BÀI TIỂU LUÂṆ MÔN VI SINH VẬT CÔNG NGHIỆP SẢN XUẤT PROTEIN ĐƠN BÀO (SCP)

Protein đơn bào Protein đơn bào Single-cell protein – SCP là thuật ngữ thường dùng để chỉ phần protein thu được trong sinh khối khô của các tế bào hoặc tổng lượng protein tách chiết đượ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA SINH HỌC 

LỚP K12 – CNKHTN SINH HỌC

MÔN VI SINH VẬT CÔNG NGHIỆP

SẢN XUẤT PROTEIN

ĐƠN BÀO (SCP)

Hà Nội, 1/2012

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA SINH HỌC 

LỚP K12 – CNKHTN SINH HỌC

MÔN VI SINH VẬT CÔNG NGHIỆP

SẢN XUẤT PROTEIN

ĐƠN BÀO (SCP)

Giảng viên: PGS.TS Ngô Tự Thành

Sinh viên thực hiê ̣n: Trần Vũ Quỳnh Giao

Nguyễn Cẩm Linh

Lê Hải Vân

Hà Nô ̣i, 1/2012

1

Mục lục

PHẦN I TỔNG QUAN 3

1 Các khái niệm chung 3

1.1 Protein đơn bào 3

1.2 Công nghệ sản xuất protein đơn bào 3

2 Lịch sử nghiên cứu và sản xuất protein đơn bào 4

3 Các nhóm vi sinh vật đƣợc sử dụng để sản xuất protein đơn bào 6

3.1 Yêu cầu đối với các chủng vi sinh vật sử dụng trong sản xuất 6

3.2 Các nhóm vi sinh vật sử dụng trong sản xuất protein đơn bào 6

4 Các nguồn nguyên liệu dùng để sản xuất protein đơn bào 9

4.1 Các sản phẩm thải trong nông nghiệp 9

4.2 Các sản phẩm phụ của các quá trình lên men công nghiệp 9

4.3 Các sản phẩm, dịch chiết và dịch thủy phân từ nguyên liệu thực vật 10

4.4 Các nguồn nhiên liệu có giá trị thương mại cao như khí đốt, methan, methanol và các n-alkan 10

5 Quy trình sản xuất protein đơn bào 11

6 Chế biến protein đơn bào thành thực phẩm 11

6.1 Phá hủy thành tế bào: 12

6.2 Loại bỏ axit nucleic 12

7 Ƣu nhƣợc điểm của protein đơn bào 13

7.1 Ưu điểm: 13

7.2 Nhược điểm: 13

2

PHẦN II MỘT SỐ QUY TRÌNH SẢN XUẤT PROTEIN ĐƠN BÀO 14

1 Sản xuất protein đơn bào sử dụng chủng Cellulomonas đột biến [3] 14

2 Một số quy trình sản xuất protein đơn bào từ nấm men: 18

2.1 Một số nguồn nguyên liệu thường sử dụng để sản xuất protein đơn bào.20 2.2 Quy trình sản xuất protein đơn bào từ nấm men 26

3 Một số quy trình sản xuất protein đơn bào từ nấm mốc: 29

3.1 Sản xuất protein đơn bào từ chất thải công nghiệp: 30

3.2 Sản xuất protein đơn bào từ rác thải nông nghiệp từ phần bỏ đi của quả 30

4 Một số quy trình sản xuất protein đơn bào từ nhóm vi sinh vật quang hợp 31

4.1 Nhóm vi sinh vật quang hợp- nguồn cung cấp protein 31

4.2 Ứng dụng trong sản xuất SCP 34

PHẦN III KẾT LUẬN 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO: 55

3

PHẦN I TỔNG QUAN

1 Các khái niệm chung

1.1 Protein đơn bào

Protein đơn bào (Single-cell protein – SCP) là thuật ngữ thường dùng để chỉ phần protein thu được trong sinh khối khô của các tế bào hoặc tổng lượng protein tách chiết được từ môi trường nuôi cấy vi sinh vật, được sử dụng làm nguồn thức ăn cho con người hay nguồn thức ăn chăn nuôi

Thuật ngữ “protein đơn bào” được GS C.L.Wilson đưa ra vào năm 1966, được dùng thích hợp hơn đối với hầu hết các vi sinh vật đơn bào hoặc cá thể dạng sợi

Các protein đơn bào có thành phần protein cao (60-80% khối lượng khô của tế bào), chất béo, carbohydrate, axit nucleic, vitamin và chất khoáng Chúng cũng chứa nhiều các axit amin thiết yếu như Lysin và Methionine

1.2 Công nghệ sản xuất protein đơn bào

Công nghệ sản xuất protein đơn bào là công nghệ nuôi cấy và thu sinh khối các

vi sinh vật Nó ra đời được coi là một phương pháp hứa hẹn có thể giải quyết được vấn

đề thiếu protein trên toàn thế giới Công nghệ sản xuất protein đơn bào bao gồm cả các quá trình chuyển vị sinh học, biến đổi các sản phẩm phụ ít giá trị và chi phí thấp, thường là các chất thải, trở thành sản phẩm với giá trị dinh dưỡng và giá trị thị trường cao hơn

Sản xuất protein đơn bào đòi hỏi phải vận dụng các kiến thức về lên men, công nghệ sản xuất sinh khối, nuôi cấy vi sinh vật

Đầu thế kỉ 20, sự áp dụng rộng rãi các chương trình phát triển nông nghiệp đã làm cho các nguồn thức ăn thực vật, như đậu nành, ngô, lúa mì và gạo luôn ở trong tình trạng sẵn có Ngoài ra, sự phát triển về chính trị và kinh tế đã thay đổi trật tự thế giới từ một hệ thống các khối nước trở nên toàn cầu hóa, tạo điều kiện thuận lợi cho việc mở cửa giao dịch các sản phẩm nông nghiệp Các sản phẩm nông nghiệp này vượt trội so với protein đơn bào trên cơ sở giá cả sản xuất thấp hơn Tuy nhiên, sự kết hợp giữa việc sản xuất phức tạp với các công nghệ chế biến thực phẩm đã mang lại một thế

hệ sản phẩm protein đơn bào mới, có thể sử dụng để thay thế các loại thị hay dùng làm chất tăng cường hương vị Các ứng dụng trong tương lai của việc biểu hiện protein dị hợp thể có thể phát triển hơn nữa tiềm năng của dạng thực phẩm này, tạo ra các sản

4

phẩm phù hợp với yêu cầu của chế độ ăn uống hay tạo thành các dòng sản phẩm có giá trị cao

Sản xuất protein đơn bào ở quy mô công nghệp có một số đặc điểm như sau:

 Sử dụng đa dạng các phương pháp, loại nguyên liệu thô và loại vi sinh vật khác nhau

 Có hiệu quả biến đổi cơ chất ban đầu cao

 Năng suất cao nhờ vào tốc độ tăng trưởng nhanh của các vi sinh vật

 Không phụ thuộc vào các yếu tố mùa hay thời tiết

2 Lịch sử nghiên cứu và sản xuất protein đơn bào

Người tiên phong nghiên cứu và xây dựng công nghệ này là nhà khoa học người Đức Max Delbruck và các cộng sự của ông cách đây gần 1 thế kỉ Họ là người đầu tiên chú ý đến giá trị của các nấm men rượu dư thừa trong việc tạo nguồn thức ăn cho vật nuôi

