Khóa luận Quy trình sản xuất protein đơn bào từ tảo Spirulina

dụng loại protein này và các chất có trong tế bào vi sinh vật từ rất lâu: làm bánh mì, sữa chua, phomat, bia bằng hoạt động sống của vi sinh vật dù không hiểu vi sinh vật là gì. Mãi đến thế kỷ 17, người ta mới biết đến vi sinh vật là một sinh vật thứ ba sau động vật và thực vật. Trước thế kỷ 20, việc sử dụng vi sinh vật trong các quá trình chế biến thực phẩm hoàn toàn mang tính truyền thống và ở điều kiện tự nhiên. Việc nghiên cứu và sản xuất protein đơn bào còn xa lạ với loài người, nhất là với qui mô công nghiệp. Đầu thế kỷ thứ I, nhà máy sản xuất sinh khối nấm men được coi là nhà máy đầu tiên sản xuất protein đơn bào tại Đức với phương pháp nuôi Candida utilis còn gọi là “nấm men Torula”. Sau đó, mối quan tâm của Đức giảm đi nhưng đến năm 1930, Đức mở phục hồi và mở rộng sản xuất, năng suất nấm men là 15.000 Tấn/năm, trên cơ sở nuôi trên dịch kiềm sunfit, dịch thải của công nghiệp xenluloza, làm thực phẩm phục vụ trong quân đội và dân thường, chủ yếu là nấu canh và làm xúc xích. Sau năm 1950, phong trào sản xuất SCP lan rộng khắp Châu Âu, Mỹ. Tuy nhiên tất cả vẫn ở qui mô vừa và nhỏ, chủ yếu cho chăn nuôi và có thể chiết tách tinh sạch protein để làm thức ăn nhân tạo hoặc bổ sung vào các nguồn chế biến TP. Vào lúc diễn ra hội nghị lần thứ I về SCP tại Viện Kỹ thuật Massachusett (MIT) năm 1967, đa số các dự án chỉ mới nằm trong thực nghiệm, chỉ số hãng British Petroleum (BP) là có báo cáo về những kết quả của quá trình lên men SCP ở qui mô công nghiệp. Nhưng đến hội nghị lần thứ II họp vào năm 1973 thì nhiều hãng của nhiều nước khác nhau đã bắt đầu sản xuất SCP ở qui mô công nghiệp. Cũng bắt đầu từ năm 1973, công nghiệp sản xuất SCP đã có những bước phát triển nhảy vọt do việc sử dụng hidrocabon của dầu mỏ, khí đốt làm nguồn cabon và năng lượng rất có hiệu quả. Vậy nguyên nhân nào dẫn đến việc nhiều nước phải sản xuất SCP ? Sản xuất SCP là nguồn protein có chất lượng cao thay thế các loại bột dinh dưỡng làm từ các hạt chứa dầu như đậu tương hoặc bột cá dành cho động vật sẽ giải quyết được 2 vấn đề: + Tăng nguồn đậu tương cá, và cả ngũ cốc cho dinh dưõng người. + Các nước Châu Âu, Nga, Nhật và một số vùng khác không trồng được đậu tương, do đó SCP sẽ giúp cho nước đó không phụ thuộc vào việc nhập khẩu protein. Trong tế bào vi sinh vật, ngoài hàm lượng protein tương đối lớn còn có chất béo, vitamin và các chất khoáng, năng suất của vi sinh vật vượt xa năng suất cây trồng và vật nuôi trong công nghiệp nhiều lần. 1.2.2. 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 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. - 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. 1.2.3 Sản xuất protein vi sinh vật từ dầu mỏ và khí đốt 1.2.3.1.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. 1.2.3.2..Nguyên liệu 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 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 gìtrong việc hấp thụ những cơ chất không tan trong nước được bổ sung vào môi trường với nồng độ 2 - 4%. Khí thiên nhiên Metan: 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 cácthiết 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: - 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 của việc sử dụng khí metan: - 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. + 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). 1.2.4 Công nghệ sản xuất protein trên nguyên liệu polysacarit chưa thuỷ phân Các điều kiện kỹ thuật: Để sản xuất sinh khối nấm men giàu protein các dạng nguyên liệu trên cần đảm bảo các điều kiện kỹ thuật cơ bản sau: - Nồng độ đường trong dịch nuôi cấy phải đảm bảo từ 2 -4 %. - Muối urê 3g/l. - Suphephotphat 4g/l. - Không khí vô trùng - Thời gian nuôi từ 18 – 36 giờ. - Nhiệt độ nuôi cấy 28 – 30oC. - pH môi trường 4,5 – 5,5 . Quá trình sản xuất protein là quá trình hiếu khí. Vì vậy bắt buộc phải thông khí môi trường. Việc cung cấp không khí có một số tác dụng sau: + Cung cấp O2 cho vi sinh vật tổng hợp vật chất tế bào. + Tách CO2 ra khỏi dung dịch nuôi cấy. + Xáo trộn môi trường, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình trao đổi chất tốt hơn. Không khí cung cấp cho quá trình sinh tổng hợp protein phải được làm sạch trướckhi cho vào thiết bị lên men. Một yếu tố cần chú ý nữa là nồng độ đường trong quá trình nuôi cấy. Không nên để nồng độ đường quá cao trong môi trường vì sẽ ức chế sự tăng trưởng tế bào sẽ tạo ra nhiều sản phẩm phụ không cần thiết. Do đó nồng độ đường cần khống chế < 4 % là thích hợp. Bọt và sinh khối tràn ra ngoài trong quá trình lên men được tách trước tiên theo phương pháp tạo thành bọt cùng với sinh khối trào ra ngoài rồi đưa đi li tâm tách. Bọt và sinh khối tràn ra ngoài được thu gom lại đi xử lý bằng phương pháp tuyểnnổi (flotation) rồi đưa đi li tâm qua các máy li tâm tách (Seprator), cô đặc ở chân không. Sinh khối nấm men thu được ở dạng sệt có 75-80 % nước, 20-25% chất khôtrong đó có cacbon 40-50%, nitơ 7-10% tương ứng với 40-60% protein, hydro 5-7%, oxy 25-30%, các nguyên tố vô cơ 5-10% ( photpho và kali chiếm 95-97% tổng lượng tro, số còn lại là canxi, magiê, nhôm, lưu huỳnh, clo, sắt. Ngoài ra còn có một lượng nhỏ nguyên tố Mn, Zn, Mo, Bo, Coban...). Sinh khối được đưa vào sấy ở máy sấy 2 trục hoặc sấy phun. Trong tế bào nấm men kể cả vi khuẩn, có nhiều vitamin nhóm B (trừ VTM B12): tiamin, riboflavin, axit niconitic, axit folic, đặc biệt rất giàu tiền VTM D2 (ergosterin). Dưới