TIỀM NĂNG CỦA CÁC SẢN PHẨM PROTEIN ĐƠN BÀO

Những tiến bộ gần đây trong việc sử dụng protein đơn bào như một thành phần trong thức ăn thủy sản.

Hình 1. Bột tảo Spirulina, sinh khối vi khuẩn lam (tảo lam) và những sản phẩm protein nguồn gốc thực vật đơn bào (SCP) khác có nhiều tiềm năng trở thành một thành phần trong thức ăn thủy sản

Đánh bắt thủy sản ngoài tự nhiên và nuôi trồng thủy sản là ngành công nghiệp protein động vật lớn nhất trên thế giới. Hạn ngạch đánh bắt tự nhiên đã ổn định từ năm 1990 ở mức khoảng 90 triệu tấn, do đó, ngành nuôi trồng thủy sản tăng trưởng hơn kể từ đó (Biểu đồ 1). Nuôi trồng thủy sản đã phát triển nhanh hơn các ngành protein động vật khác ở mức xấp xỉ 7% tốc độ tăng trưởng hàng năm trong 2 thập kỷ qua, so với mức khoảng 4% của gia cầm. Thức ăn là một trong những chi phí lớn trong chăn nuôi và thành phần protein là chi phí chính của thủy sản.

Hiệu quả sử dụng thức ăn - đặc biệt là chuyển đổi protein - điều cần thiết để quản lý chi phí sản xuất và cải thiện tính bền vững trong nuôi trồng thủy sản. Nhìn chung, các loài thủy sản có tỷ lệ chuyển đổi thức ăn (FCR) tương đối thấp từ 1,1 - 1,6, so với 1,4 - 1,8 trên gia cầm, 2,6 - 4,4 đối với heo và 3,5 - 9 đối với bò. Do đó, nuôi trồng thủy sản đóng góp cho ngành công nghiệp protein động vật mang tính bền vững hơn và protein đơn bào (SCP) đã sẵn sàng đóng vai trò chính trong tương lai đối với ngành nuôi trồng thủy sản.

Biểu đồ 1. Tổng sản lượng protein động vật tính bằng triệu tấn từ năm 1990 – 2025

Ngay cả khi hàm lượng bột cá đưa vào thức ăn thủy sản giảm dần (Biểu đồ 2), sự thiếu hụt bột cá vẫn xảy ra vào năm 2050, ước tính từ 0,4 - 1,32 triệu tấn. Ví dụ, các thành phần từ thực vật có thể được tinh chế để cải thiện khả năng tương thích với thức ăn thủy sản, bằng cách loại bỏ các như Acid phytic (dạng dự trữ chính của Phospho trong các loại hạt, ngũ cốc, các loại đậu và hạt dầu), nhưng điều này làm tăng chi phí và các ứng dụng thành công cho đến nay là rất ít, ví dụ như trên cá hồi.

Biểu đồ 2. Ước tính sự thiếu hụt bột cá đến năm 2050

Do đó, có nhu cầu về các thành phần protein phù hợp hơn để duy trì hiệu quả sử dụng thức ăn, có lợi cho sức khỏe động vật thủy sản, ổn định nguồn cung và phát triển kinh tế trong quá trình phát triển ngành nuôi trồng thủy sản. SCP có tiềm năng cung cấp nhiều giải pháp thông qua vô số các sản phẩm và phương pháp sản xuất, nhưng vẫn cần phải nghiên cứu, phát triển và mở rộng quy mô.

Bài viết này - được điều chỉnh và tóm tắt từ bản gốc (Jones và cộng sự, 2020. Recent advances in single cell protein use as a feed ingredient in aquaculture. Current Opinion in Biotechnology, Số 61, Tháng 2/2020, Trang 189 - 197) đánh giá một số tiềm năng nguồn sản phẩm SCP và một số tiến bộ gần đây trong việc sử dụng làm nguyên liệu thức ăn trong nuôi trồng thủy sản.

Nguồn SCP

Các sản phẩm SCP có thể được tạo ra từ các nguồn vi sinh vật khác nhau, bao gồm cả vi tảo, nấm men, các loại nấm khác và vi khuẩn (Bảng 1). Tất cả đang tích cực được nghiên cứu và thương mại hóa bởi một số công ty lớn, cho thấy những ưu điểm và nhược khác nhau.

Bảng 1. Nguồn protein đơn bào. C1: một phân tử carbon như methane, carbon dioxide và các phân tử khác. EAA: acid amin thiết yếu

Kết quả thử nghiệm cho ăn SCP

Để xác nhận hiệu quả của các sản phẩm mới, các thử nghiệm cho ăn rộng rãi là cần thiết. Bài viết này chủ yếu tập trung vào các loài mà chúng ta có kiến thức về thương mại và dinh dưỡng, bao gồm tôm thẻ chân trắng Thái Bình Dương (Litopenaeus vannamei), cá hồi Đại Tây Dương (Salmo salar) và cá hồi cầu vồng (Oncorhynchus mykiss). Trong hầu hết các thử nghiệm, mục tiêu là đánh giá sự tăng trưởng và chuyển đổi thức ăn khi bột cá được thay thế bằng sản phẩm SCP, nhưng các thử nghiệm cũng nghiên cứu các tác dụng dinh dưỡng rộng hơn.

