Bài giảng Vi sinh vật ứng dụng trong chăn nuôi: Chương 2 - TS. Nguyễn Thị Tuyết Lê

Bài giảng Vi sinh vật ứng dụng trong chăn nuôi: Chương 2 cung cấp cho người học những kiến thức như: Cơ sở của việc sử dụng vi sinh vật để sản xuất các sản phẩm sinh tổng hợp; Các sản phẩm của công nghệ vi sinh; Sản xuất sinh khối vi sinh vật; Sản xuất một số enzyme sử dụng trong chăn nuôi. Mời các bạn cùng tham khảo!

9/24/2018 Chương II ỨNG DỤNG VSV TRONG SINH TỔNG HỢP CÁC SẢN PHẨM DÙNG TRONG CHĂN NUÔI Nội dung chương: Cơ sở việc sử dụng vi sinh vật để sản xuất sản phẩm sinh tổng hợp Các sản phẩm công nghệ vi sinh  Sản xuất sinh khối vi sinh vật Sản xuất số enzyme sử dụng chăn nuôi 2.1 CƠ SỞ CỦA VIỆC SỬ DỤNG VSV TRONG SẢN XUẤT CÁC SẢN PHẨM SINH TỔNG HỢP 2.1.1 Tốc độ sinh trưởng nhanh chóng Khơng sinh trưởng nhanh chóng mà vi sinh vật cịn có khả tổng hợp protein cao nhiều so với sinh vật khác Tốc độ sinh tổng hợp hợp chất lớn Thời gian hệ ngắn Loại sinh vật Vi khuẩn nấm men Thời gian tăng gấp đôi khối lượng 10 – 120 phút Nấm mốc Tảo – Cỏ số thực vật – tuần Gà – tuần Lợn – tuần Trâu, bò – tháng Người 0,2 – 0,5 năm (Israelidis, 2003) 2.2.1 TB VSV có hàm lượng protein cao Giá trị sinh học protein VSV không thua protein từ TV ĐV Hàm lượng N protein VSV so sánh với số thức ăn khác (Karatyan, 1978) Thành phần dinh dưỡng số nhóm VSV tính theo VCK (Miller cs 1976) 9/24/2018 2.2.3 Có khả thích ứng cao, biến dị lớn: ứng dụng gây đột biến cảm ứng để chọn lọc giống vi sinh vật có suất cao vi sinh vật sử dụng để sản xuất kháng sinh… 2.2.4 Chủng loại lớn đa dạng: cho phép lựa chọn vi sinh vật thích hợp cho sản xuất sản phẩm không tổng hợp phương pháp hố học 2.2.5 Có thể phát triển nhiều nguồn dinh dưỡng khác • Hữu vơ • Chất phi thực phẩm - phụ phẩm cơng, nơng nghiệp 2.2.6 Có thể sinh trưởng phát triển điều kiện sống khác nhau: Điều kiện ni cấy lên men VSV đơn giản Có thể nuôi cấy liên tục, không phụ thuộc vào thời tiết khí hậu, khơng cần diện tích đất lớn  Khả cơng nghiệp hố sản xuất cao: Cho phép tiết kiệm diện tích, thời gian chủ động sản xuất Protein đơn bào (SCP-single cell protein) • Thuật ngữ “Protein đơn bào” sử dụng giáo sư Carol Wilson năm 1966 để mô tả nguồn protein thu từ VSV • Năm 2003, Israelidis đưa khái niệm protein đơn bào tế bào chết sấy khô số nhóm VSV tảo, nấm, vi khuẩn thu sau nuối cấy nguồn carbon khác • Protein đơn bào sử dụng dinh dưỡng ĐV nguyên liệu cung cấp protein: sử dụng chăn ni lợn, gia cầm, trâu bị, ni trồng thủy sản đặc biệt bổ sung axit amin, vitamin cho thú ni cảnh • Một số nhóm VSV chủ yếu sử dụng để sản xuất protein đơn bào: - Nấm men: số loài Candida Saccharomyces cerevisiae - Nấm sợi (Aspergillus niger, Aspergillus oryzae…) - Vi khuẩn (Bacillus subtilis, Bacillus megaterium, Lactobacillus sp.) - Vi tảo/vi khuẩn lam (Spirulina, Chlorella, Scenedesmus ) 2.2.2 CÁC SẢN PHẨM TĐC  Là sản phẩm khác thu với