GIÁO TRÌNH CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG SẢN XUẤT - PGS.TS. TRƯƠNG VĂN LUNG - 6

Ngoài Mexico, các nước khác ở Nam Mĩ (Argentina, Chilé, Venezuella) cùng các nước Trung Mĩ và vùng Caribé (Costa Rica, Cuba, Guatemala) cũng quan tâm đến các ứng dụng[r]

Chương V

Công nghệ sinh học trong việc tạo sản phẩm hữu cơ thực phẩm

1 Thế giới sinh vật là nguồn nguyên liệu vô tận cho công nghiệp hóa thực phẩm

Từ cuối thế kỉ XIX, một trong những người sáng lập ra môn hóa học tổng hợp, nhà bác học nổi tiếng người Pháp Marcelin Berthelot đã khẳng định: “Vấn đề các sản phẩm dinh dưỡng là vấn đề hóa học Khi nào thu nhận được năng lượng một cách rẻ tiền thì thực hiện được việc tổng hợp các sản phẩm dinh dưỡng từ carbon (lấy từ khí carbonic) từ hydrogen (lấy từ nước), từ nitrogen và oxygen (lấy từ không khí) Các công việc mà cho đến nay cây cối đã làm được nhờ năng lượng mặt trời Chúng ta trong tương lai không xa sẽ thực hiện được”

Bức tranh do Berthelot vẽ ra, đến ngày nay, vẫn là một cảnh điền viên viễn tưởng đối với chúng ta

Dmitri Ivanovitch Mendeleiev đã sáng suốt cho rằng, hiện thực nhất vẫn là sản xuất ở các nhà máy sản phẩm dinh dưỡng nhờ sinh vật Thế giới sinh vật vẫn là nguồn cung cấp hóa chất trong tự nhiên Các nhà sinh vật học và hóa học trong sự hợp tác sáng tạo đã làm nên những qui trình công nghệ hiện đại để sử dụng có hiệu quả nhất Thế giới sinh vật dùng làm nguyên liệu cho việc chế tạo ra các hóa chất khác nhau để phục

vụ cho con người

Naphtalene

Hình V.1 Sơ đồ các sản phẩm hóa học được hình thành từ thực vật

Trồng trọt Lâm nghiệp

Sinh khối trên cạn

Sinh khối dưới nước

Các sản phẩm quang hợp

Khí đốt tự nhiên

Dầu mỏ

Than đá

Thật vậy, từ năm 1950, công nghiệp dầu mỏ phát triển trong đó có hóa dầu chế tạo các hóa chất từ dầu mỏ, mà thực chất dầu mỏ và than đá đều từ sinh khối tự nhiên do quá trình quang hợp tạo nên và hóa thạch theo thời gian vùi lấp ở dưới mặt đất

Ngoài ra, trong thực vật còn cho nhiều sản phẩm hóa học khác Có thể tóm tắt theo sơ đồ được trình bày sau:

Trong công nghiệp cung cấp dầu béo: tinh dầu, hương liệu, tannin làm màu nhuộm, rezin, dầu nhờn, cao su, sợi, bột giấy Các cây thuốc cho dược phẩm, cây có chất độc, thuốc cá, thuốc trừ sâu Cây làm nhựa mủ: làm chất đốt, nhiên liệu Một số rong biển cho agar, alginate, carageenan

Mỡ cá voi, mùi thơm cà cuống, xạ hương chồn, mùi vani, chất cho mùi với chất giữ hương dùng trong giải khát,v.v

Ngoài những chất tự nhiên đã được con người sử dụng từ lâu còn

có những chất quí hiếm mà trong hóa học không thể chế tạo được.người ta phải nuôi trồng trong điều kiện cần thiết cho quá trình sống của chúng (thành phần và tỉ lệ vi lượng thích hợp, điều kiện khí hậu thích nghi) Đó

là những cây con đặc sản của từng vùng mà nơi này có, nơi khác không có hoặc nếu có thì chất lượng sản phẩm thua kém Ví dụ: nhân sâm ở Triều Tiên có một số vùng trồng được loại tốt ở nước ta có tam thất, trầm hương, quế Thanh (Thanh Hóa), quế Trà Mi (Quảng Nam) Gần đây người

ta đã phát hiện trên đỉnh núi Ngọc Linh (Kontum) có loại nhân sâm (người

ta đặt tên là nhân sâm Ngọc Linh), phẩm chất còn tốt hơn cả nhân sâm Triều Tiên

Ở Pháp có loại nấm Truffe, giá có lúc lên 4.000 Francs/kg Nấm

Melanosporum tuberculum sống ở vùng núi đá vôi, sống cộng sinh với cây

sồi (Quercus) mọc ở đất 1-2 dm Để tìm giống nấm này, người ta dẫn lợn

đi đánh hơi Nấm này tạo hương tự nhiên khi nấu gan vịt, ngỗng

Shikonin là chất có màu đỏ dùng làm chất chế màu Chất này lấy

từ rễ cây Lithospermum erythrorhizon có ở Nhật Bản, Triều Tiên Cây này

trồng 5-7 năm, chiết rễ lấy được 1-2% chất khô, giá 1 kg là 4.500 USD Nhu cầu tiêu thụ shikonin cao Ở Nhật Bản phải nhập thêm của Trung Quốc, Triều Tiên Hiện nay, ở Nhật Bản dùng kĩ thuật nuôi cấy mô và tế bào để nhân giống, chọn dòng tế bào có tỉ lệ shikonin cao (14-15%) Người ta chọn dòng tế bào có màu đỏ đậm thì tỉ lệ shikonin càng cao Người ta dùng nồi lên men 750 lít để nuôi tế bào trong 15 ngày thu được 5

kg Nhờ phương pháp này mà khối lượng thu được nhiều và chọn dòng có chất lượng cao Bằng con đường nuôi cấy mô và tế bào hiệu quả gấp 800 lần so với nuôi trồng tự nhiên Nhờ CNSH can thiệp vào mà nhiều sản phẩm quí được nhân lên nhanh, do đó việc thu nhận các sản phẩm quí được nhiều

Việc hiểu biết các cơ chế di truyền và kĩ thuật đã thay đổi hướng sản xuất và mở ra nhiều triển vọng tốt đẹp Ở Bungarie, hoa hồng được tạo gene, khống chế gene tạo mùi thơm biểu hiện sớm, thu được nhiều chất có mùi hương khác nhau và rẻ tiền hơn nhiều lần so với việc thu hương tự nhiên

Ngoài ra, trong nuôi cấy có thể tự động và điều khiển được nhờ điện toán (tạo pH, độ ẩm, …)

2 Sự chuyển hóa sinh học là cơ sở khoa học của công nghệ chế biến tạo ra sản phẩm hữu cơ thực phẩm

CNSH, các sản phẩm của sự tổng hợp sinh học và các quá trình lên men chuyển hóa vật chất gắn liền với những điều mới mẻ và có khi là bất ngờ không những chỉ đối với nông nghiệp, lâm nghiệp, y học (phần một

và hai) Càng ngày càng thấy rõ khả năng ứng dụng cụ thể và rộng rãi chúng trong các ngành hóa học và năng lượng học

Việc sản xuất các acid hữu cơ, acid amin, con người đã chế tạo ra

nó để sử dụng khá sớm Cha ông ta từ xưa cũng đã biết muối dưa, làm giấm, làm tương, chao để sử dụng trong đời sống hằng ngày Acid citric được sản xuất từ chanh Sau đại chiến thế giới lần thứ nhất (1920), người

ta sản xuất bằng con đường vi sinh vật Sau đó người ta cũng đã sản xuất nhiều acid amin khác nhau Từ năm 1909, Nhật Bản bắt đầu sản xuất acid amin là acid glutamic

2.1 Sự chuyển hóa sinh học (biotransformation) và các ứng dụng trong sản xuất và công nghiệp

Các sinh vật có khả năng thực hiện nhiều loại phản ứng hóa học khác nhau Chưa kể đến những phản ứng hóa học ở động vật và thực vật, trong vi sinh vật ngay từ năm 1959, người ta đã phát hiện thấy hơn 1.500 phản ứng khác nhau

Những phản ứng chung bao gồm:

- Phản ứng oxyhóa: decarboxyl hóa các acid amin

- Phản ứng khử: phản ứng 2NH2 + 3H2→ 2NH3

- Phản ứng carboxyl hóa tạo nhóm –COOH ở các acid hữu cơ

- Phản ứng mất amin (desamination)

