“Không có tre khiến người ta tầm thường, không có thịt khiến người ta gầy. Vừa không tầm thường lại không gầy, măng kho thịt heo.”
Hơn một nghìn năm trước, tại một buổi tiệc, “thần thơ” Tô Tiểu Học đã viết một bài thơ vui, thể hiện một cách sinh động lòng yêu thích và ngưỡng mộ của con người đối với thịt.
Thịt là thực phẩm ngon có giá trị dinh dưỡng rất cao, ngoài việc là nguồn protein chất lượng, thịt còn chứa nhiều lipid, kẽm, sắt hemoglobin, vitamin B, tất cả đều cần thiết cho sức khỏe con người. Thêm vào đó, một số loại protein trong thịt như protein gelatin, với khả năng tạo gel, nhũ hóa, giữ ẩm tốt, cũng đóng vai trò rất quan trọng trong ngành công nghiệp thực phẩm.
Nhu cầu thịt tăng vọt, cần có “đột phá mới”
Kể từ thế kỷ 21, cùng với sự tăng trưởng của dân số thế giới, nhu cầu thịt của con người cũng tăng vọt. WHO dự đoán, đến năm 2030, mức tiêu thụ thịt bình quân đầu người toàn cầu sẽ tăng lên 45,3 kg mỗi năm, điều này đồng nghĩa với việc ngành sản xuất thịt cần tăng khoảng 50-72% để đáp ứng nhu cầu thực phẩm cho con người.
Tuy nhiên, sự phát triển của thực phẩm từ thịt cũng đã mang lại nhiều vấn đề nghiêm trọng.
Một mặt, chăn nuôi là ngành công nghiệp tiêu tốn nhiều tài nguyên. Theo thống kê, ngành chăn nuôi chiếm đến 70% đất canh tác toàn cầu, tiêu tốn 27% tài nguyên nước ngọt toàn cầu. Hơn nữa, khí thải từ sản xuất thịt chiếm 18% tổng lượng khí thải toàn cầu, thậm chí còn vượt qua cả ngành giao thông (13%). Mặt khác, sản phẩm thịt chứa một tỷ lệ cholesterol và axit béo bão hòa cao, liên quan chặt chẽ đến sự phát triển của các bệnh chuyển hóa như bệnh tim mạch, cholesterol cao, ung thư. Ngoài ra, thịt cũng có thể chứa một số mầm bệnh như cúm gia cầm, salmonella, đe dọa sức khỏe của người tiêu dùng.
Sự xuất hiện của thịt nhân tạo hi vọng sẽ đáp ứng nhu cầu thịt của con người, đồng thời giải quyết các vấn đề ô nhiễm môi trường và sức khỏe liên quan.
Thịt nhân tạo chủ yếu có hai loại:
Loại đầu tiên là “thịt thực vật”, đây là loại thực phẩm được chế biến từ protein thực vật như đậu nành, lúa mì, thông qua các công nghệ như ép, dệt tĩnh điện và được gọi là thịt chay. Tại Trung Quốc, “thịt thực vật” đã có lịch sử sử dụng hàng nghìn năm, từ thời Đường đã có phương pháp nấu ăn “sử dụng chay để thay thịt”, theo ghi chép trong “Bắc Mộng Tỏa Ngôn”, “tiệc các viên quan bằng mì và loại thực phẩm làm từ khoai mì nhuộm màu, giống như thịt vai heo, thịt cừu, thịt nướng, đều rất giống thật.”
Tuy nhiên, mặc dù “thịt thực vật” có hàm lượng protein phong phú, giá rẻ, nhưng nó chỉ có thể sử dụng hương liệu để tạo ra “hương vị thịt”, không thể tái hiện tốt hương vị và cảm giác của thịt.
Thịt thực vật hay thịt nuôi tế bào? Thịt nhân tạo mới xuất hiện
Vậy liệu chúng ta có thể kết hợp những ưu điểm của cả hai để phát triển một loại thịt nhân tạo mới không?
Câu trả lời là có. Công ty Impossible Foods của Mỹ là một công ty chuyên sử dụng thực vật thay thế thịt. Họ dựa trên nguyên tắc sinh học tổng hợp, bắt đầu từ việc nghiên cứu cơ chế “hương vị thịt” ở cấp độ phân tử, sau đó chọn protein và dinh dưỡng từ thực vật để cuối cùng tái tạo cảm giác và dinh dưỡng của sản phẩm thịt bằng protein thực vật. Năm 2016, sản phẩm nổi bật của công ty, Impossible Burger, là một loại bánh hamburger làm từ protein thực vật, có “hương vị thịt”. Thực khách cho biết khó mà phân biệt giữa nó và hamburger bò thật.
Điều gì đặc biệt về sản phẩm thay thế thịt bằng thực vật này?
