Công nghệ sản xuất protein đơn bào bao gồm cả các quátrình chuyển vị sinh học, biến đổi các sản phẩm phụ ít giá trị và chi phí thấp, thường làcác chất thải, trở thành sản phẩm với giá tr
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM KHOA CNSH-KTMT - - BÀI TIỂU LUẬN MÔN HỌC: CÔNG NGHỆ SINH HỌC THỰC PHẨM Báo cáo tiểu luận ĐỀ TÀI: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT PROTEIN (AXIT AMIN) TỪ VI SINH VẬT GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: Th.s TRẦN QUỐC HUY Nhóm: Tp.HCM 2015 BỘ CƠNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM KHOA CNSH-KTMT - - BÀI TIỂU LUẬN MÔN HỌC: NGHỆluận SINH HỌC THỰC BáoCÔNG cáo tiểu PHẨM ĐỀ TÀI: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT PROTEIN (AXIT AMIN) TỪ VI SINH VẬT GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: Th.s TRẦN QUỐC HUY Thành viên nhóm: Nguyễn Thừa Ngọc Châu Tp.HCM 2015 2008120150 Tiểu luận môn Công Nghệ Sinh Học Thực Phẩm Sản xuất Protein đơn bào Mục lục PHẦN TỔNG QUAN 1.1 Vai trò protein người: 1.2 Các khái niệm chung _3 1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.4 1.3 Các nhóm vi sinh vật sử dụng để sản xuất protein đơn bào 1.3.1 1.3.2 1.4 Protein đơn bào _3 Công nghệ sản xuất protein đơn bào _3 Đặc điểm sản xuất Protein đơn bào: Lịch sử nghiên cứu sản xuất protein đơn bào Yêu cầu chủng vi sinh vật sử dụng sản xuất. _7 Các nhóm vi sinh vật sử dụng sản xuất protein đơn bào. Các nguồn nguyên liệu dùng để sản xuất protein đơn bào 10 1.4.1 1.4.2 1.4.3 1.4.4 Các sản phẩm thải nông nghiệp _10 Các sản phẩm phụ q trình lên men cơng nghiệp. 11 Các sản phẩm, dịch chiết dịch thủy phân từ nguyên liệu thực vật. 11 Các nguồn nhiên liệu có giá trị thương mại cao khí đốt, methan, methanol n-alkan. _12 1.5 Quy trình sản xuất protein đơn bào 12 1.6 Chế biến protein đơn bào thành thực phẩm 13 1.6.1 1.6.2 1.7 Ưu nhược điểm protein đơn bào. _14 1.7.1 1.7.2 PHẦN 2.1 Báo cáo tiểu luận Phá hủy thành tế bào: _13 Loại bỏ axit nucleic 14 Ưu điểm: 14 Nhược điểm: _15 MỘT SỐ QUY TRÌNH SẢN XUẤT PROTEIN ĐƠN BÀO 15 Sản xuất sinh khối nấm men từ nguồn nguyên liệu thông thường 15 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 Nguyên liệu xử lý nguyên liệu _15 Rỉ đường 15 Các nguyên liệu khác: _17 Chủng nấm men: _18 2.2 Sản xuất sinh khối nấm men từ rỉ đường 18 2.3 Sản xuất sinh khối vi sinh vật từ nguyên lịêu chứa tinh bột xenluloza: 20 2.4 Sản xuất protein vi sinh vật từ dầu mỏ khí đốt _20 2.4.1 Đặc điểm lịch sử: _20 2.4.2 Nguyên liệu _20 2.4.2.1 Dầu mỏ _20 2.4.2.2 Khí thiên nhiên _21 2.4.3 Các chủng vi sinh vật 22 2.4.3.1 Vi sinh vật phân giải cacbua hidro: _22 2.4.3.2 Vi sinh vật phân giải khí thiên nhiên: _22 2.4.4 Cơ chế chuyển hoá _22 2.5 Công nghệ sản xuất protein