Công nghệ sinh học nông nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐỒNG THÁP KHOA SINH HỌC -----///----- BÀI TỰ HỌC MÔN: CÔNG NGHỆ SINH HỌC NÔNG NGHIỆP GVHD: Trần Đức Tường SVTH: Nguyễn Thị Minh Thư Lớp : 31K8 Năm học: 2008 – 2009 Tháng 2 năm 2009 Mục Lục Trang Chương IV: CÔNG NGHỆ SINH HỌC BẢO QUẢN, CHẾ BIẾN NÔNG SẢN VÀ XỬ LÍ PHẾ THẢI NÔNG NGHIỆP ……………………………2 Công nghệ sinh hoc trong chế biến..…………………………………………....2 1.1.Công nghệ sản xuất sữa……………………………………………………..2 1.2.Chế biến tinh bột…………………………………………………………....2 1.3. Sản xuất nước uống lên men……………………………………………….2 1.4. Sản xuất protein từ vi sinh vật……………………………………………...3 1.5. Sản xuất các chất tăng hương vị sản phẩm…………………………………3 Công nghệ sinh học trong bảo quản…………………………………………….4 Công nghệ sinh học trong xử lí phế thải………………………………………...4 3.1. Xử lí hiếu khí phế thải nông nghiệp………………………………………..4 3.2. Xử lí yếm khí các phế thải nông nghiệp .…………………………………..5 3.3. Sản xuất phân bón vi sinh từ phế thải……………………………………....5 3.4. Sử dụng phế liệu nông nghiệp trong sản xuất nấm ăn……………………...6 Chương V: AN TOÀN SINH HỌC TRONG CÔNG NGHỆ SINH HỌC ………...8 Định nghĩa và khái niệm...……………………………………………………....8 2. Những lợi ích của cây trồng chuyển gen ………..……………………………….8 3. Những rủi ro có thể có của cây chuyển gen……………………………………...8 4. Các quy định về an toàn sinh học……………….………………………………..9 Công ước đa dạng sinh học Nairobi và Nghị đinh thư Cartagena………….9 Quy chế quản lí an toàn sinh học đối với sinh vật biến đổi gen và sản phẩm của chúng …………………………………………………....…10 Chương IV: CÔNG NGHỆ SINH HỌC BẢO QUẢN, CHẾ BIẾN NÔNG SẢN VÀ XỬ LÍ PHẾ THẢI NÔNG NGHIỆP Công nghệ sinh hoc trong chế biến Việt Nam sẽ xây dựng và phát triển mạnh công nghệ sinh học phục vụ công nghiệp chế biến để sản xuất các sản phẩm chế biến thực phẩm có chất lượng tốt, đáp ứng nhu cầu tiêu dùng và xuất khẩu.Vai trò của Công nghệ sinh học trong một số ngành công nghiệp chế biến thực phẩm: 1.1.Công nghệ sản xuất sữa Phoma là sản phẩm chủ yếu. Quy trình chế biến: Đầu tiên là cấy vi sinh vật lên men vào sữa. Khi sữa đông vón lại, người ta tiến hành tách sữa đông ra khỏi nước, đun nóng và ép tạo hình. Sau đó thêm muối và để phoma chín dần ở nhiệt độ khá thấp (12 – 16oC). Để rút ngắn thời gian ủ phoma mà không ảnh hưởng đến chất lượng, cần thúc đẩy tốc độ biến đổi của protêin, lipit và lactozơ có mặt trong kết tủa sữa nhờ các enzyme proteaza, lipaza và lactaza thích hợp. Ngoài ra, Công nghệ sinh học còn được áp dụng trong các quy trình công nghệ sản xuất sữa chua, bơ, kem sữa… Đặc biệt trong việc xử lí dịch phế thải của công nghiệp chế biến sữa thành sản phẩm có ích. Các biện pháp Công nghệ sinh học hiện đại đã giúp tạo ra các chủng vi khuẩn đột biến có hiệu suất sản xuất enzyme cao phục vụ công nghiệp chế biến sữa. 1.2.Chế biến tinh bột Trước đây tinh bột chủ yếu được thuỷ phân bằng axit hoặc axit kết hợp với enzyme. Hiện nay, quá trình này đươc thực hiện bằng enzyme α-amylaza và amyloglucosidaza có tốc độ thuỷ phân cao, không gây ô nhiễm môi trường và cho sản phẩm có hệ số đương lượng dextrozơ – DE cao.