Bài tiểu luận Công nghệ sản xuất protein (axit amin) từ vi sinh vật

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM
KHOA CNSH-KTMT
----------

BÀI TIỂU LUẬN
MÔN HỌC: CÔNG NGHỆ SINH HỌC THỰC
PHẨM
ĐỀ TÀI: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT PROTEIN
(AXIT AMIN) TỪ VI SINH VẬT

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: Th.s TRẦN QUỐC HUY

Nhóm: 9

Tp.HCM 2015


BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM
KHOA CNSH-KTMT
----------

BÀI TIỂU LUẬN
MÔN HỌC: CÔNG NGHỆ SINH HỌC THỰC
PHẨM
ĐỀ TÀI: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT PROTEIN
(AXIT AMIN) TỪ VI SINH VẬT
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: Th.s TRẦN QUỐC HUY
Thành viên nhóm:
Nguyễn Thừa Ngọc Châu

Tp.HCM 2015

2008120150


Tiểu luận môn Công Nghệ Sinh Học Thực Phẩm

Sản xuất Protein đơn bào

Mục lục
PHẦN 1.

TỔNG QUAN ________________________________________________________ 4

1.1.

Vai trò của protein đối với con người: ____________________________________________ 4

1.2.

Các khái niệm chung . __________________________________________________________ 4

1.2.1.
1.2.2.
1.2.3.
1.2.4.

1.3.

Các nhóm vi sinh vật được sử dụng để sản xuất protein đơn bào ______________________ 8

1.3.1.
1.3.2.

1.4.

Protein đơn bào___________________________________________________________________ 4
Công nghệ sản xuất protein đơn bào __________________________________________________ 4
Đặc điểm của sản xuất Protein đơn bào: _______________________________________________ 5
Lịch sử nghiên cứu và sản xuất protein đơn bào _________________________________________ 6
Yêu cầu đối với các chủng vi sinh vật sử dụng trong sản xuất. ______________________________ 8
Các nhóm vi sinh vật sử dụng trong sản xuất protein đơn bào. _____________________________ 8

Các nguồn nguyên liệu dùng để sản xuất protein đơn bào ___________________________10

1.4.1.
1.4.2.
1.4.3.
1.4.4.

Các sản phẩm thải trong nông nghiệp ________________________________________________ 10
Các sản phẩm phụ của các quá trình lên men công nghiệp. _______________________________ 11
Các sản phẩm, dịch chiết và dịch thủy phân từ nguyên liệu thực vật. _______________________ 11
Các nguồn nhiên liệu có giá trị thương mại cao như khí đốt, methan, methanol và các n-alkan. __ 12

1.5.

Quy trình sản xuất protein đơn bào _____________________________________________12

1.6.

Chế biến protein đơn bào thành thực phẩm ______________________________________13

1.6.1.
1.6.2.

1.7.

Ưu nhược điểm của protein đơn bào. ___________________________________________14

1.7.1.
1.7.2.

PHẦN 2.
2.1.

Phá hủy thành tế bào: _____________________________________________________________ 13
Loại bỏ axit nucleic _______________________________________________________________ 14
Ưu điểm: _______________________________________________________________________ 14
Nhược điểm: ____________________________________________________________________ 15

MỘT SỐ QUY TRÌNH SẢN XUẤT PROTEIN ĐƠN BÀO ________________________ 15
Sản xuất sinh khối nấm men từ nguồn nguyên liệu thông thường _____________________15

2.1.1.
2.1.2.
2.1.3.
2.1.4.

Nguyên liệu và xử lý nguyên liệu ____________________________________________________ 15
Rỉ đường _______________________________________________________________________ 15
Các nguyên liệu khác: _____________________________________________________________ 17
Chủng nấm men: _________________________________________________________________ 18

2.2.

Sản xuất sinh khối nấm men từ rỉ đường _________________________________________18

2.3.

Sản xuất sinh khối vi sinh vật từ nguyên lịêu chứa tinh bột hoặc xenluloza: _____________20

2.4.

Sản xuất protein vi sinh vật từ dầu mỏ và khí đốt __________________________________20

2.4.1.
Đặc điểm lịch sử:_________________________________________________________________ 20
2.4.2.
Nguyên liệu _____________________________________________________________________ 20
2.4.2.1. Dầu mỏ ______________________________________________________________________ 20
2.4.2.2. Khí thiên nhiên ________________________________________________________________ 21
2.4.3.
Các chủng vi sinh vật _____________________________________________________________ 22
2.4.3.1. Vi sinh vật phân giải cacbua hidro: ________________________________________________ 22
2.4.3.2. Vi sinh vật phân giải khí thiên nhiên: ______________________________________________ 22
2.4.4.
Cơ chế chuyển hoá _______________________________________________________________ 22

2.5.

Công nghệ sản xuất protein trên nguyên liệu polysacarit chưa thuỷ phân _______________23

2.5.1.

Sơ đồ công nghệ sản xuất nấm men từ các nguyên liệu thực vật thuỷ phân bằng H2SO4. _______ 23


Tiểu luận môn Công Nghệ Sinh Học Thực Phẩm
2.5.2.
2.5.3.
2.5.4.
2.5.5.
2.5.6.
2.5.7.

Sản xuất Protein đơn bào

Xử lý nguyên liệu và chuẩn bị môi trường _____________________________________________ 24
Nuôi cấy nhân giống ______________________________________________________________ 25
Các điều kiện kỹ thuật: ____________________________________________________________ 25
Thu hồi sinh khối: ________________________________________________________________ 25
Công nghệ sản xuất protein từ sắn không qua quá trình thuỷ phân ban đầu. _________________ 27
Sản xuất protein từ chuối: _________________________________________________________ 28

2.6.

Công nghệ sản xuất protein trên dịch thuỷ phân gổ. ________________________________28

2.7.

Công nghệ sản xuất protein trên dịch thuỷ phân các nguyên liệu thực vật _______________28

2.7.1.
Sản xuất protein trên nguyên liệu chiết ngô và nước chiết lúa mì. __________________________ 28
2.7.1.1. Nguyên liệu: là nước chiết ngô và nước chiết lúa mì __________________________________ 28
2.7.1.2. Chủng nấm men: _______________________________________________________________ 29
2.7.1.3. Nuôi cấy nấm men: _____________________________________________________________ 29
2.7.2.
Sản xuất sinh khối nấm men trên nguyên liệu nước chiết từ bã khoai tây ____________________ 30
2.7.2.1. Nguyên liệu: __________________________________________________________________ 30
2.7.2.2. Hiệu suất tổng thu hồi. __________________________________________________________ 30
2.7.2.3. Qui trình công nghệ: ____________________________________________________________ 30

2.8.

Công nghệ sản xuất protein từ nguồn phê liệu xenluloza: ____________________________33

2.8.1.
2.8.2.

PHẦN 3.

Phân lập vi khuẩn: ________________________________________________________________ 33
Qui trình công nghệ sản xuất protein vi khuẩn từ bả thải xenluloza_________________________ 33

SẢN XUẤT AXIT AMIN ________________________________________________ 35

3.1.

LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN ___________________________________________35

3.2.

CÁC AXIT AMIN SẢN XUẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP CÔNG NGHIỆP ______________________35

3.3.

VI SINH VẬT TỔNG HỢP AXIT AMIN _____________________________________________36

3.4.

CƠ CHẾ CHUNG SINH TỔNG HỢP CÁC AXIT AMIN __________________________________37

3.5.

CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CÁC AXIT AMIN __________________________________________38

3.5.1.
Sản xuất axit glutamic và bột ngọt. __________________________________________________ 38
3.5.1.1. Giống vi sinh vật _______________________________________________________________ 38
3.5.1.2. Cơ chế tạo thành axit glutamic. ___________________________________________________ 39
3.5.1.3. Các vấn đề kỹ thuật_____________________________________________________________ 40
3.5.2.
SẢN XUẤT L-LIZIN ________________________________________________________________ 41
3.5.2.1. Vi sinh vật dùng trong sản xuất ___________________________________________________ 41
3.5.2.2. Cơ chế tổng hợp lizin ___________________________________________________________ 41
3.5.2.3. Các yếu tố kỹ thuật. ____________________________________________________________ 42

PHẦN 4.
4.1.

