Quá trình thuỷ phân Men Enzyme Alcalase trong ngành thuỷ sản

Trong bối cảnh ngành công nghiệp chế biến thủy sản đang hướng tới mô hình kinh tế tuần hoàn và phát triển bền vững, việc xử lý và nâng cao giá trị phụ phẩm (đầu, xương, da, vây cá, vỏ tôm…) trở thành một yêu cầu cấp thiết. Công nghệ enzyme, đặc biệt là sử dụng men enzyme Alcalase, đang nổi lên như một giải pháp “xanh” ưu việt nhất. Bài viết này sẽ phân tích sâu về cơ chế, phương pháp tối ưu hóa và ứng dụng của Alcalase trong việc thuỷ phân protein thủy sản.

Men Enzyme Alcalase là gì?

Nguồn gốc và đặc tính

Alcalase là tên thương mại của một loại enzyme protease (enzyme phân giải protein) được thu nhận từ quá trình lên men của vi khuẩn Bacillus licheniformis. Đây là một loại serine endopeptidase.

Endopeptidase: Có nghĩa là enzyme này cắt các liên kết peptide ở bên trong chuỗi protein, thay vì cắt từ hai đầu mút (exopeptidase). Điều này cho phép Alcalase phá vỡ cấu trúc protein lớn thành các chuỗi peptide ngắn hơn một cách nhanh chóng.
Tính kiềm (Alkaline): Alcalase hoạt động mạnh nhất trong môi trường kiềm (pH cao), điều này đặc biệt phù hợp với nhiều quy trình xử lý thịt cá tự nhiên.

Tại sao Alcalase được ưa chuộng trong thủy sản?

So với các loại enzyme khác như Papain (từ đu đủ), Bromelain (từ dứa) hay Neutrase, Alcalase thường được đánh giá cao hơn nhờ:

Hoạt lực mạnh: Khả năng cắt mạch protein nhanh và hiệu quả.
Độ thủy phân (Degree of Hydrolysis – DH) cao: Tạo ra lượng lớn peptide ngắn và axit amin tự do.
Tính ổn định: Chịu được dải nhiệt độ và pH khá rộng, phù hợp với quy mô sản xuất công nghiệp.

Cơ chế Thuỷ phân Protein bằng Alcalase

Quá trình thủy phân protein là việc phá vỡ các liên kết peptide (-CO-NH-) trong phân tử protein dưới tác xúc tác của enzyme và sự tham gia của nước.

Phản ứng sinh hóa

Alcalase tấn công đặc hiệu vào các liên kết peptide kề bên các axit amin kỵ nước (như Phenylalanine, Tyrosine, Tryptophan, Leucine…). Chính đặc tính cắt đặc hiệu này quyết định tính chất chức năng và hoạt tính sinh học của sản phẩm cuối cùng (dịch đạm thủy phân – FPH).

Sản phẩm tạo thành: Fish Protein Hydrolysate (FPH)

Sản phẩm của quá trình này là FPH, thường ở dạng bột hoặc dịch lỏng, chứa:

Peptide mạch ngắn: Dễ hấp thu, có hoạt tính sinh học (chống oxy hóa, kháng khuẩn).
Axit amin tự do: Cung cấp dinh dưỡng thiết yếu.

Các Yếu Tố Tối Ưu Hoá Quá Trình Thuỷ Phân

Để đạt được hiệu suất cao nhất và chất lượng sản phẩm tốt nhất, việc kiểm soát các thông số kỹ thuật là bắt buộc. Đây là phần quan trọng nhất đối với các kỹ sư công nghệ thực phẩm.

pH (Độ kiềm/axit)

Alcalase là enzyme kiềm tính.

Dải hoạt động: pH 6.5 – 10.0.
Điểm tối ưu (Optimum): Thường nằm trong khoảng pH 8.0 – 8.5.
Lưu ý: Trong quá trình thủy phân, các liên kết peptide bị cắt sẽ giải phóng nhóm carboxyl (-COOH) làm giảm pH của dung dịch. Do đó, để duy trì hoạt lực enzyme, cần sử dụng dung dịch kiềm (như NaOH) để điều chỉnh pH ổn định liên tục trong suốt quá trình phản ứng (phương pháp pH-stat).

Nhiệt độ (Temperature)

Dải hoạt động: 30°C – 70°C.
Điểm tối ưu: 55°C – 60°C.
Cảnh báo: Nếu nhiệt độ vượt quá 70°C, enzyme sẽ bị biến tính (mất hoạt lực) rất nhanh. Nếu nhiệt độ quá thấp, phản ứng xảy ra chậm, tốn thời gian và tăng nguy cơ nhiễm vi sinh vật.

