GIỐNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP GIỐNG PHỤC VỤ SẢN XUẤT
2.1.1.2. Tuyển chọn chủng sản xuất dựa trên mục tiêu sử dụng sản phẩm
Sự sinh trưởng của vi sinh vật và các tế bào khác tạo ra nhiều loại sản phẩm khác nhau, mỗi giống có thể được thực hiện nhờ một hay một vài quá trình lên men khác nhau dựa trên các điều kiện cần thiết và các loại sản phẩm tối ưu khác nhau. Như vậy, quá trình lên men dựa trên một hay nhiều cách sau đây: (a) Sản xuất sinh khối (tế bào) như nấm men; (b) Chiết xuất các sản phẩm trao đổi chất như axit amin, protein (cả enzyme), vitamin, rượu v.v.. để người và/hoặc động vật sử dụng hoặc sử dụng trong nơng nghiệp như sản xuất phân bón cho cây trồng; (c) Cải biến các hợp chất hóa học (thơng qua chuyển hóa sinh học); (d) Sản xuất các sản phẩm tái tổ hợp; (e) Sản xuất nhiên liệu sinh học từ nguyên vật liệu thực vật...
1. Sinh khối vi sinh vật
Sinh khối vi sinh vật được sản xuất mức độ thương mại như protein đơn bào (single cell protein-SCP) bằng các tảo đơn bào như loài Chlorella hoặc Spirulina phục vụ nhu cầu con người và động vật hoặc tế bào nấm men sử dụng cho công nghiệp làm bánh. Sinh khối vi khuẩn vàFusarium graminearumsử dụng làm thức ăn bổ sung cho động vật.
2. Các chất trao đổi của vi sinh vật
a. Các chất trao đổi sơ cấp
Trong pha tăng tốc, vi sinh vật sản sinh hàng loạt các chất cần thiết cho sinh trưởng của chúng như các nucleotid, axit nucleic, axit amin, protein, cacbohydrat, lipid, v.v.. hoặc các sản phẩm phụ của quá trình trao đổi chất nhường năng lượng như etanol, aceton, butanol, v.v... Đây được mơ tả như là pha thích nghi (tropophase) và sản phẩm thường được gọi là các chất trao đổi sơ cấp. Một số sản phẩm được thương mại được chỉ ra trên bảng 2.1.
Bảng 2.1.Một số ví dụ các chất trao đổi sơ cấp được thương mại hóa
Chất trao đổi sơ
cấp Cơ thể Ý nghĩa ứng dụng
Etanol Saccharomyces cerevisiae, Đồ uống cị cồn
Axit citric Aspergillus niger Cơng nghiệp thực phẩm Aceton và butanol Clostridium acetobutyricum Dung môi hữu cơ Lysin Corynebacterium glutamacium Bổ sung dinh dưỡng Axit glutamic Corynebacterium glutamacium Tăng hương vị Riboflavin Ashbya gossipii,
Eremothecium ashbyi Dinh dưỡng
Vitamin B12 Propionibacterium shermanii Dinh dưỡng
Dextran Leuconostoc mesenteroides Công nghiệp và nông nghiệp Xanthan gum Xanthomonas campestris Công nghiệp khai thác dầu mỏ
b. Các chất trao đổi thứ cấp
Các vi sinh vật sản sinh hàng loạt các sản phẩm khác chất trao đổi sơ cấp. Trong pha này, khơng có vai trị rõ ràng trong q trình trao đổi chất của cơ thể vi sinh vật được sản sinh
ra, pha này còn được gọi là pha tự phát (idiophase) và sản phẩm tạo ra được gọi là chất trao đổi thứ cấp.
Nhiều chất trao đổi thứ cấp được sinh ra từ các chất trung gian và sản cuối cùng của quá trình trao đổi chất sơ cấp. Một số sản phẩm như vậy của nhóm vi khuẩnEnterobacteriaceae
khơng trải qua quá trình trao đổi thứ cấp. Một số chất trao đổi thứ cấp được liệt kê trên bảng 2.2.
