồi nitơ được xác định theo Liaset và cộng sự (2002) như sau: Hiệu suất thu hồi nitơ (%) = [Lượng nitơ tổng số trong sản phẩm thủy phân (g) / lượng nitơ tổng số trong nguyên liệu đem thủy phân (g)] x 100 Hiệu suất thu hồi lipit (%) = [Lượng lipid thu được (g)/ lượng lipit trong nguyên liệu đem thủy phân (g)] x 100. 2.3. Xử lý số liệu Số liệu báo cáo là trung bình của 3 lần phân tích. Kết quả được phân tích trên phần mềm Excel. III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 1. Thành phần hóa học của đầu cá ngừ Thành phần hóa học cơ bản của đầu cá ngừ vây vàng được xác định và thể hiện ở bảng 1. Bảng 1. Thành phần hoá học cơ bản của đầu cá ngừ vây vàng Thành phần hoá học cơ bản Hàm lượng (%) Nước 59,0 ± 1,1 Protein 14,8 ± 0,1 Lipit 13,5 ± 0,1 Tro 11,8 ± 1,1 Kết quả phân tích cho thấy đầu cá ngừ vây vàng (Thunnus albacares) có hàm lượng protein 14,8%, lipid 13,5% và tro 11,8%. Như vậy, đầu cá ngừ là một nguồn giàu protein và lipit mà cần phải tận dụng và thu hồi để nâng cao giá trị sử dụng phế liệu này. Bảng 2. Thành phần hoá học của sản phẩm thủy phân protein và bột protein không tan Nước (%) Protein (%) Lipit (%) Tro (%) Sản phẩm thủy phân protein (bột protein tan) 8,2 ± 0,4 80 ± 0,8 1,3 ± 0,3 7,9 ± 0,3 Bột protein không tan 9,4 ± 0,3 53,5 ± 0,4 25,7 ± 0,6 6,4 ± 0,1 Kết quả nghiên cứu cho thấy sản phẩm thủy phân protein đầu cá ngừ có hàm lượng protein cao (80%), hàm lượng lipit thấp (1,3%) và hàm lượng tro trung bình (7,9%). Sathivel và cộng sự (2003) đã Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2013 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 25 nghiên cứu và cho thấy sản phẩm thủy phân protein đầu cá trích có hàm lượng protein 85,2%, lipit 1,2%, tro 10,1%. Sản phẩm thủy phân protein từ xương cá hồi có hàm lượng protein 82,9%, lipit 1,6%, tro 10,25% (Liaset và cộng sự 2003). Bột protein không tan thu được từ đầu cá ngừ có hàm lượng protein là 53,5%, lipit 25,7%, tro 6,4%. Như vậy bột protein không tan có hàm lượng protein thấp hơn nhưng có hàm lượng lipit cao hơn so với bột protein tan. Kết quả này phù hợp với kết quả từ công trình nghiên cứu của Šližyte và cộng sự (2005) mà ở đó bột protein không tan thu được từ sự thủy phân nội tạng cá tuyết có hàm lượng protein 55,1%, thấp hơn so với bột protein tan (76,5%), và hàm lượng lipit là 28,4%, cao hơn nhiều so với bột protein tan (7,8%). 4. Thu hồi lipit và thành phần axit béo trong dầu đầu cá ngừ Sau quá trình thủy phân đầu cá ngừ bằng enzyme Protamex, ngoài sản phẩm thủy phân protein và bột protein không tan còn thu được dầu cá do có sự giải phóng dầu trong quá trình thủy phân. Hiệu suất thu hồi lipit từ đầu cá ngừ đã được xác định. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng sau 120 phút thủy phân đầu cá ngừ bằng 0,5% Protamex ở nhiệt độ 45°C và pH tự nhiên thì hiệu suất thu hồi lipit đạt 65,4% ± 0,3%. Liaset và cộng sự (2003) đã cho thấy hiệu suất thu hồi lipid từ xương cá hồi khi thủy phân bằng enzyme Protamex đạt 77%. Theo Dumay và cộng sự (2006) trong quá trình thủy phân phế liệu cá, do dưới tác dụng của enzyme protease, các mô bị phá huỷ làm cho dầu được giải phóng. Lượng dầu giải phóng ra nhiều hay ít tuỳ thuộc vào loại phế liệu và điều kiện thủy phân như nhiệt độ, pH, thời gian thủy phân, tỉ lệ enzyme và tỉ lệ nước (Daukšas và cộng sự, 2005; Slizyté và cộng sự, 2005; Batista và cộng sự (2009). Các tác giả này cũng đã chỉ ra rằng một lượng khá lớn lipit từ phế liệu chưa được giải phóng vẫn còn nằm trong phần bột protein không tan. Thành phần và hàm lượng axit béo của dầu đầu cá ngừ được phân tích và thể hiện ở bảng 3. Bảng 3. Thành phần và hàm lượng