2000002178 NGUYỄN ĐỨC LƯỢNG CỔNG NGHỆ Vi SÍNH VẬT Cơ SỞ vi SÍNH VẬT CÔNG NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. H ồ CHÍ MINH LỜ I NÓ I ĐẦU Công nghệ ví sinh vật là một trong những công nghệ quan trọng trong ngành công nghệ sinh học. Giáo trình công nghệ vi sinh vật gôm 3 tập. Tập ỉ - Cơ sờ vi sinh vật công nghiệp Tập 2 - Vi sinh vật học còng nghiệp Tập 3' - Vi sinh vật học thực phàm Ba tập giáo trình này được biên SCXUI làm tài liệu tham khao cho sinh viên các. ngành công nghệ thực phẩm , công nghệ sinh học và. các kỹ sư có liên quan đến các ngành trên. Giáo trình được biên soạn theo chương trinh giảng dạy cho sinh viên ngành cóng nghệ thực phẩm trường Đại họi: Bách khoa TP. Hỗ Chi M inh. Lân xuất, ban đàu tiên khó tránh kh.oi những sai sót. htìởc chưa. đáp ứng ctlây đù mọi mong muốn của bạn đọc. Rất mong được sự góp ý đế những tàn tái ban sau sẽ được hoàn chỉnh hơn. CÁC TÁC GIA 3 CHƯƠNG ĩ MỞ ĐẦU t. ĐÓI TƯỢNG VÀ NHIỆM VỤ CỦA VI SINH VẬT HỌC Vi sinh vật học (Microbiology) là môn khoa học nghiên cứu'vế hình thái, câu tạo, đặc tính sinh lý, sinh hóa, di truyên và phân loại của các loài sinh vật vô cùng nhô bé. Gác sinh vật vô cùng nhỏ bé này được gọi chung là vi sinh vật (Microorganisms J. Vi sinh vật là nhứng cơ thể sông có kích thước rất nhỏ, mắt. thường không thế nhìn thấy được. Muốn quan sát c.húng người ta phậi dùng tới kính hiển vi có độ phóng đại hàng trăm đến hàng vạn lần. Vi sinh vật <fêu có những đặc tinh cơ bản sau: 1. Vi sinh vật là những cơ thể nhỏ bé có cấu tạo rất dơn giản, phần lớn chúng được cấu tạo từ một tế bào (Ví dụ: nấm men, vi khuấn, tảo, vi rút ). % 2. Vi sinh vật là nhđng sinh vật rất dễ thỉch nghi với điều kiện bên ngoài. Đặc tính thích nghi này được điêu khiển bỏi kiểu trao đổi chất, kiểu hô hấp và sinh tổng hợp Enzym. 3. Trồng díẽu kiện mồỉ trưdng thích hơp chúng có khả năng sinh 5 sản rất. nhanh. Tốc độ sinh sản của chúng vượt rất. xa so vói các sinh vật khác. Dựa vào đặc tính này ngươi ta sừ dụng chúng trong công nghệ sản xuất sinh khối, trong y học và kỹ thuật di truyền. 4. Vi sinh vật là sinh vật có khả năng sinh tổng hợp mạnh mõ các chất có hoạt tính sinh học như sinh tổng hợp vitamin, kháng sinh, enzym, các axit amin, lipit. và các chất sinh trương. 5. Vi sinh vật là đối tượng khoa học, phong phú vì chúng có mặt hầu hết các nơi trên trái đất, chúng tham gia hau hết. các quá trình chuyển hóa các chất và hợp chất trong thiên nhiên. Vi sinh vật là thế giới sinh vật vô cùng đa dạng và phong phú. Chúng bao gôm các nhóm vi sinh vật chủ yếu sau: 1. Vi khuẩn (Bacterria). 2. Nấm mon (Ycast-s, Levurcs), 3. Nấm mốc iMoỉđs) 4. Một sô' t.íio (Algac) 5. Một sô' nguyên sinh động vật (Protoĩcxu 6. Riketxi <R ickettsia) và Mycoplasma. 