Giáo trình Công nghệ Sinh học - Phần 2: Các ứng dụng của Công nghệ Sinh học

Nội dung text: Giáo trình Công nghệ Sinh học - Phần 2: Các ứng dụng của Công nghệ Sinh học

1. Phần II Các ứng dụng của Công nghệ sinh học Nhập môn Công nghệ sinh học 237
2. Chương 7 Các ứng dụng trong nông nghiệp I. Mở đầu Đây là lĩnh vực công nghệ sinh học có nhiều đóng góp quan trọng. Các sản phẩm công nghệ sinh học mới trong nông nghiệp chứa đựng triển vọng hứa hẹn đối với người tiêu dùng và nông dân. Hiện nay, các ứng dụng công nghệ sinh học trong nông nghiệp đang tập trung vào các hướng: chọn lọc và biến đổi di truyền cây trồng để có được các đặc điểm mong muốn (năng suất cao, phẩm chất tốt, thích nghi với các điều kiện ngoại cảnh bất lợi ), nuôi cấy mô và tế bào thực vật để nhân nhanh giống cây trồng, sản xuất các kháng thể đơn dòng để phục vụ chẩn đoán các bệnh thực vật và động vật, thụ tinh trong ống nghiệm và cấy chuyển phôi ở vật nuôi, cải thiện năng suất và chất lượng của động vật, nuôi trồng thủy sản, chế biến thực phẩm Nhìn chung, trong những năm qua công nghệ sinh học đã có những tác động rất tích cực trong sản xuất nông nghiệp, tạo ra một cuộc cách mạng sâu sắc trong lĩnh vực giống cây trồng, vật nuôi và chế biến thực phẩm. Nhiều kết quả nghiên cứu đã được ứng dụng trong sản xuất và đem lại những giá trị kinh tế lớn lao. Chẳng hạn, nhiều giống cây trồng mang gen kháng sâu, kháng bệnh, kháng chất diệt cỏ đã được đưa ra thị trường như bông, ngô, khoai tây, lúa mạch, lúa nước, cà chua, củ cải đường Nhiều loại vật nuôi đã được thụ tinh trong ống nghiệm và cấy chuyền phôi, sử dụng hormone sinh trưởng để tăng nhanh sức lớn và sản lượng sữa ở trâu, bò, kể cả sản lượng thực phẩm và các chất phụ gia sinh học II. Cải thiện và nhân nhanh giống cây trồng Hướng nghiên cứu được tập trung nhiều nhất để cải thiện và nhân nhanh giống cây trồng là nuôi cấy mô và tế bào thực vật (plant cell and tissue culture). Đây là kỹ thuật nuôi cấy vô trùng in vitro các bộ phận tách rời khác nhau của thực vật. Ngoài mục đích nhân giống và cải thiện di Nhập môn Công nghệ sinh học 238
3. truyền giống cây trồng, nuôi cấy mô và tế bào thực vật còn đóng góp vào việc sản xuất sinh khối các sản phẩm hóa sinh, bệnh học thực vật, duy trì và bảo quản các nguồn gen quý hiếm Các hoạt động này được bao hàm trong thuật ngữ công nghệ sinh học nông nghiệp (biotechnology in agriculture). Lĩnh vực nhân giống và cải thiện giống cây trồng có bốn hướng chính: - Nhân giống trong ống nghiệm (nhân giống vô tính in vitro) bằng kỹ thuật nuôi cấy tế bào, mô và cơ quan của thực vật. Với kỹ thuật này trong một thời gian rất ngắn có thể sản xuất một lượng lớn cây con giống hệt nhau và giữ nguyên kiểu di truyền của cây mẹ ban đầu. - Sản xuất cây đơn bội (1n) bằng cách nuôi cấy bao phấn hoặc hạt phấn cho phép tạo ra các dòng thuần (đồng hợp tử) để phục tráng giống cây trồng bị thoái hóa sau một thời gian dài canh tác. Hoặc tìm kiếm các tính trạng lặn dị hợp tử ưu việt thu được trong quá trình chọn giống. - Lai vô tính (somatic hybridization) hay còn gọi là dung hợp tế bào trần (protoplast fusion) giữa các loài xa nhau về quan hệ họ hàng mà trong thực tế không thể tiến hành bằng phương pháp lai hữu tính, nhờ đó mở ra khả năng tạo ra những giống cây hoàn toàn mới. - Ứng dụng kỹ thuật chọn dòng tế bào biến dị soma (somaclonal variation) trong nuôi cấy in vitro để tạo ra các giống mới chống chịu các bệnh vi khuẩn, virus và vi nấm, chịu được các điều kiện canh tác khắc nghiệt như hạn hán, ngập mặn, nóng và lạnh 1. Nhân giống vô tính in vitro Nhân giống in vitro là kỹ thuật nhân giống cây trồng bằng cách sử dụng nhiều bộ phận khác nhau của thực vật, có kích thước nhỏ và sinh trưởng ở điều kiện vô trùng trong ống nghiệm hoặc trong các loại bình nuôi cấy khác chứa môi trường dinh dưỡng nhân tạo. Trên quan điểm ứng dụng, kỹ thuật nhân giống in vitro được ứng dụng nhằm phục vụ các mục đích sau: - Duy trì và nhân nhanh các kiểu gen quý hiếm làm vật liệu cho công tác tạo giống. - Nhân nhanh với hiệu quả kinh tế cao các loài hoa và cây cảnh không trồng bằng hạt. - Nhân nhanh và duy trì các cá thể đầu dòng tốt để cung cấp hạt giống các loài rau, cây cảnh và các cây trồng khác. Nhập môn Công nghệ sinh học 239
4. - Nhân nhanh và kinh tế các kiểu gen quý của giống cây lấy gỗ trong lâm nghiệp và gốc ghép trong nghề trồng cây ăn quả, cây cảnh. - Nhân nhanh ở điều kiện vô trùng, cách ly tái nhiễm kết hợp với làm sạch bệnh virus. - Bảo quản các tập đoàn giống nhân giống vô tính và các loài cây giao phấn trong ngân hàng gen. 2. Sản xuất cây đơn bội in vitro > , . in vitro . : - . - . - (dòng thuần). Một số phương pháp được sử dụng để tạo thể đơn bội như sau: in vivo in vivo Nhập môn Công nghệ sinh học 240
5. : s . Nhìn chung, các kỹ thuật này cho hiệu suất tạo cây đơn bội thấp. 2.2. Phương pháp tạo thể đơn bội in vitro in vitro , Poaceae, Ranunculaceae . , (Hình 7.1). Kỹ thuật dung hợp protoplast cho phép khắc phục được hiện tượng bất thụ thường xảy ra khi lai khác loài (lai xa) để mở rộng nguồn gen, tạo ra các giống cây trồng mới mang các đặc tính di truyền ưu việt. [Lycopersicum esculentum 258. Nhập môn Công nghệ sinh học 241
6. A B C Hình 7.1. Dung hợp protoplast. A: các protoplast. B: hai protoplast dung hợp trong một cặp. C: các protoplast có thể dung hợp trong thể 3 (bên phải ảnh) hoặc nhiều hơn, có khi tới 6 protoplast. 3.1. Dung hợp protoplast bằng hóa chất Phương pháp này dùng NaNO3 hoặc polyethylene glycol (PEG) để kích thích sự dung hợp của hai protoplast. 3.2. protoplast (electrofusion) - trong n - Nhập môn Công nghệ sinh học 242
