Công nghệ tạo protein từ khí CO₂: Hướng đi mới giảm áp lực môi trường trong sản xuất thực phẩm

Tận dụng vi sinh vật để tạo nguồn protein từ CO₂

Trong bối cảnh nhu cầu thực phẩm toàn cầu tiếp tục gia tăng, việc tìm kiếm những phương thức sản xuất protein mới đang trở thành hướng nghiên cứu được giới khoa học và doanh nghiệp quan tâm. Bên cạnh các sản phẩm thay thế thịt có nguồn gốc thực vật như đậu nành, một công nghệ mới đang được phát triển theo hướng tận dụng vi sinh vật để chuyển hóa khí carbon dioxide thành nguyên liệu giàu protein.

Đại diện cho hướng đi này là Air Protein, doanh nghiệp có trụ sở tại bang California (Mỹ). Công ty đang nghiên cứu sản xuất thực phẩm từ các vi sinh vật có khả năng sử dụng CO₂, được gọi là hydrogenotrophs.

Khác với phương thức sản xuất thực phẩm truyền thống vốn phụ thuộc vào đất canh tác, cây trồng hoặc nguồn thức ăn chăn nuôi, các vi sinh vật này có thể hấp thụ carbon dioxide, oxy và nitơ, kết hợp với nước cùng một số khoáng chất cần thiết để phát triển.

Trong môi trường nuôi cấy được kiểm soát, quá trình lên men vi sinh có thể tạo ra một loại bột protein đậm đặc chỉ sau vài ngày. Đây là nguyên liệu nền, chưa phải sản phẩm thịt hoàn chỉnh. Để tạo thành các sản phẩm có hình dáng, hương vị và kết cấu tương tự thịt động vật, nguyên liệu protein tiếp tục được xử lý, bổ sung thành phần và ứng dụng các kỹ thuật chế biến thực phẩm.

Theo hướng tiếp cận này, protein thu được có hương vị tương đối trung tính, tạo điều kiện để các nhà sản xuất phát triển thành nhiều loại thực phẩm khác nhau.

Từ nghiên cứu phục vụ không gian đến ứng dụng trên Trái Đất

Ý tưởng sản xuất protein từ khí không phải mới xuất hiện. Hướng nghiên cứu này có nguồn gốc từ các công trình của Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Mỹ (NASA) vào những năm 1960.

Khi nghiên cứu các chuyến bay không gian dài ngày, các nhà khoa học phải tìm lời giải cho bài toán cung cấp đủ lương thực trong điều kiện không thể mang theo lượng lớn thực phẩm truyền thống. Một trong những hướng được xem xét là tận dụng vi sinh vật có khả năng tái chế khí thải do con người tạo ra.

Theo nguyên lý được nghiên cứu thời kỳ đó, carbon dioxide từ hơi thở của phi hành gia có thể được vi sinh vật hấp thụ và chuyển hóa thành sinh khối giàu dinh dưỡng. Từ ý tưởng tái sử dụng nguồn vật chất trong môi trường khép kín, công nghệ này đang được tiếp tục nghiên cứu, cải tiến nhằm hướng tới ứng dụng trong sản xuất thực phẩm trên Trái Đất.

Điểm đáng chú ý là công nghệ không chỉ mở ra một phương thức tạo nguồn protein mới mà còn gợi ý khả năng tận dụng các nguồn nguyên liệu vốn được xem là chất thải hoặc tác nhân gây áp lực lên môi trường.

Tuy nhiên, cần phân biệt giữa việc sử dụng CO₂ làm nguyên liệu đầu vào và công nghệ thu giữ, loại bỏ khí nhà kính khỏi khí quyển. Hiệu quả giảm phát thải thực tế của quy trình còn phụ thuộc vào nguồn CO₂, năng lượng sử dụng, nước, khoáng chất và toàn bộ quá trình sản xuất.

Giảm áp lực lên đất đai, nguồn nước và hệ sinh thái

Một trong những động lực thúc đẩy công nghệ sản xuất protein từ không khí là những tác động môi trường của hệ thống nông nghiệp và chăn nuôi hiện nay.