KẾT LUẬN __________________________________________________________ 43
TÀI LIỆU THAM KHẢO: ________________________________________________________43

Danh mục hình, bảng.
Bảng 1.1 Trung bình các thành phần trong tế bào ở các nhóm vi sinh vật chính (% khối lượng khô) theo
Miller and Litsky (1976) ................................................................................................................................ 8
Bảng 1.2 Một số loài vi sinh vật sử dụng trong sản xuất protein đơn bào và nguồn carbon của chúng theo
Bhalla và cộng sự (2007)................................................................................................................................ 9
Bảng 1.3 Một số loài vi sinh vật sử dụng trong sản xuất protein đơn bào và nguồn carbon của chúng theo
Bhalla và cộng sự (2007)..............................................................................................................................10
Bảng 1.4 Một số loài vi sinh vật sử dụng trong sản xuất protein đơn bào và nguồn carbon của chúng theo


Tiểu luận môn Công Nghệ Sinh Học Thực Phẩm

Sản xuất Protein đơn bào

Bhalla và cộng sự (2007)..............................................................................................................................10
Bảng 1.5 Một số phương pháp thường sử dụng để phá hủy thành tế bào vi sinh vật ..................................14
Bảng 2.1 Thành phần của rỉ đường củ cải và rỉ đường mía chứa 75% chất khô.........................................16
Hình 2.2 Quá trình chuẩn bị môi trường và nuôi cấy ở điều kiện vô trùng .................................................26
Hình 2.3 Sơ đồ nuôi và thu sinh khối nấm men ...........................................................................................27
Bảng 2.4 Thành phần nước chiết từ lúa mì và ngô ......................................................................................29
Hình 2.5 Sơ đồ kỹ thuật sản xuất nấm men chăn nuôi .................................................................................31
Bảng 2.6 Quy trình nuôi cấy nấm men vô trùng ..........................................................................................32
Hình 2.7 Sơ đồ quá trình sản xuất protein đơn bào từ bã thải xenluloza ( theo V.W.Han và cộng sự 1971)
......................................................................................................................................................................34

Bảng 3.1 Sản lượng, phương pháp sản xuất và khả năng ứng dụng các axit amin. .....................................36
Hình 3.2 Cơ chế sinh tổng hợp các axit amin từ đường glucoza .................................................................38
Hình 3.3 Sự sản xuất thừa và sự tiết axit glutamic ở Corynebacterium glutamicum ...................................39


Tiểu luận môn Công Nghệ Sinh Học Thực Phẩm

Sản xuất Protein đơn bào

PHẦN 1. TỔNG QUAN
1.1. Vai trò của protein đối với con người:
Cơ thể người và động vật thường xuyên đòi hỏi cung cấp các chất dinh dưỡng có
trong thức ăn để có thể tiến hành trao đổi chất, trước hết nhằm duy trì sự sống, tăng cường
sinh trưởng và phát triển.
Thức ăn, ngoài nước còn gồm những nhóm chất: protein, chất béo, gluxit, vitamin,
muối khoáng, các chất gia vị, trong đó phần lớn là protein.
Protein là nguồn nitơ duy nhất cho người và động vật. Trong quá trình tiêu hoá của
người và động vật, protein phân giải thành khoảng 20 axit amin thành phần, trong đó có 8
axit amin không thay thế (hoặc 9 đối với trẻ em, 10 đối với lợn và 11 đối với gia cầm) cần
phải có sẵn trong thức ăn. Nếu không nhận được các axit amin này cơ thể sẽ bị bệnh hoặc
chết.
Thiếu protein sẽ dẫn đến nhiều bệnh tật hết sức hiểm nghèo:
- Bệnh thiếu protein lần đầu tiên được phát hiện ở Châu Phi, có tên gọi quốc tế là
Kwashiokor, hiện này là bệnh phổ biến ở nhiều vùng trên thế giới. Trẻ em mắc bệnh này
chậm lớn, còi cọc, kém phát triển về trí tuệ. Bệnh này có thể điều trị bằng cách thêm vào
khẩu phần bệnh nhân một lượng thích đáng các loại protein có phẩm chất tốt như cazein.
Tuy nhiên nhiều tài liệu cho thấy sự kém phát triển về trí tuệ vì bệnh này không phục hồi
được và ảnh hưởng đến toàn bộ cuộc đời của bệnh nhân.
- Về mặt sinh lý, thiếu protein dẫn đến giảm thể trọng. Hàng ngày cơ thể người
trưởng thành có tới 100 tỉ tế bào chết và cần thay thế. Thiếu protein thì trước hết protein

của gan, máu và chất nhày niêm mạc, ruột được huy động để bù đắp. Và như vậy sẽ dẫn
đến suy gan, số lượng kháng thể trong máu giảm đi, sức đề kháng của cơ thể đối với bệnh
bị yếu.
Về nhu cầu protein của người, nhiều nhà nghiên cứu cho biết dao động trong khoảng
80 – 120g/ngày.
1.2. Các khái niệm chung .
1.2.1. Protein đơn bào
Protein đơn bào (Single-cell protein – SCP) là thuật ngữ thường dùng để chỉ phần
protein thu được trong sinh khối khô của các tế bào hoặc tổng lượng protein tách chiết
được từ môi trường nuôi cấy vi sinh vật, được sử dụng làm nguồn thức ăn cho con người
hay nguồn thức ăn chăn nuôi.
Thuật ngữ “protein đơn bào” được GS. C.L.Wilson đưa ra vào năm 1966, được dùng
thích hợp hơn đối với hầu hết các vi sinh vật đơn bào hoặc cá thể dạng sợi.
Các protein đơn bào có thành phần protein cao (60-80% khối lượng khô của tế bào),
chất béo, carbohydrate, axit nucleic, vitamin và chất khoáng. Chúng cũng chứa nhiều các
axit amin thiết yếu như Lysin và Methionine.
1.2.2. Công nghệ sản xuất protein đơn bào
Công nghệ sản xuất protein đơn bào là công nghệ nuôi cấy và thu sinh khối các vi
Page 4


Tiểu luận môn Công Nghệ Sinh Học Thực Phẩm

Sản xuất Protein đơn bào

sinh vật. Nó ra đời được coi là một phương pháp hứa hẹn có thể giải quyết được vấn đề
thiếu protein trên toàn thế giới. Công nghệ sản xuất protein đơn bào bao gồm cả các quá
trình chuyển vị sinh học, biến đổi các sản phẩm phụ ít giá trị và chi phí thấp, thường là
các chất thải, trở thành sản phẩm với giá trị dinh dưỡng và giá trị thị trường cao hơn.
Sản xuất protein đơn bào đòi hỏi phải vận dụng các kiến thức về lên men, công nghệ

sản xuất sinh khối, nuôi cấy vi sinh vật.
Đầu thế kỉ 20, sự áp dụng rộng rãi các chương trình phát triển nông nghiệp đã làm
cho các nguồn thức ăn thực vật, như đậu nành, ngô, lúa mì và gạo luôn ở trong tình trạng
sẵn có. Ngoài ra, sự phát triển về chính trị và kinh tế đã thay đổi trật tự thế giới từ một hệ
thống các khối nước trở nên toàn cầu hóa, tạo điều kiện thuận lợi cho việc mở cửa giao
dịch các sản phẩm nông nghiệp. Các sản phẩm nông nghiệp này vượt trội so với protein
đơn bào trên cơ sở giá cả sản xuất thấp hơn. Tuy nhiên, sự kết hợp giữa việc sản xuất
phức tạp với các công nghệ chế biến thực phẩm đã mang lại một thế hệ sản phẩm protein
đơn bào mới, có thể sử dụng để thay thế các loại thịt hay dùng làm chất tăng cường hương
vị. Các ứng dụng trong tương lai của việc biểu hiện protein dị hợp thể có thể phát triển
hơn nữa tiềm năng của dạng thực phẩm này, tạo ra các sản phẩm phù hợp với yêu cầu của
chế độ ăn uống hay tạo thành các dòng sản phẩm có giá trị cao.
Sản xuất protein đơn bào ở quy mô công nghệp có một số đặc điểm như sau:
- Sử dụng đa dạng các phương pháp, loại nguyên liệu thô và loại vi sinh vật khác
nhau.
- Có hiệu quả biến đổi cơ chất ban đầu cao
- Năng suất cao nhờ vào tốc độ tăng trưởng nhanh của các vi sinh vật.
- Không phụ thuộc vào các yếu tố mùa hay thời tiết.
1.2.3. Đặc điểm của sản xuất Protein đơn bào:
Chi phí lao động ít hơn nhiều so với sản xuất nông nghiệp.
Có thể sản xuất ở bất kỳ địa điểm nào trên trái đất, không chịu ảnh hưởng của khí hậu
thời tiết,các quá trình công nghiệp , dễ cơ khí hoá và tự động hoá.
Năng suất cao: vi sinh vật có tốc độ sinh sản mạnh, khả năng tăng trưởng nhanh. Chỉ
trong một thời gian ngắn có thể thu nhận được một khối lượng sinh khối rất lớn; thời gian
này được tính bằng giờ, còn ở động vật và thực vật, tính bằng tháng hoặc hàng chục năm.
Sử dụng các nguồn nguyên liệu rẻ tiền và hiệu suất chuyển hoá cao. Các nguyên liệu
thường là phế phẩm, phụ phẩm của các ngành khác như rỉ đường, dịch kiềm sufit, parafin
dầu mỏ v..v.. , thậm chí cả nước thải của một quá trình sản xuất nào đó. Hiệu suất chuyển
hoá cao: hidrat cacbon được chuyển hoá tới 50%, cacbuahidro tới 100% thành chất khô
của tế bào.

