BÁO cáo CÔNG NGHỆ sản XUẤT PROTEIN đơn bào vai trò của protein đối với con người

Lịch sử phát triển: Thuật ngữ protein đơn bào có từ những năm 50 của thế kỷ 20 nhưng thực tế loài người đã biết sử dụng loại protein này và các chất có trong tế bào vi sinh vật từ rất lâ

ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC

-*** -BÁO CÁO

CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT PROTEIN ĐƠN BÀO

HỌ VÀ TÊN: Nguyễn Ngọc Bảo

NIÊN KHOÁ (K19-21)

HÀ NỘI, THÁNG 10, 2021

MỞ ĐẦU

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 quý hiếm nhất 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

2 Protein đơn bào

Protein đơn bào là thuật ngữ chỉ một loại chất dinh dưỡng có trong tế bào và chỉ được sản xuất từ vi sinh vật Thuật ngữ này không chỉ đơn giản là protein từ tế bào của cơ thể đơn bào, vì rất nhiều vi sinh vật không phải là cơ thể đơn bào mà vẫn khai thác chúng Do đó, thuật ngữ này nên hiểu là nguồn dinh dưỡng chứa nhiều protein từ vi sinh vật (từ vi khuẩn, nấm men, nấm sợi

và tảo) Protein đơn bào là hướng nghiên cứu mạnh mẽ hiện nay để giải quyết vấn đềthiếu hụt protein

Lịch sử phát triển:

Thuật ngữ protein đơn bào có từ những năm 50 của thế kỷ 20 nhưng thực tế loài người đã biết sử dụng loại protein này và các chất có trong tế bào vi sinh vật từ rất lâu: làm bánh mì, sữa chua, phomat, bia bằng hoạt động sống của vi sinh vật dù không hiểu vi sinh vật là gì Mãi đến thế kỷ 17, người ta mới biết đến vi sinh vật là một sinh vật thứ ba sau động vật và thực vật Trước thế kỷ 20, việc sử dụng vi sinh vật trong các quá trình chế biến thực phẩm hoàn toàn mang tính truyền thống và ở điều kiện tự nhiên Việc nghiên cứu và sản xuất protein đơn bào còn xa lạ với loài người, nhất là với qui mô công nghiệp Đầu thế kỷ thứ I, nhà máy sản xuất sinh khối nấm men được coi là nhà máy đầu tiên sản xuất protein đơn bào tại Đức với phương pháp nuôi Candida utilis còn gọi là “nấm men Torula” Sau đó, mối quan tâm của Đức giảm đi nhưng đến năm 1930, Đức mở phục hồi và mở rộng sản xuất, năng suất nấm men là 15.000 Tấn/năm, trên cơ

sở nuôi trên dịch kiềm sunfit, dịch thải của công nghiệp xenluloza, làm thực phẩm phục vụ trong quân đội và dân thường, chủ yếu là nấu canh và làm xúc xích Sau năm 1950, phong trào sản xuất SCP lan rộng khắp Châu Âu, Mỹ Tuy nhiên tất cả vẫn ở qui mô vừa và nhỏ, chủ yếu cho chăn nuôi và có thể chiết tách tinh sạch protein để làm thức ăn nhân tạo hoặc bổ sung vào các nguồn chế biến TP Vào lúc diễn ra hội nghị lần thứI về SCP tại Viện Kỹ thuật Massachusett (MIT) năm

