Cơ chế lên men nước mắm: Vai trò của enzyme & vi sinh vật

Quá trình lên men nước mắm là một hệ thống sinh hóa phức tạp, diễn ra trong điều kiện mặn cao, với sự tham gia đồng thời của enzyme và vi sinh vật. Điều kiện hoạt động của enzyme và vi sinh vật trong thời gian ủ chượp đóng vai trò then chốt quyết định hương vị và chất lượng nước mắm thành phẩm.

1. Cơ chế quá trình lên men nước mắm

Nước mắm được sản xuất thông qua quá trình lên men kéo dài từ 3 đến 12 tháng, trong đó cá và muối được trộn đều với tỷ lệ nhất định. Sau thời gian lên men, một chất lỏng chứa dịch chiết từ cá sẽ được thu nhận trong các bể lên men – chất lỏng đó là nước mắm.

Cơ chế của quá trình sản xuất nước mắm là quá trình thủy phân thịt cá từ phân tử protein thành các dạng trung gian như pepton, polypeptide, peptit và cuối cùng là axit amin. Bên cạnh quá trình đạm phân (phân giải protein), quá trình phân giải đường và chất béo cũng diễn ra đồng thời, hình thành các axit hữu cơ và rượu tạo nên hương vị đặc trưng cho sản phẩm nước mắm.

Trong quá trình lên men nước mắm, mô cá bị thủy phân dần dần, cho thấy hoạt động của các enzyme phân giải protein (proteolytic enzymes). Các enzyme chịu trách nhiệm cho sự phân hủy protein này có thể là enzyme nội sinh của cá – xuất phát từ nội tạng – hoặc enzyme của vi sinh vật đã tồn tại sẵn trên hoặc trong cá trước giai đoạn muối.

2. Hoạt động của enzyme thuỷ phân cá trong quá trình lên men nước mắm

Cơ chế phân giải của enzyme protease trong sản xuất nước mắm

Các enzyme nội sinh của cá thường bắt nguồn từ ống tiêu hóa, cơ quan nội tạng hoặc mô cơ. Enzyme nội sinh của cá vẫn được nhận định là yếu tố chính, thậm chí có thể là duy nhất, tham gia vào quá trình thủy phân protein cá trong sản xuất nước mắm, đặc biệt là những ngày đầu của quá trình lên men. Ngoài ra, enzyme từ vi sinh vật có thể tham gia vào giai đoạn sau của quá trình lên men.

Hệ enzyme protease nội sinh có trong mô và nội tạng của cá cơm bắt đầu từ quá trình phân hủy protein cơ. Quá trình này dẫn đến sự giải phóng các axit amin, bao gồm axit glutamic và axit aspartic, là những chất đóng góp đáng kể vào hương vị umami. Các axit nucleic cũng bị phân hủy thành các phân tử tăng cường hương vị như inosine monophosphate và guanosine monophosphate.

Enzyme nội bào cathepsin C được cho là có đóng góp vào quá trình phân giải protein và hình thành hương vị thơm ngon đặc trưng của nước mắm.

Các hệ enzyme trong quá trình lên men nước mắm

Tùy thuộc vào các giai đoạn trong quá trình lên men nước mắm, enzyme protease nội sinh gồm các nhóm khác nhau và giữ vai trò tương ứng.

• Hệ men Metalo-protease: còn gọi là aminopeptidase hay Apaza tồn tại nhiều trong nội tạng cá, chịu được nồng độ muối cao nên ngay từ đầu đã hoạt động rất mạnh và giảm dần. Nhóm aminopeptidase có khả năng thủy phân nhiều cơ chất peptit và hoạt động trong môi trường trung tính.

• Hệ men serin – protease: điển hình là tripsin, tồn tại nhiều trong nội tạng cá, nhất là trong tụy tạng. Ở giai đoạn đầu của quá trình chế biến, tripsin có tồn tại trong nước bổi nhưng hoạt động yếu ớt. Từ tháng thứ 2 trở đi, hoạt tính của tripsin tăng dần và đạt cực đại ở tháng thứ 3, sau đó giảm dần cho tới khi chượp chín. Serin- protease thủy phân mạnh đối với casein, các protein hòa tan (endogenous protein) và hemoglobin.

