Giáo trình công nghệ sinh học thực phẩm II - Chương 1

Tài liệu tham khảo Giáo trình công nghệ sinh học thực phẩm II - Chương 1 Những nguyên tắc hóa sinh trong công nghệ vi sinh vật

ðẠI HỌC ðÀ NẴNG TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA HỐ KỸ THUẬT BỘ MƠN CƠNG NGHỆ THỰC PHẨM GIÁO TRÌNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC THỰC PHẨM II THỜI LƯỢNG 45 TIẾT ðÀ NẴNG 2007 MỞ ðẦU Công nghệ sinh học ngành khoa học ñang ñược giới quan tâm Giá trị công nghệ sinh học chỗ cơng cụ áp dụng cho nhiều ngành kinh tế sản xuất lương thực thực phẩm, chăn nuôi thú y, công nghiệp dược cơng nghiệp hố học, chuyển hố sinh khối thành lượng, xử lý phế liệu phụ liệu công nơng nghiệp, phịng chống nhiễm vệ sinh mơi trường… - Cơng nghệ sinh học giúp cho chương trình cải thiện nơng nghiệp, nghề vườn nghề rừng tăng suất trồng, tăng chất lượng dinh dưỡng nông phẩm, chọn giống chống chịu với sâu bệnh với thời tiết đất đai khơng thuận lợi tạo giống thích nghi với điều kiện thổ nhưỡng khí hậu định ðồng thời tạo điều kiện để trì ña dạng di truyền ñủ rộng giống trồng giữ gìn nguồn gen tạo nên từ họ hàng hoang dại chúng Tính ña dạng di truyền ñược thể thông qua số lượng cực lớn kiểu kết hợp gen có số cá thể lồi thơng qua khác tính trạng giống lồi: kiểu sinh trưởng, tính kháng sâu bệnh, tính kháng với ngoại cảnh (sương muối, hạn, nóng…) suất Sau nghiên cứu kết nhiều tổ hợp lai cách cẩn thận nghiêm túc, nhà chọn giống dựa tính đa dạng di truyền để chọn dịng có tính trạng mong muốn ðể thành công, nhà chọn giống phải có tay vốn di truyền lớn tốt Vốn di truyền bao gồm giống trồng, giống chống chịu, giống ñịa phương (các giống thường bị bỏ quên suất thấp q có tính chống sâu bệnh điều kiện ngoại cảnh khơng thuận lợi) Trong vốn di truyền cịn phải kể đến hoang dại có tác dụng tăng sức sống cho giống trồng Tính đa đạng di truyền nhân tố bảo đảm trồng khơng bị tai biến khí hậu sâu bệnh tiêu diệt hồn tồn Cây trồng dễ bị hại có tai hoạ - Cơng nghệ sinh học ứng dụng rộng rãi lĩnh vực thực phẩm dinh dưỡng Ngành công nghệ lên men phận cơng nghệ sinh học sản xuất nhiều sản phẩm thú vị cho ngành thực phẩm Hoặc việc sản xuất nấm men có ỹ nghĩa quan trọng Người ta sử dụng lượng nhỏ nấm men ñể bổ sung protein, vitamin chất khống cho thực phẩm Ngồi ra, sinh khối nấm men nguồn thức ăn bổ sung chăn ni có hiệu - Cơng nghệ sinh học giúp cho chăn nuôi thú y tạo ñược giống nuôi mong muốn sản xuất loại vacxin để phịng chống bệnh tật cho vật ni Ví dụ: việc cấy chuyền hợp tử bị tạo giống bị tốt, có sức chịu ñựng cao Kỹ thuật cấy chuyền ñược thực sau: gây rụng trứng bò có đặc điểm mà ngành chăn ni cần đến ñem thụ tinh nhân tạo tinh trùng bị đực có đặc điểm