I. Tổng Quan Về Nấm Sinh Tổng Hợp L Axit Lactic Giới Thiệu
Axit lactic (2-hydroxypropionic, CH3CHOHCOOH) là một axit hữu cơ quan trọng, được ứng dụng rộng rãi trong ngành thực phẩm như chất bảo quản, chất oxy hóa và hương liệu. Nghiên cứu về axit lactic ngày càng phổ biến do khả năng tạo ra axit polylactic (PLA), một nguyên liệu tiềm năng cho polyme phân hủy sinh học, góp phần giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường. Axit lactic được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, mỹ phẩm và hóa chất. Việc sản xuất axit lactic đang thu hút sự quan tâm lớn từ các nhà nghiên cứu. Một trong những ứng dụng mới nổi của axit lactic là sử dụng nó để sản xuất polyme polylactate có thể phân hủy sinh học, cung cấp một giải pháp thay thế thân thiện với môi trường cho nhựa phân hủy sinh học có nguồn gốc từ nguyên liệu hóa dầu. Với sự phát triển và thương mại hóa các chất ngoại sinh này, việc sử dụng axit lactic đã tăng lên đáng kể để trở thành trọng điểm hàng đầu của ngành công nghiệp quốc gia (Anh, 2018).
1.1. Công Thức Cấu Tạo và Tính Chất Của Axit Lactic
Axit lactic, còn gọi là axit cacboxylic 1-hydroxyethanol hoặc axit 2-hydroxypropanoic, có công thức phân tử C3H6O3 và công thức chung CH3-CHOH-COOH. Cấu trúc phân tử chứa cacbon bất đối xứng, tạo ra hai đồng phân quang học: D-axit lactic và L-axit lactic. Hai đồng phân này có tính chất hóa lý tương tự nhưng khác nhau về khả năng quay mặt phẳng phân cực ánh sáng, dẫn đến tính chất sinh học khác biệt. Axit lactic là chất lỏng không màu hoặc vàng nhạt, không mùi (ở 15°C và 1 atm). Do tính hút ẩm cao, nó thường được sử dụng dưới dạng dung dịch đậm đặc tới 90% trọng lượng, hầu như không mùi và chứa một lượng đáng kể axit lactoyllactic và các đồng phân axit lactic khác.
1.2. Ứng Dụng Quan Trọng Của Axit Lactic Trong Công Nghiệp
Axit lactic có nhiều ứng dụng quan trọng trong các ngành công nghiệp khác nhau. Trong ngành mỹ phẩm, nó được sử dụng như một thành phần tự nhiên với các đặc tính kháng khuẩn, làm sáng và chăm sóc da, chủ yếu là chất dưỡng ẩm và điều chỉnh độ pH. Trong ngành thực phẩm, axit lactic và lactate được sử dụng rộng rãi như chất axit hóa và chất bảo quản. Một ứng dụng đang phát triển nhanh chóng là sử dụng axit lactic làm monome để sản xuất axit polylactic (PLA), một loại nhựa hàng hóa có thể phân hủy sinh học. PLA có nhiều ứng dụng, bao gồm quần áo bảo hộ, bao bì thực phẩm, chất phủ, túi đựng rác và thùng chứa cứng.
II. Thách Thức Từ Rác Thải Nhựa Giải Pháp Nhựa Sinh Học
Hiện nay, lượng rác thải nhựa đang gia tăng ở mức báo động trên toàn thế giới, bao gồm cả Việt Nam. Rác thải nhựa dùng một lần chưa qua xử lý gây ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng cuộc sống, sức khỏe con người và các loài sinh vật. Tính chất khó phân hủy của rác thải nhựa là một vấn đề nghiêm trọng, vì chúng tồn tại lâu dài trong môi trường đất, gây xói mòn và ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của cây trồng và vật nuôi. Do đó, việc tìm kiếm nguồn nguyên liệu thân thiện với môi trường và các sản phẩm tự phân hủy đang là vấn đề được quan tâm hàng đầu bởi các nhà nghiên cứu. L-axit lactic (LA) là một nguyên liệu thô quan trọng để sản xuất các polyme có khả năng phân hủy sinh học và tương thích sinh học, chẳng hạn như axit poly-lactic.
2.1. L Axit Lactic LA Nguyên Liệu Tạo Nhựa PLA Tiềm Năng
L-axit lactic (LA) là một axit hữu cơ phổ biến được sử dụng rộng rãi trong các ngành liên quan đến thực phẩm và có tiềm năng sản xuất các polyme polylactate có thể phân hủy sinh học. LA được sản xuất bởi các vi khuẩn lactic và nấm. Loài nấm Rhizopus tạo ra LA dưới dạng đồng phân duy nhất của axit lactic và đã được công nhận là loài duy nhất có khả năng tạo ra đồng phân LA (Wu & cs.). Hiện nay, LA được sản xuất từ các nguồn nguyên liệu như dầu mỏ, khí tự nhiên, than đá nhưng các nguồn nguyên liệu này đang dần cạn kiệt. Việc khai thác quá mức các nguồn khoáng sản thiên nhiên ảnh hưởng đến nguồn tài nguyên, dẫn đến các vấn đề ô nhiễm gây hại cho sức khỏe con người và các quần thể sinh vật trên cạn và dưới nước.
