Bài giảng chương 1 công nghệ sinh học thực phẩm

1.1 Một số khái niệm về công nghệ sinh học – Theo nghĩa hẹp: CNSH liên quan đến kĩ thuật hiện đại nhất nhƣ công nghệ di truyền và các kĩ thuật cao cấp khác nhƣ cố định enzyme, tạo dòng

CÔNG NGHỆ SINH HỌC

THỰC PHẨM

I Giới thiệu Công nghệ sinh học thực phẩm

1.1 Một số khái niệm về công nghệ sinh học

– Theo nghĩa hẹp: CNSH liên quan đến kĩ thuật hiện đại

nhất nhƣ công nghệ di truyền và các kĩ thuật cao cấp khác nhƣ cố định enzyme, tạo dòng vi khuẩn

tổng hợp protein người, tạo các kháng thể đơn dòng Theo nghiã này CNSH đƣợc tính từ 1970

 Công nghệ sinh học (Biotechnology) là một

thuật ngữ khoa học do kĩ sư người Hungary là Karl Ereky nêu ra vào năm 1917 để chỉ quá trình nuôi heo (lợn) với quy mô lớn bằng thức ăn là củ cải đường lên men Tuy nhiên, thuật ngữ này ít được nhắc đến trong hơn 50 năm và chỉ được sử dụng rộng rãi sau phát minh ra kĩ thuật di truyền (KTDT) vào đầu thập niên 1970, nên có lúc được

coi là sự bùng nổ CNSH

 Trước 1970, CNSH được hiểu là Công nghiệp

lên men (Industrial fermentation) vi sinh vật để tạo thương phẩm Trong các thập niên 1960 và 1970,

công nghệ lên men đã phát triển thành một ngành công nghiệp lớn trên thế giới với doanh số gần

trăm tỉ USD/năm

Công nghệ sinh học (Biotechnology) và Công nghệ thông tin (Informatic technology) được coi là làn sóng thứ năm trong lịch sử phát triển của khoa học và công nghệ Công nghệ sinh học (CNSH) có 3 cấp độ khác nhau:

CNSH truyền thống như các hoạt động chế biến thực phẩm (rượu, giấm , sữa chua, dưa chua, cà muối, pho-mát, tương, nước mắm, men bánh mì ), ủ phân, diệt khuẩn và ức chế vi sinh vật có hại

CNSH cận đại với việc sản xuất ở quy mô công nghiệp các sản phẩm của công nghệ lên men, công nghệ vi sinh vật (cồn, bia, dung môi hữu cơ, bột ngọt và các acid amin khác, acid citric và các acid hữu cơ khác, chất kháng sinh, nhiều vitamin, các

loại vaccin, kháng độc tố, các kit chẩn đoán bệnh

truyền nhiễm, thuốc trừ sâu sinh học, phân bón sinh học )

CNSH hiện đại chỉ mới xuất hiện trong vài thập kỷ

gần đây CNSH hiện đại sử dụng các kỹ thuật trao

đổi, sửa chữa, tổ hợp hoặc cải tạo vật chất di truyền ở mức độ phân tử để tạo ra những loại vi sinh vật mới hoặc bắt các sinh vật này tạo ra các protein hay các sản phẩm khác mà vốn dĩ chúng ta không tạo ra đƣợc

CNSH hiện đại bao gồm các lĩnh vực Công nghệ di truyền (Genetic engineering, Công nghệ tế bào (Cell engineering), Công nghệ vi sinh

vật/Công nghệ lên men (Microbial engineering/Fermentation engineering),

(Enzym/Protein engineering) và CNSH

biotechnology)

Sự ra đời của Cách mạng sinh học mới làm cho thuật ngữ Công nghệ sinh học trở nên thông dụng vào nửa sau cuả thập niên 70 Trước 1973, người ta thường dùng các từ Vi sinh công nghiệp, Công nghệ lên men, Kĩ thuật sinh hoá, Công nghệ sinh học là một thuật ngữ rất đạt, đã bao hàm trong nó tất cả những tên đã gọi các lĩnh vực ứng dụng trước đây và với nội dung mới Nó phản ánh những thành tựu hết sức to lớn của sự phát triển sinh học trong nhiều thập niên trước đó Cách mạng sinh học mới cao hơn hẳn về chất so với Cách mạng xanh vào những năm của thập niên 1960

