BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM
KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ KĨ THUẬT MÔI TRƯỜNG
TIỂU LUẬN VI SINH VẬT
Đề Tài
NGUYỄN THỊ QUỲNH MAI
GVHD:
SVTH:
MSSV
HUỲNH QUỐC VIỆT
2008100018
TÔ CẨM THUẬN
2008100087
PHẠM THÀNH PHÁT 2008100137
Tp.Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2011
0
Mục Lục
LỜI NÓI ĐẦU................................................................................................................ 3
1. GIỚI THIỆU VỀ KEFIR ........................................................................................ 4
1.1. Nguồn gốc hạt kefir ................................................................................................ 4
1.2. Cấu tạo hạt kefir...................................................................................................... 4
1.3. Vi sinh vật trong hạt kefir ....................................................................................... 6
1.3.1. Acid lactic ............................................................................................................ 7
1.3.2. Nấm men ............................................................................................................. 10
1.4.Chu trình phát triển của giống kefir .......................................................................... 10
2. QUÁ TRÌNH LÊN MEN ......................................................................................... 11
2.1. Quá trình lên men lactic .......................................................................................... 13
2.1.1. Lên men lactic đồng hình ..................................................................................... 12
2.1.2. Lên men lactic dị hình .......................................................................................... 13
2.1.3. Ứng dụng của quá trình lên men lactic ................................................................. 13
2.1.4. Sơ đồ thể hiện sự chuyển hóa lactoza, axit xitric, protein, lipit trong sữa .............. 14
2.2. Quá trình lên men rượu ........................................................................................... 17
2.2.1. Hiệu ứng pasteur .................................................................................................. 19
2.2.2. Ứng dụng của quá trình lên men rượu .................................................................. 19
3. GIỚI THIỆU SẢN PHẨM SỮA CHUA KEFIR .................................................... 20
3.1. Thành phần nguyên liệu .......................................................................................... 20
3.1.1. Nguyên liệu chính ................................................................................................ 20
3.1.2. Nguyên liệu phụ ................................................................................................... 22
3.2. Quy trình công nghệ sản xuất .................................................................................. 23
3.2.1 Quy trình............................................................................................................... 23
3.2.2. Giới thiệu về quy trình ......................................................................................... 24
4. MỘT SỐ NGUYÊN CỨU CỦA KEFIR ỨNG DỤNG VÀO THỰC PHẨM ............. 25
4.1. sản phẩm Kefir d’Uva hay Grape Juice Kefir (nước nho lên men Kefir) ................. 25
4.1.1. Giới thiệu về nguyên liệu chính ........................................................................... 25
4.1.2. Thành phần nguyên liệu lên men nước nho Kefir ................................................. 26
4.1.3. Quy trình công nghệ sản xuất sữa chua kefir từ dịch trái nho ............................... 26
1
4.2. Nghiên cứu dịch lên men kefir bưởi (Phạm Thị Thùy Trang-Đại học khoa học tự
nhiên-2011) ................................................................................................................... 27
4.2.1. Nội dung nghiên cứu ........................................................................................... 27
4.2.2. Nguyên liệu ......................................................................................................... 28
4.2.3. Quy trình công nghệ của sữ chua kefir bưởi ......................................................... 28
LỜI KẾT ...................................................................................................................... 30
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 31
LỜI NÓI ĐẦU
2
Khoa học ngày càng phát triển, các vi sinh vật hữu ích được con người hiểu biết ,
khai thác và sử dụng ngày càng nhiều hơn. Đặc biệt là các sản phẩm lên men truyền
thống. Một trong những sản phẩm đó là sản phẩm sữa chua kefir, nó có nguồn gốc từ
những người dân sống trên miền núi của nước Nga. Ngày nay, trên thế giới đã biết
nhiều đến sản phẩm này vì những giá trị sinh học mà sản phẩm này mang lại:
- Tăng tuổi thọ, làm giảm bớt bệnh tật, tăng sức đề kháng cho cơ thể chống lại
một số bệnh tật.
- Giảm cholesterol trong máu.
