Bài giảng Ứng dụng công nghệ sinh học trong công nghệ thực phẩm - Chương 2: Công nghệ sinh học trong tạo nguồn nguyên liệu cho công nghệ thực phẩm

Nội dung text: Bài giảng Ứng dụng công nghệ sinh học trong công nghệ thực phẩm - Chương 2: Công nghệ sinh học trong tạo nguồn nguyên liệu cho công nghệ thực phẩm

1. CHƢƠNG II: CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG TẠO NGUỒN NGUYÊN LIỆU CHO CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
2. 1. Tài nguyên sinh học 1.1 Phân loại thực phẩm theo tài nguyên sinh học Thực vật Các nguồn khác TNSH Động vật Vi sinh vật
3. TÀI NGUYÊN ĐỘNG VẬT ĐẶC TRƢNG DINH DƢỠNG Động vật Có hàm lƣợng cao các protein chất lƣợng tốt Trứng Cholesterol trong lòng đỏ cao Các sản phẩm từ sữa Chất béo bảo hoà cao Calcium cao (trừ bơ) Lactose (một số cá nhân không hấp thu đƣợc đƣờng này) Cá nƣớc ngọt Cá nƣớc ngọt ít Na hơn cá biển. Nhiều acid béo thiết Cá biển yếu. Nghêu, sò, hến Cung cấp cholesterol với mức độ tƣơng tự nhƣ cá, nhƣng cho nhiều acid béo thiết yếu hơn. Nhiều nguyên tố vi lƣợng, nhƣng đôi khi nhiễm kim loại nặng. Động vật giáp xác (ví dụ: tôm sú, tôm Nhiều cholesterol hơn cá, nhiều acid béo thiết yếu. hùm) Động vật ăn cỏ Hàm lƣợng sắt cao. Hàm lƣợng chất béo bảo hoà cao. Động vật dạ dày đơn, đã đƣợc thuần Chất béo nhiều hơn động vật ăn cỏ. hoá (vd: heo) Động vật dạ dày đơn, chƣa đƣợc thuần Chất béo nhiều hơn động vật ăn cỏ. hoá (vd: Kangaroo, thỏ)
4. Gia cầm (thuộc giống chim) Thƣờng ít chất béo. Thịt từ các cơ quan động vật: Gan Là nguồn tài nguyên tốt về vitamin và đa số nguyên tố. Hàm lƣợng cholesterol cao. Hàm lƣợng acid amin cao. Óc Hàm lƣợng cholesterol cao. Các cơ quan khác (thận, tim, ruột) Hàm lƣợng cholesterol cao. TÀI NGUYÊN THỰC VẬT Thực vật nói chung Đều có chứa các sợi ăn đƣợc, chứa Ca nhiều hơn Na. Rau quả: Củ (cà rốt, khoai tây, khoai lang ) Hàm lƣợng tinh bột cao. Hàm lƣợng vitamin C vừa phải và hàm lƣợng vitamin A cao trong các loại có màu vàng cam. Lá xanh Carotene, vitamin K cao. Họ bầu, bí Carotene cao (nếu có màu vàng cam) Hoa Hàm lƣợng vit C cao. Thân (vd: cần tây, hành) Cung cấp năng lƣợng thấp.
5. Cà chua Năng lƣợng thấp và hàm lƣợng vit C vừa phải. Ớt Năng lƣợng thấp, vit C cao. Các loại đậu Hàm lƣợng tinh bột cao. Số lƣợng protein vừa phải nhƣng thiếu protein thiết yếu là methionin. Ngũ cốc và hạt Chứa các sợi ăn đƣợc giàu pentosan là chất có vai trò chủ yếu trong chức năng của ruột. Hàm lƣợng tinh bột cao. Hàm lƣợng protein vừa phải nhƣng thiếu protein thiết yếu là lysin. Bắp Thiếu 2 amino acid thiết yếu (lysin và tryptophan) và vitamin nhóm B (niacin).
6. Trái cây: Họ cam chanh Giàu pectin, có đặc điểm làm keo tụ. Hàm lƣợng vit C cao và folacin vừa phải. Quả cứng (mận, đào, mơ ) Hàm lƣợng caratene vừa phải, vit C thấp. Lê và táo Thành phần chủ yếu là nƣớc, crbonhydrate và sợi, ít vit. và chất khoáng. Quả nhiệt đới (xoài) Hàm lƣợng carotene, vit. C cao, giàu pectin. Quả mọng (dâu) Vit. C cao. Hạt (đậu, cà phê) Năng lƣợng cao, nhiều loại acid béo với hàm lƣợng cao, hàm lƣợng protein vừa phải. CÁC CHẤT NGỌT Các chất tạo ra đƣờng Cung cấp năng lƣợng cao, dinh dƣỡng thấp.
7. VI SINH VẬT Vi sinh vật đất Tạo ra vit 8-12; ngƣời ăn chay thƣờng thiếu các vitamin này. Nấm men Tạo ra nhiều loại vitamin và các nguyên tố vi lƣợng, hàm lƣợng acid nucleic cao. Nƣớc uống lên men Hàm lƣợng dinh dƣỡng tuỳ thuộc vào nguồn carbohydrate dùng trong quá trình chế biến; có độ rƣợu. Thực phẩm lên men Hàm lƣợng amino acid cao, Na có thể cao. CÔN TRÙNG Phần thân thể côn trùng Hàm lƣợng protein cao. Mật ong Hàm lƣợng đƣờng đơn cao. NƢỚC Nƣớc Không cung cấp năng lƣợng, hàm lƣợng nguyên tố khoáng thay đổi. ĐẤT Thƣờng là do nhiễm bẩn thức ăn Có nhiều nguyên tố và vi sinh vật.
8. 1.2 Các chất phụ gia thực phẩm • Phụ gia thực phẩm là những cơ chất đƣợc thêm vào với mục đích cải thiện vẻ ngoài cho bắt mắt hơn, vị ngon, kết cấu, quá trình chế biến hay thời gian dự trữ thực phẩm. Trong đa số quốc gia, việc dùng chất phụ gia thực phẩm đƣợc chi phối bởi nhiều quy định. Chỉ những chất phụ gia đƣợc phép mới đƣợc dùng và tiếp theo là loại phụ gia nào đƣợc dùng cho loại thực phẩm nào với nồng độ tối đa đƣợc xác định. • Trƣớc khi một chất phụ gia đƣợc chứng nhận là đƣợc dùng cho thực phẩm thì nó phải đƣợc xác nhận là an toàn và phải không có sản phẩm tƣơng tự đƣợc sản xuất mà không cần dùng chất phụ gia đó. • Khi phụ gia thực phẩm đƣợc dùng, trên nhãn hiệu hàng hoá phải ghi rõ điều này bằng tên hoá học hay tên của lớp. Trong đa số trƣờng hợp, tên lớp mô tả chức năng của phụ gia trong thực phẩm.