- Phản ứng tạo glucoside xẩy ra khi tổng hợp tryptophan

- Phản ứng thủy phân

- Phản ứng methyl hóa (gắn nhóm –CH3)

- Phản ứng ether hóa, ester hóa

- Phản ứng mất nước

- Dismutation: khi tổng hợp các chất chỉ được chuyển đổi và tạo ra các hợp chất trung gian, sau đó được biến đổi để tạo thành chất mới

- Phản ứng kết hợp (condensation: ngưng tụ, cô đặc)

- Phản ứng amin hóa:

- Phản ứng acetyl hóa tạo acetylCoA

- Phản ứng amylin hóa: cắt bột thành đường

Các phản ứng này được thực hiện trong các ngành công nghiệp để sản xuất ra các sản phẩm cần thiết Một trong những ví dụ điển hình là sử dụng các sinh vật để thực hiện các phản ứng trong chế biến D-sorbitol thành L-sorbic:

CHO CH 2 OH CH 2 OH

H-C-OH H-C-OH Acetobacter C=O OH-C-H Hóa học OH-C-H suboxydase OH-C-H H-C-OH H-C-OH H-C-OH H-C-OH H-C-OH OH-C-H

CH 2 OH CH 2 OH CH 2 OH

Dùng biotransformation L-sorbose → L-acid ascorbic (vit.C)

Nhờ vi khuẩn chuyển phản ứng D-sorbitol thành L-sorbose mà sản phẩm được hạ giá thành so với thực hiện phản ứng bằng hóa học

Việc sản xuất cortison chất trị thấp khớp, đau nhức được tổng hợp hóa học để bán ra thị trường Nếu bằng con đường hóa học thì phải trải qua 37 công đoạn Vì vậy giá thành cao (giá 200 USD/g) Nhờ sự kết hợp giữa hóa học và vi sinh vật học mà qui trình sản xuất này rút ngắn còn 11 công đoạn và giá thành chỉ còn 0,68 USD/g mà không cần đến nhiệt độ và

áp suất cao

Rất nhiều chất kháng sinh hiện nay dùng trong điều trị, người ta sản xuất bằng con đường hóa học kết hợp với sinh vật học

2.2 Sản xuất acid hữu cơ

* Acid citric: Những năm 1920, người ta sản xuất acid citric bằng

cách dùng Aspergillus niger Người ta cũng đã tuyển chọn những giống

Aspergillus có năng suất cao để sản xuất có hiệu quả Cơ chất cho quá

trình lên men này là mật rỉ đường, nuôi ở độ pH thấp (pH=3) Dưới hoạt

động của Aspergillus, pH chuyển sang dạng acid (pH=1), sau đó người ta chiết ra được acid citric Trong quá trình lên men, dùng Aspergillus niger

chuyển được 90% đường thành acid citric Người ta cho CaCO3 để tạo thành tủa calcium citrate lắng xuống, sau đó cho tác dụng tủa với H2SO4

để tạo thành acid citric và CaSO4 lắng xuống Đem acid citric cô, kết tinh Trong quá trình lên men, ở bề mặt tạo thành một lớp bào tử đen dày

enzyme

Sau này người ta sản xuất acid citric bằng cách nuôi Aspergillus

trên parafin dầu mỏ

* Acid gluconic: có một thời gian, người ta sản xuất acid này bằng con đường lên men vi sinh vật từ glucose dưới tác dụng của enzyme glucosoxydase:

Glucose acid gluconic

Glucosoxydase là một enzyme cần không khí, vì vậy trong sản xuất cần sục khí mạnh Người ta tủa acid gluconic bằng CaCO3 để tạo thành calcium gluconate (dược phẩm dạng cốm cho trẻ em) Hiện nay, người ta vẫn sản xuất bằng con đường hóa học là chủ yếu, vì vi sinh vật rất dễ bị nhiễm và chọn chúng tương đối khó

Enzyme glucosoxydase đã sử dụng để bảo quản thực phẩm Cho vào bia một ít enzyme này sẽ bảo quản lâu hơn Bởi vì, trong bia còn một

ít đường glucose Chúng được lên men thành acid gluconic sẽ loại được O2

và bia hơi chua một ít nên ít bị nhiễm và giữ được lâu hơn

* Acid itaconic: được sản xuất từ Aspergillus itaconicus và

Aspergillus terreus Cơ chất của nó là mật rỉ đường, chất tinh bột, đường.