7. Virut ÍVini scs). Hiện nay người ta phân ra nhiêu chuyên khoa đô nghiêm cứu vi sinh vật theo nhiêu cách khác nhau: 1. Chuyên khoa theo đối tượng nghiên cứu như vi khuẩn học (.Bactcriology), nấm học (Mycologỵ), tảo học iAỉgology), nguyên sinh động vật học iProtoz(x>ỉogy) 2. Chuyên khoa theo tính chất của khoa học như: Hình thái vi sinh vật, di truỳên học vi sinh vật, sinh lý học vi sinh vật và phân loại học vi sinh vật. 3. Chuyên khoa theo ứng dụng vi sinh vật như: Y vi sinh vật. 6 học, thú y vi sinh vật học, bệnh lý học thực vật, vi sinh vật học công nghiệp, vi sinh vật học thực phẩm, vi sinh vật học đất. vi sinh vật học thủy sân, vi sinh vật học nước, vi sinh vật học dâu hỏa, địa vi sinh vật học, vi sinh vật học vũ trụ, vi sinh vật học phóng xạ Trong tập 1 của giáo trình “Công nghệ vi sinh vật” chúng ta chi nghiên cứu tổng quát các đặc điếm hình thái, cấu tạo, các kiểu trao đôi chất, trao đôi năng lượng, di truyền biến dị , của những nhóm vi sinh vật chủ yếu có ứng dụng rộng lải trong công nghệ sinh học. 2. LỊCH sử PHÁT TRIEN VI SINH VẬT HỌC Loài người biết sử dụng vi sinh vật trước, khi hiểu vi sinh vật là gì. Trên những vật còn giữ lại từ thời cố Hy lạp thấy hình vẽ minh họa các quá trinh nấu rượu. Hay các hình vẽ trên các Kim tự tháp cũng cho thấy từ thời đó người ta đã biết nấu rượu. ơ Trung quốc clời Ân tới đời Chu nghê nấu rượu đã phát triển mạnh, ở thế kỷ thứ 5 Giả Tự đã soạn lại đầy đủ 12 cách chế tạo ra men rượu của nhân dân nước Tê. Theo “Lĩnh nam trích quái” thì nhân dán ta từ thời Hùng Vương dựng nước đã biết làm mắm từ câm thú, và làm rượu từ cốt gạo. Nhưng đó mới chỉ là thời kỳ đầu của một quá trình ứng dụng ngẫu nhiên. Loài người sử dụng vị sinh vật như một kinh nghiệm từ đời này sang đời khác. Mãi sau này Antón - Levenhuc chế ra được một kinh hiên vi phóng đại gần 200 làn mới phát hiện ra được những sinh vật nho bé mà từ trước tới nay vẫn là điêu bí ân của nhân loại. Sau khi quan sát dưới ông kính hiển vi của mình ông viết một cách rất. kinh ngạc rằng: “Trong nìôm tôi số lượng vi sinh vật còn đông hơn dàn số vương quốc hợp nhất”. (Dân Hàlan lúc bấy giờ). Năm 1695 ông cho xuất bản cuồn sách “Bí mật thiên nhiên do Antón - Levenhuc khám phá”. Đây là tác phẩm đàu tiên viết vê vi sinh vật. Hay nói cách khác nó là nên tảng của ngành 7 vi sinh vật học ngày nay. Từ đó đến nay ngành vi sinh vật. phát tri«*'n mạnh mẽ và nó trải qua hai giai đoạn: a/ Giai đoạn thứ nh ất: Giai đoạn hình thái. Nhờ ổự hoàn thiện dần kính hiên vi nguôi ta hit’ll hot được binh dáng, kích thước của vi sinh vật. Nhưng <ì giai đoạn này người ta chưa hiếu sâu được mặt sinh lý, sinh hóa cua chúng. Vì thò mà trong nhiêu sách mô tả vi sinh vật người ta còn nhầm lẩn nhiêu loài vi sinh vật khác nhau. Vì vi sinh vật tuy Kè ngoài nhiêu loài rất giống nhau nhưng thực tế chúng lại khác nhau rất nhiêu vê đặc tính sinh lý, sinh hóa. Một trong những