Bảng 2.2. Một số ví dụ các chất trao đổi thứ cấp đã được thương mại hóa
Chất trao đổi
thứ cấp Vi sinh vật Ý nghĩa ứng dụng
Penicillin Penicillium chrysogenum Kháng sinh chống vi khuẩn Gram (+) Erythromycin Streptomyces erythreus Kháng sinh chống vi khuẩn Gram (-) Streptomycin Streptomyces griseus Kháng sinh chống vi khuẩn Gram (-) Cephalosporin Cephalosporium acremonium Điều chế kháng sinh bán tổng hợp Griseofulvin Penicillium griseofulvin Kháng sinh chống nấm
Cyclosporin A Tolypocladium inflatum Ngăn cản miễn dịch
Gibberellin Gibberella fujikuroi Chất điều hòa sinh trưởng thực vật Quá trình trao đổi chất thứ cấp có thể bị kiềm chế trong trường hợp nào đó. Glucose kiềm chế quá trình sản xuất các chất kháng sinh actinomycin, penicillin, neomycin và streptomycin; phosphat kiềm chế quá trình sản xuất streptomycin và tetraxyclin. Do vậy, môi trường nuôi cấy để sản xuất các chất trao đổi thứ cấp cần phải được lựa chọn cẩn thận.
3. Sản xuất enzyme
Bảng 2.3.Một số enzyme được sản xuất ở mức độ công nghiệp
Vi sinh vật Enzyme
Aspergillus oryzae Amylase
Aspergillus niger Glucoamylase
Trichoderma reesii Cellulase
Saccharomyces cerevisiae Invertase
Kluyveromyces fragilis Lactase
Saccharomycopsis lipolytica Lipase
Các loài Aspergillus Pectinase và protease
Các loài Bacillus Protease
Mucor pusillus Rennet vi sinh vật
Mucor meihei Rennet vi sinh vật
Sản xuất enzyme ở mức độ công nghiệp cần thiết cho sản xuất thực phẩm và đồ uống. Enzyme cũng được sử dụng trong chẩn đốn bệnh, phân tích cơng nghiệp và ngày nay cịn được bổ sung vào bột giặt (cellulase, protease, lipase). Enzyme có thể được sản xuất bằng cách nuôi cấy vi sinh vật, thực vật và động vật. Nhiều enzyme thực vật và động vật có thể được sản xuất bằng lên men vi sinh vật. Trong khi phần lớn enzyme được sản sinh trong pha tiền phát, nhưng một số như amylase (nhờ Bacillus stearothermophilus) được sinh ra trong
pha tự phát (idiophase) và là chất trao đổi thứ cấp. Một số enzyme tiêu biểu được sản xuất thơng qua q trình lên men được liệt kê trên bảng 2.3.
3. Các sản phẩm thực phẩm
Rất nhiều sản phẩm của công nghiệp thực phẩm như sữa chua, phomat, thịt lên men, bánh mỳ hay các loại bánh khác, đồ ưống có cồn, dấm, rau quả muối chua, nước mắm v.v... được sản xuất thơng qua q trình lên men vi sinh vật. Hiệu quả của chủng vi sinh vật sử dụng và quá trình lên men liên tục được cải tiến nhằm đưa ra các sản phẩm có chất lượng được thị trường chấp nhận với giá cả hợp lý hơn.
4. Các sản phẩm tái tổ hợp
Công nghệ DNA tái tổ hợp đã chuyển gen từ bất kỳ cơ thể nào đó vào vi sinh vật khác và tạo ra cơ thể vi sinh vật chuyển gene và sau đó sản sinh các sản phẩm gen. Các chủng
Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae, các nấm men và thậm chí cả nấm sợi cải biến
gene hiện nay cũng đang được sử dụng để sản xuất interferon, insulin, albumin huyết thanh người và hàng loạt các sản phẩm khác.
5. Chuyển hóa sinh học
Việc sản xuất các hợp chất có cấu trúc tương tự từ một chất cụ thể nào đó trong q trình lên men là sự chuyển hóa (cịn gọi là chuyển hóa sinh học). Một ví dụ cổ điển nhất là q trình này là sản xuất axit acetic từ etanol.
Tế bào thực vật cố định cũng có thể sử dụng để chuyển hóa sinh học. Việc sử dụng alginat như là chất polymer làm chất cố định, digitoxin từ Digitalis lanata được chuyển hóa thành digoxin, một chất có tác dụng chữa bệnh với nhu cầu rất lớn. Tương tự như vậy, codeinon được chuyển hóa thành codein và tyrosin nhờ Mucuna pruriens và sau đó được chuyển hóa thành DOPA (l-3,4-dihydroxyphenylalanine).