Bài giảng chương 5 công nghệ sinh học thực phẩm trong tương lai

Trước sự thúc ép gia tăng về dân số của hành tinh chúng ta, một mặt chúng ta phải bảo tồn tính đa dạng sinh học, mặt khác lại phải sản xuất ra nhiều của cải vật chất để nuôi sống con ngư

CHƯƠNG V:

CÔNG NGHỆ SINH HỌC

THỰC PHẨM TRONG TƯƠNG LAI

MỤC LỤC

 2 Thực phẩm biến đổi gen

 3 Vai trò của công nghệ sinh học

trong sự phát triển ngành công nghệ thực phẩm

1 Thực phẩm chức năng

Thực phẩm chức năng là thực phẩm dùng để hỗ trợ hoạt động của các bộ phận trong cơ thể, có tác dụng dinh dưỡng, tạo cho cơ thể tình trạng thoải mái và giảm bớt nguy cơ gây bệnh

 Thực phẩm chức năng, tuỳ theo công dụng, hàm lượng vi chất và hướng dẫn sử dụng, còn có các tên gọi khác

là thực phẩm bổ sung vi chất dinh dưỡng; thực phẩm bổ sung; thực phẩm bảo vệ sức khoẻ; sản phẩm dinh dưỡng y học

Thực phẩm chức năng là sản phẩm giao thoa giữa thực phẩm (nguồn gốc thiên nhiên) và dƣợc phẩm (thuốc- nguồn gốc hoá chất) Nhờ có chứa các hợp chất hoạt động sinh học mà ngoài giá trị dinh dƣỡng cơ bản, các thực phẩm chức năng còn có tác dụng giúp điều trị và phòng bệnh tốt

Thuật ngữ “Thực phẩm chức năng” đầu tiên đƣợc giới thiệu ở Nhật vào khoảng giữa những năm 1980

 Thực phẩm chức năng bắt nguồn từ thực vật, có thể kể các sản phẩm chế biến từ đậu, cà chua, tỏi, các loại trái cây, tỏi, trà, rƣợu vang Có thể đƣa ra một ví dụ nhƣ đu đủ cũng là một thực phẩm chức năng

 Đu đủ là thực phẩm chứa nhiều

carotenoid nhất, chiếm đến 7,2mg trong một quả trong khi mơ chỉ chứa 2,6mg

Carotenoid chính là nhóm chất chống

oxy hóa rất mạnh, rất hữu ích trong việc phòng chống các bệnh tim mạch và ung thƣ

Trong số 19 chất carotenoid thì chủ yếu

là các nhóm cryptoxanthin, beta-caroten, cryptoflavin Ngoài ra đu đủ cũng rất giàu vitamin A, B, C Trong 10g quả chứa 0,2 g protein, 14,5 g hydrat carbon, 1g lipid và 0,11 g khoáng chất

Trong y học cổ truyền Nam Mỹ, đu đủ

được đánh giá có hiệu lực trị bệnh tiểu đường, hen suyễn và chống ký sinh

trùng đường ruột và điều trị hiệu quả

bệnh ho lao nếu dùng đều đặn trong

thời gian dài

Đu đủ còn được đánh giá cao trên lĩnh vực thực phẩm chức năng nhờ các

enzym như papain, có tác dụng giống như các enzym do dạ dày tiết ra nên rất cần thiết cho việc tiêu hóa thực phẩm

 Tác dụng của papain trong đu đủ: Enzym papain từ đu đủ giống nhƣ bromelin từ dứa (thơm) là nguồn enzym thực vật có tác dụng giống pepsin của dạ dày hoặc trypsin của dịch tụy

 Enzym này tỏ ra hết sức hiệu quả trong việc phân hủy các hỗn hợp protein, nhất là trong các bệnh xơ hóa túi mật, tiêu hóa khó khăn và nóng rát

dạ dày, thiểu năng tuyến tụy làm giảm hàm lƣợng enzym pancreatin tiết ra

- Tại các quốc gia nhiệt đới, người ta dùng nhựa

từ đu đủ xanh hoặc hạt làm thuốc chống ký sinh trùng đường ruột như tẩy giun kim, giun đũa, sán heo dưới dạng thuốc sắc Nước sắc này còn có tác dụng kích thích chức năng gan, mật hoạt

