Tài liệu Công nghệ sinh học và công nghiệp hóa chất

TỔNG LUẬN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ CÔNG NGHIỆP HÓA CHẤT HÀ NỘI - 1994 TỔNG LUẬN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ CÔNG NGHIỆP HÓA CHẤT HÀ NỘI - 1994 1. Cơ quan chịu trách nhiệm: Trung tâm Thông tin Khoa học Kỹ thuật -Hoá chất Bộ công nghiệp nặng. 2. Loại tổng luận: Tổng hợp phân tích. 3. Tên tổng luận: Công nghệ sinh học và công nghiệp hoá chất. 4. Người biên soạn: Nguyễn Ngọc Hải Cử nhân sinh học Viện Di truyền Nông nghiệp. 5. Nơi xuất bản: Hà Nội 6. Năm xuất bản: 1994 NỘI DUNG ĐẶT VẤN ĐỀ ...................................................................................................................... - 4 A. XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN CÁC CNSH CHÍNH VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG TRONG “CNHC MỚI”. ...................................................................................................................... - 4 1. CNSH là gì? .................................................................................................................. - 4 2. Những ứng dụng ........................................................................................................... - 6 B. CNSH KẾT HỢP HOẶC THAY THẾ CNHC TRONG SẢN XUẤT HOÁ CHẤT..... - 11 1. Axit amin .................................................................................................................... - 11 2. Vitamin ....................................................................................................................... - 11 3. Hương liệu và chất ngọt. ............................................................................................. - 13 4. Polvsaccarit ................................................................................................................. - 13 5. Lipit. ............................................................................................................................ - 13 6. Chất nhuộm. ................................................................................................................ - 13 7. Môi trường kích thích vi sinh vật................................................................................ - 14 8. Enzim. ......................................................................................................................... - 14 9. Axit lactic. .................................................................................................................. - 14 10. Thuốc trừ sâu sinh học. ............................................................................................. - 16 11. Phân sinh học. ........................................................................................................... - 19 12. Kháng thể đơn dòng chống thụ thai .......................................................................... - 21 13. Vi khuẩn lọc chất nhiễm bẩn không khí. .................................................................. - 22 14. Dịch chiết từ rau tăng cường chức năng miễn dịch .................................................. - 23 15. Chất dẻo mới có thể phân hủy sinh học .................................................................... - 23 16. Xử lý phế thải cao su tự nhiên bằng vi sinh vật ........................................................ - 24 17. Bình phản ứng cho vi khuẩn ăn metan ...................................................................... - 24 C. SO SÁNH MỘT SỐ CÔNG NGHỆ SINH HỌC VỚI CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC ....... - 25 1. Công nghệ enzim ........................................................................................................ - 25 2. Sản xuất taxol.............................................................................................................. - 27 3. Sản xuất etanol ............................................................................................................ - 28 - TÓM TẮT Trong Nghị quyết của Chính phủ về phát triển công nghệ sinh học (CNSH) ở Việt Nam đến năm 2010 có đưa ra một nội dung là CNSH cũng phải phục vụ các ngành công nghiệp khác như: Nghiên cứu và phát triển các công nghệ thuộc lĩnh vực CNSK sản xuất các loại axit và dung môi hữu cơ: Nghiên cứu và ứng dụng các kỹ thuật cửa CNSH phục vụ khai thác các loại khoáng sản và dầu khí... điều đó chứng tỏ giữa công nghệ sinh học và công nghiệp hoá chất (CNHC) có một mối quan hệ qua lại. gắn bó. Tài liệu nàv là một tổng quan muốn chứng minh mối quan hệ khăng khít giữa CNSH và CNHC Thông qua khái niệm về CNSH được hiểu rộng rãi hiện nay. những ví dụ ứng dụng cụ thể của CNSH rất khó tách biệt đâu là hoá học và đâu là sinh học và sự phân biệt này có ý nghĩa tương đối. Nếu theo dẫn liệu này thì có lẽ một