Acid này được dùng trong sản xuất polymer và được dùng trong sản xuất len nhân tạo Khi công nghiệp hóa dầu phát triển con đường sản xuất này bị ngưng

* Acid lactic: được sản xuất chủ yếu là dùng vi sinh vật lên men lactic Công nghiệp hóa dầu phát triển thì sản xuất acid lactic bằng con đường vi sinh vật cũng bị ngưng

2.3 Sản xuất acid amin

* Acid L-glutamic: lần đầu tiên vào năm 1909, hãng Ajinomoto Nhật Bản sản xuất acid này

Thật ra, bột ngọt đã được sản xuất từ năm 1908 bằng cách thủy

phân gluten của bột mì Người ta dùng Micrococcus glutamicum chính xác hơn là Brevibacterium glutamicum Trước đây sản xuất được 40g/l Hiện

nay nhờ chọn lọc dòng có năng suất cao nên sản xuất được 120g/l

* Lysine: cũng được sản xuất lượng lớn để bổ sung vào thực phẩm Chu trình của chúng là:

L-aspartic L-lysine

L-aspartic  Homoserine Methionine semialdehyde 

Threonine Isoleucine Trong sản xuất cần ức chế con đường  và  để tạo thành lysine được nhiều hơn Sau đây là kết quả của việc sản xuất acid hữu cơ và acid amin

sản phẩm lên men, đánh giá nguy cơ nhiễm các chủng đột biến sinh độc tố nấm (mycotoxin)

Ngoài Mexico, các nước khác ở Nam Mĩ (Argentina, Chilé, Venezuella) cùng các nước Trung Mĩ và vùng Caribé (Costa Rica, Cuba, Guatemala) cũng quan tâm đến các ứng dụng lên men trên môi trường xốp làm giàu protein cho các cơ chất giàu tinh bột tạo nên các thực phẩm lên men giàu protein gọi tắt là AFEP, làm lên men lactic nhằm bảo quản các sản phẩm nông nghiệp giàu tinh bột, làm tăng khả năng tiêu hóa và tăng hương vị cho các thức ăn chăn nuôi (bã mía, thân cây lúa miến), gia súc lớn, tìm ra các enzyme phân hủy tinh bột, phân hủy cellulose một cách rẻ tiền, khử các chất có hại ra khỏi các nông sản phẩm (khử tannin thuộc loại polyphenol và cafein ra khỏi hạt cà phê)

Ngoài ra, người ta làm giàu protein cho một số loại sản phẩm mà trước đây người ta phải chôn hoặc thả xuống biển hàng triệu tấn, nay biến chúng thành thức ăn cho chăn nuôi gia súc, tôm, cá hoặc làm phân bón hữu cơ vi sinh

Mặc dù việc sản xuất các thực phẩm lên men giàu protein từ glucid còn có nhiều khó khăn về kĩ thuật và về kinh tế, nhưng đây là một lĩnh vực đầy triển vọng trong việc tự cung tự cấp thức ăn và nâng cao giá trị dinh dưỡng cho các khu vực dân cư thiếu hụt protein Hơn nữa, chúng còn đầy triển vọng trong việc sản xuất các sản phẩm sinh hóa học có giá trị cao như enzyme

Chế biến glucose từ gỗ

Nghề nghiệp về gỗ rất đa dạng Theo tính toán của các chuyên gia, cách đây 40 năm, các mặt hàng chế tạo từ gỗ gồm khoảng 4.000 loại, bây giờ đã quá 25.000 loại và còn được tiếp tục mở rộng

Nhưng bất hạnh ở chỗ, trong quá trình xử lí cơ học, rất nhiều gỗ bị hao phí một cách vô ích Phế phẩm của việc chế biến gỗ tròn là 27% khi cưa gỗ, trong công nghiệp gỗ dán: 55%, trong sản xuất diêm: 65%