nguyên liệu polysacarit chưa thuỷ phân 23 2.5.1 Sơ đồ công nghệ sản xuất nấm men từ nguyên liệu thực vật thuỷ phân H 2SO4. _23 Tiểu luận môn Công Nghệ Sinh Học Thực Phẩm 2.5.2 2.5.3 2.5.4 2.5.5 2.5.6 2.5.7 Sản xuất Protein đơn bào Xử lý nguyên liệu chuẩn bị môi trường 24 Nuôi cấy nhân giống _25 Các điều kiện kỹ thuật: _25 Thu hồi sinh khối: _25 Công nghệ sản xuất protein từ sắn khơng qua q trình thuỷ phân ban đầu. 27 Sản xuất protein từ chuối: 27 2.6 Công nghệ sản xuất protein dịch thuỷ phân gổ. _28 2.7 Công nghệ sản xuất protein dịch thuỷ phân nguyên liệu thực vật 28 2.7.1 Sản xuất protein ngun liệu chiết ngơ nước chiết lúa mì. _28 2.7.1.1 Nguyên liệu: nước chiết ngô nước chiết lúa mì _28 2.7.1.2 Chủng nấm men: _29 2.7.1.3 Nuôi cấy nấm men: _29 2.7.2 Sản xuất sinh khối nấm men nguyên liệu nước chiết từ bã khoai tây _29 2.7.2.1 Nguyên liệu: _29 2.7.2.2 Hiệu suất tổng thu hồi. 30 2.7.2.3 Qui trình cơng nghệ: 30 2.8 Công nghệ sản xuất protein từ nguồn phê liệu xenluloza: _33 2.8.1 2.8.2 PHẦN Phân lập vi khuẩn: 33 Qui trình cơng nghệ sản xuất protein vi khuẩn từ bả thải xenluloza 33 SẢN XUẤT AXIT AMIN 35 3.1 LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN _35 3.2 CÁC AXIT AMIN SẢN XUẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP CÔNG NGHIỆP _35 3.3 VI SINH VẬT TỔNG HỢP AXIT AMIN _36 3.4 CƠ CHẾ CHUNG SINH TỔNG HỢP CÁC AXIT AMIN _37 3.5 CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CÁC AXIT AMIN _38 Báo cáo tiểu luận 3.5.1 Sản xuất axit glutamic bột ngọt. _38 3.5.1.1 Giống vi sinh vật 38 3.5.1.2 Cơ chế tạo thành axit glutamic. 39 3.5.1.3 Các vấn đề kỹ thuật _40 3.5.2 SẢN XUẤT L-LIZIN _41 3.5.2.1 Vi sinh vật dùng sản xuất 41 3.5.2.2 Cơ chế tổng hợp lizin 41 3.5.2.3 Các yếu tố kỹ thuật. _42 PHẦN 4.1 KẾT LUẬN _43 TÀI LIỆU THAM KHẢO: _43 Danh mục hình, bảng Bảng 1.1 Trung bình thành phần tế bào nhóm vi sinh vật (% khối lượng khơ) theo Miller and Litsky (1976) Bảng 1.2 Một số loài vi sinh vật sử dụng sản xuất protein đơn bào nguồn carbon chúng theo Bhalla cộng (2007) Bảng 1.3 Một số loài vi sinh vật sử dụng sản xuất protein đơn bào nguồn carbon chúng theo Bhalla cộng (2007) 10 Tiểu luận môn Công Nghệ Sinh Học Thực Phẩm Sản xuất Protein đơn bào Bảng 1.4 Một số loài vi sinh vật sử dụng sản xuất protein đơn bào nguồn carbon chúng theo Bhalla cộng (2007) 10 Bảng 1.5 Một số phương pháp thường sử dụng để phá hủy thành tế bào vi sinh vật 14 Bảng 2.1 Thành phần rỉ đường củ cải rỉ đường mía chứa 75% chất khơ 16 Hình 2.2 Q trình chuẩn bị mơi trường ni cấy điều kiện vô trùng .26 Hình 2.3 Sơ đồ ni thu sinh khối nấm men 27 Bảng 2.4 Thành phần nước chiết từ lúa mì ngơ 29 Hình 2.5 Sơ đồ kỹ thuật sản xuất nấm men chăn nuôi 31 Bảng 2.6 Quy trình ni cấy nấm men vơ trùng .32 Hình 2.7 Sơ đồ trình sản xuất protein đơn bào từ bã thải xenluloza ( theo V.W.Han cộng 1971) 34 Bảng 3.1 Sản lượng, phương pháp sản xuất khả ứng dụng axit amin 36 Hình 3.2 Cơ chế sinh tổng hợp axit amin từ đường glucoza .38 Hình 3.3 Sự sản xuất thừa tiết axit glutamic Corynebacterium glutamicum 39 Báo cáo tiểu luận Tiểu luận môn Công Nghệ Sinh Học Thực Phẩm Sản xuất Protein đơn bào PHẦN TỔNG QUAN 1.1 Vai trò protein người: Cơ thể người động vật thường xun địi hỏi cung cấp chất dinh dưỡng có thức ăn để tiến hành trao đổi chất, trước hết nhằm trì sống, tăng cường sinh trưởng phát triển Thức ăn, ngồi nước cịn gồm nhóm chất: protein, chất béo, gluxit, vitamin, muối khống, chất gia vị, phần lớn protein Protein nguồn nitơ cho người động vật Trong q trình tiêu hố người động vật, protein phân giải thành khoảng 20 axit amin thành phần, có axit amin khơng thay (hoặc trẻ em, 10 lợn 11 gia cầm) cần phải có sẵn thức ăn Nếu không nhận axit amin thể bị bệnh chết Thiếu protein dẫn đến nhiều bệnh tật hiểm nghèo: - Bệnh thiếu protein lần phát Châu Phi, có tên gọi quốc tế Kwashiokor, bệnh phổ biến nhiều vùng giới Trẻ em mắc bệnh chậm lớn, cịi cọc, phát triển trí tuệ Bệnh điều trị cách thêm vào phần bệnh nhân lượng thích đáng loại protein có phẩm chất tốt cazein Tuy nhiên nhiều tài liệu cho thấy phát triển trí tuệ bệnh không phục hồi ảnh hưởng đến toàn đời bệnh nhân Báo cáo tiểu luận - Về mặt sinh lý, thiếu protein dẫn đến giảm thể trọng Hàng ngày thể người trưởng thành có tới 100 tỉ tế bào chết cần thay Thiếu protein trước hết protein gan, máu chất nhày niêm mạc, ruột huy động để bù đắp Và dẫn đến suy gan, số lượng kháng thể máu giảm đi, sức đề kháng thể bệnh bị yếu Về nhu cầu protein người, nhiều nhà nghiên cứu cho biết dao động khoảng 80 – 120g/ngày 1.2 Các khái niệm chung 1.2.1 Protein đơn bào Protein đơn bào (Single-cell protein – SCP) thuật ngữ thường dùng để phần protein thu sinh khối khô tế bào tổng lượng protein tách chiết từ môi trường nuôi cấy vi sinh vật, sử dụng làm nguồn thức ăn cho người hay nguồn thức ăn chăn nuôi Thuật ngữ “protein đơn bào” GS C.L.Wilson đưa vào năm 1966, dùng thích hợp hầu hết vi sinh vật đơn bào cá thể dạng sợi Các protein đơn bào có thành phần protein cao (60-80% khối lượng khô tế bào), chất béo, carbohydrate, axit nucleic, vitamin chất khoáng Chúng chứa nhiều axit amin thiết yếu Lysin Methionine 1.2.2 Công nghệ sản xuất protein đơn bào Công nghệ sản xuất protein đơn bào công nghệ nuôi cấy thu sinh khối vi Page Tiểu luận môn Công Nghệ Sinh Học Thực Phẩm Sản xuất Protein đơn bào sinh vật Nó đời coi phương pháp hứa hẹn giải vấn đề thiếu protein tồn giới Cơng nghệ sản xuất protein đơn bào bao gồm trình chuyển vị sinh học, biến đổi sản phẩm phụ giá trị chi phí thấp, thường chất thải, trở thành sản phẩm với giá trị dinh dưỡng giá trị thị trường cao Sản xuất protein đơn bào đòi hỏi phải vận dụng kiến thức lên men, công nghệ sản xuất sinh khối, nuôi cấy vi sinh vật Đầu kỉ 20, áp dụng rộng rãi chương trình phát triển nơng nghiệp làm cho nguồn thức ăn thực vật, đậu nành, ngơ, lúa mì gạo ln tình trạng sẵn có Ngồi ra, phát triển trị kinh tế thay đổi trật tự giới từ hệ thống khối nước trở nên toàn cầu hóa, tạo điều kiện thuận lợi cho việc mở cửa giao dịch sản phẩm nông nghiệp Các sản phẩm nông nghiệp vượt trội so với protein đơn bào sở giá sản xuất thấp Tuy nhiên, kết hợp việc sản xuất phức tạp với công nghệ chế biến thực phẩm mang lại hệ sản phẩm protein đơn bào mới, sử dụng để thay loại thịt hay dùng làm chất tăng cường hương vị Các ứng dụng tương lai việc biểu protein dị hợp thể phát triển tiềm dạng thực phẩm này, tạo sản phẩm phù hợp với yêu cầu chế độ ăn uống hay tạo thành dịng sản phẩm có giá trị cao Sản xuất protein đơn bào quy mô cơng nghệp có số đặc điểm sau: - Sử dụng đa dạng phương pháp, loại nguyên liệu thô loại vi sinh vật khác Báo cáo tiểu luận - Có hiệu biến đổi chất ban đầu cao - Năng suất cao nhờ vào tốc độ tăng trưởng nhanh vi sinh vật - Không phụ thuộc vào yếu tố mùa hay thời tiết 1.2.3 Đặc điểm sản xuất Protein đơn bào: Chi phí lao động nhiều so với sản xuất nơng nghiệp Có thể sản xuất địa điểm trái đất, không chịu ảnh hưởng khí hậu thời tiết,các q trình cơng nghiệp , dễ khí hố tự động hố Năng suất cao: vi sinh vật có tốc độ sinh sản mạnh, khả tăng trưởng nhanh Chỉ thời gian ngắn thu nhận khối lượng sinh khối lớn; thời gian tính giờ, cịn động vật thực vật, tính tháng hàng chục năm Sử dụng nguồn nguyên liệu rẻ tiền hiệu suất chuyển hoá cao Các nguyên liệu thường phế phẩm, phụ phẩm ngành khác rỉ đường, dịch kiềm sufit, parafin dầu mỏ v v , chí nước thải q trình sản xuất Hiệu suất chuyển hố cao: hidrat cacbon chuyển hoá tới 50%, cacbuahidro tới 100% thành chất khô tế bào Hàm lượng protein tế bào cao: vi khuẩn 60 -70%, nấm men 40-50% chất khô v v… Hàm lượng cịn phụ thuộc vào lồi chịu nhiều ảnh hưởng điều kiện nuôi cấy Cần ý hàm lượng protein bao hàm protein không gồm thành phần nitơ phi protein xác định theo phương pháp nitơ tổng số Kjeldal, axit nucleic, peptit thành phần tế bào Page Tiểu luận môn Công Nghệ Sinh Học Thực Phẩm Sản xuất Protein đơn bào Chất lượng protein cao: Nhiều axit amin có vi sinh vật với hàm lượng cao, giống sản phẩm thịt, sữa hẳn protein thực vật Protein vi sinh vật đặc biệt giàu lizin, lợi lớn bổ sung thức ăn chăn ni, thức ăn thường thiếu axit amin Trái lại, hàm lượng axit amin chứa lưu huỳnh lại thấp Khả tiêu hố protein: có phần hạn chế thành phần phi protein axit