Trong chiến tranh Thế giới thứ nhất, người Đức đã thay thế phần nửa nguồn protein quan trọng bằng nấm men Vì các nấm men rượu từ công nghiệp sản xuất bia không đủ số lượng để đáp ứng nhu cầu protein thức ăn, một tỉ lệ rất lớn sinh khối nấm men được sản xuất trong điều kiện hiếu khí trong môi trường bán tổng hợp chứa nguồn nitơ là các muối ammonium Phương pháp này hiệu quả hơn so với lên men, nhưng vẫn có hiện tượng lên men một số chất trong nguồn cacbon, đồng thời năng suất sinh khối thu được là không tối ưu

Vào năm 1919, Sak (Đan Mạch) và Hayduck (Đức) đã phát minh ra một quy trình mới, đưa dung dịch đường vào dịch huyền phù chứa nấm men thay vì đưa thêm nấm men vào một dung dịch đường đã pha loãng Công nghệ này đến ngày nay vẫn được sử dụng

Sau khi Chiến tranh Thế giới thứ nhất kết thúc, sự quan tâm của người Đức đến nấm men đã giảm xuống, nhưng đến 1936, người ta tiếp tục sử dụng nấm men rượu và một số loài nấm men khác, đặc biệt là các loài được nuôi cấy với số lượng lớn để làm thức ăn bổ sung cho con người và động vật Kể từ đó, ưu điểm của việc nuôi cấy nấm men trong môi trường giàu dinh dưỡng và điều kiện hiếu khí đã được nhận ra một cách đầy đủ và nhanh chóng trở thành một phương tiện để sản xuất thức ăn trên quy mô công nghiệp

5

Vào thời điểm bắt đầu Chiến tranh thế giới thứ II, nấm men được sử dụng trước hết làm thức ăn trong quân đội, sau đó áp dụng cho tất cả các công dân Người ta đã hi vọng có thể sản xuất được hơn 100,000 tấn mỗi năm, tuy nhiên trên thực tế, sản lượng chưa bao giờ vượt quá 15,000 tấn, do việc sản xuất liên tục bị gián đoạn bởi chiến tranh

Việc sử dụng nấm men làm thức ăn trong giai đoạn này bắt đầu từ Đức, sau đó được áp dụng rộng rãi ở nhiều nơi trên thế giới Phòng thí nghiệm các sản phầm rừng của Sở nông nghiệp Hoa Kỳ đã tiến hành hàng loạt thí nghiệm nuôi cấy nấm men

Candida utilis trên môi trường chứa sulfit là chất thải trong quá trình sản xuất giấy

Sau chiến tranh, vấn đề sản xuất protein đơn bào ngày càng được chú trọng để giải quyết các vấn đề của nhân loại trên quy mô toàn cầu Đầu những năm 60, một số công ti đa quốc gia đã quyết định nghiên cứu sản xuất sinh khối vi sinh vật để làm nguồn protein thức ăn Các cơ chế cơ bản quyết định sự tăng trưởng của các sinh vật như nấm men và nấm sợi đã được lám sáng tỏ, tuy nhiên vẫn còn nhiều khó khăn trong ứng dụng các cơ chế trên trong công nghiệp, do đó người ta tiếp tục đẩy mạnh nghiên cứu

Người ta tiếp tục tìm kiếm các loại cơ chất với giá thành thấp Các sản phẩm phụ trong công nghiệp như sữa phomat, rỉ đường hay các cơ chất giá thành rẻ như tinh bột, ethanol và methanol, sulfit từ quá trình sản xuất giấy đã được chọn để sử dụng trong quá trình sản xuất protein đơn bào Lợi ích của việc sản xuất protein đơn bào không chỉ dừng lại ở việc cung cấp thêm nguồn thức ăn cho con người nữa mà còn hạn chế sự lãng phí các sản phẩm phụ trong các quá trình sản xuất khác và bảo vệ môi trường

Vào giữa thập niên 60, người ta đã sản xuất được hàng triệu tấn nấm men thực phẩm ở các vùng khác nhau trên thế giới Liên bang Soviet đã lên kế hoạch sản xuất thường niên 900,000 tấn kể từ năm 1970 để bù đắp lại sự thiếu hụt của protein nông nghiệp Đến năm 1980, quá trình sản xuất protein đơn bào tiếp tục được mở rộng ở các nước phát triển và được dự kiến tiến hành ở các quốc gia đang phát triển Từ đó đến nay, quy trình sản xuất protein đơn bào được không ngừng nghiên cứu phát triển hoàn thiện, tìm kiếm các cơ chất và các loài vi sinh vật phong phú hơn, phục vụ nhu cầu của con người ở khắp các quốc gia trên thế giới

6

3 Các nhóm vi sinh vật được sử dụng để sản xuất protein đơn bào

3.1 Yêu cầu đối với các chủng vi sinh vật sử dụng trong sản xuất

 Thời gian sinh trưởng ngắn

 Có khả năng tạo thành lượng protein lớn, từ 40-70% sinh khối khô của tế bào

 Có khả năng tận dụng được tối đa các chất dinh dưỡng trong môi trường nuôi cấy

 Không có độc tố, không có khả năng gây bệnh

 Có sức bền cao, ít bị nhiễm trong quá trình nuôi cấy, dễ tách khỏi dịch nuôi cấy Ngoài ra, phần trăm axit nucleic của tế bào vi sinh vật cũng là một yếu tố quan trọng cần xem xét Quá trình hấp thụ axit nucleic quá mức có thể dẫn đến lắng đọng axit uric, gây ra một số bệnh như gout hay hình thành sỏi thận, nên đối với người thì thành phần axit nucleic này phải giảm xuống dưới 2% Do đó, người ta đã áp dụng một vài kĩ thuật để giảm thành phần axit nucleic trong tế bào vi sinh vật, bao gồm cả quy trình về hóa học và enzyme

3.2 Các nhóm vi sinh vật sử dụng trong sản xuất protein đơn bào

Người ta sử dụng nhiều nhóm vi sinh vật khác nhau 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 của chúng được trình bày trong Bảng 1 [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 cơ 9-14 8-10 5-10 3-7

Axit nucleic 7-10 3-8 6-12 8-12

20 tấn sinh khối khô/acre/năm Vi khuẩn thì cho lượng protein cao, có thể lên đến 80%

và có tốc độ sinh trưởng nhanh hơn, tuy nhiên lại có nhiều nhược điểm

Nấm men là loài có nhiều ưu điểm, ví dụ như kích thước lớn, dễ thu sinh khối, hàm lượng axit nucleic trong tế bào thấp, hàm lượng lysine cap, có khả năng sinh trưởng ở pH axit Tuy nhiên, đặc điểm quan trọng nhất là nó rất phổ biến và được chấp nhận rộng rãi vì đã được sử dụng từ rất lâu trong công nghệ lên men truyền thống Nhược điểm của nấm men bao gồm tốc độ sinh sản chậm, hàm lượng protein cũng như methionine thấp hơn so với vi khuẩn Nấm sợi cũng có những ưu điểm tương tự, dễ thu hoạch, tuy nhiên hạn chế về tốc độ sinh trưởng, hàm lượng protein và ít được chấp nhận hơn so với nấm men

