Khắc phục rào cản xử lý nhiệt trong thức ăn thay thế

Nguyên liệu mới, thách thức cũ

Trước nhu cầu tăng sản lượng thức ăn và yêu cầu giảm ô nhiễm môi trường, một thế hệ nguyên liệu mới đang nổi lên: bột côn trùng, phụ phẩm động vật, sinh vật biển bậc thấp và protein đơn bào. Dù mang kỳ vọng lớn về tính bền vững, các nguyên liệu này lại đặt ra yêu cầu nghiên cứu và tối ưu hóa mới về dinh dưỡng và công nghệ chế biến.

Khả năng tiêu hóa protein là rào cản lớn khi ứng dụng nhiều nguyên liệu mới. Từ những năm 1970-1990, khi bột cá chiếm ưu thế trong thức ăn cá hồi, các nhà khoa học đã chứng minh điều kiện chế biến, đặc biệt là xử lý nhiệt, ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng protein. Các yếu tố như nhiệt độ, thời gian lưu và độ ẩm ban đầu quyết định khả năng tiêu hóa protein và khả dụng axit amin (Myklestad et al., 1972; Opstvedt et al., 2003).

Sản xuất ở nhiệt độ thấp <70°C cho khả năng tiêu hóa protein đạt 929 ± 10 g/kg thức ăn tiêu thụ, cao hơn đáng kể so với mức 905 ± 2 g/kg khi sản xuất ở nhiệt cao >100°C. Khả năng tiêu hóa axit amin cũng cao hơn ở bột cá xử lý nhiệt thấp: Axit aspartic đạt 89,2% so với 79,3%, với nhiều axit amin khác chênh lệch mạnh hơn. Tương tự, thời gian gia nhiệt kéo dài làm tăng biến tính protein và giảm khả dụng axit amin (FAIR CT96 1329, 2001; Opstvedt et al., 2003).

Giống bột cá, đa số nguyên liệu thay thế có độ ẩm cao và cần xử lý nhiệt cường độ lớn. Ngoài ra, xử lý nhiệt là yêu cầu bắt buộc của quy định EU 142/2011 nhằm loại bỏ vi sinh vật gây hại. Ngược lại, nguyên liệu thực vật thường có độ ẩm thấp và được xử lý nhẹ hơn, ít bị tổn thất bởi tác động nhiệt. Do đó, ngành cần nghiên cứu sâu hơn để chuyển hóa kiến thức đã tích lũy từ bột cá sang các nguyên liệu thay thế mới.

Các chuyên gia tại Nofima, Na Uy cho rằng, khi hiểu rõ về khả năng tiêu hóa protein tối đa có thể đạt được dưới quy trình nhiệt hiện hành và ngưỡng nhiệt khiến khả năng tiêu hóa protein và khả dụng axit amin suy giảm nghiêm trọng, thì mới có thể đánh giá tiềm năng thực sự của thức ăn thay thế.

Cơ chế làm giảm khả năng tiêu hóa

Protein trong thức ăn có giá trị dinh dưỡng đối với vật nuôi khi đạt khả năng tiêu hóa cao, dễ phân giải thành peptide ngắn và axit amin tự do để hấp thụ qua thành ruột. Protein không được tiêu hóa sẽ bị thải ra ngoài qua phân. Tuy nhiên, các axit amin giải phóng ra cũng phải ở dạng dễ hấp thụ và chuyển hóa. Quá trình xử lý nhiệt để đảm bảo an toàn vi sinh và độ bền của sản phẩm, lại gây ra những biến đổi hóa học trên protein và axit amin, làm giảm khả năng tiêu hóa protein cũng như sinh khả dụng của các axit amin. Ngoài ra, xử lý nhiệt quá mức còn có thể phá hủy một số axit amin.

Xác định được các phản ứng hóa học gây hại do nhiệt gây ra trên các nguyên liệu thức ăn, cũng như điều kiện thúc đẩy hoặc kìm hãm chúng, sẽ giúp xây dựng các chiến lược chế biến nhằm giảm thiểu tổn thất chất lượng protein. Ba nhóm phản ứng hóa học gây hại đáng lưu ý gồm: tương tác protein – protein, tương tác protein – carbohydrate và tương tác protein – lipid ôxy hóa.

Tương tác protein – protein bao gồm các phản ứng tạo liên kết chéo giữa các axit amin trong cùng hoặc giữa các chuỗi protein khác nhau, hoặc giữa các axit amin tự do. Ví dụ điển hình là sự hình thành lysinoalanine (LAL), khi một dạng biến đổi của serine hoặc cysteine phản ứng với lysine. Nghiên cứu trên chuột ăn protein chứa LAL cho thấy lượng LAL thu hồi được trong phân và nước tiểu rất cao chứng tỏ LAL không thể được cơ thể sử dụng hiệu quả như nguồn axit amin (Finot et al., 1977).