Tỷ lệ Enzyme/Cơ chất (E/S ratio)

Tỷ lệ này quyết định tốc độ phản ứng và chi phí sản xuất.
Tỷ lệ thường dùng: 0.5% – 2.0% (theo trọng lượng protein hoặc trọng lượng nguyên liệu tươi).
Tăng lượng enzyme sẽ làm tăng độ thủy phân (DH) nhưng đến một ngưỡng nhất định, hiệu quả sẽ bão hòa. Cần cân đối bài toán kinh tế giữa chi phí mua enzyme và giá trị sản phẩm thu được.

Thời gian thuỷ phân

Thời gian thông thường: 2 – 6 giờ.
Trong 1-2 giờ đầu, tốc độ phản ứng diễn ra rất nhanh. Sau đó, tốc độ giảm dần do nồng độ cơ chất giảm và enzyme có thể bị tự phân giải hoặc bị ức chế bởi sản phẩm.

Quy trình Sản xuất Đạm Thủy phân (FPH)

Dưới đây là quy trình chuẩn hoá thường được áp dụng tại các nhà máy chế biến tại Việt Nam:

Bước 1: Chuẩn bị nguyên liệu

Nguyên liệu (đầu, xương, thịt vụn cá tra, cá ngừ…) cần được xay nhỏ để tăng diện tích tiếp xúc với enzyme.
Bổ sung nước theo tỷ lệ 1:1 hoặc 1:2 (nguyên liệu:nước) để tạo dung dịch huyền phù.

Bước 2: Gia nhiệt và điều chỉnh pH

Nâng nhiệt độ hỗn hợp lên 55-60°C.
Điều chỉnh pH về 8.0 bằng NaOH.

Bước 3: Bổ sung Enzyme Alcalase

Cho enzyme vào với tỷ lệ đã tính toán (ví dụ: 0.1% – 0.5%).
Khuấy đảo liên tục để enzyme phân tán đều.

Bước 4: Thủy phân (Hydrolysis)

Giữ nhiệt và pH ổn định trong 3-4 giờ.
Theo dõi độ nhớt của dịch (dịch sẽ lỏng dần ra).

Bước 5: Bất hoạt Enzyme (Inactivation)

Đây là bước cực kỳ quan trọng để dừng phản ứng.
Nâng nhiệt độ lên 85°C – 95°C trong 10-15 phút. Việc này giúp giết chết enzyme Alcalase và tiệt trùng sản phẩm.

Bước 6: Tách chiết và Thu hồi

Sử dụng máy ly tâm để tách 3 pha:

Pha dầu (trên cùng): Dầu cá (Omega-3).
Pha nước (ở giữa): Dịch đạm thủy phân (FPH).
Pha rắn (cặn dưới cùng): Xương, vảy chưa tan (dùng làm bột cá thấp cấp hoặc phân bón).

Bước 7: Cô đặc và Sấy

Dịch đạm được cô đặc chân không và sấy phun để tạo thành bột đạm FPH giá trị cao.

Ứng dụng của Sản phẩm Thủy phân bằng Alcalase

Việc sử dụng Alcalase mở ra nhiều hướng đi mới cho phụ phẩm thủy sản:

Nguyên liệu thức ăn chăn nuôi cao cấp

Bột đạm thủy phân (FPH) có khả năng tiêu hóa lên tới hơn 90%, cao hơn nhiều so với bột cá thông thường. Nó được dùng làm thức ăn cho:

Cá giống/Tôm giống: Giúp ấu trùng lớn nhanh, tăng tỷ lệ sống.
Thú cưng (Pet food): Tăng độ ngon miệng (palatability) và cung cấp peptide thiết yếu cho chó mèo.

Phụ gia thực phẩm và Hương liệu

Dịch thủy phân có thể được dùng làm cốt để sản xuất nước mắm ngắn ngày (rút ngắn thời gian ủ chượp từ 12 tháng xuống còn 1-2 tháng).
Làm hạt nêm, bột gia vị (seafood extract) nhờ vị ngọt đạm (umami) đậm đà.

Thực phẩm chức năng (Nutraceuticals)

Các peptide sinh học tạo ra từ quá trình thủy phân bằng Alcalase đã được chứng minh có khả năng:

Ức chế men chuyển ACE (giúp hạ huyết áp).
Chống oxy hóa, ngăn ngừa lão hóa tế bào.
Tăng cường hệ miễn dịch.

