Nisin (C₁₄₃H₂₃₀N₄₂O₃₇S₇) là một bacterioxin, cấu tạo gồm 34 axit amin, có khối lượng phân tử 3.5 kDa, được tổng hợp bởi một số chủng thuộc loài Lactococcus lactis. Phạm vi ứng dụng trong bảo quản thực phẩm của nisin khá rộng, từ các sản phẩm tươi sống đến các loại thực phẩm lên men, đóng hộp, dạng rắn cũng như dạng nước. Sử dụng nisin thường không làm thay đổi cảm quan, không làm biến đổi chất lượng, không để lại dư lượng trong thực phẩm. Ngoài ra, dùng nisin để bảo quản thực phẩm đóng hộp sẽ làm giảm nhiệt độ và thời gian thanh trùng. Vì vậy, nisin đã trở thành chất chuyên biệt nguồn gốc sinh học có giá trị để bảo quản thực phẩm, khắc phục được nhược điểm của các phương pháp sử dụng hóa chất, chất kháng sinh, chiếu xạ. Hiện nay, nisin nằm trong danh mục các chất phụ gia có ký hiệu quốc tế E234, đã và đang được dùng để bảo quản thực phẩm ở hơn 50 quốc gia.

Tại Việt Nam, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam là cơ quan đầu tiên khởi xướng những nghiên cứu về nisin. Trong khuôn khổ đề tài cấp Viện KHCNVN, các nhà khoa học Viện Công nghệ Sinh học đã tiến hành nghiên cứu công nghệ lên men và thu hồi nisin từ vi khuẩn Lactococcus lactis. Nội dung nghiên cứu bao gồm: lựa chọn môi trường, thành phần môi trường, tác động của pH đối với sinh trưởng và tổng hợp nisin của chủng Lactococcus lactis 145, nghiên cứu thiết lập mô hình lên men và công nghệ thu hồi nisin. Kết quả đã thiết lập được quy trình lên men điều khiển và quy trình thu hồi bằng hấp phụ tế bào, nhờ đó năng suất tổng hợp nisin của chủng tăng lên gần hai lần và sản phẩm nisin thu được có độ tinh sạch rất cao.

Nghiên cứu lựa chọn môi trường, thành phần môi trường, tác động của pH đối với sinh trưởng và tổng hợp nisin của chủng Lactococcus lactis 145

Để thiết lập quy trình lên men, các nhà khoa học đã tiến hành chọn lọc chủng có hoạt tính tổng hợp nisin cao, lựa chọn môi trường, thành phần môi trường cũng như các nguyên liệu thay thế thích hợp để sử dụng cho lên men thể tích lớn. Kết quả đã chọn được chủng Lactococcus lactis 145 có hoạt tính tổng hợp nisin tốt nhất và ổn định. Môi trường CM có nguồn cacbon là sacaroza cho năng suất sinh tổng hợp nisin của chủng tốt hơn so với các môi trường MRS và M17. Trong công thức môi trường CM, hàm lượng sacaroza 40g/l, K₂HPO₄ 10g/l đựơc xác định là có ảnh hưởng rất mạnh, trong khi nguồn thay thế cho pepton và cao malt là sữa đậu nành 20% cũng rất thích hợp để lựa chọn cho lên men ở thể tích lớn.

Động thái sinh trưởng và sinh tổng hợp nisin của chủng Lactococcus lactis 145

Bên cạnh đó, pH là một yếu tố có ảnh hưởng quan trọng đặc biệt đối với lên men vi khuẩn lactic nói chung và tổng hợp nisin nói riêng. Việc giảm pH trong các quá trình lên men lactic là một quy luật và có tác động đặc biệt đến sinh tổng hợp nisin của chủng L.lactis 145. Động thái sinh trưởng và sinh tổng hợp của chủng 145 phản ánh những biến diễn cũng như tác động của việc giảm pH đối với quá trình sử dụng cơ chất sacaroza, sinh trưởng và tổng hợp nisin.

Nghiên cứu thiết lập mô hình lên men

• Mô hình lên men không điều chỉnh

Ở mô hình lên men thông thường, hoạt tính sinh tổng hợp nisin tăng nhanh, gần như song hành với quá trình sinh trưởng, đạt cực đại 1960 IU/ml tại thời điểm sau 12h nuôi cấy. Đây cũng chính là thời điểm mà sự sinh trưởng đạt tối đa.