- Đường lactose của sữa được thủy phân thành acid lactic nên tránh được tình
trạng bất dung nạp đường lactose của sữa cho những người chưa có khả năng thích
ứng với sữa
- Ức chế vi trùng gây bệnh đường ruột (vi khuẩn gây ung thối và gây bệnh ở ruột
già), giúp ổn định vi khuẩn đường ruột, điều hòa tiêu hóa, vừa chống tiêu chảy, vừa
chống táo bón.
Một trong những nhân tố giúp cho sản phẩm sữa chua kefir có giá trị cao hơn các
loại sữa chua thông thường đó là hệ vi sinh vật hữu ích tồn tại trong sản phẩm. Do đó,
nhóm chúng tôi chọn đề tài “Nghiên cứu hệ vi sinh vật kefir trong sữa chua” để thực
hiện tiểu luận vi sinh vật. Các nội dung thực hiện trong đề tài:
-
Giới thiệu sản phẩm sữa chua kefir (nguồn gốc xuất xứ, giá trị sinh học,…)
-
Khảo sát hệ vi sinh vật trong sản phẩm sữa chua kefir (vi khuẩn lactic, nấm
men, cơ chất cho vi sinh vật hoạt động,…)
-
Tìm hiểu một số kết quả nghiên cứu ứng dụng hệ vi sinh vật kefir để sản xuất
các sản phẩm sữa chua.
1. GIỚI THIỆU VỀ KEFIR
1.1. Nguồn gốc hạt kefir
3
Kefir có nguồn gốc từ miền núi Caucasus – Nga. Kefir là phức hệ vi sinh vật nấm
vi khuẩn. Vì thế, không chỉ đơn thuần là một sản phẩm thông thường như những sản
phẩm khác, nó còn có vai trò sinh học rất cao đối với cơ thể trong trong việc chống lão
hóa và phòng ngừa một số bệnh mãng tính phổ biến ở nhiều nước trên thế giới.
Cách đây hàng nghìn năm, Kefir được biết đến như một thứ nấm dùng chữa
bệnh, nó xuất xứ từ cách nuôi riêng của các tu sĩ Ấn Tạng. Đây là loại nấm vi khuẩn
có thể làm biến đổi sữa nhờ một hệ vi sinh vật phức tạp gồm nhiều loài vi khuẩn và
nấm men được chứng minh là rất có lợi cho sức khoẻ. Nó được lên men trong các túi
da thú với môi trường sữa bởi một số loài vi sinh vật sống cộng sinh trong hạt kefir.
Đối với họ, hạt kefir được xem như quà tặng của đấng allah ban cho họ. Điều thú vị là
người dân ở đây không hề biết tới bệnh tật là gì và tuổi thọ trung bình của họ rất cao
khoảng 110 tuổi và các bác sĩ ở Nga tin rằng tuổi thọ và bệnh tật thì liên quan đến
kefir.
Nguyên liệu để sản xuất Kefir có thể lên men là sữa dê, sữa cừu hay sữa bò. Theo
Oberman H và Libudiziz Z (1998), người ta lên men sữa thành Kefir trong các túi
bằng da thú hoặc bồn bằng gỗ sồi mà không dùng kim loại trong quá trình lên men tại
vì dùng kim loại sẽ làm hỏng quá trình lên men. Chính vì vậy, một phương pháp sản
xuất Kefir mới đã được công nhận về chất lượng đó là phương pháp lên men có khuấy
trộn.
1.2. Cấu tạo hạt kefir
Hạt Kefir là phức hệ vi sinh vật gồm vi khuẩn lactic (Lactobacilli, Lactococci,
Leuconostoc..) và nấm men được gắn với nhau bởi chất polisacharide. Các hạt Kefir có
màu từ trắng đến vàng nhạt với đường kính trung bình 0,3÷2 cm.. Tuy vẫn chưa được
làm sáng tỏ hoàn toàn nhưng từ hàng nghìn năm qua sự tiêu thụ đa chứng minh được
rằng hệ vi sinh vật trong Kefir là không gây bệnh mà còn có khả năng ngăn chặn sự
phát triển của vi sinh vật gây bệnh như Salmonella hay Singella.
