Công nghệ vi sinh. Tập 2 Vi sinh vật học công nghiệp - Nguyễn Đức Lượng

NGUYỄN ĐỨC LƯỢNG

CÔNG NGHỆ VỊ SINH

■ I :

TẬP a

t&ct (Uêtc cã<x cAúmỹ, tâ i (+iu'*y Ổ-ỔỊU dã dếtc vái Xin vui lòng:

• Không xé sách

• Không gạch, viết, vẽ lên sách

VI SINH VẬT HỌC

CÔINC NGHIỆP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCK KHOA N g u y ễ n Đ ứ c

L ư ợ ng

C Ô N G N G H Ệ V I S I N H

TẬP 2

V I S I N H V Ậ T H Ọ C C Ô N G N G H I Ệ P T H i x v i è ' ‘S S S J

-NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUÔC GIA J /

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2002

MỰC LỤC

LỜ I N Ó I ĐẦU 7

N hững chữ 1'ict tát dùng trong sách 8

Chương ĩ

NHỮNG NGUYÊN LÝ c ơ BẢN TRONG VI SINH VẬT HỌC

CÔNG NGHIỆP 9

1.1 Nguyên lý quá trình sản xuất trong công nghệ vi sinh vật 9 1.2 Nguyên lý trao đối chất ở tế bào vi sinh vật 12 1.3 Nguy én lý điều hòa trao đối chất ơ vi sinh vật 14 1.4 Nguyên lý sinh tống hợp thừa ớ vi sinh vật 16 Ch ương 2

CÁC QUÁ TRÌNH TRAO ĐÓI CHẤT VÀ MÔI TRƯỜNG NUÔI CẤY

VI SINH VẬT CÒNG NGHIỆP 19

2.1 Các quá trình trao đổi chất ở vi sinh vật 19 2.2 Một số nguyên liệu thường được dùng trong nuôi cấy vi sinh

vật 44

2.3 Mỏi trường nuôi cấy trong phòng thí nghiệm và trong xương

thực nghiệm 52

Chương 3

NHỮNG VẨN ĐỀ KỲ THUẬT VÀ PHƯƠNG PHÁP CHƯNG 58

I. GIỐNG CHO SÁN XUẤT 59

3.1 Tạo giông vi sinh vật 59

3.2 Kỹ thuật nâng cao chất lượng giông vi sinh vật 64

3.3 Bảo quản giống vi sinh vật 71

II. THỈẾT KẾ QUÁ TRÌNH LÊN MEN 74

3.4 Giới thiệu chung 74

3.5 Thiết kế quá trìn h 74

III. THIẾT BỊ LÊN MEN 84

3.6 Thiết bị có cánh khuấy 84

3.7 Thiết bị có hệ thống thổi khí 85

3.8 Thu nhận sinh khỏi vi si nil vật 91 3.9 Thu nhận các sán pháni trao đoi chàt bậc hai 92 Chươníị 4

CÒNG NGHỆ SÁN XUAT VI SINH VẬT 95

I. CÔNG NGHỆ SAN XUẤT NẤM MEN BANH MÌ VÀ NAM MEN

DÙNG CHO THựC PHẨM GIA s ú c 96

4.1 Công nghệ sán xuãt nám men bánh mì 9G

4.2 Công nghệ sán xuất nấm men cho gia súc 115

II. CỐNG NGHỆ SẢN XƯAT PROTEIN ĐƠN BÀO 115

4.3 Protein đơn bào và protein đa bào 115

4.4 Công nghệ sán xuất protein đơn bào 119

4.5 Đặc điểm sinh lý, sinh hóa cùa tao đơn bào 119 4.6 Một sô khác biệt giữa Chlorella và spirulina 129

4.7 Công nghệ sàn xuất tảo 130

4.8 ưng dụng sinh khôi tảo 133

III. SẢN XUẤT SINH KHỐI VI SINH VẬT TỪ DẲU MÓ VÀ KHÍ

ĐỐT 134

4.9 Vài dòng lịch sử 134

4.10 Vi sinh vật phân giài cacbua hydro 134

4.11 Vi sinh vật phân giái khí thiên nhiên 135

4.12 Cơ chế chuyến hóa 135

4.13 Công nghệ sản xuất sinh khối từ dầu mỏ 136 4.14 Công nghệ sản xuất sinh khối vi sinh vật từ khí đốt 137

IV. SẢN XUẤT SINH KHỐI PHỤC v ụ NÔNG NGHIỆP 139

4.15 Thuốc trừ sâu sinh học . 139

4.16 Sản xuât phân sinh học 151

Ch ương 5

CÔNG NGHỆ SẢN XưẤT CÁC CHẤT KHÁNG SINH 163

5.2. Vài đòng lịch sư 165 5.3 ( ’õ n g n g h ệ s;m XLiiìt khãnKr s i n h Ỉ V n i ã l i n 167

5.4 Các loại kháng sinh khác 178

Chương ()

CÒNG NGHi; EXZYM 187

6.1 Khái niệm vố iMizyni 187

6.2 Oỉiu t ạo của en7Ạ'm 188

6.U Động thái cua phan ứng on/vm 190

6.-Ẳ Các yêu í ỏ ánh hường (li*n hoạt tmh (“lizym 193 C.5 Vi sinh vật tham gia >inh lông hợp f.Dzyin 197 G.6 Cơ chẽ sinh tòng hợp iMi/.ym ơ vi sinh vạt 206 6.7 Cơ chê (ĩiổu hòa sinh tỏng hợp on/yiii 211

6.8 Phương pháp nuôi cây vi sinh vật thu nhận enzyui hòa tail 216 G.9 Phương pháp ĩ hu nhạn I’liz vm không hòa tan 231

G.10. ứ ng tlụng enzym 246

d ì ỉ fan lị 7

CÒNG NGHỆ SAN Xl-ẤT CÒN VA CAC SAN PHÁM LẺN MEN

'kCHlvACỎN 273

< 7.1 ( ’ỏng nghệ sản xuát cỏn từ nguyôn liệu chứa tinh bột 273

(^ 7 .2 Còng nghệ sán xuat bia 285

^ 7 .3 Còng nghệ sàn xuàt rượu vang. ^ 300

Ch ươn 8

CÔNG NGHỆ SAN XUẤT AXIT HỮU c ơ 307

8.1 Công nghệ sán xuất axit axetic 307

8.2 Công nghệ sàn xuất axit lactic 322

8.3 Công nghẹ sàn xuất axit xi trie 336

Chương 9

CÔNG NGHỆ SẢN XưẤT AXIT AM IN 341

9.1 Nhửng phương pháp san xuất axit ainin ^ 342 9.2 Sàn xuât nxit amin bang còng nghệ vi sinh vật. 343

CONo NGHỆ SAX X V A T VITAMIN 355

10.1 (Ymg n^lu; sail xuat vitamin Bu 3f)5

10.2 ( ’ông nghẹ san xu.'it Kibofhivin (vitamin Bj) :.uu Cììươniị ì ì

CÒNG NCỈIÍỆ SAN X l:ẢT CU AT KÍCH TIIICH ;ỉ« 5

11.1 CViu tạo, tinh chát cua giberelin 3(55

11.3 Vi sinh vật tons hợp gibrivliu 368

11.1 ( ’ong nghệ sau xuất tfibiMvlin 3(iK

11.5 Làm sạch £ibeivlin 370

LỜI NÓI ĐẦU

GIẢO TR ÌN H CÔNG Ng h ệ VI S ĩN H VẬT TẬP 2 là tài liệu giúp ích cho việc học tập và đào tạo kỹ sư, cao học CÚCI các ngành Công nghệ sinh học, Công nghệ thực phẩm. Giáo trình này trước đây đã được in ấn nội bộ dưới dạng bài giảng và được bổ sung sứa chữa nhiều lần. Trong lần bicn soạn và bổ sung đ ể xuất bản lần này, chúng tôi cổ gắng đưa them vào nhũng kiến thức cơ bán và mới nhất ở những chương đầu ti.cn, hy vọng cung cấp them kiên thức cho bạn dọc.

Chủng tôi thành thật biết ơn tất cả các bạn đồng nghiệp đã động viên, góp ỷ đc lần xuất bán này hoàn chính hơn. Hy vọng rằng chúng tôi SC nhận được những góp ỷ chân thành cúa mọi người quan tâm đến công nghệ vi sinh đế giáo trình UC công nghệ vi sinh vật được hoàn thiện hơn trong nhũng lần tái bàn sau.

Mọi góp ý xin gửi vế: Bộ môn Còng nghệ sinh học, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia TP Hồ Chí M inh. 268 Lý Thường Kiệt, Q.ĨO. TP. HCM, Tel: 8639341 0913742766.