động

 Thực phẩm chức năng có nguồn gốc

từ động vật: Các loại cá, thịt, sản phẩm

từ sữa…

 Thực phẩm chức năng bao gồm nhiều nhóm như nhóm thực phẩm có chứa chất chống oxy hoá (quả gấc, cam, chanh, bưỡi, giá…); nhóm thực phẩm

có chứa polyphenol (trà); nhóm thực phẩm có chứa melanoidine và caramel (gạo rang); nhóm probiotics (sữa chua, dưa chua…)

 Trên thế giới, thực phẩm chức năngđã được nghiên cứu và ứng dụng ở nhiều nước như Nhật Bản, Mỹ, Đức trong đó Nhật Bản là nước đi đầu

2 Thực phẩm biến đổi gen

2.1 Thực phẩm biến đổi gen, tính cấp thiết và các ảnh hưởng liên quan

 Thực phẩm có gen đã bị biến đổi là thực phẩm có nguồn gốc từ sinh vật có gen đã bị biến đổi do sử dụng công nghệ gen

Trước sự thúc ép gia tăng về dân số của hành tinh chúng ta, một mặt chúng ta phải bảo tồn tính đa dạng sinh học, mặt khác lại phải sản xuất ra nhiều của cải vật chất để nuôi sống con người và bảo tồn nòi giống bằng chính sự an toàn thực phẩm do con người làm ra

Thực hiện ước muốn này, chúng ta sử dụng thành tựu của khoa học- công nghệ gen: Sinh vật chuyển gen và cây trồng chuyển gen đã tác động trực tiếp đến thực phẩm chuyển gen Do đó, những đột biến gen trong lĩnh vực cây trồng, chăn nuôi và chế biến thực phẩm sẽ là một trong những giải pháp tích cực và hiệu quả nhất để đảm bảo an ninh lương thực và sản phẩm thực phẩm đa dạng phục vụ cuộc sống của con người

 Công nghệ chuyển gen là một quá trình chuyển đổi cho phép chúng ta xoá bỏ được ranh giới giữa các giống, loài vượt qua được “hàng rào tự nhiên” để cải tiến, đột biến các chủng giống vi sinh vật, cây trồng, vật nuôi Do tính thống nhất của mã di truyền

mà một khi gen mã hoá theo tình trạng mong muốn được phân lập từ bất kỳ một sinh vật nào (dù từ vi sinh vật), người ta đều có thể chuyển gen đó vào một sinh vật khác hoặc giữa các loài không có quan

hệ, mà sinh vật đó chúng ta đang cần cải tiến hoặc mong muốn đột biến Đây là thành tựu to lớn của khoa học vì quyền năng này không thể thực hiện được khi chúng ta sử dụng các phương pháp lai tạo giống cổ điển, tự nhiên Như vậy, thành tựu của công nghệ chuyển gen giúp cho con người sử dụng một cách triệt để hơn tính đa dạng sinh học vào các mục đích cần thiết của con người

 Hiện nay, không phải tất cả các loại thực phẩm có trên thị trường đều là thực phẩm biến đổi gen, nhưng sản phẩm chuyển gen

có được phải là thành tựu của công nghệ sinh vật chuyển gen và cây trồng chuyển gen Thực phẩm chuyển gen có một số ưu điểm cho cả người sản xuất và người tiêu dùng, nghĩa là con người đã dùng kỹ thuật gen để tạo ra sản phẩm thực phẩm có giá trị thấp hơn thành sản phẩm có giá trị cao hơn, có lợi ích lớn hơn hoặc khía cạnh này, hoặc khía cạnh kia, hoặc cho cả hai khi xét

về giá trị dinh dưỡng và thời gian bảo quản thực phẩm

 Tuy vậy, còn nhiều ý kiến và các câu hỏi vẫn luôn thường trực đối với người tiêu dùng khi nhắc tới thực phẩm chuyển gen, vì mọi người đều cho rằng sử dụng thực phẩm truyền thống là cách an toàn nhất, nhưng chúng ta lại quên rằng, một số đặc tính hiện có của thực phẩm tự nhiên