1.1.2 CÁC LĨNH VỰC CỦA CNSH

Từ những năm 1970 đến nay, CNSH đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau và đƣợc phân loại theo các đối tƣợng hoặc ngành ứng dụng

a) CNSH phân loại theo các đối tượng

 Công nghệ sinh học phân tử (Molecular

biotechnology) gồm công nghệ gen và các ứng dụng kĩ thuật di truyền

Sản phẩm : các protein, vaccin tái tổ hợp;

các chế phẩm dùng chẩn đoán và trị liệu; các

vi sinh vật, động thực vật chuyển gen; …

 Công nghệ sinh học protein và enzyme (Biotechnology of proteins and enzymes).

Sản phẩm :

+ Các protein của máu; vaccin và kháng thể; hormone và nhân tố tăng trưởng; interferon, interleukin; protein dùng cho phân tích; protein không xúc tác;

+ Các enzyme công nghiệp (industrial enzymes) như protease, amylase, pectinase…; các enzyme cố định (immobilized enzymes); các enzyme từ vi sinh vật cực đoan (extremophiles); …

+ Cảm biến sinh học (biosensor)

 Công nghệ sinh học vi sinh vật (Microbial

biotechnology)

Sản phẩm : các loại thực phẩm lên men cổ

truyền ( rượu, bia, phomat, tương, chao .), các enzyme, các acid hữu cơ, các amino acid, các thuốc kháng sinh, các biopolymer, hay sinh khối tế bào vi sinh làm nguồn protein,

 Công nghệ sinh học động vật (Animal

biotechnology)

Sản phẩm : Các interferon, hormone

chiết tách từ nuôi tế bào động vật, vaccin virus, các kháng thể đơn dòng, các tế bào gốc (stem cell) đƣợc nuôi tạo dòng (cloning) động vật, kĩ thuật

mô tế bào, chẩn đoán nhanh đực cái, chuyển phôi ghép phôi,

Năm 1997, Wilmut

công bố tạo dòng hay nhân bản vô

tính (cloning) cừu

Dolly gây chấn

động dư luận thế giới

Cừu Dolly trắng và mẹ đẻ đầu đen giống Blackface

Cho đến cuối tháng giêng năm 1996, có ít nhất 277 phôi đã được tạo ra, đưa vào ống dẫn trứng của các cừu cái khác nhau và thu lại 247 phôi Trong số đó có

29 phôi đã phát triển đến giai đoạn phôi nang hoặc phôi vị và chúng được đưa

vào tử cung của 13 cừu mang thai Chỉ một trong số đó phát triển thành thai và

cừu con sống có biểu hiện các tính trạng bình thường là Dolly

Cừu Dolly nổi tiếng vì nó là động vật có vú đầu tiên được nhân bản và phát minh này có ý

nghĩa lớn về mặt khoa học, đồng thời nhạy cảm về xã hội, vì nó mở ra khả năng nhân

bản người Tuy nhiên, cho đến nay kết quả ở cừu chưa lặp lại được do phần lớn chết non

và cừu Dolly chóng già cũng đã chết Các nhà khoa học cho rằng cần nghiên cứu lại từ

đầu quá trình tái hoạt hoá nhân tế bào soma

đã biệt hoá Phát minh tế bào gốc tiếp theo

mở ra triển vọng mới cho tạo dòng vô tính

bằng cách sử dụng nhân tế bào gốc

b) CNSH gọi theo các lĩnh vực kinh tế xã hội

Căn cứ các lĩnh vực kinh tế xã hội, CNSH gồm chủ yếu :

 Công nghệ sinh học y học (Medical

 Công nghệ sinh học nông nghiệp (Agricultural biotechnology)

 Công nghệ sinh học môi trường (Environmental biotechnology)

