Dùng enzym biến rác thực phẩm thành “vàng”


Đã đạt những thành tựu rực rỡ trong việc gia tăng hiệu quả của chuỗi sản xuất lương thực, thực phẩm, ngành công nghệ sinh học thế giới mấy năm gần đây đang hướng đến một mắt xích nằm sau chuỗi này: Xử lý rác thực phẩm để tận dụng nó như một nguồn tài nguyên quý giá.
 

1/3 lượng thực phẩm trở thành rác

 
Vài năm trở lại đây, vấn đề lãng phí thực phẩm nổi lên như một nguyên nhân quan trọng gây thất thoát tài nguyên, tác động xấu đến môi trường và gia tăng bất bình đẳng. Theo Tổ chức Nông - Lương Liên Hợp Quốc (FAO), mỗi năm loài người lãng phí khoảng 1,3 tỷ tấn thực phẩm, tương đương 1/3 lượng sản xuất ra trên toàn thế giới.
 
Dân số thế giới tăng nhanh làm tăng nhu cầu thực phẩm, kéo theo sự phình to của công nghiệp chế biến và quá trình chế biến tạo ra lượng rác thải lớn. Đây là một cấu phần quan trọng trong tỷ trọng lãng phí thực phẩm. Với hàm lượng dinh dưỡng cao, rác thải thực phẩm dễ thối rữa khi tích tụ số lượng lớn, trở thành nơi sinh sôi, tập trung của nhiều loại sinh vật gây bệnh. Điều này gây ra các vấn đề nghiêm trọng không dễ giải quyết về môi trường.
 
Hiện việc xây dựng các chiến lược quản lý, xử lý và hủy bỏ chất thải của các quốc gia vẫn đang tiến triển khá chậm chạp. Do đó, xử lý rác thải thực phẩm nổi lên như một vấn đề cần được khoa học ưu tiên.
 

Nguồn nguyên liệu truyền thống

 

Năm 2010, một báo cáo do Liên minh châu Âu (EU) công bố đã ước tính, mỗi năm có tới gần 90 triệu tấn rác thực phẩm được thải ra từ các công đoạn của ngành công nghiệp chế biến trên toàn thế giới. Rác thải thực phẩm xuất phát từ nhiều công đoạn trong chuỗi cung ứng: Đóng gói và lưu trữ sau sản xuất, sản xuất, bán buôn, bán lẻ và tiêu thụ.



 Rác thải - nguồn tài nguyên chưa được tận dụng đúng mức. Ảnh: Pinterest
 

Trong quá trình sản xuất, chế biến thực phẩm, chất thải thường phát sinh từ các công đoạn bóc gọt, rửa, luộc, cắt và từ các sản phẩm phụ như bã ép. Đối với các loại rác thải phát sinh từ hoạt động chế biến thực phẩm có nguồn gốc động vật, rủi ro về vệ sinh thường lớn hơn nhiều. Do đó, phần lớn các nỗ lực hiện được tập trung vào xử lý loại rác này.
 
Cá, thịt gia súc và gia cầm là những nguồn sản sinh rác thải thực phẩm có nguồn gốc động vật lớn nhất. Loại rác này có hàm lượng protein rất cao nên không thể thải bỏ trực tiếp ra môi trường mà chưa qua xử lý. Nguồn chất thải động vật lớn nhất đến từ các lò mổ gia súc với những phế phẩm không bán được cho người tiêu dùng như nội tạng và sinh khối nhầy. Ngành công nghiệp sản xuất, chế biến sữa cũng như các sản phẩm từ sữa cũng tạo ra nhiều rác thải, phổ biến nhất là nước whey từ bơ. Chúng vẫn đang được sử dụng để sản xuất các chất trích xuất protein và saccharides.
 
Rác thải thực vật bắt nguồn từ ngũ cốc, hoa quả và rau. Hiện chất thải từ chế biến gạo, mì và ngô vẫn là những nguồn chính để sản xuất nhiên liệu sinh học, bởi đây là nguồn lương thực chủ chốt tại nhiều quốc gia. Quá trình sản xuất lúa gạo mỗi năm cung cấp 730 triệu tấn rơm cho gia súc, đủ để sản xuất đến 205 tỷ lít ethanol. Rơm rạ có hàm lượng cellulose và hemicellulose lớn, có thể dễ dàng chuyển hóa thành ethanol qua phân giải.
 