Một nhóm vi sinh vật khác là tảo thì lại có nhược điểm là thành tế bào cấu tạo

từ cellulose – loại phân tử mà con người không tiêu hóa được, bên cạnh đó nó còn chứa nhiều kim loại nặng Ngoài ra, cần nhấn mạnh rằn, vì lý do kĩ thuật và kinh tế thì người ta thường thu cả sinh khối tảo chứ không tách riêng protein của nó, do vậy đôi lúc thuật ngữ protein đơn bào ở đây chưa hoàn toàn chính xác Protein của tảo thường

có chất lượng cao, có thể sánh được với protein từ thực vật

Sản xuất protein đơn bào từ các vi sinh vật khác nhau, cụ thể là từ nấm và vi khuẩn đã nhận được sự quan tâm đáng kể, ngược lại nghiên cứu sản xuất và sử dụng thành công protein trên tảo hiện nay còn chưa nhiều, do giá thành sản xuất cao hơn và khó khăn hơn về mặt kĩ thuật

Một vài loài tảo, nấm sợi, nấm men và vi khuẩn được sử dụng làm protein đơn bào và hiện đang được sản xuất thương mại, cùng với nguồn carbon của nó được thể

hiện trong Bảng 2:

Vi khuẩn

chứa nitơ ngoài protein khác

Nấm sợi

eichhorniae, Chaetomium cellulolyticum

Cellulose, hemicellulose

galactose

Thricoderma alba

Cellulose, pentose

Nấm men

Tảo

9

Chondrus crispus, Scenedesmus sp, Spirulina sp.,

Porphyrium sp

Bảng 2: Một số loài vi sinh vật sử dụng trong sản xuất protein đơn bào và nguồn

carbon của chúng theo Bhalla và cộng sự (2007)

4 Các nguồn nguyên liệu dùng để sản xuất protein đơn bào

Các nguồn nguyên liệu hiện đang được sử dụng để sản xuất protein đơn bào rất phong phú và đa dạng, có thể liệt kê một số loại chính như sau:

4.1 Các sản phẩm thải trong nông nghiệp

Cellulose từ nguồn nông nghiệp và lâm nghiệp là nguồn nhiên liệu tái tạo nhiều nhất trên hành tinh này, đồng thời là nguồn nguyên liệu tiềm năng cho sản xuất protein đơn bào Trong tự nhiên, cellulose thường ở dạng phức hợp với lignin, hemicellulose, tinh bột và có cấu tạo phức tạp, do vậy, để sử dụng dưới dạng cơ chất nó phải được xử

lý hóa học (phân giải bằng axit hay kiềm) hoặc bằng các enzyme (cellulase) để phân giải cellulose thành các đường mà tế bào vi sinh vật sử dụng được

Lignocellulose là nguồn nguyên liệu từ gỗ, đòi hỏi phải xử lý trước khi sử dụng làm cơ chất cho sản xuất protein đơn bào Có nhiều cách xử lý khác nhau, ví dụ như phân giải bằng axit hay kiềm, bằng hơi nước hay thậm chí dùng phóng xạ tia X [2] Người ta có thể nấu gỗ trong dung dịch chứa Canxi sulfit Đến ngày nay, để tận dụng các nguồn lignocellulose là sản phẩm thải người ta dùng các nhóm nấm, trong đó được

biết rõ nhất là Agaricus bisporus và một số các nhóm khác chứa enzyme phân giải

lignocellulose

4.2 Các sản phẩm phụ của các quá trình lên men công nghiệp

Dịch kiềm sulfit – sản phẩm phụ của quá trình sản xuất giấy đã được sử dụng làm cơ chất để lên men kể từ nawmg 1909 ở Thụy Điển và sau đó ở nhiều nơi trên thế

giới Dạng vi sinh vật đầu tiên được sử dụng trong quá trình này là Saccharomyces

cerevisiae, mặc dù loài vi sinh vât này không có khả năng chuyển háo pentose – loại

hợp chất có mặt với lượng lớn trong sản phẩm thải này Sau đó, người ta tìm ra các

loài vi sinh vật thích hợp hơn như Candida tropicalis hay Candida utilis

Rỉ đường là một sản phẩm phụ của quá trình lên men đường Dịch đường nồng

độ cao thu được từ quá trình xay xát mía hay củ cải đường được làm lạnh để đường kêt tinh Khi đường không kết tinh nữa thì người ta thu được phần dung dịch còn lại, đó là

rỉ đường Đối với 100kg thực vật có thể thu được 3.5 đến 4.5 kg rỉ đường Bên cạnh nồng độ đường cao, rỉ đường còn chứa các chất khoáng, các hợp chất hữu cơ và

10

vitamin có giá trị cao trong công nghiệp lên men Tuy nhiên, sản xuất sinh khối vi sinh vật từ rỉ đường đòi hỏi phải bổ sung thêm nguồn nitơ và photpho phù hợp Nguồn nitơ truyền thống là các muối amonium, nguồn photpho thêm vào thường ở dạng muối

4.3 Các sản phẩm, dịch chiết và dịch thủy phân từ nguyên liệu thực vật

Tinh bột thu được từ các loài thực vật có củ ở các nước nhiệt đới và ôn đới, từ gạo, ngô và ngũ cốc là nguồn nguyên liệu để sản xuất protein đơn bào Ở các nước nhiệt đới, người ta còn sử dụng sắn như một nguồn nguyên liệu sản xuất protein đơn bào Quy trình sản xuất này sử dụng một số loài vi sinh vật có enzyme amylase như

Endomycosis fibuligira, sau đó đưa dịch nuôi cấy sau khi phân hủy tinh bột qua nồi lên

men có chứa một loại vi sinh vật có tốc độ sinh trưởng nhanh như Candida utilis

Dịch chiết của một số loại quả như đủ đủ, dứa, chuối cũng là nguồn cơ chất để tổng hợp protein đơn bào Dịch chiết đu đủ có hàm lượng chất dinh dưỡng cao: saccharride chiếm 9.6%, protein, protein chiếm 0.2%, đường hòa tan chiếm khoảng 7%; đường hòa tan trong đu đủ ở dạng glucose, fructose và sucrose, đồng thời đây là loài thực vật có năng suất cao, sinh trưởng tương đối nhanh Một loại quả khác là chuối cũng là nguyên liệu để sản xuất protein đơn bào Điều này có rất có ích trong việc tận dụng nguồn sản phẩm dư thừa do không đủ chất lượng xuất khẩu ở các quốc gia có trồng nhiều loại cây ăn quả này

4.4 Các nguồn nhiên liệu có giá trị thương mại cao như khí đốt, methan, methanol

và các n-alkan

Các vi sinh vật liên quan đến quá trình sản xuất protein đơn bào từ nguồn cơ chất trên chủ yếu là các vi khuẩn và nấm men Nhiều quá trình hiện nay đang trong giai đoạn nghiên cứu Việc sử dụng nguồn hợp chất nhiên liệu trên để sản xuất thức ăn

từ lâu đã được nhiều nhà khoa học đặt ra Công ti dầu mỏ của Anh đã sử dụng hai loại

nấm men Candida lipolytica và C tropicalis với nguồn cơ chất là các alkan có mạch

Carbon từ 12 đến 20 nguyên tử có trong phần dẻo của khí gas Một vài loại dầu thô có chứa phần này chiếm khoảng 15% Sản phẩm thu được từ quá trình này còn gọi là TOPRINA, đã được kiểm tra độc tính và khả năng gây ung thư trong vòng 12 năm, sau

