Tóm tắt luận án Nghiên cứu công nghệ sản xuất thức ăn công nghiệp cho cá mú chấm cam (Epinephelus coioides) nuôi thương phẩm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ---------------------------- Nguyễn Văn Nguyện NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THỨC ĂN CÔNG NGHIỆP CHO CÁ MÚ CHẤM CAM (Epinephelus coioides) NUÔI THƯƠNG PHẨM Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm đại cương Mã số: 2.11.01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Tp. Hồ Chí Minh - Năm 2011 Công trình được hoàn thành tại Khoa kỹ thuật hóa học, Trường Đại Học Bách Khoa Tp. HCM Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TSKH. Lê Xuân Hải 2. TS. Nguyễn Văn Hảo Cán bộ phản biện độc lập: 1. GS.TS. Hoàng Đình Hòa 2. GS.TS. Trần Thị Luyến Phản biện 1: PGS.TS. Nguyễn Thanh Phương Phản biện 2: GS.TS. Hoàng Đình Hòa Phản biện 3: PGS.TS. Hoàng Tùng Luận án sẽ được bảo vệä trước Hội đồng chấm luận án cấp Nhà nước tổ chức tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Vào hồi ..giờ.ngày tháng ..năm 2011 Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: - Thư viện Đại Học Quốc Gia - Thư viện Trường Đại Học Bách Khoa - Thư Viện Viện Nghiên Cứu Nuôi Trồng Thủy Sản 2 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Một trong những đối tượng cá biển có giá trị kinh tế cao đã và đang được phát triển nuôi ở nước ta trong những năm qua là cá mú chấm cam (E.coioides). Tuy nhiên, thực trạng cho thấy rằng cá tạp hiện đang là nguồn thức ăn chủ yếu cho cá và đây chính là nguyên nhân của hàng loạt các hệ lụy phát sinh làm giảm hiệu quả nuôi và tác động ô nhiễm môi trường. Vì vậy, việc nghiên cứu công nghệ sản xuất thức ăn là vấn đề cấp thiết, mang tính thời sự đối với việc phát triển nuôi loài cá này. 2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài Mục tiêu chính của đề tài là xây dựng công nghệ sản xuất thức ăn công nghiệp cho cá mú chấm cam ở Việt Nam phù hợp với thực trạng, qui mô và xu thế phát triển theo hướng hiệu quả- bền vững với các mục tiêu cơ bản của công trình bao gồm: ƒ Xây dựng được công nghệ sản xuất thức ăn nuôi cá mú chấm cam phù hợp với thực trạng, qui mô và điều kiện của VN trên cơ sở nghiên cứu về sinh học và khả năng tiêu hóa của cá. ƒ Tạo được viên thức ăn nuôi cá mú chấm cam đảm bảo cá phát triển tốt, tỉ lệ sống cao và hệ số tiêu tốn thức ăn thấp. Các nội dung nghiên cứu đã được tiến hành như sau: ƒ Nghiên cứu đặc điểm sinh học của cá mú chấm cam và đặc tính lý, hóa của nguyên liệu làm cơ sở xây dựng công thức thức ăn. ƒ Nghiên cứu xây dựng công thức thức ăn nuôi cá mú chấm cam. ƒ Nghiên cứu qui trình và chế độ công nghệ tạo viên thức ăn nuôi cá mú chấm cam. ƒ Nuôi khảo nghiệm, đánh giá hiệu quả thức ăn. Tính mới, ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của luận án như sau: Các điểm mới của luận án 1. Lần đầu tiên đã ứng dụng phương pháp vùng cấm để