người ta mong muốn Các hợp tử hay phơi thu nhận cách rữa Làm đơng lạnh phơi nitơ lỏng -179oC vận chuyển trạng thái này: 1000 phơi đơng lạnh khơng nặng q 50kg Phơi cấy vào bị chữa đẻ hộ Bê phát triễn lên từ phôi đời mơi trường sống sau chúng khơng phải đương đầu với bất lợi môi trường mà súc vật nhập hay gặp phải Sự bảo vệ kháng thể bò mẹ nhờ bú sữa bò mẹ mà sau đời bê sơ sinh chịu ñựng tốt ñối với loại bệnh tật thông thường - Cơng nghệ sinh học cịn tích cực giúp ñỡ ngành y tế ñể bảo vệ sức khoẻ cộng đồng Người ta nói y học dự phịng (và lâu dài y học dự báo dựa hiểu biết ñặc ñiểm di truyền cá thể) mang lại lợi ích nhiều phương pháp điều trị Một lĩnh vực cơng nghệ sinh học góp phần quan trọng giải vấn đề y tế, khn khổ sách ưu tiên cho y học dự phịng, cải tiến vacxin có chế tạo vacxin ðồng thời cịn giúp ích việc sản xuất loại kháng sinh, vitamin thuốc chữa bệnh khác Những năm gần ñây, nhờ vào kỹ thuật di truyền người ta tìm cách tách chiết hoạt chất thực vật bậc cao ñể làm vật liệu xuất phát cho hàng loạt loại thuốc - Cơng nghệ sinh học cịn góp phần việc sản xuất lượng như: sản xuất cồn đường lên men, chương trình biogas…và nguồn lượng lại ñi phục vụ cho trình sản xuất khác - Cơng nghệ sinh học cịn tham gia vào việc chuyển hoá chất ngăn chặn ô nhiễm môi trường Sản phẩm phụ chất thải chứa hydratcacbon chuyển hố cách lên men nhờ vi sinh vật thông thường hay qui trình cơng nghệ sinh học Hoặc kỹ thuật tái tổ hợp AND góp phần tích cực để tách giống vi khuẩn thích hợp cho việc tối ưu hố chuyển hố Ví dụ: chuyển gen mã hố enzym xenluloza hemixenluloza Clostridium thermocellum thành lồi Clostridium khác điều khiển chuyển hố xenluloza hemixenluloza thành etanol, axeton, butanol, axít axetic axít lactic Dùng vài giống ưa nhiệt Clostridium (toop= 65-75oC) có lợi cắt giảm chi phí việc chưng cất hạ ñược giá thành sản phẩm ðể ngăn chặn ô nhiễm môi trường người ta dùng loại vi sinh vật khác Các kỹ thuật tái tổ hợp AND ñã tạo chủng vi khuẩn phân huỷ hấp thụ số lớn chất công nghiệp hố chất thải Như cơng nghệ sinh học có liên quan đến nhiều lĩnh vực bao gồm ngành như: - Công nghệ di truyền - Công nghệ nuôi cấy mô tế bào - Công nghệ enzyme - Công nghệ vi sinh vật… Trong học phần nghiên cứu số phần cơng nghệ vi sinh vật Các q trình vi sinh ñược sử dụng rộng rãi lĩnh vực khác kinh tế Những thành tựu khoa học kỹ thuật sinh hoá cho phép tạo q trình sản xuất có suất cao dựa phương pháp cơng nghệ điều chỉnh để có số sản phẩm thực phẩm, chăn ni, thuốc chữa bệnh chất hữu CHƯƠNG I: NHỮNG NGUN TẮC HỐ SINH TRONG CƠNG NGHỆ VI SINH VẬT ðể tạo sản phẩm lên men ñều phải qua bước sau: - Chuẩn bị môi trường - Chuẩn bị giống - Lên men - Thu hồi tinh chế sản