Trước đây, các nhà khoa học tập trung nghiên cứu chiết tách và thu hồi chất màu (carotenoid), chất mùi (protein) từ phế liệu tôm bằng một số dung môi hữu cơ, axit, nhiệt, nước hay nước muối loãng. Để nâng cao chất lượng sản phẩm và có thể ứng dụng trong công nghệ thực phẩm, y dược và mỹ phẩm, các hợp chất trên được tách chiết bằng cách dùng dầu thực vật và các loại enzyme protease hoặc kết hợp các phương pháp chiết nhằm thu hồi cả carotenoid và protein. Tuy nhiên, protein và carotenoid nhanh chóng bị hư hỏng hoặc bị oxy hóa khi ở dạng tự do sau tách chiết, trong khi ở dạng phức hợp lại bền và ổn định hơn.

1.  Phương pháp tách chiết chế phẩm caroten-protein từ phế liệu tôm

1.1. Tách chiết chế phẩm caroten-protein bằng phương pháp hóa học

Trong quá trình sản xuất chitin/chitosan các công đoạn xử lý đều sử dụng hóa chất tùy theo nguyên liệu, công nghệ và yêu cầu chất lượng của chitin/chitosan. Các loại axit hữu cơ thường dùng trong quá trình ủ xilo như axit lactic, acetic, formic, propionic... hoặc axit vô cơ như axit sunphuric, axit hydrochloric, axit phosphoric. Đây là phương pháp dễ dàng triển khai với quy mô lớn và có chi phí sản xuất tương đối thấp. Tuy nhiên, việc sử dụng hóa chất trong công nghệ sản xuất chitin, chitosan không những ảnh hưởng xấu đến chất lượng của chế phẩm caroten-protein thu được mà còn có thể gây ra ô nhiễm môi trường trầm trọng do hóa chất sau khi sử dụng được thải ra hoặc sẽ phải tiêu tốn chi phí để xử lý nước thải này.

Trong thực tế, phương pháp ủ xilô bằng các axit hữu cơ hoặc kết hợp axit hữu cơ với vô cơ vẫn được nghiên cứu và ứng dụng khá phổ biến để thu hồi chế phẩm dịch ủ xilô dùng cho sản xuất thức ăn chăn nuôi gia súc và thủy sản.

Tuy nhiên, sử dụng axit vô cơ để ủ xilô nhằm mục đích thu hồi chế phẩm caroten protein sẽ không cho sản phẩm có chất lượng cao so với phương pháp ủ xilô bằng axit hữu cơ hoặc lên men vi sinh (vi khuẩn), do các acid vô cơ có khả năng phân hủy một số carotenoid, đặc biệt là có khả năng gây biến tính protein. Như vậy, chế phẩm caroten-protein thu được sẽ có chất lượng thấp do lượng protein và carotenoid thu được thấp, đặc biệt ảnh hưởng rất lớn đến màu sắc của sản phẩm do carotenoid bị oxy hóa mạnh và chỉ phù hợp làm thức ăn chăn nuôi.  Hơn nữa, để sử dụng chế phẩm caroten-protein thu được từ quá trình ủ xilô bằng axit vô cơ cần phải được trung hòa chế biến thức ăn chăn nuôi.

1.2. Tách chiết chế phẩm caroten-protein bằng phương pháp sinh học

Để nâng cao chất lượng sản phẩm thu được, carotenoid được tách chiết và thu hồi trong phức hợp carotenoprotein nhằm giữ bền màu do liên kết giữa carotenoid và protein.

Hơn nữa, protein có trong phế liệu tôm có chất lượng dinh dưỡng khá cao, bao gồm đầy đủ các axit amin cần thiết. Do vậy, việc thu hồi chế phẩm bao gồm cả carotenoid và protein rất quan trọng trong ngành công nghệ thực phẩm và chăn nuôi.

