[Chia sẻ] Ứng dụng vi sinh vật trong sản xuất các acid amin

Bài viết sau đây, nhà thuốc Ngọc Anh xin trình bày về ứng dụng vi sinh vật trong sản xuất các acid amin.

Định nghĩa và vai trò của Acid amin

Định nghĩa

Acid amin là hợp chất lưỡng tính, có vai trò quan trọng trong cơ thể sống (trong quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật). Chúng cấu thành lên các loại protein khác nhau trong cơ thể. Trong phân loại sản phẩm của vi sinh vật, acid amin được phân nhóm vào sản phẩm bậc một trong nhóm sản phẩm trao đổi chất.

Ứng dụng

Acid amin được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như thực phẩm, dược phẩm và bổ sung vào thức ăn.

Thực phẩm: các acid amin có tác dụng làm tăng hương vị cho thức ăn như acid glutamic- tăng vị mềm thịt; acid aspartic, glycine- điều vị đồ uống; L-lysine và DL- methionine- bổ sung thực phẩm và tăng dinh dưỡng.

Dược phẩm:

• Bổ sung các acid amin thiết yếu cho cơ thể (đặc biệt trẻ suy dinh dưỡng). Có 9 acid amin thiết yếu mà cơ thể không thể tổng hợp được. Chúng bao gồm phenyl alanine; valine; threonine; tryptophan; methionin; leucine; lysine và histidine. Các acid amin này cấu tạo nên các tổ chức và là trung gian để sản xuất một số chất trung gian hóa học khác.
• Các acid amin còn có khả năng cải thiện giấc ngủ và tâm trạng. Tryptophan cần thiết để sản xuất serotonin- chất trung gian hóa học trong cơ thể. Serotonin là chất điều hòa thiết yếu của tâm trạng, giấc ngủ và cư xử. Các kết quả nghiên cứu cho thấy, nồng độ serotonin thấp có mối liên hệ với tình trạng stress và giấc ngủ chập chờn.
• Cải thiện khả năng vận động: 3 loại acid amin chuỗi nhánh (leucine, isoleucine và valine) được sử dụng rộng rãi trong hồi phục chấn thương, cải thiện khả năng vận động của các vận động viên, tăng cường hồi phục của cơ sau vận động
• Ngoài ra, các acid amin cũng ngăn cản tiêu cơ ở người già và các vận động viên, và giúp tăng cân ở những người suy dinh dưỡng thấp còi.

Các phương pháp sản xuất acid amin

Phương pháp hóa học

• Nguyên liệu: tận dụng các khí thải từ công nghệ dầu mỏ, các sản phẩm cracking dầu hỏa.
• Ưu điểm: tận dụng phế thải và các nguyên liệu không phải là thực phẩm
• Nhược điểm: các nước có công nghiệp dầu mỏ mới có khả năng thực hiện, yêu cầu kỹ thuật cao, sản phẩm tạo thành thường là một hỗn hợp racemic do đó cần thêm chi phí để tách lấy đồng phân L, giá thành cao.

Phương pháp thủy phân

• Nguyên liệu: từ thực động vật giàu protein như tảo; các hạt của cây họ đậu như đậu tương, lạc; nấm men…
• Ưu điểm: dễ kiểm soát được quy trình sản xuất và ứng dụng được trong quy mô công nghiệp.
• Nhược điểm: hiệu suất của quá trình này thấp, giá thành cao; cần thiết bị chống ăn mòn do cần sử dụng acid hoặc bazơ làm xúc tác; phương pháp này cần đi từ nguyên liệu chứa protein; một số acid amin bị phá hủy bởi điều kiện thủy phân; gây ô nhiễm môi trường.
• Một số acid amin thiết yếu đi từ phương pháp này là L-cystine và L-tyrosine.
• Các xúc tác sử dụng trong quá trình thủy phân là acid, bazo và enzym.

Phương pháp sử dụng vi sinh vật

Nguyên tắc: sử dụng các vi sinh vật có khả năng tổng hợp quá thừa các acid amin từ glucid và đạm vô cơ. Một loại vi sinh vật sẽ sản xuất đặc trưng một số loại acid amin như các micrococcus sản xuất glutamate từ môi trường glucose và amoniac; vi khuẩn corynebacterium sản xuất acid glutamic; vi khuẩn micrococcus glutamicus sản xuất lysine và tryptophan.

Ưu điểm:

• Tạo dạng acid amin dạng L, không phải tách chiết nhiều lần.
• Không sử dụng nguyên liệu từ các protein.
• Không sử dụng các nguyên liệu hóa chất như phương pháp hóa học.
• Thiết bị không cần có khả năng chống ăn mòn, do không dùng môi trường acid hoặc bazơ.
• Hiệu suất cao, ít công đoạn tách chiết sản phẩm nên giá thành sản phẩm thấp.