Tác giả

DNA: axit dczoxyribonucleic RNA: axit ribonucleic

AMN, ADP, ATP: adcnozin, mono (di, tri) photphat ATC: chu trình axit trỉcacboxylỉc (chu trình krcbs.) COA: coenzym A

CMC: cacboxylmctyl cellulose EMP: Em den M cyerhoff Parnas

GMP (GDP, GTP): gunanozin mono (di, tri) photphat Mol: Phân tứ gatn

NAD/NAD.H: Nicotinam it adcnozin dinuclcotid ì dạníị kh ù NADP/NADP-H--- ---- --- — ...photphat Ị dạng khứ

Chương

JL

NHỮNG NGUYÊN LÝ c ơ BA N

TRONG V I SIN H V Ậ T HỌC

CÔNG N G H IỆP

1.1 NGUYÊN LÝ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT TRONG CÔNG NGHỆ VI SINH VẬT Quá trìn h sản xuất các sẩn phám sinh học (sinh khối, các sán phâni trao đổi chất) từ vi sinh vật hoàn toàn khác với các quá trìn h sán xuất các sản phẩm sinh học từ thực vật vn động vật. Chính vì thế’ người ta (lùng từ lên men (ferm entation) đề chỉ một quá trình srin xuât có đặc thù riensj này.

Quá trìn h lên men là một quá trình h ết sức phức tạp. Nó bao gồm từ quá trìn h tuyến chọn giông, nâng cao chát lượng giống, báo quan giống, quá trìn h lên men, quá trìn h thu nhận và tinh chè sàn phẩm. Trong dó nhiều quá trìn h giồng nhau cá về m ặt nguyên lý và quá trìn h vận hành, khác chăng chỉ ở khâu giông và quá trình thu nhận, tinh sạch sàn phẩm. Các quá trìn h trên được tóm tắt như sau:

Quá trìn h tạo giống đòi hỏi phái có kiến thức sâu về hình thái, cấu tạo, phân loại vi sinh vật. Ngoài ra còn phải có kiến thức về khả năng thực hành vừng vàug về kỹ thuật phòng thí nghiệm vi sinh, kỹ th u ật di truyền. Quá trìn h tạo giòìig là công việc đòi hỏi tính kiên trì, tính cẩn thận, tính trung thực râ t cao vì giông sè quyết định chiều hướng tạo ra sản phàm vi sinh vật.

Quá trìn h sản xuất thử, thử nghiệm là quá trìn h kiểm tra đặc tính giông. Công việc này là khâư đầu tiên giúp nhà sản xuất xác định được hướng đầu tư, khá năng sản xuất và phát triển sản xuât. T ất cả các giống mới tạo lập cắn phải qua giai đoạn này trước khi đưa vào sán xuất theo qui mô công nghiệp. Tuy nhiên, nếu ta có giông mà đà biết được tấ t cá đặc điểm (nhất là các giông đã qua sán xuất cỏng nghiệp) thì có thề không cần qua giai đoạn san xuất thử, thứ nghiệm.

Quá trìn h sản ximt theo qui mô công nghiệp là quá trìn h điều khiển sự ánh hưởng của một ioạt các yếu tố như pH, nh iệt độ, Iiồng độ chất khô, hoạt tính nước, lưu lượng không khí tới quá trìn h lên men. Tất cả các quá trìn h này phai được kiếm soát chặt chẽ trong một phạm vi sản xuất lớn là cá một quá trìn h hèt sức phức tạp và rát khó khãn. Công việc này đòi hói kiến thức sâu không chi về mặt sinh lý vi sinh vật mà còn đòi hỏi cả kiến thức sâu về hóa học và lý học, cũng như kiến thức về điều khiển học.

Quá trình sán xuất theo qui 111 ò công nghiệp là quá trình điều khiển đề sự biểu hiện của feaotype cua vi sinh vật ở mức độ cao nhất. Khi đó ta thu nhận được sản phẩm có năng suất và chất lượng cao nhất, đồng thời các sản phẩm này còn phải đảm bảo an toàn vẻ mặt sinh học, hóa học và lý học.

Quá trìn h thu nhận và tinh chế sán phẩm hoàn toàn là quá trìn h áp (iụng các phương pháp cơ học, lý học, hóa học và cá sinh học nhằm thu nhận và tin h chế sản phẩm theo các tiêu chuẩn đã được qui định trong các văn bán pháp qui của nhà nước và quôc tế.

Như vậy, công nghệ vi sinh là một công nghệ bao gồm bốn bước. Các hước này có mối lièn quan hữu cơ với nhau trong một chuỗi sản xuất liên hoàn từ giai đoạn đầu đến giai đoạn cuối.

Mục đích cuôì cùng của cả bôn giai đoạn trong công nghệ vi sinh vật là sail phẩm (sinh khôi hay sản phẩm trao đổi c h â u đáp ứng đầy điì các yêu cầu cùa người tiêu dùng. Do đó, quá trìn h sản xuất các sản phẩm từ vi sinh vật cần phái áp dụng GMP (thực hành sản xuất tốt), tiêu chuẩn ISO-9000 hay HACCP để đảm bảo sự an toàn trong sản xuất và an toàn sản phẩm.

NHŨNG NGUYÊN LÝ c ơ BẢN TRONG VI SINH VẶT HỌC CÔNG NGHIỆP 11

theo (jui mò công nghiệp là phai ticVn hành (ÍU‘U khien ha quá trìn h cơ ban: - Quá í rinh diếu khièn genotype (kiếu gen)

- Quỉí trình cliổu khiên fenotype (kiôu hình)

- Quá trìn h (ìiổu khiến kỳ thuật thu nhận, tinh che sán phàm.

Quá trình diều khiển genot-vpe là cá ít lột quá trình tạo giống, mill" cno clii.it lưựng giống và báo quán chất lượng giống. Quá trình này đòi hỏi kiòn thức sâu vổ sinh học. (li truyền học và kỷ thuật di truyền. Mục đích của quá trinh này là thu dược gi õng có chất lượng tốt, (láp ứng đáy dú các yóu cầu tron í* sán xuàí. Cõng việc này thường tiên hành troii^ các phòng' thi nghiệm. Đỏi khi người ta coi đáv lìì những nghiên CLrti cơ brill, vì rhực chất của công việc là nhừng nghiên cứii thuộc lình vực tố bno. Tát cá các quá trình (liều khièn nhiìì trong phạm vi tẽ bào mà trọng tâm là nlìừng vấn dề về gcn. Khi làm chủ được hoạt (lộng cùn gon trong tè bào, ta sẽ làm chu dược chiêu hướug phàn ứng sinh hóa. Iỉoạt ctộns' cua gen là hoạt (lộng (lieu khum sự tổng hợp các cnzyni. Hoạt (ỈỘ11Í? này thường tuân thù theo nguyên tác:

m ột gen —> m ột enzym —> m ột phản ứng sinh hóa —» sản phẩm

ơ (láy cnn n h à n m ạ n h . thỏm vổ cấu triíc cua gcu. Nõu "(Ml t h a y đỏi cấu ỉrur thì sè (lấn toi sự sai lộcli t.ron^ cấu trúc cua enzvin. Nòu các axit amin Iniiiịí cáu trúc (*n/vm bị thay doi nam trong vùng trung táiiì hoj.it ítộ 11 hay Irunií lỉim iliõu kỉìiòn (írmiĩĩ Íí’un kiêm hàmi thì Si'* lãm (líio lộn toìm bộ rhirn Iníớn" cua Ị‘h;in iVtis^ và s;in phàm ruòi cùng. Do (.lo, công việc diổu k lì i 1*11 ií(Mi là còn tí VÌ(‘C q u a n t r ọ n " nl ì ât i r o n s t o à n 1)0 t i ê n t r ì n h s á n xuát .

Nluíng công tiõp tỈ11M> chi la nluiiiií viị*c làm tlô toi ưu hóa cliồu kiệu sao cho việc biou liiộn ,u;i 1*011 tỏỉ niiàt. Ky thuật kliicn genotype* chũiiỉỊ tói sẽ trình bìty k '’ ứ nhứng chưưng sau.

Quá trình í liều khiên fenotvpe là quá trinh tối ưu hóa c;,c ctiồu kiọn có nnlì hướng đến biỏu hiện của en/vin. Mọi quá trình trao (lôi cliât cùa sinh vật (lều liên quan ítèn oilzy 111. trong (ló biêu hiện rõ nhát la ơ vi sinh vật. o thực vật, ngoài onzyni ra côn có hộ (lịch (Ịimnh tê bào co ánh hưởng (lèn tiỉio đối chat- cùa tè’ bào. ơ động vật, ngoài cMi/ynì. hệ (lịch, quá trình trao (lõi chất CÒ11 phụ thuộc vào hộ thần kinh.

ơ người, ngoài euzyin, hẹ dịch, hệ thẩn kinh, còn có ý thức có anh hương ràt 1ỚI1 đôn quá í linh tnio đối ehàt cua tê bào.

