Sinh học - Chương 8: Các sản phẩm lên men

Chương 8 CÁC SẢN PHẨM LÊN MEN I. TỔNG QUAN VỀ CÁC SẢN PHẨM CỦA CN VSV 1. Các nhóm sản phẩm căn bản • a) Sinh khối vi sinh vật : Gồm giống ban đầu cho sản xuất, nấm men bánh mì và men chăn nuôi, vaccine, protein đơn bào, phân vi sinh, chế phẩm diệt côn trùng, probiotic. • b) Enzyme vi sinh vật : Phổ biến hiện nay là α- amylase, -glucanase, amyloglycosidase, glucose isomerase, glucose oxidase, cellulase, hemicellulase, pectinase, invertase, protease, lactase, lipase, streptokinase • c) Các sản phẩm trao đổi chất : Gồm các sản phẩm sơ cấp và thứ cấp. Sản phẩm sơ cấp gồm rượu bia, amino acid, acid hữu cơ, nucleotide, vitamin, • Sản phẩm thứ cấp gồm thuốc kháng sinh, lipid VSV, sidephore, các chất tăng trưởng và chất có hoạt tính sinh học. • d) Sản phẩm tái tổ hợp gen : Các r-protein và các sản phẩm khác được tạo ra nhờ các tế bào vi sinh vật chuyển gen. • e) Sản phẩm của chuyển hoá sinh học gồm các steroid, vitamin C, acrylamide, được sản xuất bằng tế bào VSV hoặc enzyme. • f) Các biopolymer và biosurfactant : Các polysacchride ngoại bào như xanthan, gellan, alginat vi sinh, celluose vi khuẩn, và các chất hoạt động bề mặt (biosurfactant) được sản xuất bằng CNVSV. Doanh số các sản phẩm của công nghệ vi sinh vật (1981). TT Sản phẩm Doanh số (triệu USD) 1. Nước giải khát (rượu, bia,) 36800 (36,8 tỉ) 2. Fomát (Fromage, Cheese) 23800 (23,8 tỉ) 3. Kháng sinh 7900 (7,9 tỉ) 4. Cồn công nghiệp (năm 1983) 3625 (3,625 tỉ) 5. Sirop giàu fructose 1360 (1,365 tỉ) Doanh số 6. Amino acid 1275 (1,275 tỉ) 7. Nấm men bánh mì 920 8. Các steroid 850 9. Các vitamin 560 10. Citric acid 360 11. Các enzyme 340 12. Các loại vaccine 255 13. Nhựa dẻo polysaccharide (Polysaccharide gums) 100 II. Probiotic (Chế phẩm trợ sinh) Probiotic, hay còn gọi là chế phẩm trợ sinh, chứa các VSV sống (vô hại hoặc có lợi) có tác dụng làm cải thiện cân bằng VSV trên cơ thể vật chủ. Probiotic tác dụng theo 4 cơ chế chủ yếu: 1) Trung hoà độc tố 2) Cạnh tranh với mầm bệnh 3) Thay đổi chuyển hoá của VSV 4) Kích thích tính miễn dịch của chủ thể. • Bacillus subtilis được dùng từ lâu như probiotic. B. subtilis được sử dụng qua đường uống để phòng và chữa các rối loạn tiêu hoá sau khi dùng kháng sinh, mà nhiều trường hợp dẫn đến tiêu chảy. • B. subtilis có tác dụng hồi phục hệ vi sinh vật tự nhiên trong ống tiêu hoá của người sau khi dùng kháng sinh kéo dài hoặc bị bệnh. Bào tử của B. subtilis có thể qua được rào chắn đường tiêu hoá, một phần bào tử nảy mầm trong ruột non và sinh sôi trong đường ruột. • Ngoài ra, một số tác dụng lâm sàng của B. subtilis đã được biết như làm tác nhân kích thích miễn dịch trong một số bệnh. • Nhiều chế phẩm Probiotic B. subtilis hiện có trên thị trường với nhiều tên gọi khác nhau được sản xuất ở trong nước như Biosubtyl (Công ti Sinh phẩm Y học Biopharco – Đà Lạt)) và Subtyl (XNDPTW 24). • Một số chế phẩm sử dụng nấm men (Saccharomyces boulardii) như Biolactine,... • Nhiều loại chế phẩm Probiotic sản xuất trong và ngoài nước được sử dụng rộng rãi trong nuôi trồng thủy sản (tôm, cá tra) để hạn chế dịch bệnh. III. PROTEIN ĐƠN BÀO(SCP) • Sinh khối