Tương tác protein – carbohydrate được nghiên cứu rộng rãi do vai trò quan trọng của phản ứng Maillard trong chế biến thực phẩm. Tuy nhiên, về mặt dinh dưỡng, phản ứng này rất bất lợi. Ngoài việc làm mất khả năng sử dụng các axit amin đơn lẻ, các biến đổi cấu trúc của chuỗi bên axit amin do phản ứng Maillard làm giảm khả năng tiêu hóa protein bằng cách cản trở hoạt động của enzyme protease (Folk, 1956). Tuy nhiên, cần lưu ý rằng các nghiên cứu này chủ yếu thực hiện trên động vật trên cạn; hiểu biết về tác động của sản phẩm Maillard và liên kết chéo trên thủy sản còn rất hạn chế.

Tương tác protein – lipid ôxy hóa diễn ra theo cơ chế tương tự. Các sản phẩm ôxy hóa lipid có nhóm carbonyl sẵn sàng phản ứng với nhóm amino của protein. Mặc dù bản chất của đường và lipid khác nhau, hai loại phản ứng này lại có con đường hóa học tương đồng và thường tạo ra sản phẩm phản ứng giống nhau. Ví dụ, carbôxymethyl-lysine (CML) được hình thành từ phản ứng của cả glucose và axit linoleic ôxy hóa với lysine, và được chứng minh là nguồn lysine kém ở chuột (Somoza et al., 2006).

Ngoài ba nhóm trên, còn có phản ứng chuyển đổi đồng phân làm thay đổi cấu trúc axit amin. Các axit amin tự nhiên, dùng để tổng hợp protein, tồn tại ở dạng L. Nhiệt, các điều kiện chế biến khác như xử lý kiềm và vi sinh vật có thể thúc đẩy hình thành dạng D của axit amin (Danielsen et al., 2019; Nissen et al., 2021).

Hiểu rõ các phản ứng hóa học do nhiệt gây ra và mối quan hệ của chúng với mức nhiệt, khả năng tiêu hóa và sinh khả dụng của protein và axit amin sẽ mở ra cơ hội sử dụng các phản ứng này làm chỉ số đánh giá chất lượng protein. Nếu phát hiện được mối quan hệ đáng kể, phân tích các phản ứng hóa học này có thể cung cấp cho nhà sản xuất thức ăn thủy sản một công cụ nhanh, hiệu quả và tiết kiệm để giám sát mức nhiệt trên nguyên liệu, đảm bảo tổn thất chất lượng protein được giảm thiểu. Một số nghiên cứu triển vọng đã được công bố, liên kết sự hình thành axit D-aspartic do nhiệt trong bột nội tạng gia cầm với giảm khả năng tiêu hóa protein biểu kiến, gợi ý rằng axit D-aspartic có thể là chỉ số phù hợp để đánh giá hư hại do nhiệt trong nguyên liệu này (Rocker et al., 2021).

Ý nghĩa dinh dưỡng và môi trường

Tối ưu hóa khả năng tiêu hóa protein và sinh khả dụng của axit amin trong nguyên liệu thức ăn thủy sản có ý nghĩa tối quan trọng về kinh tế và môi trường. Chẳng hạn, việc tăng 10% khả năng tiêu hóa của protein đậu nành cô đặc (SPC) trong thức ăn cá hồi Na Uy hiện nay có thể giúp giảm khoảng 43.500 tấn SPC cần sử dụng hàng năm (2020) để cung cấp cùng lượng protein tiêu hóa cho cá hồi (Aas et al., 2022). Bên cạnh lợi ích kinh tế và tiết kiệm nguồn lực rõ rệt, cải thiện khả năng tiêu hóa protein còn làm giảm lượng dưỡng chất không tiêu hóa thải ra môi trường xung quanh qua phân. Điều này giúp giảm bùn thải và hạn chế các tác động bất lợi đến hệ sinh thái thủy sinh, như hiện tượng phú dưỡng.

Khi ngành thức ăn thủy sản chuyển đổi sang các nguyên liệu mới, những thách thức cũ cần được xem xét lại và giải quyết. Tập trung nghiên cứu giảm khả năng tiêu hóa protein và sinh khả dụng axit amin do xử lý nhiệt từ những năm 1970-1990 trên bột cá vẫn có giá trị với các nguyên liệu mới, do đặc tính chứa nhiều nước và dễ bị tổn thương bởi nhiệt. Học hỏi từ các nghiên cứu trước đây và tiếp tục áp dụng, tối ưu hóa quá trình xử lý nhiệt các nguyên liệu mới có thể giúp giảm thiểu tổn thất chất lượng protein và khai thác toàn bộ tiềm năng của nguyên liệu thức ăn mới.

Vũ Đức
Theo Aquafeed