7. - . 4. Chọn dòng biến dị soma in vitro : - - - - - (overproduction) - (genetic markers) Giống ngô bất dục đực Nuôi cấy callus Chọn lọc trên môi trường chứa độc tố của nấm bệnh rỉ sắt (Helminthosporium maydis) Dòng callus kháng H. maydis Tái sinh cây Kiểm tra tính kháng H. maydis Hình 7.2. Sơ đồ c Helminthosporium maydis ở ngô Nhập môn Công nghệ sinh học 243
8. in vitro ) , khoai tây). - - ). Tuy nhiên, t . 5. Chuyển gen vào cây trồng . hơn protoplast. Nhập môn Công nghệ sinh học 244
9. Stt Loài Phương pháp chuyển gen Thử nghiệm trên đồng ruộng 1 Chuối Bắn gen/Agrobacterium - 2 Lúa mạch Bắn gen Kháng vi rus 3 Đậu tây Bắn gen - 4 Canola Bắn gen/Agrobacterium Chống chịu chất diệt cỏ, điều khiển sự thụ phấn 5 Sắn Bắn gen/Agrobacterium - 6 Ngô Bắn gen/Agrobacterium Kháng côn trùng, chống chịu chất diệt cỏ 7 Bông Bắn gen/Agrobacterium Kháng côn trùng, chống chịu chất diệt cỏ 8 Đu đủ Bắn gen/Agrobacterium Kháng virus 9 Đậu phụng Bắn gen/Agrobacterium Kháng virus 10 Bạch dương Bắn gen/Agrobacterium Chống chịu chất diệt cỏ 11 Khoai tây Agrobacterium Kháng côn trùng, kháng virus, chống chịu chất diệt cỏ 12 Lúa Bắn gen/Agrobacterium Chống chịu chất diệt cỏ 13 Đậu tương Bắn gen/Agrobacterium Chống chịu chất diệt cỏ 14 Bí Bắn gen/Agrobacterium Kháng virus 15 Củ cải đường Agrobacterium Chống chịu chất diệt cỏ 16 Mía Bắn gen - 17 Hướng dương Bắn gen - 18 Cà chua Agrobacterium Quả chín muộn, kháng virus 19 Lúa mì Bắn gen - Nhập môn Công nghệ sinh học 245
10. A B C D Hình 7.3. Một số cây trồng chuyển gen. A: ngô kháng côn trùng. B: lúa mạch kháng virus. C: cà chua cho quả chín muộn . D: khoai tây chống chịu chất diệt cỏ. ). Agrobacterium . Nhập môn Công nghệ sinh học 246
11. . bar gus bar . N một cây mô h . Agrobacterium c Agrobacterium Agrobacterium gus . Nhập môn Công nghệ sinh học 247
12. - - (Southern b . Phaseolus Agrobacterium gusA, bar gus gus . 5.6. Cây bông Agrobacterium tumefaciens soma . Nhập môn Công nghệ sinh học 248
13. 5.7. Cố định đạm Quá trình cố định đạm diễn ra ở rễ của các loài cây họ đậu nhờ một số loài vi khuẩn cộng sinh có khả năng hấp thụ nitrogen của không khí và tạo ra chất đạm cho cây. Vi khuẩn chính tham gia quá trình cố định đạm là Rhizobium. Sự có mặt của nó dẫn đến hình thành các nốt sần trên rễ cây nhiễm khuẩn. Các vi khuẩn sống trong nốt sần sẽ thực hiện quá trình cố định đạm. Phương trình tổng quát có dạng sau: Nitrogenase + - + N2 + 10H + 8e + 16ATP 2NH4 + 16ADP + 16Pi + H2 Rhizobium Plasmid RE Phân lập gen nif Mở vòng DNA của plasmid DNA ligase Lúa Protoplast Biến nạp Protoplast mang plasmid có gen nif Callus Tái sinh cây mang gen nif Hình 7.4. Mô hình biến nạp gen nif Để tăng mức độ cung cấp đạm tự nhiên cho cây trồng, người ta chọn giải pháp chuyển gen nif (nitrogen fixation-gen mã hóa enzyme nitrogenase) vào cơ thể thực vật và vi sinh vật sống tự do hoặc sống cộng sinh với thực vật (Hình 7.4). Vì trong tự nhiên, giữa các cơ thể vi sinh vật vẫn xảy ra sự Nhập môn Công nghệ sinh học 249
14. trao đổi thông tin di truyền, như vậy về mặt kỹ thuật việc chuyển gen nif vào cơ thể vi sinh vật sẽ dễ dàng hơn. Vấn đề còn lại là làm thế nào để gen nif hoạt động sau khi được chuyển vào cơ thể vi sinh vật chủ. Tương tự, việc chuyển gen nif vào tế bào thực vật có thể được thực hiện thông qua viral vector hoặc vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens. Tuy nhiên, đây là một công việc khó khăn và có lẽ trong một tương lai gần vấn đề này vẫn chưa giải quyết được. III. Chăn nuôi và thú y 1. Kỹ thuật cấy chuyển phôi Kỹ thuật đã được ứng dụng khá rộng rãi hiện nay là cấy chuyển hợp tử ở bò. Nguyên lý của kỹ thuật này là gây rụng trứng ở bò cái có các đặc điểm mà ngành chăn nuôi cần đến và cho thụ tinh với tinh trùng của bò đực cũng mang những đặc điểm mong muốn. Các hợp tử hay phôi thu nhận bằng cách rửa dạ con. Đông lạnh phôi và bảo quản chúng trong nitrogen lỏng ở -179oC, phôi ở điều kiện này được vận chuyển dễ dàng đến nơi cần thiết. Sau đó, phôi được cấy vào bò cái khác để mang thai hộ. Bê con phát triển từ các phôi này sẽ ra đời trong môi trường sống của nó và không gặp phải những bất lợi về mặt môi trường như đối với các gia súc nhập nội. Kỹ thuật cấy phôi còn cho phép tạo ra gia súc sinh đôi hoặc sinh ba (hoặc nhiều hơn nữa) hoàn toàn giống nhau về mặt di truyền. Nguyên tắc của kỹ thuật này là chia noãn bào đã thụ tinh của gia súc thành hai hoặc ba phần (hoặc hơn nữa) giống nhau. Sau đó, cấy ngược lại vào con cái chữa đẻ hộ. Mặt khác, kỹ thuật cấy chuyển phôi còn giúp xác định giới tính của vật nuôi, việc này đem lại hiệu quả kinh tế cao. Chẳng hạn, người ta chỉ quan tâm lấy phôi bò đực để tạo bò lấy thịt, trong khi phôi bò cái được dùng để tạo bò lấy sữa, hoặc để bảo vệ những giống bò ưu việt. Nguyên tắc của kỹ thuật này dựa trên cơ sở phân chia tinh dịch thành hai nhóm: nhóm chứa nhiễm sắc thể X tạo ra bê cái, và nhóm chứa nhiễm sắc thể Y tạo ra bê đực. Người ta chỉ cần chọn một trong hai nhóm để thụ tinh trong ống nghiệm rồi sau đó chuyển phôi được tạo ra vào bố mẹ. 2. Tạo chế phẩm phòng tránh bệnh cho động vật Công nghệ sinh học trong những năm gần đây đã có những đóng góp không nhỏ, chủ yếu là tạo ra các vaccine thế hệ mới nhờ áp dụng công nghệ Nhập môn Công nghệ sinh học 250