Xhư vạv. vi ộc (tiều khi (Ml (ịiiá trinh trao đối chàt ư tò bào vi sinh vật là (lõiì gian Iihât vì chúng chi phụ thuộc rât nhiổu vào Iiìột yêu tô (ló là enzvm.

Việc biểu hiện hoạt động cưa enzym phụ thuộc rấ t nhiều vào cả yếu tố bèn trong lẫn bên ngoài cùa tế bào, trong đó các yếu tô như pH, nhiệt độ, nồng độ chất khò, chất hoạt hóa, chất kiềm hàm, nồng độ enzym được coi như vốu tố điều khiển của quá trình. Quá trình điều khiển này thường được thực hiện ỡ giai đoạn sản xuất thử và giai đoạn sàn xuất công nghiệp. Như vậy, thực chất việc điều khiến fenotype là điếu khiển kỳ thuật sản xuất trong còng nghệ vi sinh vật, đó là quá trình lên men. Giai đoạn uày có tính chat quvết định đến chiều hướng kinh doanh và mức độ kinh doanh.

Quá trìn h thu nhận và tinh chê sán phầm là quá trìn h áp dụng hàng loạt các phương pháp cơ học, hóa lý đê nhằm vào mục đích cuôi cùug cua quá trìn h sảa xuất là sau pliẫỉiì. Sán phẩm này phai đáp ứng cá vổ số lượng, chất lượng, an toàn sinh học và các điều kiện kỷ thuật.

1.2 NGUYÊN LÝ TRAO Đổl CHẤT ở TẾ BÀO VI SINH VẬT

Vi sinh vạt là cơ thê đơn bàơ, hay nói cách khác, vi sinh vật được câu tí\o từ một tế bào (ngoại trừ một sỏ nâm sợi). Do dó, khi nghiên cứu vi .sinh vật thực chất là nghiên cứu tế bào. vồ m ặt sinh lý, cơ thố đơn bào khác với cơ thê đa bào ở diêm quan trọng nhãt chính là sự tác (lộng trực tiếp cùa môi trường tới tô' bào. Trong khi (lổ cơ th ể đa bào được cấu tạo từ các- tò bào. các tê bào vừa bị ảnh hường trực tiốp vừa bị ành hường gián tiòp từ mòi trường.

Điếm khác biệt trong quá trìn h trao đối chất cúa tế bào vi sinh vật có iihừng điểm riông rất rò uét.

Như vậy, theo sơ đồ tran g 13, quá trình trao đối chất ỡ vi sinh vật xáy ra hai quá trình: quá trìn h đồng hóa và quá trìn h dị hóa. Qu:'. trình dồng hóa thúc đấy quá trìn h sinh trưởng và quá trìn h sinh sán cúa tô bào.

Quá trìn h dị hóa là quá trình phân giải các chất. Quá trìn h dị hóa có th ể xáy ra trong tê bào (do các enzym nội bào thực hiện), có thè xáy ra ngoài tê bào (do các enzyin ngoại bào thực hiện). Các quá trìn h dị hóa trong tế bào vi siah vật nhằm cung câp năng lượng và nguvêxi liệu CỈ10 quá trìn h tổng hợp cùa tẻ bào. Các quá trìn h dị hóa ngoài tế bào chủ vếu cung cấp nguyên iiệu cho quá trìn h tổng hợp cua tế bào.

Các enzyni ngoại bào tham gia dị hóa ngoài tế bào được tòng hợp trong t ế bào và th o át ra khỏi tế bào, thực hiện các phản ứng ngoài tế bào. Các enzym này được tống hợp và tham gia các phân ứng ngoài tế bào cỏ những đặc điểm rấ t riêng chi có ữ vi sinh vật. Quá trìn h tổng hợp và quá trìn h phán hủy cùa các enzym này tuân theo qui luật cám ứng của cơ chất.

NHÙNG NGUYÊN LÝ c ở BẢN TRONG VI SINH VẬT HỌC CÔNG NGHIỆP ₁₃

Hình 1.2: Sơ đổ quá trình trao dối chất ở vỉ sinh rật

Do ảnh hưởng cùa điều kiện tự nhiên rá t khắc nghiệt, các sình vật thường phải trải qua quá trình đấu tra n h đế sinh tồn. Vi sinh vật thường phải đôi phó với điều kiện khắc nghiệt cua điều kiện sống nhiều hơn các sinh vật khác. Chính vì th ế chúng phái có khả nảng thích nghi rấ t cao. Khả năng này giúp vi sinh vật loại trừ dần những quá trình trao dôi chất không thích hợp và hoàn thiện dần các quá trình giúp nó thích nghi với môi trường. Một trong những đặc điểm của quá trìn h trao đổi chất dễ nhận biết n h ấ t là khả năng tiến hành trao đổi chất theo hướng hợp lý n h ấ t và kinh tế nhất. Có nghĩa là khi vi sinh vật tiến hành quá trìn h trao đổi chất thường không tạo ra những sản phẩm dư thừa. Các sán phẩm tạo ra trong quá trìn h trao đổi chất đủ đẻ tiến h àn h những quá trìn h sinh hóa cơ bản trong tế bào. Như vậy trong sản xuất công nghiệp vi sính vật, ta thu nhận được một số của quá trìn h tổng hợp là các sản phẩm thường không có ý nghĩa lớn đối với bản thản vi sinh vật; nhưng với người sản xuất các sản phẩm này có ý nghĩa quan trọng trong quá trìn h kinh doanh và kê hoạch ph át triển kinh doanh.

N hư vậy, trong quá trìn h trao đổi chat ciia vi sinh vật sẽ tạo ra các dạng sản phẩm sau:

- Sinh khối vi sinh vật (các vật chất có trong tế bào vi sinh vật, người ta còn gọi sản phẩm này là sản phẩm bậc một)

- Các vật chất được tạo ra trong quá trìn h trao đổi châ't, tế bào tách chúng ra môi trường, chúng không tham gia quá trìn h tạo ra sinh khôi tế bào. Người ta gọi nhóm sản phẩm này là sản phẩm trao đổi châ't bậc hai. Các sản phẩm trao đối chât bậc hai bao gồm cả các sản phẩm đồng hóa và dị hóa.

- Ngoài ra còn một dạng sản phẩm khác được gọi là các sản phẩm của sự chuyến hóa (transformation products). Các sản phẩm của sự chuyền hóa thường là những chắt trung gian không bền về m ặt hóa học và chúng còn tiếp tục được chuyến hóa trong chuồi chuyển hóa của tê bào.

Cơ chất — — — Ti ển sản phẩm

I I Tể bào

Sản phắm bậc hai {sản phẩm trao đổi chất)

H ình 1.3; Sơ đồ các sản phẩm trong trao đổi chất của vi sinh vật

1.3 NGUYÊN LÝ ĐIỂU HÒA TRAO ĐÔI CHẤT ở VI SINH VẬT

Như phần trê n đã trìn h bày, trong tự nhiên, các vi sinh vật khi tiến hành quá trìn h trao đổi chất không bao giờ tạo ra quá nhiều chất này hay chất khác mà chỉ ở mức độ cần th iế t n h ấ t định cho sinh sản, phát triển và duy trì loài. Như vậy, trong tự nhiên sẽ không có quá trìn h tạo ra sự dư thừa các sản phẩm trao đổi chất.

Điều khiển cho sự không tạo ra những dư thừa của quá trìn h trao đổi chất của vi sinh vật trong tự nhiên là quá trình phức tạp nhưng rấ t chặt chẽ.

Các n h à khoa học cùng đã tìm ra ba cơ chế điều hòa quá trìn h trao dổi ch ất ở vi sinh vật. Ba cơ chế điều hòa bao gồm:

Sản phẩm chuyển hóa

Sản phẩm bậc 1 (sinh khối)

NHỮNG NGUYỀN LÝ c ơ BẢN TRONG VI SINH VẬT HỌC CÔNG NGHIỆP ₁₅

7* Điều hòa hoạt tính cnzym nhờ sự ức chê cua sản phấm cuối cùng Cơ chê này được gọi là sự kìm hãm theo cơ chẻ ngược. Theo cơ chế này, sần phẩm cuôi cùng của một quá trình phản ứng sẽ gây ra sự ức chế quá trìn h phản ứng. Các sán phẩm cuối cùng có thế là các sản phẩm được tạo th àn h trong quá trìn h trao đổi chát, cùng có thể là những chát đưa vào môi trường nuôi cấy. Các sản phẩm này sè tham gia gây ức chế hoạt tín h của enzym đầu tiên tham gia phản ứng đẩu tiên của chuỗi phản ứng.

Các enzym bị ức chê thường là nhừng enzym di lập thể. Khi có sự tác động củạ sản phẩin cuôi, các enzym này sẽ bị thay đổi cấu hình không gian và như vậy các trung tâm hoạt độnTg bị thay đổi câu hình không phù hợp với cấu hình không gian của cơ chât. Khi đó tốc độ phản ứng sẽ giảm hay bị triệ t tiêu.