có thể bị thay đổi hoặc theo cách tích cực hoặc tiêu cực

2.2 An tồn sinh học đối với thực phẩm biến đổi gen

An toàn sinh học được hiểu là sự bảo vệ con

người, xã hội và môi trường khỏi các tác động có hại hoặc nguy hiểm đối với sức khỏe con người của thế hệ hôm nay và mai sau do các độc tố hay các sản phẩm của công nghệ gen Nó đòi hỏi phải đánh giá mức độ an toàn của tất cả các biện pháp sử dụng như các tác nhân chẩn đoán và trị liệu ;

dị ghép cơ quan; các tác nhân bảo vệ cây trồng vật nuôi,…

Ngay từ lúcï khởi đầu vào năm 1973, nhiều nghi

ngờ đã được đưa ra về tính an toàn của công nghệ

DNA tái tổ hợp Những mối lo ngại này đã thúc đẩy

các nhà khoa học chấp nhận các nguyên tắc chỉ đạo quản lí chính thức được đưa ra, nhằm đảm bảo các

vi sinh vật tái tổ hợp không có khả năng phát triển bên ngoài các phòng thí nghiệm, và các nhân viên phòng thí nghiệm phải được bảo vệ để không bị bất

kì một rủi ro nào Nội dung của các điều luật này được tiến hành vào năm 1974 và 1975 trong các phiên họp mở dưới sự giám sát của báo chí Vì vậy, công chúng đã biết đến các khả năng có thể xảy ra mang tính tiêu cực cũng như tích cực của các vi sinh vật đã được biến đổi di truyền

Vào năm 1998, một chiến dịch ầm ĩ và đầy tranh

cãi đã chống lại việc trồng các cây GMO và các

sản phẩm mua bán từ những loại cây trồng này

Ba ứng dụng thử nghiệm GMO được thừa nhận vào năm 1982 Hai thử nghiệm về thực vật biến đổi gen là bắp và cây thuốc lá Đề xuất thứ

ba liên quan đến việc kiểm tra dòng vi sinh vật

Pseudomonas syringae biến đổi gen để xác nhận

liệu nó có thể giới hạn khả năng làm chết cóng cây Sự đệ trình đặc biệt này trở thành sự kiện bước ngoặt cho việc cải tiến các thủ tục quản lí việc phóng thích các GMO vào môi trường

Các nông dân, chính phủ, và người tiêu dùng châu Âu lo lắng về GMO ngay từ ban đầu Phản ứng này một phần có lẽ là do tác động bi kịch của bệnh viêm não ở

bò (chứng bò điên) hoành hành ở Anh suốt những năm của thập niên 1990 Một nghiên cứu đã quả quyết rằng hệ thống miễn dịch của chuột đã bị tổn thương sau khi cho chuột ăn khoai tây chuyển gen

Nghiên cứu khác đề nghị rằng hạt phấn từ cây bắp Bt

đã huỷ hoại quần thể bướm “hoàng hậu” (Monarch butterflies) Việc rắc rối thứ ba liên quan đến một lỗ hổng trong hệ thống quản lí ở Mĩ nên đã cho phép một sản phẩm chuyển gen chủ ý chỉ dùng làm thức ăn cho động vật nhưng lại chuyển sang làm nguồn cung cấp thực phẩm cho người Những sự kiện này đã giúp khởi động chiến dịch chống cây trồng GMO

* Quản lí thực phẩm và các thành phần trong thực phẩm chuyển gen

Tại Mĩ, Cục Quản lí thực phẩm và dược

phẩm (Food and Drug Administration - FDA) chịu trách nhiệm quản lí việc đưa các loại lương thực, thuốc, dược phẩm và các dụng cụ y khoa vào thị trường Tính an toàn của các lương thực từ cây trồng cũng như thành phần thực phẩm bao gồm hương vị

và chất phụ gia phải được đánh giá kĩ lưỡng trước khi cho phép tiêu thụ

Chymosin: FDA đã chấp thuận enzyme

chymosin được sản xuất bằng công nghệ gen để dùng làm phômai mà không cần phải qua tất cả các xét nghiệm FDA lập luận rằng, nếu chymosin tái tổ hợp tương đồng với chymosin được sản xuất tự nhiên, người đệ đơn phải chứng tỏ rằng chúng có cùng khối lượng phân tử với chymosin được tinh chế từ bê, và các hoạt tính sinh học của 2 enzyme này là giống nhau

