Biến phụ phẩm thành thực phẩm nhờ nấm men

Chuyện gì sẽ xảy ra với bã ngũ cốc dùng để sản xuất bia, bột whey còn lại từ làm phô mai, hay bã đậu nành và yến mạch sau khi sản xuất sữa thực vật? Chuỗi cung ứng thực phẩm toàn cầu tạo ra tới 1/4 tổng lượng khí nhà kính do con người gây ra, trong đó phụ phẩm thực phẩm góp phần đáng kể. Sản xuất thực phẩm hiện đại còn làm đất chua hơn và nhiều nguồn nước giàu dưỡng chất hơn, ảnh hưởng tiêu cực đến đa dạng sinh học và hệ sinh thái tự nhiên.

"Rác thải thực phẩm không chỉ là vấn đề của riêng hộ gia đình mà thực sự là một vấn đề ở quy mô công nghiệp", TS. Viyu Hill-Maini (Đại học Stanford) nói. Điều này khiến ông đặt câu hỏi liệu những phụ phẩm từ sản xuất thực phẩm có thể được tái sử dụng, hay thậm chí trở thành nguyên liệu cho những món ăn mới. Những phụ phẩm này thường chứa nhiều chất dinh dưỡng thiết yếu như chất xơ, chất béo và protein, do đó mang lại cơ hội độc đáo để giải quyết hai vấn đề của hệ thống thực phẩm toàn cầu, đó là tính bền vững và an ninh lương thực.

Một trong những chủ đề nghiên cứu chính của Hill-Maini là cách vi sinh vật có thể biến phụ phẩm thực phẩm thành những món ăn ngon, bổ dưỡng và có dấu chân carbon thấp hơn. Ông cho biết nhóm nghiên cứu của mình không phải những người đầu tiên nghĩ ra ý tưởng này, bởi lên men đã là một quá trình rất quen thuộc trong nhiều nền ẩm thực. “Chúng tôi đang xây dựng dựa trên thành quả sáng tạo của con người trong hàng ngàn năm”, Hill-Maini nói.

Khi còn là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Đại học California, Berkeley, một đầu bếp đã giới thiệu cho Hill-Maini cuốn sách về các phương pháp lên men truyền thống ở Đông Nam Á, trong đó có oncom - một loại thực phẩm thay thế thịt ở Tây Java - được sản xuất từ bã đậu nành. Ông nhận thấy đây là điểm khởi đầu hoàn hảo để tìm hiểu về sinh học phân tử của quá trình lên men nấm.

Để nghiên cứu quá trình lên men bằng nấm, phân tích hóa sinh và khám phá các khía cạnh ẩm thực mới, Hill-Maini đã hợp tác với các chuyên gia về oncom ở Indonesia, một đầu bếp đạt sao Michelin ở Copenhagen và các nhà khoa học tại Đại học California, Berkeley. Kết quả của sự hợp tác này là một bài báo công bố trên Nature Microbiology và một món ăn làm hài lòng thực khách.

Khi nhóm nghiên cứu tiến hành khảo sát di truyền học quần xã (metagenome) của oncom, họ phát hiện thực phẩm này chủ yếu được “thống trị” bởi nấm Neurospora intermedia. Trong một số mẫu, đây là loại nấm duy nhất được phát hiện, cho thấy nó có thể biến phụ phẩm thành thực phẩm.

Các nhà nghiên cứu đã khám phá các biến đổi hóa sinh và di truyền xảy ra trong quá trình lên men của nấm N. intermedia. Khi nuôi nấm này trên phụ phẩm từ sữa đậu nành, họ nhận thấy nó tiết ra enzyme phân giải pectin và cellulose, hai polymer thực vật phổ biến trong chất thải thực vật. Các phản ứng hóa sinh này cũng thay đổi giá trị dinh dưỡng và hương vị của sản phẩm: Nhóm nghiên cứu quan sát thấy hàm lượng protein và chất chống oxy hóa tăng lên, đồng thời giảm đáng kể hợp chất hexanal, vốn tạo ra các hương vị "không mong muốn".

