Các nhà khoa học đạt được bước đột phá về biến than thành protein

Đây là lần đầu tiên việc sản xuất protein từ than có tính khả thi về mặt kinh tế.

Với dân số toàn cầu ngày càng tăng, nhu cầu về thực phẩm cũng không ngừng tăng lên, từ đó dẫn đến nhu cầu về protein để sử dụng trong thức ăn chăn nuôi tăng cao. Đặc biệt, Trung Quốc đang phải đối mặt với tình trạng thiếu nguồn protein trầm trọng.

Dù dẫn đầu thế giới về sản xuất lợn (heo) và nuôi trồng thủy sản trong nhiều năm, Trung Quốc vẫn phụ thuộc nhiều vào đậu nành nhập khẩu làm thức ăn chăn nuôi, với lượng nhập khẩu hàng năm khoảng 100 triệu tấn và tỷ lệ phụ thuộc vượt quá 80%.

Do đó, việc phát triển các phương pháp sản xuất protein chất lượng cao nhanh chóng, hiệu quả là rất quan trọng. Giải pháp hứa hẹn nhất nằm ở quá trình tổng hợp sinh học.

Có một số lộ trình khác nhau cho việc tổng hợp protein sinh học. Cách đơn giản nhất là chuyển đổi các sản phẩm phụ từ ngành công nghiệp thực phẩm và nông nghiệp, chẳng hạn nước ngâm ngô, ngũ cốc chưng cất và rơm, thành những sản phẩm protein có giá trị cao hơn thông qua quá trình biến đổi vi sinh vật. Tuy nhiên, những sản phẩm phụ này thường có công dụng rõ ràng, nguồn cung và chất lượng không ổn định khiến sản xuất công nghiệp gặp nhiều khó khăn.

Một cách tiếp cận khác liên quan đến quá trình lên men công nghiệp sử dụng các hóa chất tạo ra năng lượng. Một ví dụ đáng chú ý là việc sử dụng metanol, chất có nguồn gốc rẻ tiền từ than, làm nguyên liệu thô. Đây là những gì các nhà khoa học từ Viện Công nghệ sinh học công nghiệp Thiên Tân thuộc Viện Khoa học Trung Quốc (CAS), do giáo sư Wu Xin đứng đầu, đang nghiên cứu.

“Với trữ lượng toàn cầu khoảng 1.070 tỉ tấn, than có thể được chuyển đổi thành metanol thông qua quá trình khí hóa than. Methanol hòa tan tốt trong nước, mang lại hiệu quả cao trong quá trình lên men so với các chất nền dạng khí và loại bỏ nhu cầu về thiết bị lên men chuyên dụng”, Wu Xin viết trong một bài báo đăng trên tạp chí China Science Bulletin.

Nhóm của Wu Xin hiện đã phát triển được công nghệ sản xuất protein rẻ hơn so với quá trình sinh tổng hợp protein truyền thống. Những phát hiện này đã được công bố trên tạp chí Biotechnology for Biofuels and Bioproducts được bình duyệt.

“

Một bài báo đã được bình duyệt là được đánh giá bởi các chuyên gia trong lĩnh vực đó trước khi xuất bản. Quá trình bình duyệt nhằm đảm bảo rằng bài báo đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng cao về nội dung và hình thức. Các bài báo được bình duyệt thường được xuất bản trên tạp chí khoa học uy tín.

Chủng nấm men Pichia pastoris (P. pastoris), được sử dụng trong quá trình này, phát triển bằng cách sử dụng metanol. Song vì metanol độc hại và có quá trình chuyển hóa phức tạp nên khoảng 20% trong số đó bị lãng phí. Metanol chuyển hóa thành carbon dioxide và nước thay vì được sử dụng cho quá trình tổng hợp protein, điều này làm giảm hiệu suất và tính hiệu quả chi phí của quá trình.

“Nghiên cứu tổng hợp protein tế bào từ metanol bắt đầu từ những năm 1980, tập trung chủ yếu vào việc lựa chọn chủng và tối ưu hóa quy trình sản xuất. Tuy nhiên do chi phí cao, các sản phẩm protein tổng hợp metanol không thể cạnh tranh với protein đậu nành và chưa được sản xuất trên quy mô lớn”, Wu Xin cho biết trong bài báo.

Để giải quyết vấn đề, nhóm của Wu Xin đã thu thập hơn 20.000 mẫu men từ các vườn nho, rừng và vùng đầm lầy trên khắp Trung Quốc. Từ những mẫu đó, họ đã xác định được các chủng có khả năng sử dụng hiệu quả các loại đường và rượu khác nhau làm nguồn carbon.

Bằng cách loại bỏ các gien cụ thể trong chủng Pichia pastoris hoang dã, nhóm của Wu Xin đã tạo ra một loại nấm men có khả năng chịu đựng metanol và hiệu quả trao đổi chất được tăng cường đáng kể. Kỹ thuật này đã thúc đẩy đáng kể mục tiêu chuyển đổi metanol thành protein.

“Các nhà nghiên cứu đã đạt được trọng lượng tế bào khô và hàm lượng protein thô là 120g/lít và 67,2% với Pichia pastoris biến đổi của họ. Hiệu suất chuyển đổi metanol thành protein đạt 92% giá trị lý thuyết”, theo báo cáo trên trang web Viện Khoa học Trung Quốc.

Tỷ lệ chuyển đổi cao khiến phương pháp sản xuất protein này rất hấp dẫn về mặt kinh tế.

Wu Xin cho biết trong bài báo: “Phương pháp này không cần đất canh tác, không bị ảnh hưởng bởi mùa vụ và khí hậu, đồng thời hiệu quả gấp hàng ngàn lần so với các phương pháp nông nghiệp truyền thống. Hơn nữa, hàm lượng protein trong vi sinh vật dao động từ 40 đến 85%, cao hơn đáng kể so với thực vật tự nhiên”.

Những sinh vật này cũng chứa đầy đủ các axit amin, vitamin, muối vô cơ, chất béo và carbohydrate, cho phép chúng thay thế một phần bột cá, đậu nành, thịt và sữa tách béo trong nhiều ứng dụng khác nhau.

Nhóm nghiên cứu đã bắt đầu thực hiện thử nghiệm quy mô công nghiệp, sản xuất hàng ngàn tấn protein này tại một nhà máy. Đối tác cụ thể không được tiết lộ.

Protein vi sinh có giá trị dinh dưỡng cao và không chứa chất gây dị ứng có trong protein đậu nành, khiến chúng trở thành nguồn protein tuyệt vời. Tuy nhiên, hiện chỉ có vài sản phẩm trên thị trường.

Công ty KnipBio (Mỹ) đã sử dụng các chủng biến đổi gien để sản xuất KnipBio Meal (loại protein thức ăn chất lượng cao có thể so sánh với bột cá) từ metanol. Sản phẩm này đã nhận được sự chấp thuận an toàn từ Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Mỹ (FDA).

Tiến về phía trước, Wu Xin cho biết điều quan trọng là cải thiện chức năng sinh lý cùng giá trị dinh dưỡng của protein metanol để nâng cao hiệu quả sử dụng và mở rộng thị trường cho các loại protein chức năng có nguồn gốc từ nó.

“Điều này có thể làm giảm hơn nữa chi phí sản xuất và tăng giá trị của protein metanol, thúc đẩy sản xuất quy mô lớn”, Wu Xin đề cập trong bài viết của Nhật báo Khoa học và Công nghệ.