Bài tiểu luận: Công nghệ sản xuất protein (axit amin) từ vi sinh vật

Chia sẻ: Bach Thuy Diem | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:48

Thêm vào BST

Báo xấu

492
lượt xem 90
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Với kết cấu nội dung gồm 4 phần, bài tiểu luận "Công nghệ sản xuất protein (axit amin) từ vi sinh vật" cung cấp cho các bạn những nội dung tổng quan về công nghệ sản xuất protein axit amin từ vi sinh vật, một số quy trình sản xuất protein đơn bào, sản xuất axit amin,...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài tiểu luận: Công nghệ sản xuất protein (axit amin) từ vi sinh vật

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM KHOA CNSHKTMT  BÀI TIỂU LUẬN MÔN HỌC: CÔNG NGHỆ SINH HỌC THỰC PHẨM ĐỀ TÀI: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT PROTEIN (AXIT AMIN) TỪ VI SINH VẬT GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: Th.s TRẦN QUỐC HUY Nhóm: 9
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM KHOA CNSHKTMT  BÀI TIỂU LUẬN MÔN HỌC: CÔNG NGHỆ SINH HỌC THỰC PHẨM ĐỀ TÀI: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT PROTEIN (AXIT AMIN) TỪ VI SINH VẬT GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: Th.s TRẦN QUỐC HUY Thành viên nhóm: Nguyễn Thừa Ngọc Châu 2008120150
Mục lục Danh mục hình, bảng.
PHẦN 1. TỔNG QUAN 1.1. Vai trò của protein đối với con người: Cơ thể người và động vật thường xuyên đòi hỏi cung cấp các chất dinh dưỡng có trong thức ăn để có thể tiến hành trao đổi chất, trước hết nhằm duy trì sự sống, tăng cường sinh trưởng và phát triển. Thức ăn, ngoài nước còn gồm những nhóm chất: protein, chất béo, gluxit, vitamin, muối khoáng, các chất gia vị, trong đó phần lớn là protein. Protein là nguồn nitơ duy nhất cho người và động vật. Trong quá trình tiêu hoá của người và động vật, protein phân giải thành khoảng 20 axit amin thành phần, trong đó có 8 axit amin không thay thế (hoặc 9 đối với trẻ em, 10 đối với lợn và 11 đối với gia cầm) cần phải có sẵn trong thức ăn. Nếu không nhận được các axit amin này cơ thể sẽ bị bệnh hoặc chết. Thiếu protein sẽ dẫn đến nhiều bệnh tật hết sức hiểm nghèo: Bệnh thiếu protein lần đầu tiên được phát hiện ở Châu Phi, có tên gọi quốc tế là Kwashiokor, hiện này là bệnh phổ biến ở nhiều vùng trên thế giới. Trẻ em mắc bệnh này chậm lớn, còi cọc, kém phát triển về trí tuệ. Bệnh này có thể điều trị bằng cách thêm vào khẩu phần bệnh nhân một lượng thích đáng các loại protein có phẩm chất tốt như cazein. Tuy nhiên nhiều tài liệu cho thấy sự kém phát triển về trí tuệ vì bệnh này không phục hồi được và ảnh hưởng đến toàn bộ cuộc đời của bệnh nhân. Về mặt sinh lý, thiếu protein dẫn đến giảm thể trọng. Hàng ngày cơ thể người trưởng thành có tới 100 tỉ tế bào chết và cần thay thế. Thiếu protein thì trước hết protein của gan, máu và chất nhày niêm mạc, ruột được huy động để bù đắp. Và như vậy sẽ dẫn đến suy gan, số lượng kháng thể trong máu giảm đi, sức đề kháng của cơ thể đối với bệnh bị yếu. Về nhu cầu protein của người, nhiều nhà nghiên cứu cho biết dao động trong khoảng 80 – 120g/ngày. 1.2. Các khái niệm chung . 1.2.1. Protein đơn bào Protein đơn bào (Singlecell protein – SCP) là thuật ngữ thường dùng để chỉ phần protein thu được trong sinh khối khô của các tế bào hoặc tổng lượng protein tách chiết được từ môi trường nuôi cấy vi sinh vật, được sử dụng làm nguồn thức ăn cho con người hay nguồn thức ăn chăn nuôi. Thuật ngữ “protein đơn bào” được GS. C.L.Wilson đưa ra vào năm 1966, được dùng thích hợp hơn đối với hầu hết các vi sinh vật đơn bào hoặc cá thể dạng sợi. Các protein đơn bào có thành phần protein cao (6080% khối lượng khô của tế bào), chất béo, carbohydrate, axit nucleic, vitamin và chất khoáng. Chúng cũng chứa nhiều các axit amin thiết yếu như Lysin và Methionine. Page 4
1.2.2. Công nghệ sản xuất protein đơn bào Công nghệ sản xuất protein đơn bào là công nghệ nuôi cấy và thu sinh khối các vi sinh vật. Nó ra đời được coi là một phương pháp hứa hẹn có thể giải quyết được vấn đề thiếu protein trên toàn thế giới. Công nghệ sản xuất protein đơn bào bao gồm cả các quá trình chuyển vị sinh học, biến đổi các sản phẩm phụ ít giá trị và chi phí thấp, thường là các chất thải, trở thành sản phẩm với giá trị dinh dưỡng và giá trị thị trường cao hơn. Sản xuất protein đơn bào đòi hỏi phải vận dụng các kiến thức về lên men, công nghệ sản xuất sinh khối, nuôi cấy vi sinh vật. Đầu thế kỉ 20, sự áp dụng rộng rãi các chương trình phát triển nông