nhà hoá học cũng phải là một nhà sinh học và ngược lại, hoặc bổ sung cho nhau. Chúng tôi hy vọng tài liệu này sẽ là một tài liệu tham khảo bổ ích cho cán bộ lãnh đạo, quản lý và cán bộ hóa học thuộc sinh học, gọi ra những suy nghĩ nhằm thắt chặt hơn nửa mối quan hệ giữa hai ngành này. -3- ĐẶT VẤN ĐỀ Có một "tâm trạng" của các nhà hoá học hiện nay khi công nghệ sinh học (CNSH) "nổi lên như sóng cồn" là nếu sự tổng hợp hữu cơ buộc phải kết hợp với các biến đổi sinh học thì có cần phải động viên các tài năng cần thiết không có nghĩa là có cần đến các nhà hoá học nữa không. Trên thực tế, biến đổi sinh học về bản chất là một khoa học đa ngành cần có các nhà hoá học áp dụng các chất xúc tác sinh học, các nhà vi sinh vật học sản xuất các chất này, các nhà enzim học nghiên cứu các tính chất của enzim và các nhà sinh học phân tử nhân dòng các tế bào chứa gen sản xuất những chất có hoạt tính hấp dẫn. Hiện nay hình như có một mối băn khoăn nào đó về tính chất đa ngành ở phía các nhà nghiên cứu do truyền thống khoa học và thiếu trao đổi thống tin. Tuy nhiên, sự kết hợp các khố năng khác nhau là yếu tố quyết định cho tiến bộ của kỹ thuật biến đổi sinh học và tất cả phải đi theo hướng này. Do đó, mới đây R.Azehad và R.Punoss (Pháp) đã đệ trình một báo cáo cho bộ môn hoá học của CNRS (Trung tâm nghiên cứu khoa học Pháp) trong đó có xác định những hướng tương lai của các nghiên cứu cơ bản hơn, như đi sâu vào khía cạnh enzim hoặc nghiên cứu các hoạt tính xúc tác mới có liên quan với các tập thể nghiên cứu cần đến sinh học hơn. Đương nhiên, giữa một sản phẩm của CNSH và một sản phẩm của hoá học truyền thống cũng có những mặt khác nhau. Ví dụ, một hương phẩm hoá học và một hương phẩm CNSH đều là những phân tử tổng hợp. Nhưng trong trường hợp thú nhất quá trình tổng hợp có một hoá chất như axit chẳng hạn làm xúc tác còn trong trường hợp thứ hai, chất xúc tác là một enzim bắt nguồn từ một vi khuẩn. Bằng công nghệ sinh học hiện nay, một sản phẩm cùng loại như vậy có thể đắt hơn từ bốn đến mười lần nhưng cho phép người sản xuất "dán nhãn hương liệu thiên nhiên" lên mặt hàng của mình. Dẫu sao hiện nay CNSH cũng có những hạn chế, và một số khâu trong sản xuất không thể thay cho phương pháp hoá học. Vì vậy, tổng luận này muốn đề cập đến những xu hướng chính trong sự phát triển CNSH và CNHC và nêu lên mối quan hệ qua lại Giũa CNSH và CNHC. A. XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN CÁC CNSH CHÍNH VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG TRONG “CNHC MỚI”. 1. CNSH là gì? Khái niệm CNSH đã được chấp nhận rộng rãi trên thế giới là "Việc ứng dụng các nguyên lý khoa học và kỹ thuật để chế biến nguyên liệu bằng các tác nhân sinh học nhằm -4- tạo ra sản phẩm và các dịch vụ" (Tech Mormor. 1993). Còn nếu theo định nghĩa của Văn phòng Quốc hội Mỹ về Đánh giá Công nghệ thì "CNSH là bất kỳ kỹ thuật nào sử dụng các cơ thể sống để làm ra hoặc biến đổi một sản phẩm, nhằm cải thiện thực vật hoặc động vật hoặc phát triển các vi sinh vật phục vụ những ứng dụng đặc thù". (Biotechnology in asriculture. fbrestry and fisheries, FAO. 1993. Chủ yếu đó là một tập hợp các công nghệ khai thác các tái hoạt tính hoá sinh của tế bào sống nguyên vẹn hoặc những phân tử đặc hiệu được phân lập từ nhũng tế bào nàv - có thể là tế bào vi sinh vật. tế bào thực vật hoặc tế bào động vật. Những công nghệ chính làm thành CNSH là: * Kỹ thuật di truyền KTDT (Công nghệ ADN tái tổ hợp) Kỹ thuật di truyền hav công nghệ ADN tái tổ hợp là kỹ thuật đưa ADN lai chứa các gen có lợi vào các sinh vật để những sinh vật này tạo ra một sản phẩm có lợi như một loại enzim, hocmon hoặc protein nào đó. KTDT đã khai thông phương pháp sản xuất công nghiệp các loại protein với khối lượng lớn. * Chế biến sinh học Chế biến sinh học bao hàm sự biến đổi một chất nền nguyên liệu thành một loại sản phẩm bằng phương pháp lên men vi sinh vật. Nó bao hàm việc thu hồi sản phẩm. tách sản phẩm ra khỏi dung dịch lên men và làm tinh khiết. Các phương pháp chế biến sinh học hiện nay được áp dụng trong sản xuất các kháng sinh, axit amin, enzim và các hoá chất chuyên dùng khác. * Công nghệ tế bào lai Nhiều kháng thể là những protein được tạo ra để phản ứng với một loại protein nào đó. Các kháng huyết thanh bình thường là một hỗn hợp các kháng thể. Công nghệ tế bào lai cho phép sản xuất các kháng thể rất đặc hiệu từ những dòng đơn tế bào, gọi là các kháng thể đơn dòng (Mabs). Phương pháp sản xuất Mabs bao hàm việc gây miễn dịch động vật thí nghiệm bằng kháng nguyên. Theo phương pháp này, con vật sau đó bị giết để lấy lách chứa tế bào limpho B sản xuất kháng thể. Tiếp theo, những tế bào này được dung hợp với các tế bào tuỷ bị ung thư (tế bào- u tuỷ) để tạo ra các tế bào lai hoặc khối lai (hybridoma). * Công nghệ Drotein Công nghệ protein rất quan trọng đối với sự phát Triển ngành công nghiệp CNSH và sẽ được sử dụng cùng với KTDT. Nó bao hàm phương pháp biến đổi hoá học một loại protein hiện có để lạo ra một biến thể của một phân tử tự nhiên. Những lĩnh vục ứng -5- dụng khả dĩ là protein liệu pháp và thay đổi tính nhận dạng đặc hiệu của các protein liến kết với ADN bao gồm các chất ức chế và các enzim phán cắt - công cụ hoá sinh quan trọng trong công nghệ tái tổ hợp. Qua khái niệm và các CNSH trên đây, người ta có thể hiểu ngầm là CNSH bao hàm cả các quá trình hoá học. tức hóa sinh. 2. Những ứng dụng CNSH có nhiều ứng dụng rộng rãi trong đó có dược phẩm và các hoá chất chuyên dùng. Nhữnc ứng dụng khả dĩ của CNSH ở các nước đang phát triển trong tương lai cần bao gồm sản xuất những loại vacxin cho người và vật nuôi khồng cần phải giữ lạnh hoặc sự biến đổi sinh khối trong sản xuất etanol và các nguồn năng lượng khác. Một số ví dụ về ứng dụng KTDT trong các lĩnh vực y tế. thực phẩm. nông nghiệp và nghề làm vườn. năng lượng, nguyên liệu, hoá chất. quản lý môi trường có liên quan với CNHC mới được tóm tắt trong bảng dưới đây: Bảng 1A. Sức khoẻ của người 1. Các kháng thề đơn dòng (cho những kỹ thuật làm tinh khiết, các phép thử, xác định mô, định vị khối u in vivo, chẩn trị lâm sàng kể cả tính hướng đích của các hoá chất trị liệu). 2. inteferon (có thể dùng chữa ung thư, liệu pháp chống virut và những bệnh viêm nhiễm ). 3. Vacxin (chống những bệnh như viêm gan B, cúm, sốt rét viêm não, mụn rộp, virut). 4. Hocmon( ví dụ các hocmon sinh trưởng, insulin, prolactin, rolaxin. gastrin, erytropoietin, trombopoietin, gonaddotropin rau thai, gonaddotropin mãn kinh và các steroit). 5. Enzim (ví dụ urokinaia và heparinaza). 6. Những protein khác (ví dụ các, kháng nguyên đọc hiệu, các nhân tố của máu, anbumin, kháng trombin và fibronectin). 7. Các kháng sinh mới tốt hơn, dược phẩm và vtamin. 8. Liệu pháp gen đối với các bệnh di truyền. -6- B. Thực phẩm, Nông nghiệp và nghề làm vườn. 1. Enzim (Vídụ amynaia. rennin, B-galaaozidaza, invecuỉia. gluco-ixomeraia và pecrinaza). 2. Phụ gia thực phẩm (ví dụ chất ngọt, hương liệu, gia vị, chất nhuộm, chất làm cô đặc, chất cố định, vitamin axit amin, chất chống oxy hoá, chất bảo quản, chất hoạt động bề mặt...). 3. Phụ gia cho thức ăn của vật nuôi (ví dụ các kháng sinh mới) 4.Nông dược và thuốc trừ cỏ có tính đặc hiệu hơn (ví dụ các sản phẩm của Bacillua thuringiensis, verticillium, Baculovirut, giun tròn ký sinh, thuốc diệt giun tròn và các chất gây bệnh của động vật nguyên sinh), 5.Vacxin (chống các bệnh như tiêu chảy do trực khuẩn và lở mồm long móng ở gia súc). 6. Hocmon sinh trưởng thực vật (như xitokinin). 7. Phân sinh học, các sản phẩm cố định đạm vi sinh học và các thể cộng sinh được xử lý. 8. Thuốc thử chẩn đoán các bệnh ở thực vật và động vật. C. Năng lượng, nguyên liệu, hoá chất, môi trường Những ứng dụng quản lý: 1. Sinh khối từ hoá chất, phế thải, phế liệu và những cây xanh cung cấp nhiên liệu (bao gồm ctanol, metanol, metan và protein đơn bào). 2. Tận thu dầu (ví dụ bằng cách sử dụng nhựa xanthan và các chất hoạt động bề mặt), 3. Các môi trường nuôi cấv tào cải tiến dùng trong các bình phản ủng quang học (ví dụ để sản xuất hydrat cacbon, protein, lipit và hydrocacbon). 4. Sản xuất liydro và cacbon dioxit. 5. Hoá chất và các dung môi (ví dụ axit axetic, axit adipic, butanol izopropanol axeton fufural, glyxerin, sáp, polime, alken oxit, glycol và các chất bôi trơn). -7- 6. Chiết tách kim loại (ví dụ đồng, uar, nikel, kẽm và chì) từ các quặng cấp thấp và thu hồi kim loại có giá trị (ví dụ gali và coban). 7. Phân hủy và khử độc hoá chất). 8. Các hệ vi sinh vật cải tiến để khống chế môi trường không khí, đất và nước. KTĐT ở các vi khuẩn cộng sinh (sản xuất nông dược, ức chế sự tạo thành sương gía) cũng là một mục tiêu ngắn hạn. Các mục tiêu dài hạn bao gồm việc truyền những tính trạng di truyền phức tạp như tăng tốc độ sinh trưởng khả năng quang hợp và kích thích sự cố định đạm. Việc giảm bớt nhu cầu phân bón không chỉ tiết kiệm nhiên liệu để sản xuất phân bón mà còn giảm thấp nhất ảnh hưởng có hại đến môi trường do tích tụ phân. Khống chế sâu bệnh hại cây bằng phương pháp sinh học là một điểm quan trọng khác trong danh mục CNSH và nông nghiệp. Mặc dầu phương pháp khống chế sâu bệnh bằng vi khuẩn (Bacillus thurindensis) và virut đã phổ biến hàng thập kỷ nay, hiện tại có những khả năng mới để biến đổi chúng về mặt di truyền nhằm tăng cường tính chất diệt sâu cùa những vi sinh vật này. CNSH có triển vọng trực tiếp nhất trong công nghiệp dược phẩm. Người ta hy vọng rằng công nghệ ADN tái tổ hợp sẽ tạo ra phương pháp sản xuất nhiều loại dược phẩm và vacxin với quy mô lớn có chi phí thấp hơn so với công nghệ truyền thống. Danh mục thuốc được sản xuất bằng các kỹ thuật ghép gen bao gồm insulin của người, hocmon sinh trưởng của