GIÁO TRÌNH CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG SẢN XUẤT - PGS.TS. TRƯƠNG VĂN LUNG - 6

Ngoài Mexico, các nước khác ở Nam Mĩ (Argentina, Chilé, Venezuella) cùng các nước Trung Mĩ và vùng Caribé (Costa Rica, Cuba, Guatemala) cũng quan tâm đến các ứng dụng[r]

Chương V

Công nghệ sinh học việc tạo sản phẩm hữu thực phẩm

1 Thế giới sinh vật nguồn nguyên liệu vô tận cho công nghiệp hóa thực phẩm

Từ cuối kỉ XIX, người sáng lập mơn hóa học tổng hợp, nhà bác học tiếng người Pháp Marcelin Berthelot khẳng định: “Vấn đề sản phẩm dinh dưỡng vấn đề hóa học Khi thu nhận lượng cách rẻ tiền thực việc tổng hợp sản phẩm dinh dưỡng từ carbon (lấy từ khí carbonic) từ hydrogen (lấy từ nước), từ nitrogen oxygen (lấy từ khơng khí) Các cơng việc mà cối làm nhờ lượng mặt trời Chúng ta tương lai không xa thực được”

Bức tranh Berthelot vẽ ra, đến ngày nay, cảnh điền viên viễn tưởng

Dmitri Ivanovitch Mendeleiev sáng suốt cho rằng, thực sản xuất nhà máy sản phẩm dinh dưỡng nhờ sinh vật Thế giới sinh vật nguồn cung cấp hóa chất tự nhiên Các nhà sinh vật học hóa học hợp tác sáng tạo làm nên qui trình cơng nghệ sử dụng có hiệu Thế giới sinh vật dùng làm nguyên liệu cho việc chế tạo hóa chất khác để phục vụ cho người

Ethanol Năng lượng

Protein Ethylene

Keylit Propylene

Sorbite Benzene

Vitamin Xylene

Thức ăn Phenol

gia súc Methanol

Các dược phẩm H2

Acid citric NH3

Fructose Acetylene

Xylose Than cốc

Naphtalene

Agar Protein

Alginate Furfurol

Sản phẩm Sản phẩm

khác khác

Hình V.1 Sơ đồ sản phẩm hóa học hình thành từ thực vật

Trồng trọt Lâm nghiệp

Sinh khối cạn Sinh khối nước

Các sản phẩm quang hợp

Khí đốt tự nhiên Dầu

mỏ

Thật vậy, từ năm 1950, công nghiệp dầu mỏ phát triển có hóa dầu chế tạo hóa chất từ dầu mỏ, mà thực chất dầu mỏ than đá từ sinh khối tự nhiên trình quang hợp tạo nên hóa thạch theo thời gian vùi lấp mặt đất

Ngoài ra, thực vật cịn cho nhiều sản phẩm hóa học khác Có thể tóm tắt theo sơ đồ trình bày sau:

Trong công nghiệp cung cấp dầu béo: tinh dầu, hương liệu, tannin làm màu nhuộm, rezin, dầu nhờn, cao su, sợi, bột giấy Các thuốc cho dược phẩm, có chất độc, thuốc cá, thuốc trừ sâu Cây làm nhựa mủ: làm chất đốt, nhiên liệu Một số rong biển cho agar, alginate, carageenan Mỡ cá voi, mùi thơm cà cuống, xạ hương chồn, mùi vani, chất cho mùi với chất giữ hương dùng giải khát,v.v

Ngoài chất tự nhiên người sử dụng từ lâu cịn có chất q mà hóa học khơng thể chế tạo được.người ta phải nuôi trồng điều kiện cần thiết cho trình sống chúng (thành phần tỉ lệ vi lượng thích hợp, điều kiện khí hậu thích nghi) Đó đặc sản vùng mà nơi có, nơi khác khơng có có chất lượng sản phẩm thua Ví dụ: nhân sâm Triều Tiên có số vùng trồng loại tốt nước ta có tam thất, trầm hương, quế Thanh (Thanh Hóa), quế Trà Mi (Quảng Nam) Gần người ta phát đỉnh núi Ngọc Linh (Kontum) có loại nhân sâm (người ta đặt tên nhân sâm Ngọc Linh), phẩm chất tốt nhân sâm Triều Tiên