nghiệp đã làm cho các nguồn thức ăn thực vật, như đậu nành, ngô, lúa mì và gạo luôn ở trong tình trạng sẵn có. Ngoài ra, sự phát triển về chính trị và kinh tế đã thay đổi trật tự thế giới từ một hệ thống các khối nước trở nên toàn cầu hóa, tạo điều kiện thuận lợi cho việc mở cửa giao dịch các sản phẩm nông nghiệp. Các sản phẩm nông nghiệp này vượt trội so với protein đơn bào trên cơ sở giá cả sản xuất thấp hơn. Tuy nhiên, sự kết hợp giữa việc sản xuất phức tạp với các công nghệ chế biến thực phẩm đã mang lại một thế hệ sản phẩm protein đơn bào mới, có thể sử dụng để thay thế các loại thịt hay dùng làm chất tăng cường hương vị. Các ứng dụng trong tương lai của việc biểu hiện protein dị hợp thể có thể phát triển hơn nữa tiềm năng của dạng thực phẩm này, tạo ra các sản phẩm phù hợp với yêu cầu của chế độ ăn uống hay tạo thành các dòng sản phẩm có giá trị cao. Sản xuất protein đơn bào ở quy mô công nghệp có một số đặc điểm như sau: Sử dụng đa dạng các phương pháp, loại nguyên liệu thô và loại vi sinh vật khác nhau. Có hiệu quả biến đổi cơ chất ban đầu cao Năng suất cao nhờ vào tốc độ tăng trưởng nhanh của các vi sinh vật. Không phụ thuộc vào các yếu tố mùa hay thời tiết. 1.2.3. Đặc điểm của sản xuất Protein đơn bào: Chi phí lao động ít hơn nhiều so với sản xuất nông nghiệp. Có thể sản xuất ở bất kỳ địa điểm nào trên trái đất, không chịu ảnh hưởng của khí hậu thời tiết,các quá trình công nghiệp , dễ cơ khí hoá và tự động hoá. Năng suất cao: vi sinh vật có tốc độ sinh sản mạnh, khả năng tăng trưởng nhanh. Chỉ trong một thời gian ngắn có thể thu nhận được một khối lượng sinh khối rất lớn; thời gian này được tính bằng giờ, còn ở động vật và thực vật, tính bằng tháng hoặc hàng chục năm. Sử dụng các nguồn nguyên liệu rẻ tiền và hiệu suất chuyển hoá cao. Các nguyên liệu thường là phế phẩm, phụ phẩm của các ngành khác như rỉ đường, dịch kiềm sufit, parafin dầu mỏ v..v.. , thậm chí cả nước thải của một quá trình sản xuất nào đó. Hiệu Page 5
suất chuyển hoá cao: hidrat cacbon được chuyển hoá tới 50%, cacbuahidro tới 100% thành chất khô của tế bào. Hàm lượng protein trong tế bào rất cao: ở vi khuẩn là 60 70%, ở nấm men là 40 50% chất khô v..v… Hàm lượng này còn phụ thuộc vào loài và chịu nhiều ảnh hưởng của điều kiện nuôi cấy. Cần chú ý rằng hàm lượng protein ở đây chỉ bao hàm protein chứ không gồm cả thành phần nitơ phi protein khi xác định theo phương pháp nitơ tổng số của Kjeldal, như axit nucleic, các peptit của thành phần tế bào. Chất lượng protein cao: Nhiều axit amin có trong vi sinh vật với hàm lượng cao, giống như trong sản phẩm của thịt, sữa và hơn hẳn protein của thực vật. Protein vi sinh vật đặc biệt giàu lizin, là một lợi thế lớn khi bổ sung thức ăn và chăn nuôi, vì trong thức ăn thường thiếu axit amin này. Trái lại, hàm lượng các axit amin chứa lưu huỳnh lại thấp. Khả năng tiêu hoá của protein: có phần hạn chế bởi thành phần phi protein như axit nucleic, peptit của thành tế bào, hơn nữa, chính thành và vỏ tế bào vi sinh vật khó cho các enzim tiêu hoá đi qua. An toàn về mặt độc tố: Trong sản xuất protien đơn bào không dùng vi sinh vật gây bệnh cũng như loài chứa thành phần độc hoặc nghi ngờ. Vì vậy đến nay hầu như SCP chỉ dùng trong dinh dưỡng động vật. Những vấn đề kỹ thuật: Sinh khối vi sinh vật phải để tách và xử lý. Vấn đề này phụ thuộc chủ yếu vào kích thước tế bào. Sinh khối nấm men dễ tách bằng li tâm hơn vi khuẩn. Ngoài ra, vi sinh vật nào có khả năng sinh trưởng ở mật độ cao sẽ cho năng suất cao, sinh trưởng tốt ở nhiệt độ cao (có tính chất ưa nhiệt và chịu nhiệt) sẽ giảm chi phí về làm nguội trong sản xuất, ít mẫn cảm với tạp nhiễm v..v.. sử dụng các nguồn cacbon rẻ tiền, chuyển hoá càng nhiều càng tốt .. thì sẽ được dùng trong sản xuất. Vì vậy nấm men được sử dụng chủ yếu trong sản xuất protein đơn bào. Như vậy ưu điểm của sản xuất protein đơn bào là có thể phân lập và lựa chọn các chủng vi sinh vật có ích và thích hợp cho các qui trình công nghệ, cho từng nguyên liệu 1 cách tương đối nhanh và dễ dàng. 1.2.4. Lịch sử nghiên cứu và sản xuất protein đơn bào Người tiên phong nghiên cứu và xây dựng công nghệ này là nhà khoa học người Đức Max Delbruck và các cộng sự của ông cách đây gần 1 thế kỉ. Họ là người đầu tiên chú ý đến giá trị của các nấm men rượu dư thừa trong việc tạo nguồn thức ăn cho vật nuôi. Trong chiến tranh Thế giới thứ nhất, người Đức đã thay thế phần nửa nguồn protein quan trọng bằng nấm men. Vì các nấm men rượu từ công nghiệp sản xuất bia không đủ số lượng để đáp ứng nhu cầu protein thức ăn, một tỉ lệ rất lớn sinh khối nấm men được sản xuất trong điều kiện hiếu khí trong môi trường bán tổng hợp chứa nguồn nitơ là các muối ammonium. Phương pháp này hiệu quả hơn so Page 6