phẩm ðể tạo sản phẩm có chất lượng tốt suất cao cần hiểu rõ vấn đề sau 1.1 Phân loại sản phẩm công nghệ vi sinh vật Các sản phẩm lên men cơng nghiệp phân loại theo tiêu chuẩn sinh lí trao đổi chất Sự phân loại dựa vào sản phẩm q trình lên men trình sản xuất nhờ vi sinh vật luôn tạo thành nhiều sản phẩm 1.1.1 Vật chế tế bào (sinh khối) Cơ chất tế bào Ví dụ: + protein đơn bào (trạng thái chết) + vi khuẩn cố ñịnh ñạm (sống): Rhizobium, Azotobacter, VK trừ sâu Bacillus thuringiensis… Việc tổng hợp sinh khối hay vật chất tế bào ñồng với sinh trưởng vi sinh vật Sinh trưởng sinh sản gắn liền với Sinh trưởng tăng khối lượng, sinh sản tăng số lượng 1.1.2 Các sản phẩm trao ñổi chất Cơ chất sản phẩm + tế bào Các sản phẩm cuối trao ñổi lượng (các sản phẩm lên men) Ví dụ: etanol, axít lactic, axeton-butanol… Lên men q trình yếm khí thu nhận lượng, hydro tách chuyển đến chất nhận hữu (nó khơng đồng nghĩa với lên men ngôn ngữ quốc tế - hiểu q trình sản xuất công nghiệp nhờ vi sinh vật) Một số thể tiến hành lên men khơng có oxy làm chất nhận hydro cuối (kỵ khí tuỳ tiện), nhóm thể lên men bắt buộc khơng chứa enzym hô hấp Các hợp chất hữu nhận hydro hợp chất hinh thành q trình trao đổi chất dị hố Sau nhận hydro, hợp chất thải tế bào giống sản phẩm cuối hô hấp Từ ñó nảy vấn ñề sản xuất cần chọn điều kiện ni cho nhiều chất ñược chuyển thành sản phẩm lên men tốt Ví dụ: sản xuất rượu để tăng hàm lượng rượu cần tăng hàm lượng đường giảm yếu tố quan trọng cho sinh trưởng 2 Các chất trao đổi bậc Ví dụ: axít amin, nucleotit, vitamin, axít xitric Các chất trao đổi bậc viên gạch cấu trúc có trọng lượng phân tử thấp cao phân tử sinh học tế bào chất: axít amin, nucleotit, nucleozit, đường, axít béo, vitamin… Ngồi sản phẩm trung gian q trình trao đổi chất (các axít hữu chu trình ATC) chất trao ñổi bậc Các chế điều hồ phát triễn q trình tiến hố bảo đảm cho chất trao đổi bậc ñược tổng hợp ñến mức ñộ cần thiết Các chất trao đổi bậc Ví dụ: kháng sinh, alcaloit Các chất trao ñổi bậc chất trao đổi có trọng lượng phân tử thấp, khơng gặp thể, phân bố chúng giới hạn ñơn vị phân loại định Chúng khơng có chức chung trao đổi chất tế bào tế bào tồn mà khơng cần đến chúng Tuy nhiên, chất trao đổi bậc có ý nghĩa với sinh trưởng thể sản sinh chúng Chẳng hạn số chất trao ñổi bậc có vai trị hấp thụ sắt thiếu nguyên tố Thường chất bậc ñược tạo thành sinh trưởng ñã kết thúc Các chủng tồn tự nhiên thường tạo thành chất trao đổi bậc 2, chất tích luỹ tế bào thải ngồi 4.Các enzym Ví dụ: enzym ngoại bào: proteaza, amylaza enzym nội bào : asparaginaza, penixilinaza Tế bào vi sinh vật chứa khoảng 1000 enzym khác Một số enzyme có mặt với số lượng vài phân tử nhiều enzym có mặt với