Công nghệ sinh học chế biến các sản phẩm sau thu hoạch - Chương V: Công nghệ sinh học trong việc tạo sản phẩm hữu cơ thực phẩm

Nội dung text: Công nghệ sinh học chế biến các sản phẩm sau thu hoạch - Chương V: Công nghệ sinh học trong việc tạo sản phẩm hữu cơ thực phẩm

1. 113 CNSH chế biến các sản phẩm sau thu hoạch Trương Văn Lung Chương V Công nghệ sinh học trong việc tạo sản phẩm hữu cơ thực phẩm 1. Thế giới sinh vật là nguồn nguyên liệu vô tận cho công nghiệp hóa thực phẩm Từ cuối thế kỉ XIX, một trong những người sáng lập ra môn hóa học tổng hợp, nhà bác học nổi tiếng người Pháp Marcelin Berthelot đã khẳng định: “Vấn đề các sản phẩm dinh dưỡng là vấn đề hóa học. Khi nào thu nhận được năng lượng một cách rẻ tiền thì thực hiện được việc tổng hợp các sản phẩm dinh dưỡng từ carbon (lấy từ khí carbonic) từ hydrogen (lấy từ nước), từ nitrogen và oxygen (lấy từ không khí). Các công việc mà cho đến nay cây cối đã làm được nhờ năng lượng mặt trời. Chúng ta trong tương lai không xa sẽ thực hiện được”. Bức tranh do Berthelot vẽ ra, đến ngày nay, vẫn là một cảnh điền viên viễn tưởng đối với chúng ta. Dmitri Ivanovitch Mendeleiev đã sáng suốt cho rằng, hiện thực nhất vẫn là sản xuất ở các nhà máy sản phẩm dinh dưỡng nhờ sinh vật. Thế giới sinh vật vẫn là nguồn cung cấp hóa chất trong tự nhiên. Các nhà sinh vật học và hóa học trong sự hợp tác sáng tạo đã làm nên những qui trình công nghệ hiện đại để sử dụng có hiệu quả nhất. Thế giới sinh vật dùng làm nguyên liệu cho việc chế tạo ra các hóa chất khác nhau để phục vụ cho con người. Ethanol Năng lượng Protein Trồng trọt Ethylene Keylit Dầu Propylene Sorbite mỏ Benzene Vitamin Lâm nghiệp Các Xylene Thức ăn Phenol gia súc sản Methanol Các dược phẩm phẩm Khí H2 Acid citric quang đốt tự NH3 Fructose Sinh khối hợp Acetylene Xylose trên cạn nhiên Than cốc Naphtalene Agar Sinh khối Protein Alginate Than Furfurol dưới nước Sản phẩm đá Sản phẩm khác khác Hình V.1. Sơ đồ các sản phẩm hóa học được hình thành từ thực vật
2. 114 CNSH chế biến các sản phẩm sau thu hoạch Trương Văn Lung Thật vậy, từ năm 1950, công nghiệp dầu mỏ phát triển trong đó có hóa dầu chế tạo các hóa chất từ dầu mỏ, mà thực chất dầu mỏ và than đá đều từ sinh khối tự nhiên do quá trình quang hợp tạo nên và hóa thạch theo thời gian vùi lấp ở dưới mặt đất. Ngoài ra, trong thực vật còn cho nhiều sản phẩm hóa học khác. Có thể tóm tắt theo sơ đồ được trình bày sau: Trong công nghiệp cung cấp dầu béo: tinh dầu, hương liệu, tannin làm màu nhuộm, rezin, dầu nhờn, cao su, sợi, bột giấy. Các cây thuốc cho dược phẩm, cây có chất độc, thuốc cá, thuốc trừ sâu. Cây làm nhựa mủ: làm chất đốt, nhiên liệu. Một số rong biển cho agar, alginate, carageenan. Mỡ cá voi, mùi thơm cà cuống, xạ hương chồn, mùi vani, chất cho mùi với chất giữ hương dùng trong giải khát,v.v. Ngoài những chất tự nhiên đã được con người sử dụng từ lâu còn có những chất quí hiếm mà trong hóa học không thể chế tạo được.người ta phải nuôi trồng trong điều kiện cần thiết cho quá trình sống của chúng (thành phần và tỉ lệ vi lượng thích hợp, điều kiện khí hậu thích nghi). Đó là những cây con đặc sản của từng vùng mà nơi này có, nơi khác không có hoặc nếu có thì chất lượng sản phẩm thua kém. Ví dụ: nhân sâm ở Triều Tiên có một số vùng trồng được loại tốt. ở nước ta có tam thất, trầm hương, quế Thanh (Thanh Hóa), quế Trà Mi (Quảng Nam). Gần đây người ta đã phát hiện trên đỉnh núi Ngọc Linh (Kontum) có loại nhân sâm (người ta đặt tên là nhân sâm Ngọc Linh), phẩm chất còn tốt hơn cả nhân sâm Triều Tiên. Ở Pháp có loại nấm Truffe, giá có lúc lên 4.000 Francs/kg. Nấm Melanosporum tuberculum sống ở vùng núi đá vôi, sống cộng sinh với cây sồi (Quercus) mọc ở đất 1-2 dm. Để tìm giống nấm này, người ta dẫn lợn đi đánh hơi. Nấm này tạo hương tự nhiên khi nấu gan vịt, ngỗng. Shikonin là chất có màu đỏ dùng làm chất chế màu. Chất này lấy từ rễ cây Lithospermum erythrorhizon có ở Nhật Bản, Triều Tiên. Cây này trồng 5-7 năm, chiết rễ lấy được 1-2% chất khô, giá 1 kg là 4.500 USD. Nhu cầu tiêu thụ shikonin cao. Ở Nhật Bản phải nhập thêm của Trung Quốc, Triều Tiên. Hiện nay, ở Nhật Bản dùng kĩ thuật nuôi cấy mô và tế bào để nhân giống, chọn dòng tế bào có tỉ lệ shikonin cao (14-15%). Người ta chọn dòng tế bào có màu đỏ đậm thì tỉ lệ shikonin càng cao. Người ta dùng nồi lên men 750 lít để nuôi tế bào trong 15 ngày thu được 5 kg. Nhờ phương pháp này mà khối lượng thu được nhiều và chọn dòng có chất lượng cao. Bằng con đường nuôi cấy mô và tế bào hiệu quả gấp 800 lần so với nuôi trồng tự nhiên. Nhờ CNSH can thiệp vào mà nhiều sản phẩm quí được nhân lên nhanh, do đó việc thu nhận các sản phẩm quí được nhiều.