nucleic, peptit thành tế bào, nữa, thành vỏ tế bào vi sinh vật khó cho enzim tiêu hố qua An toàn mặt độc tố: Trong sản xuất protien đơn bào không dùng vi sinh vật gây bệnh loài chứa thành phần độc nghi ngờ Vì đến SCP dùng dinh dưỡng động vật Những vấn đề kỹ thuật: Sinh khối vi sinh vật phải để tách xử lý Vấn đề phụ thuộc chủ yếu vào kích thước tế bào Sinh khối nấm men dễ tách li tâm vi khuẩn Ngoài ra, vi sinh vật có khả sinh trưởng mật độ cao cho suất cao, sinh trưởng tốt nhiệt độ cao (có tính chất ưa nhiệt chịu nhiệt) giảm chi phí làm nguội sản xuất, mẫn cảm với tạp nhiễm v v sử dụng nguồn cacbon rẻ tiền, chuyển hoá nhiều tốt dùng sản xuất Vì nấm men sử dụng chủ yếu sản xuất protein đơn bào Như ưu điểm sản xuất protein đơn bào phân lập lựa chọn chủng vi sinh vật có ích thích hợp cho qui trình cơng nghệ, cho ngun liệu cách tương đối nhanh dễ dàng 1.2.4 Lịch sử nghiên cứu sản xuất protein đơn bào Báo cáo tiểu luận Người tiên phong nghiên cứu xây dựng công nghệ nhà khoa học người Đức Max Delbruck cộng ông cách gần kỉ Họ người ý đến giá trị nấm men rượu dư thừa việc tạo nguồn thức ăn cho vật nuôi Trong chiến tranh Thế giới thứ nhất, người Đức thay phần nửa nguồn protein quan trọng nấm men Vì nấm men rượu từ cơng nghiệp sản xuất bia không đủ số lượng để đáp ứng nhu cầu protein thức ăn, tỉ lệ lớn sinh khối nấm men sản xuất điều kiện hiếu khí mơi trường bán tổng hợp chứa nguồn nitơ muối ammonium Phương pháp hiệu so với lên men, có tượng lên men số chất nguồn cacbon, đồng thời suất sinh khối thu không tối ưu Vào năm 1919, Sak (Đan Mạch) Hayduck (Đức) phát minh quy trình mới, đưa dung dịch đường vào dịch huyền phù chứa nấm men thay đưa thêm nấm men vào dung dịch đường pha lỗng Cơng nghệ đến ngày sử dụng Sau Chiến tranh Thế giới thứ kết thúc, quan tâm người Đức đến nấm men giảm xuống, đến 1936, người ta tiếp tục sử dụng nấm men rượu Page Tiểu luận môn Công Nghệ Sinh Học Thực Phẩm Sản xuất Protein đơn bào số loài nấm men khác, đặc biệt lồi ni cấy với số lượng lớn để làm thức ăn bổ sung cho người động vật Kể từ đó, ưu điểm việc nuôi cấy nấm men môi trường giàu dinh dưỡng điều kiện hiếu khí nhận cách đầy đủ nhanh chóng trở thành phương tiện để sản xuất thức ăn quy mô công nghiệp Vào thời điểm bắt đầu Chiến tranh giới thứ II, nấm men sử dụng trước hết làm thức ăn quân đội, sau áp dụng cho tất công dân Người ta hi vọng sản xuất 100,000 năm, nhiên thực tế, sản lượng chưa vượt 15,000 tấn, việc sản xuất liên tục bị gián đoạn chiến tranh Việc sử dụng nấm men làm thức ăn giai đoạn Đức, sau áp dụng rộng rãi nhiều nơi giới Phịng thí nghiệm sản phầm rừng Sở nông nghiệp Hoa Kỳ tiến hành hàng loạt thí nghiệm ni cấy nấm men Candida utilis môi trường chứa sulfit chất thải trình sản xuất giấy Sau