Hàm lượng protein trong tế bào rất cao: ở vi khuẩn là 60 -70%, ở nấm men là 40-50%
chất khô v..v… Hàm lượng này còn phụ thuộc vào loài và chịu nhiều ảnh hưởng của điều
kiện nuôi cấy. Cần chú ý rằng hàm lượng protein ở đây chỉ bao hàm protein chứ không
gồm cả thành phần nitơ phi protein khi xác định theo phương pháp nitơ tổng số của
Kjeldal, như axit nucleic, các peptit của thành phần tế bào.
Page 5


Tiểu luận môn Công Nghệ Sinh Học Thực Phẩm

Sản xuất Protein đơn bào

Chất lượng protein cao: Nhiều axit amin có trong vi sinh vật với hàm lượng cao,
giống như trong sản phẩm của thịt, sữa và hơn hẳn protein của thực vật. Protein vi sinh
vật đặc biệt giàu lizin, là một lợi thế lớn khi bổ sung thức ăn và chăn nuôi, vì trong thức
ăn thường thiếu axit amin này. Trái lại, hàm lượng các axit amin chứa lưu huỳnh lại thấp.
Khả năng tiêu hoá của protein: có phần hạn chế bởi thành phần phi protein như axit
nucleic, peptit của thành tế bào, hơn nữa, chính thành và vỏ tế bào vi sinh vật khó cho các
enzim tiêu hoá đi qua.
An toàn về mặt độc tố: Trong sản xuất protien đơn bào không dùng vi sinh vật gây
bệnh cũng như loài chứa thành phần độc hoặc nghi ngờ. Vì vậy đến nay hầu như SCP chỉ
dùng trong dinh dưỡng động vật.
Những vấn đề kỹ thuật: Sinh khối vi sinh vật phải để tách và xử lý. Vấn đề này phụ
thuộc chủ yếu vào kích thước tế bào. Sinh khối nấm men dễ tách bằng li tâm hơn vi
khuẩn. Ngoài ra, vi sinh vật nào có khả năng sinh trưởng ở mật độ cao sẽ cho năng suất
cao, sinh trưởng tốt ở nhiệt độ cao (có tính chất ưa nhiệt và chịu nhiệt) sẽ giảm chi phí về
làm nguội trong sản xuất, ít mẫn cảm với tạp nhiễm v..v.. sử dụng các nguồn cacbon rẻ
tiền, chuyển hoá càng nhiều càng tốt .. thì sẽ được dùng trong sản xuất. Vì vậy nấm men
được sử dụng chủ yếu trong sản xuất protein đơn bào.
Như vậy ưu điểm của sản xuất protein đơn bào là có thể phân lập và lựa chọn các

chủng vi sinh vật có ích và thích hợp cho các qui trình công nghệ, cho từng nguyên liệu 1
cách tương đối nhanh và dễ dàng.
1.2.4. Lịch sử nghiên cứu và sản xuất protein đơn bào
Người tiên phong nghiên cứu và xây dựng công nghệ này là nhà khoa học người
Đức Max Delbruck và các cộng sự của ông cách đây gần 1 thế kỉ. Họ là người đầu
tiên chú ý đến giá trị của các nấm men rượu dư thừa trong việc tạo nguồn thức ăn
cho vật nuôi.
Trong chiến tranh Thế giới thứ nhất, người Đức đã thay thế phần nửa nguồn
protein quan trọng bằng nấm men. Vì các nấm men rượu từ công nghiệp sản xuất bia
không đủ số lượng để đáp ứng nhu cầu protein thức ăn, một tỉ lệ rất lớn sinh khối
nấm men được sản xuất trong điều kiện hiếu khí trong môi trường bán tổng hợp chứa
nguồn nitơ là các muối ammonium. Phương pháp này hiệu quả hơn so với lên men,
nhưng vẫn có hiện tượng lên men một số chất trong nguồn cacbon, đồng thời năng
suất sinh khối thu được là không tối ưu.
Vào năm 1919, Sak (Đan Mạch) và Hayduck (Đức) đã phát minh ra một quy
trình mới, đưa dung dịch đường vào dịch huyền phù chứa nấm men thay vì đưa thêm
nấm men vào một dung dịch đường đã pha loãng. Công nghệ này đến ngày nay vẫn
được sử dụng.
Sau khi Chiến tranh Thế giới thứ nhất kết thúc, sự quan tâm của người Đức đến
nấm men đã giảm xuống, nhưng đến 1936, người ta tiếp tục sử dụng nấm men rượu
Page 6


Tiểu luận môn Công Nghệ Sinh Học Thực Phẩm

Sản xuất Protein đơn bào

và một số loài nấm men khác, đặc biệt là các loài được nuôi cấy với số lượng lớn để
làm thức ăn bổ sung cho con người và động vật. Kể từ đó, ưu điểm của việc nuôi cấy
nấm men trong môi trường giàu dinh dưỡng và điều kiện hiếu khí đã được nhận ra

một cách đầy đủ và nhanh chóng trở thành một phương tiện để sản xuất thức ăn trên
quy mô công nghiệp.
Vào thời điểm bắt đầu Chiến tranh thế giới thứ II, nấm men được sử dụng trước
hết làm thức ăn trong quân đội, sau đó áp dụng cho tất cả các công dân. Người ta đã
hi vọng có thể sản xuất được hơn 100,000 tấn mỗi năm, tuy nhiên trên thực tế, sản
lượng chưa bao giờ vượt quá 15,000 tấn, do việc sản xuất liên tục bị gián đoạn bởi
chiến tranh.
Việc sử dụng nấm men làm thức ăn trong giai đoạn này bắt đầu từ Đức, sau đó
được áp dụng rộng rãi ở nhiều nơi trên thế giới. Phòng thí nghiệm các sản phầm
rừng của Sở nông nghiệp Hoa Kỳ đã tiến hành hàng loạt thí nghiệm nuôi cấy nấm
men Candida utilis trên môi trường chứa sulfit là chất thải trong quá trình sản xuất
giấy.
Sau chiến tranh, vấn đề sản xuất protein đơn bào ngày càng được chú trọng để
giải quyết các vấn đề của nhân loại trên quy mô toàn cầu. Đầu những năm 60, một
số công ti đa quốc gia đã quyết định nghiên cứu sản xuất sinh khối vi sinh vật để
làm nguồn protein thức ăn. Các cơ chế cơ bản quyết định sự tăng trưởng của các
sinh vật như nấm men và nấm sợi đã được lám sáng tỏ, tuy nhiên vẫn còn nhiều khó
khăn trong ứng dụng các cơ chế trên trong công nghiệp, do đó người ta tiếp tục đẩy
mạnh nghiên cứu.
Người ta tiếp tục tìm kiếm các loại cơ chất với giá thành thấp. Các sản phẩm
phụ trong công nghiệp như sữa phomat, rỉ đường hay các cơ chất giá thành rẻ như
tinh bột, ethanol và methanol, sulfit từ quá trình sản xuất giấy đã được chọn để sử
dụng trong quá trình sản xuất protein đơn bào. Lợi ích của việc sản xuất protein đơn
bào không chỉ dừng lại ở việc cung cấp thêm nguồn thức ăn cho con người nữa mà
còn hạn chế sự lãng phí các sản phẩm phụ trong các quá trình sản xuất khác và bảo
vệ môi trường.
Vào giữa thập niên 60, người ta đã sản xuất được hàng triệu tấn nấm men thực
phẩm ở các vùng khác nhau trên thế giới. Liên bang Soviet đã lên kế hoạch sản xuất
thường niên 900,000 tấn kể từ năm 1970 để bù đắp lại sự thiếu hụt của protein nông
nghiệp. Đến năm 1980, quá trình sản xuất protein đơn bào tiếp tục được mở rộng ở

các nước phát triển và được dự kiến tiến hành ở các quốc gia đang phát triển. Từ đó
đến nay, quy trình sản xuất protein đơn bào được không ngừng nghiên cứu phát triển
hoàn thiện, tìm kiếm các cơ chất và các loài vi sinh vật phong phú hơn, phục vụ nhu
Page 7