3. 115 CNSH chế biến các sản phẩm sau thu hoạch Trương Văn Lung Việc hiểu biết các cơ chế di truyền và kĩ thuật đã thay đổi hướng sản xuất và mở ra nhiều triển vọng tốt đẹp. Ở Bungarie, hoa hồng được tạo gene, khống chế gene tạo mùi thơm biểu hiện sớm, thu được nhiều chất có mùi hương khác nhau và rẻ tiền hơn nhiều lần so với việc thu hương tự nhiên. Ngoài ra, trong nuôi cấy có thể tự động và điều khiển được nhờ điện toán (tạo pH, độ ẩm, ). 2. Sự chuyển hóa sinh học là cơ sở khoa học của công nghệ chế biến tạo ra sản phẩm hữu cơ thực phẩm CNSH, các sản phẩm của sự tổng hợp sinh học và các quá trình lên men chuyển hóa vật chất gắn liền với những điều mới mẻ và có khi là bất ngờ không những chỉ đối với nông nghiệp, lâm nghiệp, y học (phần một và hai). Càng ngày càng thấy rõ khả năng ứng dụng cụ thể và rộng rãi chúng trong các ngành hóa học và năng lượng học. Việc sản xuất các acid hữu cơ, acid amin, con người đã chế tạo ra nó để sử dụng khá sớm. Cha ông ta từ xưa cũng đã biết muối dưa, làm giấm, làm tương, chao để sử dụng trong đời sống hằng ngày. Acid citric được sản xuất từ chanh Sau đại chiến thế giới lần thứ nhất (1920), người ta sản xuất bằng con đường vi sinh vật. Sau đó người ta cũng đã sản xuất nhiều acid amin khác nhau. Từ năm 1909, Nhật Bản bắt đầu sản xuất acid amin là acid glutamic. 2.1. Sự chuyển hóa sinh học (biotransformation) và các ứng dụng trong sản xuất và công nghiệp Các sinh vật có khả năng thực hiện nhiều loại phản ứng hóa học khác nhau . Chưa kể đến những phản ứng hóa học ở động vật và thực vật, trong vi sinh vật ngay từ năm 1959, người ta đã phát hiện thấy hơn 1.500 phản ứng khác nhau. Những phản ứng chung bao gồm: - Phản ứng oxyhóa: decarboxyl hóa các acid amin - Phản ứng khử: phản ứng 2NH2 + 3H2 → 2NH3 - Phản ứng carboxyl hóa tạo nhóm –COOH ở các acid hữu cơ - Phản ứng mất amin (desamination) - Phản ứng tạo glucoside xẩy ra khi tổng hợp tryptophan - Phản ứng thủy phân - Phản ứng methyl hóa (gắn nhóm –CH3) - Phản ứng ether hóa, ester hóa - Phản ứng mất nước - Dismutation: khi tổng hợp các chất chỉ được chuyển đổi và tạo ra các hợp chất trung gian, sau đó được biến đổi để tạo thành chất mới
4. 116 CNSH chế biến các sản phẩm sau thu hoạch Trương Văn Lung - Phản ứng kết hợp (condensation: ngưng tụ, cô đặc) - Phản ứng amin hóa: - Phản ứng acetyl hóa tạo acetylCoA - Phản ứng amylin hóa: cắt bột thành đường Các phản ứng này được thực hiện trong các ngành công nghiệp để sản xuất ra các sản phẩm cần thiết. Một trong những ví dụ điển hình là sử dụng các sinh vật để thực hiện các phản ứng trong chế biến D-sorbitol thành L-sorbic: CHO CH2OH CH2OH H-C-OH H-C-OH Acetobacter C=O OH-C-H Hóa học OH-C-H suboxydase OH-C-H H-C-OH H-C-OH H-C-OH H-C-OH H-C-OH OH-C-H CH2OH CH2OH CH2OH Glucose D-Sorbitol L-Sorbose Dùng biotransformation L-sorbose → L-acid ascorbic (vit.C) Nhờ vi khuẩn chuyển phản ứng D-sorbitol thành L-sorbose mà sản phẩm được hạ giá thành so với thực hiện phản ứng bằng hóa học. Việc sản xuất cortison chất trị thấp khớp, đau nhức được tổng hợp hóa học để bán ra thị trường. Nếu bằng con đường hóa học thì phải trải qua 37 công đoạn. Vì vậy giá thành cao (giá 200 USD/g). Nhờ sự kết hợp giữa hóa học và vi sinh vật học mà qui trình sản xuất này rút ngắn còn 11 công đoạn và giá thành chỉ còn 0,68 USD/g mà không cần đến nhiệt độ và áp suất cao. Rất nhiều chất kháng sinh hiện nay dùng trong điều trị, người ta sản xuất bằng con đường hóa học kết hợp với sinh vật học. 2.2. Sản xuất acid hữu cơ * Acid citric: Những năm 1920, người ta sản xuất acid citric bằng cách dùng Aspergillus niger. Người ta cũng đã tuyển chọn những giống Aspergillus có năng suất cao để sản xuất có hiệu quả. Cơ chất cho quá trình lên men này là mật rỉ đường, nuôi ở độ pH thấp (pH=3). Dưới hoạt động của Aspergillus, pH chuyển sang dạng acid (pH=1), sau đó người ta chiết ra được acid citric. Trong quá trình lên men, dùng Aspergillus niger chuyển được 90% đường thành acid citric. Người ta cho CaCO3 để tạo thành tủa calcium citrate lắng xuống, sau đó cho tác dụng tủa với H2SO4 để tạo thành acid citric và CaSO4 lắng xuống. Đem acid citric cô, kết tinh. Trong quá trình lên men, ở bề mặt tạo thành một lớp bào tử đen dày.
5. 117 CNSH chế biến các sản phẩm sau thu hoạch Trương Văn Lung Sau này người ta sản xuất acid citric bằng cách nuôi Aspergillus trên parafin dầu mỏ. * Acid gluconic: có một thời gian, người ta sản xuất acid này bằng con đường lên men vi sinh vật từ glucose dưới tác dụng của enzyme glucosoxydase: Glucose enz ym e acid gluconic Glucosoxydase là một enzyme cần không khí, vì vậy trong sản xuất cần sục khí mạnh. Người ta tủa acid gluconic bằng CaCO3 để tạo thành calcium gluconate (dược phẩm dạng cốm cho trẻ em). Hiện nay, người ta vẫn sản xuất bằng con đường hóa học là chủ yếu, vì vi sinh vật rất dễ bị nhiễm và chọn chúng tương đối khó. Enzyme glucosoxydase đã sử dụng để bảo quản thực phẩm. Cho vào bia một ít enzyme này sẽ bảo quản lâu hơn. Bởi vì, trong bia còn một ít đường glucose. Chúng được lên men thành acid gluconic sẽ loại được O2 và bia hơi chua một ít nên ít bị nhiễm và giữ được lâu hơn. * Acid itaconic: được sản xuất từ Aspergillus itaconicus và Aspergillus terreus. Cơ chất của nó là mật rỉ đường, chất tinh bột, đường. Acid này được dùng trong sản xuất polymer và được dùng trong sản xuất len nhân tạo. Khi công nghiệp hóa dầu phát triển con đường sản xuất này bị ngưng. * Acid lactic: được sản xuất chủ yếu là dùng vi sinh vật lên men lactic. Công nghiệp hóa dầu phát triển thì sản xuất acid lactic bằng con đường vi sinh vật cũng bị ngưng. 2.3. Sản xuất acid amin * Acid L-glutamic: lần đầu tiên vào năm 1909, hãng Ajinomoto Nhật Bản sản xuất acid này. Thật ra, bột ngọt đã được sản xuất từ năm 1908 bằng cách thủy phân gluten của bột mì. Người ta dùng Micrococcus glutamicum chính xác hơn là Brevibacterium glutamicum. Trước đây sản xuất được 40g/l. Hiện nay nhờ chọn lọc dòng có năng suất cao nên sản xuất được 120g/l. * Lysine: cũng được sản xuất lượng lớn để bổ sung vào thực phẩm. Chu trình của chúng là: L-aspartic L-lysine   L-aspartic  Homoserine Methionine semialdehyde  Threonine Isoleucine Trong sản xuất cần ức chế con đường  và  để tạo thành lysine được nhiều hơn. Sau đây là kết quả của việc sản xuất acid hữu cơ và acid amin.