1967, đa số các dự án chỉ mới nằm trong thực nghiệm, chỉ số hãng British Petroleum (BP) là có báo cáo về những kết quả của quá trình lên men SCP ở qui mô công nghiệp (CÔNG NGHIệP) Nhưng đến hội nghị lần thứ II họp vào năm 1973 thì nhiều hãng của nhiều nước khác nhau đã bắt đầu sản xuất SCP ở qui mô CÔNG NGHIệP Cũng bắt đầu từ năm 1973, CÔNG NGHIệP sản xuất SCP đã có những bước phát triển nhảy vọt do việc sử dụng hidrocabon của dầu mỏ, khí đốt làm nguồn cabon và năng lượng rất có hiệu quả Vậy nguyên nhân nào dẫn đến việc nhiều nước phải sản xuất SCP? Sản xuất SCP là nguồn protein có chất lượng cao thay thế các loại bột dinh dưỡng làm từ các hạt chứa dầu nhưđậu tương hoặc bột cá dành cho động vật sẽ giải quyết được 2 vấn đề:

+ Tăng nguồn đậu tương cá, và cả ngũ cốc cho dinh dưõng người

+ Các nước Châu Âu, Nga, Nhật và một số vùng khác không trồng được đậu

tương, do đó SCP sẽ giúp cho nước đó không phụ thuộc vào việc nhập khẩu protein

+ Trong tế bào vi sinh vật, ngoài hàm lượng protein tương đối lớn còn có chất

béo, vitamin và các chất khoáng, năng suất của vi sainh vật vượt xa năng suất

cây trồng và vật nuôi trong công nghiệp nhiều lần

2.1.1 Đặc điểm của sản xuất Protein đơn bào

2.1.1.1 Ưu điểm

- 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 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

2.1.1.2 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 và động vật

• Sản xuất protein đơn bào là một quá trình đắt tiền, vì nó cần có các chất điều khiển có độ tiệt trùng cao khi nghiên cứu trong phòng thí nghiệm

3 Nguyên liệu sản xuất

3.1 Yêu cầu đối với các chủng vi sinh vật sử dụng trong sản xuất

- Nguồn gốc rõ ràng và cần được phân loại đến mức chủng Các chủng này đã được lưu giữ tại các ngân hàng chủng giống

- Không gây bệnh và không có chứa các chất độc với cơ thể hoặc động vật Do sản phẩm này được trực tiếp sử dụng làm thức ăn cho người

- Có giá trị dinh dưỡng cao, có hàm lượng protein chiếm từ 40 đến 70% khối lượng

- Dễ nuôi cấy tốc độ sinh trưởng cao, nhu cầu dinh dưỡng thấp, dễ tách và làm khô, tận dụng được các phế phẩm để giảm giá thành sản xuất

- Hàm lượng acid nucleic thấp: yêu cầu dưới 2% để hạn chế ảnh hưởng đến người sử dụng

3.2 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,…

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

Protein

Chất béo

Các chất vô cơ

Axit nucleic

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 cap, 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 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 2:

Vi sinh vật

Vi khuẩn

Aeromos hydrophylla

Acromobacter delvacvate

Acinetobacter calcoacenticus

Bacillus megaterium

Bacillus subtilis, Cellulomonas sp., Flavobacterium sp.,

Thermomonospora fusca

Lactobacillus sp.

chứa nitơ ngoài protein khác

Nấm sợi

Aspergillus fumigatus

Aspergillus niger, A oryzae, Cephalosporium

eichhorniae, Chaetomium cellulolyticum

Penicillium cyclopium

Maltose, glucose Cellulose, hemicellulose Glucose, lactose,

galactose

Rhizopus chinensis

Nấm men

Amoco torula

Candida tropicalis

Candida utilis

Candida novellas

Candida intermedia

Saccharomyces cereviciae

Tảo

CO2 dùng cho quang hợp

Chondrus crispus, Scenedesmus sp, Spirulina sp., Porphyrium sp.

Bảng 2: 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) 3.3 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:

3.3.1 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 nhóm nấm, trong đó được

biết rõ nhất là Agaricus bisporus và một số các nhóm khác chứa enzyme phân giải

lignocellulose

3.3.2 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

3.3.3 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 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

3.3.4 Các nguồn nhiên liệu có giá trị thương mại cao như khí đốt, methan, methanol và các n-alkan.

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