Tài liệu Bài giảng Chương 3 - Ứng dụng vi sinh vật trong bảo quản và chế biến thực phẩm

CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG VI SINH VẬT TRONG BẢO QUẢN VÀ CHẾ BIẾN THỰC PHẨM 1. Công nghệ sinh học vi sinh vật 2. Ứng dụng vi sinh vật trong chế biến thực phẩm 3. Ứng dụng vi sinh vật trong bảo quản thực phẩm I. Công nghệ sinh học vi sinh vật 1.1 CƠ SỞ CỦA CÔNG NGHỆ SINH HỌC VI SINH VẬT • Trƣớc khi có thuật ngữ Công nghệ sinh học vi sinh vật ngƣời ta đã nói đến Vi sinh vật ứng dụng hay còn gọi là Vi sinh vật công nghiệp, Công nghệ vi sinh vật hay Công nghệ lên men. Đây là bộ phận lớn nhất của công nghệ sinh học, nó ra đời sớm nhất và có quá trình phát triển lâu dài nhất, có nhiều sản phẩm và doanh số lớn nhất. Công nghệ sinh học vi sinh vật đƣợc phát triển trên cơ sở các kiến thức về thế giới vi sinh vật, cũng nhƣ các kĩ thuật và quy trình công nghệ đặc trƣng. • Các nhóm vi sinh vật (VSV) chủ yếu trong CNSH là : vi khuẩn (Bacteria), nấm men, nấm mốc, vi tảo (tảo đơn bào).. • Trong lịch sử tiến hoá của sinh giới, vi khuẩn là những sinh vật đầu tiên xuất hiện cách nay khoảng 3,5 tỉ năm (hay 3,8 tỉ năm). Chúng phát triển trong hơn 2 tỉ năm đầu khi có sự sống và gây những biến đổi địa hoá (geochemical) lớn trên hành tinh, mà bầu khí quyển O2 do các vi khuẩn quang hợp tạo ra là một ví dụ, và đồng thời từ chúng hình thành nên các sinh vật đa bào ngày nay. Các vi sinh vật rất linh hoạt và đa dạng. Tiềm năng ứng dụng của chúng còn rất lớn. • • • • 1.2. ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA VI SINH VẬT Đặc điểm nổi bậc nhất của các vi sinh vật là kích thƣớc rất nhỏ bé. Đặc điểm này chi phối hình dạng, hoạt động trao đổi chất và cả sự phân bố rộng trong tự nhiên. 1.2.1. Kích thƣớc nhỏ bé Phần lớn các vi khuẩn có đƣờng kính vài micromet (1/1000mm). Tế bào nấm men rƣợu Saccharomyces cerevisiae có lớn hơn nhiều nhƣng cũng không quá 10 micromet. Tế bào nấm men và vi khuẩn đều phải nhìn dƣới kính hiển vi quang học mới thấy, còn virus thì phải cần đến hiển vi điện tử. Chúng có mặt ở khắp mọi nơi mà ta không thấy. Khi nhiễm trên mẫu vật ở mức ít thì không thấy đƣợc, khi trông thấy dấu vết thì chúng đã sinh sản đến hàng tỉ tỉ tế bào. Do đó, việc đánh giá sự hiện diện và số lƣợng của chúng có khó khăn. Hơn nữa, các thao tác nuôi cấy và phân tích mẫu đều phải thực hiện trong điều kiện vô trùng. • 1.2.2. Dinh dƣỡng • a) Hấp thụ chất dinh dưỡng trực tiếp qua bề mặt tế bào • Đa số VSV là đơn bào nên chúng nhận các chất dinh dƣỡng bằng hấp thụ (absorbtion) qua bề mặt tế bào, khác với thực vật là tự dưỡng (autotrophic) và động vật là nội tiêu hoá (ingestion) qua ống tiêu hoá. Chính điều này mà việc nuôi các VSV đƣợc thực hiện dễ dàng và nhanh chóng. • b) Kiểu dinh dưỡng đa dạng • – Quang tự dƣỡng (Photoautotroph) : VSV dùng năng lƣợng ánh sáng khử CO2 nhƣ ở các vi khuẩn tía (purple bacteria), Cyanobacteria, tảo và thực vật. • – Quang dị dƣỡng (Photoheterotroph) : VSV dùng năng lƣợng ánh sáng để khử các hợp chất hữu cơ nhƣ ở các vi khuẩn tía và lục không lƣu huỳnh (purple nonsulfur and green nonsulfur bacteria). • – Hoá tự dưỡng (Chemoautotroph) : VSV thường dùng các điện tử từ các hợp chất vô cơ để khử CO2 như ở các vi khuẩn hydrogen, sulfur, sắt và nitrit hoá (hydrogen, sulfur, iron and nitrifying bacteria). • – Hoá dị dưỡng (Chemoheterotroph) : VSV thường dùng các điện tử