Công nghệ sinh học trong bảo quản nông sản

* * Đề tài: “Vai trò của công nghệ làm chậm chín quả. Các biện pháp Công nghệ Sinh học làm chậm chín quả?” Vai trò của công nghệ làm chậm chín quả Các biện pháp Công nghệ Sinh học làm chậm chín quả * Đặt vấn đề Trái cây chín chậm một yêu cầu cho cuộc sống: Trái cây chín là một giai đoạn bình thường trong chu kỳ sinh trưởng của cây trồng. Tiến trình này nhanh chậm tùy thuộc vào trạng thái sinh lý của giống cây trồng nhưng trong đa số trái cây thực phẩm cho người tiêu dùng như cà chua dưa hấu và đu đủ là sự chín xảy ra rất nhanh gây nên những thiệt hại cho cả người trồng trọt và khách tiêu dùng. * Do trái cây chín nhanh nên nhà trồng trọt thường cố ép thu hoạch sớm khi trái cây chưa chín, chưa đủ độ phát triển, chưa đạt tới thành phần dinh dưỡng của trái chín mong muốn cho người sử dụng, và nhà thương mại bằng mọi cách tạo ra trái cây chín giả tạo, không đủ thành phần hóa học của độ chín. * Hiện nay các khoa học gia đã nghiên cứu để tìm ra phương pháp làm chậm tiến trình chín của trái cây giúp nhà trồng trọt có thể chủ động tiêu thụ nông sản và đảm bảo cho người tiêu dùng có thể sử dụng những trái cây tươi có giá trị dinh dưỡng. * Vì sao cần trái cây chín chậm: Khi điều khiển được sự chín sẽ làm thời hạn sử dụng sản phẩm tăng lên mang lại lợi ích cho cả người sản xuất và người tiêu dùng.  II. Nội dung nghiên cứu * Bảo đảm về chất lượng rau quả trên thị trường. Nông dân yên tâm khi vận chuyển sản phẩm của mình trong một khoảng thời gian dài mà không cần phải bảo quản lạnh. Giảm thiệt hại sau thu hoạch. Kéo dài thời hạn sử dụng, người tiêu dùng yên tâm sử dụng trái cây tươi và đảm bảo dinh dưỡng.  * 2. Tìm hiểu về quá trình chín của quả Chín là một giai đoạn bình thường trong quá trình trưởng thành của rau và quả. Quá trình chỉ xảy ra mạnh mẽ vài ngày trước khi rau và quả có thể ăn được. Sự chín không thể tránh khỏi này gây thiệt hại không nhỏ cho cả nông dân và người tiêu dùng.  * Những thay đổi sinh lý trong quá trình chín ở quả: Sự biến đổi màu sắc của quả: Sự biến đổi độ mềm của quả: Sự biến đổi mùi thơm của quả: Sự phát ra hương vị của quả: * Sự biến đổi màu sắc của quả:  * Sự biến đổi màu sắc của quả: Quả còn xanh vỏ quả chứa nhiều sắc tố clorophin và cả carotenoit. Khi bắt đầu chín, có sự biến đổi hàm lượng các sắc tố đó gây ra sự biến đổi màu sắc quả. Sự biến đổi này theo hướng biến đổi nhanh chóng clorophin mà không phân huỷ carotenoit, trái lại trong nhiều quả carotenoit lại được tổng hợp trong quá trình chín.  * Sự biến đổi màu sắc của quả: Ở giai đoạn xanh, diệp lục tố (chlorophylle) cho màu xanh của trái. Dưới tác dụng của enzym chlorophyllase, diệp lục tố bị phân hủy nên để lộ ra những sắc tố khác đã có sẵn trong trái. * Sự biến đổi màu sắc của quả: Song song với quá trình này, các sắc tố khác được tổng hợp. Có hai nhóm sắc tố: nhóm caroténoide, với beta-carotene sẽ cho màu vàng cam như trái xoài, và nhóm anthocyanes, mà pelargonidol (pelargonidin-glucosine) sẽ cho trái dâu có màu đỏ. Các sắc tố này thường tạo thành các hợp chất phức tạp để khỏi tạo thành màu xanh lơ.  * Sự biến đổi màu sắc của quả: Quá trình biến đổi sắc tố này xảy ra khác nhau ở mỗi loại quả nên màu sắc của chúng cũng khác nhau. Chẳng hạn ở chuối, hàm lượng clorophin giảm rất nhanh nhưng hàm lượng caotenoit không giảm nên quả hoá vàng nhanh chóng. * Sự biến đổi màu sắc của quả: Ở táo giảm hàm lượng clorophin nhưng lại tăng hàm lượng xanthophin. Ở cam quít, giảm nhanh hàm lượng clorophin và tăng hàm lượng carotenoit. Ở quả dâu đất, có sự tăng hàm lượng antoxian và flavon, quá trình xảy ra mạnh mẽ dưới tác dụng của ánh sáng vì có sự tham gia của phytocrom .   * Sự biến đổi độ mềm của quả: Khi quả chín, pectat canxi gắn chặt các tế bào với nhau lập tức bị phân huỷ dưới tác dụng của enzim pectinaza. Hợp chất ethylene cũng hoạt hóa các men pectinase giúp thủy phân pectin (loại chất giữ cho trái cây cứng) khi hoạt động của men này chúng ta cảm nhận trái cây chín sẽ mềm hơn. * Sự biến đổi độ mềm của quả: Hình dạng của trái cây và vỏ của trái cây do các thành phần tạo nên sự trương cứng của mô và tế bào của trái cây. Những thay đổi thành phần của sự trương cứng sẽ làm thay đổi cấu trúc của trạng thái của mô và tế bào và làm thay đổi độ cứng của trái cây.  * Sự biến đổi độ mềm của quả: Đây là kết quả hoạt hóa các hoạt động của các men thủy phân được tổng hợp trong lúc trưởng thành dưới sự có mặt của ethylene dẫn tới thay đổi cấu trúc tế bào và mô làm mất đi sự kết dính giữa các tế bào và những thay đổi áp suất thẩm thấu, kết quả làm cho trái cây mềm.  * Sự biến đổi độ mềm của quả: Kết quả là các tế bào rời rạc và quả mềm ra. Quá trình này xảy ra càng nhanh khi hàm lượng ethylene tăng lên  * Sự biến đổi mùi thơm của quả: Khi quả chín thì xuất hiện các mùi đặc trưng cho từng loại quả. Sự chín đã hoạt hoá quá trình tổng hợp các chất gây mùi thơm đặc trưng có bản chất este, aldehyt hoặc xeton. Đây là quá trình xảy ra có liên quan đến hoạt động của các enzim đặc trưng cho từng loại quả.  * Sự biến đổi hương vị của quả: Đó là kết quả của sự cân bằng giữa đường với độ chua. Đồng thời với biến đổi mùi thì vị chua chát giảm đi và biến mất, còn vị ngọt tăng lên. * Sự biến đổi hương vị của quả: Tùy theo trái, tỷ lệ đường khác nhau và thay đổi tùy độ chín. Các hợp chất như tanin, axít hữu cơ, alcaloit bị phân hủy nhanh chóng, đồng thời các đường đơn xuất hiện (xaccaroz, fructoz ) nên vị ngọt tăng lên … * Sự biến đổi hương vị của quả: Khi trái chín thành phần ethylene được tạo ra trong tế bào dẫn tới thay đổi hay hoạt hóa một số men trong trái cây bao gồm: men amylase, giúp thủy phân tinh bột tạo ra những đường đơn làm chúng ta có cảm nhận được vị ngọt của trái cây. * * Thời hạn sử dụng sản phẩm tăng lên mang lại lợi ích cho cả người sản xuất và người tiêu dùng. Bảo đảm về chất lượng rau quả trên thị trường. Giờ đây, nông dân có thể chờ rau quả trưởng thành đầy đủ mới thu hoạch. Người tiêu dùng có thể mua được hàng hóa tốt với giá tiền phù hợp.  3. Vai trò của công nghệ chín chậm * Nông dân yên tâm khi vận chuyển sản phẩm của mình trong một khoảng thời gian dài mà không cần phải bảo quản lạnh. Giảm thiệt hại sau thu hoạch. Quả DR có độ cứng cao hơn quả thông thường do đó nó không bị bầm dập trong quá trình vận chuyển và thời gian lưu thông trên thị trường lâu hơn. Kéo dài thời hạn sử dụng nhưng rau quả vẫn tươi ngon.  3. Vai trò của công nghệ chín chậm * 4. Ethylene. Là một hormone thực vật tự nhiên liên quan đến quá trình sinh trưởng, phát triển, chín và sự lão hóa của thực vật. * Người ta cho rằng phytohormone này thúc đẩy quá trình chín của rất nhiều loài quả như: chuối, dứa, cà chua, xoài, dưa hấu và đu đủ. Nó được tạo ra ở nhiều nồng độ khác nhau phụ thuộc vào nhiều loại quả. Khi nồng độ ethylene đạt từ 0,1 đến 1,0 ppm (Phần triệu) thì bắt đầu xảy ra quá trình chín của quả vùng nhiệt đới. * Sản phẩm ethylene trong quả là tín hiệu cho hoạt động của nhiều loại enzyme khác nhau dẫn đến những thay đổi sinh lý như trên.  * * Ảnh hưởng không tốt của Ethylene đối với quá trình bảo quản tươi: Tăng cường độ hô hấp, do đó làm giảm nhanh lượng chất khô dự trữ, hao hụt khối lượng tự nhiên lớn nên chất lượng quả chuối giảm nhanh trong thời gian bảo quản. Kích thích sự xuất hiện và gây hại của các vi sinh vật gây thối hỏng, một số nghiên cứu về ảnh hưởng etylen đến quá trình hư hỏng các loại rau quả cho rằng có đến 50% thiệt hại, hư hỏng trên quả có liên quan đến etylen. * Cơ chế sinh tổng hợp Ethylene: Xuất phát ban đầu từ axít amin methionine (MET) và sản phẩm quan trọng nhất của chu trình này là tạo ra etylen, quá trình này đi qua hai sản phẩm trung gian chính đó là S-adenosyl methionine (SAM) và 1- aminocyclopropane 1-cacboxylic axit (ACC). * Cơ chế sinh tổng hợp Ethylene: Từ methionine (MET) chuyển hoá thành S-adenosyl methionine (SAM) nhờ tác dụng xúc tác của enzym SAM-synthetaza. Từ SAM chuyển hóa theo 2 con đường khác nhau: Một phần tổ hợp lại axit amin MET để tiếp tục quá trình sinh tổng hợp trong cơ thể sinh vật. Một phần chuyển hóa thành 1-aminocyclopropane 1-cacboxylic axit (ACC) nhờ tác dụng xúc tác của enzym ACC-synthetaza. * Cơ chế sinh tổng hợp Ethylene: Khi quả còn xanh, con đường hình thành trở lại MET xảy ra mạnh và sự hình thành ACC là yếu hơn. Quá trình này sẽ diễn ra ngược lại khi quả chín dần. Từ ACC chuyển hoá thành etylen (C2H4) nhờ tác dụng xúc tác của enzym ACC-oxydaza. * Cơ chế sinh tổng hợp Ethylene: * * * * * Vấn đề đặt ra là, tạo hàm lượng ethylene giảm là mục tiêu ứng dụng để kéo dài thời gian bảo quản trái cây. Các nhà khoa học đã nghiên cứu để tìm ra phương pháp làm chậm quá trình chín của quả * Các chất kháng Ethylene: Các ion kim loại nặng. Các chất oxi hóa mạnh. Các chất kích thích sinh trưởng. Công nghệ chín chậm: * Các ion kim loại nặng như bạc (Ag), coban (Co), titan (Ti), thuỷ ngân (Hg), paladi (Pd). Các ion kim loại nặng kể trên có thể ức chế quá trình chuyển triptophan thành ACC (chất tiền thân của etylen), do đó etylen không được hình thành. * Chính vì vậy, chúng ta có thể kéo dài thời gian bảo quản. Ngoài tác dụng kể trên, ion kim loại còn được biết như một chất kháng etylen tiềm tàng. Nó gây trở ngại đối với các vị trí liên kết của etylen, ức chế sự trao đổi etylen, hình thành một phức dietylen thực sự do đó có tác dụng như một chất kháng etylen. * Hiện nay, việc sử dụng các chất kháng etylen có nguồn gốc ion kim loại nặng có một số nhược điểm như: Các dung dịch chứa các ion kim loại nặng không bền vững nếu để thời gian dài. Sự tồn dư các hàm lượng ion kim loại này trong nước và đất, chúng gây nên ảnh hưởng đến môi trường và sức khoẻ của cộng đồng. Vì vậy, phương án sử dụng chất kháng etylen này không được khuyến khích sử dụng nhiều * Các chất oxy hóa mạnh như ozon (O3), thuốc tím (KMnO4), tia cực tím (UV) sẽ oxy hóa ngay lập tức etylen trước khi chúng gây ra những tác động xấu. Ngoài các chất kháng etylen kể trên, trong bảo quản chuối tươi còn áp dụng các biện pháp khác để hạn chế tối đa những tác động xấu của etylen như: làm giảm nhanh chóng etylen cùng với nhiệt lượng cao ra khỏi phòng bảo quản bằng thông gió sao cho nồng độ etylen nhỏ hơn 0,01µl/l. * Người ta cũng có thể bảo quản ở nhiệt độ thấp, nồng độ CO2 thấp tức là ức chế sự hình thành ACC nên etylen sẽ không được tạo thành. Theo kết quả nghiên cứu cho thấy, khi sử dụng KMnO4 để hấp thụ etylen trong bảo quản chuối thì thời