với lên men, nhưng vẫn có hiện tượng lên men một số chất trong nguồn cacbon, đồng thời năng suất sinh khối thu được là không tối ưu. Vào năm 1919, Sak (Đan Mạch) và Hayduck (Đức) đã phát minh ra một quy trình mới, đưa dung dịch đường vào dịch huyền phù chứa nấm men thay vì đưa thêm nấm men vào một dung dịch đường đã pha loãng. Công nghệ này đến ngày nay vẫn được sử dụng. Sau khi Chiến tranh Thế giới thứ nhất kết thúc, sự quan tâm của người Đức đến nấm men đã giảm xuống, nhưng đến 1936, người ta tiếp tục sử dụng nấm men rượu và một số loài nấm men khác, đặc biệt là các loài được nuôi cấy với số lượng lớn để làm thức ăn bổ sung cho con người và động vật. Kể từ đó, ưu điểm của việc nuôi cấy nấm men trong môi trường giàu dinh dưỡng và điều kiện hiếu khí đã được nhận ra một cách đầy đủ và nhanh chóng trở thành một phương tiện để sản xuất thức ăn trên quy mô công nghiệp. Vào thời điểm bắt đầu Chiến tranh thế giới thứ II, nấm men được sử dụng trước hết làm thức ăn trong quân đội, sau đó áp dụng cho tất cả các công dân. Người ta đã hi vọng có thể sản xuất được hơn 100,000 tấn mỗi năm, tuy nhiên trên thực tế, sản lượng chưa bao giờ vượt quá 15,000 tấn, do việc sản xuất liên tục bị gián đoạn bởi chiến tranh. Việc sử dụng nấm men làm thức ăn trong giai đoạn này bắt đầu từ Đức, sau đó được áp dụng rộng rãi ở nhiều nơi trên thế giới. Phòng thí nghiệm các sản phầm rừng của Sở nông nghiệp Hoa Kỳ đã tiến hành hàng loạt thí nghiệm nuôi cấy nấm men Candida utilis trên môi trường chứa sulfit là chất thải trong quá trình sản xuất giấy. Sau chiến tranh, vấn đề sản xuất protein đơn bào ngày càng được chú trọng để giải quyết các vấn đề của nhân loại trên quy mô toàn cầu. Đầu những năm 60, một số công ti đa quốc gia đã quyết định nghiên cứu sản xuất sinh khối vi sinh vật để làm nguồn protein thức ăn. Các cơ chế cơ bản quyết định sự tăng trưởng của các sinh vật như nấm men và nấm sợi đã được lám sáng tỏ, tuy nhiên vẫn còn nhiều khó khăn trong ứng dụng các cơ chế trên trong công nghiệp, do đó người ta tiếp tục đẩy mạnh nghiên cứu. Người ta tiếp tục tìm kiếm các loại cơ chất với giá thành thấp. Các sản phẩm phụ trong công nghiệp như sữa phomat, rỉ đường hay các cơ chất giá thành rẻ như tinh bột, ethanol và methanol, sulfit từ quá trình sản xuất giấy đã được chọn để sử dụng trong quá trình sản xuất protein đơn bào. Lợi ích của việc sản xuất protein Page 7
đơn bào không chỉ dừng lại ở việc cung cấp thêm nguồn thức ăn cho con người nữa mà còn hạn chế sự lãng phí các sản phẩm phụ trong các quá trình sản xuất khác và bảo vệ môi trường. Vào giữa thập niên 60, người ta đã sản xuất được hàng triệu tấn nấm men thực phẩm ở các vùng khác nhau trên thế giới. Liên bang Soviet đã lên kế hoạch sản xuất thường niên 900,000 tấn kể từ năm 1970 để bù đắp lại sự thiếu hụt của protein nông nghiệp. Đến năm 1980, quá trình sản xuất protein đơn bào tiếp tục được mở rộng ở các nước phát triển và được dự kiến tiến hành ở các quốc gia đang phát triển. Từ đó đến nay, quy trình sản xuất protein đơn bào được không ngừng nghiên cứu phát triển hoàn thiện, tìm kiếm các cơ chất và các loài vi sinh vật phong phú hơn, phục vụ nhu cầu của con người ở khắp các quốc gia trên thế giới. 1.3. Các nhóm vi sinh vật được sử dụng để sản xuất protein đơn bào 1.3.1. Yêu cầu đối với các chủng vi sinh vật sử dụng trong sản xuất. Thời gian sinh trưởng ngắn. Có khả năng tạo thành lượng protein lớn, từ 4070% sinh khối khô của tế bào. Có khả năng tận dụng được tối đa các chất dinh dưỡng trong môi trường nuôi cấy. Không có độc tố, không có khả năng gây bệnh Có sức bền cao, ít bị nhiễm trong quá trình nuôi cấy, dễ tách khỏi dịch nuôi cấy. Ngoài ra, phần trăm axit nucleic của tế bào vi sinh vật cũng là một yếu tố quan trọng cần xem xét. Quá trình hấp thụ axit nucleic quá mức có thể dẫn đến lắng đọng axit uric, gây ra một số bệnh như gout hay hình thành sỏi thận, nên đối với người thì thành phần axit nucleic này phải giảm xuống dưới 2%. Do đó, người ta đã áp dụng một vài kĩ thuật để giảm thành phần axit nucleic trong tế bào vi sinh vật, bao gồm cả quy trình về hóa học và enzyme. 1.3.2. Các nhóm vi sinh vật sử dụng trong sản xuất protein đơn bào. Người ta sử dụng nhiều nhóm vi sinh vật khác nhau để sản xuất protein đơn bào, bao gồm: Các nhóm vi khuẩn: Cellulomonas, Alcaligenes,… Nấm men: Candida, Saccharomyces,… Page 8