chiến tranh, vấn đề sản xuất protein đơn bào ngày trọng để giải vấn đề nhân loại quy mơ tồn cầu Đầu năm 60, số công ti đa quốc gia định nghiên cứu sản xuất sinh khối vi sinh vật để làm nguồn protein thức ăn Các chế định tăng trưởng sinh vật nấm men nấm sợi lám sáng tỏ, nhiên cịn nhiều khó khăn ứng dụng chế cơng nghiệp, người ta tiếp tục đẩy mạnh nghiên cứu Báo cáo tiểu luận Người ta tiếp tục tìm kiếm loại chất với giá thành thấp Các sản phẩm phụ công nghiệp sữa phomat, rỉ đường hay chất giá thành rẻ tinh bột, ethanol methanol, sulfit từ trình sản xuất giấy chọn để sử dụng trình sản xuất protein đơn bào Lợi ích việc sản xuất protein đơn bào không dừng lại việc cung cấp thêm nguồn thức ăn cho người mà hạn chế lãng phí sản phẩm phụ q trình sản xuất khác bảo vệ môi trường Vào thập niên 60, người ta sản xuất hàng triệu nấm men thực phẩm vùng khác giới Liên bang Soviet lên kế hoạch sản xuất thường niên 900,000 kể từ năm 1970 để bù đắp lại thiếu hụt protein nông nghiệp Đến năm 1980, trình sản xuất protein đơn bào tiếp tục mở rộng nước phát triển dự kiến tiến hành quốc gia phát triển Từ đến nay, quy trình sản xuất protein đơn bào không ngừng nghiên cứu phát triển hồn thiện, tìm kiếm chất loài vi sinh vật phong phú hơn, phục vụ nhu Page Tiểu luận môn Công Nghệ Sinh Học Thực Phẩm Sản xuất Protein đơn bào cầu người khắp quốc gia giới 1.3 Các nhóm vi sinh vật sử dụng để sản xuất protein đơn bào 1.3.1 Yêu cầu chủng vi sinh vật sử dụng sản xuất Thời gian sinh trưởng ngắn Có khả tạo thành lượng protein lớn, từ 40-70% sinh khối khô tế bào Có khả tận dụng tối đa chất dinh dưỡng môi trường nuôi cấy Khơng có độc tố, khơng có khả gây bệnh Có sức bền cao, bị nhiễm q trình ni cấy, dễ tách khỏi dịch ni cấy Ngoài ra, phần trăm axit nucleic tế bào vi sinh vật yếu tố quan trọng cần xem xét Quá trình hấp thụ axit nucleic mức dẫn đến lắng đọng axit uric, gây số bệnh gout hay hình thành sỏi thận, nên người thành phần axit nucleic phải giảm xuống 2% Do đó, người ta áp dụng vài kĩ thuật để giảm thành phần axit nucleic tế bào vi sinh vật, bao gồm quy trình hóa học enzyme 1.3.2 Các nhóm vi sinh vật sử dụng sản xuất protein đơn bào Báo cáo tiểu luận Người ta sử dụng nhiều nhóm vi sinh vật khác để sản xuất protein đơn bào, bao gồm: - Các nhóm vi khuẩn: Cellulomonas, Alcaligenes,… - Nấm men: Candida, Saccharomyces,… - Nấm sợi: Trichoderma, Fusarium, Rhizopus,… - Các nhóm tảo: Spirulina, Chlorella,… Giá trị dinh dưỡng chúng trình bày Bảng [1]: Thành phần Nấm Tảo Nấm men Vi khuẩn Protein 30-45 40-60 45-55 50-65 Chất béo 2-8 7-20 2-6 1-3 Các chất vô 9-14 8-10 5-10 3-7 Axit nucleic 7-10 3-8 6-12 8-12 Bảng 1.1 Trung bình thành phần tế bào nhóm vi sinh vật (% khối lượng khơ) theo Miller and Litsky (1976) Page