So sánh khả năng tách chiết và thu hồi carotenoid có trong chế phẩm caroten-protein bằng phương pháp ủ xilô axit acetic và phương pháp kết hợp sử dụng dung dịch đệm Na3-EDTA và enzyme protease với mục đích sử dụng làm phẩm màu thực phẩm chức năng. Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu quả tách chiết chế phẩm caroten-protein cao nhờ phươn pháp kết hợp sử dụng Na3-EDTA và một loại enzyme protease sinh từ vi sinh vật (không ủ xilô bằng axit).

1.3. Tách chiết chế phẩm caroten-protein bằng phương pháp kết hợp

a. Phương pháp kết hợp hóa học và sinh học

Trong phế liệu tôm, chitin kết hợp chặt chẽ với protein, chất màu carotenoid và khoáng.

Trong đó, protein, chất màu carotenoid tồn tại dưới dạng phức chất carotenoprotein. Do vậy, trong quá trình sản xuất chitin/chitosan, việc thu hồi đồng thời carotenoid, protein và loại khoáng là một vấn đề đáng quan tâm. Nhân tố chính trong quy trình sản xuất chitin là các tác nhân khử khoáng (EDTA, HCl, nhiệt) và các tác nhân kết tủa (HCl, (NH₄)₂SO₄), nhiệt) có khả năng ảnh hưởng đến chất màu carotenoid. Vì vậy, nhằm nâng cao hiệu suất chiết caroten-protein và giữ được hoạt tính sinh học của chất màu carotenoid trong quá trình loại protein ra khỏi phế liệu tôm, các nhà khoa học kết hợp việc sử dụng hóa chất (axit vô cơ hay hữu cơ) và enzyme protease để xử lý.

b. Phương pháp sinh học kết hợp sử dụng hai enzyme protease

Khi thủy phân một protease, hiệu suất thường đạt không cao do enzyme đó chỉ mang một trong hai đặc tính hoặc là exoprotease hoặc là endoprotease và có tính đặc hiệu riêng.

Tuy nhiên, khi kết hợp hai enzyme sẽ nâng cao được hiệu suất thủy phân nhờ hiệu ứng cộng hưởng. Enzyme có bản chất endoprotease (Alcalase, Protamex, Neutrase...) sẽ thủy phân các liên kết peptide ở bên trong chuỗi polypeptid. Enzyme có tính exoprotease (Flavourzyme, Corolase LAP...) thì cắt các liên kết ở hai đầu tận cùng của chuỗi polypeptide.

Các exoprotease cắt ở đầu tận cùng có nhóm carboxyl được gọi là carboxylpeptidase, các exoprotease cắt ở đầu tận cùng có nhóm amin gọi là aminopeptidase.

2. Phương pháp thu hồi hỗn hợp caroten-protein từ phế liệu tôm

2.1. Phương pháp thu hồi bằng pH đẳng điện (pI)

Phương pháp này thường được sử dụng để kết tủa protein hoà tan trong dung dịch. Khi điện tích của protein bằng không (tại pH = pI), lớp vỏ hydrate bên ngoài bị phá vỡ, các phân tử protein tập hợp lại với nhau hình thành kết tủa. Sau đó, chúng có khả năng trở về dạng phân tử protein hoà tan mà vẫn giữ được hoạt tính sinh học và cấu trúc phân tử khi loại bỏ tác nhân gây kết tủa. Tuy nhiên, hiệu quả kinh tế của phương pháp này không cao do thời gian kết tủa lâu, hiệu suất thu hồi thấp và chi phí cao.

2.2. Phương pháp thu hồi bằng xử lý nhiệt

Phương pháp này cho phép thu hồi kết tủa triệt để trong thời gian ngắn và ít gây ô nhiễm môi trường, tuy nhiên chi phí năng lượng cho quá trình gia nhiệt cao. Tuỳ thuộc từng loại protein, nhiệt độ biến tính, cường độ và thời gian khác nhau sẽ quyết định mức độ biến tính và hiệu quả thu hồi. Khi nhiệt độ tăng thì mức độ biến tính tăng. Tuy nhiên, khi gia nhiệt ở điểm đẳng điện (pI) thì tủa kết protein lại nhanh hơn.