Về lý thuyết, muôn chuỗi phản ứng này tiếp tục xảy ra thì phai triệ t tiêu sản phẩm cuôi. Tuy nhiên trong thực tế, cơ chế ức chế bởi sản phấm cuôi thường xảy ra rấ t nhanh và có hiệu quả tức thì.

Trong quá trìn h sông, vi sinh vật thường sử dụng các sán phẩm cuôi cho quá trìn h phát triển và sinh sán. Cũng có thề các sán phẩm CUỐI chỉ là một sản phẩm không cần th iế t cho các quá trìn h trên. Do đó sự tồn đọng của nó lại là chát dinh dưỡng cho các vi sinh vật khác. Và như vậy trong thiên nhiên có sự thay đổi nhịp nhàng giữa quá trình tạo ra và m át đi. Điều hòa quá trìn h này là do sản phârn cuôi tạo ra, khi thiếu sán phẩm

CUỐI, phản ứng được tạo ra. Khi sản phẩm được tạo ra dư so với nhu cầu của vi sinh vật, sản phẩm cuối sẽ ức chê quá trìn h tạo ra chúng. Khi hết, cơ chế ức chê này không còn duy trì và cơ chê tạo ra sản phẩm cuối được t á i . ]ập. Cứ như vậy, sự điều hòa trở nên nhịp nhàng suôt quá trìn h ph át triển của vi sinh vật.

Trong quá trìn h sản xuất, ta có th ể điều khiến quá trìn h này bằng việc làm tăng hay làm giảm lượng sản phẩm cuốỉ của phản ứng.

2- Điều hòa cơ chế kiềm chẽ sự tổng hợp enzym

Sản phẩm cuối cùng ức chế sự tổng hợp enzym (enzym tham gia sự tạo ra sán phẩm cuô'i này). Trong quá trìn h tống hợp ra enzym tham gia tạo ra sản phẩm cuối, việc đọc thông tin đi truyền này sẽ bị phong tỏa. Nếu nồng độ sản phẩm cuối nhiều, quá trìn h phiên âm sẽ bị ngưng trệ. Khi nồng độ sản phẩm cuối ít dần, quá trìn h phiên âm lại được phục hồi và quá trìn h tổng hợp enzym lại được thực hiện.

Điều hòa tổng hợp enzym bằng cơ chế này thường xảy ra từ từ, không nhanh như sư ức chế

3- Điều hòa cơ chế kiềm dị hóa sự tổng hợp enzym bằng cơ chất phản ứng Trường hợp các enzym tham gia quá trìn h dị hóa được điều hòa bằng cơ chê kiềm dị hóa, các enzym tham gia vào quá trìn h dị hóa được gọi là enzym cảm ứng. C hất mà enzym tham gia phân hủy gọi là cơ chất cảm ứng. Các cơ chất này có khả năng kích thích sự tổng hợp ra các enzym cảm ứng tương ứng. Do đó, các enzym tương ứng chỉ được tạo ra khi trong môi trường nuôi cây có m ặt các cơ chất tương ứng.

Thực tế, trong môi trường không chỉ tồn tại một loại cơ chất mà có rấ t nhiều cơ chất. Các cơ chất này đều có khả năng kích thích sự tạo ra enzym cảm ứng, còn quá trìn h tổng hợp enzym lại phụ thuộc hoàn toàn vào tín h chất của cơ chất-. Cơ chất nào dễ dàng bị phân hủy thì sẽ dễ kírh thích sự tạo ra enzym cảm ứng tương ứng trước. Lần iượt như vậy cho đến khi tấ t cả các cơ chát được phân hủy và tấ t cả các enzym được tạo thành.

Trong nhừiig trường hợp glucose có m ặt trong môi trường' sẽ xảy ra hiện tượng cơ th ể sinh vật tăng nhanh quá trìn h sinh tổng hợp enzym phán hủy glucose. Các qưá trìn h khác bị ức chế cho đến khi không CÒ11

glucose trong môi trường. Sự ức chế quá trìn h tổng hợp các loại enzym khác bời glucose trong trường hợp này gọi là hiệu ứng glucose.

Toàn bộ quá trìn h kiềm dị hóa có liên quan chặt chẽ đến quá trìn h phién âm trong cơ chế sinh tổng hợp protein. Trong tự nhiên có rấ t nhiều vi sinh vật điều khiển quá trìn h sinh tống hợp theo cơ chế này.

1.4 NGUYÊN LÝ SINH TổNG HỢP t h ừ a ở VI SINH VẬT

Phần trê n chúng tôi đã trình bày quá trìn h trao đổi chất ở vi sinh vật thường tuân theo nguyên tắc kinh tế và hài hổa. Các vi sinh vật không khi nào tống hợp ra những chất quá thừa so với nhu cầu p h át triển của chúng.

Trong thực tế có sự sinh tổng hợp thừa, không những thừa m à còn thừa rấ t nhiều so với nhu cầu của chúng. Sản phẩm thừa này của vi sinh vật rấ t cần th iế t cho các quá trĩn h sản xuất các sản phẩm từ vi sinh vật. ở đây có điều gì mâu thuẫn? Hoàn toàn không. Cơ chế sinh tổng hợp thừa có liên quan rấ t nhiều đến cấu trúc không gian của enzym và liên quan rấ t nhiều đến cơ chế di truyền ở vi sinh vật.

Các enzym thường tồn tạ i loại cấu trúc không gian. Trong cấu trúc không gian của enzym tồn tại hai trung tâm: một trung tâm phản ứng với cơ chất và một trung tâm chịu sự kiểm soát của chất kiềm chế. Cấu trúc không gian của trung tâm hoạt động trong enzym có hình dạng giống như cơ chất mà chúng tham gia phản ứng. Sự trùng lặp về cấu trúc không gian

NHỮNG NGUYÊN LÝ c ơ BẢN TRONG VI SINH VẬT HỌC CÔNG NGHIỆP 17

này giửa cơ ch ất và trung tâm hoạt động của enzym tạo ra phản ứng dị hóa. Trong trường hợp enzym bị ức chê ngược bởi sản phẩm cuôì thì sản phẩm cuối này được coi như chất kiềm chế. C hất kiềm chê này tiếp xúc với trung tâm kiềm chế (trung tâm dị lập thể) sè làm thay đổi câu trúc không gian của trung tâm phản ứng và khi đó câu trúc không gian của trung tâm phản ứng không còn phù hợp với cấu trúc không gian của cơ chất. Khi đó phản ứng sẽ khó xảy ra.

N hư vậy, muốn phản ứng xúc tác luôn luôn được thực hiện thì trung tâm di lập th ế phải luôn luôn được biến đồi đề chúng không còn tương tác được với ch ất kiềm chế (sản phẩm cuối chẳng hạn). Khi đó cấu trúc không gian của trung tâm hoạt động không còn bị biến dạng mà chúng hoàn toàn tương ứng với cơ chất. Như vậy sản phẩm của những phản ứng sè được tạo ra liên tục. Sản phẩm này được tạo ra không có sự kiểm soát của chất kiềin chế được gọi là sản phẩm thừa đối với vi sinh vật.

Một vân đề khác cũng cần được làm sáng tỏ để hiếu hơn cơ chế sinh tổng hợp thừa - đó là vi trí của các axit amin trong câu trúc của enzym. Enzym là protein. Protein lại được cấu tạo từ các axit amin thông qua các iiên k ết peptid. Trong câu trúc không gian của protein, enzym có hai trung tâm như đã trìn h bày ở phần trên. Chỉ có các axit amin nằm trong câu trúc không gian của các trung tâm này mới có ý nghĩa trong các phản ứng mà chúng tham gia. Các axit amin nằm gần cấu trúc không gian của các trung tâm hoạt động này không tham gia vào phản ứng. Do đó sự sai lệch về thứ tự sắp xếp hay sô" lượng các axit amin nằm trong các trung tâm hoạt động này đều dẫn đến sự sai lệch về chiều hướng phản ứng hay tốc độ phản ứng. Sự thay đổi về axit amin trong trung tâm kiềm chế sẽ làm m ất kh ả năng kết hợp với châ't kiềm chế. Khi đó trung tâm hoạt động sẽ không thay đổi cấu trúc không gian và quá trìn h phản ứng sẽ liên tục xảy ra. K ết quả là ta sẽ nhận được sản phẩm thừa liên tục. Cơ chất Chất ức chế (sản phẩm cuối) Trạng thái hoạt động Hình 1.4: ức chế bằng sản phẩm Ịcuếị ■' r v ' Ị T b ị ư v í ệ H Ề

Trong th ién nhiên luỏn xay ra nhiều đột biến khác nhau. Các đột biến này thường không định hướng. Chi cần một trong hàng triệu đột biến đó là đột biến điêm xảy ra ở bộ ba nucleotid mả ìióa cho một axit ainin nào đó nàni trong các trung tâm hoạt dộng sẽ làm sai lệch mà di truvển và cuối cùng là làm thaỹ đối cáu trúc không gian cùa trung tâm kiềm hãm. Từ đó các chát kiềm hà 111 không có khá năng phong t oa trung tãin kiềm hàin và vì vậv, các Kim phâm sẽ liên tục được tạo ra từ các trung tàm hoạt động.