đó đã được sử dụng làm nguồn thức ăn thay thế có hàm lượng protein cao cho cá hoặc dùng làm bột sữa không béo Tuy nhiên, do giá dầu mỏ ngày càng cao, nhiều nước đã ngừng sử dụng nguồn nguyên liệu này để sản xuất protein đơn bào Thay vào đó, người ta tăng cường nghiên cứu sử dụng methane làm nguồn cơ chất Vi sinh vật phù

hợp với nguồn cơ chất này mà đã được nghiên cứu kĩ là Methylomonas methanica,

nuôi cấy trong môi trường có chứa muối nitrat hay muối ammonium làm nguồn nitơ

11

Mặt khác, methanol cũng là một nguồn chất được quan tâm Lên men trên quy

mô lớn để thu sinh khối của Methylophilus methtlotrophus từ nguồn cơ chất là

methanol là phương pháp được xây dựng để sản xuất protein đơn bào từ nguồn này, và sản phẩm của quy trình này được sử dụng làm thức ăn cho vật nuôi Methanol với vai trò là nguồn carbon để sản xuất protein đơn bào có nhiều ưu điểm vượt trội hơn so với n-paraffin, khí metan hay thậm chí một số hợp chất carbohydrate

5 Quy trình sản xuất protein đơn bào

Quá trình lên men tạo sinh khối yêu cầu lựa chọn loại vi sinh vật được có giai đoạn sinh lý phù hợp, khử trùng môi trường nuôi cấy và các thiết bị dùng để giữ môi trường nuôi ở trạng thái sẵn sàng, tách tế bào, thu các tế bào ở phần dịch nổi, tinh chế

và xử lý, bộ ổn nhiệt để điều hòa nhiệt độ, dụng cụ xác định pH và các thiết bị điều khiến khác để điều hòa các yếu tố cần thiết cho sự sinh trưởng ở mức ổn định

Sau khi chuẩn bị, nuôi cấy vi sinh vật ở điều kiện thích hợp trong môi trường đã chuẩn bị Quá trình này đòi hỏi phải kiểm soát nồng độ carbon ở mức thích hợp cũng như cung cấp đủ oxy để duy trì điều kiện hiếu khí cần cho sự sinh trưởng của vi sinh vật Vì đây là một quá trình phụ thuộc vào thời gian, nên việc biến đổi liên tục các yếu

tố của môi trường sẽ ảnh hưởng đến sinh lý của tế bào, trong đó nồng độ cơ chất có ảnh hưởng lớn nhất Vì thế, người ta sử dụng phương pháp nuôi cấy liên tục để có thể kiểm soát nguồn Carbon đưa vào môi trường, đồng thời lấy ra một lượng vi sinh vật nhất định để đảm bảo cung cấp đủ oxy cho lượng vi sinh vật ở trong thùng nuôi cấy Các phương pháp thường được áp dụng bao gồm: lên men nổi, lên men chìm và lên men trên pha rắn

Sau khi nuôi cấy, cần thu sinh khối vi sinh vật Hiện nay có nhiều phương pháp

để cô đặc dịch nuôi cấy như lọc, để lắng, li tâm và dùng các màng bán thấm Người ta thường thu sinh khối nấm men bằng cách li tâm, còn đối với nấm sợi thường thu bằng cách lọc Tuy nhiên, các thiết bị cần thiết tường đắt và không phù hợp với sản xuất ở quy mô nhỏ cũng như mở rộng sản xuất Việc loại bỏ lượng nước là rất cần thiết để giữ các chất ổn định để lưu trữ nhưng lại không dễ thực hiện Protein đơn bào cần phải được sấy đến độ ẩm 10% hoặc phải làm cô đặc lại và biến tính để đề phòng chúng bị hỏng

6 Chế biến protein đơn bào thành thực phẩm

Để sử dụng hiệu quả các protein vi sinh vật làm thức ăn cho người, cần các điều kiện sau:

 Giải phóng protein tế bào bằng cách phá hủy hay phân hủy thành tế bào

tế bào nhờ enzyme có hiệu quả cao hơn do tác động đặc hiệu Phương pháp enzyme có thể dùng để thay thế phá hủy cơ học, đặc biệt là đối với các nguyên liệu có thể bị bất hoạt do yếu tố cơ học, người ta sử dụng cả các enzyme nội bào và ngoại bào do các vi sinh vật khác tiết ra Tuy nhiên, quá trình này diễn ra chậm hơn so với dùng phương pháp cơ học hoặc hóa học, do vậy, người ta thường sử dụng phối hợp nhiều phương pháp để có hiệu quả cao hơn

Phương pháp phi-cơ học Phương pháp cơ học

Xử lý hóa học: dùng axit, bazơ, các

chất hòa tan, chất tẩy rửa

Phân giải bằng enzyme: enzyme thủy

phân, dùng phage, tự phân hủy

Dùng các phương pháp vật lý: làm

đông lạnh-để tan, sốc thẩm thấu, dùng

nhiệt và sấy khô

Dùng áp lực cao Nghiền ướt, sử dụng các hạt nghiền Dùng sóng âm để phá hủy tế bào

Nén tế bào Dùng áp suất cao ở nhiệt độ thấp

Bảng 3: Một số phương pháp thường sử dụng để phá hủy thành tế bào vi sinh vật 6.2 Loại bỏ axit nucleic

Các phương pháp dùng để loại bỏ axit nucleic trong tế bào bao gồm phương pháp xử lý hóa học và xử lý bằng enzyme Mỗi phương pháp đều có nhược điểm là giá thành đắt và có thể ảnh hưởng đến thành phần dinh dưỡng trong tế bào

Một số phương pháp:

 Tách axit nucleic bằng các rượu, muối, acid và kiềm

 Tách axit nucleic khỏi sinh khối vi sinh vật bằng kiềm ở nhiệt độ cao, tuy nhiên phương pháp này có thể tạo ra các chất độc, ví dụ như lysinoalanine

 Xử lý bằng anhydrid để biến đổi cấu trúc nucleoprotein ở nấm men

 Sử dụng các enzyme nuclease để phân giải axit nucleic

 Vi sinh vật có hàm lượng protein tương đối cao

 Các vi sinh vật có khả năng sử dụng một số lượng nguồn carbon phong phú để tạo thành năng lượng, trong đó có một số nguyên liệu được tái sử dụng từ nguồn chất thải nông nghiệp hay công nghiệp

 Các chủng vi sinh vật với năng suất cao cũng như thành phần chất dinh dưỡng phù hợp có thể được chọn lọc và nuôi cấy với số lượng lớn trong điều kiện phòng thí nghiệm, đồng thời cũng có tiềm năng áp dụng ở quy mô công nghiệp

 Sinh khối vi sinh vật dùng để thu protein đơn bào không phụ thuộc vào mùa cũng như biến đổi khí hậu

7.2 Nhược điểm:

Bên cạnh các ưu điểm trên, việc sử dụng các nguồn vi sinh vật hay sinh khối vi sinh vật làm thức ăn hay sản xuất protein đơn bào cũng có nhiều nhược điểm cần phải khắc phục, bao gồm:

 Nhiều loài vi sinh vật có thể tạo ra các chất gây độc cho cơ thể người và cơ thể động vật, Vì vậy, khi chọn lựa một loài vi sinh vật để tiến hành sản xuất phải đảm bảo nó không chứa bất kì chất độc nào

 Đôi khi sử dụng sinh khối vi sinh vật để làm nguồn thức ăn bổ sung có thể dẫn đến khó tiêu hoặc không tiêu hóa được, thậm chí gây phản ứng dị ứng cho người

 Hàm lượng axit nucleic cao trong sinh khối khô của nhiều loài vi sinh vật cũng

là một yếu tố gây ảnh hưởng không mong muốn cho con người Đôi khi hàm lượng axit nucleic cao này có thể dẫn đến sự hình thành sỏi thận hay bệnh gout