– Sự cố với Tryptophan : Suốt năm 1989 và 1990

ở Mĩ, có một số lượng lớn bất bình thường của các ca bệnh hội chứng đau cơ (eosinophilia- myalgia syndrome - EMS) được công bố Căn bệnh hiếm gặp này gây đau cơ nghiêm trọng, yếu cơ và có thể gây chết do không thể hô hấp Đặc tính thường thấy ở EMS là các bệnh nhân sử dụng liều lượng lớn amino acid tryptophan làm nguồn thức ăn bổ sung Những cuộc điều tra sâu hơn cho thấy tất cả các đợt tryptophan

"hư hỏng" bị nghi ngờ được sản xuất từ dòng vi khuẩn công nghệ gen, được tạo ra để sản xuất vượt mức tryptophan

Hậu quả là, L-tryptophan, thậm chí tinh khiết, cũng bị cấm dùng cho người dân Mĩ Mặc dù công nghệ gen không có vấn đề, nhưng bài học từ điều này là không nên thừa nhận tính tương đương sinh học giữa một giống và bản sao bị biến đổi di truyền của nó

- Somatotropin bò : Cuộc tranh luận về somatotropin ở bò (BST, bST, bovine

somatotrophin, hoặc hormone tăng trưởng ở bò) là điển hình cho các sự kiện có thể phát sinh từ việc sử dụng sản phẩm DNA tái tổ hợp FDA đã phê chuẩn cho bán BST tái tổ hợp trên thị trường (rBST, hoặc Posilac) Nhưng nhiều nước khác nhau không đồng ý với vài kết luận của FDA

Từ thập niên 1930, người ta thấy rằng việc tiêm BST vào bò sữa sẽ làm tăng sản lượng sữa một cách đáng kể Do việc thu nhận số lượng lớn BST tự nhiên vừa khó và chi phí lại cao, nên nó không thường được dùng làm chất phụ gia trong công nghệ sữa Tuy

nhiên, với công nghệ rBST do tế bào E coli

tạo ra được thu nhận, tinh chế và kiểm tra Dưới các điểu kiện thử nghiệm, lượng sữa trong các con bò sữa tăng 20  25% sau khi tiêm rBST

Tính an toàn của BST tự nhiên trong sữa được nghiên cứu kiõ lưỡng Trong các con

bò đã qua xử lí, lượng BST trong sữa không cao hơn so với các con đối chứng Hơn nữa, BST không có hoạt tính trong cơ thể người,

và tất cả các xét nghiệm kiểm tra độc tính cho thấy không có tác động gây hại trên những sinh vật thử nghiệm Sử dụng tất cả các kết quả nghiên cứu có thể thu thập, FDA đã kết luận thịt và sữa từ những con

bò đã được xử lí với rBST an toàn cho con người



 Tuy nhiên, vấn đề chính chống lại rBST là

"các hormone công nghệ gen" trong "sữa chứa hormone" sẽ có hại và gây bệnh ung thư cho người Những người phản đối rBST cho rằng việc sử dụng rBST sẽ làm gia tăng nguy cơ nhiễm vi khuẩn vào tuyến sữa (chứng viêm vú)

ở các gia súc nuôi lấy sữa Tranh cãi sâu hơn nữa là lượng kháng sinh phải được sử dụng nhiều hơn bình thường nhằm ổn định sức khoẻ của các gia súc được xử lí rBST, vì vậy, dẫn đến lượng kháng sinh gia tăng trong sữa bò, điều này có thể gây những phản ứng dị ứng ở nhiều người tiêu dùng

* 50 năm tới thế giới cần sản xuất ra nhiều thức ăn cho người, thức ăn cho động vật và sợi hơn so với trong thời gian của toàn bộ lịch sử loài người Cuộc cách mạng công nghệ tạo ra bởi các bộ gen cho cơ hội duy nhất để thực hiện mục đích này

Các cây trồng biến đổi gen chịu được thuốc diệt cỏ và sâu đang mang lại những lợi ích thông qua những thức ăn cho người, thức ăn cho động vật và sợi

mà người dân có thể mua được Những thứ này đòi hỏi ít thuốc trừ sâu hơn, bảo vệ đất tốt hơn và cung cấp một môi trường bền vững hơn