Khi chế biến theo kiểu cơ hóa học, các mảnh vụn của gỗ hoặc các phế liệu sẽ được tẩm nhựa rồi được ép lại và nhờ đó mà chế tạo ra các tấm

gỗ ép-vỏ bào, gỗ ép-sợi dùng thay thế cho gỗ nguyên vẹn

Chế biến hóa học gỗ là có hiệu quả Các nhà máy công nghiệp hóa học rừng đã xử lí gỗ ở nhiệt độ cao và sản xuất ra acid acetic, than gỗ, dầu thông, methanol, formalin, phenol, aceton, và hàng loạt các sản phẩm khác còn chế xuất từ gốc cây thông sẽ thu được caniphol Trong công nghiệp cellulose-giấy, trước hết từ gỗ phải tách được cellulose, sau đó từ cellulose mới làm ra giấy Cellulose còn là nguyên liệu để sản xuất ra sợi nhân tạo visco, cellophan, phim ảnh, verni và nhiều sản phẩm khác Cellulose là một trong những chất hữu cơ ổn định nhất, được thực vật tạo ra nhờ năng

lượng ánh sáng mặt trời Không có loại thực vật nào, không có loại động vật nào (trừ loài nhai lại có các loại vi sinh vật trong dạ dày sinh ra enzyme cellulase) có thể phân giải và đồng hóa được cellulose Cellulose tạo ra bộ xương chống đỡ cho cây thảo và thân cây gỗ

Trong các màng tế bào đã hóa gỗ, các vi sợi (microfibril), cellulose đóng vai trò cốt sức của bê tông, còn cái đóng bê tông ở đây là lignin 20-30% và hemicellulose 20% Khi sản xuất cellulose thì lignin và các thành phần hemicellulose còn lại sẽ được hòa tan bằng các muối của acid sulphuric hoặc bằng các chất kiềm Ở đây không xảy ra những chuyển biến đáng kể đối với cellulose

Ở các nhà máy thủy phân thì phương hướng của qui trình công nghệ lại hoàn toàn ngược lại: cellulose và hemicellulose chuyển vào dung dịch, còn lignin thì ở lại dạng chất rắn tự nhiên Sự khác nhau căn bản lại

ở chỗ khác Sự thủy phân không phải có mục đích duy trì mà là cấu tạo lại hoàn toàn phân tử cellulose Thậm chí, có thể nói rằng, ở đây đã hoàn toàn việc trẻ hóa lại phân tử này Khi quang hợp trong lá cây tạo thành glucose, hàng nghìn phân tử glucose ngưng tụ lại, polymer hóa thành phân tử polysaccharide-cellulose và khi đó giải phóng ra nước Khi thủy phân, phân tử cellulose liên kết với nước phân giải ra hàng nghìn gốc glucose đã cấu tạo ra nó

Cellulose là vật chất cơ bản của gỗ, hoàn toàn không ăn được, lại chuyển hóa thành glucose - loại hydrate carbon sinh ra trong các lá xanh khi hấp thụ ánh sáng mặt trời Loại đường này sẽ hòa tan trong nước và dễ dàng được tất cả các cơ thể sống đồng hóa

Việc thủy phân gỗ và các vật liệu thực vật khác như vỏ hạt bông,

vỏ hạt hướng dương, thân và bẹ ngô, rơm rạ của lúa và các loại hòa thảo khác… là một quá trình hóa học khá phức tạp Trong tế bào thực vật đã tạo thành các polysaccharide phức tạp (cellulose và hemicellulose) từ các đường đơn giản nhờ năng lượng ánh sáng mặt trời Khi phân giải ngược lại cũng cần dùng một năng lượng tương tự Mặc dù quá trình thủy phân tiến hành chỉ có mặt của các chất xúc tác (acid sulphuric, chlohydric hay các acid khác), khối chất phản ứng (gỗ) đã nghiền nhỏ cùng với chất xúc tác phải đun sôi đến 180oC hay cao hơn, với một áp lực trong thiết bị thủy phân đến 10-12 atm

Dung dịch đường acid tạo thành được liên tục lấy ra khỏi nơi phản ứng, còn phần rắn là lignin thì sau khi kết thúc toàn bộ quá trình, sẽ lấy ra khỏi thiết bị thủy phân

Dịch thủy phân được trung hòa và làm sạch các tạo chất Dung dịch tinh khiết được làm nguội (dịch trung hòa – neutralizate) chứa khoảng 3% đường hexose (glucose, mannose, galactose) và pentose