tế bào sau trình lên men, theo biến đổi chất môi trường sau: Cơ chất  sản phẩm + tế bào Các sản phẩm TĐC bao gồm loại: a Sản phẩm TĐC sơ cấp/bậc (primary metabolites): *Các sản phẩm trình phân giải hợp chất hữu cơ: rượu, axit hữu (a acetic, a lactic, a citric…), chất khí phân giải Cơ chất enzyme ngoại bào Sản phẩm *Thành phần cấu trúc tế bào : lipid, vitamins, polysaccharides * Các enzyme ngoại bào: Cellulase, amylase, protease… * Các chất trung gian trình tổng hợp thành phần TB: nucleoid, amino acids Đặc điểm: Hình thành pha sinh trưởng logarith; cần thiết cho trình sinh trưởng, phát triển sinh sản TB 2.2 SẢN PHẨM CỦA CÔNG NGHỆ VI SINH 2.2.1 SINH KHỐI Là khối lượng tế bào VSV thu sau trình lên men Các chất dinh dưỡng chuyển hoá thành vật chất tế bào để tăng nhanh số lượng tế bào theo biến đổi sau: Cơ chất  tế bào Sinh khối gồm có hai dạng: - Khối lượng vật chất chủ yếu tế bào chết (Protein đơn bào -SCP-Single cell protein): thu từ q trình ni cấy vi sinh vật nấm men vi khuẩn sử dụng để thay thực phẩm giàu protein TA chăn nuôi để bổ sung vào phần ăn cho người - Khối lượng tế bào sống có hoạt tính: Sinh khối sau ni cấy gồm TB vi sinh vật cịn sống, tiếp tục sinh trưởng thể vai trò sử dụng (giống khởi động, chế phẩm probiotics, phân bón cố định đạm, thuốc trừ sâu vi sinh, men bánh mì, vaccine Giống khởi động (Starter culture) • Giống khởi động VSV chọn lọc để hỗ trợ trình lên men hay tăng hiệu q trình ni cấy vi sinh vật • Giống khởi động dung dịch ni cấy sản phẩm thương mại • Các vi sinh vật sử dụng làm giống khởi động thường vi khuẩn, nấm men nấm sợi Có thể đơn chủng đa chủng • Chọn lọc chủng giống khởi động dựa tiêu chí: khả lên men sản sinh axit lactic tốt; chịu pH thấp; sinh trưởng tốt điều kiện nhiệt độ khác nhau; sản sinh enzyme ngoại bào tốt; sản sinh sản phẩm trao đổi chất có lợi hợp chất kháng khuẩn, hợp chất tạo hương vị sản phẩm… b Sản phẩm TĐC thứ cấp/bậc (secondary metabolites): • Gồm kháng sinh (penicillin…), chất kích thích kìm hãm sinh trưởng, độc tố, ergot alkaloids, naphtalenes, • Đặc điểm sản phẩm TĐC bậc hai: - Các chất hình thành sau sinh trưởng kết thúc (cuối pha logarith đầu pha cân bằng) môi trường thiếu dinh dưỡng, điều kiện sống khơng thích hợp cho phát triển vi sinh vật - Không cần thiết cho sinh trưởng, phát triển, sinh sản tế bào vi sinh vật Tuy nhiên, số trường hợp, ĐTC bậc tạo sản phẩm với mục đích giúp bảo vệ tồn tế bào hợp chất kháng khuẩn, độc tố  Quá trình TĐC bậc vi sinh vật cung cấp nhiều sản phẩm dược phẩm quan trọng đời sống kháng sinh, kháng nấm, kháng côn trùng… 9/24/2018 2.3 Các trình lên men VSV -Ưu điểm: Tốn mặt xây dựng lắp đặt dây chuyền; chi phí điện năng, nhân lực khoản phụ cho đơn vị sản phẩm thấp; Các thiết bị lên men chìm dễ khí, tự động hóa; Dễ tổ chức sản xuất với quy mô lớn - Phân loại theo nguyên lý hoạt động thiết bị lên men: + Nuôi cấy mẻ (Lên men