Nấm sợi: Trichoderma, Fusarium, Rhizopus,… Các nhóm tảo: Spirulina, Chlorella,… Giá trị dinh dưỡng của chúng được trình bày trong Bảng 1 [1]: Thành phần Nấm Tảo Nấm men Vi khuẩn Protein 3045 4060 4555 5065 Chất béo 28 720 26 13 Các chất vô cơ 914 810 510 37 Axit nucleic 710 38 612 812 Bảng 1. Trung bình các thành phần trong tế bào ở các nhóm vi sinh vật chính (% khối lượng khô) theo Miller and Litsky (1976) Người ta đã ước tính rằng, 100 pound nấm men có thể sản xuất ra 250 tấn protein trong vòng 24h. Đối với tảo nuôi cấy trong ao thì năng suất protein thu được là 20 tấn sinh khối khô/acre/năm. Vi khuẩn thì cho lượng protein cao, có thể lên đến 80% và có tốc độ sinh trưởng nhanh hơn, tuy nhiên lại có nhiều nhược điểm. Nấm men là loài có nhiều ưu điểm, ví dụ như kích thước lớn, dễ thu sinh khối, hàm lượng axit nucleic trong tế bào thấp, hàm lượng lysine cao, có khả năng sinh trưởng ở pH axit. Tuy nhiên, đặc điểm quan trọng nhất là nó rất phổ biến và được chấp nhận rộng rãi vì đã được sử dụng từ rất lâu trong công nghệ lên men truyền thống. Nhược điểm của nấm men bao gồm tốc độ sinh sản chậm, hàm lượng protein cũng như methionine thấp hơn so với vi khuẩn. Nấm sợi cũng có những ưu điểm tương tự, dễ thu hoạch, tuy nhiên hạn chế về tốc độ sinh trưởng, hàm lượng protein và ít được chấp nhận hơn so với nấm men. Một nhóm vi sinh vật khác là tảo thì lại có nhược điểm là thành tế bào cấu tạo từ cellulose – loại phân tử mà con người không tiêu hóa được, bên cạnh đó nó còn chứa nhiều kim loại nặng. Ngoài ra, cần nhấn mạnh rằn, vì lý do kĩ thuật và kinh tế thì người ta thường thu cả sinh khối tảo chứ không tách riêng protein của nó, do vậy đôi lúc thuật ngữ protein đơn bào ở đây chưa hoàn toàn chính xác. Protein của tảo thường có chất lượng cao, có thể sánh được với protein từ thực vật. Sản xuất protein đơn bào từ các vi sinh vật khác nhau, cụ thể là từ nấm và vi khuẩn đã nhận được sự quan tâm đáng kể, ngược lại nghiên cứu sản xuất và sử Page 9
dụng thành công protein trên tảo hiện nay còn chưa nhiều, do giá thành sản xuất cao hơn và khó khăn hơn về mặt kĩ thuật. Một vài loài tảo, nấm sợi, nấm men và vi khuẩn được sử dụng làm protein đơn bào và hiện đang được sản xuất thương mại, cùng với nguồn carbon của nó được thể hiện trong Bảng: Tên loại tảo Nguồn cơ chất Chondrus crispus, Scenedesmus sp, CO2 dùng cho quang hợp Spirulina sp., Porphyrium sp, Chlorella pyrenoidosa, Chlorella sorokiana. Bảng 1. Một số loài vi sinh vật sử dụng trong sản xuất protein đơn bào và nguồn carbon của chúng theo Bhalla và cộng sự (2007) Tên nấm sợi Loại cơ chất Scytalidium aciduphlium, Thricoderma Cellulose, pentose viridae,Thricoderma alba Rhizopus chinensis Glucose, maltose Penicillium cyclopium Glucose, lactose, Galactose Aspergillus niger, A.oryzae,Cephalosporium Cellulose, hemicellulose eichhorniae, Chaetomium cellulolyticum Aspergillus fumigatus Maltose, glucose Bảng 1. Một số loài vi sinh vật sử dụng trong sản xuất protein đơn bào và nguồn carbon của chúng theo Bhalla và cộng sự (2007) Page 10
Tên nấm men Loại cơ chất Saccharomyces cereviciae Lactose, pentose, maltose Candida intermedia Lactose Candida novellas nalkan. Candida utilis Glucose Candida tropicalis Maltose, glucose Amoco torula Ethanol Bảng 1. Một số loài vi sinh vật sử dụng trong sản xuất protein đơn bào và nguồn carbon của chúng theo Bhalla và cộng sự (2007) 1.4. Các nguồn nguyên liệu dùng để sản xuất protein đơn bào Các nguồn nguyên liệu hiện đang được sử dụng để sản xuất protein đơn bào rất phong phú và đa dạng, có thể liệt kê một số loại chính như sau: 1.4.1. Các sản phẩm thải trong nông nghiệp Cellulose từ nguồn nông nghiệp và lâm nghiệp là nguồn nhiên liệu tái tạo nhiều nhất trên hành tinh này, đồng thời là nguồn nguyên liệu tiềm năng cho sản xuất protein đơn bào. Trong tự nhiên, cellulose thường ở dạng phức hợp với lignin, hemicellulose, tinh bột và có cấu tạo phức tạp, do vậy, để sử dụng dưới dạng cơ chất nó phải được xử lý hóa học (phân giải bằng axit hay kiềm) hoặc bằng các enzyme (cellulase) để phân giải cellulose thành các đường mà tế bào vi sinh vật sử dụng được. Lignocellulose là nguồn nguyên liệu từ gỗ, đòi hỏi phải xử lý trước khi sử dụng làm cơ chất cho sản xuất protein đơn bào. Có nhiều cách xử lý khác nhau, ví dụ như phân giải bằng axit hay kiềm, bằng hơi nước hay thậm chí dùng phóng xạ tia X [2]. Người ta có thể nấu gỗ trong dung dịch chứa Canxi sulfit. Đến ngày nay, để tận dụng các nguồn lignocellulose là sản phẩm thải người ta dùng các Page 11
