Sự cần thiết sản xuất protein đơn bμo

Chương 5

Từ cổ xưa cả hai nền văn hoá phương Đông vμ phương Tây đã biết chế biến thực phẩm bằng vi sinh vật. Trong khẩu phần ăn đã có chứa các vi sinh vật đó cho cả người vμ vật nuôi. Sữa chua, dưa chua, chao, tương, mắm chua ...

đều chứa vi sinh vật. Tuy nhiên quá trình sản xuất công nghiệp đầu tiên các vi sinh vật cho mục đích dinh dưỡng đã xảy ra ở Đức vμo thời kỳ Đại chiến thế giới lần thứ nhất, lúc đó được gọi lμ nấm men “Torula”. Sau chiến tranh mối quan tâm của Đức giảm đi, song nó lại được phục hồi vμo những năm 30, vμ trong Đại chiến thế giới lần thứ hai khoảng 15.000 tấn nấm men đã được sản xuất mỗi năm nhằm phục vụ nhu cầu protein cho binh lính vμ thường dân.

Chủ yếu để nấu súp vμ lμm xúc xích. Sau thế chiến thứ hai Mỹ vμ Anh cũng quan tâm đến sản xuất sinh khối nấm men để phục vụ nhu cầu chăn nuôi công nghiệp. Từ giữa những năm 50, công nghiệp sản xuất nấm men mới được thúc đẩy mạnh mẽ.

Bảng 5.1. Thành phần hoá học của tế bào một số loại nấm được sử dụng làm protein đơn bào (SCP) Thành phần Pacilomyces vaioti Fusarium

graminearum

Candida utilis

Trọng lượng khô (%) 96,0 94,2 91,0

Protein thô (% N x 6,25) 55,0 54,1 48

Chất béo (%) 1,0 1,0 1,35

Tro (%) 5,0 6,1 11,0

Lysin (g/16g N) 6,5 3,5 7,2

Methionin (g/16 g N) 1,9 1,23 1,0

Cystin và Cystein (g/16 g N) 1,0 0,75 1,0

Hội nghị lần thứ nhất về SCP tại Viện kỹ thuật Massachusett năm 1967 đã có nhiều dự án thực nghiệm sản xuất SCP. Riêng Hãng British Petroleum (BP) đã trình bμy báo cáo về sản xuất công nghiệp SCP. Đến hội nghị lần thứ hai vμo năm 1973 thì nhiều hãng thuộc nhiều nước khác nhau đã sản xuất trên qui mô công nghiệp vμ chứng minh được khả năng kỹ thuật của họ. Cũng chính năm 1973 sản xuất SCP từ hydrocarbon cũng được đẩy mạnh.

Nguyên nhân nμo đã thúc đẩy nhiều nước phải sản xuất SCP?

ở các nước phát triển có mức sống cao, các thức ăn hỗn hợp giμnh cho động vật đòi hỏi phải chứa các nguồn protein có chất lượng cao (bột cá, bột đậu tương) để sản xuất ra trứng, thịt bò, lợn, gμ đủ tiêu chuẩn. Tuy nhiên nếu dùng các thức ăn có chất lượng cao kể trên giá thμnh sản phẩm sẽ cao. SCP dùng chăn nuôi để sản xuất thịt, trứng, sữa đã mang lại hiệu quả to lớn, giá thμnh sản phẩm giảm. Công nghiệp chăn nuôi đã bước sang một trang mới, người ta nói đến canh tác không cần đất đai, không phụ thuộc vμo thời tiết, khí hậu. Canh tác trong nồi lên men chính lμ ý nghĩa đó.

So với sản xuất các nguồn protein truyền thống, sản xuất SCP có những ưu thế sau:

ư Tốc độ sản xuất tăng nhanh.

ư Hμm lượng protein cao (30-80% tính theo trọng lượng khô).

ư Có thể dùng các nguồn carbon khác nhau (mμ một số chất được coi lμ chất thải).

ư Nhiều chủng vi sinh vật cho năng suất cao, hμm lượng protein cao vμ chất lượng tốt.

ư Diện tích sản xuất nhỏ, sản lượng cao.

ư Không phụ thuộc vμo mùa vụ, thời tiết.