tĩnh) + Ni cấy mẻ có bổ sung chất (Fed-batch culture) + Đòi hỏi trang bị kỹ thuật cao, dễ bị nhiễm trùng tồn mơi trường Vì vậy, phương pháp địi hỏi điều kiện vơ trùng cao + Lên men liên tục - Phân loại theo điều kiện lên men: + Lên men hiếu khí: cung cấp oxy nhờ sục khí (SX sinh khối) + Lên men yếm khí: sản xuất rượu, bia 2.3.3 Phương pháp nuôi cấy bề mặt/Lên men xốp Là phương pháp nuôi cấy mà VSV sinh trưởng bề mặt môi trường Cơ chất sử dụng để lên men cám, bột ngô, bột sắn, bột sữa…… Thực tế thường dùng chủ yếu dùng cám gạo loại I, cám có đủ chất dinh dưỡng cấu trúc xốp ẩm, thích hợp cho phát triển nấm men Môi trường phải đạt độ ẩm 58-60%, điều chỉnh độ pH thích hợp ; sau khử trùng 1-1,5 atm 45-60 phút, trải mỏng với độ dày 2-2,5 cm vào khay Thời gian nuôi cấy: 36-60 giờ, tùy thuộc vào chủng giống -Nhược điểm: + Phương pháp lên men chìm địi hỏi phải khuấy đảo sục khí liên tục vi sinh vật sử dụng oxy hịa tan mơi trường Khí nén qua hệ thống lọc tạp khuẩn Hệ thống phức tạp dễ gây nhiễm trùng cho môi trường lên men 2.4 SẢN XUẤT SINH KHỐI VI SINH VẬT 2.4.1 Sản xuất sinh khối vi tảo vi khuẩn lam a Ưu điểm nhược điểm vi tảo, vi khuẩn lam *Ưu điểm: • Có hàm lượng dầu, carbohydrate protein cao nên ứng dụng nhiều lĩnh vực: sản xuất thực phẩm, thức ăn cho người, vật nuôi; sản xuất dầu sinh học, sản phẩm dược… Ưu điểm: Chế phẩm dễ sấy khơ, bị giảm hoạt tính, dễ vận chuyển sử dụng - Không cần thiết bị phức tạp, tiêu thụ lượng nên thích hợp với nhiều vùng sản xuất - Trong q trình ni cấy bị tạp nhiễm cần loại bỏ cục phần • Chủng loại đa dạng, phổ biến rộng rãi Nhược điểm: Thu sinh tế bào khối khó, phải thu chất Thường sử dụng để sản xuất chế phẩm sinh học sản xuất enzyme • Khơng bị virus cơng; Khơng sản sinh độc tố nguy hiểm Cần mặt lớn chi phí lao động cao, khó giới hố sản xuất - 2.3.2 Phương pháp ni cấy chìm 2.3.1 Phân loại trình lên men: - Phân loại theo phát triển vi sinh vật môi trường: + Lên men chìm: lên men bề sâu môi trường lỏng lỏng + Lên men bề mặt: Lên men bề mặt môi trường rắn lỏng Tuy nhiên, chúng có số nhược điểm như: Nhiều chất diệp lục không khuyến cáo sử dụng cho người; Tốn diện tích ni ngồi tự nhiên bị ảnh hưởng điều kiện ngoại cảnh Nếu ni nhà tốn lượng cho q trình điều khiển mơi trường (điện chiếu sáng, nhiệt độ, chế độ thổi khí…) • Có tốc độ sinh trưởng nhanh chóng: vịng đời ngắn (vài ngày) Kích thước tế bào lớn, thu sinh khối lớn • Nhu cầu dinh dưỡng đơn giản: ánh sáng, nước, CO2 số chất vơ • Có thể tận dụng nguồn nước thải, phát triển mương, rãnh nước thải, ao ni… để ni trồng tảo Tóm tắt quy trình sx Quy trình sản xuất: Chọn giống Nuôi trồng qui mô pilot Thu hoạch -Tách nước Chuẩn bị môi trường nuôi cấy Nuôi trồng qui mô sản xuất Xử lý/chế biến Thành phẩm 9/24/2018 a Chọn giống - Tùy vào mục đích sx để lựa chọn lồi phù hợp: VD: vi tảo thường lựa chọn để sx dầu sinh học (sinh trưởng nhanh chóng, hàm