nhóm nấm, trong đó được biết rõ nhất là Agaricus bisporus và một số các nhóm khác chứa enzyme phân giải lignocellulose. 1.4.2. Các sản phẩm phụ của các quá trình lên men công nghiệp. Dịch kiềm sulfit – sản phẩm phụ của quá trình sản xuất giấy đã được sử dụng làm cơ chất để lên men kể từ nawmg 1909 ở Thụy Điển và sau đó ở nhiều nơi trên thế giới. Dạng vi sinh vật đầu tiên được sử dụng trong quá trình này là Saccharomyces cerevisiae, mặc dù loài vi sinh vât này không có khả năng chuyển háo pentose – loại hợp chất có mặt với lượng lớn trong sản phẩm thải này. Sau đó, người ta tìm ra các loài vi sinh vật thích hợp hơn như Candida tropicalis hay Candida utilis. Rỉ đường là một sản phẩm phụ của quá trình lên men đường. Dịch đường nồng độ cao thu được từ quá trình xay xát mía hay củ cải đường được làm lạnh để đường kêt tinh. Khi đường không kết tinh nữa thì người ta thu được phần dung dịch còn lại, đó là rỉ đường. Đối với 100kg thực vật có thể thu được 3.5 đến 4.5 kg rỉ đường. Bên cạnh nồng độ đường cao, rỉ đường còn chứa các chất khoáng, các hợp chất hữu cơ và vitamin có giá trị cao trong công nghiệp lên men. Tuy nhiên, sản xuất sinh khối vi sinh vật từ rỉ đường đòi hỏi phải bổ sung thêm nguồn nitơ và photpho phù hợp. Nguồn nitơ truyền thống là các muối amonium, nguồn photpho thêm vào thường ở dạng muối. 1.4.3. Các sản phẩm, dịch chiết và dịch thủy phân từ nguyên liệu thực vật. Tinh bột thu được từ các loài thực vật có củ ở các nước nhiệt đới và ôn đới, từ gạo, ngô và ngũ cốc là nguồn nguyên liệu để sản xuất protein đơn bào. Ở các nước nhiệt đới, người ta còn sử dụng sắn như một nguồn nguyên liệu sản xuất protein đơn bào. Quy trình sản xuất này sử dụng một số loài vi sinh vật có enzyme amylase như Endomycosis fibuligira, sau đó đưa dịch nuôi cấy sau khi phân hủy tinh bột qua nồi lên men có chứa một loại vi sinh vật có tốc độ sinh trưởng nhanh như Candida utilis. Dịch chiết của một số loại quả như đủ đủ, dứa, chuối cũng là nguồn cơ chất để tổng hợp protein đơn bào. Dịch chiết đu đủ có hàm lượng chất dinh dưỡng cao: saccharride chiếm 9.6%, protein, protein chiếm 0.2%, đường hòa tan chiếm khoảng 7%; đường hòa tan trong đu đủ ở dạng glucose, fructose và sucrose, đồng thời đây là loài thực vật có năng suất cao, sinh trưởng tương đối nhanh. Một loại Page 12
quả khác là chuối cũng là nguyên liệu để sản xuất protein đơn bào. Điều này có rất có ích trong việc tận dụng nguồn sản phẩm dư thừa do không đủ chất lượng xuất khẩu ở các quốc gia có trồng nhiều loại cây ăn quả này. 1.4.4. Các nguồn nhiên liệu có giá trị thương mại cao như khí đốt, methan, methanol và các nalkan. Các vi sinh vật liên quan đến quá trình sản xuất protein đơn bào từ nguồn cơ chất trên chủ yếu là các vi khuẩn và nấm men. Nhiều quá trình hiện nay đang trong giai đoạn nghiên cứu. Việc sử dụng nguồn hợp chất nhiên liệu trên để sản xuất thức ăn từ lâu đã được nhiều nhà khoa học đặt ra. Công ti dầu mỏ của Anh đã sử dụng hai loại nấm men Candida lipolytica và C. tropicalis với nguồn cơ chất là các alkan có mạch Carbon từ 12 đến 20 nguyên tử có trong phần dẻo của khí gas. Một vài loại dầu thô có chứa phần này chiếm khoảng 15%. Sản phẩm thu được từ quá trình này còn gọi là TOPRINA, đã được kiểm tra độc tính và khả năng gây ung thư trong vòng 12 năm, sau đó đã được sử dụng làm nguồn thức ăn thay thế có hàm lượng protein cao cho cá hoặc dùng làm bột sữa không béo. Tuy nhiên, do giá dầu mỏ ngày càng cao, nhiều nước đã ngừng sử dụng nguồn nguyên liệu này để sản xuất protein đơn bào. Thay vào đó, người ta tăng cường nghiên cứu sử dụng methane làm nguồn cơ chất. Vi sinh vật phù hợp với nguồn cơ chất này mà đã được nghiên cứu kĩ là Methylomonas methanica, nuôi cấy trong môi trường có chứa muối nitrat hay muối ammonium làm nguồn nitơ. Mặt khác, methanol cũng là một nguồn chất được quan tâm. Lên men trên quy mô lớn để thu sinh khối của Methylophilus methtlotrophus từ nguồn cơ chất là methanol là phương pháp được xây dựng để sản xuất protein đơn bào từ nguồn này, và sản phẩm của quy trình này được sử dụng làm thức ăn cho vật nuôi. Methanol với vai trò là nguồn carbon để sản xuất protein đơn bào có nhiều ưu điểm vượt trội hơn so với nparaffin, khí metan hay thậm chí một số hợp chất carbohydrate. 1.5. Quy trình sản xuất protein đơn bào Quá trình lên men tạo sinh khối yêu cầu lựa chọn loại vi sinh vật được có giai đoạn sinh lý phù hợp, khử trùng môi trường nuôi cấy và các thiết bị dùng để giữ môi trường nuôi ở trạng thái sẵn sàng, tách tế bào, thu các tế bào ở phần dịch nổi, tinh chế và xử lý, bộ ổn nhiệt để điều hòa nhiệt độ, dụng cụ xác định pH và các thiết bị điều khiến khác để điều hòa các yếu tố cần thiết cho sự sinh trưởng ở mức ổn định. Page 13