15. DNA tái tổ hợp, chẳng hạn như vaccine phòng bệnh lỡ mồm long móng (Foot and Mouth Disease Virus-FMDV), bệnh Theileriosis (bệnh sốt bờ biển đông-East Coast Fever) ở gia súc, bệnh sốt lợn Châu Phi, bệnh Newcastle, bệnh cầu trùng ở gia cầm Bệnh toi gà do virus gây ra ở gia cầm, đặc biệt là gà. Virus này thuộc nhóm Paramyxovirus, bao gồm cả virus quai bị, thuộc họ Paramyxoviridae (họ này bao gồm cả virus gây bệnh lợn gạo). Virus có khả năng làm ngưng kết hồng cầu, thông qua một loại protein F của nó. Loại protein này có khả năng gây miễn dịch và được dùng làm vaccine. Bệnh lỡ mồm long móng là loại bệnh do virus, lây lan rất nhanh và gây bệnh cho khoảng 30 loài động vật móng guốc, đặc biệt nguy hiểm đối với trâu, bò, lợn và cừu. Khi có dịch, để tránh bệnh lây lan, phải tiêu diệt hàng loạt gia súc nhiễm bệnh, thực hiện các biện pháp cách ly nghiêm ngặt. Người ta đã thành công trong việc dùng enzyme trypsin xử lý vỏ protein và nhận thấy một trong số các protein vỏ của nó có thể tạo được miễn dịch, kích thích sản sinh kháng thể. Năm 1985, các nhà khoa học đã xác định được gen mã hóa loại protein này và tạo dòng nó trong E. coli, biến E. coli thành “nhà máy” sản xuất protein nói trên và khi tiêm vào bò, lợn thì chúng trở nên miễn dịch đối với loại virus gây bệnh lở mồm long móng. 3. Chuyển gen vào động vật Một trong những thí nghiệm chuyển gen đầu tiên đã được tiến hành là gắn gen mã hóa cho hormone sinh trưởng của chuột cống và promoter methallothionein của chuột nhắt vào plasmid vector, sau đó vector này được tiêm vào tế bào trứng của chuột nhắt đã thụ tinh. Kết quả là chuột nhắt chuyển gen này lớn nhanh hơn chuột nhắt bình thường. Kiểm tra mô chuột nhắt chuyển gen thấy rằng promoter methallothionein điều hòa sự biểu hiện gen hormone sinh trưởng trong gan nhiều hơn trong tuyến yên mặc dù ở chuột thường thì tuyến yên là chính. Điều này cho thấy việc chuyển gen đã thoát khỏi sự kiểm tra điều hòa của tuyến yên, dẫn đến việc sản xuất một lượng lớn hormone sinh trưởng. Lợn chuyển gen tổng hợp hormone sinh trưởng của người tuy không lớn hơn về kích thước nhưng lại có lượng thịt nạc nhiều hơn, ít mỡ hơn và tiêu tốn thức ăn ít hơn từ 20-30%. Tuy nhiên, các động vật chuyển gen dễ bị Nhập môn Công nghệ sinh học 251
16. thấp khớp, stress và mất khả năng sinh sản cũng như định hướng chuyển động. Như chúng ta đã biết cystein cần cho sự phát triển lông, nhưng do cừu thiếu khả năng tổng hợp amino acid này và do các vi sinh vật đường ruột của cừu sử dụng phần lớn cystein sẵn có nên đã ảnh hưởng xấu đến sản lượng lông cừu. Để khắc phục điều này, người ta đã tạo dòng hai gen vi khuẩn mã hóa cho enzyme chuyển hóa serine thành cystein. Sự ổn định của các gen này trong cừu chuyển gen sau đó đã giúp cừu tự tổng hợp được cystein làm tăng sự phát triển của bộ lông. Hiện nay, các nhà khoa học cũng đã có những thành công bước đầu trong việc chuyển các gen người vào lợn nhằm mục đích lấy phủ tạng của chúng (tim, gan, thận ) để cấy ghép, thay thế cho các bộ phận bị hư hỏng của người. Như vậy, công nghệ gen mở ra cho y học một khả năng to lớn trong lĩnh vực cấy ghép các bộ phận cho người và một triển vọng giải quyết vấn đề miễn dịch cấy ghép. Bên cạnh việc chờ đợi những thành công mới của công nghệ chuyển gen trực tiếp cho vật nuôi, người ta cũng đang tìm kiếm các biện pháp mới để tăng năng suất vật nuôi bằng công nghệ DNA tái tổ hợp. Chẳng hạn, một loại hormone tăng trưởng tái tổ hợp của bò (recombinant bovine growth hormone) được chuyển vào E. coli đã sản xuất thành công loại hormone trên, và có thể kích thích tăng sản lượng sữa ở bò lên tới 15% mà không cần phải gia tăng thêm khẩu phần thức ăn hàng ngày. Hoặc gen sản xuất hormone sinh trưởng của gà cũng được đưa vào E. coli, và người ta đã chứng minh được rằng hormone được sản xuất bằng kỹ thuật trên cho phép tăng khả năng sinh trưởng của gà lên khoảng 15%. IV. Chế biến thực phẩm Đây là lĩnh vực công nghệ sản xuất thực phẩm từ nông sản có sự tham gia của vi sinh vật, cũng như sự đóng góp của công nghệ sinh học hiện đại trong việc nâng cao hiệu suất của các quy trình sản xuất nói trên. Thực phẩm được tạo ra bởi vi sinh vật rất đa dạng, từ các sản phẩm truyền thống có nguồn gốc xa xưa như men bánh mì, phomát, sữa chua, rượu vang, rượu cất, đến những sản phẩm mới xuất hiện như protein nấm (mycoprotein) Trước đây, trong công nghiệp thực phẩm các nghiên cứu công nghệ sinh học được sử dụng chủ yếu để hoàn thiện các quy trình công nghệ lên Nhập môn Công nghệ sinh học 252
17. men truyền thống. Còn hiện nay, các nghiên cứu công nghệ sinh học chủ yếu liên quan đến việc tạo ra các chủng mới có năng suất sinh học cao và việc áp dụng chúng vào các công nghệ lên men hiện đại. Theo đánh giá chung, hiện nay mới chỉ khoảng 15% thực phẩm trên thế giới được sản xuất bằng các quy trình công nghệ sinh học. Do vậy, ảnh hưởng của công nghệ sinh học hiện đại trong lĩnh vực này thực sự chưa rõ nét. Nguyên nhân có thể là do ngành công nghiệp chế biến thực phẩm hiện nay vẫn mang nặng tính thủ công, công nghệ chưa hiện đại, ngành công nghiệp chế biến thực phẩm có quy mô to lớn nhưng lại có lợi nhuận nhỏ, do vậy khó có khả năng tái đầu tư. Tuy vậy, trong tương lai khi công nghệ chế biến thực phẩm truyền thống không đáp ứng được nhu cầu ngày càng gia tăng của con người, thì ảnh hưởng và vai trò của công nghệ sinh học hiện đại sẽ gia tăng rất mạnh. 1. Sản xuất sữa Các sản phẩm sữa quen thuộc đối với chúng ta đều được tạo ra trong quá trình lên men của một số nhóm vi khuẩn như Lactobacillius, Streptococcus, Leuconostos Trước kia người ta