Một nhược điểm quan trọng của SCP lμ do chúng chứa một hμm lượng acid nucleic cao, đặc biệt lμ ở vi khuẩn vμ nấm men. Nếu các loại nμy được sử dụng cho người thì sẽ lμ một vấn đề cần quan tâm, vì ở người thiếu enzym uricase xúc tác cho sự oxy hoá acid uric thμnh allantoin dễ hoμ tan. Nếu ăn nhiều các dẫn chất chứa purin sẽ lμm tăng hμm lượng acid uric trong máu, acid nμy sẽ tạo thμnh các sỏi đọng lại ở khớp xương vμ trong bể thận, dễ sinh ra sỏi thận. Hμng ngμy mỗi người lớn chỉ nên ăn 20 g nấm men (tính theo trọng lượng khô). Đã có những phương pháp nêu ra nhằm lμm giảm hμm lượng acid nucleic trong SCP.

Tuy nhiên các phương pháp xử lý ấy sẽ dẫn đến việc lμm giảm giá trị sinh học của protein đơn bμo. Các phương pháp đó có thể lμ:

ư Thuỷ phân bằng kiềm.

ư Chiết bằng hoá chất.

ư Hoạt hoá ARNase (bằng xử lý nhiệt).

Về hiệu suất sinh tổng hợp protein của vi sinh vật thì cao hơn nhiều lần so với động vật chăn nuôi trong các trang trại (bảng 5.2). Thường so sánh năng suất tạo protein của một con bò nặng 250 kg với 250 g vi sinh vật. Trong khi con bò chỉ tổng hợp được 200 g protein mỗi ngμy thì vi sinh vật nếu tính trên lý thuyết (trong điều kiện phát triển lý tưởng) chúng có thể tạo được 25 tấn cũng trong thời gian ấy. Tuy nhiên con bò cũng có khả năng đặc biệt của nó đó lμ biến đổi cỏ thμnh sữa giμu protein.

Bảng 5.2. Thời gian cần thiết để tăng gấp đôi sinh khối của một số loài Tên loài Thời gian

Vi khuẩn và nấm men 20-120 phút

Nấm và tảo 2- 6 giờ

Cỏ và một vài thực vật 1-2 tuần

Gà con 2-6 tuần

Bồ câu 4-6 tuần

Trâu, bò (còn nhỏ) 1-2 tháng Người (sơ sinh) 3-6 tháng

Protein từ SCP cũng chứa khá đầy đủ các chất dinh dưỡng quan trọng như acid amin, vitamin các nguyên tố vô cơ cần thiết cho cơ thể (bảng 5.3).

Cũng có thể điều khiển quá trình lên men vi sinh vật để tạo ra sinh khối có chứa những chất cần thiết có giá trị sử dụng cao. Ví dụ như nuôi Saccharomyces uvarum trong môi trường có chứa selenid sẽ tạo ra sinh khối có chứa các hợp chất selen hữu cơ dùng lμm thuốc antioxydant vμ điều trị ung thư, nuôi tảo Spirullina chứa β caroten…

Bảng 5.3. Thành phần acid amin trong protein của tế bào Saccharomyces

Acid amin mmol/100 g protein

nấm men Acid amin mmol/100 g protein nấm men

Alanin 114,70 Leucin 74,08

Arginin 40,18 Lysin 1,54

Asparagin 25,43 Methionin 12,66

Acid aspartic 74,38 Phenylalanin 33,44

Cystein 1,65 Prolin 41,13

Acid glutamic 75,45 Serin 46,33

Glutamin 26,33 Threonin 47,85

Glycin 72,56 Tryptophan 7,10

Histidin 16,55 Tyrosin 25,49

Isoleucin 48,17 Valin 66,18

Nuôi vi sinh vật để sản xuất SCP có nhiều ưu điểm chính như sau:

ư Vi sinh vật phát triển với tốc độ nhanh ở điều kiện tối ưu, một vμi loμi có thể tăng gấp đôi sinh khối sau 0,5 - 1 giờ.

ư Vi sinh vật dễ dμng bị biến đổi gen hơn thực vật vμ động vật, do đó có thể tạo ra các loμi mới bằng biến đổi gen nhằm tăng tốc độ phát triển, chịu được các điều kiện sống khắc nghiệt vμ điều kiện lên men dễ dμng.

ư Vi sinh vật chứa hμm lượng protein cao vμ giá trị dinh dưỡng cao.

ư Vi sinh vật có thể tạo ra một lượng sinh khối lớn trong một thiết bị lên men dung tích nhỏ vμ thực hiện quá trình liên tục điều khiển tự động. Diện tích để sản xuất nhỏ, không phụ thuộc vμo thời vụ, thời tiết.

ư Vi sinh vật có thể phát triển trên môi trường chứa nguyên liệu thô rẻ tiền, cũng có khi chỉ lμ chất thải. Một vμi loμi vi sinh vật có thể phát triển trên cơ chất lμ cellulose - nguồn nguyên liệu thiên nhiên vô tận.