Sau khi chuẩn bị, nuôi cấy vi sinh vật ở điều kiện thích hợp trong môi trường đã chuẩn bị. Quá trình này đòi hỏi phải kiểm soát nồng độ carbon ở mức thích hợp cũng như cung cấp đủ oxy để duy trì điều kiện hiếu khí cần cho sự sinh trưởng của vi sinh vật. Vì đây là một quá trình phụ thuộc vào thời gian, nên việc biến đổi liên tục các yếu tố của môi trường sẽ ảnh hưởng đến sinh lý của tế bào, trong đó nồng độ cơ chất có ảnh hưởng lớn nhất. Vì thế, người ta sử dụng phương pháp nuôi cấy liên tục để có thể kiểm soát nguồn Carbon đưa vào môi trường, đồng thời lấy ra một lượng vi sinh vật nhất định để đảm bảo cung cấp đủ oxy cho lượng vi sinh vật ở trong thùng nuôi cấy. Các phương pháp thường được áp dụng bao gồm: lên men nổi, lên men chìm và lên men trên pha rắn. Sau khi nuôi cấy, cần thu sinh khối vi sinh vật. Hiện nay có nhiều phương pháp để cô đặc dịch nuôi cấy như lọc, để lắng, li tâm và dùng các màng bán thấm. Người ta thường thu sinh khối nấm men bằng cách li tâm, còn đối với nấm sợi thường thu bằng cách lọc. Tuy nhiên, các thiết bị cần thiết tường đắt và không phù hợp với sản xuất ở quy mô nhỏ cũng như mở rộng sản xuất. Việc loại bỏ lượng nước là rất cần thiết để giữ các chất ổn định để lưu trữ nhưng lại không dễ thực hiện. Protein đơn bào cần phải được sấy đến độ ẩm 10% hoặc phải làm cô đặc lại và biến tính để đề phòng chúng bị hỏng. 1.6. Chế biến protein đơn bào thành thực phẩm Để sử dụng hiệu quả các protein vi sinh vật làm thức ăn cho người, cần các điều kiện sau: Giải phóng protein tế bào bằng cách phá hủy hay phân hủy thành tế bào. Làm giảm hàm lượng axit nucleic trong tế bào. 1.6.1. Phá hủy thành tế bào: Có thể phá hủy thành tế bào vi sinh vật bằng nhiều cách: ép, bẻ vụn, nghiền, dùng áp lực hay phá hủy bằng sóng âm. Ngoài ra người ta còn sử dụng các enzyme hay hỗn hợp enzyme để phân hủy từng phần hoặc hoàn toàn thành tế bào. Thủy phân thành tế bào nhờ enzyme có hiệu quả cao hơn do tác động đặc hiệu. Phương pháp enzyme có thể dùng để thay thế phá hủy cơ học, đặc biệt là đối với các nguyên liệu có thể bị bất hoạt do yếu tố cơ học, người ta sử dụng cả các enzyme nội bào và ngoại bào do các vi sinh vật khác tiết ra. Tuy nhiên, quá trình này diễn ra chậm hơn so với dùng phương pháp cơ học hoặc hóa học, do vậy, người ta thường sử dụng phối hợp nhiều phương pháp để có hiệu quả cao hơn. Page 14
Phương pháp phicơ học Phương pháp cơ học Xử lý hóa học: dùng axit, bazơ, các chất Dùng áp lực cao hòa tan, chất tẩy rửa Phân giải bằng enzyme: enzyme thủy Nghiền ướt, sử dụng các hạt nghiền phân, dùng phage, tự phân hủy Dùng sóng âm để phá hủy tế bào Nén tế bào Dùng các phương pháp vật lý: làm đông Dùng áp suất cao ở nhiệt độ thấp lạnhđể tan, sốc thẩm thấu, dùng nhiệt và sấy khô Bảng 1. Một số phương pháp thường sử dụng để phá hủy thành tế bào vi sinh vật 1.6.2. Loại bỏ axit nucleic Các phương pháp dùng để loại bỏ axit nucleic trong tế bào bao gồm phương pháp xử lý hóa học và xử lý bằng enzyme. Mỗi phương pháp đều có nhược điểm là giá thành đắt và có thể ảnh hưởng đến thành phần dinh dưỡng trong tế bào. Một số phương pháp: Tách axit nucleic bằng các rượu, muối, acid và kiềm. Tách axit nucleic khỏi sinh khối vi sinh vật bằng kiềm ở nhi ệt độ cao, tuy nhiên phương pháp này có thể tạo ra các chất độc, ví dụ như lysinoalanine. Xử lý bằng anhydrid để biến đổi cấu trúc nucleoprotein ở nấm men. Sử dụng các enzyme nuclease để phân giải axit nucleic. 1.7. Ưu nhược điểm của protein đơn bào. 1.7.1. Ưu điểm: Page 15