Tiểu luận môn Công Nghệ Sinh Học Thực Phẩm

Sản xuất Protein đơn bào

cầu của con người ở khắp các quốc gia trên thế giới.
1.3. Các nhóm vi sinh vật được sử dụng để sản xuất protein đơn bào
1.3.1. Yêu cầu đối với các chủng vi sinh vật sử dụng trong sản xuất.
 Thời gian sinh trưởng ngắn.
 Có khả năng tạo thành lượng protein lớn, từ 40-70% sinh khối khô của tế bào.
 Có khả năng tận dụng được tối đa các chất dinh dưỡng trong môi trường
nuôi cấy.
 Không có độc tố, không có khả năng gây bệnh
 Có sức bền cao, ít bị nhiễm trong quá trình nuôi cấy, dễ tách khỏi dịch nuôi
cấy.
Ngoài ra, phần trăm axit nucleic của tế bào vi sinh vật cũng là một yếu tố quan
trọng cần xem xét. Quá trình hấp thụ axit nucleic quá mức có thể dẫn đến lắng đọng
axit uric, gây ra một số bệnh như gout hay hình thành sỏi thận, nên đối với người thì
thành phần axit nucleic này phải giảm xuống dưới 2%. Do đó, người ta đã áp dụng
một vài kĩ thuật để giảm thành phần axit nucleic trong tế bào vi sinh vật, bao gồm cả
quy trình về hóa học và enzyme.
1.3.2. Các nhóm vi sinh vật sử dụng trong sản xuất protein đơn bào.
Người ta sử dụng nhiều nhóm vi sinh vật khác nhau để sản xuất protein đơn bào,
bao gồm:
- Các nhóm vi khuẩn: Cellulomonas, Alcaligenes,…

- Nấm men: Candida, Saccharomyces,…
- Nấm sợi: Trichoderma, Fusarium, Rhizopus,…
- Các nhóm tảo: Spirulina, Chlorella,…
Giá trị dinh dưỡng của chúng được trình bày trong Bảng 1 [1]:
Thành phần

Nấm

Tảo

Nấm men

Vi khuẩn

Protein

30-45

40-60

45-55

50-65

Chất béo

2-8

7-20

2-6

1-3

Các chất vô cơ

9-14

8-10

5-10

3-7

Axit nucleic

7-10

3-8

6-12

8-12

Bảng 1.1 Trung bình các thành phần trong tế bào ở các nhóm vi sinh vật chính (%
khối lượng khô) theo Miller and Litsky (1976)
Page 8


Tiểu luận môn Công Nghệ Sinh Học Thực Phẩm

Sản xuất Protein đơn bào

Người ta đã ước tính rằng, 100 pound nấm men có thể sản xuất ra 250 tấn
protein trong vòng 24h. Đối với tảo nuôi cấy trong ao thì năng suất protein thu được là
20 tấn sinh khối khô/acre/năm. Vi khuẩn thì cho lượng protein cao, có thể lên đến 80%
và có tốc độ sinh trưởng nhanh hơn, tuy nhiên lại có nhiều nhược điểm.
Nấm men là loài có nhiều ưu điểm, ví dụ như kích thước lớn, dễ thu sinh khối,
hàm lượng axit nucleic trong tế bào thấp, hàm lượng lysine cao, có khả năng sinh
trưởng ở pH axit. Tuy nhiên, đặc điểm quan trọng nhất là nó rất phổ biến và được chấp
nhận rộng rãi vì đã được sử dụng từ rất lâu trong công nghệ lên men truyền thống.
Nhược điểm của nấm men bao gồm tốc độ sinh sản chậm, hàm lượng protein cũng như
methionine thấp hơn so với vi khuẩn. Nấm sợi cũng có những ưu điểm tương tự, dễ thu
hoạch, tuy nhiên hạn chế về tốc độ sinh trưởng, hàm lượng protein và ít được chấp
nhận hơn so với nấm men.
Một nhóm vi sinh vật khác là tảo thì lại có nhược điểm là thành tế bào cấu tạo từ
cellulose – loại phân tử mà con người không tiêu hóa được, bên cạnh đó nó còn chứa
nhiều kim loại nặng. Ngoài ra, cần nhấn mạnh rằn, vì lý do kĩ thuật và kinh tế thì người
ta thường thu cả sinh khối tảo chứ không tách riêng protein của nó, do vậy đôi lúc thuật
ngữ protein đơn bào ở đây chưa hoàn toàn chính xác. Protein của tảo thường có chất
lượng cao, có thể sánh được với protein từ thực vật.
Sản xuất protein đơn bào từ các vi sinh vật khác nhau, cụ thể là từ nấm và vi
khuẩn đã nhận được sự quan tâm đáng kể, ngược lại nghiên cứu sản xuất và sử dụng
thành công protein trên tảo hiện nay còn chưa nhiều, do giá thành sản xuất cao hơn và
khó khăn hơn về mặt kĩ thuật.
Một vài loài tảo, nấm sợi, nấm men và vi khuẩn được sử dụng làm protein đơn
bào và hiện đang được sản xuất thương mại, cùng với nguồn carbon của nó được thể
hiện trong Bảng:
Tên loại tảo
Chondrus crispus, Scenedesmus sp,

Spirulina sp., Porphyrium sp, Chlorella
pyrenoidosa, Chlorella sorokiana.

Nguồn cơ chất
CO2 dùng cho quang hợp

Bảng 1.2 Một số loài vi sinh vật sử dụng trong sản xuất protein đơn bào và nguồn
carbon của chúng theo Bhalla và cộng sự (2007)

Page 9


Tiểu luận môn Công Nghệ Sinh Học Thực Phẩm

Tên nấm sợi
Scytalidium aciduphlium,
viridae,Thricoderma alba
Rhizopus chinensis
Penicillium cyclopium

Sản xuất Protein đơn bào

Loại cơ chất
Thricoderma Cellulose, pentose

Glucose, maltose
Glucose, lactose,
Galactose
Aspergillus niger, A.oryzae,Cephalosporium Cellulose, hemicellulose
eichhorniae, Chaetomium cellulolyticum

Aspergillus fumigatus

Maltose, glucose

Bảng 1.3 Một số loài vi sinh vật sử dụng trong sản xuất protein đơn bào và nguồn
carbon của chúng theo Bhalla và cộng sự (2007)

Tên nấm men
Saccharomyces cereviciae
Candida intermedia
Candida novellas
Candida utilis
Candida tropicalis
Amoco torula

Loại cơ chất
Lactose, pentose, maltose
Lactose
n-alkan.
Glucose
Maltose, glucose
Ethanol

Bảng 1.4 Một số loài vi sinh vật sử dụng trong sản xuất protein đơn bào và nguồn
carbon của chúng theo Bhalla và cộng sự (2007)
1.4. Các nguồn nguyên liệu dùng để sản xuất protein đơn bào
Các nguồn nguyên liệu hiện đang được sử dụng để sản xuất protein đơn bào rất
phong phú và đa dạng, có thể liệt kê một số loại chính như sau:
1.4.1. Các sản phẩm thải trong nông nghiệp
Cellulose từ nguồn nông nghiệp và lâm nghiệp là nguồn nhiên liệu tái tạo nhiều

nhất trên hành tinh này, đồng thời là nguồn nguyên liệu tiềm năng cho sản xuất
protein đơn bào. Trong tự nhiên, cellulose thường ở dạng phức hợp với lignin,
hemicellulose, tinh bột và có cấu tạo phức tạp, do vậy, để sử dụng dưới dạng cơ chất
nó phải được xử lý hóa học (phân giải bằng axit hay kiềm) hoặc bằng các enzyme
Page 10