9. PHÂN LOẠI PHỤ GIA THỰC PHẨM Anti-caking agents Food acids Antioxidants Flavour enhancers Artificial sweetening Humectants (chất làm ẩm) substances Minerals Bleaching (tẩy trắng) agents Mineral salts Colours Preservatives Emulsifiers Propellants (Tác nhân đẩy) Enzymes Thickeners (Chất làm đặc) Flavours Vegetable gums Flour treatment agents Vitamins
10. SỬ DỤNG CHẤT PHỤ GIA THỰC PHẨM NHÓM PHỤ GIA VÀ CHỨC NĂNG THỰC PHẨM CÓ THỂ CHỨA CHẤT PHỤ GIA Tác nhân chống vón cục Salt, milk powder in drink- (e.g. sodium alumino silicate). dispensing machines. Added to finely powdered and crystalline foods to prevent lumping. Chất chống oxy hoá Edible oils and fats, margarine, (e.g. butylated hydroxyanisole). 'instant' potato, dehydrated Preservatives to retard development vegetables. of rancidity and discolouration. Tác nhân tẩy trắng Flours, bread. (e.g. chlorine dioxide). Added to flour to lighten its colour and improve bread-making.
11. NHÓM PHỤ GIA VÀ CHỨC NĂNG THỰC PHẨM CÓ THỂ CHỨA CHẤT PHỤ GIA Màu Pastry products, cake, cheese, (e.g. tartrazine). confectionery, cordials, dessert mixes, To improve appearance and reinforce flavoured milk, fruit-flavoured drinks, flavour. spreads and fillings, fruit yoghurt, ice cream, icing mixture, jams, jellies, margarine, pickles, sauces, soft drinks. Chất tạo nhũ, chất làm đặc Biscuits, bread, cake, canned meats, (e.g. glyceryl monostearate). confectionery, thickened cream, instant To improve consistency, impart body potato, dessert mixes, flavoured milk, and stabilize air/oil/water mixtures. fruit drinks, fruit yoghurt, ice cream, imitation cream, margarine, mayonnaise, peanut butter, salad dressings, soups. Chất tạo hƣơng vị và tăng cƣờng Pastry products, cheese, chocolate, hƣơng vị confectionery, cordials, dessert mixes, (e.g vanillin). flavoured milk, ice cream, imitation To impart taste and/or aroma to food cream, jellies, manufactured meats, soft drinks, margarine, pickles. The most widely used flavour enhancer, MSG (monosodium glutamate) is used in prepared meat/fish dishes, packet soups and many canned foods.
12. NHÓM PHỤ GIA VÀ CHỨC NĂNG THỰC PHẨM CÓ THỂ CHỨA CHẤT PHỤ GIA Acid thực phẩm Pastry products, cake, cheese, cider, (e.g. citric acid) confectionery, jellies, cordials, Give sour or tart taste, aid desserts, pickles, fruit drinks, jams, preservation modify other flavours, sauces, mayonnaise, salad dressings, soft drinks, soups, spreads. Chất tạo ẩm Pastry products, cake, confectionery, (e.g. glycerol) fruit spreads and fillings, almond Help to retain a soft consistency icing, sweetened coconut. during storage. Chất bảo quản Pastry products, bread, canned fruit, (e.g. benzoic acid) canned meat products, cheese, Prevent the growth of moulds, cordials, cured meat,'instant' potato, yeasts and bacteria. flour, fruit drinks, fruit salad, pickles, sausages, soft drinks, tomato juice.
13. 2. Những vấn đề về nguyên liệu cho chế biến thực phẩm
14. 2.1 Những ứng dụng của công nghệ sinh học trong quá trình chế biến thực phẩm Công nghệ sinh học bao gồm nhiều kỹ thuật có thể đƣợc ứng dụng vào lĩnh vực thực phẩm và nông nghiệp. Những kỹ thuật đó bao gồm: biến đổi gen, chuyển gen, chuyển phôi, tạo các dạng tam bội Nó cũng bao gồm cả những kỹ thuật dùng để thu hái nguyên liệu thô từ mùa vụ, từ đánh bắt hải sản và từ vật nuôi. Điều này đƣợc quan tâm vì nó rất quan trọng đối với việc an toàn thực phẩm. - Mục tiêu của công nghệ sinh học thực phẩm là chọn lọc và cải tiến chủng vi sinh vật nhằm có thể điều khiển quá trình, nâng cao sản lƣợng, chất lƣợng, an toàn và ổn định sản phẩm. Vi sinh vật dùng trong CNSH TP gồm cả vi khuẩn, nấm men và nấm mốc.
15. - Lên men là quá trình chuyển hoá sinh học những chất hữu cơ nhờ vi sinh vật hay enzyme vi sinh vật, thực vật hay động vật. Lên men là dạng được dùng lâu đời nhất để bảo quản thực phẩm. Những thực phẩm lên men như phô mai, rượu vang, bánh mì đã được tiêu thụ hàng ngàn năm nay và có liên quan đến văn hoá và truyền thống của các quốc gia dân tộc. Ước tính thực phẩm lên men chiếm 1/3 trong thực phẩm toàn cầu.
16. Lên men được ứng dụng rộng rãi trong việc bảo quản các chất liệu từ nông nghiệp (ngũ cốc, rễ, củ, rau quả, sữa, thịt, cá ). Nhiều sản phẩm đã được đưa ra thị trường và chiếm thị phần lớn như phô mai, yogurt, sữa lên men, nước tương Ở các nước phát triển, thực phẩm lên men được đông đảo người tiêu dùng chấp nhận vì tính an toàn của nó do quá trình lên men được điều khiển nghiêm nhặt. Trong khi đó, một số quá trình lên men truyền thống lại không được kiểm soát và phụ thuộc vào vi sinh vật từ môi trường cũng như cơ chất dùng cho lên men. Những quá trình như thế dẫn đến sản lượng thấp và chất lượng không ổn định.
17. 2. 2 Hiện trạng của công nghệ sinh học thực phẩm 2.2.1 Công nghệ sinh học dùng trong thực phẩm lên men: • Vi sinh vật là yếu tố trung tâm của hệ thống quá trình trong sự sản xuất thực phẩm lên men. Các chủng VSV có thể được cải tiến về mặt di truyền bằng cả phương pháp truyền thống cũng như các kỹ thuật hiện đại. Những tính chất được quan tâm trong quá trình cải tiến chủng VSV là nâng cao chất lượng về mùi, hương, vẽ ngoài, kết cấu, tính ổn định, kháng vi rút, khả năng tạo kháng sinh để ức chế những VSV không mong muốn. Trong nhiều nước phát triển, nghiên cứu còn tập trung vào khả năng phân giải hoặc bất hoạt các chất độc tự nhiên (vd: cyanogenic glucosides trong cây sắn), độc chất của nấm trong lên men ngũ cốc).