Nhược điểm:

• Thiết bị cồng kềnh do cần để nuôi cấy vi sinh vật.
• Khó kiểm soát quy trình sản xuất, do quá trình nuôi cấy dễ nhiễm tạp các vi khuẩn hoặc các vi rút khác gây ảnh hưởng đến vi khuẩn nuôi cấy.

Ngoài 3 phương pháp chính kể trên, người ta còn phối hợp phương pháp hóa học và sinh học. Phương pháp hóa học để tạo ra các tiền chất của acid amin, sau đó sử dụng vi sinh vật để chuyển chúng thành acid amin.

Quá trình sản xuất acid amin từ lên men vi sinh vật

Trước lên men

Chuẩn bị giống: giống cần thuần chủng- được lưu giữ tại các bảo tàng giống trên thế giới và khả năng sinh ra acid amin mong muốn với sản lượng cao, không có khả năng gây bệnh.

Môi trường nuôi cấy:

• Nguồn hiđrocacbon: có thể sử dụng các loại đường đơn hoặc đôi như glucose, saccarose; một số loại tinh bột như ngô, lúa mì, gạo sắn- nếu vi sinh vật có men amylase để thủy phân thành các monosaccarit. Nguồn hydrocarbon vừa cung cấp năng lượng để vi sinh vật tồn tại, nhân lên, vừa cấu tạo lên mạch hydrocarbon của acid amin.
• Nguồn Nitơ: hay sử dụng các nguồn vô cơ như muối amoni, nitrat. Có thể sử dụng các nguồn vô cơ như bột đậu, bột ngô, cao nấm men, pepton, cao thịt. Nguồn này ngoài cung cấp năng lượng, chúng còn cung cấp nhóm amin cho acidamin. Muối amoni còn được sử dụng làm hệ đệm cho môi trường, duy trì pH lý tưởng cho quá trình lên men.
• Nguồn phospho: cũng sử dụng loại hữu cơ như bột đậu, ngô hoặc vô cơ như muối kali hydro phosphat. Phospho là thành phần không thể thiếu trong tế bào sống, cấu tạo lên các protein trong vi sinh vật.
• Nguyên tố vi lượng: như muối của magie, mangan, kẽm, đồng. Các nguyên tố này có khả năng xúc tác các phản ứng chuyển hóa và là thành phần của coenzyme.
• Các vitamin và khoáng chất.
• Dầu phá bọt: với vi sinh vật hiếu khí, cần cấp khí trong quá trình nuôi cấy, kết hợp với khuấy trộn sẽ tạo ra bọt. Bọt này làm ngăn cản tiếp xúc của vi sinh vật với oxy, khi lượng quá nhiều trào ra đường ống dẫn- đây là điều kiện thuận lợi để nhiễm khuẩn.
• Khử trùng môi trường nuôi cấy: nhằm loại các vi sinh vật tạp trong môi trường dinh dưỡng và đường ống; hồ hóa tinh bột. Có thể sử dụng các phương pháp như nhiệt ẩm (121 độ C trong 30 phút) ở áp suất 0.6- 1 atm.

Trong quá trình lên men

Nhân giống: trước giai đoạn lên men. Để tăng số lượng vi sinh vật ở giai đoạn khỏe mạnh nhất; giúp vi sinh vật quen với môi trường dịch thể. Thiết bị nhân giống cuối cùng cần giống như thiết bị lên men. Tỷ lệ giống cấy từ 5-10% bình nuôi cấy (với vi sinh kị khí) và 20% với vi sinh vật hiếu khí.

Lên men: cấy giống của vi sinh vật trong ống giống vào môi trường nuôi cấy. Giai đoạn này là quá trình tăng sinh khối và tạo ra các sản phẩm đích. Lên men diễn ra đồng thời các quá trình khuấy trộn, cấp khí (tùy hiếu khí hoặc kỵ khí), quá trình phá bọt, điều chỉnh pH, điều chỉnh nhiệt độ và bổ sung các thành phần dinh dưỡng và tiền chất.

Sau lên men

Tuy vào vị trí của sản phẩm ở trong tế bào hay ngoài tế bào mà tiến hành lấy dịch nuôi cấy hoặc sinh khối. Acid amin thường là sản phẩm nội bào nên thường ly tâm hoặc lọc để thu sinh khối. Phá hủy tế bào lấy dịch, sử dụng dung môi hoặc nhựa trao đổi ion, nhựa hấp phụ để thu sản phẩm. Tiến hành tinh chế bằng các phương pháp tẩy màu, kết tinh, nhựa hấp phụ …

Ví dụ về sản xuất acid glutamic

Đặc điểm glutamic:

• Công thức: C5H9NO4
• Phân tử: 143,14 dvc
• Nhiệt độ nóng chảy: 247- 249 độ C
• Tinh thể trắng hoặc không màu
• Vị chua
• Độ tan: tan tốt trong nước sôi và ít tan trong nước lạnh, không tan trong các dung môi hữu cơ như ethanol, acetone hay ether

Công dụng:

• Trong dược phẩm: dịch truyền, thuốc kích thích thần kinh hoặc thuốc tan đờm
• Thực phẩm: hay gặp nhất là mì chính và bột ngọt. Ngoài ra chúng còn sử dụng trong mỹ phẩm và công nghiệp hóa chất.