thường sử dụng những nhóm vi khuẩn tự nhiên có mặt trong sữa để lên men, do vậy quá trình lên men nói chung khó kiểm soát và hiệu suất không cao. Ngày nay, nhờ việc tạo ra được các giống, chủng vi khuẩn với các tính chất xác định, người ta có khả năng điều khiển được quá trình lên men nói trên một cách có định hướng. Các sản phẩm chủ yếu từ sữa là phomát, sữa chua, bơ, kem sữa 1.1. Sản xuất sữa chua Trong sữa có sẵn một hệ vi sinh vật phong phú, đó là vi khuẩn lactic (gây lên men lactic), vi khuẩn acetic (lên men acetic), vi khuẩn đường ruột, vi khuẩn gây thối (phân giải chất hữu cơ thành các mùi thối), nấm men, nấm mốc Trong sản xuất sữa chua bằng lên men lactic, vi khuẩn dùng để lên men chính là một số chủng thuộc Lactobacterium bulgaricum có sẵn trong sữa. Trong công nghiệp sản xuất sữa chua, người ta tiến hành thanh trùng sữa rồi cấy vi khuẩn lactic vào. Quy trình sản xuất sữa chua theo quy mô công nghiệp như sau: Nhập môn Công nghệ sinh học 253
18. 1.1.1. Nguyên liệu Nguyên liệu duy nhất là sữa (có thể bổ sung thêm đường). Sữa dùng trong sản xuất sữa chua gồm những loại sau: - Sữa tươi nguyên hay sữa đã tách béo. - Sữa khô nguyên hay sữa sấy phun không béo. - Sữa đặc nguyên hay sữa đặc không đường. Các loại sữa trên trước khi đưa vào sử dụng cần phải xử lý qua các khâu: - Điều chỉnh hàm lượng lipid thích hợp thường từ 3,2-6%. - Nếu trên bề mặt sữa xuất hiện váng sữa thì tiến hành quá trình đồng hóa để trở thành một thể đồng nhất. - Tiệt trùng sữa 85-90oC trong 15-20 phút. Để nguội sữa đến nhiệt độ cần thiết cho sự lên men để cấy giống vào, thường từ 40-50oC. 1.1.2. Giống Các chủng lactic thuần khiết thường được dùng để sản xuất là: Streptococcus thermophilus, Lactobacterium bulgaricum, Lactobacterium acidophilum, Lactobacillus delbrueckibulgaricus. Thường hai chủng đầu được cùng sử dụng với số lượng bằng nhau. Nếu Streptococcus thermophilus có số lượng nhiều hơn, lúc đó sữa chua thu được sẽ quá chua và kém mịn. 1.1.3. Lên men tạo sữa chua Quy trình sản xuất sữa chua qua hai giai đoạn: giai đoạn đông tụ sữa và giai đoạn giữ chín sữa chua. - Giai đoạn đông tụ sữa Sữa sau khi tiệt trùng được cấy giống vào và khuấy đều để lên men bằng phương pháp bể hoặc chai. Ở giai đoạn này quá trình lên men được tiến hành ở 29-35oC. Quá trình lên men lactic xảy ra mạnh mẽ, casein sữa bị kết tủa ở điểm pH đẳng điện, sữa được đông tụ và đạt độ chua cần thiết. Thường căn cứ vào cục đông của sữa và độ chua để kết thúc quá trình lên men. Cục đông phải đặc, đồng nhất, không có hiện tượng nước-sữa tách rời Nhập môn Công nghệ sinh học 254
19. nhau ra. Độ chua phải đạt 60-80oT. Thời gian lên men (thường 8-12 giờ) có thể thay đổi khác nhau tùy thuộc vào chủng vi khuẩn và nhiệt độ lên men. Khi sữa có độ chua cần thiết thì kết thúc quá trình lên men bằng phương pháp làm lạnh nhanh (6-8oC) để tránh tình trạng độ chua tăng và nước sẽ tách ra khỏi sữa. - Giai đoạn giữ chín sữa chua Trong giai đoạn này quá trình lên men lactic vẫn còn xảy ra ở mức độ yếu, sữa tiếp tục được đông tụ. Lúc này lipid trong sữa trở nên rắn, nước tự do liên kết với protein làm sữa đông đặc thêm. Giai đoạn này còn xảy ra quá trình tạo hương cho sữa làm cho sữa có mùi rất đặc trưng bằng cách bổ sung vaniline, hương vị trái cây tự nhiên (dâu, cam, dứa ) hay hương tổng hợp, màu thực phẩm. Thời gian của giai đoạn này từ 12-14 giờ. 1.2. Sản xuất phomát Phomát là sản phẩm lên men được chế biến từ sữa (sữa bò, sữa dê ) với sự tham gia của một số nhóm vi sinh vật. Đây là một thực phẩm có giá trị dinh dưỡng cao, bảo quản được lâu. Trong phomát chứa 20% protein (dưới dạng peptone, amino acid), 30% lipid, các muối khoáng, vitamin Phomát có mùi vị thơm ngon, kích thích quá trình tiết dịch tiêu hóa, làm tăng khả năng đồng hóa thức ăn cho cơ thể. Quy trình sản xuất phomát được tiến hành qua bốn giai đoạn. Cũng như sản xuất sữa chua, nguyên liệu chính ở đây là sữa. - Giai đoạn làm đông sữa Từ nguyên liệu sữa ban đầu, sữa được làm đông lại. Về mặt hóa lý đó là giai đoạn làm kết tủa: những micelle của casein dính lại với nhau để hình thành một gel đặc, rắn chứa huyết thanh sữa bên trong. Sau khi được khử trùng ở 85-90oC trong 15-20 phút, được xử lý bằng rennin với một lượng nhỏ vừa đủ, sau một thời gian nhất định sữa sẽ đông lại thành một khối nhầy phủ gelatin, mềm dẻo, không thấm nước. Để làm đông tụ sữa, ngoài vai trò của rennin người ta còn sử dụng vi khuẩn lactic. Vi khuẩn lactic được tạo điều kiện hoạt động ở 30oC. Khi tiến hành làm đông tụ sữa, người ta cấy vi khuẩn lactic vào môi trường sữa. Quá trình lên men lactic được tiến hành, chuyển đường lactose của sữa thành lactic acid. Kết quả là quá trình này cũng gây ra sự đông tụ sữa như đã trình Nhập môn Công nghệ sinh học 255