ánh sáng tia tử ngoại (tia cực tím) ergosterin sẽ chuyển thành VTM D2. Vì vậy trước khi đóng gói sản phẩm sinh khối nấm men được chiếu tia tử ngoại để VTM hoá sản phẩm. 1.2.5. Công nghệ sản xuất protein từ sắn không qua quá trình thuỷ phân ban đầu. Nghiên cứu của Azoulay đã giúp cho hãng Adour Entreprise ( Pháp) phân lập được một chủng nấm men Candida tropicalis có thể lên men trực tiếp sắn mà không cần quá trình thuỷ phân ban đầu theo qui trình công nghệ như sau: - Củ sắn được rửa, thái mỏng rồi nghiền nhỏ. Hoà tan tinh bột bằng cách đun nóng > 100oC đồng thời cũng là để thanh trùng tránh nhiễm tạp khuẩn. Cách xử lý này cũnglàm phân huỷ các axit hydroxianic có trong sắn (Manihot esculenta) chuyển thành amon và axit focmic. - Lên men: quá trình lên men được thực hiện trong một nồi lên men có sục khí. Dịch lên men thu được chứa 10 – 25 kg nấm men/m3 . Sau khi li tâm, dịch trong được thu hồi để quay trở lại lên men mẻ sau, còn sinh khối nấm men chưa tới 15 % chất khô được đưa đi xử lý tiếp để thu hồi sinh khối. Trong một số trường hợp chăn nuôi gia súc (lợn), có thể bổ sung trực tiếp nấm men tươi vào thức ăn mà không cần làm khô (Inchauspe, 1986). 1.2.6. Sản xuất protein từ chuối: Ở Encuador, nước xuất khẩu chuối hàng đầu thế giới, và nước Colombia – cũng là nước chủ chốt về xuất khẩu chuối, luôn luôn có một tỉ lệ lớn sản lượng chuối (> 25 %) không xuất khẩu được vì kém chất lượng. Vì vậy chuối có thể là nguyên liệu quan trọng cho sản xuất SCP. Khoảng 15000 tấn chuối có thể chuyển hoá thành 100000 tấn sinh khối mỗi năm. 1.2.7. Công nghệ sản xuất protein trên dịch thuỷ phân gỗ. Ở Mỹ, nấm men gia súc được sản xuất từ dịch kiềm sunfit của các nhà máy bột giấy. Một số công ty như công ty Enviroson Ltd đã dùng nước thải bột giấy đem khử trùng (ở 121oC/1giờ) rồi làm nguội đến 37oC để làm cơ chất cho sự phát triển hiếu khí của một loại vi nấm Chactomium cellulolytium. Ngoài ra trong môi trường còn bổ sung các chất dinh dưỡng khác chứa nitơ, photpho và kali. Vi nấm tồn tại như những vật rắn dạng huyền phù, bám vào sợi xelluloza trong cơ chất và tiết ra enzim xenluloza làm chuyển hoá xenluloza thành glucoza. Sau khi đồng hoá được xenluloza, vi nấm tạo sinh khối và thải ra CO2. Đối với dịch kiềm sunfit này, các chủng nấm men sản xuất cần được làm quen với nồng độ axit sunfurơ cao ngay trong các bể tập trung. Cứ mỗi tấn carbon của cơ chất thì có thể tạo ra 500kg sinh khối. Sản phẩm cuối cùng chứa 40 % protein, 60% lipit, xenluloza và hydrat cacbon (với sản phẩm có độ ẩm 5%) (theo Chemical Engineering News, 6-2-1984). Một số nhà máy khác sử dụng công nghệ Pekilo của công ty Tampella với chủng nấm thuộc chi Paccilomyces nuôi cấy trên dịch sunfit. Trước khi lên men, hầu hết SO2 được loại bỏ bằng cách sục bằng hơi nước qua dung dịch sunfit. Đưa vào nồi lên men các chất có chất dinh dưỡng khoáng như axit photphoric, KCl, khí NH3 và sục đều bằng không khí nén. Sau khi lên men, sinh khối vi nấm được tách ra và rửa trong các máy ép lọc đến Bx = 35%, sau đó đem sấy bằng không khí nóng rồi ép và tạo hạt. CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TẢO SPIRULINA 2.1 Tảo sprulina là gì? Tảo Spirulina (Spirulina platensis) là một loài vi tảo có dạng xoắn hình lò so, màu xanh lam với kích thước chỉ khoảng 0,25mm. Chúng sống trong môi trường nước giàu bicarbonat (HCO3) và độ kiềm cao (pH từ 8,5-11). Năm 1964, Brandily - một nhà nhân chủng học người Pháp là người đầu tiên phát hiện ra loài tảo này trong lần khảo sát sự đa dạng sinh học tại vùng hồ ở Tchad (Châu Phi) sau khi quan sát và nhận thấy những người dân sống quanh vùng hồ này rất khoẻ mạnh vì họ thường vớt loại tảo này về ăn như là một loại thực phẩm chính. Hai mươi năm sau, vào những năm cuối thập kỷ tám mươi thế kỷ 20 - nhiều giá trị dinh dưỡng và chức năng sinh học của tảo Spirulina đã được khám phá và công bố rộng rãi không chỉ ở Pháp mà ở cả nhiều nước khác trên thế giới như Mỹ, Nhật, Canada, Mehico, Đài Loan… Hầu hết các nghiên cứu đều đã chỉ ra rằng tảo Spirulina rất giàu protein (tới 60-70% trọng lượng khô của tảo) trong khi thịt bò loại I chỉ có 21%, thịt gà ta 20,3%, thịt lợn nạc 19%, thịt chó sấn 16%... Chỉ số hóa học (chemical score - C.S) của protein của tảo cũng rất cao trong đó các loại acid amin chủ yếu như leucin, isoleucin, valin, lysin, methionin và tryptophan đều có mặt với tỷ lệ vượt trội so với chuẩn của tổ chức lương nông quốc tế (F.A.O) quy định. Hệ số tiêu hóa và hệ số sử dụng protein (net protein utilization - N.P.U) rất cao (80-85% protein của tảo được hấp thu sau 18 giờ). Hình 2.1 Tảo spirulina Trong 100g bột tảo chứa tới 1g (1%) acid gama linolenic (tiền thân của chất prostaglandin, có tác dụng cùng với vitamin E chống vữa xơ động mạch, điều hòa huyết áp, bảo vệ gan và các tế bào thần kinh. Hình 2.2 Bột tảo xoắn spirulina Spirulina có các loại vitamin nhóm B, hàm lượng vitamin B12 cao gấp 2 lần trong gan bò. Caroten cao gấp 10 lần trong củ cà rốt. Sắc tố tạo cho tảo có mầu xanh lam (phycoyanin), các nguyên tố vi lượng như K, Mg, Fe, Mn, Zn cũng rất cao có lợi cho hoạt động của hệ thần kinh và tim mạch, chống lão hóa ngăn ngừa bệnh ung thư và kích thích sự đáp ứng miễn dịch của cơ thể đối với các tác nhân có hại từ bên ngoài. Đặc biệt - kẽm (Zn) và các acid amin: tryptophan, arginin có trong tảo giúp tăng cường khả năng hoạt động tình dục, tăng cảm giác hưng phấn tình dục ở nam giới (những người thiếu arginin có thể mắc chứng bất lực hoặc vô sinh). Chính