Vi tảo

Thử nghiệm sản phẩm SCP có nguồn gốc từ vi tảo Nanofrustulum và Tetraselmis thực hiện trên cá hồi. Trong một nghiên cứu, Desmodesmus sp. có thể được đưa vào tối đa 20% thành phần thức ăn mà không có bất kỳ ảnh hưởng xấu nào đến sự tăng trưởng của cá hồi hoặc chất lượng thịt, và trong một nghiên cứu khác, bột tảo có thể được cho ăn ở mức 10% mà không ảnh hưởng đến hiệu suất tăng trưởng của cá hồi.

Đối với cá hồi cầu vồng, cho ăn tảo Spirulina ở mức 10% không ảnh hưởng đến hiệu suất tăng trưởng. Trong một nghiên cứu khác, Scenedesmus almeriensis có thể thay thế tới 40% bột cá trong chế độ ăn, mặc dù sự tăng trưởng ở mức thấp hơn với hiệu suất chấp nhận được.

Một nghiên cứu trên tôm L. vannamei đánh giá các tỷ lệ khác nhau của tảo xoắn (Arthrospira platensis) Nannochloropsis ocultata và bột cá xác định rằng Nannochloropsis ocultata là thành phần có khả năng thay thế bột cá kém.

Khả năng tiêu thụ chất dinh dưỡng (khả năng tiêu hóa) đối với việc cho ăn tảo có thể là một vấn đề vì thành tế bào của chúng. Để cải thiện khả năng tiêu hóa, các thành tế bào có thể bị phá vỡ bằng nhiều phương pháp, bao gồm enzyme (cellulase), hóa chất (dung môi hữu cơ hoặc acid), vật lý và cơ học (nghiền, đồng hóa áp suất cao hoặc kênh dẫn vi lưu). Phương pháp vật lý và cơ học thường được sử dụng nhiều vì phương pháp sử dụng enzyme và hóa học có thể tác động đến các chất dinh dưỡng nội bào.

Trong một nghiên cứu gần đây, một Microfluidizer (công nghệ được sử dụng để giảm kích thước của nhũ tương một cách hiệu quả) đã được sử dụng trên cá hồi khi cho ăn Chlorella Vulgaris, cho thấy chất lượng dinh dưỡng và protein bình thường nhưng khả năng tiêu hóa được cải thiện so với bổ sung EAA, chất béo và carbohydrate. Tỷ lệ tiêu hóa tinh bột cao hơn so với chế độ ăn đối chứng.

Nấm men và các loại nấm khác

Cá hồi và tôm là 2 loài chính của các thử nghiệm cho ăn nấm men gần đây. Đối với cá hồi, một số bữa ăn nấm men khác nhau đã được thử nghiệm, bao gồm từ Saccharomyces cerevisiae, Candida producis và K. marxianus. S. cerevisiae được đánh giá là giàu protein, trong khi C. producis và K. marxianus có thể thay thế tới 40% bột cá trong chế độ ăn mà không ảnh hưởng đến hiệu suất tăng trưởng hoặc duy trì chất dinh dưỡng. Trong một nghiên cứu khác, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu liệu C. producis có thể khắc phục được bệnh viêm ruột do bột đậu nành hay không, một tác dụng phụ phổ biến ở các loài thủy sản ăn thịt, nhưng khi được cho ăn chế độ ăn gồm 40% bột đậu nành và lên đến 20% C. producis (thay thế gluten lúa mì và tinh bột), cá vẫn có dấu hiệu viêm ruột.

Đối với tôm L. vannamei, một số sản phẩm S. cerevisiae đã thành công trong việc thay thế bột cá (từ 15 - 24%, tùy theo sản phẩm) hoặc bột đậu nành (lên đến 24%) trong chế độ ăn của tôm mà không ảnh hưởng đến hiệu suất tăng trưởng. Một sản phẩm thương mại cũng đã thành công trong việc thay thế tới 20% protein ngô. Và tôm được cho ăn chế độ ăn khoảng 50% C. producis không có tác dụng phụ và cho thấy tốc độ tăng trưởng cao hơn so với chế độ ăn bột cá hoàn chỉnh.

Cho đến nay, các nghiên cứu này chỉ ra rằng C. producis là nguồn SCP tốt hơn S. cerevisiae cho chế độ ăn của cá hồi và tôm. Một loại nấm khác đã được thử nghiệm dưới dạng nguồn SCP (cũng như các acid béo không bão hòa, polyme Betaglucan và Mannan) là Yarrowia lipolytica. Chủng đã được thử nghiệm trên tôm và cá hồi và cho thấy hiệu quả giúp tăng trọng trên cá.