Điếm cuôi cùng trong vấn đề điều hòa này là trong cấu trúc của DNA tồn tại gon kiềm chế {gen repressor) và các gen diều khiến igcn operator). Các gen kiổm chế sè điều khiển tống hợp ra các chất kiềm hànì. Vì nhừng lý do dột biến, các chát kiềm hãm bị thay đối càu trúc không gian. Sự thay đối câu trúc không gian này cũa chất kiềm hàm í chúng biêu hiện như một aporcprcssor) có th ể khiến gen operator như ln một chát hoỉorcprcssor. Két quả, sự tống hợp RNAt tương ứng sẽ bị kiềm hàm và sự tổng hợp euzvm này cũng bị kiềm chế. M ặt khác, khi chất kiẻm hãm thay đổi cấu trúc không gian sẽ không còn khá năng tương tác với trung tâm dị lập th ế và như vặv sè m ất khầ nâng kiềm hãm hoạt động cua trung tâm hoạt động. Kết qua là các sán phàm sẽ dược tạo ra liên tục.

Như vậv. muôn cho vi sinh vật tống hợp thừa một sán phẩm nào đó, ta phái tác động vào trung tâm dị lập thê đè chúng khóng còn có khá nãng hoạt dộng, hoạt* tác động vào chất kiềm hãm iàni chúng không có khả năng tương tác với trung tám dị lập thế. Tóm ỉại, muôn có quá trình tông hợp enzvm hay tông hợp sàn phẩm thừa ta phái giai tòa sự kiềm chế. Giải tòa đưực sự kiổĩìì chõ sè tạo điều kiện thuận lợi nhát cho quá trìn h sinh tống hợp thừa ca onzvni và sán phẩm trao dối chất.

Chương

CÁC QUÁ TRÌNH TRAO Đ ổ i CHAT

VÀ MÔI TRƯỜNG NUÔI C Ấ r VI

SINH VẬT CÔNG NGHIỆP

2.1 CÁC QUÁ TRÌNH TRAO Đổl CHẤT ở VI SINH VẬT

Vi sinh vật là nhừng cơ th ể đơn bào. Các cơ thế đơn bào phải tiến hành tấ t cả các chức năng cơ bản của sự sống. Các chức năng đó bao gồm quá trìn h trao đổi chât, sinh sản và phát triển.

Trao đổi chất là một chức năng rấ t quan trọng nhằm duy trì sự sông của cơ thể, giúp cơ thể p h át triển đề sinh sản, duy trì nòi giông, ơ vi sinh vật, quá trìn h trao đổi chất có râ t nhiều điểm khác biệt với quá trìn h trao đối chát ở động vật và thực vật.

2.1.1 N h ữ n g đ ặ c đ iể m cơ b ả n tro n g tra o đ ổ i c h ấ t ở vỉ s ỉn h v ậ t

Vì ỉà cơ thề đơn bào nẻn vi sinh vật thường tiến hành các quá trình trao đổi chât trực tiếp với môi trường bên ngoài. Trong khi đó trong cơ thề đa bào, quá trìn h trao đổi chât thường được chuyên môn hóa ở những cơ quan n h ấ t định. Do đó, cơ thề đơn bào thường có những đặc điểm riêng như sau:

1- Khả năng chuyến hóa vật chất trong quá trìn h trao đổi chât ở vi sinh vật rấ t lớn. Trong thời gian tế bào vi sinh vật có th ể chuyển hóa được khôi lượng vật chất lớn gấp hàng ngàn lần so với khôi lượng của chúng. Nhờ khả năng chuyến hóa m ạnh như vậy nên tốc độ p h át triển và tăng sinh khối của chúng cũng tăn g gấp hành trăm lần so với ban đầu. Sự tăng khôi lượng ở thực vật và động vật thường thấp hơn rấ t nhiều. Đặc điếm này giúp ta tiến h àn h các biện pháp kỹ th u ật trong sản xuất công nghiệp nhằm giải quyết trong thời gian ngắn sự chuyển hóa vật chr' K-hông có giá trị kinh tế sang các sản phẩm vi sinh có giá trị kinh tế cao.

tế bào quyết định và toàn bộ bề m ặt củá t ế bào được huy động vào quá trìn h này. Qua bề m ặt tế bào, các chất dinh dưỡng sẽ được đi vào t ế bào và các sản phẩm trao đổi chất sẽ ra khỏi tế bào. Tế bào vi sinh v ật lại rấ t nhỏ. N hư vậy tổng diện tích bề m ặt của hàng tỷ tế bào/mẻ sè r ấ t lớn. Chúng ta tưởng tượng trong th iết bị lên men dung tích h àn g chục m:\ tổng th iế t diện tiếp xúc của bề m ặt sẽ là con sô* lớn đến mức nào. Do đó, vật ch ất trao đổi qua bề m ặt tế bào sẽ rấ t lớn và như vậy tốc độ trao đổi chất rấ t cao. Trong khi đó, vật chất chuyển hóa ở động vật phải đi qua bề m ặt phía trong của ruột non, sau đó mới tiếp xúc với bề m ặt của từng tế bào trong mô bào. Tương tự như vậy, vật chất chuyển hóa trong cơ th ể thực vật phải đi qua bề m ặt lông hút ở rễ hoặc các lỗ th o át khí ỏ bề m ặt lá, sau đó mới tiếp xúc được với bề m ặt tế bào. Quá trìn h vận chuyển vật chất trở nên r ấ t chậm , và do đó, tốc độ chuyển hóa vật chất ở động vật và thực vật thường chậm hơn- ở vi sinh vật.

3“ Quá trìn h trao đổi chất ở vi sinh vật là một quá trìn h rấ t nhạy cảm. Sự chuyển đổi kiểu trao đối chất xảy ra r ấ t n h anh và rấ t hiệu quả. Ví dụ, đối với tê bào nấm ínen Saccharomyces cereưisỉae hay vi khuẩn Bacillus sub tilis, rấ t dề dàng chuyển từ trạ n g th á i chuyển hóa v ật chất khi có m ặt oxy sạng trạ n g th ái chuyển hóa vật chất khi không có m ặt oxy. Sự chuyển đổi kiểu trao đổi chát này phụ thuộc r ấ t nhiều ỏ sự tổng hợp và điều khiển hoạt động của các enzym tương ứng với kiểu trao đổi chất.

4- Trong quá trìn h trao đổi chất, vi sinh vật thường có xu hướng sử dụng những v ật chất dề tiêu hóa, sau đó mới sử dụng các vật chất khó tiệu hóa. N hư vậy quá trìn h p h á t triển trong môi trường nuôi cấy sẽ tạo ra nhiều quá trìn h thích nghi và nhiều quá trìn h tăn g trưởng.

Bình thường, nếu trong môi trường tồn tạ i môi trường đồng n h ấ t (một loại môi trường chính dễ đồng hóa), th ì t ế bào vi sinh vật sẽ có chu kỳ sinh trưởng qua bốn giai đoạn:

• Giai đoạn thích nghi • Giai đoạn tăn g trưởng • Giai đoạn cân bằng

CÁC QUÁ TRÌNH TĐC VÀ MÕI TRƯỜNG NUÔI CẤY v s v CÒNG NGHIỆP ₂₁

Sinh khối m

Ghi chú: 1- giai đoạn thích nghi 2- giai đoạn tăng nhanh

3- giai đoạn cân bằng 4- giai đoạn suy vong

1

Thời gian (giờ) 0

Hình 2.1: Đường cong sinh trưởng của vỉ sinh vật trong môi trường đơn giản Bất kỳ loài vi sinh vật nào củng trải qua bôn giai đoạn phát triển trên. Tuy nhiên giữa các loài vi sinh vật ỉại khác nhau ở thời gian dài, ngắn trong các giai đoạn. Có vi sinh vật cần thời gian thích nghi, sinh trưởng ngắn, có vi sinh vật lại cần thời gian của những giai đoạn này dài hơn.

Trong trường hợp môi trường chứa nhiều chất dinh dưỡng cùng loại nhưng mức độ tiệu thụ khác uhaư sẽ xảy ra hiện tượng hai hoặc nhiều giai đoạn thích nghi về sinh trưởng. Các giai đoạn này sẽ lập đi lặp lại cho đến khi hết các chất này mới đến giai đoạn cân bằng và giai đoạn giảm sinh khôi.