20. bày ở trên (các sợi micelle của casein sữa lại kết thành cục rắn chứa huyết thanh sữa ở bên trong). Khi quá trình lên men lactic xảy ra, pH môi trường sẽ giảm, pH hướng về môi trường acid là pH thích hợp cho hoạt động của enzyme đông tụ sữa. Điều này dẫn đến sự đông tụ sữa càng xảy ra nhanh hơn. Ở giai đoạn này, dưới tác dụng của rennin, casein và paracasein của sữa sẽ bị phân giải tạo peptone và amino acid (tyrosine, tryptophan ) tập trung lại trong cục đông. Huyết thanh sữa ở bên ngoài cục đông tồn tại ở dạng dung dịch. - Giai đoạn khử nước Giai đoạn này ép cục sữa để tách huyết thanh ra khỏi cục đông sữa. Quá trình này xảy ra ở 35-50oC trong 20-24 giờ. Trong thời gian này quá trình lên men lactic vẫn tiếp tục. Phomát lúc này có thành phần chủ yếu là casein và lipid. - Giai đoạn muối phomát Ngay sau khi ép cục đông để tách huyết thanh, phomát được ngâm vào bể nước muối NaCl nồng độ 24% trong vài ngày để tăng vị mặn cho phomát, tạo sự đồng nhất về thành phần cho khối phomát và ngăn chặn sự phát triển của vi sinh vật có hại, chủ yếu là trực khuẩn đường ruột. Kết quả của quá trình ngâm muối là các chất ở bề mặt của khối phomát như đường, muối khoáng sẽ khuếch tán ra ngoài, ngược lại NaCl từ ngoài dung dịch ngâm sẽ thấm vào bên trong khối phomát. Muối ăn thấm vào lớp bề mặt của phomát, tạo lớp bảo vệ chống lại sự xâm nhập của vi sinh vật có hại. - Giai đoạn ủ chín pho mát Phomát được đưa vào hầm làm chín ở 50-57oC có độ ẩm là 80-90%. Quá trình làm chín phomát kéo dài khá lâu từ vài tháng đến hàng năm, bao gồm nhiều khâu chuyển hóa hóa sinh phức tạp, có nhiều nhóm vi sinh vật khác nhau tham gia cùng với men đông tụ sữa. Hoạt động của vi khuẩn lactic và rennin có mối liên hệ mật thiết vói nhau dẫn đến làm tăng chất lượng của phomát trong giai đoạn này. Sau khi chế biến xong, trước khi được cắt ra và đóng gói bằng giấy nhôm, oliofilm, rilsan, phomát được khử trùng bằng cách chiếu tia tử ngoại. Việc đóng gói được tiến hành trong điều kiện vô trùng, cuối cùng thu được thành phẩm. Nhập môn Công nghệ sinh học 256
21. 2. Chế biến tinh bột Sản phẩm truyền thống từ bột mì rất đa dạng và được tạo ra trong những quy trình sản xuất khác nhau. Tuy nhiên, chúng có một điểm chung là sử dụng nấm men bánh mì Sac. cerevisiae để lên men. Cho đến những năm 1950, tinh bột chủ yếu được thủy phân bằng công nghệ sử dụng acid. Vào những năm 1960, bằng công nghệ thủy phân acid kết hợp với xử lý enzyme và sau này chủ yếu bằng enzyme. Thường người ta thủy phân tinh bột bằng -amylase và amyloglycosidase, là hai enzyme có tốc độ thủy phân cao, không gây ô nhiễm môi trường và tạo ra sản phẩm có hệ số đương lượng dextrose DE (dextrose equivalent) cao. Hệ số DE phản ánh mức độ thủy phân tinh bột thành đường glucose (dịch đường glucose nguyên chất có DE = 100, còn dịch tinh bột có DE = 0). Hiện nay, người ta đã tạo được một số chủng vi khuẩn, trong đó có Bacillus licheniformis và Bac. amyloliquefaciens, có khả năng tổng hợp -amylase chịu nhiệt hoạt động được ở nhiệt độ tới 100oC. Điều này cho phép quá trình hồ hóa thực hiện được triệt để, tạo điều kiện cho giai đoạn đường hóa tiếp theo, tạo ra dịch đường có DE gần tới 100. Thông thường, người ta tiến hành đường hóa bằng glucoamylase nhận được từ nấm Aspergillus niger. Dịch có hàm lượng glucose cao được sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau, trong đó chủ yếu là để làm nguyên liệu lên men. Tuy nhiên, gần đây mới xuất hiện hướng sản xuất sirô fructose-glucose từ dịch glucose. Hiện nay, sản phẩm này đang được sử dụng rộng rãi trong ngành chế biến thực phẩm ở các nước phát triển để thay thế đường saccharose truyền thống từ mía và củ cải đường. Thông thường, sirô fructose-glucose được tạo ra từ glucose của dịch thủy phân tinh bột có DE gần 100, thông qua quá trình khử ion và đồng phân hóa dịch glucose bởi glucose isomerase do Streptomyces, Bac. coagulans và Actinoplanes missouriensis tạo ra. Trong đó, qua một lần xử lý người ta nhận được sirô chứa khoảng 51% glucose, 42% fructose và 7% oliogosaccharide. Nếu xử lý tiếp sẽ có thể nhận được sirô chứa tới 90% fructose. 3. Sản xuất nước uống lên men Các loại nước uống lên men có cồn nói chung đều được sản xuất từ nguyên liệu chứa đường. Trong đó, quá trình tạo ethanol bằng lên men của các chủng nấm men thuộc giống Saccharomyces là quá trình chung, còn Nhập môn Công nghệ sinh học 257
22. từng loại nước uống lên men có cồn lại có quy trình sản xuất riêng của mình. 3.1. Sản xuất bia Bia là nước giải khát chứa nước, CO2, rượu, các chất chiết xuất, carbohydrate Cơ sở khoa học của lên men sản xuất bia là sự trao đổi chất trong quá trình sinh trưởng, phát triển của một số loài vi sinh vật trong điều kiện yếm khí. Quá trình sản xuất bia chủ yếu dựa vào sự lên men đường của mầm đại mạch (hiện nay có thể thay bằng ngô, gạo, kê ). Bia sản xuất từ mầm đại mạch bao gồm công đoạn chủ yếu là ủ ở 67oC để enzyme tự nhiên trong mầm thủy phân tinh bột của hạt đại mạch, bổ sung hoa bia và dịch thủy phân, ủ để dịch lên men bia, cuối cùng tách men bia và giữ bia tươi một thời gian để bia chín. Bia hơi là loại bia sử dụng ngay không qua khử trùng. Bia chai và bia lon bảo quản được lâu vì đã qua khử trùng ở 55-60oC hoặc qua lọc, đóng chai hoặc đóng hộp bằng các thao tác vô trùng. Các chủng nấm men được sử dụng chủ yếu trong sản xuất bia là Sac. cerevisiae và Sac. calsbergensis. Trong đó Sac. cerevisiae được sử dụng cho cả lên men bề mặt và lên men chìm để sản xuất các loại nước giải khát lên men. Còn Sac. calsbergensis dùng để sản xuất bia nhẹ. Quá trình lên men bia gồm 2 giai đoạn: lên men chính và lên men phụ. 3.1.1. Lên men chính (chủ yếu dùng lên men chìm) Ở giai đoạn này tế bào nấm men sinh trưởng mạnh, một lượng lớn cơ chất được chuyển thành ethanol, CO2 và H2O. Thời gian lên men khoảng 6- 10 ngày. Nhiệt độ yêu cầu từ 28-30oC, pH môi trường 5,3-6. Trong giai đoạn này có hiện tượng tạo bọt do khí CO2 tạo ra lúc đầu tan trong dung dịch, sau với liều lượng cao sẽ tách ra tạo thành túi khí, tạo cơ sở cho sự tạo bọt. Kết thúc giai đoạn lên men chính tạo ra được sản phẩm gọi là bia non. Bia non có đặc điểm còn đục, có mùi vị đặc trưng của bia nhưng chưa thích hợp cho việc giải khát. 3.1.2. Lên men phụ Khác với lên men chính xảy ra trong các thiết bị lên men hở, lên men phụ thực hiện trong các bình kín ở nhiệt độ 0-5oC. Ở giai đoạn này quá trình lên men diễn ra chậm, dịch lên men được lắng đọng và bão hòa CO2. Giai Nhập môn Công nghệ sinh học 258