18. • Các phƣơng pháp truyền thống: gây đột biến gen, tiếp hợp (dùng cho vi khuẩn), phƣơng pháp lai dùng trong nấm men đƣợc ứng dụng rộng rãi trong công nghệ bia và bánh mì. a) Gây đột biến gen Dùng các hoá chất gây đột biến hoặc tia UV để tạo ra những thay đổi trong bộ gen. Các chủng đột biến nhƣ thế sẽ tiếp tục đƣợc chọn lọc dựa trên những tính chất cơ bản nhƣ khả năng tạo màu hay kháng vi rút. Tuy nhiên, những đột biến này lại thƣờng có những biểu hiện không mong muốn có thể ảnh hƣởng đến quá trình lên men.
19. b) Sự tiếp hợp Đây là quá trình mà chất liệu di truyền đƣợc chuyển đến những loài VSV gần gũi do sự tiếp xúc lý học giữa thể cho và thể nhận. Sự trao đổi gen tiếp hợp cho phép chuyển cả gen nhiễm sắc thể và gen nằm trên plasmid. c) Sự lai Sự sinh sản hữu tính trong nấm men dẫn đến sự tái tổ hợp gen, nhờ đó có sự cải tiến giống trong nấm men. Ví dụ, sự giao phối giữa những chủng nấm men đơn bội có đặc diểm tách khí tốt với nấm men có đặc tính làm khô tốt sinh ra chủng mới tập hợp đƣợc cả hai đặc điểm trên.
20. • Phƣơng pháp phân tử a) Biến đổi gen Phƣơng pháp DNA tái tổ hợp đƣợc dùng trong biến đổi gen ở vi khuẩn, nấm men và nấm mốc để biểu hiện đƣợc những gen mong muốn, che dấu những gen. Những ứng dụng thành công trong biến đổi gen dùng cho CNSH thực phẩm đòi hỏi sự phát triển và sử dụng các vector dùng cho thực phẩm tức là những plasmid không chứa những gen kháng kháng sinh nhƣ là các gen đánh dấu gồm các trình tự DNA từ các VSV đƣợc xác định là an toàn. Nấm men biến đổi gen ứng dụng trong làm bánh mì và bia đã đƣợc chấp nhận cho sử dụng đã cho thấy sử dụng tốt hơn nguồn carbon hydrat. Tuy nhiên không có chủng nào đƣợc thƣơng mại hoá.
21. b) Sự đặc trƣng hoá di truyền • Sự đặc trƣng di truyền của những chủng VSV thông qua việc dùng những kỹ thuật chẩn đoán phân tử có thể đóng góp nhiều cho sự hiểu biết về quá trình lên men. Những chẩn đoán phân tử cung cấp những công cụ hữu ích cho việc khám phá, nhận dạng và đặc trƣng hoá các chủng VSV dùng cho cải tiến quá trình lên men. Những hểu biết đó bao gồm những tƣơng tác sinh thái của những chủng VSV, vai trò của chúng, sự cạnh tranh trong quá trình lên men để dẫn đến sản phẩm cuối cùng có chất lƣợng cao.
22. c) Liên quan đến bộ gen • Trong những năm gần đây, trình tự bộ gen của nhiều VSV liên quan đến thực phẩm đã đƣợc giải mã, ví dụ nhƣ Saccharomyces cerevisiae-1996
23. 2.2.2 Công nghệ sinh học trong việc sản xuất enzyme • Enzymes là chất xúc tác sinh học giúp cho các phản ứng chuyển hoá tiến hành nhanh và thuận lợi. Đó là những protein và đòi hỏi cơ chất chuyên biệt để hoạt động. Điều kiện xúc tác của chúng nằm trong giới hạn hẹp (nhiệt độ, pH ). Đa số enzyme bị biến tính ở trên 42°C. Tuy nhiên các enzyme vi khuẩn có giới hạn nhiệt độ rộng hơn. • Sản xuất công nghiệp enzyme từ VSV liên quan đến việc nuôi cấy VSV trong các bồn lên men. VSV sẽ tiết enzyme vào môi trƣờng nuôi cấy nhƣ là chất chuyển hoá của hoạt động vi sinh. Sau đó enzyme đƣợc chiết tách ra khỏi môi trƣờng, tinh chế và dùng cho nhiều quá trình chế biến.
24. 2.2.3 Công nghệ sinh học trong việc sản xuất các thành phần thực phẩm Các tác nhân tạo mùi, các acid hữu cơ, phụ gia thực phẩm và các amino acid là các chất chuyển hoá của vi sinh vật trong quá trình lên men. Quá trình lên men vi sinh vật do đó đã đƣợc ứng dụng trong thƣơng mại để sản xuất ra những thành phần của thực phẩm. Kỹ thuật chuyển hoá, một phƣơng pháp mới liên quan con đƣờng chuyển hoá theo mục tiêu của VSV đƣợc nghiên cứu rộng rãi để cải tiến năng suất và sản lƣợng các thành phần thực phẩm. Các nghiên cứu này liên quan đến việc thay đổi hoạt động ngoại bào dựa vào enzyme, chức năng vận chuyển và điều hoà của tế bào nhờ kỹ thuật tái tổ hợp ADN và các kỹ thuật di truyền khác.
25. 2.2.4 Công nghệ sinh học trong chẩn đoán các xét nghiệm thực phẩm Nhiều phƣơng pháp vi sinh thực phẩm cổ điển dùng trong quá khứ thì dựa vào quá trình nuôi cấy VSV trên những đĩa thạch và khám phá những đặc điểm sinh hoá. Những phƣơng pháp này thƣờng chậm chạp và độ chính xác không cao. Những chẩn đoán và nhận dạng dựa trên gen khắc phục những nhƣợc điểm trên. Các phƣơng pháp sinh học phân tử nhƣ polymerase chain reaction (PCR), ribotyping (xác định sự tƣơng đồng và khác nhau giữa vi khuẩn ở mức độ loài và chủng), restriction fragment length polymorphism (RFLP) phân tích ribosomal ribonucleic acids (rRNA) genes
26. 3. Công nghệ sinh học cổ điển tạo nguyên liệu cho chế biến thực phẩm • Mặc dù con ngƣời có xu hƣớng xem CNSH nhƣ một ngành khoa học mới, nhƣng thực ra nó đã xuất hiện trên 6000 năm kể từ sản phẩm bia đầu tiên đƣợc lên men. • Lịch sử của CNSH liên quan đến thực phẩm bắt đầu từ khi con ngƣời biết trồng cây, nuôi thú để dùng cho bữa ăn, biết làm bánh mì, làm rƣợu và tạo ra nhiều sản phẩm lên men khác nhƣ yoghurt, phô mai, các sản phẩm lên men từ đậu
27. Những giai đoạn chính của sự phát triển CNSH liên quan đến thực phẩm: - CNSH cổ điển 4000 năm TCN: Ngƣời Ai Cập dùng nấm men để làm bánh mì và làm rƣợu. - 2000 năm TCN: Ngƣời Trung quốc phát triển các kỹ thuật lên men để làm bia và phô mai. - 1500 năm TCN: Phát triển kỹ thuật làm yoghurt, chứng minh cho việc tạo hƣơng vị và bảo quản thực phẩm bằng vi khuẩn Aztecs làm bánh từ tảo Spirulina. - 1861: Nhà hoá học Pháp Louis Pasteur phát triển phƣơng pháp khử trùng pasteur, dùng nhiệt để bảo quản thực phẩm.