nguyên nhân làm cho khoa học vi sinh vật tiếp tục phát triển là trong thời kỳ này các ngành công nghiệp ví sinh vật như ngành lên men chẳng hạn rất phát, triển vì thế nhiêu nhà nghiên cứu hắt đâu phải đi sâu nghiên cứu các đặc tính khác của thê giới nhỏ bé nàv. bị Giai đoạn thứ hai: Đây là giai đoạn kéo dài cho tói ngày nay. Giai đoạn này người ta tiên hãnh nghiên cứu đây đủ các đặc tính sinh lý của vi sinh vật Giai đoạn nãy được hắt dâu bang nhửng công trình nghiên cứu của Pastơ về lĩnh vực lên men. Mơ đâu cho giai đoạn này là nhứng cuộc đấu tranh vê nhiêu quan điểm khác nhau. * Cuộc đâu tranh thú' nhất : Cuộc dấu tranh vù thnyct tụ sinh Để hiểu thêm thê’ nào là thuyết tự sinh chúng ta timhiêu xem t.rưde kia người ta hieu nguồn gốc cùa sự sống như thê nào. Ngày xưa. người ta cho rằng sâu họ dược sinh ra từ phán và thịt thối, chây rận từ nìò hôi, đom đóm từ car tia lưa. èc.h nhái từ mây mù vá dát. ám. Ngay cá Van Hemôn còn ke ra một đơn dê có thể ché tạo ra chuột. Theo ông ta thi cứ cho lúa mạch và chiẽc áo bẩn vào lọ sành. Sau 21 ngày “sự lèn men’ sẽ dừng lại. hơi 8 người trong áo bẩn và hơi nước của lúa mạch sẽ tạo ra chuột. Đàu thế kỷ 17 bác sĩ người Ý Redi (Frailesca Redi 1 u26~l(»98) đã chứng minh bằng thực nghiệm rằng dùi không phai sinh ra từ thịt, thối mà từ trứng do ruồi đẻ vào thịt Sau dó thí nghiệm cùa nhà khoa học người Y Xpanhmzani (.1729-1799) dã chúng minh sự xuất hiện vi sinh vật trong môi trường thịt. Nhưng sau đó nhiều người không tin vào thi nghiệm của Xpanlanzani. Sau những tranh luận sôi nổi, Viện hàn lâm khoa học Pháp dã treo giai thường cho những ai C.Ó khâ năng chứng minh thuyết tự sinh hoặc phủ nhận thuyết tự sinh, Pasto' dùng binh cô cong đê nuôi vi sinh vật sau khi thanh trùng. Kết. quá những thí nghiệm này đã chứng minh hùng hồn cho khá năng sinh sản và phát triển của sinh vật và phú nhận hoàn toàn thuyết, t.ự sinh trước đây. Sau những cóng trinh nghiên cứu ciia Past.ri, nhà khoa học người Đức Vinco]) dã trinh bày học thuyết tê" bào “Tế bào sinh ra từ tế bào nhò phân chia”. Từ đó thuyết tự sinh bị đánh bại. Viện sĩ Viện hàn làm khoa học Nga Oparin đã đánh giá những còng trinh cua Pastó như sau: “Thật ra có thể đánh giá và so sánh thánh tựu khoa học cua Pasto' với thành tựu cùa Côpecnieh”. Trong ca hai trường hợp những định kiên đã ngự trị trong dầu óc con người qua hàng nghìn nam trước dó đêu bị lật đổ. * Cuộc tranh luận re enzym. Đáu thẻ ky 17 nhà khoa học Huleen Van Hemmỏn phai hiýn thây cặn men rượu có khá nàng gây rượu t.iêp. Ong gọi la Feementum. Có the từ tiếng La tinh “Fervore” sỏi hoạt “Ferveo” - sủi bợt Theo ông ta đó không phai là chất sống nhưng có kha năng chuyến hóa nhiêu chất khác nhau. Trước đó nhiêu nhà giii kim thuật cho rằng sự lẽn men dịch nho lá một quá trinh hí hiểm của việc làm rượu vang Kẽt qua