2.2. Nấm Mốc Sinh L Axit Lactic Giải Pháp Sản Xuất Bền Vững
Việc tìm ra nguồn nguyên liệu sản xuất LA thân thiện với môi trường từ vi sinh vật là điều cần thiết. Do đó, nghiên cứu về phân lập và sàng lọc nấm sinh tổng hợp L-axit lactic định hướng tạo nhựa sinh học chất lượng cao là vô cùng quan trọng. Mục tiêu chính là phân lập và tuyển chọn chủng nấm mốc có khả năng sinh tổng hợp L-axit lactic hiệu quả. Các nội dung nghiên cứu bao gồm phân lập và tuyển chọn nấm từ các nguồn khác nhau, sàng lọc nấm có khả năng sinh lactic cao, khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như nguồn cacbon, nguồn nitrogen và pH đến khả năng sinh tổng hợp L-axit lactic của các chủng nấm được tuyển chọn.
III. Phương Pháp Phân Lập Nấm L Axit Lactic Quy Trình Chi Tiết
Nghiên cứu này tập trung vào việc phân lập và tuyển chọn các chủng nấm mốc có khả năng sinh tổng hợp L-axit lactic (LA) từ các mẫu thu thập được từ hoa quả hỏng. Quá trình bao gồm thu thập mẫu nấm mốc, phân lập và tuyển chọn các chủng có khả năng sinh axit lactic, xác định khả năng sinh axit lactic của các chủng đã chọn, lên men sinh axit lactic từ chủng nấm đã chọn, xác định hàm lượng axit lactic bằng phương pháp đo quang phổ và xác định các đặc điểm hình thái, đặc điểm sinh học của chủng nấm đã chọn. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sinh tổng hợp LA như nguồn cacbon, nguồn nitrogen và pH cũng được nghiên cứu.
3.1. Thu Thập và Phân Lập Nấm Mốc Từ Mẫu Hoa Quả Tự Nhiên
Quá trình bắt đầu bằng việc thu thập mẫu nấm mốc từ các loại hoa quả hỏng. Sau đó, các mẫu được phân lập và tuyển chọn để tìm ra các chủng nấm có khả năng sinh axit lactic. Việc phân lập được thực hiện bằng các kỹ thuật vi sinh vật học tiêu chuẩn, đảm bảo thu được các chủng nấm thuần khiết. Các chủng nấm này sau đó được đánh giá khả năng sinh axit lactic thông qua các thí nghiệm sàng lọc.
3.2. Xác Định Đặc Điểm Hình Thái và Sinh Học Của Chủng Nấm
Sau khi tuyển chọn được các chủng nấm có khả năng sinh axit lactic, các đặc điểm hình thái và sinh học của chúng được xác định. Điều này bao gồm quan sát hình thái khuẩn lạc, tế bào nấm dưới kính hiển vi và các đặc tính sinh lý khác. Việc xác định này giúp phân loại và so sánh các chủng nấm khác nhau, từ đó chọn ra các chủng có tiềm năng sinh tổng hợp LA cao nhất.
3.3. Lên Men và Đo Hàm Lượng Axit Lactic Bằng Phương Pháp Đo Quang
Các chủng nấm đã chọn được sử dụng để lên men sinh axit lactic. Quá trình lên men được thực hiện trong điều kiện kiểm soát để tối ưu hóa sự sinh trưởng của nấm và sản xuất LA. Hàm lượng axit lactic sinh ra được xác định bằng phương pháp đo quang phổ, một kỹ thuật chính xác và hiệu quả để định lượng các chất hóa học trong dung dịch. Kết quả đo quang phổ được sử dụng để đánh giá khả năng sinh LA của các chủng nấm khác nhau.
IV. Ảnh Hưởng Của Yếu Tố Môi Trường Đến Sinh Tổng Hợp LA
Nghiên cứu này cũng tập trung vào việc đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố môi trường như nguồn cacbon, nguồn nitrogen và pH đến khả năng sinh tổng hợp L-axit lactic của các chủng nấm đã chọn. Các thí nghiệm được thiết kế để xác định điều kiện tối ưu cho quá trình sinh tổng hợp LA, từ đó nâng cao hiệu quả sản xuất nhựa sinh học.