28. - 1879: William James Beal thực hiện thí nghiệp lai bắp đầu tiên. - 1928 F.Griffith khám phá biến nạp gen và chuyển gen từ vi khuẩn này sang vi khuẩn khác. - 1941: A. Jost dùng thuật ngữ kỹ thuật di truyền trong bài giảng về sinh sản hữu tính ở nấm men. - 1943: Oswald Avery, Colin MacLead and Maclyn McCarty chỉ ra DNA mang thông tin di truyền của tế bào. - Những năm 1970, Paul Berg, Stanley Cohen and Herbert Boyer giới thiệu kỹ thuật tái tổ hợp DNA. - 1986, thực vật chuyển gen đầu tiên (thuốc lá).
29. 4. Công nghệ sinh học hiện đại tạo nguyên liệu cho chế biến thực phẩm 4.1 CÁC THỰC VẬT CHUYỂN GEN Chuyển gen vào thực vật là một trong những lĩnh vực phát triển nhanh nhất của Công nghệ sinh học phân tử. Ngay trong năm 2000, diện tích cây trồng chuyển gen trên thế giới đã đạt 42 triệu ha. 4.1.1. Các đặc điểm chuyển gen ở thực vật Sự can thiệp của công nghệ gen vào thực vật có những đặc điểm sau : – DNA bộ gen của đa số thực vật có kích cỡ rất lớn (1010 – 1011bp), hơn gấp 10 đến 100 lần bộ gen ngƣời. Do đó, genomics thực vật chỉ thực hiện trên vài đối tƣợng ngoại lệ đặc biệt nhƣ Arabidopsis thaliana (một loài cỏ hoang với DNA khoảng 100Mb), lúa, cà chua.
30. – Thực vật có vách tế bào dày nên khó biến nạp trực tiếp DNA vào tế bào mà phải qua trung gian là vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens chuyển plasmid Ti, hoặc nhờ công cụ bắn DNA vào trong tế bào. – Bào quan lục lạp (chloroplast) của tế bào thực vật có cấu trúc giống tế bào vi khuẩn nên qua nó có thể thực hiện chuyển gen. – Thƣc vật xanh là những sinh vật sản xuất có vai trò sinh môi to lớn cho sự sống trên hành tinh, và cây trồng là nguồn cung cấp lƣơng thực thực phẩm chủ yếu cho nhân loại nên việc ứng dụng các sinh vật biến đổi gen (genetically modified organism – GMO) là vấn đề gây nhiều tranh cãi.
31. CN gen hỗ trợ hữu hiệu cho việc chọn giống cây trồng: chọn giống đơn bội, chọn giống đa bội, tạo dƣa hấu không hạt, chọn giống có hiệu suất quang hợp cao, chọn giống mang gen cố định đạm (không cần phân đạm), chọn giống mang gen diệt sâu hại (hạn chế sử dụng thuốc trừ sâu), chọn giống kháng virus, chọn giống giàu dinh dƣỡng, chọn giống đề kháng thuốc trừ cỏ
32. • CN gen mở ra tiền đồ to lớn trong việc tạo ra các cây trồng chuyển gen (GMC= Genetic Modification Containment hay GMO = Genetically Modified Organism). • Các nƣớc hiện có cách nhìn không thống nhất về GMC. Hoa Kỳ mở rộng rất nhanh chủng loại và diện tích gieo trồng GMC. Trung Quốc thận trọng hơn nhƣng riêng loại bông kháng sâu hại cũng đã đƣợc đƣa ra diện tích tới 5 triệu mẫu TQ (15 mẫu TQ = 1ha). Nhiều nƣớc Châu Âu chống lại chủ trƣơng phát triển các loại GMC. Cũng có thể còn do có cả các lý do cạnh tranh thị trƣờng.
33. Nƣớc ta có nguồn gen sinh học đa dạng vào loại nhất thế giới; có rất nhiều tiềm năng để phát huy thế mạnh của nghề nông, nghề rừng, nghề biển; có phong phú các nguồn nguyên liệu cho công nghệ lên men (rỉ đƣờng, tinh bột, cellulose và lignin ).
34. 4.1.2. Cải thiện giống cây trồng Bước phát triển đầu tiên của các thực vật chuyển gen (transgenic plants) là đưa vào các giống cây trồng các đơn gen nhƣ kháng thuốc diệt cỏ (herbicide) và kháng bệnh. Gần đây có các nỗ lực hƣớng vào sự chuyển đa gen. Các phƣơng pháp khác nhau đƣợc ứng dụng nhằm : – Vô hiệu hoá sự nhiễm virus vào cây trồng để có kiểu hình kháng virus tƣơng ứng. – Tạo giống cây kháng bệnh nấm nhƣ ở thuốc lá và cải dầu (Brassica napus) kháng Rhizoctonia solani.
35. – Chuyển gen Bt của Bacillus thuringiensis vào cà chua, thuốc lá, bông vải giúp kháng sâu hại. – Tạo sắc tố ở các thực vật chuyển gen. Nhiều thực vật đƣợc dùng làm cây cảnh nên việc biến đổi màu sắc của chúng rất đƣợc quan tâm. Sắc tố của hoa chủ yếu do 3 nhóm chất: flavonoid, carotenoid và betacyanin. Nhiều gen tạo flavonoid đã đƣợc tạo dòng và đang tìm nhiều cách khác nhau cho biểu hiện ở thực vật .
36. 4.1.3. Biến đổi chất lƣợng thực phẩm của cây trồng Đây là bước phát triển lớn thứ hai của thực vật chuyển gen và đã thành công trong biến đổi hàng loạt tính chất nhƣ tăng amino acid có giá trị (lysine, methionine, cysteine), lipid tốt hơn, tăng lƣợng vitamin, độ ngọt, chất bột Một số ví dụ điển hình. Năm 1988, 2 nhóm các nhà khoa học đã sử dụng antisense RNA làm cho cà chua chín chậm và khó bị dập hơn khi vận chuyển.