(hệ số này phản ảnh mức độ thuỷ phân tinh bột thành glucozơ) Bằng Công nghệ sinh học hiện đại, người ta đã tạo đựoc các chủng Bacillus licheniformis và Bacillus amyloliquefaciens có khả năng tổng hợp α-amylaza chịu nhiệt độ cao tới 100oC, có thể hồ hoá tinh bột triệt để, tạo điều kiện thuận lợi cho giai đoạn đường hoá tiếp theo và sản xuất được sản phẩm có DE gần bằng 100. 1.3.Sản xuất nước uống lên men Các loại nước uống lên men có cồn đều được sản xuất từ nguyên liệu chứa đường bằng lên men bởi các chủng nấm men Saccharomyces cerevisiae như: Rượu uống (vang, sâmbanh, cônhăc ở Pháp; sake ở Nhật; rượu cần ở Việt Nam, Thái Lan…), bia ( sản xuất theo quy mô công nghiệp hoá và tiến hành theo quy trình công nghệ hết sức chặc chẻ, lên men gia tốc). 1.4. Sản xuất protein từ vi sinh vật Từ trước đến nay, nguồn cung cấp protein chủ yếu từ động vật, thực vật. nhưng trong sinh khối tế bào vi sinh vật luôn có hàm lượng protein rất cao, ngoài ra còn chứa phong phú các loại vitamin và các enzyme thuỷ phân. Sinh khối tế bào vi sinh vật được tạo ra với tốc độ cao hơn hẳn so với sinh khối động vật, thực vật, lại ít tốn diện tích, chủ động về năng suất và không phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên.Nguồn protein này đựợc gọi là nguồn protein đơn bào. Sản xuất protein đơn bào từ nguồn cacbonhyđrat nhờ sử dụng vi khuẩn Methylophylus methylotrophus AS1 đã được cải biến di truyền do có gắn plasmid mang gen mã hoá enzyme glutamate dehyđrogenaza protein đơn bào đã được sản xuất với hiệu suất cao. 1.5. Sản xuất các chất tăng hương vị sản phẩm Axit amin: mì chính (Natri glutamat), lysine, phenylalanine và axit aspartic được sản xuất chủ yếu bằng cách lên men. Ví dụ: axit glutamic và lysine được sản xuất bằng lên men vi khuẩn Corynebacterium glutamicum, Micrococcus glutamicus và Brevibacterium flavum. Công nghệ sản xuất các dipeptit, một phần tử từ 2 axit amin (L-asparagin và L-phenylalanin) gọi là aspartam. Aspartam này ngọt hơn đường mía 200 lần. Nó có bản chất protein nên không độc và được sử dụng thay thế đường, làm giảm 90% calo của các thực phẩm ngọt. Vitamin và màu thực phẩm: đã được sản xuất bằng quy trình Công nghệ sinh học. Ví dụ:Riboflavine (vitamin B2)được sản xuất bằng lên men sâu vi khuấn Eremothecium ashbyii hoặc Ashbya gossypii. Chất màu shiconin được sản xuất bằng nuôi cấy sinh khối tế bào cây… Axit hữu cơ: Axit citric được sản xuất chủ yếu bằng lên men Aspergillus niger trên môi trường gỉ đường. Keo thực phẩm: dạng polysaccarit được tạo ra trong quá trình lên menPseudomonas sp. Các enzyme phân giải: pectinaza, xenlulaza, hemixenlulaza, amylaza, proteinaza. Các enzyme này xử lí làm trong nước quả, giảm độ nhớt, giúp quá trình lọc và ổn định chất lượng nước ép quả, được