• Hệ enzyme axit protease: được tìm thấy nhiều trong thịt và nội tạng cá. Đại diện cho hệ này là Cathepsin D. Hệ men này tồn tại trong giai đoạn ngắn của đầu thời kỳ thủy phân (nước bổi), khoảng 24 giờ sau hoạt tính của chúng mất dần. Hệ men này thủy phân protein rất mạnh nhưng bị ức chế bởi nồng độ muối cao, chỉ 5% muối sau 12 giờ có thể dẫn đến mất hoạt lực. Vì vậy nó đóng vai trò hạn chế trong quá trình chế biến nước mắm.

Quá trình hình thành nước mắm trong điều kiện ủ chượp tự nhiên được thể hiện tóm tắt ở hình dưới đây:

3. Hoạt động của vi sinh vật trong quá trình sản xuất nước mắm

Vi sinh vật có mặt ngay từ đầu quá trình chế biến nước mắm do nguyên liệu, dụng cụ mang theo và từ môi trường nhiễm vào, nhưng chúng không thể hoạt động do nồng độ muối quá cao. Tuy nhiên, một số vi sinh vật gây thối có khả năng hoạt động trong giai đoạn ngắn đầu tiên khi muối chưa kịp có tác dụng.

Với sự hình thành của nước bổi, độ mặn tăng dần. Khi muối đạt từ 12% trở lên, các vi khuẩn gây thối hầu như ngừng hoạt động và các vi khuẩn khác cũng bị ức chế cao độ. Như vậy, trong quá trình lên men nước mắm, sự tham gia của vi sinh vật vào quá trình thủy phân protein tương đối yếu, nhưng nó lại có vai trò quan trọng trong quá trình hình thành mùi vị nước mắm.

Trong môi trường có nồng độ muối cao, các vi khuẩn chịu mặn (halophilic và halotolerant) phát triển mạnh mẽ và tiếp tục quá trình hóa lỏng cá. Có sự thay đổi tuần tự của các quần thể vi sinh vật, ban đầu là sự thống trị của Staphylococcus, sau đó là sự gia tăng của các vi khuẩn ưa muối như Tetragenococcus halophilus.

Vi khuẩn lactic (LAB) cũng đóng vai trò trong quá trình lên men nước mắm và có khả năng sản xuất biogenic amine. Nhiều loại vi khuẩn khác nhau (ví dụ: Bacillus, Micrococcus, Lactobacillus, Pseudomonas, Carnobacterium, Lentibacillus) đóng góp vào các thay đổi sinh hóa và sự phát triển hương vị.  

Đọc thêm bài viết liên quan: 04 Phương pháp chế biến nước mắm truyền thống.

4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men nước mắm

Quá trình lên men nước mắm cần được điều chỉnh để tạo điều kiện hoạt động thuận lợi cho các enzyme phân giải protein. Các yếu tố then chốt ảnh hưởng đến quá trình chế biến nước mắm bao gồm: Nguyên liệu cá, muối, diện tích tiếp xúc, nhiệt độ, pH và thời gian ủ chượp. Hiểu rõ cơ chế lên men nước mắm giúp người sản xuất điều chỉnh quy trình để tạo ra các sản phẩm nước mắm chất lượng cao.

4.1. Ảnh hưởng của tính chất nguyên liệu cá

Tùy thuộc vào từng loại cá khác nhau mà sẽ cho những loại nước mắm có chất lượng khác nhau. Các loại cá khác nhau sẽ có thành phần hóa học và cấu trúc khác nhau, nhất là hệ enzyme nội tại trong cá khác nhau.

Cá tươi là nguồn nguyên liệu tốt nhất để chế biến nước mắm. Đạm axit amin trong nước mắm là kết quả của sự phân giải protein thịt cá. Vì thế, lựa chọn những loại có có thành phần protein cao, ít nước, chế biến ra nước mắm cho lượng đạm cao.

