Bài giảng chương 2 công nghệ sinh học trong tạo nguồn nguyên liệu cho công nghệ thực phẩm

Trong đa số quốc gia, việc dùng chất phụ gia thực phẩm được chi phối bởi nhiều được dùng và tiếp theo là loại phụ gia nào được dùng cho loại thực phẩm nào với nồng độ tối đa được xác đị

CHƯƠNG II:

TẠO NGUỒN NGUYÊN LIỆU CHO CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

Thực vật

Động vật

TNSH

Vi sinh vật Các nguồn khác

1 Tài nguyên sinh học

1.1 Phân loại thực phẩm theo tài nguyên sinh học

TÀI NGUYÊN ĐỘNG VẬT ĐẶC TRƯNG DINH DƯỠNG

Động vật Có hàm lượng cao các protein chất lượng 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 được đường này)

Cá nước ngọt

Cá biển

Cá nước ngọt ít Na hơn cá biển Nhiều acid béo thiết yếu

Nghêu, sò, hến Cung cấp cholesterol với mức độ tương tự như cá,

nhưng cho nhiều acid béo thiết yếu hơn

Nhiều nguyên tố vi lượng, nhưng đôi khi nhiễm kim loại nặng

Động vật giáp xác (ví dụ: tôm sú, tôm

hùm)

Nhiều cholesterol hơn cá, nhiều acid béo thiết yếu

Động vật ăn cỏ Hàm lượng sắt cao

Hàm lượng chất béo bảo hoà cao

Động vật dạ dày đơn, đã được thuần

hoá (vd: heo)

Chất béo nhiều hơn động vật ăn cỏ

Động vật dạ dày đơn, chưa được thuần

hoá (vd: Kangaroo, thỏ)

Chất béo nhiều hơn động vật ăn cỏ

Gia cầm (thuộc giống chim) Thường ít chất béo

Củ (cà rốt, khoai tây, khoai lang…) Hàm lượng tinh bột cao

Hàm lượng vitamin C vừa phải và hàm lượng 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 lượng vit C cao

Thân (vd: cần tây, hành) Cung cấp năng lượng thấp

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

Trái cây:

Họ cam chanh Giàu pectin, có đặc điểm làm keo tụ

Hàm lượng vit C cao và folacin vừa phải

Quả cứng (mận, đào, mơ…) Hàm lượng caratene vừa phải, vit C thấp

Lê và táo Thành phần chủ yếu là nước, crbonhydrate

và sợi, ít vit và chất khoáng

Quả nhiệt đới (xoài) Hàm lượng carotene, vit C cao, giàu pectin

Quả mọng (dâu) Vit C cao

Hạt (đậu, cà phê) Năng lượng cao, nhiều loại acid béo với hàm

lượng cao, hàm lượng protein vừa phải

CÁC CHẤT NGỌT

Các chất tạo ra đường Cung cấp năng lượng cao, dinh dưỡng thấp

VI SINH VẬT

Vi sinh vật đất Tạo ra vit 8-12; người ăn chay thường thiếu

các vitamin này

Nấm men Tạo ra nhiều loại vitamin và các nguyên tố vi

lượng, hàm lượng acid nucleic cao

Nước uống lên men Hàm lượng dinh dưỡng tuỳ thuộc vào nguồn

carbohydrate dùng trong quá trình chế biến; có độ rượu

Thực phẩm lên men Hàm lượng amino acid cao, Na có thể cao

CÔN TRÙNG

Phần thân thể côn trùng Hàm lượng protein cao

Mật ong Hàm lượng đường đơn cao

NƯỚC

Nước Không cung cấp năng lượng, hàm lượng

nguyên tố khoáng thay đổi

ĐẤT

Thường là do nhiễm bẩn thức ăn Có nhiều nguyên tố và vi sinh vật

1.2 Các chất phụ gia thực phẩm

• Phụ gia thực phẩm là những cơ chất được 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 được chi phối bởi nhiều

được dùng và tiếp theo là loại phụ gia nào được dùng cho loại thực phẩm nào với nồng độ tối đa được xác định

• Trước khi một chất phụ gia được chứng nhận là

được dùng cho thực phẩm thì nó phải được xác nhận là an toàn và phải không có sản phẩm tương

tự được sản xuất mà không cần dùng chất phụ gia

đó

• Khi phụ gia thực phẩm được dùng, trên nhãn hiệu

hàng hoá phải ghi rõ điều này bằng tên hoá học hay tên của lớp Trong đa số trường hợp, tên lớp mô tả chức năng của phụ gia trong thực phẩm

PHÂN LOẠI PHỤ GIA THỰC PHẨM

Mineral salts Preservatives Propellants (Tác nhân đẩy) Thickeners (Chất làm đặc) Vegetable gums

Vitamins

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

(e.g sodium alumino silicate).

Added to finely powdered and

crystalline foods to prevent lumping

Salt, milk powder in dispensing machines

drink-Chất chống oxy hoá

(e.g butylated hydroxyanisole).

Preservatives to retard development

of rancidity and discolouration

Edible oils and fats, margarine, 'instant' potato, dehydrated

vegetables

Tác nhân tẩy trắng

(e.g chlorine dioxide).