Ưu điểm và Thách thức khi sử dụng Alcalase

Ưu điểm vượt trội

Hiệu suất thu hồi đạm cao: Giúp tận thu tối đa protein từ xương và da.
Giảm thiểu ô nhiễm môi trường: Thay vì xả thải đầu cá, ruột cá ra môi trường hoặc bán rẻ, doanh nghiệp có thể xử lý triệt để.
Không tạo ra muối mặn: Khác với phương pháp thủy phân bằng axit hay kiềm, thủy phân enzyme rất êm dịu, không tạo ra lượng muối lớn trong sản phẩm.

Thách thức: Vấn đề vị đắng (Bitterness)

Một nhược điểm lớn của Alcalase (và các enzyme endopeptidase nói chung) là xu hướng tạo ra các peptide có vị đắng.

Nguyên nhân: Do enzyme cắt lộ ra các axit amin kỵ nước ở đầu tận cùng của peptide.
Giải pháp khắc phục:
- Kết hợp Enzyme: Sử dụng kết hợp Alcalase với một loại Exopeptidase (như Flavourzyme). Exopeptidase sẽ cắt các axit amin gây đắng ở đầu mạch, giúp khử vị đắng và làm tròn vị (làm tăng vị ngọt thịt).
- Kiểm soát độ thủy phân (DH): Không để DH quá cao nếu mục đích là làm thực phẩm cho người.

So sánh Alcalase với các Enzyme khác

Để người đọc dễ hình dung, chúng ta hãy xem bảng so sánh dưới đây:

Đặc điểm	Alcalase	Papain / Bromelain	Acid Protease
Nguồn gốc	Vi khuẩn (Bacillus)	Thực vật (Đu đủ/Dứa)	Vi sinh vật
Loại enzyme	Serine Endopeptidase	Cysteine Endopeptidase	Aspartic Protease
pH tối ưu	8.0 – 8.5 (Kiềm)	6.0 – 7.0 (Trung tính)	3.0 – 4.0 (Axit)
Nhiệt độ tối ưu	55 – 60°C	50 – 65°C	40 – 50°C
Giá thành	Trung bình – Cao	Thấp – Trung bình	Trung bình
Ứng dụng chính	Thủy phân sâu, tách đạm triệt để	Làm mềm thịt, thủy phân sơ bộ	Lên men, làm mềm
Nhược điểm	Có thể gây đắng	Hoạt lực thấp hơn trên xương/da	Kém bền nhiệt

Trong quy mô công nghiệp chế biến phụ phẩm cá (nơi có lẫn xương, da, vây), Alcalase thường là lựa chọn số 1 do khả năng phân giải mạnh mẽ các protein cấu trúc phức tạp mà các enzyme thực vật khó làm được.

Xu hướng tương lai và Khuyến nghị

Xu hướng “Zero Waste” (Không rác thải)

Ngành thủy sản Việt Nam (đặc biệt là cá Tra và Tôm) đang đứng trước cơ hội lớn để chuyển mình. Việc ứng dụng Alcalase không chỉ dừng lại ở xử lý chất thải mà là sản xuất nguyên liệu mới. Một tấn phụ phẩm cá tra nếu bán thô chỉ có giá vài ngàn đồng/kg, nhưng nếu chuyển thành bột FPH tiêu chuẩn thực phẩm, giá trị có thể tăng gấp 10-20 lần.

Khuyến nghị cho Doanh nghiệp

Thử nghiệm quy mô nhỏ (Pilot): Trước khi đầu tư dây chuyền lớn, cần chạy thử nghiệm để tìm ra thông số tối ưu (Nhiệt độ/pH/Thời gian) cho riêng loại nguyên liệu của nhà máy.
Đầu tư hệ thống kiểm soát nhiệt và pH tự động: Alcalase rất nhạy cảm. Việc pH bị tụt (do axit amin sinh ra) mà không được trung hòa kịp thời sẽ làm giảm hiệu suất enzyme đáng kể.
Phối trộn Enzyme: Xem xét quy trình thủy phân 2 bước (Alcalase trước, Flavourzyme sau) để tạo ra sản phẩm cao cấp cho con người.

Kết luận

Men enzyme Alcalase đóng vai trò là “chìa khóa vàng” trong công nghệ chế biến sâu ngành thủy sản. Khả năng tối ưu hóa quá trình thủy phân protein của Alcalase giúp doanh nghiệp giải quyết đồng thời ba bài toán: Kinh tế (tăng giá trị gia tăng), Môi trường (giảm xả thải) và Công nghệ (tạo ra sản phẩm mới).

Hiểu rõ bản chất sinh hóa và các thông số kỹ thuật vận hành Alcalase là bước đầu tiên để các nhà máy thủy sản Việt Nam nâng cao năng lực cạnh tranh trên thị trường quốc tế, chuyển dịch từ việc “bán cá đông lạnh” sang “bán dinh dưỡng và sức khỏe”.