4
(http://user.chairot.net.au/~dna/thumb3-WKG.jpi)
Hình 1.2: Hệ vi sinh vật sau khi được vớt ra khỏi sữa
(www.Kleibers.de/.../guido/4a_kefir_tibet.jpg)
Bề mặt ngoài của hạt có nhiều dạng, từ dạng phẳng đến không đồng đều gồm
nhiều thứ phức tạp, có những chỗ lồi lõm rải rác khắp bề mặt. Nếu điều kiện thuận lợi,
sau một thời gian, những hạt nhẵn này thường trở lại dạng nguyên thể, sau đó hình
thành các hạt bao quanh mình, nơi mà có thể nhân giống lên. Thường ở những vùng
không phẳng, xù xì thường có sự hoạt động mạnh của nấm men, trong khi ở vùng
phẳng vi khuẩn lại chiếm ưu thế. Nấm men hình thành những khóm nhỏ nhô ra trên bề
mặt, Streptococci thì bện vào nhau với các vi khuẩn khác chứ không hình thành dạng
cụm.
Ở sâu bên trong hạt, Lactobacilli chiếm ưu thế (65-80% tổng số vi sinh vật trong
hạt Kefir ) và có rất ít tế bào nấm men, chúng được gói gọn trong dịch polisacharide,
các vi khuẩn hình que và nấm men hình thành các cụm riêng biệt bên ngoài và bên
trong hạt. Ở đó Lb.Kefiranoficients được xem là nguyên nhân hình thành polisacharide
hòa tan Kefiran. Trong khi đó L. bacitophilus hình thành vỏ bọc bên ngoài
polisacharide mà có thể giúp hạt co giãn.
Polisacharide chủ yếu là nước, vật chất hoà tan được biết là Kefiranofaciens và
5
L. kefir sản sinh ra polisacharide này. Chúng là một phần của hạt, nếu không có sự
hiện diện của chúng thì hạt Kefir không thể hình thành. Ngoài tế bào vi sinh vật, hạt
Kefir còn chứa protein (chiếm khoảng 30% tổng chất khô) và Carbohydrate (25÷50%).
Như vậy từ một số thông tin đa đưa ra thành phần hợp thành của hạt giống Kefir là
phức protein Polisacharide béo.
1.3. Vi sinh vật trong hạt kefir
Bảng dưới đây thể hiện tóm gọn sự có mặt của hệ vi sinh vật có trong hạt kefir
Bảng 1.1: Các vi sinh vật có trong hạt Kefir (Oberman H và cộng sự, 1998)
Giống vi sinh vật
Loài
Lb. brivis, Lb. cellobiosus, Lb. acidepphilus,
Lb. Kefir, Lb. casei ssp. Alactosus, Lb. casei ssp.
Rhamnosus, Lb. helveticus. Ssplactis,
Lactobacilli
Lb. delbruevii.ssp.lactic, Lb. paracasei.ssp.paracasei,
Lb. casei, Lb. lactis, Lb. plantarum, Lb. delbrueckii.
ssp. Hulgaricus, Lb. fructivorans, Lb. hilgardii, Lb.