số lượng lớn Chỉ enzym chịu trách nhiệm phân huỷ chất khơng hồ tan tinh bột, xenlulo, protein…mới ñược tiết từ tế bào vào mơi trường Vi sinh vật có khả sử dụng chất khác cho sinh trưởng thích ứng với điều kiện sinh trưởng khác Trong giới hạn thể tích tế bào tổng hợp enzym mà cần Trong cơng nghệ sản xuất enzym cần phải điều khiển trao ñổi chất cho enzym mà ta mong muốn ñược tổng hợp nhiều tốt 1.1.3 Các sản phẩm chuyển hố chất Ví dụ: oxy hố khơng hồn tồn để tạo thành axit axetic soboza Trong q trình chuyển hố tế bào hoạt động hệ thống xúc tác cho nhiều bước chuyển hố chất Về mặt lí thuyết phản ứng xảy nhờ enzym cô lập, nhiên đường khơng thể thực khơng kinh tế (ví dụ với phản ứng enzym phụ thuộc lượng) Các enzym chuyển hoá chất theo cách đặc hiệu Ví dụ: chuyển hố tách hydro xảy nhờ phân tử steroid ý nghĩa tế bào (cũng ñó phản ứng khử ñộc) Trong chuyển hố để tạo axít axetic gắn liền với sinh trưởng, gắn liền với thu nhận lượng 1.2 ðộng học sinh trưởng tạo thành sản phẩm Sinh trưởng quần thể vi sinh vật diễn qua giai ñoạn khác Sự sinh sản tế bào bắt ñầu sau giai ñoạn tiềm phát Trong giai ñoạn log xảy sinh sản theo hàm số mũ Sau thời gian sinh trưởng ngừng lại thiếu chất dinh dưỡng tích luỹ chất ức chế Các tế bào chuyển vào giai ñoạn cân Trong giai đoạn khơng diễn sinh trưởng tế bào cịn hoạt động trao đổi chất Tồn q trình ni gắn liền với thay ñổi kéo dài ñiều kiện nuôi Chất dinh dưỡng giảm ñi, số lượng tế bào tăng lên ðồng thời hoạt tính trao đổi chất thay đổi Về phương diện chức sản phẩm trao ñổi chất tế bào phân biệt nhóm: - Các sản phẩm mà hình thành chúng gắn liền với sinh trưởng Ví dụ: sản phẩm lên men, chất trao ñổi bậc 1, enzym Sự tổng hợp sản phẩm xảy thời gian sinh trưởng cịn tiếp diễn sau sinh trưởng ñã kết thúc - Các sản phẩm mà hình thành chúng xảy sau sinh trưởng kết thúc; ví dụ sản phẩm trao ñổi chất bậc ðồng thời Thời gian Khơng đồng thời Thời gian Hình 1: ðộng học trình sinh trưởng tạo thành sản phẩm Nhiều sản phẩm chiếm vị trí trung gian Ví dụ tổng hợp axít amin diễn thời gian sinh trưởng tiếp diễn sau sinh trưởng kết thúc, q trình tổng hợp tiếp diễn sở sai hỏng di truyền Sự tổng hợp nhiều enzym xảy không song song với sinh trưởng mà gắn liền với trạng thái sinh lí định tế bào lên men công nghiệp cần phải tìm trạng thái sinh lí suất cao trì thời gian dài 1.3 Sự tổng hợp thừa Vi sinh vật tồn tự nhiên sinh sản phẩm trao ñổi chất thành phần tế bào mức ñộ cần thiết cho sinh sản tối ưu cho trì lồi Sự trao đổi chất bảo đảm nhờ chế điều hồ Ví dụ: chế cần hoạt ñộng cho axit amin khơng tổng hợp q nhu cầu tổng hợp protein Như vậy, ñiều kiện tự nhiên khơng có sản sinh dư thừa sản phẩm trao ñổi chất bậc 1, bậc enzym Nếu