Phương pháp sản xuất từ vi sinh vật: đây là phương pháp phổ biến nhất để sản xuất acid glutamic

Trước lên men:

Chuẩn bị chủng giống: các giống thuần chủng như corynebacterium, bacillus, micrococcus và hay sử dụng là corynebacterium glutamicum.

Môi trường nuôi cấy:

• Nguồn hidrocacbon: sử dụng các đường đơn glucose, saccarose, rỉ đường hoặc các mạch hydrocarbon ngắn hơn như tinh bột đã thủy phân của khoai hoặc sắn.
• Nito: sử dụng ure 1,5-2%, muối amoni của sulfat hoặc clorid. Ngoài cung cấp nhóm amin chúng còn tạo hệ đệm giúp ổn định pH của môi trường nuôi cấy.
• Biotin: 2-5 mcg/l. Có tác dụng tăng tạo sinh khối của vi sinh vật. Nếu nồng độ quá cao sẽ tăng tạo sản phẩm phụ như alanin, acid lactic, acid aspartic
• Các nguyên tố vi lượng như KH2PO4; MnSO4; MgSO4, CaCO3.
• Dầu phá bọt.
• Kháng sinh: đây là thành phần đặc biệt không thể thiếu. Thường sử dụng các kháng sinh tác dụng lên thành tế bào như penicillin G, polymyxin. Do tuy được tổng hợp bên trong tế bào, nhưng corynebacterium glutamicum tổng hợp quá thừa và chuyển chúng qua màng tế bào đến môi trường nuôi cấy. Các kháng sinh này làm mỏng thành, các acid glutamic đi qua màng nhiều hơn, giảm chênh lệch nồng độ giữa các vị trí.

Lên men (điều kiện lên men):

• Cấp khí với tốc độ 0.8 đến 1 vvm. Do vi khuẩn hiếu khí mạnh. Bên cạnh đó, chúng cũng ức chế sự phát triển của các vi sinh vật kị khí.
• Thời gian tiến hành từ 40 đến 48h- đây là giai đoạn cuối pha cân bằng, nồng độ tối đa, không để lâu hơn do khi chuyển sang pha suy tàn, lượng tế bào chết nhiều sẽ tạo nhiều tạp trong dịch chiết. Khó khăn cho quá trình tinh chế.
• Vi khuẩn corynebacterium glutamicum rất dễ nhiễm phage trong quá trình lên men. Khi bị nhiễm phage, các tế bào không thể phát triển và bị phá vỡ, không thể lên men tạo acid glutamic. Do đó cần kiểm tra độ vô trùng của thiết bị và môi trường lên men trước khi tiến hành nuôi cấy.

Quá trình sau lên men:

Acid glutamic tuy là sản phẩm nội bào, nhưng nó được vi khuẩn sản xuất quá thừa và được vận chuyển ra ngoài tế bào. Do đó, thu acid glutamic ở phần dịch lên men. Tiến hành các phương pháp ly tâm hoặc lọc (khung bản, tiếp tuyến) để thu dịch lên men. Sau đó, tách chiết, tinh chế để thu acid glutamic tinh khiết. Có 2 phương pháp tinh chế phổ biến hay được sử dụng trong công nghiệp là phương pháp trao đổi ion và phương pháp đẳng điện.

Phương pháp đẳng điện: dựa trên tính chất điểm đẳng điện của acid amin. Tại điểm đẳng điện, acid amin sẽ không tích điện và chúng dễ dàng kết tập với nhau để tạo tủa. Bằng cách điều chỉnh pH đến 3.2- điểm đẳng điện của acid glutamic để thu tủa của acid amin này, trong khi các tạp khác không kết tinh.

Phương pháp trao đổi ion: dựa trên khả năng tích điện của acid glutamic (khác pH điểm đẳng điện). Hấp phụ dịch lên men qua cột anionit. Acid glutamic sẽ được giữ lại trong khí các thành phần khác (tạp) sẽ bị loại bỏ.

Tài liệu tham khảo

Slide học phần “công nghệ vi sinh”- Ths-Lê Ngọc Khánh- trường Đại học Dược Hà Nội

Amino acids, MedlinePlus, truy cập ngày 7/3/2023.

Xem thêm: Ứng dụng vi sinh vật trong sản xuất các sản phẩm protein đơn bào