Vi khuẩn

Một số loại Methanotroph - based khác nhau (Methanotrophs là Prokaryote - sinh vật đơn bào không có màng nhân liên kết, ty thể hoặc bất kỳ cơ quan có màng nào khác - chuyển hóa khí methane thành nguồn carbon và năng lượng duy nhất của chúng) đã được thử nghiệm thành công trên cá hồi Đại Tây Dương. Trong một nghiên cứu, cá hồi cho ăn chế độ ăn có chứa tới 36% bột protein vi khuẩn (BPM) cho thấy tốc độ tăng trưởng và hiệu quả sử dụng thức ăn cao hơn so với đối chứng, mặc dù khả năng tiêu hóa chất dinh dưỡng đã giảm. Trong một nghiên cứu khác, các tác giả cho rằng M. capsulatus có thể bổ sung tới 52% protein trong chế độ ăn cá hồi và 38% trong chế độ ăn cá hồi không gây tác dụng bất lợi.

Việc đưa M. capsulatus vào chế độ ăn thay thế bột đậu nành đã ngăn chặn sự phát triển của chứng viêm ruột do bột đậu nành trên cá hồi. Một thử nghiệm khác xác định rằng một sản phẩm thương mại từ Methylobacterium extorquens có thể thay thế 55% bột cá trong chế độ ăn cá hồi không gây tác dụng phụ khi tăng trưởng và có thể thay thế tới 10% bột đậu nành trong chế độ ăn.

Tôm cũng là mục tiêu nghiên cứu chính của nguồn SCP vi khuẩn. Một hỗn hợp mới gồm 2 vi khuẩn không lưu huỳnh màu tím ở mức 1% khẩu phần tạo ra sự cải thiện tăng trưởng kém so với đối chứng, Corynebacterium ammoniagenes có thể thay thế 10 – 20% và sản phẩm thương mại từ M. extorquens có thể thay thế hoàn toàn bột cá trong chế độ ăn của tôm. Biofloc có thể thay thế tới 30% bột cá trong chế độ ăn. Và một hỗn hợp sinh khối vi sinh vật của vi khuẩn và vi tảo đã được thử nghiệm rộng rãi trên tôm sú (Penaeus monodon). Một nghiên cứu cho thấy nó có thể khắc phục nhược điểm tăng trưởng khi bột cá và dầu cá được loại bỏ khỏi chế độ ăn của tôm, và một nghiên cứu khác cho thấy tốc độ tăng trưởng được cải thiện khi hỗn hợp này được đưa vào với mức 10% khẩu phần.

Những nghiên cứu này rất khả quan về vai trò quan trọng của SCP trong ngành nuôi trồng thủy sản, vì một thành phần protein chất lượng cao khác có thể áp dụng trên nhiều loài và một số nghiên cứu cho thấy lợi ích sức khỏe khi bổ sung đối với cá và động vật có vỏ.

Kết luận

Một thách thức chính cho ngành nuôi trồng thủy sản là tìm nguồn cung ứng các thành phần protein cao một cách bền vững, có thể tái tạo. Việc sản xuất bột cá không thể phát triển theo sự phát triển của ngành nuôi trồng thủy sản và các chế độ ăn từ nguồn thực vật trên cạn thường thiếu EAAs so với nhu cầu của nhiều loài thủy sản và có thể chứa các hợp chất kháng dinh dưỡng như Acid phytic.

Các chế độ ăn protein dựa trên SCP có khả năng cung cấp cho ngành công nghiệp một thành phần thức ăn tái tạo bền vững để bù đắp cho sự thiếu hụt của thành phần có nguồn gốc thực vật và giảm nhu cầu bột cá trong thức ăn thủy sản. Từ lâu đã trở thành một công nghệ đầy hứa hẹn, SCP đang được sản xuất thương mại bởi một số công ty và thậm chí còn hứa hẹn hơn là dữ liệu cho ăn thử nghiệm kết quả khả quan ngày càng tăng trên các loài thủy sản quan trọng, bao gồm cá hồi và tôm. Những dữ liệu này cho thấy rõ ràng những tác động tích cực của việc đưa SCP vào chế độ ăn và tiềm năng của chúng là các sản phẩm được ứng dụng rộng rãi.

Mặc dù vẫn còn nhiều thách thức trong việc mở rộng quy mô, xử lý SCP và tính kinh tế của sản phẩm, nhưng tiến bộ trong nhiều năm qua để tìm ra các chủng mới, phát triển các quy trình mới và thử nghiệm thành công các loài thương mại quan trọng là rất đáng khích lệ đối với các sản phẩm SCP.

Nguồn: www.aquaculturealliance.org

Lược dịch: Trần Thị Thúy Quyên