người, intelefon của người, vacxin phòng bệnh viêm gan B và penixilin G -axylado. Những ứng dụng trong lĩnh vực này được đặc trưng bởi bản chất của các sản phẩm (khối lượng ít, giá trị tăng thêm cao) và khoảng thời gian từ triển khai đến khi sản xuất trên qui mô công nghiệp quá dài. Đó cũng là những ứng dụng đòi hỏi nhiều vốn. Hoạt động ban đầu đã nhằm vào sản xuất insulin, inteferon, anbumin của huyết thanh người, các kháng sinh vacxin phòng các bệnh virut vi khuẩn và ký sinh. Hoạt động tăng cường đang được xem xét trong các lĩnh vực nội tiết học (hocmon) và sinh học thần kinh (các chất truvền thần kinh) Việc triển khai các loại thuốc chẩn đoán được sản xuất bằng CNSH dễ có khả năng ứng dụng trên qui mô công nghiệp. Các công nghệ để triển khai các sản phẩm này bao hàm những đoạn ADN dò (oligonucleotit, các kháng thể đơn dòng và hàng loạt phép thử miễn dịch (RIA. IRMA, EIA. ELIZA, huỳnh quang, hoá quang, sinh quang và phép đo độ đục). -8- Trong CNHC. việc ứng dụng CNSH đang ngày càng trở nên quan trọng. Từ đầu thế kỷ này. CNHC đã từng phụ thuộc nhiều vào nguyên liệu của dầu mỏ. Nhưng do chi phí tăng và các nguồn dầu mỏ cạn dần. CNHC chuyển sang (đang ngàv càng) các khả năng của CNSH để biến đổi sinh khối và hydrat cacbon thành hoá chất. Vì vậv CNSH có một chức năng kép là vừa cung cấp sản phẩm. vừa cung cấp công nghệ cho CNHC. Việc ứng dụng vi sinh vật trong xử lý phế thải sinh hoạt đã có từ vài thế kỷ nay. Các thiết bị tiêu bùn. bể lắng và các bể lọc chậm phụ thuộc vào các quá trình vi sinh học. Những ứng dụrm của CNSH vào môi trưòng sẽ có một vai trò ngày càng quan trọng. Sự triển khai các phương pháp xử lý chất thải mới bằng cách tăng cường các hoạt động dị hoá của vi khuẩn nhờ những biến đổi di truyền sẽ cải thiện cách xử lý nước thài và ủ xilô ky khí và ưa khí. Cũng sẽ thực tế đối với trường hợp phân huỷ sinh học các chất gây ô nhiễm môi trường bằng cách sử dụng các vi sinh vật được biến đổi về mặt di truyền. Phân hủy sinh học, gắn bó với môi trường và rẻ hơn, là một dạng thay thế có giá trị cho các phương pháp phi sinh học như cách phân huỷ hoá học và thiêu đốt. Việc loại bỏ thường xuyên chứ không chỉ chứa đựng các chất gây ô nhiễm hữu cơ trong điều kiện môi trường khác nhau là một ưu điểm nữa của phân huỷ sinh học. Ngoài ra, việc kết hợp một số bước phân huv vào cùng loại vi sinh vật là một khả năng rõ ràng trong phương pháp khống chế sự ô nhiễm. Các công việc tẩv sạch trên qui mô công nghiệp cũng đang bắt đầu tìm đường đến với công nghiệp khai mỏ. Vi khuẩn Thiobacillus được dùng để tách kim Loại ra khỏi các mỏ cấp thấp. chủ yếu là đồng và uran. Cũng có khả năng thu hồi những kim loại quí như bạc từ nước biển nhờ các loại vi khuẩn được xử lý thích hợp. Việc thu hồi dầu nếu dùng những vi khuẩn đã được biến đổi về mặt di truyền có thể tăng sản lựơng của các giếng dầu thông qua tách lọc dầu mà bình thường không thể thu hồi được bằng các phương pháp truyền thống. CNSH khá quen thuộc với công nghiệp thực phẩm (CNTP). Việc sản xuất thức ăn và đồ uống như phomat, bánh mì, tương, bia và rượu bằng phương pháp lên men vi sinh vật đã từng được thực hiện từ lâu. Việc khai thác các hoạt tính enzừn nội sinh hoặc ngoại sinh trong sản xuất thực phẩm như làm phomat. làm mềm thịt. nảy mầm các hạt cốc cũng có từ lâu. Cả phương pháp lên men vi sinh vật và biến đổi bằng enzim thường được xem như các phương pháp CNSH truvền thống. -9- Những lĩnh vực của CNSH phù họp với công nghiệp thực phẩm tóm tắt trong bảng dưới đây minh hoạ việc ứng dụng của CNSH đa dạng vào CNTP. Bảng 2. Những lĩnh vực của CNSH phù hợp với CNTP. Công nghệ vi sinh vật Sản xuất thực phẩm lên men và đồ uống có rượu Sử dụng các môi trường nuôi cấy vi sinh vật để kéo dài thời hạn của sản phẩm Nuôi cây vi sinh vật với quy mô lớn để sản xuất các môi trường kích thích, protein đơn bào các thành phần dưới tế bào và các thành phẩm chuyển hoá để dùng làm thực phẩm. thành phần của thực phẩm hoặc phương tiện chế biến. Xứ lý di truyền vì sinh vãi để nâng cao hiệu suất trong các phương pháp lên men và để sản xuất enzim và các thành phần khác phục vụ chế biến thực phẩm. Sản xuất) các đoạn dò ADN để phát hiện vi sinh vội trong thực phẩm. Công nghệ enzim Sử dụng enzim trong chế biến thực phẩm Xứ lý di truyền enzim có chức năng được cải thiện, như tính bền nhiệt. tính động học. Sản xuất Enzim cho CNTP Công nghệ tế bào thực vật Sản xuất các thành phần và phụ gia thực phẩm bằng phương pháp nuôi cấy tể bào thực vật. Công nghệ tế bào động vật Sản xuất các kháng thể đơn dòng dùng để đánh giá chất lượng thực phẩm Công nghệ phản ứng sinh học Phát triển các phương pháp và các bình phản ứng sinh học dùng trong kỹ thuật lên men quy mô lớn và nuôi cấy tể bào. Các kỹ thuật hâm động và tạo vỏ dùng trong phương pháp xúc tác sinh học có sử dụng enzim và các tế bào