gian bảo quản sẽ tăng lên 3 lần so với khi không sử dụng KMnO4. * Nếu cân bằng các chất kích thích sinh trưởng và ức chế sinh trưởng hay cụ thể là cân bằng Gib (Gibberellin), thì tác động của etylen lên quá trình chín của quả sẽ giảm. Các chất kích thích sinh trưởng Gib có ứng dụng rộng rãi để kháng lại tác động của etylen. * Etylen kích thích sự chín của quả thì việc sử dụng các chất chống lại sự hình thành etylen sẽ có tác dụng ngược lại, nghĩa là làm chậm sự chín. Đây chính là mục đích mà sử dụng chất kháng etylen (Retain - AVG) cho quá trình nghiên cứu kéo dài thời gian bảo quản. Retain - AVG là một chất điều hoà sinh trưởng thực vật, có chứa 15% thành phần hoạt động đó là AVG. * Retain - AVG là một hợp chất có tác dụng ức chế một cách hoàn toàn hoạt động của enzym ACC- synthetaza, là enzym giữ vai trò quan trọng trong việc xúc tác quá trình hình thành etylen. Do đó, làm trì hoãn quá trình chín của quả, duy trì được hương thơm của quả trong quá trình bảo quản. Đồng thời Retain - AVG cũng làm giảm hiện tượng rụng hoa quả trên cây * 2. Tiếp cận với công nghệ chín chậm Điều khiển quá trình chín chậm: Điều khiển sự tổng hợp ethylene: Điều khiển việc nhận Ethylene: Ức chế hoạt tính của polygalacturonase:   * Các nhà khoa học có thể sử dụng một vài phương pháp để điều khiển quá trình chín chậm bằng công nghệ biến đổi gen: * * * * * * * Lượng ethylene tạo ra có thể được điều khiển bằng cách “đóng” hoặc làm giảm sự tạo ethylene trong quả, theo một số cách sau đây: a. Ức chế sự biểu hiện của gen ACC synthase. ACC (1–Aminocyclopropane–1–Carbonxylic acid) synthase là enzyme chịu trách nhiệm chuyển hóa S-Adenosylmethiomine (SAM) thành ACC. Từ bước thứ hai tới bước cuối cùng trong quá trình sinh tổng hợp ethylene.  * Sự biểu hiện của enzyme bị cản trở khi một antisense hoặc một đoạn của bản sao gen synthase được chuyển vào trong genome của thực vật. b. Chuyển gen ACC diaminase. Gen mã hóa cho enzyme này nhận được từ một vi khuẩn đất (Pseudomonas chlororaphis) không gây bệnh. Vi khuẩn này có khả năng chuyển hóa ACC thành một phân tử khác, nhờ vậy làm giảm lượng ACC có thể nhận được để tạo ethylene.  * c. Chuyển gen SAM hydrolase. Phương pháp này cũng tương tự như ACC diaminase, bằng cách giảm tiền chất của ethylene. Trong trường hợp này, SAM được chuyển hóa thành homoserine. Gen mã hóa cho enzyme này được phân lập từ thể thực khuẩn E. Coli T3. * d. Ức chế sự biểu hiện của gen ACC oxidase. ACC oxidase là enzyme xúc tác cho sự oxi hóa ACC thành ethylene, bước cuối cùng trong con đường sinh tổng hợp ethylene. Thông qua công nghệ anti-sense, giảm sự điều khiển gen ACC oxidase dẫn đến ức chế sự hình thành ethylene, do đó làm chậm sự chín của quả. * Điều chỉnh sự nhận Ethylene: Khi ethylene có tín hiệu bắt đầu cho việc chín quả, việc làm chậm quá trình chín có thể đạt được bằng cách biến đổi thụ thể của ethylene. Gen ETR1 là một ví dụ, nó mã hóa cho protein liên kết ethylene. * * Ở thực vật, ETR1 là một ví dụ, nó mã hóa cho protein liên kết ethylene. Ở thực vật ETR1 được biến đổi thì mất khả năng phản ứng với ethylene. * * * Enzyme polygalatuonae (PG) chịu trách nhiệm cho việc phân giải pectin, chất duy trì độ cứng cho thành tế bào thực vật. Việc phân giải pectin xảy ra lúc bắt đầu quá trình chín, làm cho mềm quả. Để tạo ra quả DR bằng phương pháp này, các nhà khoa học đã chuyển gen antisene hoặc một đoạn bản sao của gen PG vào trong genome của thực vật dẫn đến sự ức chế tạo ra enzyme PG.  * *