6. 118 CNSH chế biến các sản phẩm sau thu hoạch Trương Văn Lung Sản phẩm Giá đơn vị Tổng sản lượng (USD) (tấn/năm) Acid glutamic 3.5-4,0 300.000 Acid citric 1,5 300.000 Lysine 5,0-5,5 40.000 Acid lactic 1,0-1,5 40.000 2.4. Sự cố định enzyme và cố định tế bào  Sử dụng các enzyme: các enzyme sản xuất bằng con đường vi sinh vật hoặc tách từ vi sinh vật được sử dụng khá rộng rãi hiện nay. Trong thực tế người ta phát hiện ra 2.000 enzyme khác nhau; cho đến nay, người ta đã thu được 200 loại enzyme và sử dụng rọng rãi trong sản xuất Sử dụng rộng rãi nhất là các loại amylase và proteinase. Sau đây là một số nguồn và ứng dụng của enzyme: Tên enzyme Nguồn Ứng dụng α-amylase Aspergillus oryzae Tạo siroglucose Bacillus amyloliquefaciens Hồ tinh bột β-gluconase Aspergillus niger Dịch hóa trong lên men bia Glucoamylase Aspergillus niger Thủy phân bột Glucoisomerase Artinobacter sp. Fructose cao cấp Bacillus sp. Siro từ bột ngô có fructose cao cấp Việc ứng dụng enzyme vào công nghiệp ngày nay càng được mở rộng. Gần đây phát hiện ra có ba loại enzyme xử lí sản phẩm dầu mỏ tạo polymer, tính ra trong thời gian tới lợi nhuận có thể lên tới 50 tỉ USD. Sản phẩm phụ và chất thải chứa carbohydrate có thể được chuyển hóa bằng cách lên men nhờ các vi sinh vật thông thường hay bằng các quá trình CNSH. Ví dụ: rỉ đường tạo thành từ nước cái, sau khi kết tinh đường mía và được loại khỏi công đoạn chế biến khi nồng độ của đường trở nên quá thấp. Ngoài đường ra, trong đó có sulphite, sodium carbonate và các muối magnesium (đặc biệt với đường củ cải). Tuy nhiên, sự lên men rỉ đường không chuyển hóa được tất cả đường sót lại. Hemicellulose gồm 10% sinh khối gỗ thông và 20% sinh khối gỗ của các cây lá rộng, trên 30% ở rơm rạ và lõi ngô. Thủy phân hemicellulose tạo ra xylen và xylose. Sulzer (Thụy Sĩ) đã tách xylose từ chất thải giàu sulphite của bột gỗ có thể thu 80 kg xylose/1 tấn chất thải gỗ hoặc 120 kg xylose/1 tấn bã mía. Cho lên men trực tiếp hexose và pentose lấy từ dịch thủy phân cellulose và hemicellulose nhờ vi sinh vật phân hủy cellulose để tạo thành ethanol thì vẫn hấp dẫn hơn sản xuất cồn từ tinh bột ngũ cốc. Sự phân giải
7. 119 CNSH chế biến các sản phẩm sau thu hoạch Trương Văn Lung và chuyển hóa cellulose và hemicellulose bằng vi sinh vật sản sinh ra ethanol và các nguyên liệu khác cho công nghiệp hóa chất (furfirol, phenol, cresol) có thể lấy ra được 20.000 tấn ethanol và 22.000 tấn furfirol từ 200.000 tấn rơm đã được biến đổi hoàn toàn. Những sản phẩm tạo thành ở trên đều do các enzyme thực hiện các phản ứng sinh hóa trong cơ chất. Song có nhược điểm là chúng dễ bị mất hoạt tính hoặc giảm hoạt tính sau một số lần sử dụng. Nếu tách chiết các enzyme đó ra để sử dụng thì thường khó khăn và tốn kém. Vì vậy, hiện nay người ta tiến hành cố định enzyme, nghĩa là gắn enzyme vào một chuỗi nào đó để sử dụng nhiều lần. * Gắn lí học (physical assosiation) kết hợp cơ học. Sử dụng những vật xốp (gạch, sành sứ, đồ gốm), enzyme chui vào và gắn vào đó. Thường người ta cho vào một cột trên đó có một số chất nào đó cho phản ứng. Phương pháp này thực tế ít sử dụng vì enzyme dễ gắn vào thì cũng dễ tách ra, do đó, dễ bị rửa trôi đi. * Phương pháp nối những liên kết cộng hóa trị: một đầu của enzyme gắn vào cơ chất, đầu kia của enzyme vẫn tự do.Vì vậy chúng vẫn có họat tính bình thường. Ví dụ: dùng cơ chất là glutaraldehyde hay toluen diisocyanate thực hiện phản ứng bằng những liên kết cộng hóa trị. Phương pháp này ít được sử dụng. Glucose ↓ →Enzyme glucosoisomerase ↓ Fructosse * Phương pháp nhốt (entrapment): những polymer có dạng sợi và những phân tử enzyme tủa ra nằm ở những chất nền dùng để nhốt chúng. Các chất nền thường là chất xốp, thường dùng là collagen, gelatin, agar, alginate, carageenan, polyacrilamide, cellulose, triacetal, polystyrene. Tùy
8. 120 CNSH chế biến các sản phẩm sau thu hoạch Trương Văn Lung theo mục đích mà sử dụng. Đầu tiên có thể dùng monomer đệm trộn với enzyme. Enzyme sẽ nằm vào trong. Sau đó dùng alginate nấu chảy ra, cho đặc lại, cùng enzyme làm thành viên. Cho viên vào các cột rồi cho dịch alginate đi qua. Có nhiều loại enzyme có thể dùng để sử dụng hàng năm trời. Mặc dầu tạo enzyme cố định tốn kém nhưng sử dụng được nhiều lần. Hiệu quả sử dụng enzyme cao. Ví dụ: Tinh bột α amylase Glucose Glucosoisomerase Fructose β amylase  Khi có kĩ thuật thuật cố định, việc tạo fructose là phản ứng thuận nghịch, nếu fructose tạo thành nhiều sẽ phản ứng trở lại thành glucose. Sử dụng enzyme cố định glucosoisomerase lên cột đổ dung dịch glucose qua. Phản ứng tạo thành fructose chảy ra ngoài cột. Nhờ vậy mà có thể thu được dung dịch fructose có đến 90%. Enzyme cố định còn có thể sử dụng được nhiều lần, tránh được ức chế ngược và sử dụng được lâu hơn (nếu như không sử dụng liên tục cũng bị nhiễm). Bằng phương pháp này, ở Mĩ hàng năm thu được 4 triệu tấn.  Cố định tế bào: trong nhiều trường hợp, việc chiết enzyme gặp nhiều khó khăn và tốn kém; nếu dùng được tế bào thì đỡ tốn kém hơn. Việc cố định tế bào cũng giống như việc cố định enzyme, có thể dùng các phương pháp cơ học, gắn bằng liên kết cộng hóa trị hoặc nhốt. Việc cố định tế bào cũng đã được sử dụng từ lâu. Như việc làm giấm cổ truyền bằng cách cho con giấm bám trên mùn cưa, đổ dịch đường, rượu, sẽ tạo thành giấm. Nguyên tắc là cho tế bào bám vào một vật nào đó để sử dụng nó được nhiều lần trên vật cố định. Ví dụ: cố định tế bào Saccharomyces serevisiae để lên men. Người ta pha alginate lỏng trộn lên tế bào nấm men cho thêm CaCl2 để alginate tạo thành calcium alginate, cho qua lưới tạo viên. Khi dùng cũng như đối với việc sản xuất fructose ở trên, cho dịch đường đi qua cột có chứa viên men. Quá trình lên men rượu được thực hiện. Phương pháp cố định này, tế bào cố định được sử dụng nhiều lần. Đối với tế bào thực vật, người ta cũng cố định bằng phương pháp này. Bởi vì, việc tách enzyme ra khỏi tế bào thực vật thì khó hơn. Chúng thường có thành tế bào dày bằng vỏ cellulose. Người ta sử dụng bằng phương pháp cố định tế bào để tạo ra chất ta cần thì có lợi hơn. Để quá trình cố định có kết quả, cần để ý tới các yếu tố sau đây: - Enzyme phải ổn định trong những điều kiện diễn ra phản ứng.
9. 121 CNSH chế biến các sản phẩm sau thu hoạch Trương Văn Lung - Nếu có thể được thì các chất tham gia phản ứng tạo liên kết ngang sẽ chủ yếu chỉ tương tác với những nhóm chức năng năm ngoài tâm hoạt động của enzyme. - Nếu điều kiện trên không thực hiện được thì chất tham gia phản ứng tạo liên kết ngang phải có kích thước lớn, không cho phép nó xâm nhập vào tâm hoạt động của enzyme. - Tâm hoạt động phải luôn luôn được bảo vệ (nếu thực hiện được) bằng các phương pháp khác nhau. Thí dụ enzyme có chứa nhóm –SH thì cần phải xử lí sơ bộ nó băng gluthatione hay cysteine và chỉ tái hoạt hóa enzyme sau khi đã gắn nó vào chất mang. Đôi khi có thể che tâm hoạt động bằng cách bổ sung vào hỗn hợp phản ứng cơ chất đã được bão hòa bởi enzyme. - Biện pháp rửa để tách enzyme “không cần gắn”, không gây ảnh hưởng xấu tới enzyme đã được gắn. - Khi lựa chọn hệ cố định, cần phải để ý tới phản ứng cụ thể. Thí dụ: thật vô nghĩa nếu bằng con đường lí học ta đưa enzyme vào gel mang và sử dụng nó để xúc tác phản ứng phân rã polymer cao phân tử như polysaccharide chẳng hạn. Cũng như vậy, các polyanion sẽ không có vai trò đáng kể nếu là chất mang enzyme xúc tác biến đổi cơ chất anion thành sản phẩm cation, đặc biệt là, nếu như enzyme này lại còn bị ức chế bởi sản phẩm của phản ứng. - Còn phải tính đến các tính chất cơ học của chất mang. Đặc biệt, điều này liên quan tới những chất mang được sử dụng trong những cột lớn. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Lê Doãn Diên, 1994. Công nghệ sau thu hoạch trong nông nghiệp Việt Nam: Thực trạng và triển vọng. Nxb Nông nghiệp Hà Nội. 2. Trương Văn Lung, 1995. Chuyên đề Công nghệ sinh học. Đại Học Huế 3. Trương Văn Lung, 2002.Công nghệ sau thu hoạch. (Hô hấp với việc chế biến và bảo quản thực phẩm). Tủ sách Đại học Khoa học Huế. 4. Phạm Văn Ty, 2001. Miễn dịch học. Nxb Đại Học Quốc Gia Hà Nội 5. Nguyễn Văn Uyển, Nguyễn Tiến Thắng, 1996. Những kiến thức cơ bản về công nghệ sinh học, Nxb Giáo dục Hà Nội. 6. Trần Cẩm Vân, Bạch Phương Lan, 1995. Công nghệ vi sinh và bảo vệ môi truờng. Nxb Khoa học & Kỹ thuật. Trung tâm Giao lưu quốc tế về Văn hóa Giáo dục và Khoa học (CCES), Hà Nội.