Added to flour to lighten its colour

and improve bread-making

Flours, bread

NHÓM PHỤ GIA VÀ CHỨC NĂNG THỰC PHẨM CÓ THỂ CHỨA

CHẤT PHỤ GIA Màu

Chất tạo nhũ, chất làm đặc

(e.g glyceryl monostearate).

To improve consistency, impart body

and stabilize air/oil/water mixtures

Biscuits, bread, cake, canned meats, confectionery, thickened cream, instant potato, dessert mixes, flavoured milk, fruit drinks, fruit yoghurt, ice cream, imitation cream, margarine, mayonnaise, peanut butter, salad dressings, soups

Chất tạo hương vị và tăng cường

hương vị

(e.g vanillin).

To impart taste and/or aroma to food

Pastry products, cheese, chocolate, confectionery, cordials, dessert mixes, flavoured milk, ice cream, imitation 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

NHÓM PHỤ GIA VÀ CHỨC NĂNG THỰC PHẨM CÓ THỂ CHỨA

CHẤT PHỤ GIA

Acid thực phẩm

(e.g citric acid)

Give sour or tart taste, aid

(e.g benzoic acid)

Prevent the growth of moulds,

yeasts and bacteria

Pastry products, bread, canned fruit, canned meat products, cheese,

cordials, cured meat,'instant' potato, flour, fruit drinks, fruit salad,

pickles, sausages, soft drinks, tomato juice

2 Nh ữ ng vấn đề về nguyên liệu

cho chế biến thực phẩm

2.1 Những ứng dụng của công nghệ sinh học

trong quá trình chế biến thực phẩm

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

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

- 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

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

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)

• Các phương pháp truyền thống: gây đột biến gen, tiếp hợp (dùng cho vi khuẩn), phương pháp lai dùng trong nấm men được 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 như thế sẽ tiếp tục được chọn lọc dựa trên những tính chất cơ bản như khả năng tạo màu hay kháng vi rút Tuy nhiên, những đột biến này lại thường có những biểu hiện không mong muốn có thể ảnh hưởng đến quá trình lên men

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

• Phương pháp phân tử

a) Biến đổi gen

Phương pháp DNA tái tổ hợp được dùng trong biến đổi gen ở vi khuẩn, nấm men và nấm mốc để biểu hiện được 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 như là các gen đánh dấu gồm các trình tự DNA

b) Sự đặc trưng hoá di truyền

• Sự đặc trưng 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 trưng hoá các chủng VSV dùng cho cải tiến quá trình lên men Những hểu biết đó bao gồm những tương 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 lượng cao

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…

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 trường nuôi cấy như là chất chuyển hoá của hoạt động vi sinh Sau đó enzyme được chiết tách

ra khỏi môi trường, tinh chế và dùng cho nhiều quá trình chế biến

2.2.3 Công nghệ sinh học trong việc sản xuất các

thành phần thực phẩm

đó đã được ứng dụng trong thương mại để sản xuất ra những thành phần của thực phẩm Kỹ thuật chuyển hoá,

một phương pháp mới liên quan con đường chuyển hoá

tiến năng suất và sản lượng 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

các kỹ thuật di truyền khác

2.2.4 Công nghệ sinh học trong chẩn đoán các

xét nghiệm thực phẩm

Nhiều phương 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 phương pháp này thường chậm chạp và độ chính xác không cao Những chẩn đoán và nhận dạng dựa trên gen khắc phục những nhược điểm trên Các phương pháp sinh học phân tử như polymerase chain reaction (PCR), ribotyping (xác định sự tương 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 …

3 Công nghệ sinh học cổ điển tạo nguyên liệu

Những giai đoạn chính của sự phát triển CNSH liên quan đến thực phẩm:

- CNSH cổ điển 4000 năm TCN: Người Ai Cập dùng nấm men để làm bánh mì và làm rượu

- 2000 năm TCN: Người 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 hương vị

và bảo quản thực phẩm bằng vi khuẩn Aztecs làm bánh từ tảo Spirulina

- 1861: Nhà hoá học Pháp Louis Pasteur phát triển phương pháp khử trùng pasteur, dùng nhiệt để bảo quản thực phẩm

- 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)

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

người Do đó, genomics thực vật chỉ thực hiện trên

vài đối tượng ngoại lệ đặc biệt như Arabidopsis

thaliana (một loài cỏ hoang với DNA khoảng 100Mb), lúa, cà chua

– 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

– Thưc 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 lương 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

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

• 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 nước 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 nhưng riêng loại bông kháng sâu hại cũng đã được đưa ra diện tích tới 5 triệu mẫu TQ (15 mẫu TQ = 1ha) Nhiều nước Châu Âu chống lại chủ trương phát triển các loại GMC Cũng có thể còn do có cả các lý do cạnh tranh thị trường

Nước 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 đường, tinh bột, cellulose và lignin )

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 như kháng thuốc diệt cỏ (herbicide) và kháng bệnh Gần đây có các nỗ lực hướng vào sự chuyển đa gen Các phương pháp khác nhau

được ứng dụng nhằm :

– Vô hiệu hoá sự nhiễm virus vào cây trồng để

có kiểu hình kháng virus tương ứng

– Tạo giống cây kháng bệnh nấm như ở thuốc

lá và cải dầu (Brassica napus) kháng

Rhizoctonia solani

– 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

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