37. Thực vật sản xuất vaccin đã thu đƣợc kết quả đầu tiên ở khoai tây, tiếp theo là ở chuối và gần đây ở cà chua. Ngƣời ăn chuối có vaccin sẽ khỏi phải tiêm (chích) vào cơ thể và một hƣớng phát triển mới hình thành là ăn trị bệnh, còn gọi là dinh dưỡng dược (nutriceutical). - Mặc dù gạo đƣợc một nửa dân số thế giới ăn hàng ngày, nhƣng nó thiếu một số chất dinh dƣỡng và vitamin A. Khoảng 124 triệu trẻ em trên thế giới bị thiếu vitamin A và hậu quả là 1 – 2 triệu trẻ em chết hằng năm. Bằng biến nạp nhờ Agrobacterium, con ngƣời đã chuyển gen quy định toàn bộ chuỗi sinh tổng hợp beta- carotene (tiền chất vitamin A) vào lúa.
38. • Giống lúa đã đƣợc chuyển 3 gen là gen mã hoá ferritin (protein trữ sắt hàm lƣợng cao) từ đậu ve (green bean Phaseolus vulgaris), gen mã hoá phytase và gen mã hoá metallothionein từ nấm Aspergillus fumigatus, làm tăng hấp thu sắt và cho hạt gạo giàu sắt dễ hấp thụ. • Monellin là protein có trong một loại trái cây ở châu Phi, nó ngọt gấp 3000 lần đƣờng ăn khi so cùng khối lƣợng. Gen mã hoá monellin đƣợc biến đổi đã đƣợc chuyển thành công vào cà chua và rau sà lách. • Ngoài ra, KTDT còn có thể cải thiện thành phần protein của thực vật hay loại bỏ các độc tố của thực phẩm.
39. 4.1.4. Thực vật sản xuất các loại hoá chất đặc biệt Đây là bước tiến thứ ba với các kết quả nhƣ sau : – Dầu nhờn công nghiệp : Thực vật bậc cao tạo ra hơn 200 loại acid béo và một số đƣợc dùng làm thực phẩm. Tuy nhiên, một số dầu thực vật có giá trị công nghiệp cao hơn dầu ăn. Đã tạo ra nhiều giống cải dầu chuyển gen làm biến đổi thành phần các acid béo để có nhiều ứng dụng rộng rãi hơn.
40. – Chất dẻo plastic : Ví dụ, cây Arabidopsis mang gen vi khuẩn sản xuất chất dẻo polyhydroxybutyrate (PHB) là chất dự trữ ở vi khuẩn và có tính chất tƣơng tự celophan (giấy bóng). – Các protein trị liệu : Đã tạo ra các thực vật sản xuất enkephalin ở cây cải dầu làm chất giảm đau, serum albumin ở khoai tây để tăng máu. Các gen của globine máu đƣợc đƣa vào cây thuốc lá (1996). Các gen immunoglobin đƣợc biểu hiện ở thực vật có thể đạt 1% protein hoà tan của lá.
41. 4.2 ĐỘNG VẬT CHUYỂN GEN 4.2.1. Các đặc điểm chuyển gen ở động vật Một số động vật có nhiều gen gần giống với các gen của ngƣời, nên chúng đƣợc nghiên cứu chi tiết và việc giải kí tự chuỗi bộ gen đã hoàn tất ở các đối tƣợng mô hình nhƣ ruồi giấm, tuyến trùng Caenorhabditis elegans, chuột. Vi tiêm là phƣơng pháp chuyển gen thông dụng hơn cả. DNA đƣợc bơm thẳng vào hợp tử ở giai đoạn nhân non (pronucleus). Ngoài ra có thể sử dụng các virus, tế bào phôi gốc hay điện biến nạp để chuyển gen. Chuyển gen ở cá dễ thực hiện nhờ thụ tinh ngoài.
42. Nhƣợc điểm lớn nhất là các virus động vật có nhiều khả năng gây bệnh cho ngƣời. Đặc biệt, sự ra đời của kĩ thuật tạo dòng vô tính động vật, bằng cách chuyển nhân tế bào soma vào các tế bào trứng mất nhân (enucleated eggs), mở rộng đáng kể khả năng tạo các động vật mang gen lạ ổn định qua nhiều thế hệ. Tiếp theo là việc hình thành kĩ thuật chuyển gen vào tế bào gốc đã tạo nên bƣớc phát triển mới.
43. 4.2.2 Các động vật nuôi chuyển gen sản xuất r-protein Con ngƣời đã tiến khá xa trong sử dụng các động vật (bò, dê, cừu, heo, thỏ) chuyển gen để sản xuất r-protein ngƣời nhƣ cho gen biểu hiện ở tuyến sữa để có thể thu nhận nhiều lần một cách dễ dàng với số lƣợng đáng kể. Ở đây, tuyến sữa trở thành bioreactor sản xuất r-protein. Nếu một con bò sữa giống tốt cho 10000 lít sữa/năm, mà mỗi lít có 1 gr r-protein với hiệu suất tinh sạch chỉ 50%, thì từ 20 con sẽ thu đƣợc 100kg r-protein.
44. 5. An toàn và bảo quản nguyên liệu sinh học cho chế biến thực phẩm • An toàn thực phẩm dựa trên khái niệm ngƣời tiêu dùng sẽ không bị nguy hiểm khi thực phẩm đƣợc dự trữ, chuẩn bị và ăn. Trong lịch sử, thực phẩm đƣợc chuẩn bị và sử dụng trong nhiều năm phải đƣợc an toàn. • Công nghệ sinh học hiện đại - đƣợc mở rộng đến khái niệm biến đổi di truyền đƣợc thực hiện ở giai đoạn nuôi trồng, có thể dẫn đến thực phẩm ít an toàn hơn những thực phẩm theo kỹ thuật truyền thống. Tuy nhiên chƣa có tiêu chuẩn đánh giá một cách pháp lý và thống nhất về mức độ an toàn theo công nghệ.
45. • Phƣơng pháp đánh giá an toàn thực phẩm đƣợc thực hiện độc lập bởi OECD, WHO và FAO thì dựa vào sự so sánh các sản phẩm mới với những sản phẩm làm theo công nghệ truyền thống. Họ cũng đánh giá theo quá trình đƣa vào tiêu thụ đƣợc ngƣời tiêu dùng chấp nhận. • Để đánh giá một thực phẩm mới so với thực phẩm truyền thống, ngƣời ta dựa vào 3 yếu tố chính:
46. 1. Thành phần và tính chất của sản phẩm truyền thống là gì? 2. Những tính chất nào đƣợc thay đổi để tạo ra thực phẩm mới, và những thay đổi này dẫn đến thay đổi thành phần nhƣ thế nào? Điều này thực hiện bằng cách xem xét cách thu nhận sản phẩm truyền thống, những thay đổi để thu nhận sản phẩm mới, những ảnh hƣởng phụ của sản phẩm mới và tính chất của những phần đƣợc thay đổi trong sản phẩm mới. 3. Những tính chất và thành phần của sản phẩm mới so với sản phẩm truyền thống.