Về kết cấu tổ chức thịt cá, những loại cá có kết cấu lỏng lẻo, cơ thịt mềm, mỏng mình, ít vảy dễ lên men và chượp mau chín hơn. Những loài cá béo có nhiều mỡ không thích hợp để chế biến nước mắm. Khi chế biến chượp, mỡ thường nổi lên trên bề mặt dễ bị oxy hóa làm cho nước mắm có mùi hôi khét khó chịu.

4.2. Ảnh hưởng của lượng muối

Muối làm nguyên liệu sản xuất nước mắm là muối ăn (NaCl). Muối có tác dụng kìm hãm sự hoạt động của enzyme và vi sinh vật. Trong lên men nước mắm, ta sử dụng muối để khống chế hoạt động của vi sinh vật gây thối rữa; khả năng chịu muối của enzyme thủy phân tốt hơn vi sinh vật nên ở độ mặn thích hợp enzyme vẫn có khả năng hoạt động và thực hiện thủy phân protein.

Muối dùng trong sản xuất nước mắm và ướp muối cá là muối ăn và độ tinh khiết cao. Nếu muối ăn chứa các muối khác như CaCl2, MgCl2, KCl,… đều ảnh hưởng đến tốc độ hòa tan và tính thẩm thấu của NaCl vào cá. Đặc biệt nó làm cho sản phẩm có vị đắng chát. Trong chế biến nước mắm phải sử dụng muối cũ, tức là muối được bảo quản càng lâu càng tốt.

Trong chế biến chượp, có sự thẩm thấu của muối vào cơ thể cá và sự di chuyển của nước từ cơ thể cá ra bên ngoài tạo thành nước bổi.

NaCl là muối trung tính, nếu lượng muối cho vào đạt đến độ bão hòa (358 g/lít ở 20 độ C) sớm thì không những protide cá khó được hòa tan mà ngay cả những protide dạng hòa tan trong dung dịch cũng có khả năng bị kết tủa. Protease thủy phân protit thành các thành phần đơn giản: albumose, pepton, polypeptide và axit amin tự do. Các chất này không bị kết tủa bởi muối NaCl bão hòa nên nồng độ đạm tổng trong nước chượp vẫn tăng dần.

Để đảm bảo chượp chín nhanh chóng và có chất lượng cao thì cần xác xác định lượng muối tổng cộng thích hợp và độ mặn nên vừa phải. Thông thường, tỷ lệ muối tinh khiết được sử dụng cho lên men nước mắm là 22-25%. Cần lưu ý thêm về số lần cho muối, tỷ lệ muối mỗi lần bổ sung và thời gian giữa mỗi lần cho muối bao lâu là thích hợp nhất.

4.3. Ảnh hưởng của diện tích tiếp xúc

Trong quá trình lên men nước mắm, một trong những yếu tố quan trọng thúc đẩy quá trình chín của chượp là tăng diện tích tiếp xúc. Việc sử dụng các tác dụng cơ học như xay nhỏ, đập dập, cắt khúc, đánh khuấy,… làm cho enzyme tập trung ở nội tạng phân bố đều toàn bộ chượp.

Mặt khác do tác dụng cơ học sẽ làm cho một số tế bào bị vỡ màng nguyên sinh chất, các tế bào sẽ hòa tan và khuyếch tán vào nước bổi, cơ thịt cá sẽ mềm ra, kết cấu tổ chức của cơ thịt lỏng lẻo hơn, do đó quá trình thủy phân sẽ tăng nhanh chương chóng chín hơn.

4.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên men nước mắm

Nhiệt độ là yếu tố rất quan trọng để phát huy tác dụng tích cực của các loại enzyme, từ đó rút ngắn thời gian lên men nước mắm. Trong quá trình chế biến nước mắm, khi nhiệt độ tăng thì vận tốc phản ứng enzyme sẽ tăng, nhưng enzyme mang bản chất protein nên sẽ không chịu được nhiệt độ quá cao (> 70°C). Trong phạm vi nhiệt độ thích hợp, nếu cứ tăng 10°C, thì tốc độ thủy phân enzyme tăng 1,5 – 2 lần.