sản xuất chủ yếu nhờ nuôi cấy vi sinh vật (Aspergillus niger,…) ở quy mô công nghiệp. Công nghệ sinh học trong bảo quản Các giải pháp bảo quản nông sản hiện nay là: Bảo quản trong nhiệt độ thấp để hạn chế hô hấp. Bảo quản trong khí nitơ (N2) hoặc cacbon dioxit (CO2). Xử lí hoá chất. Sử dụng các chế phẩm sinh học, các chất có hoạt tính sinh học hay các vi sinh vật đối kháng. Trong đó, giải pháp cuối là có triển vọng nhất và đây là giải pháp ứng dụng Công nghệ sinh học trong bảo quản nông sản. Ví dụ: Dùng vi khuẩn lactic sinh nisin để ức chế các vi sinh vật khác trong bảo quản nem chua; dùng pectinaza để phá huỷ các hạt keo trong rượu vang trước khi bảo quản. 3. Công nghệ sinh học trong xử lí phế thải Các quy trình Công nghệ sinh học đã được nghiên cứu và áp dụng để tận dụng các phế thải nông nghiệp tạo ra các sản phẩm hữu ích và bảo vệ môi trường sống. 3.1. Xử lí hiếu khí phế thải nông nghiệp Đặc điểm nổi bật là các vi khuẩn tham gia quá trình này phải được cung cấp đầy đủ oxi. Một số hệ thống xử lí hiện nay: Hồ chứa để oxi hoá: là hệ thống xử lí hiếu khí đơn giản nhất để xử lí nước thải của các xí nghiệp chăn nuôi. Có bề mặt rộng và không sâu quá 1,5m để bảo đảm sự thông khí được dể dàng. Trên bề mặt hồ thường nuôi cấy nhiều loại tảo quang hợp để tăng hiệu quả hoạt động của hệ thống xử lí. Ưu điểm: chi phí thấp. Khuyết điểm: tốc độ xử lí chậm, chiếm diện tích lớn, cặn bã tích luỹ ở đáy bị phân giải yếm khí tạo điều kiện để các vi sinh vật không mong muốn phát triển. Hệ thống xử lí bể bậc thang: trong hệ thống này, phế thải được nạp đều đặn và lưu giữ không lâu. Phế thải được oxi hoá khá mạnh và cặn được lưu giữ ở đáy bể nhờ dòng chảy chậm theo các bậc thang. Hệ thống xử lí rãnh Pasveer: đây là hệ thống xử lí cải tiến có sử dụng bùn hoạt tính (bùn non). 3.2. Xử lí yếm khí các phế thải nông nghiệp Đây là quá trình lên men yếm khí tạo ra khí sinh học (biogas), chứa chủ yếu khí metan, CO2 và một số khí khác. Ngoài tác dụng ngăn cản sự ô nhiễm môi trường, quá trình xử lí này còn cung cấp năng lương cho sinh hoạt và các hoạt động công nghiệp và các chất bã là nguồn phân bón hữu cơ chất lượng cao. Nó được thực hiện chủ yếu bởi nhóm vi khuẩn kị khí sản sinh metan (Methanobacterium). Quá trình này gồm 3 giai đoạn: hoà tan và thuỷ phân các chất hữu cơ; axit hoá hỗn hợp lên men và lên men tạo khí metan thực thụ. Công nghệ Biogas khí sinh học được ứng dụng rộng rãi. Hiện nay có rất nhiều kiểu hầm Biogas, nhiều cơ quan, tổ chức đã đầu tư chỉ đạo trên địa bàn các huyện, thị. Tác dụng của Biogas nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường, tăng nguồn chất đốt, tận dụng nguồn phân, nước tiểu ở các trại chăn nuôi tập trung, góp phần bảo vệ môi trường sinh thái. 3.3. Sản xuất phân bón vi sinh từ phế thải Nguyên tắc của quá trình này là sự chuyển hoá các chất có nguồn gốc hữu cơ bằng con đường sinh học nhờ các vi sinh vật để tạo ra dạng phân bón hiệu suất cao: tổ hợp được các đặc tính của phân bón vô cơ và hữu cơ, không gây ô nhiễm môi trường, cải tạo đất, tăng tính kháng bệnh của cây trồng và nâng cao năng suất, chất lượng nông sản. Định nghĩa phân vi sinh: Phân vi sinh vật (phân vi sinh) là sản phẩm chứa các vi sinh vật sống, đã được tuyển chọn có mật độ phù hợp với tiêu chuẩn đã ban hành, thong qua các hoạt động sống của chúng tạo nên các chất dinh dưỡng mà cây trồng có thể sử dụng được (N, P, K, S, Fe…) hay các hoạt chất sinh học, góp phần nâng cao năng suất, chất lượng nông sản. Phân vi sinh vật phải đảm bảo không gây ảnh hưởng xấu đến người, động, thực vật, môi trường sinh thái và chất lượng nông sản. Phân loại phân bón vi sinh: Phân vi sinh trên nền chất mang khử trùng: phân dạng này được sản xuất bằng cách tẩm, nhiễm sinh khối vi sinh vật sống đã qua tuyển chọn vào cơ chất đã được xử lí vô trùng bằng các phương pháp khác nhau. Phân vi sinh trên nền chất mang không khử trùng: được sản xuất theo quy trình trên nhưng ở đây cơ chất không cần khử trùng. Được phân biệt thành các loại sau: + Phân hữu cơ vi sinh vật: là sản phẩm phân hữu cơ có chứa các vi sinh vật sống, đã được tuyển chọn có mức độ phù hợp với tiêu chuẩn ban hành. Việc sản xuất phân vi sinh đã có tác dụng tốt: Rẻ tiền, dễ sản xuất, chủ động được nguồn phân hữu cơ có chất lượng cao, tận dụng triệt để nguồn phế thải nông nghiệp dư thừa, không làm ô nhiễm môi trường, tạo sản phẩm nông nghiệp sạch an toàn. + Phân hữu cơ khoáng vi sinh vật: là một dạng của phân hữu cơ vi sinh vật, trong đó có bổ sung một lượng nhất định các chất dinh dưỡng khoáng. Trên cơ sở tính năng tác dụng của các nhóm vi sinh vật, phân bón vi sinh còn được phân loại theo các dạng sau: Phân vi sinh vật cố định nitơ (phân đạm vi sinh) chứa các vi sinh vật sống cộng sinh với cây họ đậu, hội sinh trong vùng rễ cây trồng cạn hay tự do trong đất, nước có khả năng sử dụng nitơ từ không khí tổng hợp thành đạm cung cấp cho đất và cây trồng. Phân vi sinh vật phân giải hợp chất photpho khó tan (phân lân vi sinh) sản xuất từ các vi sinh vật có khả năng chuyển hoá các hợp chất photpho khó tan thành dể tiêu cho cây trồng sử dụng. Phân vi sinh vật kích thích, điều hoà sinh trưởng thực vật chứa các vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp các hoạt chất sinh học có tác dụng điều hoà hoặc kích thích quá trình trao đổi chất của cây. Phân vi sinh vật chức năng là một dạng của phân bón vi sinh vật ngoài khả năng tạo nên các chất dinh dưỡng cho đất, cây trồng còn có thể ức chế , kìm hãm sự phát sinh, phát triển của một số bệnh cây trồng do vi khuẩn và vi nấm gây nên. Ưu, nhược điểm của phân vi sinh vật: Ưu điểm: + Làm tăng năng suất cây trồng 70-80%. giảm vi sinh vật gây bệnh. + Cải tạo, làm tăng độ phì của đất. + Kích thích sinh trưởng của cây. + Biết thành phần hoá học. + Có hiệu quả lâu dài (2-3 năm). Liều lượng dùng ít (1-2 tấn/ha). + Không có hạt