47. • Dựa vào 3 yếu tố trên, những hiểu biết về thực phẩm mới hay thành phần thực phẩm đƣợc tạo ra từ nguyên liệu có những đặc trƣng mới sẽ đƣợc mô tả kỹ lƣỡng, cộng thêm sự đảm bảo về việc không gây nguy hiểm cho ngƣời tiêu dùng, thực phẩm mới sẽ đƣợc xem xét để đƣợc tồn tại. • Cũng có trƣờng hợp liên quan đến an toàn và dinh dƣỡng đƣợc xem là không thuận lợi. Ví dụ: khoai tây bíến tự nhiên có lớp protein vỏ vi rút chống tác nhân xâm nhiễm. Những protein này chẳng bao giờ có ảnh hƣởng tác hại. Khoai tây có thể kháng lại những bệnh vi rút. Khoai tây biến đổi di truyền lại chứa lớp vỏ này với mức độ kháng virut thấp.
48. • Nếu thực phẩm mới không tƣơng đồng với thực phẩm truyền thống về những đặc điểm ƣu việt thì tình trạng khá phức tạp và sẽ đƣợc tập trung xem xét đánh giá để đảm bảo chắc chắn chỉ những thực phẩm an toàn mới đƣợc đƣa ra ngƣời tiêu thụ. Khi một biểu hiện đƣợc xem là không an toàn thì phải đảm bảo rằng gen mã hoá cho nó không đƣợc chuyển sang loài khác.
49. TÀI NGUYÊN SINH HỌC ĐƠN GIẢN NHẤT CHO THỰC PHẨM I. Các ứng dụng về sự lên men các nguyên liệu thô có thành phần căn bản là đƣờng II. Các ứng dụng về sự lên men các nguyên liệu thô từ tinh bột
50. I. Các ứng dụng về sự lên men các nguyên liệu thô có thành phần căn bản là đƣờng 1. Mở đầu: • Những nguyên liệu thô chủ yếu: những carbohydrate, cung cấp nguồn năng lƣợng chủ yếu cho các vi sinh vật có thể xâm nhiễm đƣợc, liên quan đến quá trình lên men công nghiệp. Các đƣờng tinh nhƣ glucose hay sucrose thƣờng quá đắt để dùng trong công nghiệp, do đó cần thiết phải tìm nguồn carbon rẻ hơn. • Hiệu quả kinh tế quan trọng nhất chọn nguyên liệu cho quá trình lên men hết sức cần thiết. Nguồn carbon chiếm một phần lớn trong toàn bộ giá thành sản phẩm (chiếm tối thiểu 25%). – dựa vào yếu tố giá – nhiều yếu tố khác nhƣ là: kiểu lên men, sản lƣợng tạo ra, giá của các thành phần dinh dƣỡng cần bổ sung theo nhu cầu của vi sinh vật.
51. • Carbohydrate vừa là nguồn năng lƣợng, vừa là nguồn nguyên liệu cho sự tổng hợp các đại phân tử, cũng nhƣ cung cấp oxygen và hydrogen. Các nguyên liệu thô phức tạp hơn nhƣ xi- rô hay mật đƣờng chứa nitrogen, các chất khoáng, vitamin hay những cơ chất tăng trƣởng khác có thể giảm giá thành của việc sản xuất biomass. • Một số lƣợng lớn carbohydrate thô và tinh có thể thu đƣợc từ tinh bột, cellulose hay các carbon khác chứa nguyên liệu thô, chƣơng này chỉ đề cập đến các nguyên liệu thô từ đƣờng. Thuật ngữ đƣờng ở đây dùng để chỉ disaccharide sucrose và những sản phẩm của công nghệ đƣờng bao gồm chủ yếu là sucrose.
52. 2. Nguồn gốc của đường và các nguyên liệu thô Củ cải đƣờng hoặc mía  Nƣớc Chiết rút đƣờng Bột, bã mía  Tinh chế nƣớc ép, lọc  Nƣớc ép loãng  Làm bốc hơi nƣớc ép Nƣớc  Nƣớc ép cô đặc  Tinh thể hoá Nƣớc  Đƣờng tinh thể Mật đƣờng
53. 3. Nguyên liệu thô dùng như cơ chất - Nƣớc ép trái cây và mật đƣờng đƣợc xem là nguyên liệu thô. Trong lên men công nghệ sinh học, các nguyên liệu này đƣợc sử dụng nhƣ cơ chất nhờ có giá trị dinh dƣỡng cao, giảm chi phí do không phải bổ sung các chất tăng trƣởng khác. - Đa số các sản phẩm trung gian không có giá trị thƣơng mại cao nên ít có thông tin về thành phần của chúng, tuy nhiên thành phần của các nguyên liệu thô này cơ bản là giống nhau. Chúng khác nhau chủ yếu ở hàm lƣợng nƣớc và độ tinh sạch cũng nhƣ một vài chất thứ yếu thay đổi trong sự bốc hơi.
54. - Một cơ chất dùng trong công nghệ lên men phải đƣợc chuẩn bị sẳn sàng quanh năm vì có thể mùa vụ chỉ kéo dài trong một thời gian ngắn. - Nƣớc ép thô có hàm lƣợng sucrose khoảng 15% có thể dùng nhƣ nguồn carbon thuận lợi cho sự lên men quy mô lớn vì nó chứa nhiều hợp chất lên men bổ sung mà những chất này sẽ bị loại dần trong từng buớc của quá trình chế biến. Tuy nhiên, mặc dù ở pH, nhiệt độ thuận lợi, nguyên liệu này không tránh khỏi quá trình bị xâm nhiễm bởi các VSV nên nó phải đƣợc tiền xử lý trƣớc khi dự trữ. - Mật đƣờng cũng là một nguyên liệu tốt cho lên men .
55. 4. Mật đường Các loại mật đường: Là dung dịch gồm đƣờng, các chất hữu cơ, các chất vô cơ và nƣớc, nồng độ đƣờng cao. Hai loại phổ biến: mật đƣờng củ cải, mật đƣờng mía. – Mật đường thật: là sản phẩm phụ trong quá trình chế biến đƣờng – Các sản phẩm giống mật đường: Hydrol (dung dịch thu đƣợc sau khi chuyển tinh bột thành đƣờng; Milk sugar molasse (dung dịch thu đƣợc từ quá trình sản xuất lactose) – Các sản phẩm tương tự mật đường: Cane high- test molasse (thu đƣợc do bốc hơi trực tiếp từ dịch nuớc mía ép), Citrus molasse (thu đƣợc từ sự cô đặc nƣớc ép vỏ trái cây họ citrus đến nồng độ khoảng 72%)
56. 5. Dùng nguyên liệu thô từ đường cho lên men • Quá trình dùng mật đƣờng truyền thống là sản xuất ra alcohol, một quá trình thực hiện với mật đƣờng chƣng cất, hay trong sự sản xuất sinh khối nấm men. Nguyên liệu thô từ đƣờng còn đƣợc dùng đơn lẻ hay kết hợp với các nguồn carbon khác hoặc pha trộn với mật đƣờng. • Trong khi bã mía đƣợc ƣa dùng nhƣ nguồn nhiên liệu trong công nghiệp đƣờng mía hay dùng sản xuất bột giấy, thì củ cải đƣờng phù hợp hơn nhƣ nguồn carbon cho lên men số lƣợng lớn.