• Mô hình lên men điều chỉnh pH

Mối liên hệ giữa hai quá trình sinh axit lactic và tổng hợp nisin diễn ra ở L.lactis 145 được chủ động điều khiển trong suốt quá trình lên men. Việc cố định được pH đã tạo điều kiện cho chủng 145 có quá trình trao đổi chất tốt hơn, sử dụng năng lượng, nguồn cacbon mạnh mẽ hơn, sinh trưởng tốt hơn và tổng hợp nisin mạnh hơn. Hoạt tính tổng hợp nisin đạt cực đại sớm hơn so với kiểu lên men thông thường, tại 10h đạt 2750 IU/ml so với 1960 IU/ml sau 12h của trường hợp lên men thông thường. Tuy nhiên, trong mô hình này, quá trình tổng hợp nisin diễn ra trong khoảng thời gian ngắn hơn, đặc biệt thời gian mà hoạt tính tổng hợp nisin đạt cực đại rất ngắn.

Động thái sinh trưởng và sinh tổng hợp nisin của chủng L.lactis 145 trong lên men cố định pH=6.5

Mô hình lên men cố định pH và bổ sung nguồn các bon
Trong mô hình lên men cố định pH và bổ sung nguồn cacbon, quá trình sinh tổng hợp nisin đạt cực đại ở mức cao hơn rất nhiều so với hai mô hình trước. Hoạt tính tổng hợp nisin đạt cực đại là 3450 IU/ml ở giờ thứ 10 so với 1960 IU/ml ở lên men thông thường và 2750 IU/ml ở lên men cố định pH. Thời gian tổng hợp nisin ở mức cao, từ 3100 đến 3500- 3450 -3200 IU/ml diễn ra từ giờ thứ 8 đến giờ thứ 18 của quá trình lên men. Bằng việc bổ sung thành phần dinh dưỡng liên tục kết hợp điều khiển cố định pH = 6.5 không chỉ nâng cao năng suất sinh tổng hợp nisin lên 179% mà còn kéo dài thời gian đạt năng suất cực đại so với lên men thông thường.

Động thái sinh trưởng và sinh tổng hợp nisin của L.lactis 145 trong mô hình lên men cố định pH và bổ sung nguồn

Động thái sinh tổng hợp nisin của L.lactis 145 trong 3 mô hình lên men: 1) không điều chỉnh; 2) cố định pH; 3) cố định pH và bổ sung nguồn sacaroza

Nghiên cứu công nghệ thu hồi nisin

Hiện nay có một số phương pháp thu hồi nisin đang được sử dụng, trong đó kết tủa bằng sunphat amon là phổ biến. Bên cạnh đó phương pháp hấp phụ-phản hấp bằng sinh khối L.lactis là một phát hiện mới trong thời gian gần đây.

Phương pháp kết tủa bằng sunphat amon là một phương pháp thông thường sử dụng để thu hồi các sản phẩm protein. Kết quả nghiên cứu cho thấy nồng độ sunphat amon 45%, pH=4.5, nhiệt độ sấy 600C là các giá trị có ảnh hưởng tốt nhất tới hiệu suất thu hồi nisin. Tuy nhiên, với phương pháp này, do kết tủa không có tính chọn lọc cao, nên sản phẩm thường không sạch.

Thu hồi nisin theo phương pháp hấp phụ-phản hấp bằng sinh khối L.lactis là quá trình phụ thuộc hàng loạt các yếu tố như pH, trạng thái tế bào, nhiệt độ, thời gian và sự tiếp xúc, trong đó pH là yếu tố có ảnh hưởng mạnh. Tại pH=6.0, quá trình hấp phụ nisin của sinh khối tế bào L.lactis đạt cao nhất là 92.1%, cao hơn tất cả các phương án thí nghiệm khác. Tế bào L.lactis ở giai đoạn sinh trưởng mạnh có khả năng hấp phụ nisin tốt hơn, nhưng khi bị xử lý nhiệt lại giảm. Nhiệt độ từ 4-300C và thời gian từ 1-5h không có sự khác biệt đáng kể giữa các phương án thí nghiệm, trong khi sự khuấy, trộn làm gia tăng sự hấp phụ nisin. Sản phẩm nisin thu được từ quy trình hấp phụ-phản hấp phụ sử dụng sinh khối tế bào có độ sạch gấp gần 20 lần so với phương pháp kết tủa sunphat amon.

Phổ điện di các dạng sản phẩm nisin, 1: nisin chuẩn (Sigma), 2: nisin thu được từ quy trình hấp phụ-phản hấp phụ, 3: nisin sản phẩm từ quy trình kết tủa sunphat amon

PGS.TS. Lê Thanh Bình

Nguồn tin: Viện Công nghệ sinh học

– Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam