Tiềm năng nguyên liệu đơn bào trong thức ăn thủy sản (Phần 1)

Thực trạng sử dụng các loại nguyên liệu trong thức ăn thủy sản 

Từ trước đến nay, lĩnh vực sản xuất thức ăn thủy sản (TĂTS) chủ yếu dựa vào các nguồn tài nguyên có nguồn gốc từ biển như bột cá (FM) và dầu cá (FO). Đây là những nguyên liệu mang tính chiến lược trong TĂTS vì nguồn cung khó có thể thể đáp ứng được nhu cầu sản xuất. Mặc dù đã có những nỗ lực đáng kể trong việc thay thế những nguyên liệu này, nhưng vấn đề đáp ứng dinh dưỡng cho vật nuôi vẫn là rào cản tương đối lớn trong việc này. Nhiều loại nguyên liệu đã được thử nghiệm một cách chuyên sâu và áp dụng để loại bỏ hoặc giảm đáng kể lượng FM và FO trong TĂTS sao cho không làm ảnh hưởng đến tăng trưởng và sức khỏe của động vật thủy sản. Ví dụ, để giảm việc sử dụng nguồn cá khai thác tự nhiên làm nguyên liệu thức ăn trong nuôi cá hồi, các nhà sản xuất đã thay thế bột cá bằng đạm đậu nành để giảm FM xuống khoảng 30%. Kết quả là đạm đậu nành đã trở thành một nguyên liệu quan trọng, thay thế tới một nửa bột cá đang được sử dụng trong nghề nuôi cá hồi. Các nguyên liệu có nguồn gốc từ thực vật được coi là có tác động môi trường thấp hơn so với FM. Tuy nhiên, việc sản xuất đậu nành với sản lượng lớn hơn để làm nguyên liệu TĂTS được có thể gây tổn thất đáng kể cho hệ sinh thái, làm gia tăng sự suy thoái đất và vấp phải cạnh tranh cao độ từ các nguồn tiêu thụ đậu nành khác.

Việc sử dụng nguồn protein và lipid có nguồn gốc từ đất liền cho vật nuôi, bao gồm cả động vật thủy sản, góp phần đáng kể vào các tác động tiêu cực của chăn nuôi đối với môi trường và biến đổi khí hậu. Ngoài ra, việc này dẫn đến sự gia tăng áp lực đối với việc sử dụng nguồn nước ngọt để sản xuất nguyên liệu thức ăn chăn nuôi. Đây rõ ràng là điểm trừ đối với việc sử dụng nhiều loại thức ăn thay thế, vì hầu hết các nguồn này cũng được cung cấp cho các hệ thống chăn nuôi lợn và gia cầm, do đó làm tăng áp lực lên nguồn cung cấp cho chuỗi thức ăn chăn nuôi. NTTS cạnh tranh nguồn tài nguyên cây trồng với vật nuôi, ngành công nghiệp năng lượng và tiêu dùng trực tiếp của con người, sẽ làm dấy lên lo ngại về tác động đối với khả năng phục hồi lương thực toàn cầu, mặc dù chỉ chiếm một phần nhỏ tài nguyên so với các hệ thống sản xuất thực phẩm động vật khác. Do đó, thực tế chỉ ra vẫn cần tìm nguồn protein và lipid thích hợp và kinh tế để củng cố nhu cầu ngày càng tăng đối với TĂTS dựa trên các thành phần có nguồn gốc bền vững.

Một số nguyên liệu đơn bào có nguồn gốc từ sinh vật biển

Các vi sinh vật như vi tảo, nấm men, vi khuẩn và nấm, đại diện cho các nguồn giàu protein và có thể tái tạo của các nguyên liệu đơn bào (single-cell ingredients – SCI) với nhiều mục đích sử dụng trong NTTS. Những sinh vật này có thể sử dụng các chất dinh dưỡng có nguồn gốc từ các nguồn chất thải khác nhau khác một cách hiệu quả với thời gian quay vòng ngắn và năng suất cao. Do đó, nguyên liệu dựa trên những vi sinh vật này có thể được sản xuất một cách bền vững và tuần hoàn. Một mặt, loại SCI rộng rãi như vậy có thể được sấy khô và/hoặc chế biến và sử dụng làm nguồn protein, chất béo và các thành phần dinh dưỡng cụ thể trong TĂTS hoặc để tăng cường tỷ lệ sống và đáp ứng miễn dịch. Mặt khác, khi các vi sinh vật vẫn tồn tại, chúng có thể được sử dụng làm chế phẩm sinh học.

Vi tảo: Vi tảo được coi là nguồn dinh dưỡng bền vững và các hợp chất có giá trị gia tăng cao như phycobiliprotein/phycobilin, axit béo, caroten và chất chống oxy hóa. Sản xuất vi tảo cung cấp cơ sở cho NTTS tuần hoàn bằng cách canh tác trên đất không canh tác, giảm thiểu nhu cầu nước, phục hồi và chuyển hóa chất dinh dưỡng thành nguyên liệu thức ăn chất lượng cao. Cùng với những lợi ích này, việc nuôi vi tảo mang lại khả năng hấp thụ CO2 (1 tấn vi tảo tương ứng với 1,47 tấn CO2) và được quan tâm để thúc đẩy mục tiêu kinh tế sinh học tuần hoàn. Việc tích hợp hệ thống sản xuất tảo vào NTTS cũng củng cố một số mục tiêu Phát triển Bền vững của Liên hợp quốc (SDG). Việc này cho thấy các cơ hội lớn để vi tảo tham gia vào việc giảm tác động đến môi trường, ô nhiễm nước và các tác động sinh thái có hại, nhưng cuối cùng là tạo ra nguồn thức ăn bền vững và tái tạo cho NTTS, do đó cung cấp chuỗi giá trị thân thiện với môi trường.

Vi tảo hiện đang được nghiên cứu về tính hữu ích trong việc xử lý các chất dinh dưỡng trong chất thải hữu cơ và là nguồn cung cấp các hợp chất khác chẳng hạn như là axit béo, axit amin, vitamin và carotene trong TĂTS. Mặc dù hàm lượng cao của các axit béo không bão hòa đa thiết yếu (PUFA) và axit amin trong nhiều loài vi tảo (các chi Nannochloropsis, Dunaliella, Chlorella) đã được xác định, nhưng các công bố về việc thay thế FM hoặc FO bằng sinh khối vi tảo cho thấy có giới hạn đến mức độ tăng trưởng của cá có thể bao gồm các dẫn xuất khác từ sinh khối vi tảo. Đánh giá gần đây của Shah và Glencross đã tóm tắt các nghiên cứu gần đây về ứng dụng sinh khối vi tảo làm TĂTS. Tác dụng khác nhau giữa các loài vi tảo, loài được sử dụng, % FM được thay thế và/hoặc % mức độ đưa vào khẩu phần. Tất cả các nghiên cứu mà trong đó vi tảo thay thế dưới 30% bột cá đều cho thấy tác động tích cực hoặc không có tác động tiêu cực nào được quan sát thấy. Lợi ích của việc đưa vi tảo vào thức ăn của thủy sản là tăng tỷ lệ sống và tăng trưởng, cải thiện sắc tố, tăng cường đáp ứng miễn dịch và sức khỏe tổng thể. Bên cạnh hàm lượng protein, hàm lượng axit béo không no chuỗi đa đã thu hút nhiều sự chú ý do chúng có giá trị lâu dài. Có thể đạt được sản lượng axit eicosapentaenoic (EPA, 20:5n - 3) lên tới 133 (mg/L) dịch nuôi cấy trong các điều kiện tối ưu (21,5 – 23,0°C và pH 7,6) đối với tảo cát Phaeodactylum tricornutum. Trong trường hợp này, EPA chiếm 30 – 40% tổng lượng axit béo. Tương tự như vậy, tảo Nannochloropsis sp., chứa một lượng lớn EPA và trong các điều kiện tối ưu, việc sản xuất EPA có thể được tối đa hóa, đạt 0,1 – 0,4 (pg/tế bào).Vi tảo biển dị dưỡng Crypthecodinium cohnii được xác định là sinh vật sản xuất tốt axit docosahexaenoic (DHA, 22:6n - 3). Chủng này có thể tích lũy chất béo trong hơn 20% trọng lượng khô sinh khối của nó, với DHA chiếm 30% tổng lượng chất béo.

Nhiều sắc tố vi tảo và phycobiliprotein cũng đã được chứng minh là có đặc tính chống ôxy hóa. Chúng bao gồm β-carotene và astaxanthin. Các loài vi tảo quan trọng nhất về các chất có đặc tính chống ôxy hóa là Tetraselmis suecica, Botryococcus braunii, Neochloris oleoabundans, Chlorella vulgaris, Phaeodactylum tricornutum và Isochrysis spp. Do đó, các đặc tính chống ôxy hóa khác nhau được phổ biến rộng rãi trên các loài vi tảo khác nhau. Bên cạnh carotenoid, vi tảo còn chứa các loại chất chống ôxy hóa mạnh khác bao gồm polyphenol (ví dụ: phenol và flavonoid), sterol, vitamin (ví dụ: vitamin A và E) và các hợp chất khác (ví dụ: hydroxyanisole butylated và hydroxytoluene butylated).

Bên cạnh việc cung cấp các yêu cầu dinh dưỡng thiết yếu, trọng tâm nghiên cứu về TĂTS có thể được mở rộng để bao gồm các giá trị dinh dưỡng bổ sung, phòng chống dịch bệnh và cải thiện tính bền vững và nền kinh tế tuần hoàn. Như đã mô tả ở trên, vi tảo rất giàu protein và các loại dầu, sắc tố và chất chống ôxy hóa có giá trị; tuy nhiên, sinh khối vi tảo có chứa các hợp chất có lợi khác như vitamin và nhiều loại hợp chất có hoạt tính sinh học. Các hợp chất hoạt tính sinh học này là trung tâm của các nghiên cứu đổi mới vì các đặc tính kích thích miễn dịch và thậm chí cả tác dụng chống ký sinh trùng của chúng. Ví dụ, phản ứng miễn dịch của tôm càng xanh Macrobrachium rosenbergii tăng lên sau khi thay thế 8% bột cá bằng Chlorella vulgaris. Phản ứng miễn dịch tích cực đã được chứng minh bằng tổng số lượng tế bào máu cao hơn và hoạt động của phenol oxidase, giúp tăng cường sức đề kháng của tôm đối với nhiễm trùng Aeromonas hydrophila. Tương tự như vậy, việc tiêu thụ chất diệp lục từ Dunaliella salina đã tăng cường phản ứng miễn dịch (superoxide dismutase và catalase) của tôm sú, giúp tôm có khả năng chống lại hội chứng đốm trắng cao hơn.

Nấm : Nấm sản xuất sinh khối ngày càng được coi là một nguồn nguyên liệu tiềm năng do độ phong phú về hàm lượng dinh dưỡng bao gồm protein, axit amin thiết yếu, PUFA, chất xơ, khoáng chất và vitamin. Việc sử dụng nấm như một nguồn protein thay thế trong thức ăn không phải là một khái niệm mới. Trong hầu hết các trường hợp, dữ liệu đề cập đến nấm có nguồn gốc trên cạn, tuy nhiên, từ quan điểm dinh dưỡng, không có sự khác biệt đáng kể so với nấm có nguồn gốc từ biển. Điều này một phần là do có cách thức mới trong việc sử dụng nấm làm công cụ tinh chế sinh học hiệu quả để tăng giá trị các sản phẩm phụ nông nghiệp, trong khi vẫn còn ít ứng dụng trong NTTS. Sự sẵn có ngày càng tăng của các chủng nấm có nguồn gốc từ biển và sự phát triển của các chuỗi sản xuất mới trong nền kinh tế sinh học xanh sẽ sớm lấp đầy khoảng trống này.

Nhiều báo cáo đã chỉ ra hiệu quả của các sản phẩm phụ trong quá trình sản xuất nấm như một chất thay thế FM. Sinh khối nấm hoặc các dẫn xuất của chúng đã được sử dụng làm prebiotic, với tác dụng có lợi đã được chứng minh ở một số loài cá và tôm. Dadi và cộng sự (2022) báo cáo rằng chất nổi trên bề mặt không có tế bào của hai loại nấm nội sinh biển có thể được sử dụng làm chất bổ sung thức ăn để bảo vệ TTCT chống lại bệnh hoại tử gan tụy do Vibrio spp. Hơn nữa, một số báo cáo gần đây đã chứng minh rằng nấm biển là nguồn cung cấp các hợp chất kháng khuẩn để sử dụng để chống lại mầm bệnh. Nấm từ bọt biển đã được sàng lọc để sản xuất các hợp chất kháng vi sinh vật có tác dụng chống lại các mầm bệnh khác nhau động vật thủy sản, đó là Lactococcus garvieae, Vibrio anguillarum, Vibrio harveyi, Yersinia ruckeri và Vagococcus salmoninarum. Vì vi khuẩn gây bệnh là mối đe dọa nghiêm trọng trong NTTS và tình trạng kháng kháng sinh ở thủy sản nuôi đang ở mức đáng lo ngại, ngày càng có nhu cầu về các công cụ và phương pháp mới để quản lý nuôi trồng thủy sản bền vững. Các chất kháng khuẩn mới từ nấm biển đã nhận được sự quan tâm đáng kể để khắc phục những khó khăn và hạn chế liên quan đến vi khuẩn đa kháng thuốc đang lan rộng. Do đó, cần nghiên cứu thêm về các hợp chất được tạo ra bởi các chủng nấm này có tiềm năng sử dụng làm phụ gia thức ăn thay thế cho kháng sinh.

Các phân tử hoạt tính sinh học của nấm thể hiện các đặc tính sinh học khác nhau, chẳng hạn như chất chống ôxy hóa, chống ung thư, chống vi khuẩn và kích thích miễn dịch; chúng có thể kích hoạt hệ thống miễn dịch tự nhiên của thủy sản theo cách kích thích trực tiếp các tế bào miễn dịch hoặc bằng cách cải thiện sự phát triển của hệ vi sinh đường ruột. Đường ruột của thủy sản chứa một hệ vi sinh vật phức tạp với nhiều vai trò trong các quá trình sinh lý, bao gồm nhưng không giới hạn ở việc ức chế vi khuẩn gây bệnh, sự đáp ứng của hệ thống miễn dịch và quá trình trao đổi chất. Thành phần của nấm có thể kích thích tăng trưởng và tăng cường phản ứng miễn dịch và cơ chế bảo vệ chống lại vi khuẩn gây bệnh và các tác nhân gây căng thẳng phi sinh học. Polysacarit nấm và polysacarit thô chủ yếu được sản xuất từ chất thải chế biến từ nấm dành cho con người đóng vai trò là chất tiền sinh học và được coi là thành phần dinh dưỡng để điều chỉnh tình trạng tăng trưởng và sức khỏe. Các chất tăng cường miễn dịch như vậy có thể cải thiện sức khỏe của động vật thủy sinh, bao gồm cả hải sâm, bằng cách sửa đổi cấu trúc hệ vi sinh vật đường ruột của vật chủ.

Các nghiên cứu gần đây nhấn mạnh tính bền vững về môi trường của mycoprotein đối với protein từ động vật hoặc thực vật như đã được chứng minh bằng phân tích đánh giá vòng đời. Lợi ích của việc sản xuất mycoprotein đối với sản xuất TĂTS bền vững nằm ở khả năng phát triển của chúng trong các lò phản ứng sinh học với tỷ lệ trao đổi chất cao sử dụng các sản phẩm phụ khác nhau chẳng hạn như các nguồn C và N. Sinh khối nấm giàu protein, có thể được sản xuất cả trong môi trường ngập nước và trong quá trình lên men ở trạng thái rắn, phụ phẩm nông, công nghiệp theo các tiêu chí đánh giá tính tuần hoàn đã được nêu trong phần giới thiệu. Cách tiếp cận này có hai ưu điểm quan trọng: (i) giảm chi phí sản xuất; (ii) tăng giá trị các sản phẩm phụ của quá trình chế biến nếu không được coi là chất thải. Đến nay, hầu hết các nghiên cứu đều đề cập đến việc chuyển hóa phụ phẩm nông nghiệp. Tuy nhiên, các nghiên cứu gần đây đã chứng minh tính khả thi của việc chuyển đổi nước thải chế biến thủy sản thành nguyên liệu thức ăn thủy sản thông qua việc nuôi trồng nấm sợi trong nước. Các nghiên cứu cho thấy khả năng thích ứng do việc tích hợp trồng nấm vào quy trình chế biến thủy sản và chứng minh một loạt các lợi ích kinh tế và môi trường (nhu cầu ôxy hóa học đáng kể [COD], tổng chất rắn và nitơ giảm). Nấm tạo ra nhiều loại enzyme cho phép chúng biến đổi sinh học các chất nền khác nhau thành sinh khối giàu protein và trong các phân tử hoạt tính sinh học bổ sung (ví dụ: axit amin thiết yếu, chuỗi dài n - 3 [LC PUFA] và polysacarit có hoạt tính kích thích miễn dịch). Hơn nữa, chúng hoạt động tốt hơn trong việc giảm mức COD so với các vi sinh vật đơn bào (ví dụ: vi khuẩn và vi tảo) thường đòi hỏi các quy trình thu hồi sinh khối tốn kém. Do đó, các mycoprotein thu được thông qua phương pháp tiếp cận kinh tế tuần hoàn ngày càng được nghiên cứu như một nguyên liệu thay thế để sản xuất TĂTS.