10. 122 CNSH chế biến các sản phẩm sau thu hoạch Trương Văn Lung 7. Sasson Albert,1988. Biotechnologies and development Công nghệ sinh học và phát triển. Người dịch: Nguyễn Hữu Thước, Nguyển Lân Dũng và một số dịch giả khác. Nxb Khoa học & Kỹ thuật Hà Nội. 8. Bezborodov A.M., Moxolov V.V., Rabinovitch M.I., Nguyễn Văn Uyển, Ngô Kế Sương và nnk, 1994. Công nghệ sinh học và một số ứng dụng tại Việt Nam, Tập II. Nxb Nông nghiệp Hà Nội.
11. 128 CNSH Chế biến các sản phẩm sau thu hoạch Truong Văn Lung Chương VI Công nghệ sinh học ứng dụng trong khai khoáng và sản xuất vật liệu CNSH ứng dụng trong khai khoáng và sản xuất vật liệu có nhiều đặc điểm tương tự như CNSH tạo sản phẩm hữu cơ thực phẩm. Song, CNSH ứng dụng trong vật liệu ngoài việc chế tạo, khai thác vật liệu, còn là công nghệ dùng thu hồi các chất và xử lí môi trường. Cơ thể sinh vật có thể tạo ra nhiều loại vật liệu quí mà đến nay con người chưa thể bằng cách tổng hợp hóa học nào thay thế nó.Ví dụ việc tạo thành xương trong cơ thể động vật do thức ăn biến đổi mà thành; xương là vật liệu khó thay thế, người ta không thể dùng kim loại để thế xương. Gần đây người ta sử dụng vật liệu thay thế xương là san hô biển. Đây là thành công bước đầu trong CNSH phục vụ sức khỏe cộng đồng mà chương trước chúng tôi chưa có dịp đề cập đến. Đứng về đặc điểm sinh học mà nói, các đảo san hô ở biển, tổ ong thì chưa có một lâu đài nào có thể so sánh được kiến trúc của chúng. Bởi vì, đó là những biopolymer, sản phẩm vật liệu của sinh học. 1. Sự biến đổi, tích lũy và cố định các kim loại Do nạn ô nhiễm môi trường nên một vấn đề đặt ra là phải xử lí chất thải, làm sạch môi trường, làm sạch nước Đây là vấn đề đang được chú ý giải quyết của nhiều nước. Có nhiều cách giải quyết: xử lí bằng phương pháp vật lí học, hóa học; có thể xử lí bằng phương pháp sinh học. Sử dụng phương pháp vật lí và hóa học gặp nhiều tốn kém và ít hiệu quả hơn phương pháp sinh học. Nhiều nơi, các hồ ao bị ô nhiễm, người ta đã tiến hành nuôi Tảo, vi sinh vật, nhờ tảo tích lũy các kim loại, làm biến đổi thành dạng bay hơi hoặc kết tủa xuống, hoặc các chất thải là nguồn thức ăn của chúng. Cơ sở khoa học của giải pháp này là nhiều vi sinh vật có khả năng tích lũy kim loại với nồng độ cao và trong tế bào vi sinh vật một số loài có những chất đặc biệt để gắn với các kim loại. Cấu trúc đặc biệt gắn với kim loại là những kim loại Fe, Mg, Cu, Zn, Mo, và cũng có thể tích lũy những chất khác. Nồng độ tích lũy kim loại của các vi sinh vật thường cao hơn môi trường bên ngoài hàng ngàn lần. Mối quan hệ giữa sinh vật và tích lũy kim loại được thể hiện qua mô hình sau:
12. 129 CNSH Chế biến các sản phẩm sau thu hoạch Truong Văn Lung Tế b ào Bay hơi vi sinh (CH3)3Hg × vật Hấp thụ Tí ch lũy bề mặt × bên trong × ××× Tủa xuống Fe, Mn, Mo, Ni Hình VI.1. Mối quan hệ giữa sinh vật và tích lũy kim loại Ngoài các biện pháp trên, người ta còn tạo chất bay hơi: Methyl hóa các hóa chất chứa các chất độc: arsenic, telure, selence, thủy ngân, tạo thành các chất bay hơi. Tủa xuống: khử sulphate tạo thành sulphite bay hơi: H2SO4 +CH2O → H2S↑ + H2O + 2CO2 Những phần gắn với nó trong hóa chất sẽ được tủa xuống. Hấp thụ bề mặt: nhiều kim loại được tế bào hấp thụ bề mặt của nó như tảo Chlorella hấp thụ Au, một số nấm men hấp thụ uranium trên bề mặt. Một số vi sinh vật khác hấp thụ Fe, Mo, Micrococcus hấp thụ chì. Các vi khuẩn hấp thụ bề mặt nhanh hơn nấm men. Có những vi khuẩn hấp thụ cùng họ hàng nhưng cũng có những vi khuẩn hấp thụ họ hàng của chúng xa nhau. Một số vi khuẩn hấp thụ một số kim loại đặc biệt như Bacillus megaterium ở 20oC gắn 43 mg Cd/1g sinh khối. Tích lũy từ bên trong: sau khi hấp thụ bề mặt, vi sinh vật tiếp tục đưa kim loại vào bên trong như là thức ăn của chúng. Nếu tách kim loại ra khỏi tế bào thì vi sinh vật đó bị chết. Một số vi sinh vật có thể hút kim loại vào trong tế bào với nồng độ gấp hàng triệu lần so với nồng độ bên ngoài. So với các biện pháp khác như vật lí hóa học thì biện pháp sinh học có nhiều ưu thế hơn như không gây ô nhiễm, có thể xử lí và thu hồi ở nồng độ thấp. Vi sinh vật sử dụng chất hữu cơ thải ra làm tăng sinh khối của chúng, đồng thời loại bỏ được chất bẩn trong môi trường hoặc có thể xử lí một cách hữu hiệu đối với từng kim loại thải ra môi trường. Biện pháp dùng sinh vật để xử lí chất thải môi trường hiện nay đang tập trung nghiên cứu và ứng dụng (sẽ đề cập đến ở chương X, phần bốn). 2. Ứng dụng CNSH vào công nghiệp khai khoáng. CNSH khoáng chất (mineral biotechnology) - luyện kim bằng con đường sinh học (bihydrometallurgy) là vấn đề mới mặc dầu cách đây hơn
13. 130 CNSH Chế biến các sản phẩm sau thu hoạch Truong Văn Lung 1.000 năm, người La Mã đã biết lấy đồng từ dòng nước chảy qua mỏ đồng. Vào thế kỉ XVIII, người Anh cùng đã lấy đồng từ nước chảy qua mỏ đồng. Thế kỉ XVIII, người Tây Ban Nha (Spain) lấy đồng từ mỏ Rio- Tinto (Nam Mĩ) nhờ một số sinh vật tác động vào khoáng sản, từ đó con người thu được kim loại. Nhưng trong một thời gian dài, con người ít chú ý đến hướng này. Dần dần tri thức của con người ngày càng được tích lũy, người ta có hướng sử dụng các vi sinh vật biến đổi các khoáng vật để tiến hành khai thác khoáng sản. Hiện nay, sử dụng sinh vật để khai thác đồng, uranium, vàng, bạc, và nhiều kim loại khác. Gần đây, người ta phát hiện thấy loại tảo Chlorella có khả năng hấp thụ vàng trên bề mặt tế bào. Người ta tuyển chọn giống tảo có khả năng hấp thụ vàng trên bề mặt lớn. Từ đó mở ra trong tương lai một hướng tìm các sinh vật có khả năng hấp thụ các kim loại quí hiếm để khai thác. Việc khai thác khoáng bằng con đường sinh học có ưu điểm là: - Ít tốn năng lượng - Ít làm ô nhiễm môi trường, ít làm thay đổi cảnh quan - Có tính đặc hiệu cao, do một số loài sinh vật hấp thụ và biến đổi một số nguyên tố nhất định. 2.1. Tách