lượng lipid cao, tận dụng nguồn nước thải…) - Sử dụng kỹ thuật gen để nâng cao chất lượng/năng suất giống sx  Một số giống tảo sản xuất chủ yếu: Chlorella vulgaris, Chlorella pyrenoidosa, Scenedesmus quadricauda, Haematococcus pluvialis, Dunaliella salina…  Giống vi khuẩn lam: Spirulina platensis, Spirulina maxima; Synechococcus Tảo, vi khuẩn lam giống lựa chọn làm giống phải đạt tiêu chí sau: - Có thành phần dinh dưỡng đáp ứng mục đích/u cầu sản xuất: Ví dụ: tảo ni để sản xuất dầu phải có hàm lượng triacylglycerols, lipid cao; Tảo, vi khuẩn lam sư dụng để sản xuất thực phẩm, thức ăn gia súc… phải có thành phần dinh dưỡng chứa nhiều axít amin thiết yếu, giàu protein, vitamin, khống chất… - Sinh trưởng nhanh (1 vài ngày), tạo sinh khối lớn, mật độ cao (>5 triệu tb/ml); Dễ thu hoạch - Thích nghi tốt với điều kiện khí hậu/mơi trường, chịu nhiệt, chịu mặn… - Không hấp phụ độc tố: pb, asen… Một số giống tảo, vi khuẩn lam sử dụng để sản xuất sinh khối b Chuẩn bị mơi trường * Nguồn nước: Có thể dùng nhiều nguồn nước khác để nuôi tảo nước giếng khoan (có chứa nhiều chất vơ có ích, cần phải loại bỏ chất độc chì, arsen,…); nước máy (có nhiều khống tốt đắt); Nước biển, suối nước khống (có chứa nhiều dưỡng chất tốt cho tảo phát triển) Các phương pháp khử trùng: - Hấp tiệt trùng (ở 120oC/15-45 phút tùy vào thể tích nước); - Khử trùng Pasteur (80oC/1-2 giờ); - Sử dụng tia UV để khử mơi trường ni ống nghiệm, bình tam giác, thùng… - Với thể tích ni cấy >20 lít sử dụng phương pháp lọc với đường kính lỗ lọc 1µm xử lý với axit HCl pH 3, trung hòa axit sau 24 với sodium cacbonate Na2CO3 Môi trường Walne (cải tiến từ môi trường Laing, 1991) * Yêu cầu dinh dưỡng: - Khoáng đa lượng: Nitrate (NO3-) NH3, muối amon; Phosphat, Ca, Na, K, silicate… - Khoáng vi lượng: Cu, Zn, Mn, Co… - Vitamins: thiamin (B1), cyanocobalamin (B12), Biotin… Hai môi trường sử dụng rộng rãi phù hợp với phát triển phần lớn loài tảo môi trường Walne (cải tiến từ môi trường Laing, 1991) môi trường Guillard’s F/2 (cải tiến từ mơi trường Smith cs.,1993) Ngồi ra, kết hợp môi trường với loại phân bón cho sản xuất sinh khối vi tảo quy mô công nghiệp 9/24/2018 * Các điều kiện sinh trưởng tảo: Các loại phân bón sử dụng nuôi trồng tảo quy mô công nghiệp (cải tiến từ Palanisamy cs., 1991) - Ánh sáng: nguồn lượng chủ yếu Ánh sáng mặt trời chiếu trực tiếp nhân tạo (đèn huỳnh quang; tối thiểu 18 giờ/ngày) Cường độ chiếu sang từ 1000-10.000 lux tùy thuộc vào thể tích bể mật độ ni trồng (thích hợp từ 2500-5000 lux) - Độ pH: phần lớn lồi tảo sinh trưởng mơi trường kiềm pH 7-9,5 Khoảng thích hợp cho sprirulina từ 8,5-9, tảo chlorella cần MT trung tính 8,2-8,7 - Sục khí: liên tục 24/24h - Khuấy đảo: cần thiết để tránh tượng sa lắng tảo, tăng cường trao đổi khí; tảo tiếp cận tốt với dinh dưỡng, ánh sáng, tránh tượng phân tầng Tùy thuộc vào mơ hình ni trồng mà có phương pháp