sống. Đang cố gắng để nâng cao chất lượng của những mặt hàng này cũng như tính kinh tế trong sản xuất thông qua KTDT ở những loài được dùng để gây men. Đã xuất hiện - 10 - công nghệ tiên tiến để nuôi cấy các vi sinh vật với qui mô lớn làm nguồn thực phẩm cho người và vật nuôi. Phương pháp mới dùng enzim để có mùi vị thực phẩm, giữ được lâu vv...sẽ là kết quả ứng dụng công nghệ enzim hãm động vật kỹ thuật protein. Việc áp dụng CNSH cũng sẽ tạo ra các thành phần thực phẩm và các thức ăn mới. Sự phát triển hơn nữa công nghệ protein đơn bào (còn gọi là protein vi sinh vật. khác vói các loại protein bắt nguồn từ thực vật và động vật đa bào bậc cao) có thể dẫn tới việc sử dụng prorein đơn bào (SCP) làm thức ăn cho người. Người ta có thể thay đổi các phương pháp vi sinh vật dùng trong những ngành công nghiệp như làm phomát, đồ uống, làm bánh. sản xuất rượu vv... và có thể phát triển các phương pháp mới cho các loại thực phẩm hiện nay nhờ sử dụng các enzim. B. CNSH KẾT HỢP HOẶC THAY THẾ CNHC TRONG SẢN XUẤT HOÁ CHẤT 1. Axit amin Một phần đáng kể axit amin được sản xuất để bổ sung vào thành phần thức ăn của người và vật nuôi. Trừ axit glutamic bắt nguồn từ vi khuẩn Corynebacierium gluamicum. nhiều loại axit amin vẫn phải sản xuất bằng phương pháp tổng hợp hoá học hoặc bằng cách chiết suất và thủy phân các protein động vật và thực vật. Chẳng hạn, protein thực vật đáp ứng nhiều loại protein trong thành phần thức ăn của vật nuôi nhưng lại hạn chế ở một số loại axit amin. Vì vậy vẫn bổ sung những axit amin bị thiếu, như lizin và metionin. Lizin được sản xuất trên quy mô công nghiệp bằng phương pháp lên men và biến đổi sinh học. còn metionin bàng phương pháp tổng hợp hoá học. Như đã nói ở phần mở đầu ngay một số khâu trong sản xuất lizin chẳng hạn. vẫn kết hợp với hoá học, như sơ đồ dưới đây đã minh họa (sơ đồ 1). 2. Vitamin Việc tăng cường thực phẩm và khẩu phần bằng các loại vitamin đã làm tăng nhu cầu về những chất này. Một số vitamin, như B2, B12. C và D được sản xuất,một phần hoặc toàn bộ bằng phương pháp vi sinh học. Nhũng vitamin khác thu được từ các sản phẩm tự nhiên hoặc bằng phương pháp tổng hợp hoá học. Mới đây, KTDT có thể sử dụng để sản xuất các enzim dùng trong quá trình tổng hợp hữu cơ. Chẳng hạn. A. Ian Scott ở đại học A và MTexas (Mỹ) đã sản xuất các enzim để chế các hợp chất như vitamin B12. penixilin và các ancaloit ở cây dừa cạn. Khả năng sản xuất các enzim phức tạp có thể giúp sản xuất các hợp chất quá phức tạp đối với các phương pháp truyền thống. Những enzim cần cho một phương pháp sản xuất đặc biệt có thể phát hiện được trong các tế bào bằng quang - 11 - phổ cộng hưởng từ hạt nhân. Chỉ cần cho tất cả các loại enzim cần thiết cùng với nhau vào một mẻ pha chế là có thể cho phép các phản ứng diễn ra xuôn sẻ thành sản phẩm mong muốn. Nếu cho thêm các enzim đột biến để thay đổi thành phẩm thì các nhà nghiên cứu có thể ''sửa sang" để cải thiện Thành phẩm, chẳng hạn như penixilin. Hai loại vitamin -Caroten B và Riboflavin đã được sản xuất bình thường bằng CNSH, trong đó riboflavin được sản xuất bằng phương pháp nuôi cấy chìm từ Eremothecium astibyii hoặc Ashiibyii gossypii. Sơ đồ 1 Quá trình sản xuất L - Lizin bằng enzim. Chú thích: NOCl - Nitrozyl clorua CHX- Xyclohexan OXH - Aminocaprolactam C.HCl - Axit clohydric đậm đặc - 12 - 3. Hương liệu và chất ngọt. Trong CNTP, phần lớn các chất thơm được sản xuất bằng phương pháp tổng hợp hoá học hoặc chiết suất từ cây. CNSH cung cấp các phương pháp thay thế để sản xuất những chất này. Một trong những phương pháp thay thế là sản xuất các chất thơm bằng cách nuôi cấy mô hoặc tế bào thực vật, như chất có hương vị dâu tây. Hiện nay có xirô ngô dâu frutoza được sản xuất bằng công nghệ enzim hãm động. Trong công nghiệp nước giải khát, việc dùng chất ngọt đipeptit ít calo (L-aspacryl-L phenylalanin meryl este hay aspactam) làm phụ gia ngày càng trở nên có ý nghĩa. Chất ngọt này thường được sản xuất bằng phương pháp tổng hợp kế hợp với phương pháp lên men vi sinh học các axit amin. 4. Polvsaccarit Polysaccarit là những polyme sinh học có nhiều ứng dụng trong CNTP như dùng làm tác nhân cố định, làm đặc, tạo gel, tạo huyền phù hoặc dùng làm khuôn để hãm động hoặc "bẫy" các enzim, vi sinh vật, tế bào thực vật và hương liệu. Trừ nhựa xanthal phần lớn các polysaccarit dùng trong chế biến thực phẩm thu được nhờ chiết rút tù cây. Tuy vậy, nhựa xanthal có thể sản xuất bằng vi khuẩn Xanthomonas compestris. Việc sử dụng rộng rãi và chấp nhận xanthal đã làm tăng mối quan tâm tìm kiếm các polysaccarit vi sinh vật khác có thể có giá trị trong chế biến thực phẩm. Những polysaccarit vi sinh vật có thể được ứng dụng trong CNTP là alsinat. soleroglucan, pululan, cocdan và xenluloza. Dùng các vi sình vật làm nguồn polysaccarii có ưu điểm so với các nguồn thực vật. Việc điều khiển sự cung cấp là một lợi ích rõ ràng cũng như có thể sản xuất với chi phí tương đối thấp nhờ chọn lọc và xử lý di truyền giống sản xuất. Hấp dẫn nhất là khả năng xử lý-đặc biệt cấu trúc của polysaccarit, từ đó điều khiển các tính chất tác dụng của chất này nhờ xử lý di truyền chùng vi sinh vật. 5. Lipit. Thực vật và động vật là những nguồn chính để sản xuất dầu và mỡ dùng trong chế biến thực phẩm. Chất và lượng của dầu - mỡ được chiết suất từ đậu tuơng, hạt cải dầu, cọ và hướng dương có thể cải thiện được qua các chương trình gây tạo và chọn giống cũng như nhờ công nghệ enzim. 