Đầu tiên, để tạo ra thịt chân thực hơn, các nhà khoa học cần làm rõ cơ chế tạo ra “hương vị thịt”. Ta biết rằng thành phần chính của sản phẩm thịt là cơ bắp và đặc điểm lớn nhất của cơ bắp là có màu đỏ vì chứa nhiều hemoglobin. Hemoglobin là phân tử cơ bản có khả năng mang oxy, duy trì các hoạt động sống cơ bản, hầu như tất cả động thực vật đều có hemoglobin, nhưng hàm lượng hemoglobin trong động vật cao gấp hơn 1000 lần so với thực vật.
Các nhà nghiên cứu của Impossible Foods phát hiện ra rằng “hương vị thịt đến từ hemoglobin”. Trong quá trình nấu thực phẩm, hemoglobin có thể đóng vai trò như một chất xúc tác, tạo ra hàng trăm hợp chất dễ bay hơi và hình thành hương vị thịt đặc trưng. Thú vị hơn, người ta đã phát hiện ra rằng phần rễ của cây đậu nành cũng tự nhiên chứa protein huyết, điều này được hình dung thành “máu thực vật”. Cuối cùng, khi thêm protein huyết từ đậu nành, thịt nhân tạo từ thực vật trở nên hồng hơn, giống như máu và có kết cấu thịt hơn.
Tuy nhiên, việc sản xuất protein huyết từ đậu nành hiệu quả cũng là một vấn đề. Mặc dù người ta có thể chiết xuất trực tiếp protein huyết từ cây đậu nành, nhưng phương pháp này có sản lượng thấp và tốn nhiều tài nguyên. Để giải quyết vấn đề này, nhóm Impossible Foods quyết định thực hiện biểu hiện đồng nguồn hemoglobin qua công nghệ gen.
Biểu hiện đồng nguồn protein là một kỹ thuật sinh học phân tử, sử dụng vi khuẩn, nấm men, tế bào côn trùng, tế bào động vật có vú hoặc tế bào thực vật để biểu hiện protein gene ngoại lai. Hệ thống biểu hiện nấm men Pichia pastoris được ứng dụng rộng rãi nhờ chi phí thấp, sản lượng cao, và có sửa đổi sau dịch mã. Các nhà khoa học có thể tích hợp gene ngoại lai vào bộ gen của nấm men, cho phép nấm men tổng hợp các hợp chất mới.
Tất cả các gene ngoại lai này đều có nguồn gốc từ thực vật họ đậu, tham gia vào con đường tổng hợp hemoglobin. Như hình dưới đây, chất nền ban đầu ALA trải qua các phản ứng hóa học phức tạp, cuối cùng tạo ra sản phẩm hemoglobin. Tất cả các phản ứng này đều do enzyme xúc tác, bao gồm dehydratase, deaminase, synthase, v.v. Sau khi các nhà khoa học đưa các gene này vào nấm men Pichia pastoris, nấm men cũng có khả năng tổng hợp hemoglobin.
Cuối cùng, dưới điều kiện lên men chính xác, nấm men Pichia pastoris sẽ tạo ra “máu thực vật” màu đỏ dạng bọt trong bể lên men. Qua lọc và tinh chế protein, các nhà khoa học cuối cùng đã có được protein huyết từ đậu nành với sản lượng cao và độ tinh khiết cao. Vào tháng 7 năm 2018, loại protein huyết do Impossible Foods thu được qua lên men đã vượt qua đánh giá an toàn của FDA và có thể được sử dụng như một thành phần dinh dưỡng và phẩm màu trong thịt nhân tạo.
Trong tương lai, Impossible Foods dự định nghiên cứu sâu hơn về cơ chế phân tử của “hương vị” hamburger bò. Các nhà khoa học sẽ kết nối bộ phân tích khối phổ khí với vỉ nướng để nghiên cứu mối liên hệ giữa các phân tử bay hơi với sự thoải mái thần kinh. Khi tìm thấy các “phân tử hương” chính, các nhà khoa học có thể thêm chúng vào hamburger, giống như hemoglobin, để làm cho thịt nhân tạo trở nên ngon hơn.
“Biến điều không thể thành có thể”, đó chính là sức hấp dẫn lớn nhất của sinh học tổng hợp. Thông qua nghiên cứu kỹ thuật chuyển hoá, các nhà khoa học có thể chuyển giao hệ thống enzyme tổng hợp bất kỳ hợp chất thiên nhiên nào vào vi sinh vật, thực hiện sản xuất lớn lên men. Ngoài hemoglobin, ngày càng nhiều phụ gia thực phẩm tự nhiên như vitamin E, chiết xuất stevia, whey protein cũng xuất hiện. Chúng không chỉ làm cho thực phẩm trở nên dinh dưỡng ngon miệng hơn mà còn làm cho quy trình sản xuất trở nên xanh và hiệu quả hơn.
Chắc chắn trong tương lai, sẽ có nhiều điều không thể chờ chúng ta thực hiện.