quặng bằng vi sinh vật Năm 1947, từ vi khuẩn Thiobacillus ferroxydans có khả năng oxyhóa sắt, khử các chất có lưu huỳnh, vì vậy đã làm tan đồng vào dung dịch. Vào những năm 1950-60, người ta đã phân lập được các giống vi khuẩn này. Đặc điểm của chúng là sống trong môi trường có độ pH thấp. Tiếp theo, người ta đã phân lập được một số loài khác như Leptospirillum ferroxydans sống ở pH=1-2. Khác với loại trên là chúng oxyhóa sắt, không ảnh hưởng đến lưu huỳnh. Sau đó, người ta lại phát hiện được hàng loạt các loài khác, có loài chịu nhiệt độ cao như Sulfolobolus bricleyi sống ở nhiệt độ 60oC để biến đổi các sản phẩm chứa lưu huỳnh. Nói chung, các vi sinh vật biến đổi khoáng chất thường sống trong các điều kiện khắc nghiệt mà các loại sinh vật khác không sống được như pH thấp (1-3), chịu đựng được nồng độ chất độc cao mà ở nồng đố đó các sinh vật khác bị ngộ độc như arsenic ở nồng độ 20 g/l, Cu: 60 g/l, Zn: 130 g/l. Về cơ chế tác động, chúng có tác động trực tiếp hoặc gián tiếp các phản ứng sau: 4FeSO4 + O2 + 2H2SO4 → 2Fe2(SO4)3 + H2O
14. 131 CNSH Chế biến các sản phẩm sau thu hoạch Truong Văn Lung hoặc oxyhóa lưu huỳnh: S2 + 3O2 + 2H2O → 2H2SO4 + 283,6 kcal. Còn có thể thực hiện oxyhóa-khử theo phương trình: 4FeS2 + 15O2 + 2H2O → 2Fe2(SO4)3 + 2H2SO4 oxyhóa sphalerite (quạng có chứa kẽm) ZnS + 2O2 → ZnSO4 Có thể tác động gián tiếp như oxyhóa quặng Cu (halkonite) Cu2S + 2Fe2(SO4)3 → 2CuSO4 (tan) + 4Fe2SO4 + S Quặng uranite: UO2+ Fe2(SO4)3 → (UO)2SO4 (tan) + 2FeSO4 + 1/2O2 2.2. Ứng dụng vào công nghiệp khai khoáng Polysaccharide do vi khuẩn tạo ra có cấu tạo và đặc tính hóa lí khác với polysaccharide ở động vật và thực vật ở chỗ chúng có độ nhớt cao khi ở nồng độ thấp. Do vậy, chúng có thể được sử dụng một cách tuyệt diệu để làm chất gây nhũ tương, chất ổn định dung dịch nhớt, chất tạo đông đặc, chất độn, Từ các polysaccharide do vi sinh vật tạo ra có thể dùng như một loại dầu bôi trơn để làm nhẹ bớt quá trình khoan giếng tìm dầu mỏ và khí đốt. Các polysaccharide khác của vi sinh vật cũng như những loài vi khuẩn xác định, nếu bơm dung dịch hoặc huyền phù của chúng vào giếng khoan sẽ tạo ra trong vĩa quặng sự hình thành tích cực các khí, áp suất tất nhiên sẽ tăng lên và hiệu suất khai thác dầu sẽ tăng lên. Chất béo nhận được khi chiết rút hydrocarbon từ nấm men nuôi cấy trên parafin lỏng và nhiên liệu diesene lại là tác nhân tốt trong quá trình làm giàu khoáng sản bằng phương pháp tuyển nổi. Tài nguyên thiên nhiên khai thác nhiều lúc bị hao hụt một cách đáng kể, đặc biệt là các tài nguyên quí dưới đất. Đó là do kĩ thuật khai thác và chế biến chúng còn lạc hậu. Ở Liên hiệp xí nghiệp khai thác luyện kim Dreskasgan tới 1/5, ở một vài vĩa tới 1/3 số lượng quặng đồng còn sót lại trong đất. Các nhà máy luyện chì và các nhà máy luyện kim khác tích lại tới hàng triệu tấn xỉ. Trong các xỉ này có chứa tới hàng nghìn tấn kim loại màu và kim loại hiếm. Trong khi đó, dịch huyền phù của các chủng vi sinh vật được lựa chọn lại có khả năng hòa tan đồng, cobalt và nhiều thành phần khác của các quặng nghèo và bã thải. Các dung dịch được lấy từ đất lên và thu thập lại trong các thiết bị để xử lí bằng lên men, đó sẽ là các nguồn kim loại tinh khiết có được mà không cần các quá trình luyện kim. “Nghề nghiệp” của các vi sinh vật luyện kim là rất khác nhau. Chẳng hạn, nhờ vi khuẩn có thể tách được arsen ra khỏi dịch có thiếc-đồng-arsen, phân tách được dịch cô đặc đồng-kẽm và một số dịch cô khác, tách được vàng từ quặng arsenopyrite, thậm chí tách được uranium từ nước biển.
15. 132 CNSH Chế biến các sản phẩm sau thu hoạch Truong Văn Lung Chắc là trong tương lai sẽ có những mỏ tự động và các xí nghiệp khác nhằm khai thác, làm giàu, tinh chế luyện kim màu, kim loại hiếm trên cơ sở CNSH và có thể hoàn toàn không có công nhân. Các sản phẩm của việc sản xuất nhờ vi sinh vật tỏ ra có lợi cả đối với các nhà luyện kim đen, các xí nghiệp sản xuất ô tô, xe tăng. Các dẫn xuất lipid vi sinh vật, các monocarbonic của các acid béo có thể là dầu bôi trơn tuyệt diệu đối với các trục máy cán khi sản xuất các tấm thép mỏng, còn phospholipid - chất phụ gia chống ăn mòn được đưa vào dầu nhờn. Từ furfinol của công nghiệp thủy phân, người ta đã sản xuất được nhựa feran và furil tổng hợp. Đó là những chất kết dính tuyệt vời dùng để sản xuất các cốt cao cấp. Các cốt này rất cần thiết cho các lá thép, gang, đồng và nhiều chi tiết khác có hình dạng phức tạp, cần cho các khuôn kim loại có chất lượng cao, cho phép giảm bớt hoặc loại bỏ hẳn các xử lí cơ học tiếp tục và làm tiết kiệm được kim loại. Hiện nay trên thế giới đã có nhiều nước sử dụng CNSH đã tách các kim loại hiếm ở qui mô lớn. Ngoài việc tách đồng nhờ vi khuẩn Thiobacillus perroxyd để thu đồng gấp 5-6 lần so với khai thác thông thường. Người ta đã: - Tách uranium: ở Canada có đến 75% uranium ở dạng oxyde U3O8. Mỏ Denison đã dùng vi sinh vật để khai thác. Năm 1986, đã khai thác đạt 360.000 kg U3O8. Trong tương lai, ở Canada sẽ mở hàng chục xí nghiệp để sản xuất quặng uranium. - Tách vàng, bạc: Au, Ag thường lẫn trong phức chất pyrite FeS2. Thường pyrite bao ngoài các chất đó. Lúc đầu Mĩ, Australia khai thác vàng bọc pyrite ở ngoài rất nhiều khó khăn. Khai thác không hiệu quả. Sau này Liên Xô (cũ), Mĩ dùng vi sinh vật để làm tan pyrite ở ngoài, để lộ vàng ra. Nhờ vậy mà vốn đầu tư thì ít mà hiệu quả kinh tế thì cao. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Phạm Thành Hổ, 1994. Công nghệ sinh học. Tài liệu đánh máy trường Đại học Khoa học Tự nhiên thành phố Hồ Chí Minh. 2. Nguyễn Bá Lộc, 1999. Giáo trình Công nghệ sinh học. Nxb Giáo dục Hà Nội. 3. Trương Văn Lung, 1995. Công nghệ sinh học. Tủ sách Đại học Khoa học Huế. 4. Nguyễn Văn Uyển, Nguyễn Tiến Thắng, 1996. Những kiến thức cơ bản về công nghệ sinh học, Nxb Giáo dục Hà Nội.