Ví dụ, trong môi trường cùng một lúc tồn tại glucose và saccharose như những nguồn cung câp cacbon duy n h â t cho sự phát triốn của vi sinh vật thì vi sinh vật sẽ tiến hành sử dụng glucose trước, khi hot glucose sè tiến hành sứ dụng saccharose. Và như vậy đường cong sinh trưởng sè có hai giai đoạn thích nghi và hai giai đoạn tăng trương.

Sinh khối

(gtf) 1 - giai đoạn thích nghi lấn 1

2- giai đoạn tăng nhanh lấn 1 3- giai đoạn thích nghi lần 2 4- giai doạn tăng nhanh lần 2

5- giai đoạn cân bằng 6' giai đoạn suy vong

Ghi chú:

Thời gian (giờ) 0

Hình 2.2: Đường conq sinh trường của ui sinh vật trong môi trường chứa nhiều chất dinh dưỡng cùng loại nhưng khả năng phân giải khác nhau

Trong thực tế. vi sinh vật thường tiến hành trao đôi chất theo kiêu này vì trong mỏi trường thường chứa nhiều chât dinh dường chứ ít khi chứa đơn th u ần chi một chất dinh dường.

5- Vi sinh vật có khá năng ‘‘tự chế biến” các chát dinh dưỡng cho mình nhờ hệ enzym của chính chúng. Trong môi trường không phái lúc nào cũng có sắn các chất dinh dường đế tiêu hóa, còn rất nhiều loại chất mà vi sinh vật phải tự biến đổi chúng để chuyển chúng th àn h nhừng chất có kích thước nhỏ hơn hoặc Iihửng chất có câu tạo phân tứ nho hơn dề dàng qua m àng tê bào và dề dàng tiêu hóa hơn. Đế làm 'lược điều này vi sinh vật phái tự tống hợp các enzym ở trong tẽ bào và sau (ió các enzym nàv phái ra khỏi tế bào và thực hiện các phản ứng phân giái ngoài tẽ bào.

Các enzym được tông hợp trong tẽ bào và thực hiện phân ứng ngoài tẻ bào dược gọi là enzym ngoại bào, khác với enzvni nội bào là các enzym được tống hợp ờ trong tế bào và thực hiẹn các phán ứng ớ trong tế bào.

Phan ứng enzym ngoài tê bào còn (lược gọi là dị hóa ngoài tê bão. CÒI1

phán ứng phân giáí bới enzym trong tê bào (lược gọi là quá trình dị hóa trong tê bào. Như vậy ớ vi sinh vật có hai quá trình (lị hóa:

- Quá trinh (lị hóa trong tè bào thường cung Cấp cho tế bào ca nâng lượng và ca vật chất phục vụ cho quá trình tổng hựp cua tế bào.

- Quá trình (lị hóa ngoài tê bào chù yéu cung cáp vật chất phục vụ cho trin h tông hợp ciia tế bão.

Năng lượng dược tạo ra trong quá trình này thường được giai phóng ra ở dạng nhiệt nàng. Chính nhiệt năng này làm nóng môi trường. Ớ môi trường bán rắn <độ ấm thường khoáng 55 - 65 QW), nhiệt độ có thê lên tới 70 c, ơ môi trường ỉóng nhiệt độ thường thấp hơn. Đòi với quá trìn h trao dối chát, năng lượng này có ý nghĩa rấ t lớn vì khi nhiệt độ tàng sẽ có xu hướng tăng hoạt tính enzym ở một giới hạn nhiệt tối ưu. Các enzym hoạt động trong tế bào vi sinh vật thường hoạt động ở nhiệt dộ ôn hòa như nhiệt độ của CƯ thế sinh vật. Nhưng khi enzym thoát khỏi tế bào (tự thoát ra do quá trìn h trao đổi chát hoặc tiến hành trích ly trong các quá trìn h kỷ thuật) thường hoạt động ỡ nh iệt độ cao hơn nhiệt độ cúa tế bào. M ặt khác, chính nãng lượng này làm ức chế hoặc tiêu diệt các vi sinh vật ưa ấm (rát nhiều vi sinh vật ưa ấm thuộc loại hoại sinh hoặc loại gây bệnh), do đó làm hạn chế sự cạnh tran h giữa các loài vi sinh vật trong cùng một môi trường.

Quá trìn h dị hóa ngoài tẻ bào vi sinh vật xảy ra trong trường hợp cơ chất có kích thước lớn hơn kích thước của th àn h và màng nguyên sinh chất. Muốn tiêu hóa được cơ chất này, vi sinh vật phải phân hủy chúng th àn h

CÁC Q U Ả TR IN H TĐC VÀ M Õ I TRƯỜNG NUÔ I C Á Y v s v CÒNG N G H IỆ P

c;ic c h á t có kích thước nho hơn. (Ill cỏ t h è XÍUIÌ n h ậ p được vào t r o n g Tô bào t h ô n g qun t h à n h va màn<í te bào

Như VÍ1V khi cỏ mạt CUÍÌ cơ chât. tô bào sẽ tống hợp onzvni tương ứng. Cơ chê này gọi là cơ chẽ cam línu. Có ch<‘ C’iini ứng chì có thè xav ra khi có mật cùa cơ chat. Khi (lo chinh CƯ chát lam chai kích thích (lè tỏ bào tạo ra

enzym tương ứng, thực hiện các phan ỨI1<Í plir\r ưiai. Cơ chế này xây ra thường xuyên ứ V) sinh vật. Cơ chè cam ứiiỊí It khi hoậc không xav ra ớ các tê bào sinh vật đa bao.

Chât tạo ra cư chõ tỏng hợp 1*11 y,ym (lược gọi là chât CiiI1Ì ứng. Enzyni (lược tạo ra từ cơ chè này ílược Ịĩọi là tMizvm cam ứng. Cơ chó cam ứng có V

nghìn rất ìớn trong quá trinh phát triÔỈ1 cùa vi sinh vại VI (lặc điéin tự chv bión chất dinh (lương (ý vi sinh vật gáu liồn với sự tạo thành cùa (*uzym càin ứng.

(Sán phẩm co kich thưoc nhò)

Hình 2.3: Cúc tịUO trình dị hòa à II si nil lậ t

Cùng cần lưu ý quá trình dị hóa ngoài tè bàơ, tạo ra ciic s;in phàm có khi không phục vụ gì cho quá trinh chuyên hóa vặt chát cua tẻ bào Ỉ1ÙI chi có ý nghĩa làm thay đối môi trường có lợi rìio quá trình phát triên cua vi sinh vật hoậc cho thực vật cùng phát triên trong mòi trường đó. Tuy nhiên,

nếu ta nắm được CƯ ch ế này sè giúp ta dieu khiên các quá trình vi sinh vật

còng nghiệp thuận lợi hơn rat nhiéu.

2.1.2 D in h d ư ỡ n g tro n g cô n g n g h ệ vi s in h v ậ t

Các chất dinh (lưỡiiị,r trong quá trình công nghệ vi sinh vật thường lấy từ dịch lên men. Do (ló, hiểu bièt quá trình chuyến hóa các chất dinh đường cũng như việc cung cáp đầy đủ và càn đối các thành phản đinh dường trong dung dịch lèn men là một trong nhửng yếu tố quyết định đến nAng sưât sinh học.

Các chất dinh dưỡng đưa vào dịch iên men phái đám báo đủ và cân bang về năng lượng và các vật liệu cẩn thiết cho quá trình xây dựng tế bào.

T hành phần dịch lên men hay môi trường lên men gồ 111 có nguồn dinh dưỡng cacbon, Iiitơ, khoáng, các yếu tỏ vi lượng và các chát kích thích sinh trưởng.

Tuy nhiên cũng cần phải lưu ý tới từng loại vi sinh vật cụ thế đề quyết định xây dựng một “khẩu p h ần ” dinh dưỡng thích hợp, vì tùy từng ỉoài vi sinh vật mà ta cung cấp số lượng các chất dinh dường khác nhau. Ngoài ra còn phái chú ý đến đặc điêni sinh ỉý cùa chúng và điều kiện lèn men ta định tiến hành.

1- Nguồn dinh dưỡng cacbon

• S ự c h u y ể n h ó a h y d r a tc a c b o n

Trong tế bào, cacbon chiếm khoáng 50r/ lượng chất khô. Cacbon có m ặt trong protein, enzym, axìt amin, trong tấ t cá các san phám trao đổi chất của tế bào. Do đó, trong sự sòng của tò bàu khòng th ế vắng m ặt cacbon và càng không thế thiếu chúiiíí trong Iihừng cấu trúc vật chất cụ thể.