Hoạt động chăn nuôi gia súc truyền thống đòi hỏi diện tích đất lớn để xây dựng trang trại, trồng cây làm thức ăn và phát triển các hạ tầng liên quan. Quá trình này cũng tiêu thụ lượng nước đáng kể, đồng thời tạo ra khí nhà kính và gây áp lực lên các hệ sinh thái tự nhiên. Việc mở rộng diện tích phục vụ sản xuất nông nghiệp, trong một số trường hợp, còn liên quan đến nguy cơ suy giảm diện tích rừng và đa dạng sinh học.

Ngay cả các sản phẩm thay thế thịt có nguồn gốc thực vật cũng vẫn phụ thuộc vào đất trồng, hệ thống tưới tiêu và chuỗi vận chuyển nguyên liệu. Vì vậy, sản xuất protein thông qua vi sinh vật được xem là một hướng tiếp cận khác, có khả năng giảm sự phụ thuộc vào các điều kiện sản xuất nông nghiệp truyền thống.

Về lý thuyết, công nghệ này không đòi hỏi diện tích đất nông nghiệp để trồng cây làm thức ăn hoặc chăn nuôi gia súc. Các cơ sở sản xuất có thể được xây dựng tại nhiều địa điểm khác nhau, từ khu vực đô thị đến những vùng xa xôi, nếu bảo đảm nguồn cung điện, nước, CO₂ và các điều kiện vận hành cần thiết.

Nếu được phát triển ở quy mô phù hợp, phương thức sản xuất này có thể góp phần giảm áp lực sử dụng đất, hạn chế nhu cầu mở rộng hoạt động chăn nuôi và tạo thêm lựa chọn trong việc đáp ứng nhu cầu protein của con người.

Dù vậy, những lợi ích môi trường nói trên hiện mới thể hiện chủ yếu ở tiềm năng của công nghệ. Để xác định mức độ bền vững, cần đánh giá đầy đủ vòng đời sản phẩm, từ khai thác nguyên liệu, cung cấp năng lượng, vận hành hệ thống nuôi cấy đến chế biến, bảo quản và phân phối thực phẩm.

Rào cản công nghệ và bài toán thương mại hóa

Dù mở ra triển vọng mới cho ngành thực phẩm, protein sản xuất từ CO₂ vẫn phải đối mặt với nhiều thách thức trước khi có thể cạnh tranh với các nguồn protein truyền thống.

Rào cản đáng kể hiện nay là khả năng mở rộng quy mô sản xuất lên mức công nghiệp, đồng thời kiểm soát chi phí để sản phẩm có giá thành phù hợp với thị trường. Việc duy trì môi trường nuôi cấy, cung cấp năng lượng và bảo đảm chất lượng nguyên liệu đòi hỏi hệ thống kỹ thuật chuyên biệt. Đây là những yếu tố có thể ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả kinh tế cũng như dấu chân môi trường của sản phẩm.

Bên cạnh đó, nguyên liệu protein sau quá trình lên men chưa thể sử dụng ngay như một miếng thịt hoàn chỉnh. Các công đoạn xử lý, tạo cấu trúc và hoàn thiện hương vị vẫn cần được nghiên cứu để đáp ứng yêu cầu về chất lượng, cảm quan và khả năng ứng dụng trong chế biến thực phẩm.

Ở thời điểm hiện tại, công nghệ này vẫn đang trong giai đoạn phát triển và chưa phổ biến trên thị trường thực phẩm. Do đó, chưa thể khẳng định protein từ không khí sẽ sớm thay thế thịt truyền thống hoặc giải quyết triệt để bài toán an ninh lương thực toàn cầu.

Tuy nhiên, sự xuất hiện của hướng nghiên cứu này cho thấy ngành thực phẩm đang tìm kiếm những mô hình sản xuất mới, trong đó hiệu quả sử dụng tài nguyên và tác động môi trường ngày càng được đặt ở vị trí quan trọng.

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu, suy giảm tài nguyên và nhu cầu lương thực gia tăng, việc phát triển các công nghệ tạo protein ít phụ thuộc vào đất đai, chăn nuôi truyền thống có thể bổ sung thêm lựa chọn cho hệ thống thực phẩm tương lai. Khả năng đóng góp thực tế của công nghệ sẽ phụ thuộc vào tiến bộ khoa học, chi phí sản xuất và kết quả đánh giá tác động môi trường trong toàn bộ vòng đời sản phẩm.

Biến đổi khí hậu tác động đến sức khỏe con người thời cổ đại như thế nào?