giải bài toán tối ưu đa mục tiêu trong xây dựng công thức thức ăn cho cá 2 mú chấm cam đáp ứng nhu cầu dinh dưỡng và có giá thành hợp lý. 2. Xác định được chế độ công nghệ ép đùn tối ưu cho phép tạo được viên thức ăn có tốc độ chìm chậm, độ bền trong nước phù hợp với tập tính, thói quen ăn của cá. Ý nghĩa khoa học 1. Giải bài toán tối ưu đa mục tiêu một cách chuẩn xác và chặt chẽ về phương diện toán học, cho phép thiết lập cơ sở khoa học về sinh học, toán học để thiết lập công thức thức ăn nuôi cá mú chấm cam nói riêng và vật nuôi thủy sản nói chung. 2. Khai thác, xử lý và vận dụng triệt để phương pháp mô hình hóa toán học, mô phỏng, tối ưu hóa đa mục tiêu với chuẩn tối ưu tổ hợp R trong việc nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ công nghệ ép đùn đến đặc tính vật lý của viên thức ăn, cho phép kiểm soát và nâng cao chất lượng viên thức ăn nuôi cá. Ý nghĩa thực tiễn 1. Xây dựng được công nghệ sản xuất thức ăn nuôi cá mú chấm cam phù hợp với thực trạng, qui mô và điều kiện phát triển nuôi cá mú ở nước ta. 2. Chủ động hoàn toàn trong việc xây dựng công thức thức ăn và tạo được thức ăn công nghiệp dạng viên phù hợp với sự phát triển của cá mú chấm cam. Đồng thời có thể mở rộng việc áp dụng kết quả nghiên cứu cho các đối tượng cá biển nuôi khác. Luận án đã giải quyết khá toàn diện vấn đề sản xuất thức ăn trên cơ sở khoa học về sinh học, tiêu hóa của cá, kết hợp với bài toán xây dựng công thức thức ăn và tối ưu hóa công nghệ sản xuất. Luận án được trình bày trong 116 trang bao gồm Mở đầu- 04 trang, Chương 1- Tổng quan tài liệu: 33 trang; Chương 2- Vật liệu và phương pháp nghiên cứu: 15 trang; Chương 3 - Kết quả va thảo luận: 62 trang, Kết luận và kiến nghị: 02 trang. Danh mục các công trình, tài liệu tham khảo tiếng Việt, Anh, Nga gồm 14 trang và các phụ lục. 3 Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU Cá mú chấm cam (E.coioides) thuộc họ Serranidae, họ phụ Epinephelus, tên khoa học là Epinephelus coioides. Các nghiên cứu cho rằng cá mú chấm cam giống có nhu cầu protein từ 44 - 47%, nhu cầu carbohydrate từ 16 -28%, lipid từ 8 -10% và năng lượng khoảng 3700 - 4100 kcal/g. Đối với hầu hết các động vật thì các đặc tính vật lý, cảm quan của thức ăn tác động trực tiếp đến các cơ quan phản ứng tiếp nhận thức ăn như thị giác, thính giác và vị giác. Những yếu tố tác động đến việc nhận biết thức ăn của thủy sản như kích thước viên, sự chuyển động, hình dạng, màu sắc, sự tương phản và chất hấp dẫn, mùi vị. Thành phần nguyên liệu và chế độ công nghệ, kỹ thuật chế biến là những yếu tố quyết định đến các đặc tính chất lượng của thức ăn. Đặc tính lý, hóa của nguyên liệu và khả năng tiêu hóa của đối tượng nuôi là những dữ liệu rất quan trọng dùng làm cơ sở cho việc xác định, lựa chọn nguyên liệu trong xây dựng công thức thức ăn vật nuôi. Các tác giả khác nhau cho rằng công thức thức ăn phải được xây