Kem làm từ protein whey nhưng không cần đến con bò, burger thực vật có màu và vị “máu” như thịt, sữa công thức có thành phần oligosaccharide giống sữa mẹ: phía sau những sản phẩm này là lên men chính xác (precision fermentation). Đây là một trong ba trụ cột của làn sóng “protein thay thế”, cùng với protein thực vật và thịt nuôi cấy, và thực ra đã hiện diện trong ngành thực phẩm từ nhiều thập kỷ trước.

Lên men chính xác là gì?

Lên men chính xác là việc sử dụng vi sinh vật đã được lập trình di truyền (nấm men, nấm sợi, vi khuẩn) như những “nhà máy tế bào” để sản xuất một phân tử mục tiêu cụ thể: protein, enzyme, chất béo, hương liệu, vitamin, chất tạo ngọt. Gen mã hóa phân tử đó được đưa vào vi sinh vật chủ; vi sinh vật được nuôi trong bồn lên men với đường và dinh dưỡng, tiết ra phân tử mục tiêu; sau đó phân tử được thu hồi và tinh chế.

Sản phẩm cuối cùng là phân tử đã tinh chế, thường không còn chứa vi sinh vật biến đổi gen hay DNA của chúng. Đây là điểm khác biệt quan trọng về mặt quy định và truyền thông so với thực phẩm biến đổi gen thông thường.

Không phải công nghệ mới

  • Insulin sản xuất bằng vi khuẩn từ đầu những năm 1980 thay thế insulin chiết từ tụy động vật.
  • Chymosin (enzyme đông tụ sữa trong rennet) sản xuất bằng lên men được FDA chấp thuận năm 1990. Ngày nay phần lớn phô mai trên thế giới được làm bằng chymosin từ lên men thay vì chiết từ dạ dày bê.
  • Nhiều enzyme trong làm bánh, sản xuất nước ép, bia, vitamin B2, B12 và một số axit amin cũng được sản xuất bằng con đường này.

Điểm mới của giai đoạn hiện nay là ứng dụng để sản xuất các thành phần chính của thực phẩm như protein sữa, protein trứng, thay vì chỉ các chất hỗ trợ chế biến dùng với lượng nhỏ.

Phân biệt ba kiểu lên men

  • Lên men truyền thống: vi sinh vật biến đổi nguyên liệu thành sản phẩm như sữa chua, nước mắm, bia.
  • Lên men sinh khối: nuôi vi sinh vật phát triển nhanh để dùng chính sinh khối làm thực phẩm, ví dụ mycoprotein từ nấm Fusarium venenatum, protein vi khuẩn, tảo.
  • Lên men chính xác: dùng vi sinh vật để sản xuất một phân tử cụ thể, rồi tách phân tử đó ra.

Quy trình sản xuất

  1. Thiết kế chủng: chọn vi sinh vật chủ phù hợp (như nấm men Komagataella phaffii, trước đây gọi là Pichia pastoris; nấm sợi Trichoderma reesei, Aspergillus; vi khuẩn E. coli, Bacillus), đưa gen mục tiêu vào và tối ưu năng suất.
  2. Lên men: nuôi trong bồn phản ứng sinh học, thường theo chế độ mẻ có bổ sung dinh dưỡng (fed-batch), kiểm soát nhiệt độ, pH, oxy hòa tan.
  3. Thu hồi và tinh chế (downstream): tách tế bào, lọc màng, sắc ký, cô đặc, sấy. Công đoạn này thường chiếm phần lớn chi phí sản xuất.
  4. Phối trộn vào sản phẩm: protein, enzyme, hương liệu được dùng như nguyên liệu trong công thức.

Các ứng dụng tiêu biểu

  • Protein sữa không từ động vật: beta-lactoglobulin (protein chính của whey), casein dùng làm kem, sữa, phô mai, bánh. Beta-lactoglobulin từ lên men đã được chấp thuận ở Hoa Kỳ theo cơ chế GRAS.
  • Heme: leghemoglobin đậu nành sản xuất bằng nấm men tạo màu, vị “thịt” cho burger thực vật.
  • Protein trứng: ovalbumin cho bánh, đồ uống protein.
  • Oligosaccharide sữa mẹ (HMO): như 2′-fucosyllactose bổ sung vào sữa công thức.
  • Chất tạo ngọt: steviol glycoside Reb M từ lên men, protein ngọt như brazzein.
  • Hương liệu và màu: vanillin, các hợp chất hương cam chanh, carotenoid.
  • Chất béo: lipid cấu trúc từ nấm men, vi tảo, như dầu giàu DHA từ vi tảo đã được dùng lâu năm trong sữa công thức.

Lợi ích

  • Giảm phụ thuộc vào chăn nuôi, có tiềm năng giảm phát thải và sử dụng đất, nước (tùy nguồn năng lượng và nguyên liệu đường).
  • Sản xuất ổn định, không phụ thuộc mùa vụ, dịch bệnh động vật.
  • Chất lượng đồng nhất, kiểm soát tốt về vi sinh.
  • Đáp ứng nhu cầu chay, Halal, Kosher cho các thành phần vốn có nguồn gốc động vật.

Thách thức

  • Chi phí: giá thành trên mỗi kg protein vẫn cao hơn protein sữa thông thường; cần tăng năng suất chủng và giảm chi phí tinh chế.
  • Năng lực sản xuất: thế giới thiếu công suất bồn lên men cấp thực phẩm quy mô lớn.
  • Quy định: mỗi thị trường có quy trình riêng: GRAS ở Hoa Kỳ, thực phẩm mới (novel food) ở EU do EFSA đánh giá, Singapore có khung phê duyệt riêng. Tại Việt Nam, khung pháp lý cho nhóm sản phẩm này chưa được định hình rõ.
  • Ghi nhãn và chất gây dị ứng: protein whey từ lên men vẫn giống hệt protein sữa về cấu trúc, nên vẫn gây dị ứng cho người dị ứng sữa và phải được công bố là chất gây dị ứng, dù sản phẩm “không từ động vật” và có thể phù hợp người không dung nạp lactose.
  • Chấp nhận của người tiêu dùng: lo ngại về “biến đổi gen”, “phòng thí nghiệm” cần được giải thích minh bạch.

Ý nghĩa với R&D thực phẩm

Với người làm R&D, nguyên liệu từ lên men chính xác mở ra cơ hội thiết kế sản phẩm có tính năng của protein động vật (tạo gel, tạo bọt, nhũ hóa, tan chảy) trong nền sản phẩm thực vật, giải quyết điểm yếu lớn nhất của sữa và phô mai thực vật hiện nay. Cần chú ý đánh giá tính năng công nghệ, tương tác với các thành phần khác và chi phí trên đơn vị sản phẩm thay vì chỉ trên kg nguyên liệu.

Câu hỏi thường gặp

Sản phẩm từ lên men chính xác có phải là thực phẩm biến đổi gen? Vi sinh vật sản xuất được biến đổi gen, nhưng phân tử thu được đã được tinh chế và thường không chứa vi sinh vật hay DNA biến đổi gen. Cách ghi nhãn tùy quy định từng quốc gia.

Protein từ lên men có giống protein tự nhiên không? Trình tự axit amin giống hệt, nhưng một số đặc điểm sau dịch mã như gắn đường, gắn phosphate có thể khác tùy vi sinh vật chủ, ảnh hưởng đến tính năng như khả năng tạo micelle của casein. Đây là một hướng nghiên cứu quan trọng.

Thuật ngữ liên quan