vi khuẩn, nấm men, nấm sợi, vi tảo có nhiều protein nên gọi là protein đơn bào (Single cell protein – SCP). Do lịch sử, khái niệm protein đơn bào hiểu theo 2 nghĩa khác thường : • – Gồm cả sinh khối của tế bào với nhiều chất chứ không chỉ protein. • – Không chỉ sinh vật đơn bào, mà có thể là nấm sợi đa bào. • Sinh khối của tế bào VSV luôn có hàm lượng protein cao. Năng suất tạo protein của các VSV cao hơn nhiều so với chăn nuôi nhờ tốc độ sinh sản nhanh. Hơn nữa, các VSV có thể tạo SCP từ các nguyên liệu rẻ tiền, thậm chí từ nhiều phụ phế liệu công, nông, lâm nghiệp. 1. SCP từ nguồn carbohydrate • Thực ra, việc sử dụng VSV làm nguồn thực phẩm đã được Đức thực hiện với nấm men Torula trong Thế chiến I. • Đến 1930, bắt đầu ứng dụng VSV để tạo nguồn thực phẩm và trong Thế chiến II đạt 15000 tấn. • Năm 1967, tập đoàn BP (British Petroleum) đã thông báo về kết quả sản xuất SCP nhờ lên men công nghiệp bằng nấm men từ parafin dầu mỏ, n-alkane. • Đến năm 1973, các kết quả tốt hơn được thông báo. Protein nấm men có tên thương mại là Toprina từ dầu mỏ. Do đó có lúc người ta nói đến “biptết từ dầu mỏ”. • Tương tư,ï ở Ý và Nhật đã sản xuất SCP từ n-paraffin với công xuất 100000 – 200000 tấn/năm. • Ngoài ra, vi khuẩn Methylophilus methylotrophus sử dụng methanol, một phụ phẩm dồi dào của công nghiệp dầu mỏ, để tạo SCP và đã đạt 100000 tấn/năm. • Trong thập niên 1980, Liên xô là nước sản xuất SCP lớn nhất, đã đạt 1 triệu tấn protein nấm men từ nguyên liệu gỗ thủy giải với 90 cơ sở sản xuất trong 1 năm. • Những protein này là tế bào nấm men, tế bào vi khuẩn nên chất lượng tốt. Nhưng cho đến nay, SCP chủ yếu vẫn chỉ được làm thức ăn gia súc. Trong những thập niên sau này, sản xuất SCP đã dừng do phải tốn nhiều năng lượng sục khí trong khi giá dầu mỏ tăng cao. • Do vậy, cho đến nay, chỉ có sản phẩm protein từ nấm (mycoprotein) được sản xuất theo công nghệ của Công ti Ranks Hovis McDougall (Anh), là protein vi sinh vật duy nhất được công nhận sử dụng làm thực phẩm cho cả người và gia súc. • Hiện nay mycoprotein thương phẩm được bán rộng rãi ở Anh có thành phần : protein – 47%, mỡ – 14%, chất xơ – 25%, carbohydrate – 10%, tro – 3% và RNA – 1% khối lượng khô. Cơng nghệ sản xuất spirulina • Spirulina đã được sử dụng cách đây 600 năm • Protein cao (70-75%), hồn hảo • Khơng chứa độc tố, chứa chất chống lão hĩa • Quang hợp giống cây xanh. • Điều kiện sản xuất đơn giản: 3000-10000 lux Cơng nghệ sản xuất spirulina • Nguyên liệu→ Mơi trường dinh dưỡng→ lên men Cơng nghệ sản xuất protein đơn bào (SCP) • Cĩ 2 dạng: Tảo đơn bào ( algar), vi khuẩn (Bacteria) • Tảo: Spirulina, chlorella, scenedesmus Bể nuơi IV. CÔNG NGHIỆP RƯỢU BIA VÀ CỒN NHIÊN LIỆU • Đây là lĩnh vực CNSH chiếm tIû lệ và doanh số lớn nhất. Sản xuất có thể ở quy mô công nghiệp lớn và ở gia đình. Nhiều sản phẩm nổi tiếng gắn liền với tên các dân tộc hay địa phương như rượu Champagne, Cognac, Bordeaux (Pháp), Vodka (Nga), Saké (Nhật Bản). • Ngoài ra, ethanol nhiên liệu là vấn đề nổi cộm được tập trung nghiên cứu và tăng nhanh quy mô sản xuất để trước mắt giải quyết nhu cầu cấp thiết khi giá xăng dầu lên cao và về lâu dài sẽ thay thế