dựng sao cho thức ăn phải đáp ứng được nhu cầu dinh dưỡng của cá và có giá thành hợp lý. Qui trình sản xuất thức ăn vật nuôi thủy sản bao gồm một số các thiết bị để sản xuất nhiều loại thức ăn khác nhau bao gồm các thiết bị cơ bản như máy nghiền nguyên liệu, thiết bị trộn, thiết bị chuyển tải, tạo viên, sấy hoặc làm nguội, phun dầu, máy cắt viên và lò hơi. Quá trình tạo viên là một trong những công đoạn then chốt, quyết định đến các đặc tính chất lượng của sản phẩm. Trong đó, dung trọng và độ bền trong nước của viên thức ăn có ý nghĩa quyết định đến việc sử dụng thức ăn của cá và hiệu quả nuôi cá. 4 Chương 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 2.1. Vật liệu và thiết bị nghiên cứu Cá mú chấm cam dùng để xác định đặc điểm sinh hóa, đánh giá hiệu quả sử dụng thức ăn là cá giống cỡ từ 8-12 g/con và 50 - 75 g/con. Cá mú chấm cam giống được sản xuất và nuôi thử nghiệm tại Trung Tâm Giống Hải Sản Nam Bộ - Vũng Tàu. Nguyên liệu sử dụng trong nghiên cứu là các loại bột cá trong và ngoài nước có hàm lượng protein từ 55 - 65%, bã nành Ấn Độ, Agentina có hàm lượng protein từ 43- 47%, bột mì, cám gạo, dầu gan mực, vitamin và khoáng chất, các nguyên liệu đạt tiêu chuẩn TCVN- TCN.865, 984: 2006. Tạo viên thức ăn bằng thiết bị ép đùn một trục vít, thiết bị có cấu tạo gồm phễu cấp liệu, vít phễu cấp liệu, ống dẫn, trục vít, khuôn ép và dao cắt viên thức ăn. 2.2. Phương pháp nghiên cứu Phân tích và xác định đặc tính lý, hóa của nguyên liệu và thức ăn bằng các phương pháp phân tích lý, hóa phổ biến. Phát hiện hoạt tính enzyme tiêu hóa bằng điện di SDS-PAGE và xác định hoạt tính protease, amylase bằng các phương pháp đo mật độ quang. Dựa vào tỉ lệ acid amin trong cơ thịt cá, xác định nhu cầu các acid amin thiết yếu (EAAs) và tyrosine, cystine trong thức ăn bằng phương pháp Wilson & Cowey (1985). Sử dụng phương pháp luận tiếp cận hệ thống để phân tích hệ thống ép đùn tạo viên thức ăn, các yếu tố tác động đến các hàm mục tiêu (HMT) dung trọng và độ bền trong nước của viên thức ăn là độ ẩm vật liệu M (%), tốc độ cấp liệu F (%), nhiệt độ vùng ép T (oC) và chiều cao viên H (mm). Xác định dung trọng theo phương pháp đo khối lượng thức ăn trên một đơn vị thể tích (Harper, 1979); độ bền trong nước của 5 viên thức ăn được xác định theo phương pháp 28TCN 102:2004. Mô hình hóa toán học quá trình ép đùn tạo viên trên cơ sở ma trận qui hoạch tối ưu D, sử dụng phương pháp vùng cấm để tối ưu hóa đa mục tiêu xây dựng công thức thức ăn (CTTA) và xác định chế độ công nghệ ép đùn. Phương pháp vùng cấm cho rằng giả sử các HMT thành phần là bài toán cực tiểu, thì điều kiện ràng buộc có dạng: Ij(Z) < Cj , j = 1÷m (2.5) Các ràng buộc (2.5) tạo thành vùng cấm C = { Ij(Z) > Cj } đối với HMT I(Z), BTTƯ đa mục tiêu được thực hiện với chuẩn tối ưu tổ hợp R(Z): R(Z) = r1(Z).r2(Z)...rm(Z) = )( 1 Zrj m j ∏ = (2.6) Với rj(Z) = [Cj – Ij(Z)] / [Cj - Ijmin] khi Ij(Z) < Cj (2.7) và rj(Z) = 0 khi Ij(Z) > Cj (2.8) BTTƯ đa mục tiêu được xác định theo hướng HMT R(Z) đạt giá trị cực đại: Rmax = R(ZR) = maxR(Z) = max [ )( 1 Zrj m j ∏ = ] (2.9) Z = { Zi } = (Z1, Z2 , , Zn ) Є ΩZ . Nghiệm tối ưu ZR là một nghiệm paréto-tối ưu với hiệu quả paréto-tối ưu IP,R = (I1P,R, I2P,R, ..,ImP,R) xa vùng cấm C nhất. Nuôi đánh giá hiệu quả thức ăn thông qua đánh giá các chỉ tiêu môi trường, tăng trưởng, tỉ lệ sống của cá và hệ số chuyển đổi thức ăn (FCR). Thí nghiệm được bố trí ngẫu nhiên với 02 nghiệm thức (NT) thức ăn bao gồm thức ăn FON và đối chứng UP, lặp lại 04 lần cho mỗi NT. Cá giống (8-12 g/con) được thả với mật độ 25 con/bể trong 8 bể composite (0,5 m3/bể). Thời gian nuôi thử nghiệm là 60 ngày. 6 Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Nghiên cứu đặc điểm sinh học của cá mú chấm cam và đặc tính lý, hóa của nguyên liệu làm cơ sở xây dựng công thức thức ăn 3.1.1. Đặc điểm sinh học của cá mú chấm cam 3.1.1.1. Đặc điểm về thành phần khối lượng: Đối với cá có khối lượng thân khoảng từ 650 - 1100 g/con thì tỉ lệ phi lê/khối lượng thân cá có giá trị từ 0,34 - 0,42 và cá càng lớn thì tỉ lệ phi lê càng cao. 3.1.1.2. Thành phần hóa học: Số liệu phân tích thành phần hóa học cho thấy hàm lượng ẩm của cơ thịt cá xấp xỉ 78%. Đặc biệt hàm lượng lipid (1,51%), tro (1,27%) thấp, đồng thời thể hiện sự vượt trội của hàm lượng protein so với lipid và tro. 3.1.1.3. Thành phần acid amin của cá giống nguyên con: Số liệu phân tích a.a cho thấy, trong cơ thịt cá mú giống nguyên con có mặt hầu hết các a.a và chứa đầy đủ các acid amin thiết yếu. Các dữ liệu thu được là cơ sở cần thiết cho việc thiết lập hàm lượng các a.a thiết yếu có trong khẩu phần thức ăn cho cá. 3.1.1.4. Thành phần acid amin thiết yếu của cá giống: Số liệu phân tích a.a thiết yếu của cá giống nguyên con được mô tả ở bảng 3.3. Bảng 3.3. Thành phần EAAs của cá giống (% trong 100 g mẫu) Thành phần Cá giống nguyên con (*) Cá giống (50 g/con) Arginine 1,02 1,34 Histidine 0,43 0,60 Isoleucine 0,75 0,86 Leucine 1,75 1,54 Lysine 1,59 1,77 7 Methionine 0,62 0,72 Phenylalanine 0,87 0,82 Threonine 0,98 0,96 Tryptophan 0,03 0,13 Valine 0,65 0,93 (*) Millamena & Toledo (2004) Từ bảng 3.3 cho thấy cá mú giống chấm cam chứa đầy đủ các acid amin thiết yếu trong cơ thịt và có tỉ lệ (%) xấp xỉ và độ chênh lệch khá nhỏ với kết quả phân tích của Millamena & Toledo (2004). Sự khác biệt không nhiều về hàm lượng các EAAs là hoàn toàn phù hợp với khẳng định của Winson & Cowey (1985); Meyer & Fracalossi (2005) rằng thành phần các a.a trong cơ thể cá hầu như không thay đổi, hoặc thay đổi rất nhỏ trong cùng một loài cá. Với các kết quả phân tích về thành phần các EAAs được mô tả từ bảng 3.3 và thành phần tyrosin, cystine của cá mú giống chấm cam nguyên con, dựa vào phương pháp xác định thành phần EAAs có mặt trong cơ thể cá, thành phần