khuấy đảo khác • Nhiệt độ: Nhiệt độ thích hợp cho lồi tảo phù du từ 20-24oC (Mức tối thiểu không 38oC) Đối với Sprirulina nhiệt độ thích hợp 35oC - Độ mặn: Nồng độ muối giao động 12-40g/l, thích hợp từ 20-24g/l c Ni trồng tảo * Các hệ thống nuôi trồng tảo: -Nuôi nhà/ngồi trời (Indoor/outdoor) -Hệ thống hở/kín (Open/closed) -Hệ thống vơ trùng/không vô trùng (Anxenic/Xenic) -Nuôi cấy mẻ/đợt/lứa, nuôi cấy liên tục bán liên tục (Batch, continuous, semi-continuous) SX quy mô công nghiệp: thường sử dụng hệ thống nuôi cấy vô trùng, liên tục bán liên tục phytobioreactor để kiểm soát tốt suất, chất lượng *Lựa chọn địa điểm ni tảo - Nơi ni tảo phải có lượng chiếu sáng thích hợp giúp tảo sinh trưởng bình thường, giảm chi phí chiếu sáng - Chủ động nguồn nước nuôi tảo, nước không bị ô nhiễm - Giao thông thuận tiện cho việc vận chuyển nguyên liệu đầu vào sản phẩm sau thu hoạch - Nơi có hệ thống điện lưới tốt Hệ thống mở (open system) Hệ thống kín (closed system) HT ni đợt (batch culture) HT nuôi liên tục (continuous culture) Production scheme for batch culture of algae (Lee and Tamaru, 1993) Các hồ nuôi tảo Spirulina Bình Thuận Cơng ty Tảo Vĩnh Hảo 9/24/2018 d Các phương pháp thu hồi sinh khối e Tách nước: - Sinh khối tảo chiếm từ 0,1-1% khối lượng ni trồng cịn lại đến 99% nước cần phải loại bỏ -Thời điểm thu hoạch: + Khi mật độ TB đạt từ 1-10g/l thu hoạch + Hoặc sử dụng đĩa Secchi (đo độ nước): độ sâu nhìn thấy đĩa từ 1,5-2cm thu hoạch, thu đến độ sâu 4cm dừng bổ sung hóa chất để tiếp tục ni thu hoạch - Có phương pháp loại nước: + Ly tâm (centrifugation): ly tâm tốc độ cao  loại bỏ nước cách hiệu + Lọc (membrane filtration): lọc qua màng lọc polyester, lỗ lọc 30µm lọc áp lực chân không + Kết (flocculation): Sử dụng hóa chất để kết TB tảo thành khối bề mặt (chitosan, polyacrylamides) Có thể sử dụng bọt khí CO2 sục xuống đáy bể đẩy tảo lên (chỉ sd hệ thống kín) Nên thu hoạch vào buổi sáng: - Hàm lượng protein tảo thu buổi sáng cao thời điểm khác ngày - Có thời gian để phơi khơ sản phẩm - Nhiệt độ buổi sáng mát  đỡ mệt mỏi f Chế biến tảo: SX sinh khối tảo: tảo sau tách nước sấy khô/phơi khô Phơi khô: phơi trực tiếp nắng mặt trời  phương pháp chi phí nhiên liệu có số nhược điểm: phụ thuộc vào thời tiết; dễ gây biến tính số hợp chất hữu tảo; đòi hỏi diện tích lớn 1m2 bề mặt/100g tảo khơ Các phương pháp sấy phổ biến: sấy phun (spray drying), sấy trống quay (roller drum drying), sấy thăng hoa (freeze drying) - Tảo Spirulina sau tách nước sấy khơ khí nóng 60oC/7h độ ẩm cịn 5-7% - Hoặc Tảo đun nóng đến 60oC sau sấy buồng sấy có nhiệt độ đầu vào từ 120-140oC, nhiệt độ đầu 85oC Thời gian sấy 6-8 giây - Sinh khối tảo Chlorella vulgaris sấy phun đến độ ẩm 4-6% Ưu điểm: đảm bảo tổn thất chất dinh dưỡng thấp; đạt độ ẩm thấp Nhược điểm: chi phí giá thành cao 2.4.2 Sản xuất sinh khối nấm men a Ưu điểm nấm men - Giàu dinh dưỡng: protein