nguồn năng lượng cổ sinh cạn kiệt. 1. Lên men rượu • Lên men các đường thành rượu được thực hiện bởi nhiều loại nấm men, chủ yếu là các loài Saccharomyces và một số vi khuẩn. • Sản phẩm rượu có thể dùng ở dạng không chưng cất hay chưng cất. Nguyên liệu làm rượu có thể chia thành 3 nhóm • – Các cơ chất giàu đường như rỉ đường, nước mía, củ cải đường, nước trái cây chín, Sự lên men rượu xảy ra trực tiếp từ loại nguyên liệu này và không cần xử lí. • – Tinh bột từ các loại ngũ cốc như lúa mì, gạo, ngô, và các loại củ như khoai tây, sắn, Ngũ cốc là nguồn nguyên liệu lớn từ trồng trọt, nhưng trước khi lên men phải được thủy giải thành đường, rồi mới lên men đường thành rượu. • – Phức hợp lignocellulose từ gỗ, phế thải nông, lâm nghiệp, giấy in báo,. Đây là nguồn nguyên liệu dồi dào nhất trên Trái đất từ sinh khối thực vật, nhưng việc xử lí phân cắt cellulose thành glucose khó khăn và tốn kém hơn nhiều. 2. Các loại rượu bia chủ yếu Loại Nguồn nguyên liệu 1. Không chưng cất : – Bia – Cider (cidre) –Vang(vin, wine) – Sakê (saké) – Rượu cần – Rượu nếp than 2. Chưng cất : -Rượuđế (Vodka) - Rượu Whisky - Rượu Rhum - Cognac Malt ( mầm lúa đại mạch). Nước ép trái táo Nho Gạo loại đặc biệt Gạo, nếp, bắp, khoai mì, Nếp than . Gạo, nếp, khoai tây, khoai mì, bắp, Bắp, lúa đại mạch Mật rỉ đường Nho a) Bia có thể hiểu đơn giản là thức uống có độ rượu thấp, sủi bọt mạnh (hình 8.3), được tạo ra từ lên men rượu trên dịch malt (hạt đại mạch nẩy mầm) với hoa houblon (hops). Về nguyên lí, bia tạo ra do lên men rượu nên các ngũ cốc khác đều có thể dùng làm bia, nhưng không sánh được với malt. Quá trình lên men bia trong bồn yếm khí gồm 2 giai đoạn : • lên men • ủ chín bia. •  Lên men nổi lúc đầu khi nồng độ đường cao chủ yếu do Saccharomyces cerevisiae sinh ra nhiều khí CO2 làm sủi bọt nổi phía trên và lên men chìm do S. carlsbergensis ở dưới đáy bồn. Ngày nay, chỉ sử dụng S. carlsbergensis là giống có vai trò quyết định chất lượng bia. Sự lên men diễn ra ở nhiệt độ 20OC trong 5 – 7 ngày.  Ủ chín bia kéo dài ít nhất 4 – 5 tuần đủ để hình thành hương vị đặc trưng và giảm thiểu hình thành các chất bất lợi như chất tạo mùi khắm. • Hoa houblon tạo vị đắng đặc trưng và có vai trò ức chế vi khuẩn trong lên men. • b) Rượu cần (tube wine) là loại không chưng cất và có lịch sử lâu đời, từ chế độ Mẫu hệ. Nguyên liệu ban đầu là bột từ gạo tẻ, gạo nếp, ngô (bắp), sắn (khoai mì), được nấu chín không nhão. Về giống thì trước đây dùng rễ cây có hoạt tính ức chế vi khuẩn để các loài mốc phân hủy bột thành đường và nấm men tự nhiên chuyển hoá đường thành rượu. • c) Rượu sakê (saké) là loại rượu không chưng cất truyền thống của dân tộc Nhật Bản. Nó có nhiều đặc điểm thú vị : • – Loại rượu không chưng cất duy nhất có độ cồn cao đến 20 – 22%. • – Chủng nấm men là Saccharomyces cerevisiae var. saké • – Quy trình công nghệ khác với làm bia và rượu vang • Sự lên men sakê bắt đầu bằng công đọan chuẩn bị mốc (koji) Aspergillus oryzae, có tác dụng đường hoá tinh bột gạo thành glucose. Sau đó, cho nấm men sakê vào thì sự lên men mới bắt đầu. Sự đường hoá và lên men xảy ra cùng lúc tại cùng một thời điểm, nên gọi là "sự lên men song song”. • d) Rượu vang nho là loại rượu không chưng cất có truyền thống lâu đời (hình 8.6). • Nho thu hái về làm dập, ép lấy nước cho vào thùng lên men. Sự lên men được thực hiện bằng chủng sản xuất S. cerevisiae hay do các loài nấm men tự nhiên như Saccharomyces sp, Zygosaccharomyces sp, • 2 loại nho đỏ và trắng tạo ra tương ứng vang đỏ và trắng. Tranh cổ : hái nho làm rượu Hái nho làm rượu • Champange là vang nho mà ở giai đoạn cuối có bổ sung đường để tạo khí CO2 áp lực mạnh. • Gần đây phát hiện trong rượu nho đỏ có chất polyphenol tự nhiên RESVERATROL có tác dụng làm tăng tuổi thọ và trong thí nghiệm kéo dài tuổi thọ S. cerevisiae 70%. e) Rượu Congac là một loại ruợu nho chưng cất. Cognac là tên một địa phương ở Pháp nổi tiếng nhờ loại rượu này. • Đặc điểm sản xuất là nho được lên men thành rượu vang và tiếp theo được chưng cất. Sau đó, rượu có độ cồn cao cho vào thùng gỗ sồi, rượu này sẽ hút các chất từ gỗ sồi tạo hương vị đặc trưng. Rượu trữ càng lâu càng ngon. • f) Rượu đế hay rượu trắng và vodka đều là rượu chưng cất nguyên chất có độ cồn cao (40O trở lên) làm từ bột. • Ở nước ta, một số rượu nổi tiếng là rượu Làng Vân (Bắc Ninh), Gò Đen (Long An), Bàu Đá (Bình Định). Nước Nga nổi tiếng với rượu Vodka. Các loại rượu đế nổi tiếng ở ta 3. Chuyển hoá sinh khối thực vật thành ethanol nhiên liệu • Bên cạnh vai trò là một nước giải khát, ethanol còn được xem như một nguồn nhiên liệu, vật liệu ban đầu cho sản xuất các hoá chất như acetic acid, acetaldehyde, butanol và ethylen (chất trung gian trong công nghiệp hoá dầu). Ưu điểm của cồn nhiên liệu là ít gây ô nhiễm. a) Các giống vi sinh vật lên men ethanol nhiên liệu • – Nấm men S. cerevisiae lên men các loại đường glucose, fructose, galactose, maltose, maltriose, xylulose. • – Vi khuẩn Zymommonas mobilis lên men glucose, fructose, sucrose. • – Các vi nấm chịu nhiệt có khả năng lên men ethanol từ cellulose : Clostridium thermocellum lên men glucose, cellobiose, cellulose và C. thermohydrosulfurium lên men glucose, xylose, sucrose, cellobiose và bột. Các chủng Saccharomyces đáp ứng tốt nhất những đặc điểm nêu trên. Mặc dù là giống thuận lợi cho quá trình sản xuất ethanol liù tưởng, nhưng chúng chưa sử dụng một số đường khác như xylose và khả năng chịu đựng nồng độ cồn cao hạn chế. • Công nghệ gen đã tạo được chủng nấm men S. cerevisiae lên men cả đường xylose và nó làm tăng 40% sản lượng cồn khi lên men dịch thủy phân rơm rạ, bẹ ngô. • Zymomonas mobilis là vi khuẩn có thể dùng trong sản xuất ethanol thay thế nấm men. • . Zymomonas mobilis sử dụng glucose tạo thành ethanol với tốc độ nhanh hơn nấm men 3  4 lần, sản lượng ethanol tối đa theo lí thuyết là 97%. • Zymomonas không cần oxygen và nó có thể phát triển trong môi trường tối thiểu không có một hợp chất hữu cơ nào. • Nhiều giống Zymomonas phát triển được ở nhiệt độ 38  40oC. • Zymomonas chịu được áp suất thẩm thấu cao, hầu hết các giống đều phát triển trong dung dịch chứa 40% glucose (theo khối lượng), nhưng khả năng chịu đựng muối thấp, không giống nào chịu được nồng độ NaCl 2%, • Các giống Z. mobilis có thể chịu được cồn, sản lượng lên men lên