Ở Pháp có loại nấm Truffe, giá có lúc lên 4.000 Francs/kg Nấm

Melanosporum tuberculum sống vùng núi đá vôi, sống cộng sinh với sồi (Quercus) mọc đất 1-2 dm Để tìm giống nấm này, người ta dẫn lợn đánh Nấm tạo hương tự nhiên nấu gan vịt, ngỗng

Việc hiểu biết chế di truyền kĩ thuật thay đổi hướng sản xuất mở nhiều triển vọng tốt đẹp Ở Bungarie, hoa hồng tạo gene, khống chế gene tạo mùi thơm biểu sớm, thu nhiều chất có mùi hương khác rẻ tiền nhiều lần so với việc thu hương tự nhiên

Ngoài ra, ni cấy tự động điều khiển nhờ điện toán (tạo pH, độ ẩm, …)

2 Sự chuyển hóa sinh học sở khoa học công nghệ chế biến tạo sản phẩm hữu thực phẩm

CNSH, sản phẩm tổng hợp sinh học trình lên men chuyển hóa vật chất gắn liền với điều mẻ có bất ngờ khơng nông nghiệp, lâm nghiệp, y học (phần hai) Càng ngày thấy rõ khả ứng dụng cụ thể rộng rãi chúng ngành hóa học lượng học

Việc sản xuất acid hữu cơ, acid amin, người chế tạo để sử dụng sớm Cha ông ta từ xưa biết muối dưa, làm giấm, làm tương, chao để sử dụng đời sống ngày Acid citric sản xuất từ chanh Sau đại chiến giới lần thứ (1920), người ta sản xuất đường vi sinh vật Sau người ta sản xuất nhiều acid amin khác Từ năm 1909, Nhật Bản bắt đầu sản xuất acid amin acid glutamic

2.1 Sự chuyển hóa sinh học (biotransformation) ứng dụng trong sản xuất cơng nghiệp

Các sinh vật có khả thực nhiều loại phản ứng hóa học khác Chưa kể đến phản ứng hóa học động vật thực vật, vi sinh vật từ năm 1959, người ta phát thấy 1.500 phản ứng khác

Những phản ứng chung bao gồm:

- Phản ứng oxyhóa: decarboxyl hóa acid amin - Phản ứng khử: phản ứng 2NH2 + 3H2→ 2NH3

- Phản ứng carboxyl hóa tạo nhóm –COOH acid hữu - Phản ứng amin (desamination)

- Phản ứng tạo glucoside xẩy tổng hợp tryptophan - Phản ứng thủy phân

- Phản ứng methyl hóa (gắn nhóm –CH3)

- Phản ứng ether hóa, ester hóa - Phản ứng nước

- Phản ứng kết hợp (condensation: ngưng tụ, cô đặc) - Phản ứng amin hóa:

- Phản ứng acetyl hóa tạo acetylCoA

- Phản ứng amylin hóa: cắt bột thành đường

Các phản ứng thực ngành công nghiệp để sản xuất sản phẩm cần thiết Một ví dụ điển hình sử dụng sinh vật để thực phản ứng chế biến D-sorbitol thành L-sorbic:

CHO CH2OH CH2OH

H-C-OH H-C-OH Acetobacter C=O

OH-C-H Hóa học OH-C-H suboxydase OH-C-H

H-C-OH H-C-OH H-C-OH H-C-OH H-C-OH OH-C-H CH2OH CH2OH CH2OH

Glucose D-Sorbitol L-Sorbose Dùng biotransformation L-sorbose → L-acid ascorbic (vit.C)

Nhờ vi khuẩn chuyển phản ứng D-sorbitol thành L-sorbose mà sản phẩm hạ giá thành so với thực phản ứng hóa học

Việc sản xuất cortison chất trị thấp khớp, đau nhức tổng hợp hóa học để bán thị trường Nếu đường hóa học phải trải qua 37 cơng đoạn Vì giá thành cao (giá 200 USD/g) Nhờ kết hợp hóa học vi sinh vật học mà qui trình sản xuất rút ngắn cịn 11 cơng đoạn giá thành cịn 0,68 USD/g mà khơng cần đến nhiệt độ áp suất cao