Quá trình sản xuất lúa mì với tổng sản lượng toàn cầu đạt 682 triệu tấn vào năm 2009 cũng tạo ra các sản phẩm phụ như vỏ trấu - nguồn nguyên liệu tốt để sản xuất ethanol.
 

Tăng mạnh giá trị gia tăng


 Việc ứng dụng công nghệ để tạo thêm giá trị gia tăng từ rác thực phẩm là một bước tích cực để cải thiện bức tranh hiệu quả sử dụng thực phẩm và bảo vệ môi trường. Tinh chế sinh học (biorefinery) là một khái niệm mới tương tự lọc hóa dầu trước đây. Theo đó, tất cả các cấu phần của nguyên liệu thô đều được chuyển hóa thành sản phẩm có giá trị thương mại như nhiên liệu sinh học, enzyme, dầu, các chế phẩm hỗ trợ dinh dưỡng.
 
Chất thải thực phẩm là nguồn nguyên liệu đầu vào rất tốt cho việc sản xuất năng lượng tái tạo bởi thành phần giàu cellulose và lignin (trừ chất thải có nguồn gốc động vật). Nhiều nghiên cứu mới đây đã chỉ ra rằng, việc chế tạo các hóa chất từ chất thải sinh khối tạo ra lợi nhuận nhiều gấp 3 lần so với con đường chế tạo nhiên liệu sinh học.
 
Trong bối cảnh đó, nếu các quy định và chính sách quản lý chất thải tập trung vào việc khuyến khích nâng cao giá trị của chất thải trong công nghiệp thực phẩm và các công nghệ liên quan, chúng ta có thể kỳ vọng có nhiều đột phá mới trong lĩnh vực này.
Chính vì vậy, từ nguồn rác thải thực phẩm khổng lồ, ngành công nghệ sinh học ở châu Âu và Mỹ đang tạo ra nhiều loại hàng hóa quý giá như vật liệu nano, enzym công nghiệp, nhiên liệu sinh học, thực phẩm bổ sung dinh dưỡng chứa các chất có hoạt tính sinh học cao…
Vật liệu nano
 
Sản xuất vật liệu nano từ rác thải thực phẩm là một lĩnh vực nghiên cứu tương đối mới. Gần đây đã có các nghiên cứu sử dụng cám gạo và lúa mì để sản xuất hạt nano. Các chất cao phân tử sinh học như xylan, cellulose, bột mì và chitosan đã được sử dụng rộng rãi để tổng hợp các hạt nano.
 
Vỏ trấu có chứa silic và do đó được các nhà khoa học đánh giá là một nguyên liệu tốt. Họ đã tổng hợp carbon phân cực từ vỏ trấu bằng cách carbon hóa nguyên liệu này tại nhiệt độ 4000C ở môi trường nitrogen trong vòng 2 giờ. Hoạt tính kháng khuẩn của các hạt nano tạo ra đủ để ức chế sự sinh trưởng của các vi sinh vật. Trong một nghiên cứu khác, các hạt nanosilica từ vỏ trấu đã được chứng minh là có khả năng loại bỏ màu nhuộm hữu cơ một cách hiệu quả.
 

Các enzym công nghiệp

 
Rác thải thực phẩm được các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ sinh học coi là ứng viên lý tưởng cho sản xuất enzym. Một số rác thải thực phẩm đã được sử dụng để sản xuất các enzym có giá trị cao về mặt thương mại. Các enzym ôxy hóa như cellulose, laccase, amylase, xylanase, phytase và lipase đều đã được nghiên cứu sản xuất từ rác thải thực phẩm.
 