Ngoài những lĩnh vực này, nhiều hướng nghiên cứu chuyên sâu về nhiều vấn đề đã hình thành như CNSH hương liệu (Aroma biotechnology),

biotechnology),…

Có một nàng công chúa xinh đẹp,

tài hoa và đức hạnh

đã thức dậy

Chàng Hiệp sỹ dũng cảm

BIOTECHNOLOGY

“Được hiểu là một công nghệ mạnh, can thiệp trực tiếp vào gen và TB, nhằm cải biến sự sống phục vụ lợi ích chính đáng của con người…”

-Phương pháp mạnh -Kỹ thuật mạnh

-Tài chính mạnh -Trí tuệ mạnh

Một số loài sao biển

có khả năng tái tạo

các xúc tu

và dạ dày

Cua biển có thể tự ngắt bỏ càng để thay thế càng mới

Hươu - ĐV có vú được biết duy nhất tới nay

có khả năng tái sinh trọn vẹn một mô sống

GS Joanna Price - ĐH Thú Y Hoàng gia Anh

(Theo Associated Press, 3-2006)

Mọc hoàn chỉnh 3-4 tháng, 1 năm/lần (loại mô sống tăng trưởng nhanh nhất)

Cuối mùa kết đôi, bộ gạc rụng, tới mùa xuân, bộ gạc mới nhú lên

Sự hiện diện bất ngờ và lộng lẫy

của tế bào gốc

khiến các nhà khoa học say đắm

mê mẩn như thể vướng vào

Được cảm ứng để tạo thành

các Tb, cơ quan chức năng

Ví dụ TB tuyến tụy, thần kinh, cơ tim…

Viễn cảnh về các “nông trại” sản xuất cơ quan vàcơ thể người phục vụ cho thay thế

Khả năng biệt hóa thành bất kỳ tb

nào đó trong cơ thể theo lệnh

Đặc biệt, dễ dàng cải biến miễn

dịch thải loại

Gần 50 bệnh hiểm nghèo trên thế giới

đã được điều trị thành công bằng TBG

Tế bào hư

TBG

Các tb blastocyst được

tách và nuôi cấy cùng

nhân tố tăng trưởng để

biệt hóa tb tạo insulin

TB tạo insulin được

tiêm lại cơ thể bệnh

ĐIỀU TRỊ TIỂU ĐƯỜNG

Bệnh nhân bỏng Robert

Tháng 5-2007, van tim ba lá đầu

tiên ra đời được biến đổi từ TBG

Phục hồi mô liên kết lá van và mô cơ nhú

(kéo lá van) từ hai nguồn TBG khác nhau

(kỹ thuật biệt hóa tại tổ chức

mô sau khi TBG được hoạt

hóa in vitro)

(Pr Yacoub Magdi,

Imperial College of London)- theo Le Monde

(Giác mạc

thành công

năm 2003)

Tháng 1-2007, võng mạc (retina)

đầu tiên ra đời được biến đổi từ TBG

TBG được thu nhận tại giác mạc của bệnh nhân

Lab

Đã phát triển được

ba dạng tiền tinh trùng khác nhau từ TBG

lấy ở tủy xương

Công nghệ

tái tạo

in vitro

tb sinh dục của người

từ TBG

1.2 Công nghệ sinh học thực phẩm

1.2.1 Thực phẩm là gì?

Thực phẩm giúp cho cơ thể làm việc, tăng trưởng và tự sửa sai Loại thực phẩm mà chúng ta ăn vào có thể ảnh hưởng hiệu quả đến các quá trình này Chức năng cơ thể và thực phẩm trợ giúp thành một phức hợp mật thiết Trong thực tế, thực phẩm là một tổ hợp phức tạp của các hợp chất hoá học