Khi Hill-Maini và nhóm của ông giải trình tự các chủng khác nhau của N. intermedia, bao gồm các chủng trong tự nhiên và các chủng liên quan đến oncom, họ phát hiện loài nấm này tồn tại ở hai nhóm khác nhau trong tự nhiên: một nhóm gắn liền với rác thải thực phẩm và một nhóm phát triển ở những nơi có cháy rừng. Phân tích sâu hơn dữ liệu, họ phát hiện các chủng liên quan đến chất thải có khả năng phân hủy cellulose tốt hơn so với các chủng trong tự nhiên. Phân tích phát sinh loài toàn bộ hệ gene xác nhận rằng các chủng liên quan đến oncom khác biệt về mặt di truyền so với các chủng hoang dã. Điều này gợi ý rằng một số chủng của N. intermedia đã trải qua các thích nghi di truyền để đáp ứng với phụ phẩm do con người tạo ra.

Nhóm nghiên cứu cũng tự hỏi liệu N. intermedia có thể mang lại cơ hội thứ hai cho các phụ phẩm thực phẩm phổ biến khác. Họ nuôi cấy N. intermedia trên 30 loại phụ phẩm công nghiệp khác nhau, bao gồm vỏ chuối, bã cà phê, bã táo, hạt bí đỏ và sợi cây gai dầu. Kết quả cho thấy N. intermedia phát triển trên 27 phụ phẩm từ thực vật.

Các thực phẩm lên men từ N. intermedia được chứng minh là an toàn và giàu dinh dưỡng, nhưng hương vị của chúng thì sao? Để kiểm tra, Hill-Maini đã hợp tác với đầu bếp người Đan Mạch Rasmus Munk để tạo ra các nguyên mẫu oncom. Sau đó, 60 khách mời sẽ đánh giá hương vị, kết cấu và hình thức của chúng. “Mọi người đều có phản hồi rất tích cực”, ông nói. “Đây không chỉ là một đổi mới khoa học thú vị; đây còn là thứ mà mọi người có thể thực sự muốn ăn.”

Tại phòng thí nghiệm mới thành lập của riêng mình tại Đại học Stanford, Hill-Maini đang tìm kiếm cơ hội hợp tác và phát triển các giải pháp thực phẩm bền vững và công bằng hơn.

Theo Hill-Maini, giới học thuật từ trước tới nay thường là một "vùng chết về đổi mới sáng tạo với thực phẩm" và ông hy vọng sẽ hồi sinh vùng chết này với chương trình nghiên cứu mới của mình. Ông háo hức muốn mở rộng nghiên cứu về nấm sợi và tận dụng các tiến bộ trong ngành sinh học người và y học để thúc đẩy những đổi mới trong ngành thực phẩm, đồng thời hỗ trợ sức khỏe hành tinh.

Gần đây, ông phát triển một bộ công cụ sinh học tổng hợp dành cho một loại nấm ăn được là Aspergillus oryzae, tích hợp các công cụ di truyền như CRISPR-Cas. Bộ công cụ này cho phép các nhà khoa học thiết kế sinh học các loài nấm để ứng dụng trong sản xuất thực phẩm, chẳng hạn như cải thiện giá trị dinh dưỡng, hoặc hỗ trợ các mục tiêu bền vững, như xử lý ô nhiễm sinh học.

Hill-Maini cũng rất hào hứng làm việc với các đầu bếp trong các dự án chuyển đổi phụ phẩm thực phẩm. "Các đầu bếp sao Michelin được ghi danh trên Nature Microbiology, và các nhà khoa học hàng đầu được ghi danh trên các tạp chí ẩm thực – điều đó chứng minh sức mạnh của sự hợp tác này, và tôi rất mong được tiếp tục mở rộng kết nối đó", ông nói. Trước đây, những hợp tác như thế này thường diễn ra bên ngoài phòng thí nghiệm. Sắp tới, Hill-Maini sẽ có bếp riêng ngay cạnh phòng thí nghiệm vi sinh và sinh học tổng hợp của mình để làm nghiên cứu và phát triển.