của 9 sự lòn men là do tích lũy trong chất dịch cái gọi là “Tâm hôn rượu nho" - Spiritus vini - Từ đó mà có tên rượu vung và dưới đáy là chất cặn không còn dùng được là “chất hài tiết" - Faìces vini. Năm 1813 nhà khoa học Pháp Canhiađơ La* ưa dùng kính hiển vi tìm hiêu chất váng và chất cặn sinh ra khi lên men rượu, ồng quan sát dược nấm men bia cổ hình cầu V c à có kích thước xác định. Trong quá trinh lên men số lượng của chúng được tăng lên. Ồng cá quyết ràng: “Nâni men không phải là chất hóa học. nào đó mà là một loại sinh vật thuộc giới thực vật có khả năhg sinh trưởng và phát triển”. Sau đó nhiêu công trình nghiên cứu của nhà khoa học Đức Svan Cut.zinh cíêu chứng minh ý kiến trên của Lat.ua. Những ý kiến trên gặp nhiêu quan điếm ngược lại phản đỗi. Thí dụ như nhà khoa học Đức Libich (người xây dựng khoa nông hóa học) cho rằng lén men chỉ hà quá trình hóa học đơn thùân, không có một lực sống nào tham gia. Từ năm 1856 Past.ơ bắt đầu nghiên cứu quá trinh nay. Ông quan sát rất kỹ quá trình sản xụất rượu và ông thấy rằng khi rượu vang ngon thì soi dưới kính hiển vi chỉ thấy những tế hào hình tròn và khi chua thi thấy nhiêu tế bào hình dài. Ông cho rằng đó là do hai loài vi sinh vật khác nhau. Loại đầu là nấm men gáy ra hiện tượng chuyến đường thành rượu và loại sau là thủ phạm chuyến rượu thành axit axetic. Ông chỉ ra rằng chất protein không có khả năng chuyển thành rượu mà nó chi là chất dinh dưỡng để nấm men phát triển. Có thế thay protein thành muôi amôn, và photphát mà không ảnh hưởng gì tới sự phát triển cua nấm men. Những thí nghiệm của ông chứng tỏ răng chí có những tế bào nấm men sông mới có khả năng chuyến đường thành rượu. Sau đó ít làu hai anh em nhà hóa học Điíc F.Bucne và em trai H. Bucne đã tiến hành thi nghiệm. Lấy 1 kg nấm men ép đã rửa sạch trộn với 1 kg cát thạch anh và 200g đất khuê tảo, nghiên kỹ. Sau khi quan sát dưới kính hiển vi thấy không còn một tế bào nào 10 nguyên vẹn. Ong cho lượng đường 3 7 van va sau nữa giờ dã thay CO.) bay ra. Do dó nó càng làm cho ván đô 011 ym được sáng tỏ. Đã mờ ra đưực màn hi mặt ciìa quá trinh lòn mon. cị Cuộc (tấu tranh chùng bệnli tnivên nhiun Loài người phát triển và tồn tại cho đon ngay nay đã trai qua muôn vàn nhứng vụ đjoh bộnh ghẽ gớm: 100 t riộu người vùng Địa trung hải bị bệnh dịch hạch trong thòi dại dông La mã va thế kỷ thứ 15, 14 dân số Châu Âu lili chốt vì bệnh gbô tóm này. Trong vòng 12 năm (1880-1892) ó' Ân Độ có đốn 4.5 triệu người chốt vì dịch ta. Bệnh tật la một trong những mối nguy có do dọa ¡dn nhất loài người. Lúc đâu (.cho tói cà ngày nay) người ta cho ràng bộnh tật đến đói với người là do số trời định đoạt. Sự thân thánh hóa ây dã làm hạn cho nhiêu khả năng chông lại cua con người. Mãi sau này nhiêu nhà khoa học đã tiôứi hành nghiõn cứu nguyón nhân gãy bệnh, tìm những biộn