tự nhiên chế điều hồ bị rối loạn, ví dụ kết đột biến thể đột biến sai hỏng trao đổi chất thường có hại đốt với chủng ban đầu 1.3.1 Những ngun tắc điều hồ trao đổi chất Có chế chịu trách nhiệm điều hồ trao đổi chất: ðiều hồ hoạt tính enzym nhờ ức chế sản phẩm cuối hay gọi kìm hãm theo liên kết ngược ðiều hồ tổng hợp enzym nhờ kiềm chế sản phẩm cuối giải kiềm chế ðiều hoà tổng hợp enzym nhờ kiềm chế dị hoá Các enzym cấu trúc Glucoza Kiềm chế dị hoá Kiềm chế sản phẩm cuối A E.1 B E.2 C E.3 D E.4 S.phẩm cuối Ức chế sản phẩm cuối Sơ ñồ1: Các nguyên tắc điều hồ enzyme * Trong chế sản phẩm cuối trình sinh tổng hợp gây ức chế trình tổng hợp Ở đây, sản phẩm cuối dù hình thành tế bào hay thu nhận từ mơi trường dinh dưỡng, điều ý nghĩa Trong chế này, sản phẩm cuối nói chung ảnh hưởng ñến enzyme ñầu tiên chuỗi sinh tổng hợp Enzym có tính định protein dị lập thể Nó có đặc điểm thay đổi cấu hình khơng gian có mặt sản phẩm cuối nhằm giảm bớt hoạt tính xúc tác Sự ức chế xảy nhanh có hiệu * Trong chế 2, sản phẩm cuối ức chế tổng hợp enzym cần cho tạo thành sản phẩm ấy, việc đọc thơng tin di truyền cần cho tổng hợp enzym (sự phiên âm) bị phong toả Ở nồng ñộ cao sản phẩm cuối tổng hợp enzym tham gia vào chuỗi phản ứng bị ngừng bị kéo dài cách ñáng kể Nếu nồng ñộ sản phẩm cuối giảm xuống mức xảy giải kiềm chế, nghĩa enzym ñược tạo thành với tốc ñộ cao Sự điều hồ theo kiểu xảy từ từ gắn liền với tổng hợp enzym Hoạt động Chất ảnh hưởng dị lập thể Chất ảnh hưởng dị lập thể Thể đột biến Khơng hoạt động Dạng hoang dại Hình 2: Mơ hình ức chế sản phẩm cuối *Sự kiềm chế dị hố điều hồ q trình tổng hợp enzym dị hố xúc tác phân huỷ chất Các enzym ñược tổng hợp nhờ cảm ứng enzym Cơ chế tương tự chế kiềm chế tức xảy mức ñộ phiên âm Trong cảm ứng enzym, chất dinh dưỡng đóng vai trị chất cảm ứng kích thích tổng hợp enzym xúc tác cho phân huỷ nó, nghĩa chất cảm ứng tổng hợp Do đó, việc tổng hợp enzym cảm ứng xảy có mặt chất tương ứng môi trường * Sự kiềm chế dị hố điều hồ q trình tổng hợp enzym dị hoá xúc tác phân huỷ chất Các enzym ñược tổng hợp nhờ cảm ứng enzym Cơ chế tương tự chế kiềm chế tức xảy mức ñộ phiên âm Trong cảm ứng enzym, chất dinh dưỡng đóng vai trị chất cảm ứng kích thích tổng hợp enzym xúc tác cho phân huỷ nó, nghĩa chất cảm ứng tổng hợp Do đó, việc tổng hợp enzym cảm ứng xảy có mặt chất tương ứng mơi trường Gen điều khiển chất kiềm chế khơng hoạt động khơng có sản phẩm cuối khơng phong toả truyền thông tin tổng hợp enzym Các gen cấu trúc chất kiềm chế hoạt động chất kiềm chế khơng hoạt động bị sai hỏng (ngay khơng có sản phẩm cuối ) không phong tỏa truyền thông tin tổng hợp enzym chất kiềm chế khơng hoạt động Sản phẩm cuối Chất kiềm