6. Chất nhuộm. Một số loài vi sinh vật sản xuất các sắc tế carotenoit có thể ứng dụng trong chế biến thực phẩm. Nấm men Phaffia rhodoryma sản xuất một carorenoit là astaxanthin có - 13 - màu da cam sẫm. giống như màu vỏ tôm hoặc mai cua chín. đã được thông báo có nhiều ứng dụng trong sản xuất thực phẩm. Một số nấm sợi cũng được ghi nhận là sản xuất sắc tố. đặc biệt là các carotenoit và antraquinon. Phương pháp sản. xuất gạo đỏ bằng quá trình lên men Monascus purpurus nổi tiếng ở cả nước phương Đông. 7. Môi trường kích thích vi sinh vật. Công nghệ nuôi cấy vi sinh vật với quy mô lớn đã tạo điều kiện cho sản xuất thương mại hàng loạt môi trường kích thích nấm men và vi khuẩn trong các ngành công nghiệp chế biến sữa. làm bánh. sản xuất nước giải khát và rượu. Sự phát triển gần đấy của các môi trường kích thích vi khuẩn và những ứng dụng đối với các sản phẩm này đã trở thành hiện thực do người ta hiểu kỹ hơn các quá trình lên men thịt và rau-quả. 8. Enzim. Một ví dụ về lợi ích của CNSH trong việc cung cấp enzim để chế biến thực phẩm là sản xuất rennin hoặc những chất thay thế rennin nhằm làm đông sữa trong khi chế rạo phomát Rennin là một enzim phân giải protein bình thường vẫn lấy từ dạ dày của bê sơ sinh còn bú. Vấn đề đòi hỏi cung cấp loại enzim này đã kích thích việc tìm kiếm nguồn proteaza khác có thể thay thế rennin. Những loại proteaza được sản xuất từ nấm mốc như Mucor michei, M.pusillus và Endothia parasitica có thể đáp ứng nhu cầu trên qui mô công nghiệp. Một thành tựu gần đây là áp dụng công nghệ ADN tái tổ hợp để truyền gen của rennin từ các tế bào dạ dày bê vào vi khuẩn E.coli hoặc nấm men S.cerevisiae, biến những vi sinh vật này thành "nhà máy" sản xuất rennin.' 9. Axit lactic. Hiện nay đang có nhiều chương trình phát triển hấp dẫn về công nghệ lên men axit lactic. Vi khuẩn axit lactic (LAB), có khả năng biến đổi đường thành axit lactic. là một nhóm vi khuẩn quan trọng về mặt công nghiệp. Chúng có vai trò lớn trong công nghiệp thực phẩm như làm chín thức ăn và đồ uống lên men như phomát, thịt, bánh mì, rau-quả. sữa và rượu. Đây là những sản phẩm không thể thiếu được trong lĩnh vực nông lương trên toàn thế giới và lĩnh vực này ngày càng phát triển do nhu cầu của ngừơi tiêu dùng đối với loại thực phẩm an toàn tự nhiên. Ngoài ra, LAB còn được ứng dụng trong công nghiệp không phải là thực phẩm, như lĩnh vực gây miễn dịch qua thuốc uống, vì LAB được xem như vi sinh vật an toàn và là những vật chủ thích hợp để sản xuất vacxin uống. - 14 - UNIDO (Tổ chức Phát triển Công nghiệp của Liên Hiệp Quốc) đã xây dựng một chương trình mới về CNSH vì lợi ích của các nước đang phát triển trong đó những tiến bộ mới trong nghiên cứu nhằm cải tiến các phương pháp lên men axit lactic truyền thống có thể dễ được áp dụng thông qua mạng lưới hợp tác của các chương trình quốc gia và khu vực hiện có về LAB. Dự án nghiên cứu hợp tác do UNIDO đỡ đầu để sản xuất nước uống có hàm lượng protein cao từ rau-quả đã được thực hiện từ tháng 1-1987 ở trường Đại học Tổng hợp Nam Triều Tiên tại Seoul và MIT (Viện Công nghệ Massachusets) ở Mỹ. Mục tiêu đầu tiên của dự án nghiên cứu ở giai đoạn I là xác định những điều kiện xử lý sơ bộ tối ưu loại ngũ cốc để lên men axit lactic, chọn lọc và cải thiện các chủng vi sinh vật. Trong nghiên cứu này, tác dụng có lội của phương pháp lên men sơ bộ và nấm cơm nén (extrusion cooking of rice) trước khi lên men lactic đã được chứng minh. Chủng Leuconistoc mesenteroides được chiết tách từ sikhae, một sản phẩm của cá lên men truyền thống ở Triều Tiên, có thể tạo ra hương vị giống như nước ép táo từ chất nền là sữa đậu nành và nước cơm. Được những kết quả của giai đoạn I khích lệ, giai đoạn II của dự án trên đã được triển khai từ tháng 7 - 1990 gọi là "Công nghiệp hoá công nghệ lên men axit lactic ở ngũ cốc và việc triển khai sang các nước đang phát triển" Giai đoạn này gồm ba hoạt động chính: Một chương trình nghiên cứu kết hợp tiếp tục giữa Đại học Tổng hợp Nam Triều Tiên, Viện nghiên cứu Thực phẩm Nam Triều Tiên và trường Đại học Kỹ thuật Đan Mạch, một lớp đào tạo quốc tế về công nghệ lên men thực phẩm và một hội thảo quốc tế về chủ đề này. Nhóm vi khuẩn lactic cũng được sử dụng để phòng chống bệnh lỵ. Một