 Khả năng chứa các hợp chất gây độc hay gây ung thư cho con người và động vật

 Sản xuất protein đơn bào là một quá trình đắt tiền, vì nó cần có các chất điều khiển có độ tiệt trùng cao khi nghiên cứu trong phòng thí nghiệm

14

PHẦN II MỘT SỐ QUY TRÌNH SẢN XUẤT

PROTEIN ĐƠN BÀO

1 Sản xuất protein đơn bào sử dụng chủng Cellulomonas đột biến [3]

Cellulase là một hệ enzyme có hoạt động theo cơ chế kiềm chế bằng sản phẩm cuối cùng, tức là sự có mặt thừa của glucose (sản phẩm của quá trình phân giải cellulose bởi enzyme cellulase) sẽ làm giảm sự tổng hợp ra enzyme này, từ đó hạn chế

sự sinh trưởng của tế bào

Trong nghiên cứu này, người ta giải quyết vấn đề trên bằng cách sử dụng chủng

Cellulomonas đột biến làm giảm hàm lượng cellulase trong tế bào

Bảo quản môi trường ở -20 oC trên thạch

Bảng 4: Thành phần của môi trường cơ bản dùng trong thí nghiệm nuôi cấy chủng

Cellulomonas đột biến

Nguồn nitơ và cellulose:

Người ta nghiên cứu 5 sử dụng 5 nguồn nitơ khác nhau bao gồm: ammoni bisulfat, ammoni bicacbonat, ammoni nitrat, ure và natri nitrat thu được tốc độ tăng trưởng của tế bào tương tự nhau, tuy nhiên ure còn có thể đóng vai trò là chất điều khiển độ pH nên sự tăng trưởng của tế bào ở nguồn nitơ này cao hơn

15

Cellulose được sử dụng dưới dạng bột cellolose kết tinh (Avicel, FMC Corp.) Nuôi cấy vi sinh vật trong nồi lên men dung tích 250l, chứa dung dịch cơ bản như trên nhưng không có glucose, bổ sung Avicel 0.5 % và ure

Hình 1: Nuôi cấy liên tục

Điều kiện nuôi cấy:

 Tốc độ dẫn khí vào: 0.09 m3/phút

 Tốc độ lắc: 100 vòng/phút

 Tốc độ phá bọt khí: 1800 vòng/phút

 Áp lực 2 lb

Nuôi cấy trong vòng 72- 96h trước khi thu tế bào

Thu tế bào và sấy khô sinh khối vi sinh vật

Xác định hàm lượng các chất dinh dưỡng và phân tích thành phần các amino acid có mặt trong protein của vi sinh vật Sau đó, người ta thí nghiệm trên chuột bằng

cách nuôi chuột bằng nguồn thức ăn có chứa sinh khối Cellulomonas và so sánh với

các nguồn thức ăn khác Các lô thí nghiệm được thể hiện trong bảng 5:

Các thành phần Lượng (g/kg)

Chế độ ít protein Chế độ Casein Chế độ

Cellulomonas

Tinh bột ngô 633 578 573

Bột trứng được cho vào làm nguồn bổ sung protein

Bảng 5: Thành phần của các chế độ ăn thí nghiệm

Kết quả thu được như sau:

Thành phần % khối lượng khô của tế bào

Nước 76.9 % tổng khối lượng của tế bào

Bảng 6: Thành phần chất dinh dưỡng có trong Cellulomonas

⅓ đến ½ có thể đƣợc thay thế bởi cystein

b ⅓ đến ½ có thể đƣợc thay thế bởi tyrosine

Bảng 7: So sánh thành phần axit amin cần cho chuột và thành phần axit amin

trong Cellulomonas

Chế độ ăn Thay đổi về

trọng lƣợng cơ thể

Lƣợng cho ăn Lƣợng N đƣa

vào

NPU (biểu thị mức sử dụng protein) (%)

Ít protein - 8.7 126.4 0.61

Casein 29.0 153.1 2.45 58.1 ± 0.5 Cellulomonas 23.6 163.4 2.61 50.4 ± 0.4

Bảng 8: Thay đổi cân nặng, lượng thức ăn và giá trị NPU ở các chế độ ăn thí

nghiệm

Từ các kết quả trên, có thể thấy rằng chủng Cellulomonas đột biến này có khả năng phân giải cellulose tinh thể để tạo thành một sản phẩm có chất lƣợng dinh dƣỡng

18

tốt, như đã chỉ ra ở thí nghiệm nuôi chuột Đồng thời, có thể thấy rằng Cellulomonas là một sinh vật có thể sử dụng an toàn và có nhiều tiềm năng để sản xuất protein đơn bào

từ cellulose

2 Một số quy trình sản xuất protein đơn bào từ nấm men:

Trong các nguồn protein sản xuất bằng con đường vi sinh vật, nấm men được nghiên cứu sớm nhất và được áp dụng rộng rãi trên thế giới Con người đã sử dụng nấm men hoặc các sản phẩm hoạt động sống của chúng từ hàng nghìn năm nay

Nấm men là tên chung để chỉ nhóm nấm có cấu tạo đơn bào, sinh sản bằng cách nảy chồi Nấm men không có diệp lục và không thể sử dụng năng lượng mặt trời Vì vậy chúng dinh dưỡng bằng các hydratcacbon, các hydrocacbua, trước hết là đường

Trong tế bào nấm men có chứa hầu hết các chất cần thiết cho sự sống (protein, gluxit, lipit, các enzim, các vitamin, các axit nucleic, các chất khoáng)

Không một sản phẩm thực vật hoặc động vật nào có trong thành phần của mình một lượng các chất có tác dụng đặc hiệu như trong nấm men Tuy nhiên thành phần các chất đặc hiệu của nấm men không phù hợp hoàn toàn với những nhu cầu sinh lý của động vật

Nấm men được chú ý nhiều vì không những trong tế bào của chúng có nhiều chất dinh dưỡng có giá trị, mà chúng lại có khả năng tăng sinh khối và các đặc điểm sinh lý phù hợp với điều kiện sản xuất công nghiệp

Về đặc điểm lịch sử: Men gia súc được sản xuất đầu tiên ở Đức vào khoảng năm 1880 Lúc đó người ta dùng men bia (Saccharomyces cerevisiae) Trong thế chiến

thứ I, men gia súc và men thực phẩm được sản xuất chủ yếu ở Đức là giống Torula

utilis Ở Mỹ, từ năm 1946 mới tổ chức sản xuất sinh khối nấm men

Lúc đầu, người ta nuôi cấy nấm men trên sacaroza để thu hồi sinh khối làm thức

ăn cho người Sau đó vì lý do kinh tế, dần dần người ta thay sacaroza bằng dịch thủy phân từ tinh bột và xenluza, phế liệu công nghiệp đường, bia, rượu …

Năm 1968, Liên Xô là nước đầu tiên xây dụng nhà máy sản xuất nấm men từ paraphin dầu mỏ, sau đó Anh, Pháp , Nhật v…v đã tiến hành rất nhanh trong lĩnh vực

sử dụng nguồn nguyên liệu dồi dào và rẻ tiền này vào mục đích thu protein của nấm men và đã đưa sản lượng nấm men trên thế giới ngày càng tăng

Về giá trị dinh dưỡng:

 Nấm men rất giàu protein và vitamin, đặc biệt là các vitamin nhóm B

19

 Sinh khối nấm men chứa khoảng 75-80% nước, 20-25% chất khô trong đó: cacbon 45-50%, nitơ 7-10% (tương ứng với 40-60% protein, hydro 5-7%, oxy 25-30%, các nguyên tố vô cơ 5-10% (photpho và kali chiếm tới 95-97%) tổng lượng ro, số còn lại là canxi, magiê, nhôm, lưu huỳnh, clo, sắt, silic Ngoài ra còn có một lượng rất nhỏ các nguyên tố mangan, kẽm, molipden, bo, cacbon )

 Trong đó thành phần quí nhất là protein Hàm lượng protein tuỳ thuộc vào từng loại giống, vào thành phần môi trường và điều kiện nuôi cấy Dao động trong khoảng 40-60%

 Về tính chất protein của nấm men gần giống protein nguồn gốc động vật Protein của nấm men chứa khoảng 20 axit amin không thay thế Thành phần các axit amin của nấm men cân đối hơn so với lúa mì và các hạt ngũ cốc khác, kém chút ít so với sữa, bột cá, bột xương thịt và các sản phẩm động vật nói chung

Sự thay đổi thành phần các axit amin trong thời gian nuôi cấy được nghiên cứu cho thấy thành phần của các axit amin thay đổi ở một giai đoạn phát triển: giai đoạn tiềm phát Sau 3 giờ phát triển, tổng hàm lượng các axit amin trong protein tăng lên 17% so với thời điểm ban đầu Sau đó tổng hợp axit amin giảm xuống và giữ ở mức độ trên 40% Đến cuối, tế bào già, các chất dự trữ, trước hết là glucogen tiêu hao nhiều nên giảm trọng lượng, do đó tỉ lệ giữa các axit amin so với trọng lượng chung của các tế bào tăng lên gần 50% (tăng không thực chất)

Các giống nấm men dùng làm thực phẩm cho người và thức ăn gia súc là:

Endomyces vernalis, Hansenula anomala, Hansenula suaveolens, Saccharomyces cerevisiae, Candida arbores, Candida tropicalis, Mycotorula lipolytica, Mycotorula japonica, Torulopis utilis, Torulopis utilis var major, Torulopsis utilis var thermophilis, Monilia candia, Oidium lactic

Các tiêu chuẩn để lựa chọn giống nấm men để sản xuất protein từ các nguồn hydrocacon:

 Có khả năng đồng hoá nhiều nguồn cacbon khác nhau, nhất là các loại pentoza (xiloza, arabinoza) và các axit hữu cơ

 Có thể phát triển tốt trên môi trường có nồng độ chất khử cao

 Có khả năng phát triển nhanh, có sức đề kháng cao đối với nồng độ CO2

 Sản lượng cao, sinh khối chứa nhiều chất dinh dưỡng có giá trị (hàm lượng protein cao, có nhiều axit amin không thay thế, vitamin )

 Kích thước tế bào tương đối lớn để dễ tách bằng li tâm

20

 Chịu đựng được nhiệt độ tương đối cao, ít làm biến đổi pH môi trường

Trong sản xuất nấm men thường dùng các chủng thuộc ba giống Saccharmyces, Candida và Torulopsis Khả năng chuyển hoá của ba giống này rất cao và đa dạng, qui trình công nghệ tương đối đơn giản

2.1 Một số nguồn nguyên liệu thường sử dụng để sản xuất protein đơn bào

2.1.1 Sản xuất protein đơn bào từ các sản phẩm chứa saccarose :

Sản phẩm từ ngành công nghiệp chế biến đường: (rỉ đường mía, rỉ đường củ cải,

bã mía, cặn rỉ đường, nước rửa thô …

Dịch chiết các loại trái cây có hàm lượng đường cao ( như đu đủ…)

Rỉ đường:

Thành phần chính của rỉ đường gồm: đường, chất phi đường và nước

Các chất phi đường bao gốm các chất hữu cơ và vô cơ Các chất hữu cơ có chứa nitơ của rỉ đường mía chủ yếu là các acid amin cùng với một lượng nhỏ protein và sản phẩm phân giải của nó Các chất phi đường vô cơ là các loại muối tìm thấy trong thành phần tro của rỉ đường

Rỉ đường mía còn chứa các nguyên tố khác với hàm lượng nhỏ như: Zn, Mn,

Cu, B, Co, Mo Rỉ đường rất giàu các chất sinh trưởng như: acid pentotenic, nicotinic, folic, B1, B2 và đặc biệt là biotin

Các nguyên liệu chứa sacaroza (rỉ đường ) là dạng nguyên liệu lý tưởng nhất đến sản xuất protein đơn bào, vì các nguyên liệu này chứa nhiều yếu tố kích thích sinh trưởng, khí, biotin và sản phẩm protein thu được hầu như sạch, không độc

Rỉ đường được dùng làm các cơ chất cho nhiều quá trình lên men vì:

 Giá thành rẻ hơn các nguyên liệu chứa đường khác

 Ngoài đường sacaroza, rỉ đường còn chứa một số chất vô cơ, hữu cơ và vitamin

có giá trị

Đối với nguyên liệu là rỉ đường, dung dịch đường, nấm men thường dùng là

Saccharomysces cerevisiae, Candidas tropicalis, Candidas utilis

Rỉ củ cải đường:

Rỉ đường củ cải chứa nhiều đường sacaroza hơn rỉ đường mía vì trong rỉ đường

củ cải hầu như không có một loại đường chuyển hoá nào (có khi chỉ có khoảng 1%) trong khi rỉ đường mía có thể chứa tới 15-25% hidrat cacbon của nó dưới dạng đường chuyển hoá

Rỉ đường củ cải chứa nitơ hữu cơ năm lần cao hơn rỉ đường mía, nhưng một nửa là betain, một thành phần không được Saccharomyces đồng hoá, trong khi đó betain không có mặt trong rỉ đường mía

tự phân, dịch thải trong sản xuất nước chấm, dịch bã rượu ở giai đoạn nhân giống)

Khi chuẩn bị phối trộn, rỉ đường củ cải và rỉ đường mía phải được xử lý tách biệt trong các khâu pha loãng, điều chỉnh pH, đun nóng, làm trong, khử trùng rồi mới được phối trộn Thường pha loãng đến nồng độ đường khoảng 5-6%

Sau khi chuẩn bị xong môi trường dinh dưỡng, tiến hành thanh trùng ở nhiệt độ 1200C

Ngoài ra, hệ keo trong rỉ đường có ảnh hưởng xấu đến quá trình lên men Hệ keo trong rỉ đường hình thành bởi protein và pectin Hệ keo này tạo ra độ nhớt cao làm giảm khả năng hoà tan của oxy, làm cản trở quá trình trao đổi chất của tế bào nấm men Nếu hệ keo không được phá sẽ gây thoái hoá tế bào, dẫn đến hiệu suất thu nhận sinh khối nấm men thấp

2.1.2 Sản xuất protein đơn bào từ dịch chiết đu đủ [4]:

Đu đủ là loại cây trồng cho hàm lường đường rất cao, trồng phổ biến ở nhiều nước nhiệt đới, tăng trưởng nhanh và năng suất cao

Dịch chiết đu đủ được dùng làm cơ chất sản xuất protein sử dụng

Saccharomyces cerevisiae là loại nấm men có trong các quả đu đủ thối

Theo nghiên cứu của C Maragatham and A Panneerselvam ta có được môi

trường nuôi cấy tối ưu của nấm men trong môi trường dịch chiết đu đủ

B1: Sơ chế

Đu đủ được rửa sạch với nước khử trùng và gọt vỏ, bỏ ruột và hạt, làm sạch với

H2SO4 2% cắt thành khối và rửa lại với nước khử trùng, và cho vào máy xay, dịch lọc qua vải lọc cho chảy vào thùng chứa vô trùng cung cấp nguồn đường và protein thô Sau đó bổ sung thêm nito