Thành phần hoá học của thực phẩm

Thực phẩm bao gồm nhiều cơ chất hoá học khác nhau, cả những thành phần dinh dưỡng đại lượng như protein và những thành phần dinh dưỡng vi lượng như vitamin, nước, chất

xơ, cũng như nhiều thành phần khác

COMPONENTS OF FOOD IN THE TOTAL DIET

Một thức ăn đơn lẻ hay ngay cả một bữa ăn không thể chứa dựng tất cả thành phần của thực phẩm Chế độ ăn uống tổng thẻ

sẽ bao gồm những món mà người ta phải dùng trong nhiều trường hợp khác nhau

Số lượng các chất hoá học được tìm thấy trong chế độ ăn uống tổng thể thì rất lớn Thức ăn có thể có màu sắc (tự nhiên hay tổng hợp), hương vị, có tác động dược lý (cà phê, steroid, salicylate…), những chất độc tự nhiên, chất phụ gia, và các chất bị nhiễm khác (như nhiễm thuốc trừ sâu từ môi trường nuôi trồng)

Tính chất hoá học của thực phẩm bị thay đổi do sự tồn trữ, bảo quản và đặc biệt là do cách nấu Các chất hoá học trong thực phẩm cũng có thể tương tác với nhau bên trong

cơ thể Ví dụ, sự có mặt của chất sắt từ nguồn thực vật trong cơ thể

là tùy thuộc vào số lượng vitamin C

có trong thực phẩm được ăn vào Cách mà carbohydrate được hấp thu vào ruột tùy thuộc vào sự hiện diện của chất xơ, mặc dù bản thân chất xơ thì không được cơ thể hấp thu

Dạng lý học của thức ăn

Tính chất vật lý của thức ăn rất quan trọng Kích thước các tiểu thể thức ăn

có thể ảnh hưởng đến hàm lượng chất dinh dưỡng được cơ thể tiêu hoá và hấp thụ Ví dụ, ăn một quả táo nguyên vẹn sẽ có giá trị dinh dưỡng khác với uống tất cả những thành phần hoá học tương tự trong purée táo Gạo nghiền thì tiêu hoá nhanh hơn gạo không được nghiền Chất dinh dưỡng dễ dàng hấp thu hơn từ bơ đậu phộng hơn là hạt đậu phộng

Tính acid hoặc kiềm

Tính acid hoặc kiềm của thực phẩm là đặc điểm vật lý cũng rất quan trọng Thực phẩm có tính acid hoặc kiềm có thể khác nhau về sự tiêu hoá trong dạ dày và ruột

và sẽ làm cho nước tiểu có tính acid hoặc tính kiềm Cơ thể con người có thể thích nghi với một khoảng rộng về độ acid và độ kiềm mà không xảy ra vấn đề gì Thực phẩm acid nói chung có vị chua trong khi thực phẩm kiềm thường có vị giống xà phòng Việc dùng sodium bicarbonate có thể làm cho thực phẩm có tính kiềm và cũng có thể làm mất vitamin C

1.2.2 Công nghệ sinh học thực phẩm

CNSH thực phẩm có tác động hàng ngày đến cuộc sống của hầu hết cư dân trên hành tinh của chúng ta Ngày nay, nhu

cầu về thực phẩm đòi hỏi phải đảm bảo

cân bằng dinh dưỡng (đủ các chất), an toàn, và nhiều sản phẩm mới để ăn

ngon mà không bệnh và ăn trị bệnh

Giá trị của thực phẩm lên men cổ truyền

Thực phẩm lên men cổ truyền (traditional fermented foods)

là những thực phẩm được tạo ra nhờ sự chuyển hoá do các vi sinh vật tự nhiên (gọi là sự lên men) Loại thực

phẩm này có lịch sử lâu đời gắn liền với sự phát triển của loài người Chúng có nguồn nguyên liệu đa dạng

nhất (rau quả, cá thịt, sữa,…) nên có nhiều loại sản phẩm nhất Sản phẩm mang sắc thái riêng biệt của từng dân tộc nên gắn liền với nếp sống văn hoá của dân tộc

nhất, được nhiều người trên hành tinh sử dụng nhiều nhất (từ người trong cảnh đói nghèo đến các bậc vương giả, vua chúa) Đa số quy trình sản xuất thực phẩm lên