Tiểu luận môn Công Nghệ Sinh Học Thực Phẩm

Sản xuất Protein đơn bào

(cellulase) để phân giải cellulose thành các đường mà tế bào vi sinh vật sử dụng
được.
Lignocellulose là nguồn nguyên liệu từ gỗ, đòi hỏi phải xử lý trước khi sử dụng
làm cơ chất cho sản xuất protein đơn bào. Có nhiều cách xử lý khác nhau, ví dụ như
phân giải bằng axit hay kiềm, bằng hơi nước hay thậm chí dùng phóng xạ tia X [2].
Người ta có thể nấu gỗ trong dung dịch chứa Canxi sulfit. Đến ngày nay, để tận
dụng các nguồn lignocellulose là sản phẩm thải người ta dùng các nhóm nấm, trong
đó được biết rõ nhất là Agaricus bisporus và một số các nhóm khác chứa enzyme
phân giải lignocellulose.
1.4.2. Các sản phẩm phụ của các quá trình lên men công nghiệp.
Dịch kiềm sulfit – sản phẩm phụ của quá trình sản xuất giấy đã được sử dụng
làm cơ chất để lên men kể từ nawmg 1909 ở Thụy Điển và sau đó ở nhiều nơi trên
thế giới. Dạng vi sinh vật đầu tiên được sử dụng trong quá trình này là
Saccharomyces cerevisiae, mặc dù loài vi sinh vât này không có khả năng chuyển
háo pentose – loại hợp chất có mặt với lượng lớn trong sản phẩm thải này. Sau đó,
người ta tìm ra các loài vi sinh vật thích hợp hơn như Candida tropicalis hay
Candida utilis.
Rỉ đường là một sản phẩm phụ của quá trình lên men đường. Dịch đường nồng
độ cao thu được từ quá trình xay xát mía hay củ cải đường được làm lạnh để đường

kêt tinh. Khi đường không kết tinh nữa thì người ta thu được phần dung dịch còn lại,
đó là rỉ đường. Đối với 100kg thực vật có thể thu được 3.5 đến 4.5 kg rỉ đường. Bên
cạnh nồng độ đường cao, rỉ đường còn chứa các chất khoáng, các hợp chất hữu
cơ và vitamin có giá trị cao trong công nghiệp lên men. Tuy nhiên, sản xuất sinh
khối vi sinh vật từ rỉ đường đòi hỏi phải bổ sung thêm nguồn nitơ và photpho phù
hợp. Nguồn nitơ truyền thống là các muối amonium, nguồn photpho thêm vào
thường ở dạng muối.
1.4.3. Các sản phẩm, dịch chiết và dịch thủy phân từ nguyên liệu thực vật.
Tinh bột thu được từ các loài thực vật có củ ở các nước nhiệt đới và ôn đới, từ
gạo, ngô và ngũ cốc là nguồn nguyên liệu để sản xuất protein đơn bào. Ở các nước
nhiệt đới, người ta còn sử dụng sắn như một nguồn nguyên liệu sản xuất protein đơn
bào. Quy trình sản xuất này sử dụng một số loài vi sinh vật có enzyme amylase như
Endomycosis fibuligira, sau đó đưa dịch nuôi cấy sau khi phân hủy tinh bột qua nồi
lên men có chứa một loại vi sinh vật có tốc độ sinh trưởng nhanh như Candida utilis.
Dịch chiết của một số loại quả như đủ đủ, dứa, chuối cũng là nguồn cơ chất để
Page 11


Tiểu luận môn Công Nghệ Sinh Học Thực Phẩm

Sản xuất Protein đơn bào

tổng hợp protein đơn bào. Dịch chiết đu đủ có hàm lượng chất dinh dưỡng cao:
saccharride chiếm 9.6%, protein, protein chiếm 0.2%, đường hòa tan chiếm khoảng
7%; đường hòa tan trong đu đủ ở dạng glucose, fructose và sucrose, đồng thời đây là
loài thực vật có năng suất cao, sinh trưởng tương đối nhanh. Một loại quả khác là
chuối cũng là nguyên liệu để sản xuất protein đơn bào. Điều này có rất có ích trong
việc tận dụng nguồn sản phẩm dư thừa do không đủ chất lượng xuất khẩu ở các quốc
gia có trồng nhiều loại cây ăn quả này.
1.4.4. Các nguồn nhiên liệu có giá trị thương mại cao như khí đốt, methan,

methanol và các n-alkan.
Các vi sinh vật liên quan đến quá trình sản xuất protein đơn bào từ nguồn cơ
chất trên chủ yếu là các vi khuẩn và nấm men. Nhiều quá trình hiện nay đang trong
giai đoạn nghiên cứu. Việc sử dụng nguồn hợp chất nhiên liệu trên để sản xuất thức
ăn từ lâu đã được nhiều nhà khoa học đặt ra. Công ti dầu mỏ của Anh đã sử dụng hai
loại nấm men Candida lipolytica và C. tropicalis với nguồn cơ chất là các alkan có
mạch Carbon từ 12 đến 20 nguyên tử có trong phần dẻo của khí gas. Một vài loại
dầu thô có chứa phần này chiếm khoảng 15%. Sản phẩm thu được từ quá trình này
còn gọi là TOPRINA, đã được kiểm tra độc tính và khả năng gây ung thư trong vòng
12 năm, sau đó đã được sử dụng làm nguồn thức ăn thay thế có hàm lượng protein
cao cho cá hoặc dùng làm bột sữa không béo. Tuy nhiên, do giá dầu mỏ ngày càng
cao, nhiều nước đã ngừng sử dụng nguồn nguyên liệu này để sản xuất protein đơn
bào. Thay vào đó, người ta tăng cường nghiên cứu sử dụng methane làm nguồn cơ
chất. Vi sinh vật phù hợp với nguồn cơ chất này mà đã được nghiên cứu kĩ là
Methylomonas methanica, nuôi cấy trong môi trường có chứa muối nitrat hay muối
ammonium làm nguồn nitơ.
Mặt khác, methanol cũng là một nguồn chất được quan tâm. Lên men trên quy
mô lớn để thu sinh khối của Methylophilus methtlotrophus từ nguồn cơ chất là
methanol là phương pháp được xây dựng để sản xuất protein đơn bào từ nguồn này,
và sản phẩm của quy trình này được sử dụng làm thức ăn cho vật nuôi. Methanol với
vai trò là nguồn carbon để sản xuất protein đơn bào có nhiều ưu điểm vượt trội hơn
so với n-paraffin, khí metan hay thậm chí một số hợp chất carbohydrate.
1.5. Quy trình sản xuất protein đơn bào
Quá trình lên men tạo sinh khối yêu cầu lựa chọn loại vi sinh vật được có giai
đoạn sinh lý phù hợp, khử trùng môi trường nuôi cấy và các thiết bị dùng để giữ môi
trường nuôi ở trạng thái sẵn sàng, tách tế bào, thu các tế bào ở phần dịch nổi, tinh
chế và xử lý, bộ ổn nhiệt để điều hòa nhiệt độ, dụng cụ xác định pH và các thiết bị
điều khiến khác để điều hòa các yếu tố cần thiết cho sự sinh trưởng ở mức ổn định.
Sau khi chuẩn bị, nuôi cấy vi sinh vật ở điều kiện thích hợp trong môi trường đã
Page 12

Tiểu luận môn Công Nghệ Sinh Học Thực Phẩm

Sản xuất Protein đơn bào

chuẩn bị. Quá trình này đòi hỏi phải kiểm soát nồng độ carbon ở mức thích hợp
cũng như cung cấp đủ oxy để duy trì điều kiện hiếu khí cần cho sự sinh trưởng của
vi sinh vật. Vì đây là một quá trình phụ thuộc vào thời gian, nên việc biến đổi liên
tục các yếu tố của môi trường sẽ ảnh hưởng đến sinh lý của tế bào, trong đó nồng độ
cơ chất có ảnh hưởng lớn nhất. Vì thế, người ta sử dụng phương pháp nuôi cấy liên
tục để có thể kiểm soát nguồn Carbon đưa vào môi trường, đồng thời lấy ra một
lượng vi sinh vật nhất định để đảm bảo cung cấp đủ oxy cho lượng vi sinh vật ở
trong thùng nuôi cấy. Các phương pháp thường được áp dụng bao gồm: lên men nổi,
lên men chìm và lên men trên pha rắn.
Sau khi nuôi cấy, cần thu sinh khối vi sinh vật. Hiện nay có nhiều phương pháp
để cô đặc dịch nuôi cấy như lọc, để lắng, li tâm và dùng các màng bán thấm. Người
ta thường thu sinh khối nấm men bằng cách li tâm, còn đối với nấm sợi thường thu
bằng cách lọc. Tuy nhiên, các thiết bị cần thiết tường đắt và không phù hợp với sản
xuất ở quy mô nhỏ cũng như mở rộng sản xuất. Việc loại bỏ lượng nước là rất cần
thiết để giữ các chất ổn định để lưu trữ nhưng lại không dễ thực hiện. Protein đơn
bào cần phải được sấy đến độ ẩm 10% hoặc phải làm cô đặc lại và biến tính để đề
phòng chúng bị hỏng.
1.6. Chế biến protein đơn bào thành thực phẩm
Để sử dụng hiệu quả các protein vi sinh vật làm thức ăn cho người, cần các điều
kiện sau:
- Giải phóng protein tế bào bằng cách phá hủy hay phân hủy thành tế bào.
- Làm giảm hàm lượng axit nucleic trong tế bào.
1.6.1. Phá hủy thành tế bào:
Có thể phá hủy thành tế bào vi sinh vật bằng nhiều cách: ép, bẻ vụn, nghiền,

dùng áp lực hay phá hủy bằng sóng âm. Ngoài ra người ta còn sử dụng các enzyme
hay hỗn hợp enzyme để phân hủy từng phần hoặc hoàn toàn thành tế bào. Thủy phân
thành tế bào nhờ enzyme có hiệu quả cao hơn do tác động đặc hiệu. Phương pháp
enzyme có thể dùng để thay thế phá hủy cơ học, đặc biệt là đối với các nguyên liệu
có thể bị bất hoạt do yếu tố cơ học, người ta sử dụng cả các enzyme nội bào và ngoại
bào do các vi sinh vật khác tiết ra. Tuy nhiên, quá trình này diễn ra chậm hơn so với
dùng phương pháp cơ học hoặc hóa học, do vậy, người ta thường sử dụng phối hợp
nhiều phương pháp để có hiệu quả cao hơn.