23. đoạn này còn gọi là quá trình ủ chín bia. Thời gian lên men phụ kéo dài từ vài tuần đến vài tháng. Kết thúc giai đoạn này thu được sản phẩm ở dạng dung dịch bão hòa CO2, có hương vị thơm ngon, dễ chịu nhờ những quá trình chuyển hóa xảy ra ở nhiệt độ thấp. Trong giai đoạn lên men phụ ở nhiệt độ thấp, xảy ra quá trình đông tụ nhựa hoa hublon, các hợp chất tanin- protein, tế bào men lắng xuống đáy bình và tiếp tục lên men từ từ. Kết quả làm bia trong dần. Nhờ vậy, quá trình ly tâm và lọc bia thành phẩm sau này sẽ dễ dàng hơn. Muốn làm trong bia thường người ta sử dụng phương pháp lọc (dùng chất bột trợ lọc diatomite). Có thể dùng phương pháp ly tâm nhưng sau khi ly tâm cần lọc bia qua lọc ống, lọc khung bản không cần chất trợ lọc thì bia mới thật sự trong suốt. Trong quá trình sản xuất bia người ta sử dụng các túi chất dẻo hay cao su để thu hồi CO2 thoát ra, sau đó đem bơm vào các bình chịu áp lực cao. Số khí này được dùng để nạp lại vào trong bia, để bia thành phẩm có đủ CO2. Để tăng độ bền của bia trong thời gian dài người ta khử trùng 60-70oC trong 30 phút để ngăn chận sự phát triển của vi sinh vật và các quá trình biến đổi trong bia. Bia thành phẩm có màu vàng, trong suốt, hương vị thơm ngon, bọt nhiều, có vị đắng chát nhẹ đặc trưng. Bia thành phẩm được bảo quản trong kho lạnh ở 0-10oC. 3.2. Sản xuất rượu vang 3.2.1 Trong . - . (nho có ). Nhập môn Công nghệ sinh học 259
24. - ). . - . : (1) S , q , n . (2) S 2 O2 : 2 - - (đ , dâu da + . + . 1 Nhập môn Công nghệ sinh học 260
25. 65-70o . - . : + men thường được sử dụng: Sac. ellipsoideus, Sac. cerevisiae, Sac. oviformis + . - . : + . + . 20-30o n. + . O2 . - . Có ba giai đoạn: . - . . Sau giai đoạn một, t . Nhập môn Công nghệ sinh học 261
26. - . - - . 3.3. Sản xuất rượu trắng (cồn) Quy trình sản xuất rượu trắng bằng phương pháp lên men rượu bởi nấm men được thực hiện qua các bước sau: chế biến nguyên liệu thành dịch đường, lên men biến đường thành rượu, chưng cất và tinh chế ethanol. 3.3.1. Chế biến nguyên liệu thành dịch đường - Nguyên liệu. Được dùng phổ biến hiện nay là loại nguyên liệu có sẵn đường (rỉ đường) và nguyên liệu có tinh bột (bắp, sắn, khoai lang, bột gạo ). - Các phương pháp đường hóa. Có ba phương pháp phổ biến nhất là đường hóa bằng bánh men, maltase và myco-malt. + Phương pháp bánh men. Là phương pháp sản xuất rượu thủ công. Nấm mốc (có hệ enzyme amylase phân giải tinh bột) được nuôi cấy và phát triển trên môi trường có tinh bột sống. Tinh bột sau khi được chuyển sang dạng dễ tan (dùng nhiệt độ cao 130-140oC) mà không nhất thiết phải hồ hóa thành dung dịch, thì amylase của nấm mốc sẽ dễ dàng phân hủy tinh bột. Nhược điểm của phương pháp này là tinh bột không ở dạng dung dịch nên hạn chế tác dụng của amylase và việc sử dụng bánh men dễ gây nhiễm Nhập môn Công nghệ sinh học 262
27. khuẩn, nên phương pháp này tạo ra nhiều sản phẩm trung gian và hiệu suất tổng thu hồi thấp. + Phương pháp maltase. Sử dụng chủ yếu là các enzyme α và β- amylase của hạt đại mạch hoặc tiểu mạch đã nảy mầm (malt) để chuyển hóa tinh bột (đã hồ hóa) thành đường lên men. Ưu điểm của phương pháp này là: thời gian hồ hóa tinh bột ngắn, chất lượng rượu không bị ảnh hưởng mà thường tạo ra những hương vị đặc trưng dễ chịu, ít bị nhiễm khuẩn. Tuy nhiên, phương pháp này cũng có một vài nhược điểm: hiệu suất đường hóa không cao và không triệt để vì phức hệ amylase trong mầm thóc không hoàn chỉnh, tỷ lệ malt sử dụng so với hàm lượng tinh bột có trong nguyên liệu tương đối cao (8-20%), giá thành sản phẩm cao. + Phương pháp myco-malt. Đây là phương pháp được dùng phổ biến hơn cả. Quá trình đường hóa ở đây dùng enzyme của vi sinh vật (chủ yếu là của nấm mốc). Đa số nấm mốc được sử dụng thuộc chi Aspergillus như: Asper. niger, Asper. oryzae, Asper. flavus, Asper. awamori. Các chủng nấm mốc được sử dụng để đường hóa tinh bột được nuôi cấy theo hai phương pháp: nuôi cấy bề mặt (thường dùng cho Asper. awamori và Asper. oryzae) và nuôi cấy chìm trong hệ lên men (thường dùng cho các chủng Asper. niger và Asper. batatae). Thời gian thực hiện quá trình đường hóa dài hay ngắn tùy thuộc vào chủng giống nấm mốc và nguyên liệu được sử dụng, thông thường từ 24-40 giờ. Chất lượng của quá trình đường hóa được đánh giá theo hoạt lực của amylase, dextrinase, gluco-amylase. Kết quả, quá trình đường hóa cho các sản phẩm gồm hỗn hợp dextrin, maltose, glucose. Trong đó, glucose chiếm tỷ lệ cao nhất. 3.3.2. Lên men biến đường thành rượu Đây là giai đoạn quan trọng nhất trong sản xuất rượu, quyết định chất lượng sản phẩm tạo thành. Sau khi dịch đường hóa đã được xử lý, người ta bổ sung thêm một số thành phần để cung cấp thêm vitamin và amino acid như muối ammonium, muối phosphate, dịch thủy phân nấm men. Môi trường có thành phần như trên có thể sử dụng để lên men. - Giống. Chủ yếu là các chủng của nấm men Sac. cerevisiae. Các chủng nấm men dùng trong sản xuất phải có những đặc điểm cơ bản sau: Nhập môn Công nghệ sinh học 263