Hơn nữa, nấm có thể sớm được sử dụng để hạn chế các tác động đến môi trường của hoạt động NTTS (tức là sự tích tụ chất dinh dưỡng, nước thải và ô nhiễm kháng sinh). Gần đây, một số loại nấm biển được phân lập từ các khu vực nuôi cá hồi ở phía nam Chile đã được báo cáo là làm giảm chất kháng sinh như oxytetracycline thường được sử dụng trong thức ăn, cả trong giai đoạn cá hồi ở nước ngọt và trong các trang trại nước mặn. Lượng kháng sinh lớn này gây ra những tác động bất lợi nghiêm trọng đối với môi trường nơi chúng được phát tán và duy trì hoạt động trong nhiều tháng, do đó tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của tính kháng kháng sinh. Điều cần thiết khi mà các hướng phát triển NTTS phải kết hợp các đổi mới công nghệ sinh học để giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Sử dụng các phương pháp tiếp cận dựa trên sinh học để giải quyết các vấn đề môi trường liên quan đến NTTS là một chiến lược bền vững và tiết kiệm chi phí cần được xem xét kỹ lưỡng. Các phương pháp Mycoremediation đã được chứng minh là có hiệu quả để xử lý nước bị ô nhiễm bằng kháng sinhvà hy vọng rằng chúng cũng sẽ được áp dụng trong NTTS tuần hoàn trong tương lai gần.

Thraustochytrids: Thraustochytrids là sinh vật nguyên sinh nhân chuẩn dị dưỡng, với sự phân bố địa lý rộng từ vùng cực đến vùng nhiệt đới, phân bố khắp nơi trong tất cả các môi trường nước nông và nước sâu dưới dạng hoại sinh, sinh vật ăn mảnh vụn, ký sinh trùng, và động vật ăn vi khuẩn. Trong nhiều thập kỷ, nhiều nỗ lực nghiên cứu về Thraustochytrids đã tập trung vào việc sản xuất các nguồn dinh dưỡng có giá trị. Tuy nhiên, gần đây, các kết quả mới đã tiết lộ tầm quan trọng của các sinh vật đơn bào này trong nền kinh tế tuần hoàn.Chỉ là một ví dụ về việc sử dụng sinh khối Thraustochytrids thải ra sau quá trình chiết xuất lipid làm chất hấp phụ hiệu quả cho thuốc nhuộm triphenylmethane trong NTTS.  Trong họ Thraustochytrids, chi Schizochytrium được sử dụng phổ biến nhất trong NTTS.Một số sản phẩm Schizochytrium chứa nồng độ DHA cao đã được phát triển thương mại. Hơn nữa, sản phẩm Schizochytrium khô có hiệu quả cao khi được đưa vào thức ăn của cá nheo Mỹ và cá chẽm châu Á (Lates calcarifer) và đã được sử dụng như một chất thay thế cho FO trong chế độ ăn của nhiều loài khác nhau. Sau đó, sự tập trung của các nghiên cứu trên toàn cầu đã chuyển sang Thraustochytrids chỉ trong hai thập kỷ qua, chủ yếu là do hàm lượng lipid cao của chúng, đặc biệt là EPA và DHA. Do đó, nghiên cứu về việc triển khai nuôi cấy đại trà Thraustochytrids nhằm mục đích sản xuất tiềm năng các hợp chất có hoạt tính sinh học có giá trị (chẳng hạn như n - 3 LC PUFA, DHA, squalene, carotenoid…) đã và đang thu hút sự quan tâm đáng kể về mặt khoa học và thương mại. Với mức độ cao của chúng axit béo bão hòa, Thraustochytrids đã được khám phá thêm trong công nghệ sinh học công nghiệp như là nguồn nguyên liệu cho nhiên liệu sinh học và sản xuất lipid, cung cấp nhiều dược phẩm dinh dưỡng, phụ gia thực phẩm, squalene, carotenoid và các sản phẩm có ý nghĩa kinh tế khác và đóng góp vào các yếu tố cần thiết của công nghệ sinh học biển.

Xuân Chinh