vì có những giá trị dinh dưỡng và giá trị sinh học đặc biệt như thế tảo Spirulina đã được coi là một loại thực phẩm chức năng (functional food) một thức ăn cho sức khoẻ (health food) và đã được nhiều nước, nhất là những nước công nghiệp phát triển đưa vào nuôi trồng công nghiệp và sử dụng rộng rãi dưới nhiều dạng chế phẩm khác nhau với sản lượng hàng trăm tấn ở mỗi nước một năm, đứng đầu là các nước Mehico, Mỹ, Nhật, Đài Loan v.v… Kết quả của nhiều công trình nghiên cứu quy mô đã công nhận tảo Spirulina là thực phẩm bảo vệ sức khỏe tốt nhất của loài người trong thế kỉ 21, là một trong những nguồn protein tốt nhất. Nếu so sánh với thực phẩm thông dụng như thịt, cá, rau, quả…, Spirulina với lượng chất đạm không dưới 70% là nguồn chất đạm nhiều gấp 3 lần thịt bò (20-25%), hơn xa thịt gia cầm (22-30%), và vượt xa sữa tươi (3-4%). Không chỉ có thế, chất đạm trong Spirulina là tổng hợp của 20 loại acid amin vừa dễ được dung nạp, vừa rất cần thiết cho nhiều chức năng, từ hoạt động của hệ miễn nhiễm bước qua khả năng tư duy cho đến tiến trình tái tạo tế bào. Spirulina bổ sung các loại sinh tố thuộc nhóm kháng ung thư, như sinh tố A với hàm lượng cao hơn trong gan bò, sinh tố E nhiều hơn trong dầu thực vật, tiền sinh tố A với tỷ lệ cao hơn trong rau quả. Khéo hơn nữa là sự hiện diện của tập thể sinh tố B1, B2, B6, B12, PP… trong Spirulina giúp cho các acid amin trong tảo được biến dưỡng một cách tối ưu. Nhờ dồi dào về thành phần khoáng tố, như vôi, magnê, phốt-pho, kali, sắt, kẽm, selen, crôm, molybdan… với hàm lượng cao hơn trong sữa tươi, Spirulina là biện pháp sinh học vừa kiện toàn hoạt động của hệ miễn nhiễm, vừa ổn định nhiều quy trình biến dưỡng thông qua ảnh hưởng hài hòa trên trục thần kinh - nội tiết, để từ đó tác động trên nhiều chức năng, từ quy trình chống loãng xương bước qua biến dưỡng chất đường cho đến tiến trình tạo huyết. Thêm vào đó, thành phần chất béo loại có cấu trúc hữu ích, như chất béo 3-Omega, là cơ sở để Spirulina giữ vai trò tương tranh với chất mỡ trong thực phẩm.  Nói một cách tóm lược, Spirulina không chỉ tốt nhờ thành phần toàn diện mà nổi bật nhờ tỷ lệ lý tưởng giữa đạm, đường, béo, sinh tố, khoáng tố và chất kháng oxy-hóa. Spirulina nhờ đó là món ăn không gây gánh nặng cho đường tiêu hóa. Ngược lại, nhờ sự hiện diện của hoạt chất trong Spirulina mà các cơ quan giải độc như gan, thận, da hoạt động với hiệu năng tối đa. 2.2 Tình hình tảo spirulina ở Việt Nam và thế giới 2.2.1 Trên thế giới Hiện nay trên thế giới phát triển rất mạnh việc nuôi cấy tảo Spirulina và Chlorella để thu nhận sinh khối cho người và động vật, trong đó Spirulina được sản xuất nhiều hơn. Thực tế cho thấy, 1 ha bề mặt nuôi cấy tảo thu nhận được 10- 15 tấn tảo một năm, cao hơn rất nhiều so với trồng lúa. Một trong những giống được sử dụng nhiều nhất là Spirulina maxima. Tảo lam này phát triển thành sợi, do đó dẽ thu nhận thậm chí bằng các phương pháp thủ công như cào và lọc. Từ thập niên 70, ở Nhật Bản và Mỹ tảo Spirulina đã được xem là một loại siêu thực phẩm. Đến những năm 1990, vấn đề tiêu thụ Spirulina đã tăng vượt bậc tại Trung Quốc, Ấn Độ, châu Á, Bắc Mỹ làm cho Spirulina ngày càng trở nên phổ biến. Mexico: vào những năm 70, một công ty của Pháp đã phát hiện tảo trong hồ Texcoco phát triển tốt trong môi trường kiềm có nhiều muối cacbonat. Nhà máy sản xuất công nghiệp lớn đầu tiên trên thế giới được xây dựng ở đây. Hình 2.3. Hồ Sosa Texcoco –Mexico Năm 1979, lần đầu tiên Mexico xuất khẩu những loại thức ăn dinh dưỡng từ Spirulina sang U.S. Ở Myanmar: Việc sản xuất bắt đầu vào năm 1988 ở hồ Twin Taung. Năm 1993, 30 tấn tảo được thu hoạch và tiêu thụ trong địa phương. Vào năm 1999, việc sản xuất tăng lên 100 tấn/ năm. Khoảng 60 % tảo được thu hoạch bằng thuyền ở bên ngoài của hồ và khoảng 40 % mọc dọc theo cạnh hồ. trong suốt thời kì tảo phát triển mạnh vào mùa hè, khi Spirulina mọc thành những thảm dày bên trong hồ, người ta dùng thuyền để thu hoạch tảo vào trong những cái thùng. Sau khi thu hoạch xong được đem đi lọc, rửa sạch với nước tinh khiết, tách nước và lặp quá trình đó một lần nữa Hình 2.4 Hồ Twin Taung- Myanmar Sat: Những cái ao có tính kiềm xung quanh hồ Sat ở châu Phi là một vùng lý tưởng cho tảo Spirulina phát triển. Phụ nữ bản xứ đã thu hoạch Spirulina và chế biếnthành món ăn gọi là “dihé”, sản lượng thu hoạch khoảng 30 tấn/năm. Thailand: Tảo được trồng vào năm 1978 gần Bangkok. Với điều kiện khí hậu nhiệt đới, tảo ở đây phát triển tốt và cho năng suất cao 150 tấn/năm và lúc này là 170 tấn/ năm. Ngoài ra còn một vài cơ sở sản xuất nhỏ ở Thái Lan. Tảo được bán cho Nhật Bản làm thức ăn dinh dưỡng. Hình 2.5. Hồ trồng Spirulina của công ty Siam- Thái Lan Hawaii, USA: Cyanotech mở một nông trại sản xuất Spirulina vào năm 1985 trên bờ biển Kon thuộc đảo Big- Hawaii, những năm gần đây, khu vực này đã được mở rộng và sản sinh hơn 400 tấn Spirulina/năm cùng với tảo Dunaliella. Trung Quốc: Ngày nay Trung Quốc có khoảng 80 loại Spirulina với năng suất thu hoạch khoảng 500 tấn/năm trong đó ở đảo Hainan có sản lượng 300 tấn/năm. Đài Loan: Vào thập niên 70, Đài Loan chủ yếu trồng Chlorella nhưng có 5 loại Spirulina có khả năng sản sinh vài trăm tấn/năm. Ngày nay Spirulina được nuôi trồng rất nhiều và được thu hoạch khoảng 460 tấn/năm. Ấn Độ: Việc nghiên cứu bắt đầu vào cuối những năm 70, từ qui mô gia đình họ chuyển sang dạng canh tác lớn hơn. Vào năm 1990, Ấn Độ thành lập nên một tiêu chuẩn quốc tế và các loại thức ăn từ Spirulina. Hiện nay có 2 cơ sở sản xuất lớn ước tính sản lượng khoảng vài trăm tấn/năm. Cuba: Có hai cơ sở sản xuất khoảng 40 tấn/ năm. Chilê: Năm 1991, Solarium bắt đầu sản xuất ở vùng Atacama, sản lượng khoảng 3 tấn/năm. Israel: Viện nghiên cứu Desert đã nghiên cứu Spirulina được hơn 20 năm nhưng sự sản xuất với qui mô lớn ở Israel không thành công. Các nơi khác: Spirulina còn được trồng ở một số nước như Bangladesh, Philippiness, Martinique, Peru, Brazil, Spain, Portugal, Australia và một số nước khác. Việc nuôi trồng Spirulina đang phát triển trên khắp thế giới 2.2.2 Ở Việt Nam Công ty cổ phần nước khoáng Vĩnh Hảo -Tỉnh Bình Thuận có cơ sở nuôi trồng tảo Spirulina Platensis đại trà với qui mô lớn ở Việt Nam. Sản lượng hiện nay từ 8 - 10 tấn/năm. Dự kiến tăng sản lượng lên 15 tấn/năm. Tảo Spirulina Platensis nuôi trồng ở Vĩnh Hảo chứa lượng đạm rất cao và nhiều thành phần sinh hóa có giá trị: • Protein: 60 - 70 % trọng lượng khô, có đầy đủ các axit amin không thay thế. • Gluxit: 3 - 6% • Lipit: 2 - 3 % • Các vitamin: β−caroten, B1, B2, B3, B6, B12, E • Các nguyên tố khoáng: Na, K, Ca, Mg, Fe • Các sắc tố: clorophyll, pycobiliproten và carotenoit. Thị trường chính để tiêu thụ tảo là các công ty dược , công ty thực phẩm cao cấp. Một số hình ảnh về việc nuôi trồng tảo ở vùng suối khoáng Vĩnh Hảo: Hình 2.6 Phòng nhân giống và khu nuôi cấy cao tốc Hình 2.7. Hồ nuôi tảo và sản phẩm Ngoài ra, năm 2003 mô hình nuôi tảo bằng nhà kính ở Long An theo qui trình nuôi tảo sạch của Thạc sĩ Lê Văn Lăng đã được sản xuất ổn định và có hiệu quả kinh tế. Hiện nay mô hình nuôi trồng này đã được đưa vào ứng dụng với qui mô sản xuất 2 đến 3 tấn/năm. Giá thành của loại tảo xoắn này khoảng 10 - 16 USD/kg. Đến nay, tảo Spirulina đã được công ty thực phẩm Đồng Tâm dùng làm nguyên liệu chính để sản xuất bột dinh dưỡng cho trẻ em. Tảo Spirulina được một số công ty dược mua để bào chế sản xuất các loại thuốc lợi sữa, thuốc chống suy dinh dưỡng... Ngoài ra, một số công ty dược liệu nước ngoài đã đặt mối quan hệ và đặt hàng tảo Spirulina dạng khô. Tảo Spirulina được giáo sư Ripley D.Fox - nhà nghiên cứu về tảo và các chế phẩm của nó tại "Hiệp hội chống suy dinh dưỡng bằng các sản phẩm từ tảo" (A.C.M.A) tại Pháp đưa vào Việt Nam từ 1985. Trong những năm 1985-1995 đã có những nghiên cứu thuộc lĩnh vực công nghệ sinh học cấp nhà nước như nghiên cứu của GS.TS. Nguyễn Hữu Thước và cộng sự (Viện Công nghệ Sinh học thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) với đề tài "Công nghiệp nuôi trồng và sử dụng tảo Spirulina". Hay đề tài cấp thành phố của Bác sĩ Nguyễn Thị Kim Hưng (TP Hồ Chí Minh) và cộng sự với đề tài "Nghiên cứu sản xuất và sử dụng thức ăn có tảo Spirulina trong dinh dưỡng điều trị" v.v. Hình 2.8 Bể nuôi cấy tảo spirulina Cho đến nay, nhiều cơ sở nuôi trồng, sản xuất và chế biến các sản phẩm từ tảo Spirulina đã được thành lập với công nghệ nuôi tảo trên các bể nông xây bằng xi măng sử dụng khí CO2 của công nghệ tạo nguồn cacbon, nguồn CO2 trực tiếp lấy từ các nhà máy bia, cồn, rượu…nén hóa lỏng vào bình chứa. Đó là các cơ sở như Vĩnh Hảo (Bình Thuận), Châu Cát, Lòng Sông (Thuận Hải), Suối Nghệ (Đồng Nai), Đắc Min (Đắc Lắc). Nguồn CO2 từ lò nung vôi (sau khi lọc bụi) và các hầm khí bioga cũng đã được nghiên cứu tận dụng để phát triển nuôi trồng tảo và cũng đã thu được một số kết quả. 2.3 Các sản phẩm spirulina có ở Việt Nam hiện nay Ngoài các sản phẩm Spirulina nhập từ Thái Lan, Trung Quốc… với nhiều tên gọi khác nhau, bán hàng theo phương thức phân phối đa cấp với tỷ lệ chiết khấu cao gây thiệt thòi cho người tiêu dùng. Các sản phẩm được chế biến từ tảo Spirulina tại Việt Nam cũng đã xuất hiện ngày càng nhiều và đa dạng. Trước đây đã từng có bột dinh dưỡng Enalac, Sonalac (5% tảo), viên nang Linaforce của Trung tâm Dinh dưỡng thành phố Hồ Chí Minh, Lactogyl và Linavina của xí nghiệp Dược 24 thành phố Hồ Chí Minh (Công ty cổ phần Hóa dược phẩm Mekofa), viên Spirulina của Công ty nước suối Vĩnh Hảo. Nay đã có 5 sản phẩm Spir@ của Công ty DETECH (Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) được Cục An toàn vệ sinh thực phẩm - Bộ Y tế cấp phép lưu hành trên thị trường. 1 số sản phẩm điển hình: - Spir@ B (Tảo bồi bổ) tảo xoắn Spirulina dùng cho người suy dinh dưỡng, người mới ốm dậy cần bồi bổ phục hồi sức khoẻ… Hoa Hòe, Hoa Cúc dùng cho người bị tăng huyết áp, giảm stress và tăng cường trí nhớ cho người già…. Hình 2.9 Sản phẩm tảo spirulina dạng viên nén đóng hộp - Spir@ CĐ (Tảo phòng chống độc) Tảo xoắn Spirulina kết hợp tinh chất Cao hạt nho: dùng để tăng sức đề kháng, chống độc, khử gốc tự do… - Dia-Spir@ (Tảo phòng chống tiểu đường) Tảo xoắn Spirulina kết hợp Vitamin, khoáng chất dùng cho người bị bệnh đái tháo đường týp 1 và týp2. - Spir@ Cid (Tảo phòng chống ung thư): Tinh nghệ nguyên chất kết hợp với tảo xoắn Spirulina, Cao hạt nho dùng hỗ trợ cho việc phòng và chữa các bệnh ung thư. Không nên quá đề cao các loại thực phẩm chức năng, thần dược hóa chúng như những "vị thuốc chữa bách bệnh". Nhưng với xu thế hòa nhập cùng thế giới, nhất là sau khi đã tham gia vào Tổ chức thương mại thế giới (WTO) chúng ta cũng không thể phủ nhận những tác dụng của thực phẩm chức năng mà thế giới đã thừa nhận. Do vậy người tiêu dùng, nhất là người bệnh và những người có điều kiện về kinh tế (tài chính) nên tìm hiểu và nên sử dụng ngày càng nhiều hơn các loại thực phẩm chức năng như là tảo Spirulina vì sức khoẻ của chính mình. 2.4 Ứng dụng các chế