4.1. Tối Ưu Hóa Nguồn Cacbon Cho Quá Trình Sinh Tổng Hợp LA
Nguồn cacbon là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình sinh tổng hợp LA. Các thí nghiệm được thực hiện với các nguồn cacbon khác nhau để xác định nguồn nào là thích hợp nhất cho sự sinh trưởng của nấm và sản xuất LA. Kết quả cho thấy saccharose là nguồn cacbon thích hợp nhất để 2 chủng SS2 và SS3 sinh tổng hợp LA.
4.2. Ảnh Hưởng Của Nguồn Nitrogen Đến Hàm Lượng L Axit Lactic
Nguồn nitrogen cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình sinh tổng hợp LA. Các thí nghiệm được thực hiện với các nguồn nitrogen khác nhau để xác định nguồn nào mang lại hiệu quả cao nhất. Trong môi trường nuôi cấy chứa yeast extract, lượng LA sinh ra là cao nhất với nồng độ là 26,59 mg/l và 14,05 mg/l tương ứng với 2 chủng SS2 và SS3.
4.3. Điều Chỉnh pH Để Tối Đa Hóa Sản Lượng L Axit Lactic
pH của môi trường nuôi cấy cũng ảnh hưởng đáng kể đến quá trình sinh tổng hợp LA. Các thí nghiệm được thực hiện ở các giá trị pH khác nhau để xác định điều kiện tối ưu. Vào ngày nuôi cấy thứ 5, ở giá trị pH=3, chủng SS2 có khả năng sinh tổng hợp LA cao nhất, tuy nhiên đối với chủng SS3, pH=5 là điều kiện thích hợp nhất để lượng LA sinh ra đạt cực đại.
V. Kết Quả Nghiên Cứu Chủng Nấm Tiềm Năng và Điều Kiện Tối Ưu
Kết quả nghiên cứu cho thấy đã phân lập và tuyển chọn được 7 chủng nấm mốc có khả năng sinh tổng hợp LA, bao gồm SS1, SS2, SS3, TL, CR, HĐB và HĐB1. Trong đó, chủng SS2 và SS3 có khả năng sinh tổng hợp LA cao nhất. Các thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của nguồn cacbon, nguồn nitrogen và pH đã xác định được điều kiện tối ưu cho quá trình sinh tổng hợp LA của hai chủng này.
5.1. Chủng Nấm SS2 và SS3 Ứng Viên Sáng Giá Cho Sản Xuất PLA
Chủng SS2 và SS3 được xác định là hai chủng nấm có tiềm năng lớn trong sản xuất L-axit lactic, một nguyên liệu quan trọng để sản xuất nhựa PLA. Với khả năng sinh tổng hợp LA cao và điều kiện nuôi cấy tối ưu đã được xác định, hai chủng này có thể được sử dụng để phát triển quy trình sản xuất PLA hiệu quả và bền vững.
5.2. Ứng Dụng Kết Quả Nghiên Cứu Vào Sản Xuất Nhựa Sinh Học
Kết quả nghiên cứu này có thể được ứng dụng vào sản xuất nhựa sinh học từ L-axit lactic. Việc sử dụng các chủng nấm có khả năng sinh tổng hợp LA cao và điều kiện nuôi cấy tối ưu sẽ giúp giảm chi phí sản xuất và tăng tính cạnh tranh của nhựa sinh học so với nhựa truyền thống. Điều này góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và thúc đẩy phát triển bền vững.
VI. Kết Luận và Kiến Nghị Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Tiếp Theo
Nghiên cứu đã thành công trong việc phân lập và tuyển chọn các chủng nấm mốc có khả năng sinh tổng hợp L-axit lactic, đồng thời xác định được các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình này. Kết quả này mở ra triển vọng ứng dụng trong sản xuất nhựa sinh học. Tuy nhiên, cần có thêm các nghiên cứu sâu hơn để tối ưu hóa quy trình và nâng cao hiệu quả sản xuất.
6.1. Tối Ưu Hóa Quy Trình Lên Men và Chiết Xuất L Axit Lactic
Để nâng cao hiệu quả sản xuất L-axit lactic, cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình lên men và chiết xuất LA. Điều này bao gồm việc điều chỉnh các thông số như nhiệt độ, thời gian lên men, nồng độ chất dinh dưỡng và phương pháp chiết xuất LA. Việc tối ưu hóa quy trình sẽ giúp tăng sản lượng LA và giảm chi phí sản xuất.
6.2. Nghiên Cứu Ứng Dụng Nhựa Sinh Học Trong Các Lĩnh Vực Khác Nhau
Cần có thêm các nghiên cứu về ứng dụng của nhựa sinh học trong các lĩnh vực khác nhau, như bao bì thực phẩm, y tế và nông nghiệp. Việc mở rộng ứng dụng sẽ giúp tăng nhu cầu sử dụng nhựa sinh học và thúc đẩy phát triển ngành công nghiệp này. Đồng thời, cần có các chính sách hỗ trợ và khuyến khích sử dụng nhựa sinh học để giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