axit béo của dầu đầu cá ngừ (% tổng axit béo) Axit béo no (SFA) Axit béo không nomột nối đôi (MUFA) Axit béo không no nhiều nối đôi (PUFA) Thành phần Hàm lượng Thành phần Hàm lượng Thành phần Hàm lượng Myristic (C14:0) 3,52 Palmitoleic (C16:1 ω7) 5,54 Linoleic (C18:2 ω6) 1,99 Palmitic (C16:0) 29,75 Oleic (C18:1 ω9 ) 16,76 Linolenic (C18:3 ω3) 0,75 Stearic (C18:0 ) 10,28 Vacenic (C18:1 ω7) 3,19 Stearidonic (C18:4 ω 3) 0,94 Linoceric (C24:0) 1,35 Gadoleic (C20:1 ω9) 2,13 Arachidonic C20:4 ω 6) 1,52 Tổng axit béo no 44,9 Erucic (C22:1 ω9) 2,32 Docosatetraenoic (C22:4 ω6) 0,86 Nervonic (C24:1 ω9) 1,80 Eicosapentaenoic (C20:5 ω3) 2,44 Tổng axit béo không no một nối đôi 31,74 Docosapentaenoic(C22:5 ω3) 0,30 Docosahexaenoic (C22:6 ω3) 14,56 Tổng axit béo không no nhiều nối đôi 23,36 Kết quả nghiên cứu cho thấy trong dầu đầu cá ngừ, hàm lượng các axit béo no chiếm 44,9% tổng lượng axit béo, trong đó axit palmitic là axit chủ yếu, chiếm tỉ lệ cao nhất (29,75%). Các axit béo không no một nối đôi chiếm 31,74% trong đó chủ yếu là axit oleic (16,76%). Các axit béo không no nhiều nối đôi chiếm 23,36%. Bốn axit béo có hàm lượng cao trong dầu đầu cá ngừ là axit palmitic, axit oleic, docosahexaenoic (DHA) và axit stearic. Dầu đầu cá ngừ có nhiều axit béo omega 3, đặc biệt là axit docosahexaenoic (DHA), chiếm 14,56%, và axit eicosapentaenoic (EPA) chiếm 2,44%. DHA và EPA là các axit béo omega 3 rất cần thiết cho cơ thể người. DHA có vai trò quan trọng trong việc phát triển mô thần kinh não, EPA góp phần làm giảm tỷ lệ cholesterol trong máu và có tác dụng phòng ngừa bệnh tim mạch (Stansby và cộng sự, 1990). Các công trình nghiên cứu trước đây đã cho thấy rằng hàm lượng DHA trong các loài cá ngừ cao hơn trong hầu hết các loài cá khác và hàm lượng DHA cao hơn nhiều EPA (Stansby và cộng sự 1990; Shimada và cộng sự, 1997). IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Bằng sự thủy phân đầu cá ngừ bởi enzyme Protamex có thể thu hồi protein và lipit từ đầu cá Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2013 26 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG ngừ với hiệu suất thu hồi nitơ trong sản phẩm thủy phân là 70,3% và hiệu suất thu hồi lipit là 65,4%. Sản phẩm thủy phân protein đầu cá ngừ có hàm lượng protein cao (80%), dầu được tách chiết từ đầu cá ngừ là một nguồn giàu axit béo omega 3. Các sản phẩm được tạo ra từ sự thủy phân đầu cá ngừ có giá trị cao và có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, chẳng hạn sản phẩm thủy phân protein đầu cá ngừ có thể được dùng trong công nghiệp thực phẩm như sản xuất nước mắm công nghiệp, bột dinh dưỡng hoặc có thể sử dụng để bổ sung vào thức ăn cho tôm, cá. Dầu đầu cá ngừ có thể được sử dụng trong công nghiệp thực phẩm cho con người sau khi đã được tinh chế hoặc được sử dụng để sản xuất thức ăn cho nuôi trồng thủy sản. Bột protein không tan cũng có thể được sử dụng để phối chế vào thức ăn cho động vật nuôi. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. Đặng Thị Mộng Quyên, Trần Thị Xô, 2006. Nghiên cứu tận dụng cá phế liệu để sản xuất dịch cao đạm dùng trong thức ăn nuôi tôm cá. Tạp chí Nông nghiệp & Phát triển nông thôn, 16: 41-43. 2. Trần Thị Hồng Nghi, Lê Thanh Hùng, Trương Quang Bình, 2009. Nghiên cứu ứng dụng ezyme protease từ vi khuẩn (Bacillus subtilis) để thủy phân phụ phẩm cá tra. Kỷ yếu hội nghị khoa học thủy sản toàn quốc. Trường Đại học Nông Lâm thành phố Hồ Chí Minh, 448 - 458. 3. Thái Lâm Phát, 2008. Nghiên cứu tinh luyện dầu cá. Luận văn thạc sỹ. Trường Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh. Tiếng Anh 4. AOAC, 1990. Offi cial Method of Analysis, 15th ed. Arlington, VA: Association of Offi cial Analytical Chemists. 