phẩm từ tảo spirulina 2.4.1 Spirulina trong bệnh nội tiết, biến dưỡng và tim mạch Có thể phòng tránh nhiều biến chứng nghiêm trọng của bệnh tim mạch (nhồi máu cơ tim, tai biến mạch máu não...) và bệnh nội tiết như tiểu đường (mù mắt, đoạn chi, suy thận, cao huyết áp...) nếu một mặt ngăn chận được tình trạng rối loạn biến dưỡng chất béo dẫn đến xơ vữa mạch máu và mặt khác cung ứng cho cơ thể hoạt chất cơ bản để làm chậm tiến trình lão hóa. Nhờ cấu trúc hóa học hầu như khó tìm thấy trong hoạt chất thiên nhiên nào khác, Spirulina là phương tiện hổ trợ an toàn cho liệu pháp đặc hiệu trong bệnh tim, tiểu đường, rối loạn chức năng tuyến giáp, hội chứng mãn kinh... 2.4.2 Spirulina, giải pháp tốt cho người béo phì Nhờ lượng chất xơ dồi dào trong thành phần, lại thêm là dạng thực phẩm hầu như không có chất đường, Spirulina dùng trước mỗi bữa ăn là đòn bẩy để người béo phì có thể giảm cân một cách hòa hoãn nhưng với tác dụng dài lâu. Tương tự như thế, nhờ lượng sinh và khoáng tố đa dạng trong thành phần, Spirulina sẽ là một loại thực phẩm rất tốt trong chương trình điều trị cho người áp dụng phương pháp nhịn ăn để chữa bệnh.  2.4.3 Spirulina, chìa khóa sinh học chống lao tâm lao lực Thông qua tác dụng chuyển hóa chất đạm trong tảo thành tryptophan và serotonin, hai loại hoạt chất cần thiết cho giấc ngủ yên bình và cảm giác lạc quan, Spirulina dùng trước khi ngủ là biện pháp đơn giản nhưng hiệu quả để người mỏi mệt, suy nhược thần kinh, thiểu năng sinh dục sớm được phục hồi 2.4.4 Spirulina, món ăn nên thuốc trong bệnh mạn tính Nhờ tác dụng chống thiếu máu cũng như tăng cường khả năng tổng hợp kháng thể đã được xác minh qua nghiên cứu lâm sàng, Spirulina là món tráng miệng không nên thiếu cho người bị chấn thương xuất huyết, sau cuộc phẫu thuật, sau lần xạ trị, hóa trị, sau giờ tập vật lý trị liệu, cũng như cho đối tượng có vết thương ngoài da (viêm da thần kinh, chàm), vết loét trên niêm mạc lâu lành (viêm loét dạ dày, viêm đại tràng mãn). 2.4.5 Spirulina, phương tiện giải độc trong môi trường ô nhiễm Không có gì khó hiểu nếu đối tượng liên tục đối đầu với độc chất trong môi trường sinh hoạt như nông dân, công nhân... đang là đối tượng khó tránh của nhiều bệnh chứng thoái hóa hay ác tính, từ nhẹ như dị ứng chuyển sang nặng như viêm gan, phong thấp, hay trầm trọng như ung thư! Với nhiều loại hoạt chất kháng oxy-hóa trong thành phần, Spirulina là phương tiện đơn giản để giải độc cho những cơ thể thường xuyên tiếp xúc với thuốc lá, rượu bia, hóa chất nông nghiệp, chất thải kỹ nghệ, khói xăng dầu... Paracelsus, y sư nổi tiếng nhờ quan điểm phòng bệnh hơn chữa bệnh, ắt hẳn phải có lý do chính đáng khi quả quyết “Không có liệu pháp nào phù hợp với cơ thể con người cho bằng tuân thủ qui luật và áp dụng phương tiện của thiên nhiên”. Quả thật rất đáng tiếc nếu người muốn phòng bệnh, muốn mau lành bệnh, muốn sống khỏe, trẻ và đẹp lại quên món quà độc đáo của thiên nhiên: Tảo Spirulina! CHƯƠNG 3: QUY TRÌNH SẢN XUẤT PROTEIN ĐƠN BÀO TỪ TẢO SPIRULINA 3.1 Ưu điểm của tảo đơn bào: - Giá trị dinh dưỡng của tảo cao và phạm vi ứng dụng rộng rãi: + Tảo đơn bào có hàm lượng protein rất cao (chiếm khoảng 40-55% chất khô), riêng tảo Spirrlina có chứa tới 70%. + Protein của tảo thuộc loại protein hoàn hảo và có chất lượng cao. Hàm lượng axit amin của những protein trong tảo gần với qui định protein tiêu chuẩn, đặc biệt là lizin trong protein của tảo cao hơn hẳn lizin của lúa mạch. Tổng số axit amin không thay thế trong protein rất cao, có khi lên đến 42% (bảng 1 và bảng 2). + Tảo chứa nhiều protein và vitamin (VTM) (nhất là VTM B12 và C) nên được sản xuất làm thức ăn cho người, gia súc, gia cầm và tôm cá. + Giá trị dinh dưỡng của tảo còn thể hiện ở chất lượng và số lượng của các VTM có trong đó. Tảo Chlorella có nhiều VTM A, nhóm VTM B, trong tế bào tươi có rất nhiều VTM C. Ngoài ra có rất nhiều VTM B, K, axit aconitic, axit pantotenic, biotin, lencophorin trong các loại tảo. - Cho đến nay chưa tìm thấy độc tố nào nguy hiểm tồn tại trong sinh khối tảo. biệt của mình, tảo lam đã lôi cuốn sự chú ý của các nhà khoa học trong lĩnh vực di truyền, tế bào, hoá sinh, lý sinh - Đặc điểm của tế bào các loài tảo là có chất diệp lục (chlorophyll). Chất này có vai trò quan trọng trong việc cố định năng lượng ánh sáng mặt trời của tảo. Vì vậy tảo là loài sinh vật tự dưỡng, chúng hoàn toàn có khả năng quang hợp mà các giới hiển vi sinh vật khác không có. - Tảo có kích thước tế bào lớn, hoàn toàn có thể đáp ứng tới mọi yêu cầu kỹ thuật, đặc biệt thuận lợi trong giai đoạn thu nhận. - Không bị virus tấn công, sống trong những điều kiện đơn giản. - Tảo có khả năng làm sạch các nguồn nước bẩn, giữ vệ sinh môi trường. Tảo lam có thể tham gia quá trình cố định nitơ của không khí và nhờ những tính chất đặc. 3.2 So sánh 2 loại tảo Chlorella và Spirulina: - Tảo Spirulina chứa VTM B12, caroten nhiều hơn hẳn tảo Chlorella, chứa nhiều xantophin là chất rất cần thiết cho gia cầm, Spirulina còn chứa nhiều loại chất kháng sinh chống vi khuẩn và các loại nấm, nên có thể bảo quản rất lâu mà không bị mốc. - Hàm lượng protein trong tảo Spirulina cao hơn nhiều so với tảo Chlorella. Protein của tế bào Spirulina là 60-70%, Chlorella là 40-50%. - Kích thước của tảo Spirulina lớn hơn kích thước của tảo Chlorella. Mặt khác, tảo Spirulina trong quá trình phát triển có xu hướng nổi lên bề mặt trong khi đó tảo Chlorella có kích thước nhỏ lại có xu hướng lắng chìm khi không khuấy trộn. Thu hoạch tảo Spirulina bằng những phưong pháp đơn giản, trong khi với tảo Chlorella thì phức tạp giống như thu hoạch sinh khối nấm men hoặc sinh khối vi khuẩn. - Thành tế bào tảo Spirulina mỏng, thành tế bào của Chlorella dày hơn. Do đó hệ số tiêu hoá khi ta dùng tảo Spirulina cao hơn tảo Chlorella. Tảo Spirulina phát triển trong môi trường kiềm còn Chlorella phát triển trong môi trường axit yếu. - Khi dùng CO2 như nguồn cacbon, mà nguồn cacbon này trong điều kiện kiềm đất dễ chuyển hoá sang dạng dễ hấp thụ theo phản ứng sau: HCO3 + OH = CO3 2- + H2O CO3 2- + CO2 + H2O = 2HCO3 Spirulina hấp thụ CO2 theo chiều hướng này tốt hơn tảo Chlorella. Vì vậy, hiện nay trong sản xuất công nghiệp, tảo Spirulina đã chiếm một vị trí ưu thế. 3.3 Quy trình sản xuất protein từ tảo spirulina 3.3.1. Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất tảo Spirulina: Qui trình nuôi cấy tảo gồm có 2 giai đoạn chính: - Nuôi cấy tảo - Thu nhận sinh khối Sơ đồ quy trình công nghệ: Giống tảo Nuôi cấy Tăng sinh Bổ sung dd Thu sinh khối Bảo quản sinh khối Sấy khô Sản phẩm Thành phần môi trường Điều Kiện kĩ thuật 3.3.2. Giải thích quy trình công nghệ Ø Giai đoạn 1: Nuôi cấy tảo Giống: Spirulina là một chi gòm một số loài được sử dụng phổ biến trong công nghệ nuôi trồng tảo là Spirulina platensis, Spirulina maxima.Chọn Spirulina với những sợi nhỏ xoắn cân đối để thu hoạch. Spirulina phải chứa ít nhất 1 % axit α - linoleic tính theo trọng lượng chất khô. Tảo phải tập trung lại với nhau, nổi lơ lửng thành từng lớp. Trong quá trình nuôi cấy, phải tiến hành khuấy trộn, nếu có thể khuấy trộn liên tục nồng độ của tảo có thể đạt đến 0,8 g/l. Môi trường cơ bản nuôi cấy tảo Spirulina: - Môi trường cơ bản: K2HPO4 0,1g/200ml, K2SO4 0,2g/200ml, MgSO4.7H2O 0,04g/200ml, CaCl2.H2O 0,008g/200ml, NaNO3 0,5g/200ml, NaCl 0,2 g/200ml, FeSO4 0,0002g/200ml, EDTA 0,016g/200ml. - Môi trường bổ sung1: H3BO3 2,86g/l; ZnSO4.7H2O 0,22g/l; MoC3 0,01g/l; MnCl2.4H2O 1,81g/l; CuSO4.5H2O 0,08g/l. - Môi trường bổ sung 2: K2Cr2(SO4).24H2O 960g/l; NiSO4.7H2O 478g/l; Ti2(SO4) 400g/l; Co(NO3)2.6H2O 44g/l. Cách pha môi trường : Cân 16,8 g NaHCO3 hoà tan trong 500ml nước cất thêm vào 10ml dung dich cơ bản, 1ml dung dịch bổ sung 1 và 1ml dung dịch bổ sung 2, thêm nước cất vào cho đủ 1 lít. Các điều kiện kỹ thuật của một quá trình nuôi cấy tảo: - Phải có ánh sáng với cường độ chiếu cao: vì vậy, nuôi tảo phải có điều kiện khí hậu thuận lợi, trước hết là một thời kỳ ánh sáng mặt trời mạnh và kéo dài để có đầy đủ năng lượng ánh sáng.Tảo ít bị chi phối bởi chu kì sáng/tối nhưng nếu được chiếu sang liên tục thì giá trị sinh khối sẽ đạt được cao nhất. Cường độ ánh sáng thích hợp nhấtcho Spirulina nằm trong khoảng 25.000 - 30.000 lux. Những sợi tảo nhỏ dễ bị phá hủy do cường độ chiếu sáng mạnh và kéo dài. Bởi vậy, chúng ta cần phải giảm bớt thời gian chúng được chiếu sáng bởi ánh sáng mặt trời. Mưa sẽ làm giảm bớt sự bay hơi nước nhưng với điều kiện không được để đầy tràn ao nuôi trồng tảo. Ánh sáng và sự chiếu sáng nhân tạo giúp Spirulina phát triển nhanh hơn mặc dù đây không phải là biện pháp kinh tế và rất phiền phức về mặt công nghệ. Người ta dùng những cái đèn huỳnh quang và đèn halogen nhằm để vừa chiếu sáng vừa làm nóng môi trường nuôi cấy. - pH môi trường phải duy trì= 8,5 -9 (đối với tảo Spirulina) và trung tính (đối với tảo Chlorella) - Phải được cung cấp đầy đủ các muối vi lượng. - Phải được khuấy đảo liên tục, tạo sự tiếp xúc thường xuyên với ánh sáng (đi với Spirulina) và phải tạo ra chu kì sáng tôi thích hợp (đối với Chlorella). Vì vậy quá trình nuôi cấy tảo đòi hỏi những thiết bị đặc biệt. Thông thường người ta dùng những bể phẳng (bể tròn), hoặc những máng phẳng uốn khúc. Những thiết bị này có tác dụng lật đảo nhằm hạn chế sự lắng của tế bào và đưa tế bào luôn trở lại bề mặt chiếu sáng. - Cung cấp CO2: tối ưu khoảng 4-5% so với không khí ( có tác giả cho là 1-3%). Việc cung cấp CO2 với vai trò là nguồn cacbon trong quá trình quang hợp rất cần thiết. CO2 có thể được cung cấp băng nhiều cách khác nhau: Lấy trực tiếp từ các quá trình lên men khác như lên men rượu etanol, lên men bia v..v hoặc nguồn khí thải công nghiệp. Sục không khí có chứa CO2 (1-3%) kết hợp với sục CO2 100% ngắt quãng v..v.. Các phương pháp nuôi tảo: Hiện nay trên thế giới có ba hình thức nuôi trồng Spirulina: thu hoạch Spirulina tự nhiên trong các hồ, nuôi cấy trong hồ hoặc trong nhà kính có mái che và mới đâyphát triển hệ thống nuôi trong những ống trong suốt để tăng sự tiếp xúc giữa tảo và ánh sáng mặt trời. Những hệ thống nuôi cấy bán tự nhiên thì cho chất lượng tốt hơn thu hoạch tảo mọc tự nhiên. Và qui mà chia làm 3 loại: - Nuôi cấy quy mô thủ công : Nuôi cấy tảo tự nhiên ( xây màng bao ximăng) hay là thùng phi. Trong trường hợp này thường người ta sục khí CO2, kháng khuẩn cao. - Nuôi cấy quy mô bán công nghiệp: Mỗi mô hình nuôi cấy quy mô bán công nghiệp mô hình nuôi trồng Chlorella tiên tiến ở Hoa Kỳ. Tảo nuôi cấy trong ác bể trong suốt, hình chữ U, daì hơn 20m, rông khoảng 1,2 m. Khi ống nằm ngang, cho môi trường vào trong ống với ước cao khoảng 0,625m. Khí CO2 được bán vào môi trường, ống thổi môi trường được luân chuyển với ống tuần hoàn nhờ một máy bán khác. Nuôi tảo bằng năng lượng ánh sang mặt trời với nhiệt độ duy trì khoảng 25-260C. - Nuôi cấy quy mô công nghiệp: Việc nuôi trồng vi tảo vi khuẩn lam quy mô công nghiệp , có 2 hệ thống chính : Hệ thống kín và hệ thống hở. Dù là hệ thống nào đi nữa, việc khuấy đảo, sục khí đã