B2 Nuôi cấy tạo sinh khối

Theo nghiên cứu trên, môi trường nuôi cấy có bổ sung thêm (NH4)2HPO4 và thử nghiệm với các nồng độ pha loãng môi trường khác nhau để thu được nguồn sinh khối lớn nhất Ở lượng pha loãng 200ml nước, lượng tế bào nấm men thu được là nhiều nhất Qua kết quả phân tích sinh khối thu được 34.0% protein, 40.0%, sacchride, 0.003% lipids, 9.54% độ ẩm và 0.14% tro

2.1.3 Sản xuất protein đơn bào từ dịch kiềm sulfit

Dịch kiềm sufit: Nước thải các nhà máy giấy xenluloza theo phương pháp sunfit gọi là dịch kiềm sunfit (SWL-Sunfit Waste Liquors) cũng là nguồn nguyên liệu tốt để sản xuất nấm men Thành phần hydrocacbon của nó chủ yếu là đường pentoza, một loại đường chỉ có nấm men mới chuyển hoá tốt Ngoài ra còn có linhin, phi xenluloza, một số axit hữu cơ … Khi sử dụng dịch kiềm sunfit cần phải được làm nóng và thông khí trước khi nuôi nấm men để loại bảo các yếu tố kiềm hãm (SO2 và furfurol) Bổ sung chất dinh dưỡng vào dịch thải trên (như NH4+ và PO4 ), điều chỉnh pH về khoảng 5 sẽ được môi trường nuôi cấy nấm men khá tốt và lượng sinh khối nấm men sinh ra sau quá trình lên men có chất lượng đáng kể với các thành phần như sau: protein (46% chất khô), lipit (7-8%), photpho (1,8%), axit nucleic (10%)…

Người ta tính rằng khoảng 5 tấn bột xenluloza để sản xuất giấy sẽ thải ra một lượng dịch kiềm sunfit chứa tới 180 kg đường Dịch này hấp phụ nhiều O2 nên khi nuôi cấy nấm men có thể giảm mức cung cấp oxi tới 60% so với bình thường

Nguyên liệu là kiềm sunfit, chủng nấm men sử dụng là Cryptococus diffluens,

Candidas tropicalis, Candidas utilis

2.1.4 Sản xuất protein đơn bào từ nguyên liệu sừng động vật [5]

Sừng thu được từ lò mổ ở Erzurum đã được thủy phân bằng phương pháp vật lý

và hóa học Thành phần gồm có protein, nitơ, tro, một số khoáng chất, đường tổng số

và axit amin đã được xác định và thấy rằng nó có đủ nguyên liệu hữu cơ và vô cơ để cho phép sử dụng như là một nguồn cơ chất trong sản xuất protein đơn bào Dung dịch

23

thủy phân sừng thô đã được làm giàu bằng cách bổ sung chiết xuất nấm men, glucose

và KH2PO4 Các ảnh hưởng của các nồng độ khác nhau (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 và 10%) trên tăng trưởng của C utilis được điều tra và 4% của CHH (Horn Broth = HB) được tìm thấy là tối ưu Năng suất sinh khối của C utilis và hàm lượng protein của nó là 6,8

g l-1 và 49,8% Mặt khác, sinh khối có chứa chất béo 5,4%, 5,94% RNA, DNA 1,53%

và tro 9,7% Sinh khối có chứa tất cả các axit amin thiết yếu Kết quả đã chứng minh rằng sừng có thể được sử dụng như là một nguồn cơ chất trong việc sản xuất protein đơn bào

Tạo môi trường: 35gr bột sừng đã được ngâm tẩm với 50 ml dung dịch HCl 6

N Hỗn hợp ủ ở 80oC trong 24 giờ Vào cuối của giai đoạn này, hỗn hợp được ủ ở

130oC trong 1 giờ và thêm vào 100 ml nước khử ion Sau đó đã được làm lạnh và điều chỉnh pH đến 7 bằng 10 N NaOH Được lọc hai lần thông qua giấy lọc Whatman No.1 Khối lượng tăng đến 400 ml bằng nước khử Ion Các dịch lọc được gọi là sừng thủy phân (CHH) và được lưu trữ tại 4oC CHH được pha loãng để giảm nồng độ của chất

ức chế Các nồng độ khác nhau (1-9 và 10%) của CHH đã được làm giàu bằng cách thêm 0.1% dịch chiết xuất nấm men (Difco, Mỹ), đường 1% (Oxoid, Anh) và 0,1%

KH2PO4 3H2O (Difco, Mỹ) Dịch pha loãng được gọi là dịch sừng (HB) pH của môi trường đã được điều chỉnh đến 5 với 1 N HCl, được tiệt trùng và sử dụng

Thời gian nuôi (h) Sinh khối (g l -1 )

24

48

72

3.4 5.6 6.8

Bảng 10: Sinh khối thu được sau các khoảng thời gian khác nhau

Thành phần g g -100

Protein tổng số Lipit tổng số Ash RNA DNA

49.8 5.4 9.7 5.94 1.53

Bảng 11: Tỷ lệ phần trăm thành phần sinh khối

2.1.5 Sản xuất protein đơn bào từ nguyên liệu dầu mỏ và khí đốt:

24

Vấn đề lựa chọn các chủng vi sinh vật có hoạt lực sinh tổng hợp cao để dùng trong sản xuất có một ý nghĩa quan trọng Trong công nghiệp sản xuất protein từ dầu

mỏ và khí đốt, phải chọn các chủng đáp ứng được các yêu cầu sau:

 Có khả năng sử dụng tốt nguồn nguyên liệu hydrocacbua dùng trong sản xuất

 Sinh trưởng nhanh chóng, cho sản lượng cao trong thời gian ngắn, không đòi hỏi các yếu tố sinh trưởng bổ sung trong sản xuất lớn

 Có đặc điểm hoá học và nuôi cấy ổn định, có hàm lượng protein cao, chứa đầy

đủ các axit amin cần thiết, không có độc tố và phải được động vật đồng hoá tốt Phần lớn các chủng nấm men có sản lượng cao trên cơ chất hydrocacbua được phân lập từ những mẫu đất và bùn ở những nơi có mỏ dầu hoặc chung quanh các nhà máy chế biến dầu mỏ

Chỉ những phần dầu mỏ nhất định mới được vi sinh vật đồng hoá như:

 Các alkan (paraphin) với chiều dài chuỗi C10 - C20

 Các alkin, anken, hydrocacbon thơm

 Các parafin chuỗi ngắn còn lại trong phần dầu mỏ có nhiệt độ nóng chảy thấp

 Sử dụng n-parafin tinh khiết được tách từ mỏ dựa trên các nguyên tắc sang phân

tử làm cơ chất có ưu điểm là nguồn C bị tiêu thụ hoàn toàn và không để lại những cacbua hidro độc

Cơ chế của sự hấp thụ ankal cho đến nay cũng chưa được làm sáng tỏ đầy đủ

So với các tế bào sinh trưởng trên glucoza thì nấm men nuôi trên cacbua hidro

có màng tế bào dày hơn và có nếp nhăn Tuy nhiên các tế bào này không gặp khó khăn gì trong việc hấp thụ những cơ chất không tan trong nước được bổ sung vào môi trường với nồng độ 2 - 4%