tập thể nghiên cứu ở Achentina do Gonzales đứng đầu đã thí nghiệm qua hai chủng là Lacibacillus Casei và L. acidophilus lấy từ phân người. Họ phân lập các vi sinh vật này trong môi trường cấy tinh khiết, cho riêng từng chủng vào dung dịch 10% sữa bột đã lấy hết kem, và trộn hai loại sữa lên men này với nhau sau khi ủ trong 8 giờ. Nhóm sinh vật gây bệnh được chọn làm mục tiêu là một chùng Shigella Sonnei, vì bệnh lỵ do vi khuẩn này gây ra là phổ biến ở Achentina. Thí nghiệm đã cho thấy sữa được lên men bằng L. casei và L. acidophilus có tác dụng quan trọng là ức chế sự xâm nhiễm của S. Sonnei. Các con chuột cho nhiễm sinh vật gây bệnh theo liều lượng qua đường miệng sau khi ăn sữa nói trên trong 8 ngày đầu đều sống cả. Tỷ lệ sống sót tương ứng ở chuột theo dõi là 60%. Tạp chí Vi sinh học ứng dụng (Journal of Applied Bacteriology, 73, 407, 1992) cũng mô tả nếu điều trị trước bằng sữa cũng ức chế rõ rệt sự nhiễm S. sonnei ở gan và lách. Vi khuẩn lâv bệnh không còn ở những cơ quan này vào ngày thứ mười, nhưng được duy trì ở mức độ cao ở nhũng con chuột không được chữa. Sữa lên men cũng làm tăng lượng kháng thể - 15 - chống sinh vật gây bệnh trong cả huyết thanh và dịch ruột, gợi ra rằng nó cũng tăng cường phản ứng miễn dịch. Tập thể Achenrina cũng có bằng chứng sơ bộ là sữa lên men có thể dùng để chữa và phòng bệnh tiêu chảy ở trẻ em. Vi khuẩn lactic còn ngăn ngừa được bệnh sâu răng. Một chế phẩm chứa một chủng vi khuẩn axit lactic đặc biệt gọi là Streptoccocus salivaris tìm thấy trong sữa chua sống" đã được sản xuất ở Nhật. Người ta nhận thấv rằng chùnn này tạo ra nhiều enzim dextranaza. Theo Aizo Matsushiro, tác giả của công trình, khi sống trong miệng vi khuẩn được chế sự tạo thành mảng răng "chặt", nguyên nhân chính của bệnh sâu răng. Bất cứ mảng lào xuất hiện cũng bị "lỏng" và có thể chỉ cần súc miệng cho sạch. Vi khuẩn lactic cũng được sử dụng để bảo quản rau sống. Theo Marun Bonestroo ở Trường Đại học Tổng hợp Wageningen (Hà Lan) thì muốn giữ rau sống tươi lâu. có thể cho thêm vi khuẩn vào để rau lên men. Kỹ thuật này được giải thích là để kéo dài thời gian bảo quản rau tới khoảng 1 luân nếu được giữ ở nhiệt độ dưới 7°c đồng thời có vị ngon hơn, "một vị hơi chua, dễ chịu". Việc dùng vi khuẩn đáp ứng được nhu cầu của người tiêu dùng vì các cách bảo quản nhân tạo trở nên không cần thiết trong khi tránh được số lớn rau bị ôi do các loại vi sinh vật thường nhiễm vào rau sống. Người ta sử dụng vi khuẩn Lactobacillus đã được phân lập từ nước, trong đó có thêm sữa đậu nành đông. Đây là những vi khuẩn được dùng để làm sữa chua và xúc xích Ý, phát triển tốt ở 40 - 50°c Vi khuẩn được trộn với rau, sau khi chế biến và đóng gói rau sống được ủ trong 7 giờ ở 45°c rồi làm lạnh. Axit lactic tạo ra trong khi ủ đủ để ngăn ngừa sự phát triển của các loại vi khuẩn khác ở nhiệt độ thấp hơn. tuy nhiên, kỹ thuật này chỉ áp dụng được đối với các loại rau sống chứa 70% thành phần chất rắn. 10. Thuốc trừ sâu sinh học. Hiện nay việc sử dụng các loại nông dược để bảo vệ mùa màng vẫn không thể thiếu được, đặc biệt đối với các nước đang phát triển hoặc chậm phát triển có nền kinh tế nông nghiệp. Nhưng nguy cơ đe doạ gây ô nhiễm của các dư lượng nông dược hiện tại và trong tương lai rất đáng quan tâm. Trong số này có nhiều dư lượng đáng sợ về mặt độc nh sinh thái do tính bền vững hoá học và độc tính mạnh lâu dài. Thuốc trừ sâu (các hợp chất photpho hữu cơ, halogen hữu. Cơ, cacbamat) thuốc trừ cỏ (axit 2,4,5 iclophenoxyaxetic) và thuốc trừ nấm bệnh (lưu hùynh, đồng, hợp chất thủy ngân), chiếm i hơn 80% khối lượng nông dược sử dụng. Cùng với dư lượng nông dược tích tụ trong ít và nước còn có dư lượng trong sản xuất hoá chất đôi khi đọng trong không khí. Độc ih của những chất này rất mạnh. Chẳng hạn, loại thuốc trừ sâu photpho hữu cơ nhiễm độc hệ thần kinh. Thuốc trừ sâu thuộc loại độc nhất thường dùng trong nông nghiệp là cbamat. Chất này rất dễ tan nên người ta phát hiện được từ vài năm nay trong nước - 16 - giếng và nước uống, kể cả ở châu Âu và Mỹ. ở những nồng độ đôi khi vượt quá 10ug/l, là nồng độ tối đa cho phép theo quy định của tổ chức Y tế Thế giới. Một nghiên cứu trong năm 1988 ở 34 bang nước Mỹ và trên 43000 mẫu nước cho thấy nước ngầm của 8 bang bị nhiễm cacbamat(Aldicarbe). Bang New York bị nhiễm nhiều nhất trên 20000 mẫu phân tích ở 1400 giếng thường xuyên chứa hơn 10 ug/l Aldicarbe. Dư lượng thuốc trừ sâu hoá học (linđan và các chất dẫn xuất) cũng có trong nhiều nguồn nước ở đô thị tại Pháp. Ở Việt Nam, qua điều tra sơ bộ của Viện Pasteur. Nha Trang thì 30% số người tiếp xúc với nông dược đã bị bệnh ngoài da. Theo số liệu chưa đầy đủ đã có hàng trăm người bị nhiễm độc thuốc trừ sâu và nhiều trường hợp dẫn đến tử vong. Dư lượng các loại thuốc hoá học trong đất và nước vượt quá nồng độ cho phép rất nhiều, đặc