Page 13


Tiểu luận môn Công Nghệ Sinh Học Thực Phẩm

Sản xuất Protein đơn bào

Phương pháp phi-cơ học
Phương pháp cơ học
Xử lý hóa học: dùng axit, bazơ, các chất Dùng áp lực cao
hòa tan, chất tẩy rửa
Phân giải bằng enzyme: enzyme thủy phân, Nghiền ướt, sử dụng các hạt nghiền Dùng
dùng phage, tự phân hủy
sóng âm để phá hủy tế bào Nén tế bào
Dùng các phương pháp vật lý: làm đông Dùng áp suất cao ở nhiệt độ thấp
lạnh-để tan, sốc thẩm thấu, dùng nhiệt và
sấy khô

Bảng 1.5 Một số phương pháp thường sử dụng để phá hủy thành tế bào vi sinh vật
1.6.2. Loại bỏ axit nucleic
Các phương pháp dùng để loại bỏ axit nucleic trong tế bào bao gồm phương

pháp xử lý hóa học và xử lý bằng enzyme. Mỗi phương pháp đều có nhược điểm là
giá thành đắt và có thể ảnh hưởng đến thành phần dinh dưỡng trong tế bào.
Một số phương pháp:
- Tách axit nucleic bằng các rượu, muối, acid và kiềm.
- Tách axit nucleic khỏi sinh khối vi sinh vật bằng kiềm ở nhiệt độ cao, tuy
nhiên phương pháp này có thể tạo ra các chất độc, ví dụ như lysinoalanine.
- Xử lý bằng anhydrid để biến đổi cấu trúc nucleoprotein ở nấm men.
- Sử dụng các enzyme nuclease để phân giải axit nucleic.
1.7. Ưu nhược điểm của protein đơn bào.
1.7.1. Ưu điểm:
- Vi sinh vật có tốc độ nhân đôi và tăng trưởng nhanh, thu sinh khối trong
thời gian ngắn.
- Vi sinh vật có hàm lượng protein tương đối cao.
- Các vi sinh vật có khả năng sử dụng một số lượng nguồn carbon phong phú để
tạo thành năng lượng, trong đó có một số nguyên liệu được tái sử dụng từ nguồn chất thải
nông nghiệp hay công nghiệp.
Page 14


Tiểu luận môn Công Nghệ Sinh Học Thực Phẩm

Sản xuất Protein đơn bào

- Các chủng vi sinh vật với năng suất cao cũng như thành phần chất dinh dưỡng
phù hợp có thể được chọn lọc và nuôi cấy với số lượng lớn trong điều kiện phòng thí
nghiệm, đồng thời cũng có tiềm năng áp dụng ở quy mô công nghiệp.
- Sinh khối viinh vật dùng để thu protein đơn bào không phụ thuộc vào mùa cũng
như biến đổi khí hậu.
1.7.2. Nhược điểm:
Bên cạnh các ưu điểm trên, việc sử dụng các nguồn vi sinh vật hay sinh khối vi

sinh vật làm thức ăn hay sản xuất protein đơn bào cũng có nhiều nhược điểm cần
phải khắc phục, bao gồm:
- Nhiều loài vi sinh vật có thể tạo ra các chất gây độc cho cơ thể người và cơ thể
động vật, Vì vậy, khi chọn lựa một loài vi sinh vật để tiến hành sản xuất phải đảm
bảo nó không chứa bất kì chất độc nào.
- Đôi khi sử dụng sinh khối vi sinh vật để làm nguồn thức ăn bổ sung có thể dẫn
đến khó tiêu hoặc không tiêu hóa được, thậm chí gây phản ứng dị ứng cho người.
- Hàm lượng axit nucleic cao trong sinh khối khô của nhiều loài vi sinh vật cũng
là một yếu tố gây ảnh hưởng không mong muốn cho con người. Đôi khi hàm lượng
axit nucleic cao này có thể dẫn đến sự hình thành sỏi thận hay bệnh gout.
- Khả năng chứa các hợp chất gây độc hay gây ung thư cho con người.

PHẦN 2. MỘT SỐ QUY TRÌNH SẢN XUẤT PROTEIN
ĐƠN BÀO
2.1. Sản xuất sinh khối nấm men từ nguồn nguyên liệu thông thường
2.1.1. Nguyên liệu và xử lý nguyên liệu
Các dạng nguyên liệu chứa hydrat cacbon thường là các phụ phẩm và phế phẩm sau:
- Các sản phẩm chứa sacaroza của công nghiệp chế biến đường (rỉ đường mía,
đường củ cải, bã mía, cặn rỉ đường, nước rửa thô ..)

rỉ

- Nước thải của nhà máy sữa còn chứa nhiều lactoza
- Dịch kiềm sunfit có chứa nhiều pentoza, hexoza, dịch thuỷ phân gỗ.
- Các nguyên liệu chứa tinh bột và xenluluza khác.
Điểm chung nhất dễ nhận thấy ở các dạng nguyên liệu trên là ngoài đường, chúng
còn chứa nhiều axit hữu cơ, N.P,S và các chất khác. Sự phức tạp này nảy sinh hiện tượng
sinh trưởng kép làm cản trở sử dụng chúng trong nuôi cấy liên tục một giai đoạn.
2.1.2. Rỉ đường
Về lý thuyết: Từ 1g C6H12O6 có thể thu được 0,5 g sinh khối nấm men khô (theo

nghiên cứu của A.J.Forage):
Page 15


Tiểu luận môn Công Nghệ Sinh Học Thực Phẩm
C6H12O6 (1g) + O2 (0,4g)

Sản xuất Protein đơn bào

CO2 (0,67g) + H2O (0,27g)

+ NH3 (0.05g)

Q(1,25kcal) Sinh khối nấm men khô 0,5g

Hoặc theo nghiên cứu C.L Cooorey
C6H12O6 (2kg) + O2 (0,7g)
+ N,P,K, Mg, S(0,1kg)

Sinh khối nấm men khô (1kg)
+ CO2 (1,1g) + H2O (0,7g)

Các nguyên liệu chứa sacaroza (rỉ đường..) là dạng nguyên liệu lý tưởng nhất đến
sản xuất protein đơn bào, vì các nguyên liệu này chứa nhiều yếu tố kích thích sinh
trưởng, khí,biotin và sản phẩm protein thu được hầu như sạch, không độc.
Rỉ đường được dùng làm các cơ chất cho nhiều quá trình lên men vì:
- Giá thành rẻ hơn các nguyên liệu chứa đường khác.
- Ngoài đường sacaroza, rỉ đường còn chứa một số chất vô cơ, hữu cơ và vitamin có
giá trị.
Thành phần của rỉ đường mía và rỉ đường củ cải có sự khác nhau được ở bàng 2.1.

Thành phần

Rỉ đường củ
Rỉ
đường
cải
mía
Đường tổng số
%
48 – 52
48 – 56
Chất hữu cơ không phải đường 12 – 17
9 – 12
%
Protein (Nx6,25)
%
6 – 10
2–4
K
%
2,0 - 7,0
1,5 - 5,0
Ca
%
0,1 - 0,5
0,4 - 0,8
Mg
%
0,09
0,06

P
%
0,02 - 0,07
0,6 - 2,0
Biotin
mg/kg
0,02 - 0,15
1,0 - 3,0
Axit pantothenic
mg/kg
50 – 110
15 – 55
Inozitol
mg/kg
5000 – 8000
2500 – 6000
Tiamin
mg/kg
khoảng 1,3
1,8
Bảng 2.1 Thành phần của rỉ đường củ cải và rỉ đường mía chứa 75% chất khô
Sự khác biệt cơ bản giữa 2 loại nguyên liệu này là:
- Rỉ đường mía nói chung có pH thấp hơn (5,5 – 6,5) do sự có mặt của các axit béo
và pH thấp dùng trong quá trình làm trong.
- Rỉ đường mía có màu tối hơn đường củ cải nên khi dùng không trộn với rỉ đường
củ cải thì nấm men thu được sẽ có màu tối hơn.
- Rỉ đường củ cải chứa nhiều đường sacaroza hơn rỉ đường mía vì trong rỉ đường
củ cải hầu như không có một loại đường chuyển hoá nào (có khi chỉ có khoảng 1%)
trong khi rỉ đường mía có thể chứa tới 15-25% hidrat cacbon của nó dưới dạng đường
chuyển hoá.