từ các hợp chất hữu cơ để khử các hợp chất hữu cơ như ở phần lớn các vi khuẩn, nấm và động vật. Đa phần các VSV sử dụng trong CNSH thuộc kiểu dinh dưỡng này và glucose là chất cung cấp năng lượng chủ yếu. Nhờ vậy mà các VSV dễ nuôi từ các nguồn phụ phế phẩm khác nhau có glucose và một số loại đường khác. Ngoài ra, các điều kiện yếm khí và háo • • 1.2.3. Sự phân bố và vai trò trong sinh quyển Nếu nhƣ sự phân bố rộng rãi của thực vật dễ nhận thấy qua màu xanh ở trên Trái đất thì các vi khuẩn là một thế giới vô hình khó nhìn thấy bằng mắt thƣờng, nhƣng chúng hiện diện ở khắp nơi, cả ở những nơi có điều kiện sống khắc nghiệt nhƣ băng giá ở các cực của Trái đất, hay nhƣ ở dƣới đáy đại dƣơng. Hiện nay, tổng số lƣợng tế bào vi khuẩn trên Trái đất ƣớc tính khoảng 5.1030, tổng sinh khối của nó gần bằng của thực vật trên cạn. Lƣợng carbon chứa trong vi khuẩn khoảng 350 – 550 tiû tấn với khối lƣợng khô khoảng 700 – 1100 tiû tấn. Trong khi đó, lƣợng carbon của thực vật trên cạn khoảng 550 tiû tấn. Vi khuẩn chứa số lƣợng nitrogen và phosphore 10 lần nhiều hơn của thực vật, ƣớc khoảng 85 – 130 tiû tấn nitrogen và 9 – 14 tiû tấn phosphore. • Do tỉ lệ của bề mặt/thể tích lớn nên hoạt động sống vi sinh vật diễn ra nhanh hơn nhiều so với động vật và thực vật. Tương ứng với hoạt động sống mạnh, nhịp độ tăng trưởng của VSV rất cao, thời gian thế hệ ngắn nên sinh sản nhanh, tạo sinh khối lớn khi có đủ dinh dưỡng. Tế bào E. coli nhân đôi chỉ trong 20 phút. Nấm men nhân đôi chậm hơn, nhưng cũng chỉ trong 2  3 giờ nếu có đủ điều kiện thích hợp. • 1.2.4. Sự đa dạng của các phản ứng hoá học • Các phản ứng sinh hoá trong cơ thể VSV thƣờng đơn giản hơn nhiều so với trong cơ thể động, thực vật. Nhƣng mỗi loài có một số phản ứng riêng nên các phản ứng sinh hoá của các loài VSV khác nhau rất đa dạng. Dù một hợp chất có phức tạp đến đâu, trong thiên nhiên đều có các VSV sử dụng hoặc phân hủy chúng. Sản phẩm do loài này tạo ra có thể đƣợc loài khác sử dụng. • Mỗi loài thƣờng tạo ra một số chất trao đổi thứ cấp (secondary metabolites) đặc hiệu giúp cho chúng phát triển tốt hơn và kìm hãm một số loài khác. Ví dụ : các loài nấm men rƣợu thích nghi với nồng độ đƣờng cao và tạo ra rƣợu là chất hạn chế sự phát triển nhiều loài khác. Do đặc điểm này, sản phẩm khi bị nhiễm sẽ kìm hãm sự tăng trƣởng của các chủng sản xuất. Töø nhöõng ñaëc ñieåm chung cuûa caùc vi sinh vaät vöøa neâu, trong saûn xuaát caàn löu yù : – Caùch toát nhaát ñeå traùnh nhieãm laø taïo moâi tröôøng choïn loïc thích hôïp cho ñoái töôïng saûn xuaát. Xu höôùng hieän nay laø söû duïng caùc VSV cöïc ñoan nhaèm haïn cheá nhieãm caùc VSV bình thöôøng. – Saûn xuaát baèng caùc VSV coù nhieàu bieán ñoäng vaø dieãn bieán nhanh, caàn xöû lí kòp thôøi. 1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỬ TRÙNG • • • • • • 1.3.1 Nhiệt độ cao – Đốt cháy : Dùng lửa đèn cồn hoặc gas đốt cháy các dụng cụ kim loại nhƣ que cấy, kẹp, kéo, dao. – Nhiệt khô dùng để diệt trùng các dụng cụ kim loại hay thủy tinh trong lò Pasteur (1800C trong 30 phút hay 1600C trong 2 giờ)ø. – Nước sôi diệt đƣợc các tế bào sinh dƣỡng. – Hơi nước bão hoà dưới áp suất cao sẽ cho nhiệt độ cao hơn 1000C nhƣ ở áp suất thƣờng (1atm), áp suất hơi nƣớc tƣơng ứng với 1210C. Dụng cụ để khử trùng thông dụng là nồi hấp áp suất (autoclave). – Hấp Pasteur (Pasteurisation) : Một số thực phẩm nhƣ sữa ở nhiệt