biệt xung quanh khu vực sản xuất của các nhà máy phân bón và hoá chất. Một trong những hướng cơ bản để khắc phục hậu quả tiêu cực của nông dược là thay thế bằng các loại nông dược sinh học. Ưu điểm nổi bật của nông dược sinh học là có độ chọn lọc rất cao nồng độ sử dụng thấp hơn, an toàn hơn. có khả năng tự phân hủy và không gây ô nhiễm môi trường. Nông dược sinh học được hiểu là những chất chỉ có nguồn gốc sinh học, giết được vật hại hoặc giữ quần thể vật gây hại ở mức vô hại. Trong tài liệu này, chúng tôi sẽ chỉ đề cập loại thuốc trừ sâu sinh học B.t. bắt nguồn từ vi khuẩn Bacillus thuringgiensis được nghiên cứu và ứng dụng nhiều và gắn với các phương pháp của CNSH. Một kỹ thuật nay đã trở thành quen thuộc là truyền gen của vi khuẩn vào cây. Những gen này có thể sản xuất loại protein độc tố trong cây và giết chết loại côn trùng ăn cây này. B, thuringiensis thường được sử dụng hơn cả vì các độc tố do nó tạo ra chỉ gây tử vong khi sâu hại ăn vào và hoàn toàn vô hại đối với người và các động vật khác. Thành công lớn trong việc ứng dụng loại vi khuẩn này đã được tờ "Thời báo New York" ra ngày 25 tháng 3 năm 1990 thông báo rằng "vi khuẩn đã cứu được 55000 hecta rừng bị một loại sâu bướm du cư tàn phá ở bang New Jersey". Kỹ thuật tái tổ hợp ADN áp dụng với B.thuringiensis có từ những năm 60 và có nhiều hứa hẹn trong sản xuất các độc tố sinh học để bảo vệ mùa màng. Năm 1987, các nhà khoa học Bỉ đã nhân dòng gen mã hoá độc tố của chủng vi khuẩn "Berliner" và truyền vào cây thuốc lá qua vật truyền trung gian là vi khuẩn Agrobacerium tumefaciens (vi khuẩn gây các "mụn cơm" ở thực vật). Cây thuốc lá được truyền gen đã sản xuất đủ độc tố trừ sâu để bảo vệ cây chống lại sâu bướm Manduca sexta. Tập thể nói trên cũng truyền được gen của vi khuẩn Bacillus sphacricus vào tảo lam. gen này mã hoá một độc tố chống lại bộ gậy muỗi anophen thường ăn tảo. Công trình này còn có một ý nghĩa lớn nữa coi như "một mũi tên nhằm vào hai đích", vì khoảng hai tỉ người trên thế giới còn bị bệnh sốt - 17 - rét đe doạ vì muỗi này, và ở nhiều nước. muối anophen đã chống chiu được nhiều loại thuốc trừ sâu hoá học. Tháng 9 - 1991 công ty Ấn Độ Sandoz India LicL một chi nhánh cùa công Ty Sandoz. Thụy Sĩ đã quảng cáo loại Bacillus thuringiensis Berliner. Sản phẩm này được cung cấp dưới dạng hạt rất nhỏ tan trong nước, có nhãn hiệu là Delphin, Thuốc có hoạt tính chống sâu hại bắp cải và hoa lơ. Vì đây là loại sản phẩm đầu tiên được nhập vào Ấn Độ, nên thuốc được Ủy ban Trung ương về Nông dược cho hưởng đăng ký đặc biệt để công ty Sandoz India có thể nhập thuốc từ công ty liên doanh ở Mỹ, nơi mà thuốc đã từng được sử dụng từ bốn năm nay. Tuy nhiên, công ty Ấn Độ được yêu cầu là phải thử nghiệm thêm về độc tính trước khi đưa thuốc ra thị trường. Tương tự, công ty Ấn Độ Hindustan Lever Ltd. (HLL), một chi nhánh của công ty Unilever, đã sản xuất thành công thuốc trừ sâu sinh học dựa vào Bacillus thuringiensis israelensis, dùng rỉ đường làm môi trường nuôi cấy. Thuốc đã được thử nghiệm thành công chống sâu hại cây như bắp cải, đậu triều (cajanus), bông, rum nhuộm (Carthanus tinetorius) và ngô, Thuốc cũng tỏ ra có hiệu quả chống được ruồi đen và muỗi và có thể dùng để khống chế bệnh sốt rét. HLL đã xin cấp đăng ký phát minh sáng chế ở Ủy ban Trung ương về Nông dược cho phép sử dụng thuốc trừ sâu sinh học này. Nhưng nhìn về lâu dài, cả thuốc trừ sâu sinh học cũng như hoá học chỉ có giá trị tương đối. Đó là do thiên nhiên đã phú cho cơ thể sống nói chung một khả năng tự điều chỉnh để chống lại mọi ảnh hưởng có hại có thể tiêu diệt nòi giống của nó. Vì vậy sâu hại có khả năng đề kháng với cả thuốc trừ sâu sinh học lẫn hoá học, nếu ta cứ lặp đi lặp lại một loại thuốc. Theo thông báo mới đây thì đã có hơn 500 loài côn trùng và ve bét chống chịu được thuốc trừ sâu hoá học và 8 loài kháng được nội độc tố của B.t. Ngay cả khái niệm "có hại" cũng nên hiểu cho đúng. Phải chăng cái "gì có hại đối với con người cũng có hại đối với các loài khác và cần phải tiêu diệt? Thiên nhiên ví như một cơ thể sống đặc biệt trong đó mọi thành phần đều có quan hệ qua lại với nhau. Mỗi loài côn trùng quen ăn một loại cỏ nhất định chẳng hạn, nếu ta dùng thuốc trừ cỏ tiêu diệt sạch cỏ mà ta cho là "có hại", thì đương nhiên loài côn trùng nàv buộc phải tìm kiếm mội loài cây khác "có lợi" cho ta. Thế là ta lại tìm cách "diệt sạch" loài côn trùng đó; chặt đứt sợi dây liên hệ trong vô vàn mối liên hệ phức tạp mà ta chưa biết. Cách giải quyết đúng đắn nhất là giữ cho vạn vật được hài hoà. Nếu xảv ra hiện tượng mất cân bằng, như dịch hại phát sinh, thì tìm cách khống chế để nó trở thành vô hại, không ảnh hưởng đáng kể đến môi trường, kinh tế, xã hội và sức khoẻ, chứ không phải là" tàn sát" để cho nó mất cân bằng thêm. Đó chính là một sách lược tối ưu trong hệ - 18 -