Một phòng thí nghiệm công nghệ sinh học tại Mỹ. Ảnh: Med-ems
 
Vai trò của rác thải thực phẩm được coi trọng một phần nhờ yếu tố giá cả: Gần 28% giá thành sản xuất các enzym thương mại là từ chi phí nguyên liệu thô. Để giải quyết vấn đề, một số nghiên cứu đã tập trung vào việc tận dụng các nguồn thải giàu lignocellulose trong sản xuất enzym, sử dụng các chủng vi sinh vật có khả năng phân giải và tận dụng các hợp chất cao phân tử phức tạp từ sinh khối thực vật. Hoạt tính enzym có thể được tăng cường nhờ các công nghệ tối ưu hóa môi trường và sử dụng vi sinh vật biến đổi gene.
 

Thực phẩm bổ sung dinh dưỡng


 Các nghiên cứu về quá trình chuyển hóa rác thải thực phẩm từ thực vật đã cho thấy hoạt động tách chiết các hoạt chất có giá trị như chất chống ôxy hóa hay chất xơ đang trở nên phổ biến không kém nhiên liệu lỏng hay biogas trong những năm gần đây.
 
Cám gạo - một sản phẩm phụ từ quá trình chế biến gạo - rất giàu chất xơ, protein, vitamin, khoáng chất và các hợp chất từ thực vật như tocopherol hay polyphenol. Bã cam và bã ép hoa quả là những nguồn tốt để sản xuất phenol và carotenoid - các hợp chất vẫn được sử dụng để tăng độ bền của thực phẩm và đồ uống. Pectin là một thành phần chính của tất cả các loại thực vật. Các chất xơ không tan trong nước là một nguồn phụ gia tốt cho việc sản xuất thực phẩm chức năng, giúp làm tăng sức khỏe đường ruột.
 

PHA, chitosan và collagen

 
Polyhydroxyalkanoates (PHAs) là vật liệu dạng nhựa có thể thay thế nhựa có nguồn gốc hóa dầu. Các vật liệu lignocellulose - đáng chú ý nhất là rác thải thực phẩm và nông nghiệp - đã được dùng trong quá trình sản xuất PHAs và poly-3hydroxybutyrate (PHB).
 
Chitosan là một dẫn xuất của chitin, hợp chất cao phân tử phổ biến thứ hai sau cellulose với đặc tính kháng khuẩn, dễ phân giải sinh học. Gần đây, giới khoa học đã tập trung hơn vào hướng sử dụng các enzym protease để trích xuất chitosan từ rác thải tôm trong công nghiệp thủy sản.
 
Collagen là một trong các loại protein thông dụng nhất trong cơ thể sinh vật đa bào, có tác dụng đảm bảo sự bền vững về cấu trúc của các mô liên kết và các nội quan. Rác thải thực phẩm từ động vật đã được sử dụng rộng rãi làm nguyên liệu thô sản xuất collagen.
 
Nhiên liệu sinh học
 
Thuật ngữ “nhiên liệu sinh học” bao gồm rất nhiều sản phẩm như ethanol, diesel, hydro, ether, butanol, biogas và khí đốt tổng hợp có nguồn gốc sinh học.
 
Sinh khối thực vật đã được sử dụng để sản xuất ethanol sinh học từ hàng thế kỷ nay. Nguyên tắc sản sản xuất ethanol sinh học là tận dụng enzym để phân giải các hợp chất lignocellulose tạo ra đường, sau đó chuyển hóa đường thành ethanol.
 
Biodiesel là sản phẩm thứ sinh từ chất thải có nguồn gốc dầu ăn. Các phương pháp xử lý hiện đã chế tạo thành công diesel sinh học từ dầu ăn, trong đó các enzym phân giải lipid như lipozyme TL IM hay novozym 435 được sử dụng để chuyển hóa dầu ăn thành diesel sinh học. Bên cạnh các enzym thương mại hóa, enzym vi sinh vật cũng được sử dụng để sản xuất diesel sinh học.
 
Khí hydro cũng được các nhà khoa học nghiên cứu sản xuất từ buồng cọ, lúa miến và thân lúa mì, trong đó có ứng dụng cải tiến gene của các sinh vật có khả năng lên men như enterobacter, bacillus hay clostridium.
Bảo Ngọc tổng hợp


Tags
Tiêu điểm
Top