2.3. Phương pháp thu hồi bằng polyme (chitosan)

Chitosan là một chất keo tụ, tạo bông tốt và ứng dụng có hiệu quả trong việc thu hồi các chất  hữu  cơ  trong  nước,  đặc  biệt  là  protein. Phân tử chitosan cũng có khả năng hấp phụ, tạo cầu nối để liên kết các hạt keo protein đã kết tủa thành các phân tử có kích thước lớn hơn và lắng xuống. Chitosan có độ deacetyl hóa càng cao thì càng thuận lợi  để  thu  hồi protein hòa tan hơn. Lưu ý, khi nồng độ chitosan tăng, số điện cùng dấu trên bề mặt của phân tử protein tăng lên, dẫn đến sự tăng lực đẩy tĩnh điện giữa chúng do đó cản trở quá trình keo tụ và sa lắng của các phân tử protein. Phương pháp này có nhiều ưu điểm như không gây biến tính, không độc hại, hàm lượng sử dụng chitosan không lớn nhưng hiệu quả thu nhận caroten-protein lại cao.

3. Tiềm năng ứng dụng

Trước đây, chế phẩm caroten-protein được thu hồi và chế biến thức ăn chăn nuôi. Hiện nay, chế phẩm caroten-protein ngày càng được quan tâm sử dụng trong thực phẩm, đặc biệt trong chế biến thực phẩm chức năng. Thành phần dinh dưỡng trong chế phẩm caroten-protein như carotenoid, protein mạch ngắn (peptid), các axit amin góp phần tạo màu và mùi trong công nghệ chế biến thực phẩm.

Trong đó, carotenoid sau khi được tinh chế có hoạt tính chống oxy hóa tốt nên được ứng dụng nhiều trong ngành y dược và mỹ phẩm. Ngoài ra, carotenoid cũng được dùng trong công nghiệp thực phẩm do chúng có khả năng chống oxy hóa, kích thích hệ thống miễn dịch, kích thích tăng khả năng sinh trưởng và sinh sản. Nó còn có thể giúp làm giảm stress và ngăn ngừa một số bệnh thoái hóa cơ thể như chứng xơ vữa động mạch, ung thư và các bệnh về mắt.

Protein cũng là một chất dinh dưỡng tốt cần được quan tâm thu hồi. Hơn nữa, carotenoid và protein nằm trong phức carotenoprotein sẽ bền vững hơn so với dạng đơn lẻ. Chế phẩm caroten-protein được sử dụng bổ sung vào hỗn hợp thức ăn cho cá hồi hấp dẫn và tốt hơn so với việc chỉ sử dụng carotenoid tự do.

Phương pháp hóa học tuy cho phép tách chiết triệt để lượng protein nhưng lại làm biến màu carotenoid và chất thải hóa học của quá trình thu hồi gây ô nhiễm môi trường. Phương pháp sinh học cho sản phẩm thu hồi protein và carotenoid trong phức hợp carotenoprotein nên rất bền màu nhưng hiệu suất thu hồi chế phẩm thấp hơn và giá thành cao do sử dụng enzyme. Để nâng cao chất lượng chế phẩm caroten-protein từ phế liệu tôm thu hồi có hoạt tính sinh học và hiệu suất thu cao, tùy mục đích ứng dụng sản phẩm thu hồi chúng ta có thể lựa chọn phương pháp xử lý sinh học sử dụng đơn hay kết hợp hai enzyme có bản chất endo- và exo-protease hay kết hợp phương pháp xử lý hóa học và sinh học nhằm mục đích tăng khả năng  thu  hồi  sản  phẩm  với  chất  lượng  cao, giảm thiểu sự hư hỏng các hoạt chất sinh học và ô nhiễm môi trường. Phương pháp kết hợp hóa học và sinh học hoặc kết hợp hai protease có bản chất endo- và exo- có thể cải thiện được nhược điểm so với từng phương pháp xử lý đơn lẻ. Chế phẩm caroten-protein được tách chiết bằng các phương pháp kết hợp có chất lượng cao, có thể ứng dụng trong công nghệ sản xuất thức ăn chăn nuôi, công nghệ chế biến thực phẩm, y dược và mỹ phẩm.