đến 13% (theo thể tích) cồn ở 30oC. b) Sự can thiệp của KTDT vào sản xuất ethanol nhiên liệu Các nghiên cứu chủ yếu nhằm thiết kế : • – Các chủng sử dụng lactose để tận dụng phụ phẩm công nghiệp sữa. • – Các chủng vi sinh có khả năng chuyển hoá xylose mà nấm men không đồng hoá. • – Các chủng nấm men phân giải tinh bột để lên men bột khỏi phải qua đường hoá. • – Các chủng VSV để sản xuất ethanol từ pentose. • Ngoài ra, vấn đề quan trọng khác là sản xuất enzyme cellulse giá rẻ để giá thành ethanol nhiên liệu đủ sức cạnh tranh với xăng dầu. • Chuyển hoá sinh khối thực vật thành ethanol nhiên liệu là một điểm nóng của CNSH hiện đại. Các quy trình vi sinh vật Ưùng dụng vào công nghiệp 1. Sản xuất các thực phẩm lên men: nước tương, fromage, nước mắm... 2. Sản xuất và sử dụng sinh khối vi sinh vật: men bánh mì, nấm men chăn nuôi, chlorella, spirulina, protein đơn bào (SCP). Sử dụng các acid ribonucleotid, protein và thành phần tế bào khác. 3. Các chế phẩm vi sinh vật diệt sâu, nấm bệnh và phân vi sinh. 4. Sinh khối vi sinh vật -> vaccine 5. Nước giải khát: rượu cần, rượu đế, rượu saké, bia, rượu vang, rượu trái cây, whiskey, brandy, các rượu chưng cất và không chưng cất. Công nghiệp thực phẩm lên men, chăn nuôi, thực phẩm thủy sản. Công nghiệp thực phẩm và thức ăn cho chăn nuôi. Công nghiệp thực phẩm, hóa dược. Nông nghiệp Y tế Công nghiệp rượu bia 6. Sản xuất các dung môi : ethanol, acetone, 7. Sản xuất các acid hữu cơ : citric, lactic, acetic, fumaric, itaconic, ... 8. Sản xuất các biopolymer (macromolecular polysaccharides): dextran, levan, xanthan, mannan, caragheenin.... 9. Sản xuất các chất kháng sinh: penicillin, các penicillin tổng hợp, streptomycin, kanamycin, bleomycin, actinomycin. Blasticidin S, kasugamycin. Thiostrepton, thiopeptin. 10. Sản xuất các chất có hoạt tính sinh học: - Các vitamin B2, B6, B12, C - Các alkaloids - Các chất ức chế enzymes - Chuyển hóa sinh học các steroid - Gibberillin, auxin, chất điều hòa tăng trưởng TV. 11. Các acid amin: acid glytamic (làm bột ngọt), glutamine, lysine, acid aspartic, arginine, ornithine, threonine, valine, tyrosine, phenylalanine, leucine, tryptophan, hydroxytryptophan. Công nghiệp hóa học Công nghiệp thực phẩm và hóa chất Công nghiệp thực phẩm và khai khoáng Công nghiệp y dược Nông nghiệp và y dược Dinh dưỡng Công nghiệp hóa dược và y dược Nông nghiệp Công nghiệp thực phẩm, hóa học • 12. Sản xuất các mononucleotides và các đồng đẳng: acid 5’- inosinic, acid 5’-guanilic, 5’-amino-4-imidazole-carboxy amid (AICA), riboside, ATP, AMP vòng. • 13. Sản xuất và sử dụng enzyme : amylase, protease, enzyme đồng tụ sữa (rennin), lipase, cellulase, asparaginase, glucose isomerase, glucose oxydase, aspartase và các enzymes không tan khác. • Penicillinase, glucose oxydase • 14. Luyện kim bằng VSV (microbial hydrometallurgy): thu nhận đồng, uranium, kẽm, mangan từ quặng hoặc quặng phế thải. Khai thác vàng nhờ tách chất sulfure khó tan. • 15. Xử lý nước thải thành phố và nước thải công nghiệp. • Sử dụng vi sinh vật phân hủy dầu mỏ. • 16. Các quá trình lên men tạo các sản phẩm có ích từ nguồn phế thải. Khí đốt sinh học (biogas)...