EAAs và tyrosine, cystine của cá mú chấm cam được xác định và mô tả ở bảng 3.4. Bảng 3.4. Thành phần (%) EAAs và tyrosine, cystine Thành phần Cá mú Cá chép (*) Cá hồi (**) Arginine 12,56 11,60 12,30 Histidine 5,62 4,80 5,20 Isoleucine 8,06 7,50 8,00 Leucine 14,43 13,50 14,60 Lysine 16,59 16,80 16,90 Methionine 6,75 5,40 5,50 Phenylalanine 7,69 9,50 8,30 Threonine 9,00 10,60 9,20 Tryptophan 1,22 1,70 1,70 Tyrosine 7,22 6,50 6,60 Cystine 2,16 2,70 2,00 Valine 8,72 9,50 9,50 (*) cá chép (Cyprinus carpio); (**): cá hồi Atlantic (Salmo salar) 8 Kết quả nghiên cứu thành phần EAAs, tyrosine, cystine (bảng 3.4) của cá mú giống cho thấy các đại lượng này có giá trị xấp xỉ với kết quả nghiên cứu của Ogino (1980), Wilson & Cowey (1985) về thành phần EAAs, tyrosine và cystine của cá chép và cá hồi Atlantic. Dữ liệu về các EAAs là cơ sở quan trọng để xác định hàm lượng EAAs có trong thức ăn, đáp ứng nhu cầu a.a của cá. 3.1.1.5. Thành phần acid béo của cá: Số liệu phân tích acid béo được mô tả ở bảng 3.5. Bảng 3.5. Thành phần acid béo (% tổng acid béo) Stt Acid béo Cá giống (8-12 g) E.coioides Beville,Have (1982)** Tawfik, (2009)* 1 C12:0 0,23 - 0,75 2 C14:0 3,67 2,50 9,39 3 C15:0 0,16 - 2,74 4 C16:0 21,11 20,40 20,60 5 C16:1 5,15 5,10 10,66 6 C17:0 0,50 - 1,67 7 C18:0 6,67 6,50 9,68 8 C18:1 21,40 19,40 19,48 9 C18:2 16,73 1,30 4,91 10 C18:3 2,39 0,40 1,60 11 C20:0 0,32 - 0,44 12 C20:1 2,01 4,80 2,29 13 C20:4 1,23 3,60 2,05 14 C20:5 5,35 2,90 1,40 15 C22:0 0,80 - 0,00 16 C22:1 0,18 - 1,09 17 C22:5 0,48 4,00 1,14 18 C24:0 2,12 - 0,16 19 C22:6 8,83 17,20 4,48 (**): E. niveatus,100 g, (*): E.coioides, 57 g 9 Kết quả phân tích cho thấy cơ thịt cá chứa các acid béo no (SFA) với tỉ lệ 35,58%, acid béo không no (MUFA) 28,74%, acid béo cao không no (PUFA) 35,01% và acid béo (HUFA) 15,89%. Thành phần DHA>EPA và tỉ lệ DHA/EPA là 1,65. 3.1.1.6. Đặc điểm cấu tạo hệ tiêu hóa chính của cá mú chấm cam: Kết quả khảo sát và giải phẫu cơ thể cá cho thấy cá có hàm to, rộng và nhiều răng nhọn, cấu tạo hệ tiêu hóa chính của cá mú chấm cam bao gồm dạ dày, manh tràng, ruột. Từ đặc điểm hệ tiêu hóa chứng tỏ cá mú chấm cam là loại chuyên ăn mồi động vật. 3.1.1.7. Điện di phát hiện hoạt tính enzyme tiêu hóa Hình 3.2: Điện di manh tràng Dữ liệu (hình 3.2) thể hiện băng protein có khối lượng phân tử khoảng 25 - 35 kDa ở bản zymoprotein và 03 băng với khối lượng phân tử từ 24 - 45 kDa trên bản zymogram. 3.1.1.8. Hoạt tính enzyme ở các cơ quan tiêu hóa Bảng 3.4. Hoạt tính enzyme trong các cơ quan tiêu hoá Hoạt độ enzyme Cơ quan tiêu hóa α - amylase (U/mg protein) Pepsin (U/mg protein) Trypsin (U/mg protein) Chymo- trypsin (U/mg protein) Dạ dày - 45,10 ± 0,08 - - Manh tràng 0,35 ± 0,03 - - - Ruột 0,9 ± 0,02 - 10,32 ± 0,02 4,12 ± 0,03 (-): Không tìm thấy, số liệu thể hiện là giá trị trung bình và độ lệch chuẩn 1- Kích thước protein (marker). 