16. 133 CNSH chế biến sản phẩm thu hoạch Trương Văn Lung Chương VII Công nghệ sinh học ứng dụng trong chế biến các sản phẩm nông lâm ngư nghiệp Lịch sử của ngành học chế biến chuyên nghiên cứu về những biến đổi sinh hóa của ngũ cốc được phát triển theo yêu cầu của công nghệ bảo quản và chế biến lương thực. Phần lớn các công trình đều hướng vào nghiên cứu các thành phần hóa học của ngũ cốc (gạo, bột, mì sợi, bánh mì, ). Người ta đã nghiên cứu những công nghệ cổ truyền và công nghệ mới để chế biến các sản phẩm phù hợp với nhu cầu, tập quán sống của con người. Sau đây là một số ví dụ. 1. Công nghệ chế biến cổ truyền 1.1. Sản phẩm công nghệ chế biến từ glucid (saccharide) ở thực vật Từ xưa ông cha ta đã biết chế biến các sản phẩm từ tinh bột để cho chúng vừa khỏi bị hư hỏng vừa tăng chất lượng và hương vị của sản phẩm. Nguyên liệu để chế biến tinh bột là các loại củ, hạt như ngô, khoai, sắn. Hàm lượng đường bột rất cao (>70%). Người ta chế biến phần lớn bằng phương pháp thủ công hay máy móc. Các dạng tinh bột thường được lên men hoặc ủ chua, sau đó tùy theo sản phẩm cần dùng mà có những phương thức chế biến khác nhau để có hương vị khác nhau. Phổ biến trong dân gian, người ta làm bánh để ăn hàng ngày, làm kẹo, làm đường và cao hơn nữa là làm rượu.Ở các nước châu Âu có rượu nho người ta làm bằng con đường thủ công truyền thống đã xuất hiện hàng ngàn năm nay. Ở các nước trong khu vực Đông Nam Á cũng có các loại cơm rượu như cơm rượu nếp Indonesia, vang quả Philippines, rượu sakê Nhật Bản. Ở Việt Nam có rượu dâu tây, rượu cuốc lủi, rượu nếp than, rượu vang đỏ, vang trắng, rượu nếp (rượu đế), rượu màu (chế biến từ hoa quả) v.v. 1.2. Sản phẩm công nghệ chế biến từ protein động vật và chế biến lên mem từ thực vật Ngoài glucid ra, protein là thực phẩm không thể thiếu được đối với con người. Thậm chí, ở các nước phát triển protein là nguồn thực phẩm chính. Sự nghèo đói là sự thiếu protein. Nói cách khác, người ta lấy tiêu chí protein cung cấp nhiều hay ít đối với con người để đánh giá nước đó thuộc vào diện nghèo đói ở mức độ nào.
17. 134 CNSH chế biến sản phẩm thu hoạch Trương Văn Lung Protein cung cấp cho con người lấy từ nguyên liêu của động vật, thực vật thậm chí từ vi sinh vật. Trong dân gian, thịt, tôm, cá là món ăn hàng ngày có chứa protein. Dưới tác động của điều kiện bên ngoài như nhiệt độ, độ ẩm, vi sinh vật lên men thối, protein dễ bị hư hỏng. Vì vậy, từ xưa người ta đã có những phương pháp bảo quản như xử lí bằng nhiệt độ: phơi nắng, hun khói, nướng, quay, sấy bằng hệ thống nóng, sấy thăng hoa, làm lạnh (ướp lạnh, lạnh đông); bảo quản bằng phương pháp hóa học: ướp muối, ướp bằng acid, chất kháng sinh, v.v. Người cũng tiến hành chế biến, chuyển hóa thịt, cá để có sản phẩm ngon miệng hơn như làm mắm, làm tôm chua, nem chua. Một số địa phương có những chế biến truyền thống như làm mắm nêm, mắm cá thu, nước mắm Phan Thiết, nước mắm Phú Quốc, tôm chua Huế, nem chua Thanh Hóa, nem chua Huế, Tôm muối thính Balao Balao (Philippines), tôm muối Kung Chom (Thái Lan), cá thu muối Kysaya, mực muối Ika Shiokara (Nhật Bản); v.v. Về thực vật người ta chế biến thành các sản phẩm giàu protein như làm tương, chao, nước chấm, xì dầu, đậu hũ, sữa đậu nành tươi, v.v. Trong các loại thực phẩm lên men truyền thống thì miso của Nhật Bản (700.000 tấn/năm ở đầu thập kỉ 60 của thế kỉ trước) rất đáng chú ý. Dùng đậu tương nguyên hạt và lên men nhờ Aspergillus oryzae. Ở Nhật Bản dùng miso 24 g/đầu người/ngày. Đậu phụ, chao, tương Trung Quốc (sufu) và cả ở Việt Nam là sản phẩm giống như fromage (phomat) được chế biến nhờ nấm mốc (chủ yếu là Mucor). Ang-kak là một loại thực phẩm chế biến ở Trung Quốc bằng cách lên men gạo nhờ nấm mốc Monascus purpurcus. Ở Mĩ và nhiều nước khác người ta đưa dây chuyền sản xuất ở qui mô lớn các sản phẩm giống như thịt nhưng đúng là không hề chứa thịt. Nguồn protein ở đây là đậu tương được cô đặc lại hoặc tách ra. Từ dung dịch này có hoặc không bổ sung casein và albumin trứng), người ta nhận được món thịt đông, dùng kĩ thuật xe sợi ướt làm thành thớ, tạo ra các món thịt (giò, chả, thịt rán, biptêt, thịt muối, thịt băm, giăm bông, thịt thú rừng, và cá thịt nghiền paté). Ở Việt Nam những chùa chiền và cả những Phật tử theo đạo Phật, người ta cũng dùng các món ăn chay, nhìn bề ngoài là những món ăn bằng thịt nhưng không phải từ thịt. 1.3. Sản phẩm công nghệ chế biến từ các loại dầu thực vật và mỡ động vật Ở trong thực vật, lipid có tên là dầu, ở động vật người ta thường hay gọi là mỡ. Lipid hay chất béo là những hợp chất hữu cơ có trong tế
18. 135 CNSH chế biến sản phẩm thu hoạch Trương Văn Lung bào sống, không hòa tan trong nước, nhưng tan trong các dung môi hữu cơ, không phân cực như ester, ether dầu hỏa, toluen. Lipid là thành phần cấu tạo quan trọng của các màng sinh học là nguồn nguyên liệu dự trữ, cung cấp năng lượng cho cơ thể. Lipid thường được chia thành hai nhóm lớn: Lipid đơn giản là ester của alcohol và acid béo. Thuộc nhóm này có triaxylglycerol (dầu thực vật, mỡ), sáp và sterid. Lipid phức tạp: trong phân tử của chúng ngoài alcohol và acid béo còn có các thành phần khác như các gốc acid phosphoric, cholin, saccharide. Nhóm này được chia thành các nhóm nhỏ tùy theo bản chất và cấu tử alchohol hoặc cấu tạo khác như glycerophospholipid, glyceroglycolipid, sphingophospholipid và sphingoglycolipid. Phần lipid của thực phẩm, các thực phẩm chế biến chủ yếu từ lipid động thực vật, mỡ, dầu béo tinh luyện đều là những đối tượng cho vi sinh vật gây hư hỏng. So với thực phẩm khác thì mỡ và dầu béo tinh luyện ít bị hư hỏng bởi vi sinh vật hơn. Chính các sản phẩm giàu lipid này hư hỏng vì hóa học nhiều hơn vì vi sinh vật. Hình thức hư hỏng chính của lipid là quá trình thủy phân và oxyhóa hoặc phối hợp cả hai quá trình này. Kết qua lipid bị chuyển hóa thành glycerine, khí CO2 và nước. Biểu hiện hư hỏng chủ yếu của các loại mỡ và dầu béo tinh luyện là hiện tượng ôi, khét. Các sản phẩm lipid bị ôi thường có mùi vị rất khó chịu. Trong quá trình ôi, các phản ứng thủy phân và oxyhóa thường xảy ra đồng thời. Việc chế biến dầu mỡ cổ truyền của nhân dân từ trước đến nay là ép (đối với thực vật) và rán (đối với động vật). Ví dụ: Lạc có chứa nhiều dầu và protein, là loại thực vật quí. Lạc được dùng làm dầu ăn, bơ nhân tạo. Khô lạc được dùng để chế biến nước chấm, chế phẩm protein, bánh kẹo, thức ăn gia súc, v.v. Bản thân hạt lạc dùng làm thức ăn, lạc rang. Quả lạc có lớp vỏ cứng, có tác dụng bảo vệ rất tốt cho hạt tránh được ảnh hưởng xấu của môi trường bên ngoài. Các gia đình ở nông thôn có thể dùng 2 lớp cót quây quanh, ở giữa là lớp trấu khô hoặc tro bếp để chống ẩm. Nếu số lượng ít có thể bảo quản bằng chum, vại và bịt kín. Trong chế biến cổ truyền, thủ công, người ta hay áp dụng phương pháp ép. Lạc sau khi được lựa chọn, đem vào nghiền nát. Mục đích của quá trình này là phá hủy triệt để những tế bào nhân nhằm giải phóng dầu ra ở dạng tự do để dễ thu hồi. Độ ẩm thích hợp cho quá trình nghiền là 10- 12oC. Bột nghiền được đưa qua chưng sấy để làm cho dầu được linh động và khi ép dầu dễ dàng thoát ra.