28. + Có đầy đủ đặc điểm đặc trưng của nấm men. + Tốc độ phát triển mạnh, hoạt lực lên men cao. + Lên men được nhiều loại đường khác nhau và đạt được tốc độ lên men nhanh. + Chịu được độ cồn cao từ 10-12%. + Thích nghi được với những điều kiện không thuận lợi của môi trường, đặc biệt là đối với chất sát trùng. - Quá trình lên men. Môi trường lên men sau khi được khử trùng, kiểm tra độ đường đạt 90-120 g/L và pH 4,5-4,8 thì có thể cấy giống vào. Thời gian lên men từ 65-72 giờ, trong đó 10 giờ đầu có sục khí để nấm men sinh sôi nảy nở, sau đó cho lên men tĩnh (yếm khí). Quá trình lên men rượu xảy ra như sau: đường và các chất dinh dưỡng của môi trường lên men được hấp thụ vào trong tế bào nấm men qua màng tế bào và tham gia vào quá trình trao đổi chất, rượu ethanol và CO2 tạo thành liền thoát ra khỏi tế bào, rượu ethanol hòa tan mạnh trong nước do vậy nó khuếch tán rất nhanh vào môi trường chung quanh. 3.3.3. Chưng cất và tinh chế ethanol Khi kết thúc lên men rượu, sau khi đã loại bỏ tế bào nấm men, muốn được rượu tinh khiết cần chưng cất dịch lên men để loại bỏ tạp chất. Kỹ thuật chưng cất rượu ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng rượu thu được. Đồng thời, tỷ lệ tạp chất và chất lượng rượu lại chịu ảnh hưởng bởi nguyên liệu nuôi cấy. Quá trình chưng cất rượu diễn ra theo các giai đoạn sau: - Chưng cất dịch lên men. Quá trình này cho phép thu được rượu thô bằng cách tách cồn cùng các chất dễ bay hơi ra khỏi dịch lên men. - Tinh chế rượu. Là quá trình tách các tạp chất ra khỏi cồn thô để thu cồn tinh khiết. Trong cồn thô ngoài ethanol còn có nhiều tạp chất. Dựa vào khối lượng phân tử và khả năng bay hơi người ta chia làm ba nhóm: + Tạp chất đầu (có nhiệt độ sôi thấp hơn ethanol: aldehyde acetic, ethyl acetate, methyl acetate, methanol ) được lấy ra giai đoạn đầu của quá trình tinh chế, được gọi là rượu đầu hay cồn công nghiệp. + Tạp chất cuối (có nhiệt độ sôi cao hơn ethanol và khó bay hơi, đó là rượu cao phân tử: isoamylic, isobutylic ) loại này ít tan trong nước, được gọi là dầu fusel hay rượu tạp. Nhập môn Công nghệ sinh học 264
29. + Tạp chất trung gian, tùy thuộc vào nồng độ rượu và tính chất vật lý của các tạp chất mà nó sẽ bay hơi cùng với tạp chất đầu hay ở lại với tạp chất cuối. Số tạp chất này khó tách khỏi ethanol khi tinh chế, chẳng hạn: isobutyrate, ethyl isovalerianate. Sau khi tinh chế, tách ba loại tạp chất trên, ta có rượu tinh khiết. Hỗn hợp rượu-nước là hỗn hợp đẳng phí (có điểm sôi chung) nên với phương pháp chưng cất thông thường không thể tinh chế được rượu ethanol có nồng độ rượu >95,5% (thể tích). Vì vậy, muốn có ethanol tuyệt đối (>99%) ta phải tinh chế thêm (ví dụ: bằng phương pháp chưng luyện dưới áp suất thấp p 0,0525 atm) để hỗn hợp rượu-nước không có điểm sôi chung và cuối cùng sẽ thu được ethanol tuyệt đối. 4. Các sản phẩm chứa protein 4.1. Thực phẩm lên men truyền thống giàu protein Bao gồm các sản phẩm khác nhau giàu protein như phomát, đậu phụ, nước mắm và các hình thức bảo quản thực phẩm nhờ lên men acid như trong sản xuất các loại giò chả, xúc xích, cá ướp, cá mắm Tuy nhiên, cho đến nay các ứng dụng của công nghệ sinh học hiện đại trong vấn đề này nói chung không đáng kể trừ ngành sản xuất phomát. Ngược lại các ứng dụng của công nghệ sinh học lại thể hiện rất rõ nét trong việc tạo sinh khối vi sinh vật và chế biến chúng thành các dạng thực phẩm khác nhau. 4.2. Protein đơn bào (single cell protein-SCP) Protein đơn bào là một thuật ngữ được gọi theo quy ước dùng để chỉ vật chất tế bào vi sinh vật được sử dụng làm thức ăn cho người và động vật. Thuật ngữ này hoàn toàn không chính xác, vì sản phẩm được tạo ra thường không phải là một protein thuần khiết mà là các tế bào đã được xử lý thuộc nhiều loại vi sinh vật khác nhau bao gồm cả vi khuấn, nấm men, nấm sợi và tảo. Sinh khối tế bào vi sinh vật luôn có hàm lượng protein cao. Do vậy, trong những năm gần đây lĩnh vực công nghệ sinh học rất chú ý nghiên cứu công nghệ sản xuất và khả năng ứng dụng của protein vi sinh vật. Quá trình sản xuất SCP gắn liền với công nghệ lên men, do vậy năng suất tạo protein của nó rất cao (30-80% khối lượng khô). Một nhược điểm quan trọng của SCP là thường chứa hàm lượng nucleic acid cao, đặc biệt là ở vi khuẩn, Nhập môn Công nghệ sinh học 265
30. những cũng ở cả nấm men và nấm sợi. Nếu các loại SCP này được sử dụng cho người thì là một vấn đề, vì ở người thiếu uricase xúc tác cho sự oxy hóa uric acid thành allantoin hòa tan hơn. Ăn nhiều các dẫn xuất của purine sẽ làm tăng hàm lượng uric acid trong máu, acid này sẽ kết tủa và tạo thành tinh thể trong các khớp và đóng góp vào việc tạo nên các viên sỏi trong đường niệu. 4.2.1. Protein từ nguồn carbohydrate Cellulose là chất hữu cơ thường gặp nhất trên trái đất và hàng năm được tái tạo với một khối lượng khổng lồ. Các loại rơm rạ chứa tới 30-45% cellulose. Cellulose cũng gặp nhiều trong bã mía, nước thải công nghiệp gỗ, công nghiệp dệt và các chất thải của các ngành công nghiệp thực phẩm. Sản xuất SCP từ cơ chất cellulose là một hướng có nhiều triển vọng. Các vi sinh vật thích hợp cho việc sử dụng cellulose là xạ khuẩn ưa nhiệt, vi khuẩn từ dạ cỏ của các động vật nhai lại và nhiều loại nấm sợi khác Trong tự nhiên, ít gặp cellulose thuần khiết mà nó thường nằm dưới dạng liên kết với các polymer khác như lignin, pectin, hemicellulose Lignin là một polymer được tạo nên nhờ sự ngưng tụ của các gốc rượu. Lignin bao quanh các sợi cellulose bằng một mạng lưới ba chiều và do vậy ngăn cản sự phân giải cellulose nhờ enzyme. Riêng việc làm giảm độ lớn của hạt đã cho phép tăng đáng kể sự phân giải cellulose. Đến nay, mới chỉ có sản phẩm protein từ nấm (mycoprotein) là protein vi sinh vật duy nhất được cho phép sử