độ cao sẽ mất một phần phẩm chất, và phƣơng pháp hấp Pasteur đƣợc sử dụng để khử trùng cho sữa (đun nóng hơn 1 lần ở 630C trong 30 phút hoặc ở 720C trong 15 giây). • 1.3.2 Phương pháp lọc • Dùng cho vật lỏng, trong và có độ nhạy tương đối yếu nhưng không chịu được nhiệt độ cao trên 600C. Vật đem lọc qua một màng lọc xốp có những lỗ với đường kính nhỏ hơn đường kính của tế bào vi sinh vật nhỏ nhất. Vi trùng sẽ bị giữ lại trên màng lọc còn dung dịch đi qua sẽ vô trùng. • Màng xốp có thể bằng sứ, amiante, cellulose… Trong các phòng vô trùng hiện đại thường dùng màng bông thủy tinh lọc khí để hạn chế nhiễm. 1.3.3 Diệt trùng bằng bức xạ • Tia tử ngoại (UV), tia X và các tia phóng xạ ion hoá nhƣ tia alpha, beta, gamma, … đều có khả năng diệt trùng. Tia tử ngoại thƣờng đƣợc dùng nhất trong diệt trùng không khí các bệnh viện hoặc các phòng cấy vi sinh vật. Tia tử ngoại chỉ diệt trùng bề mặt, không thấm sâu vào phẩm vật. 1.3.4 Phƣơng pháp hoá học • Nhiều hoá chất có khả năng diệt trùng. Rƣợu cồn (trên 70oC) thƣờng đƣợc dùng để sát trùng ngoài da. Oxyde ethylene thƣờng dùng để khử trùng các dụng cụ làm bằng plastic. • Ngoài ra, nhiều hoá chất khác nhau nhƣ phenol, formaline,… cũng là những chất sát trùng có thể dùng khử trùng phòng cấy, cần lƣu ý một số chất sát trùng có tác dụng độc với ngƣời. • Có nhiều phƣơng pháp khử trùng khác nhau. Tùy đối tƣợng, tùy tính chất công việc mà sử dụng phƣơng pháp này hay phƣơng pháp khác. • 1.4 GIỮ GIỐNG VÀ CHỌN GIỐNG • Giống là yếu tố quan trọng đầu tiên chi phối giá thành sản phẩm. Công nghiệp VSV thành công lớn nhờ vào các giống có năng suất cao. • Để có các chủng năng suất cao, công việc căn bản đầu tiên là thu thập rất nhiều chủng từ thiên nhiên, lập bộ sưu tập giống (culture collection) và giữ chúng trong các bảo tàng giống (museum). Các nước có công nghiệp VSV phát triển đều có bảo tàng giống lớn như ATCC (American Type Culture Collection  Mĩ),… Các bảo tàng lớn lưu giữ hàng trăm nghìn, thậm chí hàng triệu chủng đã được định danh và mô tả các đặc tính sinh học. Các chủng vi khuẩn thường được sấy thăng hoa (đông khô – lyophilization) trong các ống thủy tinh (ampule) hàn kín và giữ trong nitrogen lỏng ở -192OC (ở nhiệt độ này trao đổi chất của tế bào hầu như dừng lại). Các • * Tầm soát giống • Tầm soát có định hướng (goal-oriented screening) các chủng từ thiên nhiên hay bảo tàng giống là công việc cần thiết để tiến tới tạo ra giống sản xuất. Trong CNSH, có nhiều ví dụ thành công điển hình trong tầm soát nhƣ: • – Tìm ra chủng tạo penicillin đầu tiên tăng trƣởng tốt trong bồn lên men khuấy (well-mixed fermenter) từ vết mốc trên trái bƣởi ở Peoria (Illinois,Mĩ). • – Chủng VSV đầu tiên sản sinh cephalosporin phân lập từ nƣớc thải ở Sardinia. • Đây là công việc phức tạp nên cần có sự phối hợp chặt chẽ giữa các nhà VSV học, sinh học, hoá học và phải tiến hành qua nhiều bước. Ví dụ như tầm soát chủng VSV sản sinh một loại enzyme cần qua 8 bước : • 1) Chọn chủng VSV thích hợp nhất ; • 2) Chủng này tạo enzyme năng suất cao trong thời gian ngắn khi lên men chìm ; • 3) Chủng tạo enzyme từ cơ chất rẻ tiền ; • 4) Tế bào dễ tách khỏi dịch lên men ; • 5) Enzyme ngoại bào thì tốt hơn và dễ chiết tách khỏi dịch lên men ; • 6) VSV không gây bệnh ; • 7) Không tạo độc tố và các chất có hoạt tính sinh học khác ; • 8) Chủng ổn định về mặt di truyền và kháng bacteriophage.