Đối với các khí đốt, ví dụ như metan, khi sử dụng làm nguồn carbon trong nuôi cấy dễ tạo thành hỗn hợp dễ cháy nổ, vì vậy để khắc phục những nhược điểm đó, có thể sử dụng methanol thu được từ metan nhờ sự oxy hoá hoá học Methanol có những

ưu điểm sau:

 Methanol dễ tan trong nước nên có thể dùng ở nồng độ cao hơn (2-3%)

 Nhu cầu oxy của sự đồng hoá methanol là thấp hơn

 Có thể dùng nấm men để đồng hoá methanol Mà nấm men có kích thước tế bào lớn hơn vi khuẩn nên năng lượng cần thiết cho quá trình li tâm tách sinh khối ít hơn so với vi khuẩn sử dụng để đồng hoá metan Tính kinh tế cao hơn

25

Tuy nhiên dùng methanol có nhược điểm sau:

 Methanol đắt hơn nhiều so với metan hoặc khí thiên nhiên

 Thu hoạch được lượng sinh khối tế bào từ methanol thấp hơn từ metan

Các chủng nấm men thường được sử dụng là Candida, Cytomyces, Debaryomyces

Endomyces, Hansemula, Monolia, Scopuloriopsis

2.1.6 Sản xuất protein đơn bào từ một số nguồn nguyên liệu khác

 Các nguồn xenluloza thực vật (gỗ, rơm, rạ bã mía, lõi ngô ) được chú ý nhiều trong sản xuất nấm men Trước hết cần phải thuỷ phân xenluloza bằng axit hoặc bằng enzim Nếu dùng gỗ thì thường phải thuỷ phân bằng axit sunfuric

 Nước thải của nhà máy chế biến sữa, còn gọi là nhũ thanh (lactoserum): trong quá trình lên men lactic để chế biến phomat, sau khi kết tủa cazein ra khỏi sữa, phần còn lại gọi là nhủ thanh có chứa lactoza, protein, axit lactic, axit béo, một

số vitamin và muối khoáng Người ta chọn chủng nấm men thích hợp để có thể thuỷ phân được liên kết β-galactozidaza và thu được sinh khối nấm men dạng khô có thành phần protein thô khoảng 32%, lipit 4-5%, lacto khoảng 23%

Chủng nấm men C.utilis và C.pseudotropical rất thích hợp trong môi trường

trên đây

Nếu sử dụng lactoserum (nhũ thanh sữa) thì chủng nấm men đặc chủng là

Torula cremoris, T lactosa

 Bột ngũ cốc: là nguồn sản xuất sinh khối nấm men rất tốt Bột hoặc tinh bột dùng vào mục đích này trước tiên phải tiến hành thuỷ phân bằng axit hoặc bằng enzim của mầm mạ hoặc enzim của vi sinh vật để biến các polysacarit thành các dạng đường mà nấm men có thể đồng hoá được

Đối với nguyên liệu tinh bột hay nước thải tinh bột, dùng chủng nấm men tương

ứng là Endomycopis fibuligera hoặc phối hợp giữa Endomycopis với Candidas

tropicalis

Trong trường hợp dùng nấm men Saccharomysces cerevisiae thì có thể kết hợp

chưng cất thu lấy cồn từ dịch thải sau khi tách sinh khối Như vậy trong dây chuyền công nghệ cần phải trang bị thêm bộ phận chưng cất Dịch ly tâm được đưa vào hệ li tâm tách (separator) và dịch thải sau khi được tách ra được chuyển đến khâu chưng cất

2.2.2 Quy trình áp dụng cho từng loại nguyên liệu như sau:

2.2.1.1 Nguyên liệu từ rỉ đường:

Rỉ đường sau khi được xử lý như trên sẽ pha loãng với nước khử trùng, dung dịch được đem đi thanh trùng để loại bỏ vi sinh vật gây hại và bổ sung muối vô cơ để tạo thành môi trường dinh dưỡng Nấm men đã được nhân giống sẽ được nuôi trong môi trường trên để thu sinh khối Tách lấy sinh khối bằng phương pháp ly tâm Lấy phần kết tủa ở dưới và sấy khô, phần dịch thải bỏ

2.2.1.2 Nguyên liệu tinh bột

Từ nguyên liệu tinh bột hoặc có chứa xenlulose được thủy phân bằng enzyme xenluloza hoặc amilaza tạo môi trường dinh dưỡng để nuôi thu sinh khối Ly tâm để tách lấy sản phẩm

2.2.1.3 Nguyên liệu từ dầu mỏ

Qui trình công nghệ sản xuất sinh khối nấm men cụ thể từ dầu mỏ thô và parafin tinh khiết cũng tương tự nhau Tuy nhiên dùng dầu mỏ thô thì đòi hỏi qui trình công nghệ phức tạp hơn, mặc dù giá thành tương đối rẻ hơn Dùng parafin thì khâu tách nấm men có thể bỏ bớt khâu tẩy rửa bằng dung môi hữu cơ vì thực tế paraffin được nấm men sử dụng hoàn toàn

2.2.2 Quy trình sản xuất protein đơn bào từ nấm men trong công nghiệp

Ở đây, lấy ví dụ quy trình sản xuất protein đơn bào trong công nghiệp từ nguyên liệu là xenluloz

Xử lý nguyên liệu và chuẩn bị môi trường

Đối với các nguyên liệu ban đầu dùng để sản xuất protein đơn bào từ nấm men cần phải được xử lý sơ bộ Sau đó tiến hành pha chế môi trường Tuỳ từng loại nguyên liệu và chủng vi sinh vật nuôi cấy, có các thành phần môi trường thích hợp Nói chung, ngoài nguồn cơ chất cơ bản là nguồn cacbon ra, cần đưa vào môi trường nguồn nitơ, photpho, kali, magiê, các nguyên tố khoáng khác nữa Nguồn nitơ thường là các muối sunfat, nguồn photpho là supephotphat, K–KCl, Mg – MgSO4 Có thể dùng amoniac

Sau khi đã được trung hoà và làm trong, dịch lỏng còn nóng sẽ được làm nguội đến nhiệt độ 30 – 32 o

C, rồi pha loãng đến một nồng độ đường thích hợp cho nấm men

và tùy theo yêu cầu mà bổ sung các muối vô cơ Tách sinh khối thu được nhờ quá trình lên men trên, dịch thải sẽ được tinh chế, chưng cất thành cồn ethanol

Thu hồi sinh khối:

Bọt và sinh khối tràn ra ngoài trong quá trình lên men được tách trước tiên theo phương pháp tạo thành bọt cùng với sinh khối trào ra ngoài rồi đưa đi li tâm tách Bọt

và sinh khối tràn ra ngoài được thu gom lại đi xử lý bằng phương pháp tuyển nổi (flotation) rồi đưa đi li tâm qua các máy li tâm tách (Seprator), cô đặc ở chân không Sinh khối được đưa vào sấy ở máy sấy 2 trục hoặc sấy phun Trong tế bào nấm men kể

cả vi khuẩn, có nhiều vitamin nhóm B (trừ vitamin B12): tiamin, riboflavin, axit niconitic, axit folic, đặc biệt rất giàu tiền vitamin D2 (ergosterin) Dưới ánh sáng tia tử ngoại (tia cực tím) ergosterin sẽ chuyển thành vitamin D2 Vì vậy trước khi đóng gói sản phẩm sinh khối nấm men được chiếu tia tử ngoại để vitamin hoá sản phẩm