cỏ dại. Sử dụng đơn giản. Nhược điểm: Các thành phần bay hơi có mùi mạnh. Sử dụng phế liệu nông nghiệp trong sản xuất nấm ăn Hình thành và phát triển nghề nuôi trồng các loại nấm ăn và nấm dược liệu từ nguyên liệu, phế liệu nông nghiệp, lâm nghiệp nhằm phục vụ nhu cầu nội địa và xuất khẩu, tạo thêm công ăn việc làm, tăng thu nhập cho nông dân. Quy trình sản xuất nấm gồm một số bước chính sau: + Chuẩn bị nguyên liệu: rơm rạ, bã mía, mùn cưa, xơ bông… + Xử lí nguyên liệu: làm ướt nguyên liệu bằng nước vôi với tỉ lệ 1tấn nguyên liệu cần 10kg vôi đã tôi. Sau đó phối trộn các chất phụ gia và ử đống trong thời gian 6-10 ngày. Trong thời gian ử phải đảo trộn nguyên liệu 2-3 ngày/lần + Cấy giống: Nguyên liệu sau ử được đánh thành luống, đóng khay hay đóng bịch nilon với kích thước và độ chặc phù hợp. Cấy giống đã được chuẩn bị sẵn vào giá thể trên theo liều lượng quy định cho mỗi loại nấm. + Chăm sóc và thu hái: Nhà xưởng trồng nấm yêu cầu sạch sẽ, thoáng và bảo đảm đủ ẩm. Phải tuới nước thường xuyên và điều chỉnh lượng nước theo mật độ và độ lớn của cây nấm. Cần phòng tránh chuột đào bới, cắn phá giá thể và loại bỏ nấm dại mọc cạnh tranh. Nấm cần được thu hái đúng độ tuổi và đúng kĩ thuật mới có chất lựơng cao. Với lợi thế về nguồn nguyên liệu, quy trình công nghệ từ nuôi trồng, chăm sóc, bảo quản, chế biến được chuyển giao và áp dụng có hiệu quả, gia tăng giá trị sản xuất nông nghiệp, giải quyết lao động nông nhàn và góp phần giải quyết vấn đồ ô nhiễm môi trường từ nguồn phế thải nông nghiệp. Chương V: AN TOÀN SINH HỌC TRONG CÔNG NGHỆ SINH HỌC FAO kêu gọi các nước đang phát triển cần chú trọng nâng cao trình độ kiểm soát an toàn sinh học và tiến hành đánh giá tác động kinh tế xã hội của các sản phẩm biến đổi gen nhằm tránh những hiểm họa tiềm tàng của công nghệ này, đặc biệt là thực hiện các chính sách định hướng nghiên cứu và công nghệ để ứng dụng công nghệ sinh học có hiệu quả và an toàn đối với con người và môi trường. 1. Định nghĩa và khái niệm. An toàn sinh học của Công nghệ sinh học là lĩnh vực liên quan đến nghiên cứu sản xuất và sử dụng AND tái tổ hợp, sinh vật biến đổi gen và sản phẩm của chúng sao cho hợp lí, giảm thiểu tác động xấu của chúng lên sức khoẻ con người và môi trường. 2. Những lợi ích của cây trồng chuyển gen Tăng sản lượng. Giảm chi phí sản xuất Tăng lợi nhuận nông nghiệp. Cải thiện môi trường. Cải thiện một số đặc tính chất lượng của cây: + Lúa gạo giàu vitamin A và sắt, khoai tây có hàm lượng tinh bột cao. + Ra đời vacxin ăn được trong ngô, khoai tây và quả. + Ra đời các loại dầu ăn tốt hơn của cải dầu, đậu tương, cà chua chín chậm… 3. Những rủi ro có thể có của cây chuyển gen Sản phẩm của gen là protein đã vô tình tạo ra những chất gây dị ứng cho người sử dụng. Có thể có sự phát tán những gen biến nạp trong cây trồng sang họ hàng hoang dại. Có thể diệt các sinh vật không cần diệt. Có thể tăng tính kháng thuốc của côn trùng