Rất nhiều chất kháng sinh dùng điều trị, người ta sản xuất đường hóa học kết hợp với sinh vật học

2.2 Sản xuất acid hữu cơ

* Acid citric: Những năm 1920, người ta sản xuất acid citric cách dùng Aspergillus niger Người ta tuyển chọn giống

Aspergillus có suất cao để sản xuất có hiệu Cơ chất cho trình lên men mật rỉ đường, nuôi độ pH thấp (pH=3) Dưới hoạt động Aspergillus, pH chuyển sang dạng acid (pH=1), sau người ta chiết acid citric Trong trình lên men, dùng Aspergillus niger

chuyển 90% đường thành acid citric Người ta cho CaCO3 để tạo

thành tủa calcium citrate lắng xuống, sau cho tác dụng tủa với H2SO4

để tạo thành acid citric CaSO4 lắng xuống Đem acid citric cô, kết tinh

enzyme

Sau người ta sản xuất acid citric cách nuôi Aspergillus

trên parafin dầu mỏ

* Acid gluconic: có thời gian, người ta sản xuất acid đường lên men vi sinh vật từ glucose tác dụng enzyme glucosoxydase:

Glucose acid gluconic

Glucosoxydase enzyme cần khơng khí, sản xuất cần sục khí mạnh Người ta tủa acid gluconic CaCO3 để tạo

thành calcium gluconate (dược phẩm dạng cốm cho trẻ em) Hiện nay, người ta sản xuất đường hóa học chủ yếu, vi sinh vật dễ bị nhiễm chọn chúng tương đối khó

Enzyme glucosoxydase sử dụng để bảo quản thực phẩm Cho vào bia enzyme bảo quản lâu Bởi vì, bia cịn đường glucose Chúng lên men thành acid gluconic loại O2

và bia chua nên bị nhiễm giữ lâu

* Acid itaconic: sản xuất từ Aspergillus itaconicus và

Aspergillus terreus. Cơ chất mật rỉ đường, chất tinh bột, đường Acid dùng sản xuất polymer dùng sản xuất len nhân tạo Khi cơng nghiệp hóa dầu phát triển đường sản xuất bị ngưng

* Acid lactic: sản xuất chủ yếu dùng vi sinh vật lên men lactic Cơng nghiệp hóa dầu phát triển sản xuất acid lactic đường vi sinh vật bị ngưng

2.3 Sản xuất acid amin

* Acid L-glutamic: lần vào năm 1909, hãng Ajinomoto Nhật Bản sản xuất acid

Thật ra, bột sản xuất từ năm 1908 cách thủy phân gluten bột mì Người ta dùng Micrococcus glutamicum chính xác Brevibacterium glutamicum Trước sản xuất 40g/l Hiện nhờ chọn lọc dịng có suất cao nên sản xuất 120g/l

* Lysine: sản xuất lượng lớn để bổ sung vào thực phẩm Chu trình chúng là:

L-aspartic L-lysine

 

L-aspartic  Homoserine Methionine semialdehyde 

sản phẩm lên men, đánh giá nguy nhiễm chủng đột biến sinh độc tố nấm (mycotoxin)

Ngoài Mexico, nước khác Nam Mĩ (Argentina, Chilé, Venezuella) nước Trung Mĩ vùng Caribé (Costa Rica, Cuba, Guatemala) quan tâm đến ứng dụng lên men môi trường xốp làm giàu protein cho chất giàu tinh bột tạo nên thực phẩm lên men giàu protein gọi tắt AFEP, làm lên men lactic nhằm bảo quản sản phẩm nông nghiệp giàu tinh bột, làm tăng khả tiêu hóa tăng hương vị cho thức ăn chăn ni (bã mía, thân lúa miến), gia súc lớn, tìm enzyme phân hủy tinh bột, phân hủy cellulose cách rẻ tiền, khử chất có hại khỏi nơng sản phẩm (khử tannin thuộc loại polyphenol cafein khỏi hạt cà phê)