Nhiệt độ thủy phân thích hợp nhất cho các enzyme khi chế biến chượp là từ 45-50°C. Nếu nhiệt độ dưới 37°C, tác dụng của enyzme giảm rõ rệt. Điều này giải thích lý do tại sao về mùa đông, thời gian chín của chượp bị kéo dài.

4.5. Ảnh hưởng của pH

Enzyme rất nhạy cảm với độ pH của môi trường. Mỗi enzyme chỉ hoạt động mạnh ở độ pH xác định. Hai loại enzyme chính là pepsin và tripsin là 2 enzyme quan trọng trong quá trình thủy phân thịt cá.

Pepsin hoạt động mạnh nhất ở 40-50°C, giảm hoạt độ đến 56°C và mất hoạt độ trên 56°C. Môi trường pH 1,5 -2,2 tạo điều kiện hoạt động tốt cho pepsin. Môi trường muối mặn và môi trường kiềm ức chế sự hoạt động của enzyme này.

Tripsin giữ vai trò quan trọng nhất, có khả năng hoạt động mạnh ở pH 8-9 và 40-50°C, bị phá hủy ở 70°C. Do đó, quá trình chế biến nước mắm cần phải tạo điều kiện cho tripsin hoạt động mạnh ở giai đoạn đầu. Trong điều kiện tự nhiên thì tripsin hoạt động mạnh ở giai đoạn giữa quá trình chế biến.

Chượp chế biến bằng phương pháp tự nhiên có môi trường pH 5,5 – 6,5, tuy không ưu tiên phát triển enzyme nào nhưng cả 2 loại enzyme chính pepsin và tripsin đều phát triển được. Mặt khác lại có tác dụng ức chế một phần sự hoạt động của vi sinh vật. Do vậy, khi chế biến chượp lên men nước mắm, ta không phải xét đến môi trường hoạt động của enzyme vì môi trường tự nhiên là ưu việt hơn cả.

4.6. Ảnh hưởng của thời gian ủ chượp

Nếu thời gian lên men nước mắm quá ngắn, protein chưa được phân giải đầy đủ, nước mắm kém đậm đà; nếu quá dài, lượng acid amin có thể bị chuyển hóa thành các amin có mùi không mong muốn. Do đó, kiểm soát thời gian ủ chượp phù hợp (thường 6–12 tháng) là rất quan trọng để cân bằng giữa quá trình phân giải protein và quá trình tạo hương cho nước mắm.

5. Ứng dụng enzyme và vi sinh vật trong công nghệ sản xuất nước mắm

Việc cải thiện chất lượng và rút ngắn thời gian lên men có thể được thực hiện bằng cách ứng dụng enzyme tự nhiên trong quá trình sản xuất nước mắm như: enzyme từ thực vật như Papain từ đu đủ, Bromelain từ dứa,…; enzyme lấy từ nội tạng gia súc hay của cá như Pepsin, Trypsin và chymotrypsin, Trypsin và pepsin, Cathepsin,…; hay enzyme từ vi sinh vật như Asp. flavus, Asp. oryzae, Asp. niger…

Hiện nay, các chế phẩm enzyme thương mại (Alcalase, Protamex, Neutrase…) đã được nghiên cứu để rút ngắn thời gian lên men nước mắm quy mô công nghiệp. Tuy nhiên, cần tối ưu liều lượng enzyme và điều kiện phản ứng (pH, nhiệt độ) để không làm thay đổi cấu hình amino acid và hương vị đặc trưng của nước mắm truyền thống.

6. Các câu hỏi thường gặp (FAQs)

TỪ VỰNG TIẾNG ANH CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

• Fish sauce fermentation mechanism: Cơ chế lên men nước mắm
• Fish sauce fermentation process: Quá trình lên men nước mắm
• Endogenous enzyme: Enzyme nội sinh
• Exogenous enzyme: Enzyme ngoại sinh
• Microorganism: Vi sinh vật
• Halotolerant bacteria / Halophilic bacteria: Vi khuẩn chịu mặn.