do quen với chất độc do cây tiết ra. Nhiều vectơ chuyển gen có mang các gen chỉ thị là gen kháng kháng sinh. 4. Các quy định về an toàn sinh học Công ước đa dạng sinh học Nairobi và Nghị đinh thư Cartagena Công ước đa dạng sinh học được hoàn thiện tại Nairobi 5/1992 và đưa ra Hội nghị Liên hợp quốc về Môi trường và phát triển (UNCED) xem xét, lí kết 5/6/1992, có hiệu lực từ 24/12/1993. Công ước là công cụ quốc tế chính thức được dùng để giải quyết các vấn đề liên quan đến đa dạng sinh học trong đó có an toàn sinh học. Công ước đề cập đến nhu cầu bảo vệ sức khoẻ con người và môi trường khỏi tác động xấu của Công nghệ sinh học hiện đại nhưng cũng công nhận Công nghệ sinh học có nhiều tiềm năng phát triển cuộc sống con người trong đó có việc đáp ứng nhu cầu lương thực thực phẩm và chăm sóc sức khoẻ con người. Nghị định thư Cartagena về An toàn sinh học ( thông qua 29/01/2000 tại Montreal – Canada) đưa ra những quy định về việc vận chuyển xuyên biên giới, xử lí và sử dụng mọi sinh vật sồng biến đổi di truyền (LMO) có thể gây tác động bất lợi đối với bảo tồn và sử dụng bền vững đa dạng sinh học, có quan tâm đến các rủi ro đối với sức khoẻ con người. Nghị định thư sẽ: + Hỗ trợ các quốc gia đang phát triển xây dựng năng lực để quản lí Công nghệ sinh học hiện đại. + Tạo ra các thủ tục thỏa thuận thông báo trước trong đó yêu cầu các nhà xuất khẩu phải được sự đồng ý của nước nhập khẩu trước khi vận chuyển lần đầu LMO (hạt giống, cá giống, vi sinh vật điều trị sinh học) dự kiến đưa vào môi trường. + Xây dựng trung tâm trao đổi thông tin An toàn sinh học trên mạng để hỗ trợ các quốc gia trao đổi thông tin khoa học kĩ thuật môi trường và luật pháp về LMO. + Yêu cầu việc vận chuyển các hàng hoá LMO như đậu tương hoặc ngô dự định trực tiếp làm thực phẩm, thức ăn chăn nuôi hoặc cho chế biến phải kèm theo các tài liệu ghi rõ các hàng hoá này “có thể chứa LMO” và “không chủ định đưa vào môi trường”. + Nghị định thư bao gồm một điều khoản chỉ rõ cho các bên tham gia là Nghị định thư không làm thay đổi các quyền và nghĩa vụ của các chính phủ tham gia tổ chức thương mại thế giới WTO cũng như các Hiệp định quốc tế hiện có. + Về việc đánh giá rũi ro, Nghị định thư yêu cầu các quyết định, dự định nhập khẩu phải dựa trên các đánh giá rũi ro Quy chế quản lí an toàn sinh học đối với sinh vật biến đổi gen và sản phẩm của chúng Hiện nay Việt Nam đang hoàn thiện Luật An toàn sinh học Quốc hội thông qua. Bảng dự thảo “Quy chế quản lí An toàn sinh học đối với sinh vật biến đổi gen và sản phẩm của chúng” gồm 8 chương, 26 điều và 1 văn để trình bản kèm theo Quy chế An toàn sinh học trong phòng thí nghiệm. Mục đích của Quy chế là đặt ra các yêu cầu có liên quan đến việc sử dụng các loài sinh vật đã biến đổi gen, các loài lạ hoặc sản phẩm của chúng trong sản xuất hoặc tiêu dùng nhằm đảm bảo an toàn cho môi trường, tính đa dạng sinh học và sức khoẻ con người. --------Hết--------