Vi sinh vật có tốc độ nhân đôi và tăng trưởng nhanh, thu sinh khối trong thời gian ngắn. Vi sinh vật có hàm lượng protein tương đối cao. Các vi sinh vật có khả năng sử dụng một số lượng nguồn carbon phong phú để tạo thành năng lượng, trong đó có một số nguyên liệu được tái sử dụng từ nguồn chất thải nông nghiệp hay công nghiệp. Các chủng vi sinh vật với năng suất cao cũng như thành phần chất dinh dưỡng phù hợp có thể được chọn lọc và nuôi cấy với số lượng lớn trong điều kiện phòng thí nghiệm, đồng thời cũng có tiềm năng áp dụng ở quy mô công nghiệp. Sinh khối viinh vật dùng để thu protein đơn bào không phụ thuộc vào mùa cũng như biến đổi khí hậu. 1.7.2. Nhược điểm: Bên cạnh các ưu điểm trên, việc sử dụng các nguồn vi sinh vật hay sinh khối vi sinh vật làm thức ăn hay sản xuất protein đơn bào cũng có nhiều nhược điểm cần phải khắc phục, bao gồm: Nhiều loài vi sinh vật có thể tạo ra các chất gây độc cho cơ thể người và cơ thể động vật, Vì vậy, khi chọn lựa một loài vi sinh vật để tiến hành sản xuất phải đảm bảo nó không chứa bất kì chất độc nào. Đôi khi sử dụng sinh khối vi sinh vật để làm nguồn thức ăn bổ sung có thể dẫn đến khó tiêu hoặc không tiêu hóa được, thậm chí gây phản ứng dị ứng cho người. Hàm lượng axit nucleic cao trong sinh khối khô của nhiều loài vi sinh vật cũng là một yếu tố gây ảnh hưởng không mong muốn cho con người. Đôi khi hàm lượng axit nucleic cao này có thể dẫn đến sự hình thành sỏi thận hay bệnh gout. Khả năng chứa các hợp chất gây độc hay gây ung thư cho con người. PHẦN 2. MỘT SỐ QUY TRÌNH SẢN XUẤT PROTEIN ĐƠN BÀO 2.1. Sản xuất sinh khối nấm men từ nguồn nguyên liệu thông thường 2.1.1. Nguyên liệu và xử lý nguyên liệu Các dạng nguyên liệu chứa hydrat cacbon thường là các phụ phẩm và phế phẩm sau: Page 16
Các sản phẩm chứa sacaroza của công nghiệp chế biến đường (rỉ đường mía, rỉ đường củ cải, bã mía, cặn rỉ đường, nước rửa thô ..) Nước thải của nhà máy sữa còn chứa nhiều lactoza Dịch kiềm sunfit có chứa nhiều pentoza, hexoza, dịch thuỷ phân gỗ. Các nguyên liệu chứa tinh bột và xenluluza khác. Điểm chung nhất dễ nhận thấy ở các dạng nguyên liệu trên là ngoài đường, chúng còn chứa nhiều axit hữu cơ, N.P,S và các chất khác. Sự phức tạp này nảy sinh hiện tượng sinh trưởng kép làm cản trở sử dụng chúng trong nuôi cấy liên tục một giai đoạn. 2.1.2. Rỉ đường Về lý thuyết: Từ 1g C H O có thể thu được 0,5 g sinh khối nấm men khô 6 12 6 (theo nghiên cứu của A.J.Forage): C H O (1g) + O (0,4g) CO (0,67g) + H O (0,27g) 6 12 6 2 2 2 + NH (0.05g) Q(1,25kcal) Sinh khối nấm men khô 3 0,5g Hoặc theo nghiên cứu C.L Cooorey C H O (2kg) + O (0,7g) Sinh khối nấm men khô (1kg) 6 12 6 2 + N,P,K, Mg, S(0,1kg) + CO (1,1g) + H O (0,7g) 2 2 Các nguyên liệu chứa sacaroza (rỉ đường..) là dạng nguyên liệu lý tưởng nhất đến sản xuất protein đơn bào, vì các nguyên liệu này chứa nhiều yếu tố kích thích sinh trưởng, khí,biotin và sản phẩm protein thu được hầu như sạch, không độc. Rỉ đường được dùng làm các cơ chất cho nhiều quá trình lên men vì: Giá thành rẻ hơn các nguyên liệu chứa đường khác. Ngoài đường sacaroza, rỉ đường còn chứa một số chất vô cơ, hữu cơ và vitamin có giá trị. Thành phần của rỉ đường mía và rỉ đường củ cải có sự khác nhau được ở bàng 2.1. Thành phần Rỉ đường củ Rỉ đường Đường tổng số % 48 – 52 48 – 56 Chất hữu cơ không phải đường 12 – 17 9 – 12 Protein (Nx6,25) % % 6 – 10 2 – 4 K % 2,0 7,0 1,5 5,0 Ca % 0,1 0,5 0,4 0,8 Mg % 0,09 0,06 Page 17
P % 0,02 0,07 0,6 2,0 Biotin mg/kg 0,02 0,15 1,0 3,0 Axit pantothenic mg/kg 50 – 110 15 – 55 Inozitol mg/kg 5000 – 8000 2500 – 6000 Tiamin mg/kg khoảng 1,3 1,8 Bảng 2. Thành phần của rỉ đường củ cải và rỉ đường mía chứa 75% chất khô Sự khác biệt cơ bản giữa 2 loại nguyên liệu này là: Rỉ đường mía nói chung có pH thấp hơn (5,5 – 6,5) do sự có mặt của các axit béo và pH thấp dùng trong quá trình làm trong. Rỉ đường mía có màu tối hơn đường củ cải nên khi dùng không trộn với rỉ đường củ cải thì nấm men thu được sẽ có màu tối hơn. Rỉ đường củ cải chứa nhiều đường sacaroza hơn rỉ đường mía vì trong rỉ đường củ cải hầu như không có một loại đường chuyển hoá nào (có khi chỉ có khoảng 1%) trong khi rỉ đường mía có thể chứa tới 1525% hidrat cacbon của nó dưới dạng đường chuyển hoá. Nói chung, rỉ đường củ cải chứa nitơ hữu cơ năm lần cao hơn rỉ đường mía, nhưng một nửa là betain, một thành phần không được Saccharomyces đồng hoá, trong khi đó betain không có mặt trong rỉ đường mía. Sự khác biệt về hàm lượng vitamin trong rỉ đường mía và đưòng củ cải cũng là tiêu chuẩn quan trọng: + Các chất sinh trưởng có mặt trong rỉ đường mía với hàm lượng lớn: rỉ đường mía chứa khoảng 2,5 µg biotin/g gấp 20 lần hơn rỉ đường củ cải. + Trong khi đó rỉ đường mía nghèo các chất khoáng và axit amin: rỉ đường củ cải chứa axit pantothenic gấp 24 lần so với rỉ đường mía. Như vậy, rỉ đường dùng nuôi cấy nấm men không những là nguồn đường mà còn cung cấp các hợp chất hữu cơ khác, các muối khoáng cần thiết và các nhân tố sinh trưởng. Tuy nhiên, ngoài các thành phần có ích cho sự sinh trưởng của nấm men, rì đường cũng có thể chứa các hợp chất có hại có thể làm hư hỏng quá trình lên men: Hàm lượng canxi cao nói lên chất lượng thấp của rỉ đường và có thể gây nên những khó khăn trong việc sản xuất nấm men. Rỉ đường cũng có thể dễ dàng nhiễm các vi sinh vật và gây nên những vấn đề không có lợi trong lên men. Xử lý rỉ đường: Rỉ đường cần được xử lý chút ít trước khi nuôi cấy. Thông thường nó được axit 0 hoá bằng axit sunfuric tới pH = 4 và đun nóng tới 120150 C trong 1 phút để kết tủa một số chất vô cơ và chất lơ lửng. Cần phải loại bỏ một phần các chất sinh trưởng, Page 18