tạo điều kiện cho tế bào tiếp xúc với ánh sáng mặt trời và khí CO2 là yếu tố rất quan trọng để các chủng giống thực hiện quá trình quang hợp. Do đó, các hệ thống nuôi trồng được thiết kế gắn liền với hệ thống khuấy đảo và sục khí + Hệ kín: ở hệ thống nuôi này, vi tảo, vi khuẩn lam đươc nuôi trong các bể lên men chủ yếu dung ánh sáng nhân tạo ( ánh sáng đèn )có cùng độ và hệ thống sục khí CO2 tùy theo yêu cầu công nghệ. + Hệ hở: điều kiện : quá trình quang hợp của vi tảo và vi khuẩn lam gắn liền với việc sử dụng ánh sáng tự nhiên ( ánh sáng mặt trời). Chiều cao của môi trường khoảng 15-17 cm, bằng 0,7 chiều cao bể nuôi cấy. Khuấy đảo với một chế độ thích hợp, tiếp xúc với ánh sáng mặt trờigiúp cho tảo không bị lắng xuống đấy bể, đảm bảo cho sự phân bố chất dinh dưỡng cho toàn bộ tế bào của hệ thống nuôi. Hình 3.1. ARTISANAL FARM (Sản xuất thủ công) Hình 3.2. MEDIUM E FARM (Sản xuất với qui mô trung bình) Hình 3.3. MASS PRODUCTIONFARM (sản xuất quy mô công nghiệp) Ø Giai đoạn 2: Thu nhận sinh khối: Việc thu nhận sinh khối qua các bước sau: - Làm đục sơ bộ - Lộc bằng trông lược và chân không - Phá vỡ tế bào - Sấy khô - Nghiền - Đóng gói Khi hàm lượng sinh khối đạt cực đại thì tiến hành thu hoạch tảo. Việc thu hoạch là một thao tác khá dễ dàng trừ khi nó trở nên quá già và dính lại với nhau thì việc thu hoạch trở nên rất khó khăn. Thời gian thu hoạch tảo tốt nhất là vào buổi sáng sớm vì nhiều lý do: • Công việc sẽ dễ dàng hơn khi thời tiết mát mẻ. • Trời nắng sẽ dễ làm khô sản phẩm. • Phần trăm protein trong Spirulina cao nhất vào buổi sáng. Về cơ bản, việc thu hoạch tảo có 2 bước: • Cô đặc sơ bộ thu được khoảng 10 % chất khô và phần còn lại chứa 50 % môi trường nuôi cấy. • Việc loại bỏ phần còn lại của môi trường nuôi cấy trong sinh khối Spirulina tươi sẽ được tiến hành trong quá trình sử dụng hoặc quá trình sấy khô, nó sẽ chứa khoảng 20 % vật chất khô và dường như không còn môi trường nuôi cấy. Cách lọc thì được tiến hành đơn giản bằng cách cho cả tảo và môi trường qua một lớp vải lọc nhờ vào trọng lực. Lớp vải được làm từ poliamide hoặc poliester với kích thước mắt lưới cỡ 30 - 50 μm là thích hợp nhất. Việc hổ trợ thêm một lưới lọc mịn sẽ làm tăng nhanh quá trình lọc và bảo vệ lớp vải lọc không bị thủng. Nhưng cách đơn giản nhất là có thể sử dụng một túi lớn để lọc. Việc lọc có thể được tiến hành trực tiếp ở ao nuôi cấy tảo để phục hồi nước lọc. Việc thu hoạch tảo sẽ được tiến hành thông qua một cái sàng với kích thước mắt lưới 200 μm để giữ lại bất kì những chất lạ nào như sâu bọ, ấu trùng, lá cây, sự vón cục của các polysacarit hoặc bùn. Việc thu hoạch tảo khi nó nổi thành từng lớp sẽ có khuynh hướng tăng thêm phần trăm Spirulina, nếu nó không nổi lên trên thì sẽ gây khó khăn cho quá trình thu hoạch. Khi hầu hết nước đã được lọc, sinh khối sẽ được tập trung lại thành những cái cuộn. Việc tách sẽ thực hiện tốt hơn với vải lọc bằng cotton. Hình 3.4 Thu hồi tảo Ø Trong giai đoạn này nhất thiết cần phải bổ sung thêm môi trường dinh dưỡng: Những chất dinh dưỡng bị tách ra cùng với sinh khối nên khi thu hoạch cần phải được bổ sung để duy trì môi trường dinh dưỡng. - Môi trường bổ sung 2: K2Cr2(SO4).24H2O 960g/l; NiSO4.7H2O 478g/l; Ti2(SO4) 400g/l; Co(NO3)2.6H2O 44g/l. Chất dinh dưỡng chính là cacbon, nó có thể được lấy trực tiếp từ không khí như khí CO2 mỗi khi độ pH > 10. Tuy nhiên trong không khí chỉ chứa một lượng rất nhỏ khí CO2 nên sự hấp thụ nó là một quá trình rất chậm, quá trình này chỉ đạt cực đại khi pH > 10,5. CO2 tinh khiết được cung cấp từ hơi đốt hoặc oxi hóa các hợp chất hữu cơ như đường. Lượng khí cần thiết khi sục chiếm khoảng 4 % tổng diện tích của hồ. Việc thêm HCO3 - là một cách làm giảm bớt độ pH có hiệu quả và dễ thực hiện nhất nhưng nó sẽ làm tăng độ mặn của môi trường. Thỉnh thoảng phải rút bớt một nphần môi trường nuôi cấy và thay thế bằng môi trường giàu HCO3 - mới để duy trì một độ mặn nhất định. Hàm lượng khí, rỉ đường, HCO3 - bổ sung sẽ điều chỉnh được độ pH khoảng 10,4. Độ pH< 10,2 có thể gây ra sự sản sinh thừa không mong muốn nhưng không nguy hiểm. Đường có thể gây ra một số biến đổi của môi trường dinh dưỡng vì vậy chỉ nên sử dụng một lượng nhỏ hơn 0,3 kg/kg và cung cấp càng đều đặn càng tốt. Ngoài C, Spirulina cần phải có các chất dinh dưỡng cần thiết như: N, P, K, S, Mg, Ca, Fe vả một số nguyên tố vi lượng khác. Trong một số trường hợp, các nguyên tố vi lượng và canxi có thể không cần cung cấp vì nó có sẵn trong nước và những chất hóa học sử dụng làm thức ăn cho Spirulina. Trong một vài trường hợp, nước có chứa một lượng lớn Ca, Mg, Fe, nó sẽ làm đục môi trường. Nếu sử dụng phân bón hóa học thì chúng phải hòa tan được để đề phòng việc có các kim loại nặng như Hg, Cd, Pb, Spirulina sẽ dễ dàng hấp thu những chất đó và sẽ bị kết dính lại. Nitrat là một nguồn cung cấp nitơ tốt, nó chứa đựng nhiều chất dinh dưỡng ngoài nitơ. Nguồn nitơ rẻ nhất là urê, urê được tạo thành từ NH3 và CO2 là một chất dinh dưỡng tuyệt vời cho Spirulina nhưng hàm lượng phải được giữ ở mức thấp, khoảng 60 mg/l. Urê thừa cũng có thể chuyển hóa thành NH3 hoặc NO3- ở trong môi trường. Trong trường hợp cần thiết, tất cả các chất dinh dưỡng và các nguyên tố vi lượng trừ Fe có thể được cung cấp bởi nước tiểu lấy từ người hoặc động vật có tình trạng sức khỏe tốt, không dùng thuốc với lượng khoảng 15 - 20 l/kg Spirulina. Fe có thể được cung cấp bằng cách hòa tan trong môi trường axit. Phân khác với urê, nó có thể được cung cấp một tháng