Page 16


Tiểu luận môn Công Nghệ Sinh Học Thực Phẩm

Sản xuất Protein đơn bào

- Nói chung, rỉ đường củ cải chứa nitơ hữu cơ năm lần cao hơn rỉ đường mía,
nhưng một nửa là betain, một thành phần không được Saccharomyces đồng hoá, trong
khi đó betain không có mặt trong rỉ đường mía.
- Sự khác biệt về hàm lượng vitamin trong rỉ đường mía và đưòng củ cải cũng là
tiêu chuẩn quan trọng:
+ Các chất sinh trưởng có mặt trong rỉ đường mía với hàm lượng lớn: rỉ
đường mía chứa khoảng 2,5 µg biotin/g gấp 20 lần hơn rỉ đường củ cải.
+ Trong khi đó rỉ đường mía nghèo các chất khoáng và axit amin: rỉ đường
củ cải chứa axit pantothenic gấp 2-4 lần so với rỉ đường mía.
Như vậy, rỉ đường dùng nuôi cấy nấm men không những là nguồn đường mà còn
cung cấp các hợp chất hữu cơ khác, các muối khoáng cần thiết và các nhân tố sinh trưởng.
Tuy nhiên, ngoài các thành phần có ích cho sự sinh trưởng của nấm men, rì đường
cũng có thể chứa các hợp chất có hại có thể làm hư hỏng quá trình lên men: Hàm
lượng canxi cao nói lên chất lượng thấp của rỉ đường và có thể gây nên những khó
khăn trong việc sản xuất nấm men. Rỉ đường cũng có thể dễ dàng nhiễm các vi sinh
vật và gây nên những vấn đề không có lợi trong lên men.
Xử lý rỉ đường:
Rỉ đường cần được xử lý chút ít trước khi nuôi cấy. Thông thường nó được axit hoá
bằng axit sunfuric tới pH = 4 và đun nóng tới 120-1500C trong 1 phút để kết tủa một số
chất vô cơ và chất lơ lửng. Cần phải loại bỏ một phần các chất sinh trưởng, đồng thời bổ
sung các muối khoáng cần thiết (như urê 0,15%, KH2PO4 0,35%, Mg, Ca) và có thể
phải thêm hỗn hợp các axit amin dạng protein thủy phân (dịch nấm men tự phân, dịch
thải trong sản xuất nước chấm, dịch bã rượu ở giai đoạn nhân giống).

Khi chuẩn bị phối trộn, rỉ đường củ cải và rỉ đường mía phải được xử lý tách biệt
trong các khâu pha loãng, điều chỉnh pH, đun nóng, làm trong, khử trùng rồi mới được
phối trộn. Thường pha loãng đến nồng độ đường khoảng 5-6%.
Sau khi chuẩn bị xong môi trường dinh dưỡng, tiến hành thanh trùng ở nhiệt độ 1200C.
2.1.3. Các nguyên liệu khác:
Dịch kiềm sufit: Nước thải các nhà máy giấy xenluloza theo phương pháp sunfit gọi
là dịch kiềm sunfit (SWL-Sunfit Waste Liquors) cũng là nguồn nguyên liệu tốt để sản
xuất nấm men. Thành phần hydrocacbon của nó chủ yếu là đường pentoza, một loại
đường chỉ có nấm men mới chuyển hoá tốt. Ngoài ra còn có linhin, phi xenluloza, một số
axit hữu cơ …
Khi sử dụng dịch kiềm sunfit cần phải được làm nóng và thông khí trước khi nuôi
nấm men để loại bảo các yếu tố kiềm hãm (SO2 và furfurol). Bổ sung chất dinh dưỡng
vào dịch thải trên (như NH4+ và PO4--), điều chỉnh pH về khoảng 5 sẽ được môi trường
nuôi cấy nấm men khá tốt và lượng sinh khối nấm men sinh ra sau quá trình lên
men có chất lượng đáng kể với các thành phần như sau: protein (46% chất khô), lipit
(7-8%), photpho (1,8%), axit nucleic (10%)…
Page 17


Tiểu luận môn Công Nghệ Sinh Học Thực Phẩm

Sản xuất Protein đơn bào

Người ta tính rằng khoảng 5 tấn bột xenluloza để sản xuất giấy sẽ thải ra một lượng
dịch kiềm sunfit chứa tới 180 kg đường. Dịch này hấp phụ nhiều O2 nên khi nuôi cấy
nấm men có thể giảm mức cung cấp oxi tới 60% so với bình thường.
Các nguồn xenluloza thực vật (gỗ, rơm, rạ bã mía, lõi ngô..) được chú ý nhiều
trong sản xuất nấm men. Trước hết cần phải thuỷ phân xenluloza bằng axit hoặc bằng
enzim. Nếu dùng gỗ thì thường phải thuỷ phân bằng axit sunfuric.
Nước thải của nhà máy chế biến sữa, còn gọi là nhũ thanh (lactoserum): trong quá

trình lên men lactic để chế biến phomat, sau khi kết tủa cazein ra khỏi sữa, phần còn lại
gọi là nhủ thanh có chứa lactoza, protein, axit lactic, axit béo, một số vitamin và muối
khoáng. Người ta chọn chủng nấm men thích hợp để có thể thuỷ phân được liên kết galactozidaza và thu được sinh khối nấm men dạng khô có thành phần protein thô
khoảng 32%, lipit 4-5%, lacto khoảng 23%. Chủng nấm men C.utilis và
C.pseudotropical rất thích hợp trong môi trường trên đây.
Bột ngũ cốc: là nguồn sản xuất sinh khối nấm men rất tốt. Bột hoặc tinh bột dùng
vào mục đích này trước tiên phải tiến hành thuỷ phân bằng axit hoặc bằng enzim của
mầm mạ hoặc enzim của vi sinh vật để biến các polysacarit thành các dạng đường mà
nấm men có thể đồng hoá được.
Trong trường hợp dùng nấm men Saccharomysces cerevisiae thì có thể kết hơp
chưng cất thu lấy cồn từ dịch thải sau khi tách sinh khối. Như vậy trong dây chuyền công
nghệ cần phải trang bị thêm bộ phận chưng cất. Dịch ly tâm được đưa vào hệ li tâm tách
(separator) và dịch thải sau khi được tách ra được chuyển đến khâu chưng cất.
2.1.4. Chủng nấm men:
Tuỳ theo từng loại nguyên liệu khác nhau, chúng ta có thể sử dụng những
chủng nấm men phù hợp để tạo sinh khối có hiệu quả nhất.
Đối với nguyên liệu là rỉ đường, dung dịch đường, nấm men thường
dùng là Saccharomysces cerevisiae, Candidas tropicalis, Candidas utilis.
Đối với nguyên liệu tinh bột hay nước thải tinh bột, dùng chủng nấm men
tương ứng là Endomycopis fibuligera hoặc phối hợp giữa Endomycopis với
Candidas tropicalis.
Nếu nguyên liện là bã rượu, chủng nấm men là Candidas utilis.
Nếu sử dụng lactoserum (nhũ thanh sữa) thì chủng nấm men đặc chủng là
Torula cremoris, T. lactosa.
Nguyên liệu là kiềm sunfit, chủng nấm men sử dụng là Cryptococus diffluens,
Candidas tropicalis, Candidas utilis.
Tuy nhiên trong trường hợp không có những chủng nấm men phù hợp, chúng
ta có thể thay thế một trong các chủng trên đây.
2.2. Sản xuất sinh khối nấm men từ rỉ đường

Page 18


Tiểu luận môn Công Nghệ Sinh Học Thực Phẩm

Sản xuất Protein đơn bào

Page 19


Tiểu luận môn Công Nghệ Sinh Học Thực Phẩm

Sản xuất Protein đơn bào

2.3. Sản xuất sinh khối vi sinh vật từ nguyên lịêu chứa tinh bột hoặc xenluloza:

2.4. Sản xuất protein vi sinh vật từ dầu mỏ và khí đốt
2.4.1. Đặc điểm lịch sử:
Năm 1925, Tauson đã phát hiện khả năng phân giải cacbua hydro của vi
khuẩn.
Năm 1940, nhiều nhà khoa học trên thế giới đã nghiên cứu sau về việc sử
dụng vi sinh vật trong thăm dò và khai thác dầu khí.
Năm 1961, Fush đã nghiên cứu thống kê được 26 giống trong đó có 75 loài vi sinh
vật có khả năng phân huỷ mạch vòng.
Năm 1962, công trình đầu tiên về khả năng sử dụng dầu mỏ khí đốt để nuôi cấy vi
sinh vật thu nhận sinh khối giàu protein cho gia súc đã được công bố tại Hội nghị dầu mỏ
quốc tế lần thứ 6.
Sau đó nhiều nhà khoa học đã phân lập được 498 chủng nấm men có khả năng phân
giải cacbua hidro. Và từ đó có nhiều nhà máy đã sản xuất được sinh khối nấm men mà
sản phẩm chứa tới 60 – 70% protein.