dụng làm thực phẩm cho người và gia súc. Mycoprotein là dạng thực phẩm chứa sợi nấm Fusarium graminearum. Sinh khối được tạo ra trong quá trình nuôi cấy nấm liên tục trên môi trường chứa glucose và muối ammonium. Sau khi quá trình lên men kết thúc, người ta tiến hành xử lý nhiệt đối với sinh khối nấm thu được nhằm mục đích giảm lượng ribonucleic acid của nó. Cuối cùng tách sợi nấm bằng cách lọc chân không. Quy trình công nghệ này có năng suất tạo sinh khối giàu protein cao hơn rất nhiều lần so với chăn nuôi. 4.2.2. Protein từ vi khuẩn lam cố định đạm và vi tảo Vi tảo (microalgae) là tập hợp những loài tảo có kích thước nhỏ bé và có thể thích hợp được với việc sử dụng các phương pháp nuôi cấy đối với vi sinh vật. Vi khuẩn lam (cyanobacteria) trước đây được gọi là tảo lam, hay Nhập môn Công nghệ sinh học 266
31. tảo lam-lục. Trong phần này, chúng ta xếp hai loại này chung với nhau vì giữa chúng có nhiều đặc điểm sinh lý khi nuôi cấy giống nhau. Do đó, qui trình sản xuất thu sinh khối của chúng về cơ bản là không khác nhau. Ngay từ những năm 1940, người ta đã biết một số vi tảo có khả năng trong một thời gian ngắn tạo ra một lượng sinh khối rất lớn chứa tới 40-60% protein khối lượng khô (Chlorella sp.) và 50-55% protein khối lượng khô (Scenedesmus). Ở vi khuẩn lam, đặc biệt là chi Spirulina hàm lượng protein lên đến 60-70% khối lượng khô. Hàm lượng các amino acid của những protein ở vi tảo và vi khuẩn lam khá cân đối gần với quy định của protein tiêu chuẩn. Đặc biệt là lượng amino acid không thay thế trong protein rất cao có khi lên đến 42%. Đến đầu những năm 1960, tảo lam cố định đạm cũng được bắt đầu nuôi trồng rộng rãi trên thế giới, bánh tảo được sử dụng làm thực phẩm cho người dân, còn bột tảo được sử dụng rộng rãi làm thực phẩm bổ sung cho trẻ em suy dinh dưỡng và tăng tích sữa cho sản phụ. Chlorella được nuôi trồng đại trà từ thập niên 1950. Để nuôi trồng ở quy mô công nghiệp vi tảo và vi khuẩn lam, người ta sử dụng hai hệ thống cơ bản là hệ thống kín và hở. - Hệ thống kín. Là một hệ lên men, dùng ánh sáng nhân tạo có cường độ cao và có sục khí CO2. Ưu điểm của phương pháp này là không phụ thuộc khí hậu thời tiết, điều kiện nuôi cấy được kiểm tra, khống chế một cách chủ động. Nhưng phương thức này có giá thành cao nên khó áp dụng rộng rãi. - Hệ thống hở. Là các bể nuôi sử dụng ánh sáng tự nhiên. Nhược điểm của hệ này là các lớp tế bào phần đáy bể nuôi thực tế sẽ không được tiếp xúc với ánh sáng mặt trời để tiến hành quá trình quang hợp (Hình 7.5). Việc thu hoạch sinh khối vi khuẩn lam và vi tảo là công đoạn rất quan trọng ảnh hưởng đến giá thành sản phẩm. Có nhiều phương pháp thu sinh khối khác nhau như: ly tâm, vớt, lắng kết hóa học, lắng kết bằng điện trường, tự lắng kết Trường hợp các vi tảo như Chlorella, Scenedesmus có kích thước tế bào nhỏ thì chủ yếu dùng phương pháp ly tâm thu sinh khối. Với Spirulina người ta sử dụng phương pháp lọc. Thu hoạch sinh khối các vi khuẩn lam này bằng màng lọc nghiêng kết hợp với hút chân không. Sau khi thu hoạch, sinh khối được sấy khô bằng các cách như sấy đông khô, sấy chân không, sấy hình trống để có được thành phẩm. Nhập môn Công nghệ sinh học 267
32. Hình 7.5. Nuôi tảo Spirulina ở Thái Lan và bột tảo được đóng viên 5. Chế biến rau quả Rau quả được bảo quản lâu không biến chất và trong một số trường hợp giá trị dinh dưỡng của chúng còn được gia tăng nhờ được xử lý thông qua lên men lactic nhờ vi khuẩn Leuconostoc mesenteroides và Lactobacillus plantarum. Chế biến và tạo ra các thực phẩm có giá trị từ đậu tương nhờ lên men vi sinh vật đã được biết từ rất lâu. Phổ biến hơn cả là các loại nước chấm và đậu phụ từ đậu tương nhờ lên Asper. oryzae và Asper. tamari. Để sản xuất đậu phụ trước hết phải ngâm đậu, sau đó nghiền đậu thành bột và lọc qua vải. Tạo kết tủa từ dịch nói trên bằng muối Ca hoặc Mg, sau đó đóng thành bánh đậu. Trong thời gian ủ, nấm sợi trắng phát triển rất mạnh trên bề mặt bánh đậu và tạo hương vị đặc biệt cho nó. Hiện nay, trong công nghiệp sản xuất nước quả người ta sử dụng rộng rãi các loại enzyme pectinase, cellulase, hemicellulase, amylase, và protease. Chủ yếu để xử lý làm trong nước quả, giảm độ nhớt, giúp quá trình lọc và ổn định của chất lượng của nước quả ép. Trong đó, quá trình thủy phân pectin nhờ pectinase, pectateliase, polygalacturonidase và pectin esterase có vai trò quan trọng bậc nhất. Chúng cắt các liên kết glycoside trong phân tử pectin và do vậy, làm tăng hiệu suất tạo nước quả cũng như chất lượng của nó. Tài liệu tham khảo/đọc thêm 1. Đái Duy Ban và Lê Thanh Hòa. 1996. Công nghệ sinh học đối với vật nuôi và cây trồng. NXB Nông nghiệp, Hà Nội. Nhập môn Công nghệ sinh học 268
33. 2. Trần Thị Thanh. 2003. Công nghệ vi sinh. NXB Giáo dục, Hà Nội. 3. Nguyễn Văn Uyển và Nguyễn Tiến Thắng. 1999. Những kiến thức cơ bản về công nghệ sinh học. NXB Giáo dục, Hà Nội. 4. Chrispeels MJ and Sadava DE. 2003. Plants, Genes, and Crop Biotechnology. 2nd ed. Jones and Bartlett Publishers, Massachusetts, USA. 5. Narayanaswamy S. 1994. Plant Cell and Tissue Culture. Tata McGraw- Hill Publishing Co. Ltd. New Delhi, India. 6. Ratledge C and Kristiansen B. 2002. Basic Biotechnology. Cambridge University Press, UK. 7. Razan MK. 1994. An Introduction to Plant Tissue Culture. Oxford & IBH Publishing Co. Pvt. Ltd. New Delhi, India. 8. Trigiano RN and Gray DJ. 2000. Plant Tissue Culture Concepts and Laboratory Exercises. CRC Press, New York, USA. Nhập môn Công nghệ sinh học 269