pháp phòng bộnh và chữa bộnh. Nám 1798 lán dáu tiên nhà khoa học người Anh tòn là E.Gio.no (thực ra lúc đó ông là một bác sĩ nóng thôn rất khiôm tôĩ, ) dã tiên hành nghiên cứu bệnh dậu mùa và bán thán Ong dã tim ta được phương pháp dùng vaexin đõ phòng chống bệnh nay. Sau đó. nà ml 882 Pasto đã chứng minh dược vi khuân là nguồn gốc cùa mọi bệnh tật. Ong đã nghiên cứu hàng loạt các phương pháp chữa bệnh. Trong dó dáng chú y nhất là. nám 1865 ỏng đã giúp nghô nuôi tam ở Pháp tránh được pha san do bộnh bào tứ trùng gáy ra. Tiôp đòn ông nghiên cứu bệnh tụ huyết trùng gà, bệnh chó dại Sau Past.ơ đáng chú ý là nhà khoa học ngưdi Đức. Bác sĩ Côc đã tìm ra vi khuân lao. Sau Ông có một dội ngũ học trò xuât sắc của Ổng là Petri (Fulicuz Richard Petri ldo2~U>21 i. Năm 1892 nhà thực vật học người Nga Ivanobxki lân đàu tiên tìm ra vi rút. Cóng trinh nghiên cứu này đặt nôn móng cho ngành 11 [...]... cao hiếu biết vê nuôi cấy vi sinh v ậ t và vệ sinh công nghiệp * Giai đoạn 18 60 -1 9 00: giai đoạn này p h á t t r i ể n th ê m quá t r i n h lên m en lactic Sự thối khí t r o n g môi trư ờ n g lỏng dược p h á t tr iể n m ạ n h Từ đó còng nghiệp sả n xu ấ t thu sinh khối được th ú c đây * Giai đoạn 19 00 -1 9 20: chiến t r a n h t h ế giđi làn th ứ n h ấ t th ú c đấy n h a n h c òng nghiệp sâ n xu ấ t gluxerin,... Giai đoạn 19 20 -1 9 40: là giai đoạn hoàn th iệ n d â n thiết, bị lén men Các sả n ph ẩ m mđi xu ấ t hiện như sorboza.axit gluconic Giai đoạn này đã biết khử t r ù n g không khí khi lên m en cần cu n g cấp oxy * Giai đoạn 19 40 -1 9 50: Giai đoạn phát triể n m ạ n h mẽ c h ấ t k h á n g sinh, đcặc biệt là penicilin, các v itam in B12 và riboflavin * Giai đoạn 19 50 -1 9 60: là giai đoạn hoàn th iệ n công nghệ sản... sản x u ấ t k h á n g sinh và b ắ t đầu cô n g nghệ s á n xu ấ t axit am in, enzym 12 * (liai đoạn từ I960 đến nay: là giai đoạn phát, triển m ạnh mẽ công nghiệp sán xuất axit amin, enzym, đong thơi hoàn thiện toàn hộ thiết bị lên men 3 PHÂN LOẠI VI SINH VẬT H iện nay có hai cách phân loại vi sinh vật Cách thứ nh ấ t theo hệ thông, và cách thứ hai dựa theo cảu tạo của nhãn vi sinh vật Theo cách thư nhất... (Eukaryotic) N hóm này hao gồm t ấ t cả vi sinh vật có n h â n thực N h â n này ctưực câu tạo bói m à n g n h â n , protein và ADN 14 Chum tg ỉ ỉ HÌNH THÁI, CẤU TẠO, SINH SẢN CỦẢ VI SINH VẬT I VI KHUẨN 1) H ìn h th á i và k ích thư ứ c Vi khuẩn (bactcriaì từ tiếng Hy lạp gọi là cái gậy (haktron) thường được hiểu theo hai nghĩa Theo nghĩa rộng thi vi khuân bao gom toàn hộ vi sinh vụt thuộc 4 lớp: Ac.tinomyeetes... áng nguyên sinh chát th ư ờ n g dày 50 - 10 0 A° và chiếm khoảng 10 - 10 9; trọ n g lượng kỉ.