một lần nhưng urê thì phải được cung cấp hàng ngày dựa vào hàm lượng đã được xác định. Ø Bảo quản sản phẩm: Sinh khối tươi mới thu hoạch sẽ không giữ được lâu trong tủ lạnh và không hơn vài giờ ở nhiệt độ phòng. Thêm vào 10 % muối là một phương pháp để tăng thời hạn bảo quản lên tới vài tháng nhưng vẻ bề ngoài và mùi vị sản phẩm bị thay đổi: màu xanh của phycocyanin bị mất đi, sản phẩm sẽ trở nên lỏng và mùi vị có phần giống như bột cá Việc lạnh đông là một cách để giữ Spirulina trong một thời gian dài. Nó cũng làm mất màu xanh của tảo nhưng không làm thay đổi mùi vị. Sấy là một phương pháp phổ biến để bảo quản và phân phối Spirulina. Nếu Spirulina được sấy và đóng gói đúng kĩ thuật thì sấy được coi là phương pháp tốt để giữ Spirulina trong vòng 5 năm. Ø Sấy khô: Máy sấy Spirulina dùng trong công nghiệp là máy sấy phun, điều này là ngoài tầm với của những người sản xuất thủ công. Sấy khô bằng ánh nắng mặt trời là phương pháp phổ biến nhất để làm khô sản phẩm đối với những người sản xuất nhỏ. Việc sấy trực tiếp bằng ánh nắng mặt trời phải tiến hành nhanh nếu không cholorophyl sẽ bị phá hủy. Dù dùng nguồn nhiệt nào thì lớp sinh khối tảo phải đủ mỏng để có thể kịp khô trước khi nó bắt đầu lên men. Không khí ẩm và khô xuyên qua sinh khối phải với tốc độ cao vào lúc bắt đầu quá trình sấy. Trong quá sấy cũng như về sau, sản phẩm sấy phải được bảo vệ chống lại sự nhiễm bẩn từ bụi, sâu bọ và không được tiếp xúc trực tiếp với tay. Nhiệt độ sấy cần phải nhỏ hơn 68oC. Sự lên men xuất hiện trong quá trình sấy có thể được phát hiện bởi việc xuất hiện mùi trong và sau quá trình sấy. Tuy nhiên, mùi sẽ mạnh nhất khi bắt đầu quá trình sấy. - PHẦN III: KẾT LUẬN Với quy trình sản xuất protein từ tảo như trên tuy còn một số mặt hạn chế song đã đáp ứng đươc phần nào nhu cầu về tảo và các sản phẩm từ tảo trong và ngoài nước. Với mô hình nuôi cấy tảo trên ta có thể áp dụng cho cả hình thức nuôi cấy thủ công nghiệp, bán công nghiệp và công nghiệp. tuy nhiên vẫn còn một số mặt hạn chế cần khắc phục như đảm bảo vệ sinh cho khu vực nuôi cấy, đặc biệt là với mô hình nuôi cấy thủ công nghiệp thì khu vực nuôi cấy càng phải đảm bảo về kỷ thuật và môi trường để tránh bị nhiễm các loài tảo ký sinh khác gây ảnh hưởng đến chất lượng và độ tinh khiết của sản phẩm. Trong mô hình nuôi cấy tảo spirulina quang trọng nhất vẫn là hệ thống bể nuôi cấy. mô hình nuôi cấy có thành công hay không phụ thuộc rất lớn vào hệ thống bể nuôi cấy này. Với quy mô công nghiệp, nếu đươc lắp đặt hệ thống khuấy trộn đặt ở một chế độ thích hợp nhằm dảm bảo cho tảo tiếp xúc đều với ánh sáng mặt trời sẽ cho năng suất cao đạt tới 0,8g/l. Đồng thời CO2 cũng là một chất thiết yếu rất cần cho quá trình quang hop7 của tảo, tuy có sẵn trong tự nhiên nhưng quá trình quang hợp của tảo chỉ xảy ra tốt nhất khi pH> 10,4 vì vậy cần bổ sung kiềm vào bể nuôi cấy trong quá trình bổ sung chất dinh dưỡng sau khi thu hồi tảo lần 1. Nhược điểm lớn nhất của tảo spirulina là ở trạng thái tươi mới sẽ khó giữ được lâu. Việc them 10% muối vào tảo tươi tuy có thể giúp tảo giữ được lâu hơn nhưng sẽ làm biến tính mất đi hương vị nguyên chất của tảo như làm tảo có mùi tanh giống bột cá và mất di màu xanh tự nhiên của sản phẩm. Chính vì vậy, tảo spirulina sau khi được thu hoạch nếu trực tiếp đưa vào nhà máy chế biến và làm lạnh nhanh hoặc làm đông khô ở nhiệt độ thấp sẽ giữ cho sản phẩm được tươi mới lâu nhất. Quy tình sản xuất protein đơn bào từ tảo spirulina là một quy trình mở, nó không quá nghiêm ngặt về hệ thống cũng như phương pháp nuôi, tuy nhiên làm sao để đạt được kết quả tốt nhất và thu được sản lương cao nhất thì quy trình nuôi cấy cần phải đảm bảo tốt các điều kiện về tiêu chuẩn. Phát triển mô hình nuôi cấy tảo spirulina ở quy mô thủ công nghiệp và bán công nghiệp ở Việt Nam cũng là một cách giúp cải thiện đời sống người dân,góp phần xóa đói giảm nghèo cho quốc gia. Mục lục Phần 1 Lời mở đầu 1 Phân 2 Nội dung 4 CHƯƠNG 1: Sơ lược về protein các quy trình sản xuất protein 1.1- Sơ lược về protein 4 1.1.1- Định nghĩa Protein 4 1.1.3- Các yếu tố tổng hợp protein 6 1.1.4.- Vai trò của protein đối với sự sống 8 1.2- Các quá trình sản xuất prtein 9 1.2.1- Khái quát về lịch sử sản xuất protein 11 1.2.2- Đặc điểm sản xuất proten đơn bào 11 1.2.3- Sản xuất protein sinh vật từ dầu mỏ, khí đốt 12 1.2.3.1- Đặc điểm lịch sử 12 1.2.3.2- Nguyên liệu 13 1.2.4- Công nghệ sản xuất protein trên nguyên liệu polysaccarit chưa thủy phân 15 1.2.5- CHSX protein từ sắn không qua quá trình thủy phân ban đầu 17 1.2.6- Sản xuất protein từ chuối 17 1.2.7- CNSX protein trên dịch gỗ thủy phân 17 CHƯƠNG 2: Giới thiệu về tảo Spirulina 2.1- Tảo spirulina là gi? 19 2.2- Tình hình tảo spirulina ở Việt Nam 23 2.2.1- Trên thế giới 23 2.2.2- Ở Việt Nam 26 2.3- Các sản phẩm tảo Spirulina ở VN 29 2.4- Ứng dụng các sản phẩm tảo spirulina ở VN 31 2.4.1- Spirulina trong bệnh nội tiết, biến dưỡng và tim mạch 31 2.4.2- Spirulina, giải pháp tốt cho người béo phì 31 2.4.3- Spirulina, chìa khóa sinh học chống lao tâm lao lực 31 2.4.4- Spirulina, món ăn nên thuốc trong bệnh mạn tính 32 2.4.5- Spirulina, phương tiện giải độc trong môi trường ô nhiễm 32 CHƯƠNG 3: Quy trình sản xuất protein đơn bào từ tảo spirulina 3.1- Ưu điểm tảo đơn bào 33 3.2- So sánh 2 loại tảo Chlorella và Spirulina 34 3.3- Quy trình sản xuất protein từ tảo spirulina 35 3.3.1-Sơ đồ quy trình sản xuất protein đơn bào từ tảo spirulina 35 3.3.2- Giải thích quy trình 36 Phần 3 Kết luận 45