chế hoạt động Khơng có truyền thơng tin khơng tổng hợp enzym Dạng hoang dại không phong tỏa truyền thông tin tổng hợp enzym Thể đột biến Hình 3: Mơ hình kiềm chế sản phẩm cuối Nếu môi trường có mặt nhiều chất trước hết xảy tổng hợp enzym xúc tác phân huỷ chất dễ sử dụng Sự tổng hợp enzym khác bị ức chế kiềm chế dị hố Thơng thường glucoza chất thích hợp 1.3.2 Những sai hỏng di truyền ñiều hồ trao đổi chất Các chế điều hồ trao ñổi chất bị thay ñổi ñột biến dẫn tới tổng hợp thừa chất trao đổi chất Những enzyme dị lập thể ngồi vị trí phản ứng với chất, chúng cịn vị trí khác sản phẩm cuối (hình 2) Vị trí thứ gọi trung tâm dị lập thể Hai vị trí tách biệt khơng gian khác cấu trúc Một ñột biến dẫn đến kết làm protein enzyme dị lập thể bị thay ñổi cách ñi khả phản ứng với chất hiệu ứng hoạt tính xúc tác Một protein bị biến đổi cịn hoạt động có mặt sản phẩm cuối dẫn đến tổng hợp thừa sản phẩm cuối tương ứng (hình phía bên phải) Trong kiềm chế tổng hợp enzym xảy phản ứng liệt phạm vi thơng tin di truyền, phiên âm (hình 3) Sự điều hồ tổng hợp enzym bị rối loạn ñột biến khác Những ñột biến đụng chạm đến gen kiềm chế dẫn tới sai hỏng chất kiềm chế làm biến nó; hay đụng chạm đến gen điều khiển làm cho gen khả tác dụng với chất kiềm chế (bên phải hình 3) Tồn sai hỏng tương ứng biểu cảm ứng enzyme Nhờ sai hỏng mà enzyme cảm ứng trở thành enzyme cấu trúc, nghĩa chúng tồn tế bào không phụ thuộc vào chất kiềm chế dị hoá bị ñi CHƯƠNG II: NHỮNG VẤN ðỀ KỸ THUẬT VÀ PHƯƠNG PHÁP CHUNG TRONG CÔNG NGHỆ VI SINH VẬT Sản xuất sinh khối sản phẩm trao ñổi chất q trình lên men có nhiều điểm giống phương pháp kỹ thuật Việc áp dụng kỹ thuật phương pháp tuỳ ñối tượng vi sinh vật mục tiêu sản phẩm cuối Trên sở áp dụng mục tiêu phương pháp riêng Chính khơng thể có phương pháp chung cho tất sản phẩm Việc áp dụng kỹ thuật phương pháp sở nguyên tắc chung kỹ thuật phương pháp trình bày Vì thế, chương giới thiệu nguyên tắc chung kỹ thuật phương pháp ñược áp dụng rộng rãi ngành vi sinh công nghiệp Các nguyên tắc chung bao gồm việc tuyển chọn giống vi sinh vật, giữ giống vi sinh vật, trình thiết bị ... thải Như cơng nghệ sinh học có liên quan đến nhiều lĩnh vực bao gồm ngành như: - Công nghệ di truyền - Công nghệ nuôi cấy mô tế bào - Công nghệ enzyme - Công nghệ vi sinh vật… Trong học phần nghiên... có tai hoạ - Cơng nghệ sinh học ñược ứng dụng rộng rãi lĩnh vực thực phẩm dinh dưỡng Ngành công nghệ lên men phận công nghệ sinh học ñã sản xuất nhiều sản phẩm thú vị cho ngành thực phẩm Hoặc...MỞ ðẦU Công nghệ sinh học ngành khoa học ñang ñược giới quan tâm Giá trị cơng nghệ sinh học chỗ cơng cụ áp dụng cho nhiều ngành kinh tế sản xuất lương thực thực phẩm, chăn nuôi thú