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

Bài viết sau đây, nhà thuốc Ngọc Anh xin trình bày về ứng dụng vi sinh vật trong sản xuất các sản phẩm protein đơn bào.

Định nghĩa protein đơn bào

Protein đơn bào là các tế bào đã được làm khô của vi sinh vật. Các vi sinh vật này rất giàu protein, các vitamin nhóm B và chất khoáng. Chúng được ứng dụng làm thức ăn cho người hoặc động vật.

Việc sản xuất các protein đơn bào tạo ra các lợi ích lớn cho con người như:

• Cung cấp nguồn thực phẩm cho nhân loại- cung cấp protein cho cơ thể, có thể thay thế một số nguồn thực phẩm giàu đạm khác.
• Do quá trình nuôi cấy sử dụng các phế phẩm từ các ngành khác, do đó hạn chế và giảm thiểu ô nhiễm môi trường, tiết kiệm chi phí.

Ưu nhược điểm của sản xuất các protein đơn bào

Ưu điểm

• Hàm lượng protein cao hơn nhiều lần động vật (chiếm từ 40 đến 80%), ngoài ra chúng còn giàu vitamin và một số acid amin tự do.
• Protein trong protein đơn bào (SCP)có tương đối đầy đủ các acid amin như các loại protein của động vật và thực vật. Ví dụ, protein trong vi khuẩn gần giống với protein có trong cá; protein trong nấm men tương tự với protein trong đậu tương.
• Tốc độ sản xuất protein rất cao, gấp nhiều lần các sinh vật khác. Cao gấp từ 40 đến 50 lần so với thực vật và đặc biệt cao gấp hàng trăm lần với đại gia súc như trâu bò lợn…
• Dễ dàng điều chỉnh tỉ lệ và thành phần dinh dưỡng phù hợp với từng chủng vi sinh vật.
• Nuôi cấy tốn ít diện tích, nhưng lại thu sản lượng cao (trừ tảo- do cần tiếp xúc với ánh sáng).
• Có thể nuôi cấy trong điều kiện nhân tạo, nên hạn chế ảnh hưởng của khí hậu và môi trường nuôi cấy.
• Sử dụng các nguyên liệu vô cơ không phải protein để làm môi trường nuôi cấy. Do đó, tận dụng được các phế liệu từ các ngành công nghiệp khác như rỉ đường, mùn cưa, bã mía, vỏ trấu…

Nhược điểm

• Hàm lượng acid nucleic cao (xấp xỉ 10%) với tỉ lệ này có thể gây ngộ độc cho cơ thể người sử dụng hoặc gây ra một số bệnh lý chuyển hóa như gút. Cho nên, nhiều protein đơn bào được sử dụng làm thức ăn chăn nuôi.
• Hàm lượng 1 số acid amin chứa lưu huỳnh thấp như L-cystine, L-cysteine: đây đều là các acid amin thiết yếu mà cơ thể không thể tự tổng hợp.
• Hương vị không hấp dẫn, khó ăn.

Tiêu chuẩn giống sản xuất protein đơn bào

• Nguồn gốc rõ ràng và cần được phân loại đến mức chủng. Các chủng này đã được lưu giữ tại các ngân hàng chủng giống.
• Không gây bệnh và không có chứa các chất độc với cơ thể hoặc động vật. Do sản phẩm này được trực tiếp sử dụng làm thức ăn cho người.
• Có giá trị dinh dưỡng cao, có hàm lượng protein chiếm từ 40 đến 70% khối lượng.
• Dễ nuôi cấy tốc độ sinh trưởng cao, nhu cầu dinh dưỡng thấp, dễ tách và làm khô, tận dụng được các phế phẩm để giảm giá thành sản xuất.
• Hàm lượng acid nucleic thấp: yêu cầu dưới 2% để hạn chế ảnh hưởng đến người sử dụng.

Quy trình sản xuất protein đơn bào

Cũng gồm 3 giai đoạn chính là trước nuôi cấy, sau nuôi cấy và xử lý dịch lên men sau nuôi cấy.

• Trước lên men: cần chuẩn bị giống, môi trường nuôi cây. Giống cần đạt các tiêu chuẩn của protein đơn bào, và được phân lập đến cấp chủng. Môi trường dinh dưỡng cần có đủ các thành phần hydrocacbon, nguồn Nitơ hữu cơ hoặc vô cơ, các nguyên tố vi lượng…
• Quá trình lên men: cần có chế độ cấp khí hoặc khuấy trộn thích hợp; nhiệt độ môi trường cần được duy trì để tạo điều kiện tốt nhất cho sự phát triển của vi sinh vật.
• Sau lên men: vi sản phẩm là tế bào nguyên khối. Nên tiến hành ly tâm lọc hoặc vắt để lấy tế bào. Sau đó có thể tinh chế để loại bớt một số tạp như acid nucleic.

Tiêu chuẩn sản phẩm: sản phẩm protein đơn bào thu được cần có hàm lượng protein cao và tỉ lệ acid nucleic thấp (dưới 1% nếu sử dụng cho người).

Sản xuất sinh khối vi tảo Spirulina

Vi sinh vật sử dụng trong nuôi cấy: là các chủng vi tảo (spirulina, scenedesmus) hoặc các vi khuẩn lục lam (chlorella). Các vi sinh vật này được sử dụng do chúng là tế bào nhân sơ khai chưa có nhân hoàn chỉnh, nhân chưa có màng và không có các ty thể hay lục lạp.

Yêu cầu giống: cần có tốc độ sinh trưởng nhanh; khả năng quang hợp cho năng suất cao; chịu được các thay đổi của các điều kiện ngoại cảnh như nhiệt độ, ánh sáng, nồng độ muối…; có hàm lượng protein cao.

Nhược điểm của sản xuất protein đơn bào từ vi tảo:

• Tốc độ sinh trưởng của các vi sinh vật này không cao, thời gian một chu kỳ dài.
• Mật độ tế bào thấp.
• Khó giữ được độ vô trùng, do diện tích tiếp xúc (mặt thoáng) của môi trường nuôi cấy với bên ngoài lớn.
• Do các vi sinh vật này có khả năng quang hợp nên cần cung cấp CO2 trong quá trình nuôi cấy.
• Cần có quá trình khuấy trộn.
• Tỷ lệ các acid amin chứa lưu huỳnh thấp. Do đó các sản phẩm này cần bổ sung methionin, cystein và cystine.
• Yêu cầu ánh sáng và diện tích rộng để giúp cho vi sinh vật quang hợp
• Thành tế bào dày, có thành tế bào từ các sợi cellulose do đó khó tiêu hóa cho người.

Điều kiện nuôi cấy:

Môi trường nuôi cấy:

• Nguồn hiđrocacbon: không cần.
• Nguồn Nitơ: sử dụng các muối nitơ vô cơ như Nitrat, amoni từ trong nước thải bioga như amoni sunphat, amino hydro phosphate. Không thể sử dụng nitơ ở dạng tự do do chúng không có khả năng cố định.
• Vi lượng: môi trường cần giàu các khoáng chất. Do đó rất thích hợp với các chất thải từ các ngành công nghiệp khác.
• NaCl: nồng độ sử dụng xấp xỉ 2.5%.
• Vitamin.

Điều kiện trong quá trình nuôi cấy:

• Hô hấp: không cần cung cấp O2, cấp khi CO2 để tiến hành quang hợp. Cần cấp khí lơ lửng với độ sâu từ 10 đến 50 cm.
• Nhiệt độ nuôi cấy: ưa mát, duy trì ở 24 độ C
• Ph: hơi kiềm từ 8.5 đến 9.5 độ C.
• Ánh sáng: quang dưỡng bắt buộc để tiến hành quang hợp. Trong phòng thí nghiệm yêu cầu ánh sáng khoảng 10000 lux, còn trong các bể nuôi cấy ở quy mô công nghiệp yêu cầu từ 50000 đến 100000 lux.

Thời gian thu sản phẩm từ 8 đến 15 ngày- cuối pha sinh trưởng của vi tảo.

Tài liệu tham khảo

Slide học phần “công nghệ vi sinh vật”- PGS.TS Đàm Thanh Xuân- Trường đại học Dược Hà Nội.

Xem thêm: Đại cương về công nghệ sinh học và phân loại sản phẩm của vi sinh vật