19. 136 CNSH chế biến sản phẩm thu hoạch Trương Văn Lung Ngoài lạc ra, người ta cúng sử dụng nhiều thực vật khác để ép dầu như cọ dầu, dừa, đào lộn hột (điều), ôliu, đại hái (mỡ lợn, mắc pì mua), hướng dương, bông, v.v. tùy theo nhu cầu sử dụng của chúng. Xì dầu (shoyu) chế ở Trung Quốc cách đây nhiều thế kỉ và sau đó lan ra các nước khác ở Viễn Đông, Nhật Bản là nước sản xuất chủ yếu hiện nay. Chế tạo xì dầu nhờ lên men của Aspergillus oryzae. Về mỡ động vật thì người ta thường hay rán nhất là mỡ lợn, mỡ bò, mỡ cừu, mỡ gà, vịt, mỡ cá, v.v. Nói chung, mỡ có năng lượng cao cung cấp cho nhu cầu sống nên người sử dụng khá phổ biến nhất là các nước ở vùng ôn đới, hàn đới. Tuy nhiên, trong mỡ có nhiều cholesterol gây xơ cứng động mạch, nên sau này nhiều nước sử dụng chủ yếu là dầu thực vật. 1.4. Sản phẩm chế biến từ rau quả Rau quả là một trong những sản phẩm có tỉ lệ thất thoát cao nhất, có khi lên tới 100%. Một trong những yêu cầu quan trọng nhất đối với việc chế biến và bảo quản rau quả là làm thế nào để bảo tồn một cách tối đa các chất dinh dưỡng, hương vị, màu sắc của rau quả. Muốn vậy, cần phải hiểu rõ thành phần hóa học, các quá trình hóa sinh xẩy ra trong rau quả. Những tính chất quan trọng nhất của quả như hương vị, màu sắc, độ bền khi bảo quản đều được hình thành trong quá trình chín. Việc nghiên cứu quá trình sinh lí, hóa sinh cơ bản của sự chín có ý nghĩa to lớn trong việc tăng cường phẩm chất của quả. Xác lập thời hạn tối ưu trong thu hoạch và ngăn ngừa những tổn thất khi bảo quản và chế biến. Đó là những quá trình sinh trưởng của quả khi chín, những biến đổi về thành phần hóa học của quả khi chín. Nhân dân ta từ xưa đến nay, qua quá trình sống đã tích lũy nhiều kinh nghiệm, nên thu hoạch quả vào lúc nào để dùng vào mục đích gì. Từ nhiều thế kỉ nay, con người đã biết bảo quản và chế biến rau quả, là loại thực phẩm nhanh bị hư hỏng. Trước hết người ta chú ý đến việc chọn lọc các giống cây cho quả và rau có chất lượng tốt và bảo quản lâu. Tiếp theo đó là lai hữu tính, đồng thời kết hợp với biện pháp chăm sóc cây nhằm mục đích tạo ra các giống rau quả có chất lượng mong muốn. Rau quả thì có những loại cần bảo quản tốt để sử dụng, không cần qua chế biến, có loại thì cần phải tiến hành việc chế biến hoặc chuyển hóa sản phẩm. Ví dụ: cam, bưởi, cần bảo quản bằng cách vùi trong cát hoặc cho vào chum nước đường, nước mật để vừa diệt khuẩn vừa không có không khí, giảm tối đa quá trình hô hấp: khí CO2 và nước không thoát ra làm quả tươi lâu. Rau quả cho vào tủ lạnh để chống sự lên men thối. Một số sản phẩm khác như hành, kiệu, măng thì phơi nắng. Có loại thì muối chua như dưa chuột, các loại cải, cà chua, v.v. Có loại chế biến thành rượu
20. 137 CNSH chế biến sản phẩm thu hoạch Trương Văn Lung như nho, dâu, mơ, mận, v.v. Qua sự bảo quản và chế biến phong phú này không những sản phẩm không bị thất thoát mà còn làm tăng hương vị thơm ngon hoặc chất lượng tốt hơn cả khi dùng tươi sống. 2. Một số qui trình công nghệ lên men hiện đại Mặc dầu CNSH chủ yếu đã được thực hiện và phát triển ở các nước đang phát triển với các thành tựu như lên men liên tục - bất động hóa enzyme và tế bào, công nghệ di truyền, vô tính hóa các gene (gene cloning), các bí quyết về công nghệ cổ truyền cũng không hề thiếu tại các nước đang phát triển. Tuy vậy, các nhà nghiên cứu Nhật Bản ở viện Nghiên cứu Vật lí và Hóa học (RIKEN, Bảo tàng giống vi sinh vật Nhật Bản), ở viện Nghiên cứu Vi sinh vật học ứng dụng thuộc Đại học Tổng hợp Tokyo và ở bộ môn CNSH thuộc viện Nghiên cứu Khoa học và Kĩ thuật Thái Lan (bộ Khoa học và Kĩ thuật Bangkok (đã phân lập được 80 chủng nấm men từ 39 mẫu thuộc 29 loại thực phẩm khác nhau (cá, tôm, thịt, ngũ cốc, hoa quả, ) và các vật liệu có liên quan khác ở Thái Lan. Các chủng này thuộc về các chi Candida, Debaryomyces, Geotrichum, Pichia, Saccharomyces, Saccharomycopsis và Stephanoascus. Các nghiên cứu này đã được tiến hành nhằm mục đích làm sáng tỏ vai trò của các loại nấm men trong quá trình lên men và làm chín các thực phẩm lên men để làm tăng chất lượng của các sản phẩm lên men.Các quá trình này chịu sự ảnh hưởng của sự hiện diện nhiệu loại vi sinh vật khác nhau. Chẳng hạn, vi khuẩn lactic và nấm men đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuất và làm chín rượu sakê, nước chấm, tương, fromage (phomát) v.v. Sự phối hợp tác động của vi sinh vật cũng nổi bật trong các quá trình sản xuất và làm chín thành thục nhiều loại thực phẩm lên men ở vùng Đông Nam Á (Suzuki M. et al. 1987). Những mặt dưới đây cho thấy rõ những lợi ích mà các nước đang phát triển có thể đạt được trong ứng dụng CNSH hiện đại vào việc chế biến các sản phẩm nông lâm ngư nghiệp dựa trên những bí quyết của CNSH cổ truyền và CNSH mới để đáp ứng nhu cầu về thực phẩm và dinh dưỡng. 2.1. Công nghệ lên men từ nguyên liệu giàu glucid Trong quá trình chế biến, CNSH ngày càng phát triển đã đóng góp phần đáng kể để chế biến các sản phẩm có chất lượng cao. Lên men trên môi trường xốp (môi trường bán lỏng) Trong các điều kiện lên men nhằm nâng cao giá trị dinh dưỡng và giá trị kinh tế cho nông sản và phụ phẩm của công nghiệp thực phẩm thì lên men trên môi trường xốp là những phương pháp công nghệ rất đáng quan tâm.