57. • Một số nguyên liệu thô không thuận lợi nhƣ nƣớc ép trái cây cô đặc đƣợc thử nghiệm để sản xuất nấm men bánh mì. Với sự pha trộn nƣớc ép và mật đƣờng và mật đƣờng, sản lƣợng thu đƣợc hầu nhƣ tƣởng ứng với mật đƣờng thuần chất. • Một phƣơng pháp cải tiến cho sản xuất glycerol đƣợc phát triển, ngƣời ta dùng mật mía nhƣ nguồn carbon. Mặc dù dung dịch đƣờng từ nhiều nguồn khác nhau đƣợc dùng để sản xuất acid citric nhƣng mật đƣờng vẫn là nguồn nguyên liệu chính đƣợc dùng để sản xuất acid citric với nấm mốc Aspergillus niger. Mật mía phải đƣợc tiền xử lý với potassium ferrocyanide, một hợp chất quan trọng cho sự kết tủa mới có thể dùng nhƣ cơ chất.
58. • Nƣớc ép trái cây cô đặc cũng đƣợc dùng trong sản xuất ethanol. Có nhiều nấm men chịu nhiệt cũng đƣợc nghiên cứu để lên men ethanol từ nƣớc mía ép và mật mía. Năm 1987, ABATE và cộng sự nghiên cứu sản xuất ethanol bằng nấm men flocculent (kết thành cụm) với cơ chất mật mía và nƣớc mía ép, và thấy rằng sản lƣợng và nồng độ ethanol cao hơn khi dùng cơ chất là sucrose bổ sung peptone.
59. • Một số quá trình lên men khác nhƣ: – Nƣớc ép mía, mật củ cải đƣờng dùng cho sản xuất levan. – Nƣớc ép trái cây đặc, mật đƣờng → sx L- lysine. – So sánh việc dùng mật củ cải đƣờng với các nguồn carbon khác → cải thiện sản lƣợng lysine và giảm giá thành khi lên men với Corynebacterium glutamicum. KHALAF: sản lƣợng lysine tốt nhất trên môi trƣờng chứa 15% mật đƣờng mía. Mật đƣờng đƣợc thủy phân và xử lý với Ca2+ dùng để sx fructose và là nguồn carbon tốt cho lên men acid glutamic và lysine. – Mật củ cải đƣờng có ảnh hƣởng đồng thời trên sự sản xuất poly- hydroxyalkanoates (PHB). Khi trộn 0,5-3% mật củ cải đƣờng với 2% sucrose sẽ kích thích tăng trƣởng và sản lƣợng PHB.
60. • Nhiều ứng dụng khác nhau phù hợp với nguyên liệu thô có thành phần căn bản là đƣờng. Đa số là những ứng dụng trong lĩnh vực sản xuất alcohol, nấm men và các acid hữu cơ.
61. II. Các ứng dụng về sự lên men các nguyên liệu thô từ tinh bột 1. Mở đầu • Tinh bột là một carbohydrate dự trữ trong thực vật phong phú nhất. Nó hiện diện trong hạt mầm hay củ với số lƣợng chiếm hơn ½ trọng lƣợng khô. Tinh bột có thể ở 2 dạng, dạng phân tử mạch thằng gọi là amylose và dạng phân nhánh gọi là amylopectin. • Amylose gồm những đơn vị glucose nối với nhau bởi các nối (1,4) trong khi amylopectin là những chuỗi phân nhánh bởi liên kết (1,6) với chuỗi (1,4).
62. • Tinh bột có thể chiết xuất tƣơng đối dễ từ những nguyên liệu thô khác nhau với sản lƣợng cao và khá thuần chất. Thêm vào đó, nó có thể chuyển hoá bằng quá trình đơn giản để cho một phổ rất rộng các các sản phẩm thủy phân từ maltodextrin cho tới glucose. Tinh bột hay các chất dẫn xuất của tinh bột có thể đƣợc chuyển hoá hầu nhƣ hoàn toàn bởi nhiều loài VSV khác nhau. Vì tất cả những lý do trên, tinh bột là nguyên liệu thô cho lên men đƣợc chọn lựa nhiều nhất. • Tinh bột dùng trong quá trình lên men đƣợc chiết xuất từ nhiều nguồn khác nhau tùy theo vùng địa lý. Ví dụ, bắp là nguồn nguyên liệu chủ yếu ở Mỹ, tinh bột lúa mì, bắp, cà chua đƣợc dùng ở châu Âu, bắp và sắn đƣợc dùng ở châu Á.
63. 2. Các loại tinh bột Quá trình chiết xuất tinh bột tùy thuộc vào loại nguyên liệu thô. – Sản xuất tinh bột bắp Bắp → rửa sạch → loại sạn, bắp vụn → ngâm 30-40 giờ trong nƣớc sulfite nóng (nhằm làm mềm vỏ, bẻ cầu nối disulphur của protein gluten, chiết dung dịch từ hạt ngũ cốc) → loại mầm (mầm chứa 50% dầu) → chất sệch đƣợc nghiền và loạt các sợi bằng rây → ly tâm để tách tinh bột và gluten → rửa sạch tinh bột, sấy tới độ ẩm 11-13%.
64. – Sản xuất tinh bột lúa mì Lúa mì → nghiền → rây để thu nhận bột → trộn với nƣớc để đƣợc bột nhào → rây và sàng lần nữa đề phân tách gluten và tinh bột → rửa tinh bột để loại protein còn sót và các dung dịch khác → tinh bột lúc mì gồm những hạt tinh bột lớn (tinh bột A) và những hạt tinh bột nhỏ (tinh bột B) → rửa để tách tinh bột B→ tinh bột A sấy khô đến độ ẩm 12-13%.