Trái với những ý kiến chỉ trích, các cây trồng công nghệ sinh học tỏ ra cũng an toàn như hoặc an toàn hơn những cây trồng sản xuất bằng các phương pháp thông thường Trong tương lai, những tiến bộ trong công nghệ sinh học nông nghiệp sẽ cho ra những cây trồng làm cải thiện khả năng chịu hạn hán, thời tiết nóng và lạnh; đòi hỏi ít phân bón và thuốc trừ sâu hơn; sản xuất các vắc-xin để ngăn ngừa những bệnh lây lan chủ yếu; và có những đặc điểm mong muốn khác

3 Vai trò của công nghệ sinh học trong sự phát triển ngành công nghệ thực phẩm

Các cây trồng và nông nghiệp đã đóng vai trò quan trọng trong phát triển và thúc đẩy sự văn minh Các cây trồng cung cấp những thức ăn bền vững cho con người, cho động vật, sợi cho xây dựng và quần

áo, thuốc men, dược phẩm, nước hoa, các hóa chất cho các quá trình sản xuất công nghiệp, năng lượng để nấu nướng

và sưởi ấm và gần đây nhất, sinh khối để đáp ứng nhu cầu ngày một tăng về nhiên liệu phục vụ vận tải

Các cây trồng còn đóng vai trò chủ yếu

về mặt môi trường bằng việc ngăn ngừa sói mòn đất, tăng cường mức ôxi trong khí quyển, giảm sự phát tán CO 2

từ việc đốt than đá, và làm giầu đất bằng nitơ, mà chúng quay vòng theo chu kỳ giữa đất và khí quyển

3.1 Nông nghiệp trong thế kỷ 21

Nếu dân số tiếp tục tăng như dự đoán, thì trong 50 năm tới chúng ta cần phải sản xuất thêm thức ăn cho người, thức

ăn cho động vật và sợi hơn so với thời gian của toàn bộ lịch sử loài người Và chúng ta phải làm điều này trên cơ sở diện tích đất thích hợp cho nông nghiệp và sản xuất cây trồng giảm dần

Điều này đặt ra một số thách thức chủ yếu cho nông nghiệp ở thế kỷ XXI:

- Sản lượng cây trồng cần phải tăng cao hơn mức đạt được ở thế kỷ XX để đáp ứng nhu cầu gia tăng và tiết kiệm không gian trống Những đầu vào cần thiết cho nông nghiệp thâm canh, như nước và phân bón cần phải giảm

- Cây trồng cần được phát triển để có thể sinh sôi nẩy nở trong những điều kiện khắc nghiệt sao cho những đất ít mầu mỡ có thể được sử dụng để trồng những cây quan trọng, mùa vụ phải kéo dài và sản lượng không bị giảm bởi hạn hán, thời tiết nóng, lạnh và các tác động khác

- Những ảnh hưởng đến môi trường của nông nghiệp do việc sử dụng thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ và phân bón cần phải giảm bớt Thí dụ các cây trồng cần được biến đổi để chịu được bệnh dịch,

để có thể hấp thu có hiệu quả các chất dinh dưỡng trong đất, và cạnh tranh với cỏ dại trong việc hút nước và hấp thụ ánh sáng mặt trời

- Những cây lương thực cần được tối ưu hóa để phục vụ sức khỏe và dinh dưỡng của con người, cung cấp các vitamin thiết yếu, các axít amin và prôtêin nhằm giúp xóa bỏ tình trạng suy dinh dưõng và bệnh tật

- Những cây trồng mới cho năng lượng cần được phát triển để có năng suất cao và có thể dùng làm nguồn sinh khối có thể thay thế cho các nhiên liệu để giảm bớt sự phụ thuộc của chúng ta vào hệ thống năng lượng dựa vào dầu

mỏ

Những thách thức này sẽ đòi hỏi phải áp dụng những kỹ thuật nhân giống và phân tử tinh vi nhất mà hiện nay đang

có, cũng nhƣ việc phát triển những kỹ thuật mới Tuy nhiên chƣa bao giờ có một thời kỳ nào sôi động hơn cho ngành sinh học cây trồng và nông nghiệp, và cuộc cách mạng công nghệ tạo ra bởi kỷ nguyên các bộ gen cho cơ hội duy nhất để thực hiện những mục tiêu này trong thời gian hai thập kỷ tới hoặc sớm hơn