ó cùn té bào M àng nguyên sinh c h ấ t th a m gia n h ứ n g nhiệm vụ cơ bàn sau: Duy tri áp suất th á m th ấ u c ủ a t ế bào - Dám bao chủ động các c h ấ t dinh dưỡng t r o n g t ế bào và thai các sa n phẩm tra o đoi c h ấ t ra ngoài tế bào 24 - 1/ 1 nơi xảy ra quá trinh sinh tống họ'n một số th àn h phân của... hơn 0, - 0, Nếu chỉ quan sát tro n g m ột ống nghiệm nuôi tro n g môi trư ờ n g lỏng ta c ủ n g thấy có sự khác nhau ve hình thái, P h ầ n trê n ống nghiêm nấm men có hình dài còn ở phần dưới có hình tròn 31 1.2) Kích ihmrc í ế hão nấm men T ế bào n ấ m m en th ư ờ n g có kích thước r â t ìốn gàp tử 5- 10 lần t ế bào vi khuẩn Kích thước t r u n g bình, - Chiều dài 9 - 1 0 // - Chiêu r ộ n g 2 - 7 //... n cơ hân n h ư sau: - T h à n h t ế bào - M àng nguyên sinh c h ấ t - Nhân - Các cơ quan con khác 2 .1) Thành t ế hao Mõnc, sinh / ^ /?) hôxôn 32 T hành tế bào nấm men được cấu tạo từ nhiêu th àn h nhan khác nhau Trong đó đáng kế n h ấ t là: glucan, manan, protein, ỉipit và một sô th àn h phần nhỏ khác thí dụ như kitin M annn: Là hợp chất cao phân tử của D - manoza, mỗi phàn tử thường chứa từ 200 -. .. phàn tử thường chứa từ 200 - 400 th à n h phân manoza Thương manan liên kết nới protit theo tỉ lệ 2 :1 Manan thường có mối Hèn kết a - 1. 6, a 1. 2,ịí — 1. 3 P h â n tử lượng của chúng khoang a 10 G ìucan: Là hợp chất cao phân tứ của D-glucoza Đo là một poỉysaeharit phân n h á n h có liên kết ß - 1, 6 và ß - 1, 3 Cil hai th àn h nhân này phân bố đêu trê n th àn h tế bào Profit: Thường protit được liên kết... nòi ỉà tên gọi vi sinh vật mới phán lạp th u â n khiêt Cách ph ân loại th ứ hai, theo cấu t r ú c c.úa n h ã n vi sinh vật, người ta chia ra làm hai nhóm lớn: * N hóm chưa có n h a n ph ân hóa (Prokaryotic) hay lá nh â n nguyên thủy N h ó m này hao gồm t ấ t cả vi sinh vật chưa co nh ãn th ự c thụ m a chi là m ộ t vùng sẫm gồm protein và ADN * N hóm có n h ã n th ự c thụ hay C 11 gọi là n h â n th ậ... dần đi - Kích thước vỏ nháy thay đòi rá t nhiêu tùy tử ng vi sinh vật và tùy điêu kiện sống Có trường hợp kich thước vỏ nhầy vượt, quá 20 lân kích thước tế bào í thí dụ như ở Leuc.oiiostocmescntcroĩdei< - một loài vi khuân thường thấy ở nhà máy dương) Vi khuẩn khi tạo t h à n h vo r.hViy thương tạo th àn h khuẩn lạc trơn ướt búng Người ta gọi là khuẩn lạc ổ (Từ chữ Anh $ m o o fh : trơn bóng) - Loại . ngành công nghệ sinh học. Giáo trình công nghệ vi sinh vật gôm 3 tập. Tập ỉ - Cơ sờ vi sinh vật công nghiệp Tập 2 - Vi sinh vật học còng nghiệp Tập 3' - Vi sinh vật học thực phàm Ba tập giáo. công nghiệp, vi sinh vật học thực phẩm, vi sinh vật học đất. vi sinh vật học thủy sân, vi sinh vật học nước, vi sinh vật học dâu hỏa, địa vi sinh vật học, vi sinh vật học vũ trụ, vi sinh vật. học vi sinh vật, sinh lý học vi sinh vật và phân loại học vi sinh vật. 3. Chuyên khoa theo ứng dụng vi sinh vật như: Y vi sinh vật. 6 học, thú y vi sinh vật học, bệnh lý học thực vật, vi sinh vật