Vi sinh vật là giới sinh vật duv nhất có khá năng đỏng hóa rất nhiổu nguồn cacbon khác nhau. Có lẽ chi trừ kim eưưitg và than chì ra, còn lại vi sinh vạt có kha năng sử dụng tất ca cát’ 11 £^LIỎ 11 cacbon đế tiến hành các quá trình trao đối chất, phát triôn và sinh san. Kha năng sứ dụng các nguồn cacbon của vi sinh vật không phái là giống nhau ở các loài vi sinh vật khác nhau. Kha năng này cùng không phái giỏng nhau ở những nguồn cacbon khác nhau: có những nguồn cacbon vi sinh vật dề dàng sứ dụng, có những nguồn cacbon vi sinh vật rât khó sử dụng, thậm chí phái huy dộng nhiều loài vi sinh vật c'ing tham gia, phân hủy từ từ và sứ d mg từ từ.

Thông thường vi sinh vật ờ trong tự nhiên hay o trong điều kiện nuòi cây nh ân tạo sẽ tiến hành phân hủy các nguồn cacbon có câu tạo đơn gián, có mức độ oxy hóa m ạnh trước sau đó sò tic 11 hành phân hủy các nguồn cacbon phức tạp và có mức độ oxy hóa thấp. Do đó, giá trị dinh đưởng và khả năng hấp thụ của vi sinh vật từ các nguồn dinh dưỡng cacbon phụ thuộc vào những yếu tô sau:

• Phụ thuộc vào ỉoài vi sinh vật

• Phụ thuộc vào cấu trúc và th àn h phần hóa học của nguồn cacbon • Phụ thuộc vào mức (lộ oxy hóa của nguồn cacbon

CÁC QUÁ TRÌNH TĐC VÀ MÔI TRUỞNG NUÔI CẤY vsv CÔNG NGHIỆP ₂₅

• Phụ thuộc vào điều kiện nuôi cây hay điều kiện vi sinh v ật đó đang tồn tại và p h át triển.

Trong quá trìn h phát triển và sinh sản, vi sinh vật cần có nguồn cacbon và sô lượng nguồn cacbon khác nhau. Nhìn chung, vi sinh vật dễ hấp thụ n h ấ t nguồn cacbon từ hydratcacbon. Hyđratcacbon được vi sinh vật sử dụng đê đáp ứng các nhu cầu sau cho sự phát triển và sinh sản của chúng:

• Hydratcacbon cung càp năng lượng cho vi sinh vật. • Hydratcacbon cung cấp các tiền chất cho vi sinh vật.

• Hydratcacbon tạo ra các quá trình oxy hóa khử nhờ vi sinh vật. Từ đó tạo ra các sản phẩm trung gian hoặc sản phẩm cuôi cùng đề xây dựng tế bào, các sản phẩm tổng hợp hay sản phẩm bậc hai tích lủy trong môi trường nuôi câv.

Trong các loại hydratcacbon, glucose là chât được tuyệt đại đa sô các vi sinh vật đồng hóa và là lìguồn cacbon duy nh ất tham gia vào nhiều pháa ứng trong ba chu trình chuyển hóa chúng: con đường Einbden-Meyerhof, Pentose và E n tn er Doudoroíĩ.

/- Con đường Embden-Mdyerfiof

Năm 1930, ba nhà khơa học người Đức là G. Embdeii' o. Meyerhof và o. Warburg dã tiến hành những phản ứng hóa học riêng rẽ trong hàng loạt các quá trình phản ứng trong quá trình lén men và dã đưa ri\ được con áưm g đường phân glucose. Sau này người ta thường gọi là con đường Embden-Meverhof. Con đường này được các tác giá đưa ra trong mười phán ứng khác nhau từ glucose đến piruvat và được thực hiện bởi rá t nhiều enzym. Cho đến nay tât cá các enzyin đà được tách, tinh chế dưới dạng kết tinh.

Con đường chuyên hóa glucose theo Ettibden-Meyerhof được chia ra làm hai giai đoạn:

• Giai đoạn đầu, được gọi là giai đoạn “đầu tư năng lượng” bao gồm 5 phán ứng đầu tiên.

Ở giai đoạn này đường được hoạt hóa bởi photphoril hóa. Phản ứng này tạo ra một moi đường 6 cacbon đă được photphoril hóa, fructozo - 1,6 - biphotphat. Đường này sau đó được cắt thành hai mol triose photphat. Hai mol triose-photphat dược hình th àn h một mol glucose sau hai lần photphori] hóa ớ mức độ cơ chất sê tạo th àn h 4 mol ATP trê n một mol glucose.

• Giai đoạn thứ hai. là giai (ỉoạn 'phát sinh tiàng lượng” l>no gổni 5 phán ứng tiếp theo.

ơ giai đoạn này các triose-photphat sẽ được hoạt hóa tiôp dế tạo th à n h hai hợp chât chứa các lién kết photphat cao nàng 1.;} - biphotphoglyxerat và photphoenolpiruvat. Ca hai hợp chàt nai) (liMi có một AG 1 cua phán ứng thuy phân cao hơn ATP. ( ’ác chãt nàv (lược coi như hợp chàt siêu cao năng lượng.

Hni chàt này sẽ chuyền phophate cao nồng ADP (lố tạo th àn h ATP. Quá trinh này được gọi là sự photphoril hóa ớ mức cơ chất. Toàn bộ hai quá

t r ì n h t r ê n ta có th è th a m k h a o ứ H .2 .4 . CH.OH Glucose H OH ATP Buòc 1 * Pha đnu tự nang luong ATP

--- Buoe 2 Hoat hoa nho photphoril hoa Đau tu 2ATP OH H Buớc 4 H C - O - I ’ I

c = o

CHO I CH - OH Buớc 5 Dihidroxiaxeton photphate Cr\>c Bước 6 [ 2NDPH + 2H* O r

c

-

o -

p tạo ra một hợp chất I “siêu năng lượng’ 1.3-biphotpho*glixerate CH — OH CH2 —

o

— p

CÁC QUẢ TRÌNH TĐC VÀ MỎI TRƯỜNG NUÔI CÁY v s v CÔNG NGHIỆP ₂₇

í

2 ATP Bước 7 Photphoril hóa ở mức dộ cao 3-photphotglyxerate COOH — I CH - OH I C H ,— O ' Pha phót sinh náng luong Bước 8 Bước 9 Tạo ra hợp chất cao năng COOH-I c — o — p Photphoenolpiruvat II CH,

Buóc 10 Photphoril hóa ỏ

2 ATP m úc độ cơ chốt c o o -I c — o Piruvat I CH,

Hình 2.4: Các sán phàm triuig giun chủ yen vúu con dường đường phàn

2- Con dường pcntozophotphnt

Con đường pentozophotphat là COI1 đườỉig trao đối chất của tế bào tạo ra ba dạng sán phấm chính:

• Tạo ra ATP

• Tạo ra coenzym dạng khứ

• Các chât có phân tử lượng nhó tham gia vào các quá trìn h tống hợp. Trong đó đáng chú ý là tạo ra ribose là thành phần rấ t cần thiết cho quá trìn h tổng hợp ADN. ARN, ATP, NAD* và NAD.P.

Con đường pentozophotphat qua hai giai đoíìn chuyên hóa:

• Giai đoạn oxy hóa: Giai đoạn này cô ba phàn ứng. Hai trong ba phàn úlig cua chúng là quá trình oxy hóa. Các pháiì ứng này đều là quá trình khử NADP+ thành NADH.

dehydrogenase. Khi đó glucozo-photphat (G-6-P) sẽ bị oxy hóa th àn h lacton. Lacton tiếp tục bị thủy phân nhờ enzym lactonase đặc hiệu đê trở th à n h 6- photphogluconat (6-PG). 6-photpho-gluconate tiếp tục bị oxy hóa tạo ra NADPH và pentose.

CO^ trong trường hợp này bi loại ra khỏi phản ứng. Quà trìn h uày được thực hiện như sau: I c h2o - p glucozo--6-photphate 0 = 0 I H -

c

— OH I H O - c - H ! H -

c

- OH I H — c ---ỉ c h2o - p 6-Photphog!ucono-lacton lactose CH2OH I

c = o

I H —

c

— OH I H - c - OH I CH..O - p Ribulozo-5-photphate NADP Photphogluconate dehydrogenase c o o -H - c — OH 1 HO - o 1 I 1 H -

c

- OH 1 H -1

c

- OH 1 1 c h2o - p 6-Photphoglucono-lacton

Hình 2.5: Pha oxy hóa

Kết thúc giai đoạn oxy hóa sẽ tạo ra hai mol NADPH, oxy hóa một cacbon th àn h c o . và tống hợp một mol pentozo-photphat từ một niol glucozo-6'photphat.