5. Aspmo, S. I., Horn, S. J., Eijsink, V. G. H., 2005. Enzymatic hydrolysis of Atlantic cod (Gadus morhua L.) viscera. Process Biochemistry, 40: 1957-1966. 6. Batista, I., Ramos, C., Mendonca, R., Nunes, M. L., 2009. Enzymatic hydrolyis of sardine (Sardina pilchardus) by-products and lipid recovery. Journal of Aquatic Food Product Technology, 18: 120-134. 7. Benjakul, S., Morrissey, M. T., 1997. Protein hydrolysates from Pacifi c whiting solid waste. J Agric. Food Chemistry, 45: 3423-30. 8. Dauksas, E., Falch, E., Slizyté, R., Rustad, T., 2005. Composition of fatty acids and lipid classes in bulk products generated during enzymic hydrolysis of cod (Gadus morhua) by-products. Process Biochemistry, 40: 2659-2670. 9. Dumay, J., Donnay-Moreno, C., Barnathan, G., Jaouen, P., Bergé, J. P., 2006. Improvement of lipid and phospholipid recoveries from sardine (Sardina pilchardus) viscera using industrial proteases, Process Biochemistry, 41: 2327-2332. 10. Folch, J., Lees, N., Sloan-Stanley, G. H., 1957. A simple method for the isolation and purifi cation of total lipids from animal tissues. J. Biol. Chem., 226: 497- 509. 11. Liaset, B., Julshamn, K., Espe, M., 2003. Chemical composition and theoretical nutritional evaluation of the produced fractions from enzymatic hydrolysis of salmon frames with ProtamexTM. Process Biochemistry, 38: 1747-1759. 12. Liaset, B., Nortvedt, R., Lied, E., Espe, M., 2002. Studies on the nitrogen recovery in enzymatic hydrolysis of Atlantic salmon (Salmo salar, L.) frames by Protamex™ protease. Process Biochemistry, 37: 1263-1269. 13. Mbatia, B., Adlercreutz, D., Adlercreutz, P., Mahadhy, A., 2010. Enzymatic oil extraction and positional analysis of w-3 fatty acids in Nile perch and salmon heads. Process Biochemistry, 45: 815-819. 14. Nguyen, H. T. M., Sylla, K. S. B., Randriamahatody, Z., Donnay-Moreno, C., Moreau, J., Tran, T. L., Bergé, J. P., 2011. Enzymatic hydrolysis of yellowfi n tuna (Thunnus albacares) by-products using Protamex protease. Food Technology and Biotechnology, 49 (1): 48-55. 15. Noriega-Rodríguez, J. A., Ortega-García, J., Angulo-Guerrero, O; García, H.S., Medina-Juárez, L. A., Gámez-Mezac, N., 2009. Oil production from sardine (Sardinops sagax caerulea). CyTA - Journal of Food, 7 (3): 173-179. 16. Sathivel, S., Bechtel, P. J., Babbitt, J., Smiley, S., Crapo, C., Reppond, K. D, Prinyawiwatkul, W., 2003. Biochemical and functional properties of herring (Clupea harengus) byproduct hydrolysates. Food Science, 68: 2196-2200. 17. Sathivel, S., Smiley, S., Prinyawiwatkul, W., Bechtel, P. J., 2005. Functional and nutritional properties of red salmon (Oncorhynchus nerka) enzymatic hydrolysates. Food Science, 70(6): 401-406. 18. Shimada, Y., Maruyama, K., Sugihara, A., Moriyama, S., Tominaga, Y., 1997. Purifi cation of docosahexaenoic acid from tuna oil by a two-step enzymatic method: hydrolysis and selective esterifi cation. Journal of the American Oil Chemists’ Society, 74: 1441-1446 19. Slizyté, R., Rustad, T., Storro, I., 2005. Enzymatic hydrolysis of cod (Gardus morhua) by-products - Optimization of yield and properties of lipid and protein fraction. Process Biochemistry, 40: 3680-3692. 20. Stansby, M. E., Schlenk, H., Gruger, E. H., 1990. Fatty acid composition of fi sh. In Stansby, M.E, Fish oil in nutrition. 6-39. New York: Van Nostrand Reinhold. 21. Souissi, N., Bougatef, A., Triki-Ellouz, Y., Nasri, M., 2007. Biochemical and functional properties of sardinella (Sardinella aurita) by-product hydrolysates. Food Tech. Biotech, 45(2): 187-194.