2.4.2. Nguyên liệu
2.4.2.1. Dầu mỏ
Chỉ những phần dầu mỏ nhất định mới được vi sinh vật đồng hoá như:
- Các alkan (paraphin) với chiều dài chuỗi C10 - C20
- Các alkin, anken, hydrocacbon thơm.
- Các parafin chuỗi ngắn còn lại trong phần dầu mỏ có nhiệt độ nóng chảy thấp.
Sử dụng n-parafin tinh khiết được tách từ mỏ dựa trên các nguyên tắc sàng phân tử

20


Tiểu luận môn Công Nghệ Sinh Học Thực Phẩm

Sản xuất Protein đơn bào

làm cơ chất có ưu điểm là nguồn C bị tiêu thụ hoàn toàn và không để lại những cacbua
hidro độc.
Cơ chế của sự hấp thụ ankal cho đến nay cũng chưa được làm sáng tỏ đầy đủ. So với
các tế bào sinh trưởng trên glucoza thì nấm men nuôi trên cacbua hidro có màng tế bào
dày hơn và có nếp nhăn.. Tuy nhiên các tế bào này không gặp khó khăn gì trong việc hấp
thụ những cơ chất không tan trong nước được bổ sung vào môi trường với nồng độ 2 4%.
2.4.2.2. Khí thiên nhiên
Me tan: Metan là thành phần chính của khí thiên nhiên. Tuy nhiên metan không chỉ
là nguyên liệu trong lòng đất mà còn được tạo thành qua con đường vi sinh vật nhờ sự
lên men metan và được sinh ra trong các bể chứa bùn mục nát trong các thiết bị làm
sạch. Nguyên tắc sản xuất protein từ khí thiên nhiên là nuôi vi khuẩn trên dịch muối
amon và muối khoáng được thường xuyên thổi khí metan và không khí.
Ưu nhược điểm của việc sử dụng metan:
Ưu điểm:
- Khí thiên nhiên rẻ hơn dầu mỏ nhiều lần.

- Phần khí không được vi sinh vật đồng hoá được loại bỏ một cách dễ dàng. Vì
vậy sản phẩm rất tinh khiết và không tốn kém dung môi cho việc rửa tế bào như khi
sử dụng dầu mỏ làm cơ chất.
Nhược điểm:
- Vi sinh vật đồng hoá khí thiên nhiên đều là các vi sinh vật hiếu khí. Do đó
môi trường dinh dưỡng phải thường xuyên thổi hỗn hợp khí metan và oxi hoặc là
không khí rất dễ gây nổ. Nếu nồng độ hỗn hợp khí cao rất dễ bắt lửa và nổ, còn nồng
độ khí thấp thì vi sinh vật không đủ hô hấp. Cả hai trường hợp không đủ dinh dưỡng
và ngạt thở, vi sinh vật đều phát triển kém và hiệu suất nuôi cấy thấp.
Để thực hiện được quá trình sinh tổng hợp protein thì oxy và metan phải được chuyển
từ tướng khí sang tướng lỏng để bọt khí mang nhiên liệu và chất oxy hoá đến các tế bào vi
sinh vật đang sinh trưởng một cách nhanh chóng và thực hiện quá trình đồng hoá. Tuy
nhiên, độ hoà tan của metan và oxy trong nước thấp. Có thể khắc phục bằng cách là tăng
áp suất dư trong thiết bị nhưng việc chế tạo thiết bị chịu áp lực cao sẽ phức tạp và không
kinh tế. Hoặc đưa một dung môi hữu cơ nào đó vào môi trường dinh dưỡng để tăng độ
hoà tan của metan, nhưng sẽ làm cho vi sinh vật thích dung môi hơn metan và như vậy
việc dùng khí thiên nhiên mất hết ý nghĩa.
Metanol: Để khắc phục những nhược điểm của việc sử dụng metan, có thể sử dụng
metanol thu được từ metan nhờ sự oxy hoá hoá học. Đó là nhờ những ưu điểm sau của
metanol:
- Metanol dễ tan trong nước nên có thể dùng ở nồng độ cao hơn (2-3%).
- Nhu cầu oxy của sự đồng hoá metanol là thấp hơn.
- Có thể dùng nấm men để đồng hoá metanol. Mà nấm men có kích thước tế bào lớn
hơn vi khuẩn nên năng lượng cần thiết cho quá trình li tâm tách sinh khối ít hơn so với
vi khuẩn sử dụng để đồng hoá metan. Tính kinh tế cao hơn.
Tuy nhiên dùng metanol có nhược điểm sau:
- Metanol đắt hơn nhiều so với metan hoặc khí thiên nhiên.

21

Tiểu luận môn Công Nghệ Sinh Học Thực Phẩm

Sản xuất Protein đơn bào

- Thu hoạch tế bào từ metanol thấp hơn từ metan.
Etan, propan, butan: Việc sử dụng các alkal dạng khí chuỗi ngắn chứa trong dầu mỏ
như etan, propan, butan diễn ra không qua vi khuẩn đồng hoá metan mà chỉ trong hỗn
hợp quần thể chứa các cơ thể có khả năng nói trên (Mycobacterium, Nocardia,
Pseudomonas).
2.4.3. Các chủng vi sinh vật
2.4.3.1. Vi sinh vật phân giải cacbua hidro:

Vi khuẩn: Achrobacter, Alkaligenes, Bacillus, Bacterium, Corynebacterium,
Micrococcus, Flavobacterium, Pseudomonas, Micromonospora, Mycobacterium,
Mycococcus, Nocardia.
Xa khuẩn: Streptomyces, Actinomyces.
Nấm men: Candida, Cytomyces, Debaryomyces. Endomyces, Hansemula.
Monolia, Scopuloriopsis.
Nấm sơi: Acremonium, Aspergillus, Penicillium.
2.4.3.2. Vi sinh vật phân giải khí thiên nhiên:

Chủ yếu là các vi khuẩn: Mycobacterium, Pseudomonas, Methanomonas,
Bacillus, Corynebacterium, Brevibacterium, Flavobacterium, Bacterium.
2.4.4. Cơ chế chuyển hoá
Quá trình đồng hoá cacbon từ dầu mỏ và khí đốt có thể đề ra ở dạng tổng quát
như sau:

(3) Đối với các hợp chất không no (thí dụ như 1-olefin), người ta cho rằng quá trình oxy
hoá nhờ vi sinh vật có thể đi theo con đường sau

22


Tiểu luận môn Công Nghệ Sinh Học Thực Phẩm

Sản xuất Protein đơn bào

(4) Cơ chế chuyển khí metan:
Các vi sinh vật phân giải khí metan thành CO2 và H+ hoạt động. Vi sinh vật sử
dụng H+ để khử tiếp CO2 tạo thành các hợp chất hữu cơ theo những phương trình tóm
tắt sau:
CH4 + 2 H2O
CO2
+ 8(H)
4(H) + CO2
(CH2O) + H2O
4(H) +
O2
2H2O
CH4 +
O2
(CH2O + H2O
Các axit béo tạo thành sẽ được lôi cuốn vào các quá trình đồng hoá tiếp theo, tham
gia vào các quá trình trao đổi chất ở tế bào vi sinh vật trong chu trình Kreb. Một phần
các axit amin được tạo thành sẽ kết hợp với NH3 cho ra các aminoaxit. Nhờ các phản
ứng chuyển amin mà một số loại axit amin được tạo thành ngày càng phong phú và
cuối cùng, dưới sự điều khiển của ADN trong tế bào vi sinh vật, các axit amin này sẽ
được tổ hợp lại với nhau để thành các phân tử protein.
2.5. Công nghệ sản xuất protein trên nguyên liệu polysacarit chưa thuỷ phân

2.5.1. Sơ đồ công nghệ sản xuất nấm men từ các nguyên liệu thực vật thuỷ phân
bằng H2SO4.

23