Ngoài ra, người ta làm giàu protein cho số loại sản phẩm mà trước người ta phải chôn thả xuống biển hàng triệu tấn, biến chúng thành thức ăn cho chăn nuôi gia súc, tôm, cá làm phân bón hữu vi sinh

Mặc dù việc sản xuất thực phẩm lên men giàu protein từ glucid cịn có nhiều khó khăn kĩ thuật kinh tế, lĩnh vực đầy triển vọng việc tự cung tự cấp thức ăn nâng cao giá trị dinh dưỡng cho khu vực dân cư thiếu hụt protein Hơn nữa, chúng đầy triển vọng việc sản xuất sản phẩm sinh hóa học có giá trị cao enzyme

Chế biến glucose từ gỗ

Nghề nghiệp gỗ đa dạng Theo tính tốn chuyên gia, cách 40 năm, mặt hàng chế tạo từ gỗ gồm khoảng 4.000 loại, 25.000 loại tiếp tục mở rộng

Nhưng bất hạnh chỗ, trình xử lí học, nhiều gỗ bị hao phí cách vơ ích Phế phẩm việc chế biến gỗ trịn 27% cưa gỗ, cơng nghiệp gỗ dán: 55%, sản xuất diêm: 65%

Khi chế biến theo kiểu hóa học, mảnh vụn gỗ phế liệu tẩm nhựa ép lại nhờ mà chế tạo gỗ ép-vỏ bào, gỗ ép-sợi dùng thay cho gỗ nguyên vẹn

lượng ánh sáng mặt trời Khơng có loại thực vật nào, khơng có loại động vật (trừ lồi nhai lại có loại vi sinh vật dày sinh enzyme cellulase) phân giải đồng hóa cellulose Cellulose tạo xương chống đỡ cho thảo thân gỗ

Trong màng tế bào hóa gỗ, vi sợi (microfibril), cellulose đóng vai trị cốt sức bê tơng, cịn đóng bê tơng lignin 20-30% hemicellulose 20% Khi sản xuất cellulose lignin thành phần hemicellulose lại hòa tan muối acid sulphuric chất kiềm Ở không xảy chuyển biến đáng kể cellulose

Ở nhà máy thủy phân phương hướng qui trình cơng nghệ lại hồn toàn ngược lại: cellulose hemicellulose chuyển vào dung dịch, cịn lignin lại dạng chất rắn tự nhiên Sự khác lại chỗ khác Sự thủy phân khơng phải có mục đích trì mà cấu tạo lại hoàn toàn phân tử cellulose Thậm chí, nói rằng, hồn tồn việc trẻ hóa lại phân tử Khi quang hợp tạo thành glucose, hàng nghìn phân tử glucose ngưng tụ lại, polymer hóa thành phân tử polysaccharide-cellulose giải phóng nước Khi thủy phân, phân tử cellulose liên kết với nước phân giải hàng nghìn gốc glucose cấu tạo

Cellulose vật chất gỗ, hoàn toàn khơng ăn được, lại chuyển hóa thành glucose - loại hydrate carbon sinh xanh hấp thụ ánh sáng mặt trời Loại đường hòa tan nước dễ dàng tất thể sống đồng hóa

Việc thủy phân gỗ vật liệu thực vật khác vỏ hạt bông, vỏ hạt hướng dương, thân bẹ ngô, rơm rạ lúa loại hòa thảo khác… q trình hóa học phức tạp Trong tế bào thực vật tạo thành polysaccharide phức tạp (cellulose hemicellulose) từ đường đơn giản nhờ lượng ánh sáng mặt trời Khi phân giải ngược lại cần dùng lượng tương tự Mặc dù q trình thủy phân tiến hành có mặt chất xúc tác (acid sulphuric, chlohydric hay acid khác), khối chất phản ứng (gỗ) nghiền nhỏ với chất xúc

tác phải đun sôi đến 180oC hay cao hơn, với áp lực thiết bị thủy

phân đến 10-12 atm

Dung dịch đường acid tạo thành liên tục lấy khỏi nơi phản ứng, cịn phần rắn lignin sau kết thúc tồn q trình, lấy khỏi thiết bị thủy phân