men cổ truyền đơn giản và được truyền qua dân gian

Ngoài ra, nhiều quy trình chế biến có thể thực hiện ở gia

đình và sản xuất ít tiêu tốn năng lượng nhất

Thực phẩm lên men cổ truyền gồm các nhóm chủ yếu: rượu

bia, sản phẩm lên men thuỷ sản, thịt, sữa, đậu nành,…

Thực phẩm lên men từ thuỷ sản

Nhóm thực phẩm lên men cổ truyền từ các nguồn thuỷ sản như cá, tôm và cua có sản lượng lớn, giữ vai trò quan trọng chế biến thuỷ sản và có mặt trong bữa ăn hàng ngày của mọi người Việt Nam Các thực phẩm lên men từ cá như nước mắm và mắm

có thời gian chế biến rất lâu vì các biến đổi diễn ra ở nồng độ muối cao Chúng có nhiều

loại như nước mắm, mắm cá, mắm tôm cua

a) Nước mắm

Nước mắm là nước chấm (sauce) thu được từ sự thuỷ phân cá bằng lên men tự nhiên ở nồng độ muối trung bình Nhìn chung, nước mắm là mặt hàng chính của ngành thuỷ sản Việt Nam, nó tiêu thụ 40 – 60% tổng số cá đánh bắt được và chế biến khắp nơi trong toàn quốc Tuy nhiên cho đến nay, sản xuất vẫn theo phương pháp cổ truyền, quy trình thô sơ, thời gian kéo quá dài (từ 9 tháng đến 1 năm) và hiệu quả kinh

tế thấp

Toàn cảnh xí nghiệp quốc doanh

nước mắm Cát Hải Đảo trộn cá-muối

Hai dãy thùng gỗ Các thanh nẹp phía trên

b) Mắm cá tôm

Làm mắm là phương pháp chế biến kết hợp

việc ướp muối thuỷ sản với quá trình lên men trong một khoảng thời gian nhất định và trong điều kiện thích hợp sản phẩm sẽ phân giải ngấu chín thành mắm tạo ra mùi vị đặc trưng và có thể tồn trữ lâu dài Mắm cá là sản phẩm dạng bán rắn, sản xuất từ cá đồng (cá nước ngọt) hoặc cá biển trộn với muối

 Mắm cá thu: Kĩ thuật sản xuất mắm cá thu

(nhóm cá khoảng 10 loài) tương đối đơn giản, phụ thuộc vào phương pháp chế biến và kinh nghiệm ở từng địa phương, chỉ khác ở phương pháp ướp và tỉ lệ muối Thời gian chế biến trung bình từ 75  90 ngày

- Mắm tôm cua: Là thực phẩm lên men dạng

bán rắn hay bột nhão (paste), sản xuất từ các loại tôm tép, con ruốc, ba khía,… với tỉ

lệ muối tùy loại nguyên liệu

- Mắm ruốc: Nói chung nguyên lí chế biến mắm ở các địa phương nước ta là giống nhau, chỉ khác vài chi tiết nhỏ ở kĩ thuật chế biến và nồng độ muối Qua đó có thể nhận

ra nét đặc trưng của sản phẩm mỗi vùng Mắm ruốc (con ruốc  Acetes japonicus) được sản xuất ở 3 dạng : đặc, sệt, lỏng

Các loại thực phẩm lên men cổ truyền khác

Các loại dưa chua làm từ rau quả tươi : dưa bắp cải, dưa cải, dưa giá, dưa rau muống, dưa hành, dưa cà pháo, cà muối, dưa chuột muối, dưa củ cải,… vị chua được tạo ra do lên men lactic do

nhiều loại VSV khác nhau như Bacterium brassicae acidi, B brassicae fermentati, Lactobacillus cucumeris, L pentoaceticus, Saccharomyces brassicae fermentati Măng chua cũng do lên men lactic bởi các chủng : Leuconostoc mesenteroides, Pediococcus cerevisiae, Lactobacillus brevis, L buchneri, L fermentum, L plantarum, L pentosus