21. 138 CNSH chế biến sản phẩm thu hoạch Trương Văn Lung Ở Indonesia, Tempeh chứa đến 55% protein là loại bánh xốp làm bằng đậu tương (bánh Kedeke), bằng lạc (bánh Ontjom) hay bằng dừa (bánh Bongkrek). Chế tạo Tempeh cần 2-3 ngày. Đậu tương được ngâm nước 12 h, bóc vỏ, luộc đậu trong 30 phút để phá chất ức chế enzyme tripsine của tụy tạng và một chất ức chế sinh trưởng khác. Rửa lại đậu nhiều lần và rửa nước. Cấy bào tử nấm Rhizopus oligosporus và các hạt đậu đã được nghiền nhỏ đựng trong khay, sự lên men kéo dài 36-38 h ở nhiệt độ 34oC. Thu được bánh màu nâu nhạt. Tempeh được ăn sau khi đã nấu hay rán với dầu dừa. Khi lên men sẽ xẩy ra quá trình thủy phân các thành phần α- glucoside cũng như 30% triglyceride, làm giải phóng ra loại acid béo chủ yếu là acid linoleic (2,5 g/100g) trong khi hàm lượng lipid trong Tempeh vẫn gần bằng lượng lipid trong đậu tương (20-26%). Lượng protein tăng lên và đạt tới 50-55% trọng lượng khô (đậu tương chứa 40-43% protein) vì phần lớn protein bị enzyme protease của nấm mốc thủy phân thành ạcid amin nên lượng chứa nitrogen hòa tan tăng từ 0,5-2%. Nhờ vậy mà đã làm thay đổi chất lượng của đậu tương khi dùng Tempeh. Tempeh cũng khá giàu riboflavin (vit. B2: 7µg/g) và niaxin (vit.PP: 60µg/g) (vit. B2 cao hơn 2 lần và vit. PP cao hơn 5 lần so với Đậu tương). Tempeh còn chứa vit. B12 (5-30 mg/g). Các nhà khoa học Mĩ đã ứng dụng cách chế biến Tempeh của Indonesia vào việc chế biến ngũ cốc và Sắn. Bột Mì được lên men bằng Rhizopus oligosporus ở nhiệt độ 31oC trong 20 h có chứa lượng protein cao hơn ban đầu 6-7 lần, riboflavin cao hơn 5 lần và niaxin cao hơn 2 lần. R. oligosporus tạo ra ít amylase, do đó bột Mì không bị thủy phân và không xảy ra quá trình lên men rượu. Raimbault (Pháp) đã nghiên cứu ở Senegal sự thủy phân bột sắn bằng vi khuẩn Lactobacillus nhằm bảo quản sắn tươi hoặc cấy thêm nấm sợi đã làm giàu protein cho bột sắn. Các chủng vi khuẩn Lactobacillus có khả năng thủy phân tinh bột được phân lập từ sắn và được dùng để lên men lactic nhằm cải thiện điều kiện bảo quản cũng như nâng cao giá trị dinh dưỡng cho bột sắn. Ở Mexico, Raimbault đã tách được 100 chủng vi khuẩn lactic từ các thực phẩm lên men truyền thống như pulque, pozol, tesguino. Những chủng này thuộc về các chi Lactobacillus, Pediococcus và Streptococcus. Một chủng Lactobacillus đã được lựa chọn để dùng vào việc bảo quản sắn tươi và làm giàu protein cho sắn. Sau khi thực nghiệm lên men ở phòng thí nghiệm, người ta triển khai ra các qui mô sản xuất thử, đánh giá chất lượng dinh dưỡng của các
22. 139 CNSH chế biến sản phẩm thu hoạch Trương Văn Lung sản phẩm lên men, đánh giá nguy cơ nhiễm các chủng đột biến sinh độc tố nấm (mycotoxin). Ngoài Mexico, các nước khác ở Nam Mĩ (Argentina, Chilé, Venezuella) cùng các nước Trung Mĩ và vùng Caribé (Costa Rica, Cuba, Guatemala) cũng quan tâm đến các ứng dụng lên men trên môi trường xốp làm giàu protein cho các cơ chất giàu tinh bột tạo nên các thực phẩm lên men giàu protein gọi tắt là AFEP, làm lên men lactic nhằm bảo quản các sản phẩm nông nghiệp giàu tinh bột, làm tăng khả năng tiêu hóa và tăng hương vị cho các thức ăn chăn nuôi (bã mía, thân cây lúa miến), gia súc lớn, tìm ra các enzyme phân hủy tinh bột, phân hủy cellulose một cách rẻ tiền, khử các chất có hại ra khỏi các nông sản phẩm (khử tannin thuộc loại polyphenol và cafein ra khỏi hạt cà phê). Ngoài ra, người ta làm giàu protein cho một số loại sản phẩm mà trước đây người ta phải chôn hoặc thả xuống biển hàng triệu tấn, nay biến chúng thành thức ăn cho chăn nuôi gia súc, tôm, cá hoặc làm phân bón hữu cơ vi sinh. Mặc dù việc sản xuất các thực phẩm lên men giàu protein từ glucid còn có nhiều khó khăn về kĩ thuật và về kinh tế, nhưng đây là một lĩnh vực đầy triển vọng trong việc tự cung tự cấp thức ăn và nâng cao giá trị dinh dưỡng cho các khu vực dân cư thiếu hụt protein. Hơn nữa, chúng còn đầy triển vọng trong việc sản xuất các sản phẩm sinh hóa học có giá trị cao như enzyme. Chế biến glucose từ gỗ Nghề nghiệp về gỗ rất đa dạng. Theo tính toán của các chuyên gia, cách đây 40 năm, các mặt hàng chế tạo từ gỗ gồm khoảng 4.000 loại, bây giờ đã quá 25.000 loại và còn được tiếp tục mở rộng. Nhưng bất hạnh ở chỗ, trong quá trình xử lí cơ học, rất nhiều gỗ bị hao phí một cách vô ích. Phế phẩm của việc chế biến gỗ tròn là 27% khi cưa gỗ, trong công nghiệp gỗ dán: 55%, trong sản xuất diêm: 65%. Khi chế biến theo kiểu cơ hóa học, các mảnh vụn của gỗ hoặc các phế liệu sẽ được tẩm nhựa rồi được ép lại và nhờ đó mà chế tạo ra các tấm gỗ ép-vỏ bào, gỗ ép-sợi dùng thay thế cho gỗ nguyên vẹn. Chế biến hóa học gỗ là có hiệu quả. Các nhà máy công nghiệp hóa học rừng đã xử lí gỗ ở nhiệt độ cao và sản xuất ra acid acetic, than gỗ, dầu thông, methanol, formalin, phenol, aceton, và hàng loạt các sản phẩm khác còn chế xuất từ gốc cây thông sẽ thu được caniphol. Trong công nghiệp cellulose-giấy, trước hết từ gỗ phải tách được cellulose, sau đó từ cellulose mới làm ra giấy. Cellulose còn là nguyên liệu để sản xuất ra sợi nhân tạo visco, cellophan, phim ảnh, verni và nhiều sản phẩm khác. Cellulose là một trong những chất hữu cơ ổn định nhất, được thực vật tạo ra nhờ năng
23. 140 CNSH chế biến sản phẩm thu hoạch Trương Văn Lung lượng ánh sáng mặt trời. Không có loại thực vật nào, không có loại động vật nào (trừ loài nhai lại có các loại vi sinh vật trong dạ dày sinh ra enzyme cellulase) có thể phân giải và đồng hóa được cellulose. Cellulose tạo ra bộ xương chống đỡ cho cây thảo và thân cây gỗ. Trong các màng tế bào đã hóa gỗ, các vi sợi (microfibril), cellulose đóng vai trò cốt sức của bê tông, còn cái đóng bê tông ở đây là lignin 20- 30% và hemicellulose 20%. Khi sản xuất cellulose thì lignin và các thành phần hemicellulose còn lại sẽ được hòa tan bằng các muối của acid sulphuric hoặc bằng các chất kiềm. Ở đây không xảy ra những chuyển biến đáng kể đối với cellulose. Ở các nhà máy thủy phân thì phương hướng của qui trình công nghệ lại hoàn toàn ngược lại: cellulose và hemicellulose chuyển vào dung dịch, còn lignin thì ở lại dạng chất rắn tự nhiên. Sự khác nhau căn bản lại ở chỗ khác. Sự thủy phân không phải có mục đích duy trì mà là cấu tạo lại hoàn toàn phân tử cellulose. Thậm chí, có thể nói rằng, ở đây đã hoàn toàn việc trẻ hóa lại phân tử này. Khi quang hợp trong lá cây tạo thành glucose, hàng nghìn phân tử glucose ngưng tụ lại, polymer hóa thành phân tử polysaccharide-cellulose và khi đó giải phóng ra nước. Khi thủy phân, phân tử cellulose liên kết với nước phân giải ra hàng nghìn gốc glucose đã cấu tạo ra nó. Cellulose là vật chất cơ bản của gỗ, hoàn toàn không ăn được, lại chuyển hóa thành glucose - loại hydrate carbon sinh ra trong các lá xanh khi hấp thụ ánh sáng mặt trời. Loại đường này sẽ hòa tan trong nước và dễ dàng được tất cả các cơ thể sống đồng hóa. Việc thủy phân gỗ và các vật liệu thực vật khác như vỏ hạt bông, vỏ hạt hướng dương, thân và bẹ ngô, rơm rạ của lúa và các loại hòa thảo khác là một quá trình hóa học khá phức tạp. Trong tế bào thực vật đã tạo thành các polysaccharide phức tạp (cellulose và hemicellulose) từ các đường đơn giản nhờ năng lượng ánh sáng mặt trời. Khi phân giải ngược lại cũng cần dùng một năng lượng tương tự. Mặc dù quá trình thủy phân tiến hành chỉ có mặt của các chất xúc tác (acid sulphuric, chlohydric hay các acid khác), khối chất phản ứng (gỗ) đã nghiền nhỏ cùng với chất xúc tác phải đun sôi đến 180oC hay cao hơn, với một áp lực trong thiết bị thủy phân đến 10-12 atm Dung dịch đường acid tạo thành được liên tục lấy ra khỏi nơi phản ứng, còn phần rắn là lignin thì sau khi kết thúc toàn bộ quá trình, sẽ lấy ra khỏi thiết bị thủy phân. Dịch thủy phân được trung hòa và làm sạch các tạo chất. Dung dịch tinh khiết được làm nguội (dịch trung hòa – neutralizate) chứa khoảng 3% đường hexose (glucose, mannose, galactose) và pentose