65. – Sản xuất tinh bột sắn Chiết rút từ phần củ của cây sắn. Củ sắn → rửa, lột vỏ→ mài thành bột (chứa 70-90% hạt tinh bột) → sàng bột để loại những tiểu phần lớn → tiếp tục sàng → ly tâm → rửa → sấy khô. – Sản xuất tinh bột khoai tây Khoai tây → làm sạch, rửa→ nghiền bằng lƣỡi cƣa quay → bột khoai tây thô → sang quay để tách tinh bột ra khỏi bột → tinh bột dạng sữa đƣợc cô đặc và ly tâm → rửa → sấy khô. – Sử dụng tinh bột Tinh bột hoá lỏng có thể dùng trong những ứng dụng mà ở đó VSV có thể tạo ra các amylase cần thiết để thủy phân cơ chất (vi khuẩn hình que, nấm)
66. 3. Maltodextrin Maltodextrin là sản phẩm của quá trình thủy phân tinh bột bằng enzyme hoặc bằng acid. Quá trình này phải tiến hành đồng thời với quá trình gelatin hóa để tránh hình thành nhớt. Quá trình hiện đại: Dùng -amylase ổn định với nhiệt của Bacillus licheniformis hay Bacillus stearothermophilus.
67. 4. Dịch xi-rô – Xi-rô glucose • Xi-rô glucose thu đƣợc nhờ tác động của glucoamylase lên dịch tinh bột. Sau khi đƣờng hoá, xi-rô đƣợc cô đặc đến nồng độ 70-75%. – Xi-rô maltose – Xi-rô đặc biệt Glucose/Maltose/Maltotriose/Maltotetraose – Xi-rô fructose – Xi-rô manno
68. 5. D-glucose tinh thể (Dextrose) • D-glucose tinh thể thƣờng đƣợc đặt tên là dextrose để phân biệt với glucose dạng lỏng. D-glucose có thể đƣợc tinh thể hoá thành dạng monohydrate ở dƣới 500C hay thành dạng anhydrous (khan) ở trên 500C. • Sự hoá tinh thể D-glucose monohydrate xảy ra bởi sự làm lạnh chậm xi- rô glucose nồng độ bão hoà ở 50- 300C trong khoảng 2-3 ngày. Tinh thể thu đƣợc nhờ ly tâm, đem rửa sạch với nƣớc và làm khô tới độ ẩm ít hơn 9%. Dung dịch ban đầu có thể làm bốc hơi để thu đƣợc những mảnh tinh thể lần thứ hai.
69. • D-glucose khan đƣợc tạo ra bằng sự bốc hơi ở 650C dƣới điều kiện ủ trong quá trình tinh thể hoá dạng mẻ. Khi sản lƣợng ở pha tinh thể theo ƣớc muốn đã đạt đƣợc, đem ly tâm. Sau khi rửa, tinh thể đƣợc làm khô tới độ ẩm rất thấp. • D-glucose monohydrate thƣờng đƣợc dùng trong phòng thí nghiệm hay trong sự lên men quy mô nhỏ. Nó có thể đƣợc dự trữ rất dễ dàng, không đòi hỏi thiết bị dự trữ chuyên biệt, và ổn định trong nhiều tháng. Trong sự lên men quy mô lớn, dextrose tinh thể ít hấp dẫn hơn xi-rô glucose dạng lỏng ngoài trừ khi lên men tạo ra các sản phẩm dƣợc hoặc các quá trình lên men cần cơ chất thật tinh khiết.
70. 6. Sorbitol • Sorbitol đƣợc tạo ra bằng sự hydrogen hoá glucose (dextrose) trong sự hiện diện của chất xúc tác kim loại và ở nhiệt độ cao. Nguyên liệu thô đƣợc hydrogen hoá phải đƣợc tinh chế nhằm tránh xúc tác do chất độc. Sau phản ứng, các chất xúc tác rắn có thể đƣợc dùng lại. Hỗn hợp phản ứng sau đó đƣợc tinh chế bằng sự trao đổi ion.
71. • Sorbitol đƣợc dùng chủ yếu cho sản xuất acid ascorbic (vitamin C) nhờ quá trình Reichstein. Trong quá trình này, sorbitol đƣợc oxy hoá vi sinh học thành sorbone nhờ Gluconobacter oxydans trong điều kiện hiếu khí. Sorbone đƣợc tinh chế bằng sự tinh thể hoá và đƣợc dung để chuyển hoá thành vitamin C. Trong sự hydrogen hoá, một lƣợng nhỏ mannitol hình thành từ glucose bằng sự hydrogen hoá và đồng phân hoá. Mannitol cũng đƣợc lên men nhờ Glucobacter sp. và chuyển hoá thành fructose, sau đó tiếp tục chuyển hoá thành isoascorbic acid. Do vậy, điều quan trọng là tối thiểu hoá sự hình thành mannitol trong suốt sự hydrogen hoá.
72. 7. Sự chọn lọc nguyên liệu thô dẫn xuất từ tinh bột dùng cho lên men Ngoài việc xem xét về hiệu quả kinh tế,sự chọn lọc nguyên liệu thô dẫn xuất từ tinh bột dùng cho lên men phải dựa vào 3 đặc điểm chính sau đây: – Vi sinh vật • VSV phải tạo ra amylase để có thể lên men tinh bột hay maltodextrin. • Enzyme maltase thì cần thiết để lên men các oligosaccharide nhƣ maltose và maltotriose. Glucose phù hợp nhất cho nhiều loài không tạo ra các enzyme cần thiết để thủy giải oligo hay polysaccharide. • Cơ chất phải sẳn sàng cho VSV ở mức độ tối thích cho sự chuyển hoá. Nếu nồng độ cơ chất quá cao, có thể hình thành các sản phẩm phụ. Mặt khác, sự ức chế cơ chất cũng có thể xảy ra, ví dụ glucose có thể ức chế nấm men hay ức chế quá trình sản xuất kháng sinh.
73. – Những giới hạn của quá trình • Những điều kiện phòng thí nghiệm cho phép ta có thể sử dụng bất cứ loại cơ chất nào, trong khi đó ở điều kiện sản xuất thì sự chọn lựa cơ chất có thể bị giới hạn. Ví dụ, tinh bột không thể đƣợc dùng nguyên nhƣ thế mà phải hoá lỏng trƣớc khi khử trùng môi trƣờng lên men. • Một loại giới hạn khác cũng khá quan trọng cho sự lựa chọn cơ chất, ví dụ, khi tinh bột đã hoá lỏng đƣợc dùng, sự vận chuyển oxygen có thể bị hạn chế bởi thiết bị đã đƣợc thiết kế cho tốc độ lƣu lƣợng không khí thấp hay lắp đặt cho dạng bột. Trong những trƣờng hợp nhƣ thế, chỉ một ít cơ chất dạng nhày có thể đƣợc sử dụng cho quá trình. – Những tương quan của quá trình Nguyên liệu thô phải đƣợc lựa chọn nhằm đạt đƣợc khả năng lên men cơ chất cao nhất và sự chuyển hoá thành sản phẩm mong muốn cao nhất không chỉ để hạ chi phí xuống mức thấp nhất mà còn phải giảm thiểu các chất thải tạo ra.