đồng thời bổ sung các muối khoáng cần thiết (như urê 0,15%, KH PO 0,35%, Mg, 2 4 Ca) và có thể phải thêm hỗn hợp các axit amin dạng protein thủy phân (dịch nấm men tự phân, dịch thải trong sản xuất nước chấm, dịch bã rượu ở giai đoạn nhân giống). Khi chuẩn bị phối trộn, rỉ đường củ cải và rỉ đường mía phải được xử lý tách biệt trong các khâu pha loãng, điều chỉnh pH, đun nóng, làm trong, khử trùng rồi mới được phối trộn. Thường pha loãng đến nồng độ đường khoảng 56%. Sau khi chuẩn bị xong môi trường dinh dưỡng, tiến hành thanh trùng ở nhiệt độ 0 120 C. 2.1.3. Các nguyên liệu khác: Dịch kiềm sufit: Nước thải các nhà máy giấy xenluloza theo phương pháp sunfit gọi là dịch kiềm sunfit (SWLSunfit Waste Liquors) cũng là nguồn nguyên liệu tốt để sản xuất nấm men. Thành phần hydrocacbon của nó chủ yếu là đường pentoza, một loại đường chỉ có nấm men mới chuyển hoá tốt. Ngoài ra còn có linhin, phi xenluloza, một số axit hữu cơ … Khi sử dụng dịch kiềm sunfit cần phải được làm nóng và thông khí trước khi nuôi nấm men để loại bảo các yếu tố kiềm hãm (SO và furfurol). Bổ sung chất dinh 2 + dưỡng vào dịch thải trên (như NH và PO ), điều chỉnh pH về khoảng 5 sẽ được 4 4 môi trường nuôi cấy nấm men khá tốt và lượng sinh khối nấm men sinh ra sau quá trình lên men có chất lượng đáng kể với các thành phần như sau: protein (46% chất khô), lipit (78%), photpho (1,8%), axit nucleic (10%)… Người ta tính rằng khoảng 5 tấn bột xenluloza để sản xuất giấy sẽ thải ra một lượng dịch kiềm sunfit chứa tới 180 kg đường. Dịch này hấp phụ nhiều O nên khi 2 nuôi cấy nấm men có thể giảm mức cung cấp oxi tới 60% so với bình thường. Các nguồn xenluloza thực vật (gỗ, rơm, rạ bã mía, lõi ngô..) được chú ý nhiều trong sản xuất nấm men. Trước hết cần phải thuỷ phân xenluloza bằng axit hoặc bằng enzim. Nếu dùng gỗ thì thường phải thuỷ phân bằng axit sunfuric. Nước thải của nhà máy chế biến sữa, còn gọi là nhũ thanh (lactoserum): trong quá trình lên men lactic để chế biến phomat, sau khi kết tủa cazein ra khỏi s ữa, ph ần còn lại gọi là nhủ thanh có chứa lactoza, protein, axit lactic, axit béo, một số vitamin và muối khoáng. Người ta chọn chủng nấm men thích hợp để có thể thuỷ phân được liên kết galactozidaza và thu được sinh khối nấm men dạng khô có thành phần protein thô khoảng 32%, lipit 45%, lacto khoảng 23%. Chủng nấm men C.utilis và C.pseudotropical rất thích hợp trong môi trường trên đây. Page 19
Bột ngũ cốc: là nguồn sản xuất sinh khối nấm men rất tốt. Bột hoặc tinh bột dùng vào mục đích này trước tiên phải tiến hành thuỷ phân bằng axit hoặc bằng enzim của mầm mạ hoặc enzim của vi sinh vật để biến các polysacarit thành các dạng đường mà nấm men có thể đồng hoá được. Trong trường hợp dùng nấm men Saccharomysces cerevisiae thì có thể kết hơp chưng cất thu lấy cồn từ dịch thải sau khi tách sinh khối. Như vậy trong dây chuyền công nghệ cần phải trang bị thêm bộ phận chưng cất. Dịch ly tâm được đưa vào hệ li tâm tách (separator) và dịch thải sau khi được tách ra được chuyển đến khâu chưng cất. 2.1.4. Chủng nấm men: Tuỳ theo từng loại nguyên liệu khác nhau, chúng ta có thể sử dụng những chủng nấm men phù hợp để tạo sinh khối có hiệu quả nhất. Đối với nguyên liệu là rỉ đường, dung dịch đường, nấm men thường dùng là Saccharomysces cerevisiae, Candidas tropicalis, Candidas utilis. Đối với nguyên liệu tinh bột hay nước thải tinh bột, dùng chủng nấm men tương ứng là Endomycopis fibuligera hoặc phối hợp giữa Endomycopis với Candidas tropicalis. Nếu nguyên liện là bã rượu, chủng nấm men là Candidas utilis. Nếu sử dụng lactoserum (nhũ thanh sữa) thì chủng nấm men đặc chủng là Torula cremoris, T. lactosa. Nguyên liệu là kiềm sunfit, chủng nấm men sử dụng là Cryptococus diffluens, Candidas tropicalis, Candidas utilis. Tuy nhiên trong trường hợp không có những chủng nấm men phù hợp, chúng ta có thể thay thế một trong các chủng trên đây. 2.2. Sản xuất sinh khối nấm men từ rỉ đường Page 20