CÁC QUÁ TRÌNH TĐC VÀ MÒI TRƯỜNG NUÔI CẤY v s v CÕNG NGHIỆP 29

• Giai đoạn không oxy hóa:

Ribulozo-5-photphat tiếp tục được chuyển hóa đế tạo th àn h rìbozo-5- photphat (Ri-5-P) nhờ enzym photpho-pentoseizomerase.

c h2oh c h2oh I t c = o c = o I Photphopentozo epimerase J H - C - OH HO - c — H I I H - C - O H H — c — OH 1 I c h2o - p c h2o - p Ribulozo-5-photphate Xilulozo-5-photphate

Cứ một mol X-5-P phản ứng với một moi R-5-P khi có sự xúc tác của transketolase, sẽ tạo th àn h một triose photphat, GAP, một loại đường chứa 7 gốc cacbon, sechoheptulozo-7-photphat (S-7-P). *CH,OH Ọ c h2oh I c = o ' o '

c = 0

C - H li HO

-

c

—

H I H — c — OH transkelolase c — H Ị

HO- c - H

*

: '

H — c — OH + H - C - OH

H - C - O H 7 L * I , r u n - p H - C - C H H - C - OH ì _ CH2° p I

I

H —

c — OH

U

0

_ QU

A u r\ — D t Glyxeraldehit-3-photphat Ỵ uh2u I ' 1 c h2o - p CHzO - p

Xiluiozo-5-photphat Ribozo-5-photphat Sedoheptulozo-7-photphat

Hai sản phẩm mới tạo th à n h sẽ tác dụng với nhau nhờ enzym transaldolase và tạo ra đường photphat chứa 4 gốc cacbon và m ột đường photphat chứa 6 gốc cacbon.

CH-OH CH2OH I I c = o I 9 ' II HO - c - H _{C — H} I 0 c = 0 11 1 c — H 1 X o

1

0 1 H X 0 1 0 -1 + 1 1 ₀ -1 _{o X} H - c - OH

1

1 H -

c -

OH I H - c - OH + H — c — OH ' I » H - c - OH CH20 -

p

I ch2o — p H — c — OH I Eritrolzo-4-photphat _ . - . . . . ' ^ Fructozo-6-photphat CH.O - p K

Kết quá phản ứng trê n tạo ra một loại đường chứa 4 gốc cacbon, một loại đường chứa 6 gốc cacbon.

Phản ứng nhờ transketolase tác động lên một phân tử X-5-P khác, khi (ló chúng chuyển inột đoạn glicolaldehit sang E-4-P để tạo ra một sản phấm chứa 6 gôc cacbon dó là GAP và F-6-P.

c h2oh o I

c =

c h 2o h ỵ ỉ I I 0 _ H C - H H O - C - H c — o ị transketolase * Ị I + H - C - OH - - H - c - OH + H — C — OH H O - C - H h - Ộ - O H C H . O - P I 1 _ G lix e ra !d e h it-3 p h o tp h a t I H - c - OH CH,0 - p ^ H20 _ p 0 |~j Q p Fructozo-6-photphat

Con đường chuyèn hóa này dòi hói ba phân tứ pentozophotphat, trong dó hai phân tử (lùng cho phàn ứng ciia transketoiaso đắư tiên và một p h â n

tứ cho phár. ứng thứ hai. Tóm tắ t toàỉi bộ quá t r u l l trên như sau:

3 glucozo 6-p h o tp h a t + 6 N A D P *---► 3 pentozo 5-photphat + 6 NADPH + + 6H + + 3 C 0 2

Đôi với vi sinh vật pentozophotphat có ý nghía rất quan trọng vì lì ó thực hiện ba chức năng sau:

1- Cung cap NADPH cho quá trìn h sinh tổn# hựp cđc sán phẩm khử

2- Cung càp ribozo-5-P cho quá trình tổng hợp nucleotiđ và axịt nucleic 3- Tham gia quá trin h phím húy các đường pentose trong axit nucleic.

CAC QUA THINH TDC VÀ MOI TRUONG NUOf CÀY v s v CÓNG NGHIẺP 31

(\>ti d ù ittiỉị E u ttic r - D o iid o n tff

Dõi voi nỉnítiLí vi i ! 1ỈI vật k h ô n g có k h a n ã n g s i n h t ỏ n g h ợ p e n z v m G-

phof phofructokinasf s«‘ không thô thực hiộn coil (iườiiịc Embclon-Meyerhof

11»;* phai thực hic*n con iliíonu K»tnor-I)ou(!oroff. Các vi sinh vật thuộc nhóm n;i\ chu you là Ithửníỉ vi sinh vật hióu khí trong (ló có các vi khuàn hiỏu kill như Ỉ^CỊIÍỈOÌIÌI>nus,

Tluvi cun (luu II lí Kiitnor-Doudoroff. <ĩlucozo-(i-photphat hị o\y hóa thành (>-pỉiol pho^luroL inv S;m (ló (ỉiíoV phân cat trực tiêp thành Ịĩlixeialđehit-3- pilot Ị>hat và piruvat.

Tron" mrừttíí hựp lỉàv. piruvat (lược tạo thành trực tiỏp. (lo (ló có nhiều bưỏc t;i</ ATI* bị bo quít. ThíM> CU11 (lường c h u y ê n h o a n ày , khi p h à u gi ai m ộ t í^]I ict>st* chi tạo Ill’ll một phân ttí ATP từ một phán từ glucose. Sứ dĩ có hiện lưộiiií nuy la vì ííluco/.o-G-photphat bị oxy hóa thành piruYMt trước khi bị aldnluso piiiilầ giai.

l)i(Mn khác nơa EỊÌỨM con đường Entiu*r-I)rm<loroff và Kml)(l(Mi-Moyorh()f

1,1 XADPIÍ (lược t;»o r;i từ XADP chứ khíMiíí phiii !à NADH 1 ừ XAD. ớ dây NADIMI k'i linns' pilot phoril Kóíi cua XADIL NAI)* và dạng khứ NADM

thư. >11^ (lược s ứ ( l ụ n g t r o n g c á c p h í i n ỚJ1£ t r a o (lôi c h à i p h á t s i n h r a A T P

côn \ A l ) P f và NADPII (lược sứ dụng trniìỊí các phan ứng sinh tổng hợp tạo ra CỈÍC Ị)hân tứ cẩn thièt cho tê hào.

V n g h í a q u an tnm<í nhất cua 0O11 d ườ n " này là tạo ra một CƯ chê t ố n g hợp

l i m X A D P I I và Cíit’ ch;Iĩ (*ũ h ã n có n a m góc* ca c l mn (lung t r o n g các q u á t r ì n h

t-íii.ií hợp khi Iiliu câu cua ti* bao vổ các chat này lớn hơn nhu í‘ầu về ATP.

N A D P " có till* (lược t ạ o t‘í» t ừ N A D + th('() p h á n ứ n g s a u :

KAIV + ATP --- ► NADP* + ADP

M ặ t kh K\ hai Oiizym d ạ n g k h ử c ủ n g có t h ‘: c h u y ó n h ỏ a t ừ d ạ n g n à y sail" dạng khiíc thoo phán ứng:

NADPH + NAD+ NADP + NADH

* S ự c ô đ ịn h CO-2 tự d ư ỡn g

Vi sinh vật được chia ra ỉàm hai nhóm theo phiíơng thức dinh (lưừng: vi sinh vật tự dưỡng và vi sinh vật dị dường.

- Các vi sinh vật thuộc nhóm dị dường phai iộ thuộc rât nhiều vào các chất dinh dường có sẩn trong môi trường.

- Ngược lại các vi sinh vật tự dường hoàn toàn đáp ứng các nhu cẩu dinh dưỡng cho mình bằng phương thức tự tổng hợp chât (linh (lưỡng từ những chất vô cơ.

Có rấ t nhiều vi sinh vật tự dường có thể tự thỏa mãn nhu cầu về cacbon cho m ình bằnh phương pháp tự cố định C 02. Quá trình cố định C 02 có th ể xảy ra trong điều kiện hoàn toàn khồng có ánh sáng nhờ việc sử dụng nàng lượng từ ATP và khả năng khử của NADPH, được tạo ra từ pha sáng khi tiến hành quang hợp hoặc trong quá trìn h oxy hóa các hợp chất vô cơ.

Các cơ th ể sinh vật (thực vật và vi sinh vật) có khả nảng cô' định COy chỉ có một con đường duy nhất. Con đường này được gọi là chu trìn h Calvin.

ĩ- Các loại enzym trong chu trình Calvin

Các sinh v ật tự dưỡng C 02 khác với các sinh vật khác là chúng có khẩ nâng sinh tổng hợp hai loại enzym đặc biệt: enzym ribulose biphotphat cacboxilase và enzym photphoribulokinase.

• E nzym ribulose biphotphat cacboxilase:

1,2,3-photphogiyxerat r (36 cacbon) ATP (từ phản ứng ánh sáng) NADPH (từ phản ứng ánh sáng hay dòng điện dự trữ) 6-ribulozo-1 -5-biphotphat (30 cacbon) 1,2,3-biphotphoglyxerat 12 NADPH . 6-ribulozo-5-photphat _{12-glyxeratdehit-3-photphat} Fructozo-6-photphat (6 cacbon)

ị

Tham gia vảo quá trinh sinh tổng hợp H ình 2.6: Chu trình Calvin