2 - Băng protein (zymoprotein). 3- Băng enzyme (zymogram). 10 Kết quả phân tích phù hợp với nghiên cứu hoạt tính trypsin, chymotrypsin, pepsin trong cơ quan tiêu hóa của một số loài cá biển ăn thịt có manh tràng (Alarcon & cộng sự, 1998; Chong & cộng sự, 2004; Orhan & cộng sự, 2008). 3.1.2. Nguyên liệu trong sản xuất thức ăn vật nuôi thủy sản 3.1.2.1. Mô hình nguyên liệu trong sản xuất thức ăn vật nuôi thủy sản: Nguồn nguyên liệu (hình 3.3) trong sản xuất thức ăn vật nuôi được chia thành 05 nhóm cơ bản bao gồm: nhóm protein, nhóm carbohydrate, nhóm lipid, nhóm khoáng -vitamin vàø nhóm phụ gia, chất bổ sung. Hình 3.3. Mô hình nguyên liệu dùng trong sản xuất thức ăn vật nuôi 3.1.2.2. Đặc tính lý, hóa của một số nguyên liệu chính: Kết quả phân tích cho thấy các loại bột cá có hàm lượng protein từ 55 - 65%, độ ẩm 7,35 - 9,82%, béo thô 6,02 -8,04%, tro thô 16,9 - 24,38%, xơ thô 1,1 - 1,61%. Bã nành có protein từ 41,37 - 46,53%, lipid từ 1,0 -1,86%, tro từ 6,3 -8,08% và ẩm từ 8,7 - 10,61%, dẫn xuất không đạm (NFE) từ 28,53 -34,36%, xơ thô từ 4,95 - 6,47%. Bột cá Peru 65%, bã nành Ấn Độ 43% là những nguyên liệu cung cấp protein chính được sử dụng. Bột mì là nguyên liệu giàu NFE 72,80%, có protein 11,70% và còn có vai trò như là chất kết dính. Chất béo được lựa chọn là dầu gan mực, lecithin, các phụ gia bao gồm premix vitamin-khoáng, di-calcium phosphate và các chất chống oxy hóa, chống mốc. NL CUNG CẤP Carbohydrate VITAMIN, KHOÁNG NL CUNG CẤP PROTEIN CHẤT BỔ SUNG, PHỤ GIA: Ezymes. Probiotic Hấp dẫn. Kết dính. Tạo màu THỨC ĂN NL Lipid 11 3.1.3. Khả năng tiêu hoá biểu kiến của cá mú chấm cam: Khả năng tiêu hóa protein (ACPD) và chất khô (ADMD) biểu kiến của cá mú chấm cam đối với 05 nghiệm thức (NT) thức ăn được thể hiện ở bảng 3.13. Bảng 3.13. Tiêu hóa ACPD và ADMD (%) Kết quả nghiên cứu tiêu hóa in vivo đối với một số NT thức ăn có hàm lượng protein từ 37 - 46% khá cao với ACPD từ 84 - 91,46% và ADMD từ 51,57 - 72,79%. Đồng thời có thể khẳng định rằng chất lượng, loại, tỉ lệ, thành phần nguyên liệu trong khẩu phần thức ăn có vai trò rất quan trọng ảnh hưởng đến khả năng hấp thu, tiêu hóa của cá mú chấm cam. 3.2. Nghiên cứu xây dựng công thức thức ăn nuôi cá mú chấm cam 3.2.1. Lựa chọn nguyên liệu Từ các kết quả nghiên cứu về đặc điểm sinh học của cá, mô hình nguyên liệu trong sản xuất thức ăn và các đặc tính lý, hóa của nguyên liệu Các nguyên liệu được lựa chọn để xây dựng CTTA được mô tả ở bảng 3.14. Loại thức ăn ACPD (%) ADMD (%) NT1 86,78 ± 1,02a 64,50 ± 4,55a NT2 84,00 ± 1,11b 51,57 ± 4,45b NT3 91,46 ± 1,28c 76,06 ± 1,19c NT4 88,98 ± 0,32d 72,79 ± 1,76d NT5 89,02 ± 0,80e 72,57 ± 0,41e 12 Bảng 3.14. Thành phần nguyên liệu trong CTTA 3.2.2. Thiết lập hàm mục tiêu cho bài toán tối ưu hóa CTTA Các hàm mục tiêu (HMT) được xác định là hàm lượng protein (Y1), hàm lượng lipid (Y2), hàm lượng NFE (Y3) và chi phí của các nguyên liệu (Y4)