kefiranofaciens, Lb. kefirgarnum sp.nov, Lb. parakefir
Vi khuẩn
lactic
sp.nov
Streptococci
S. thermophilus, S. lactis, S. filant, S. durans
Lc. lactis.ssp.lactis
Lactococci
Lc. lactis.ssp.lactis var diacetylactis
Lc. lactis.ssp.cremoris
Leuconostoc
Acetobacter
Kluyveromyces
Leuc. mesesteroides.ssp.dextranicum
Leuc. mesenteroides.ssp.cremoris
Acetobacters casei
K. lactis, K. marxinnus. ssp. bulgaricus
K.morxianus. ssp. marxianus
S. lactis, S. cerevisiae, S. florentinus,
Nấm men
Saccharomyces
S. globosus, S. unisporus, S.carlsbergensis,
S. ssp. torulopsis holmii
Candida
Torulaspora
C. kefir, C. pseudotropicalis, C. tenuis,C. rancens
T. delbrueckii
6
1.3.1. Acid lactic
Điển hình một số loài vi khuẩn lactic đóng vai trò quan trọng trong lên men sữa chua
kefir như:
- Streptococcus lactic: vi khuẩn này phát triển
tốt trong sữa bò và một số môi trường pha chế từ
sữa, trong khi lại phát triển kém trong môi trường
nước thịt pepton. Đây là loại vi khuẩn hiếu khí tuỳ
tiện nên có thể phát triển sâu trong thạch và cho
khuẩn lạc hình cây có nhánh. Đặc điểm sinh hoá
quan trọng là lên men glucose, lactose, galactose,
maltose, dextrin, không lên men saccharose. Vì vậy
Streptococcus lactic đóng vai trò quan trọng trong
Hình 2.3: Streptococcus lactic
việc chế biến sữa chua. Phát triển tốt ở nhiệt độ 30÷350C, ở nhiệt độ này vi khuẩn gây
đông tụ sữa sau 10÷12 giờ, độ acid giới hạn do Streptococcus lactic tạo nên thường
dao động trong khoảng 110-1200T. Ở nhiệt độ tối ưu Streptococcus lactic phát triển
trong sữa có thể đạt đến số lượng tối đa 1,2÷2 tỷ tế bào/ml sau 10÷12 giờ. Sữa được
lên men chua bởi Streptococcus lactic luôn luôn có hương vị đặc trưng của sản phẩm
sữa chua. Thời gian này tương ứng với thời gian lên men chua sữa đến 600T. Độ acid
sữa tăng lên rất nhanh trong vài giờ đầu, sau đó giảm dần và ngừng hẳn khi đạt đến
gần 1200T.
- Streptococcus cremoris: là loại liên cầu
khuẩn này thường thấy trong sữa dưới dạng
chuỗi dài hoặc hiện diện dưới dạng song cầu
khuẩn, phát triển tốt ở 20÷250C. Tuy nhiên,
ảnh hưởng của chúng đối với sữa hơi khác,
chúng thường làm đông sữa nhưng chúng cũng
có thể làm cho sữa bị nhớt. Một số chủng loại
này phát triển trong sữa cho mùi đặc biệt dễ
Hình 2.4: Streptococcus cremoris
chịu được ứng dụng trong chế biến bơ. Cũng như S.lactic, S. cremoris lên men lactose
thành acid lactic nhưng không lên men saccharose, maltose, dextrin. Streptococcus
cremoris làm cho sữa có độ chua thấp hơn (110÷1150T) tạo nên sản phẩm có vị ngon
thường được dùng trong sản xuất bơ chua.
7
-
Streptococcus
thermophillus
và
Streptococcus bovis đây là hai vi khuẩn thuộc
nhóm Viridams Streptococci chúng không phát
triển ở 100C, phát triển tốt ở 40÷450C khi lên
men sữa tạo được khối đông, không phát triển
khi có sự hiện diện của 0,1% xanh methylen,
6,5%NaCl, pH = 9,6, arginin, pepton, không tạo
thành amoniac.
+ Streptococcus thermophillus là vi sinh
Hình 2.5: Streptococcus thermophillus
vật ưa nhiệt giống như tên chủng, nhiệt độ
thích hợp khoảng 40÷450C và bị tiêu diệt ở
nhiệt độ 530C. loại này là một vi sinh vật quan
trọng trong sản xuất yaourt, phomat, nó bị ngăn
cản sự hoạt động bởi 0,01 mg penicillin ha 5
mg streptomycin/ml.
+ Streptococcus bovis được tìm thấy
trong sữa bò và có thể xâm nhập vào sữa từ
Hình 2.6: Streptococcus bovis
nguồn này hay nguồn khác, nó sống sót trong sữa thanh trùng, có thể tách chúng từ sữa
thanh trùng hay một số loại phomat
- Nhờ nhiều loại enzim thích hợp nên các vi khuẩn lactic điển hình có khả năng
phân giải các đường đơn (glucose, galactose, levulose...) thành acid lactic. Các loại
khác nhau có thể tích tụ lượng acid khác nhau: obacterium bulgaricum tích tụ đến
3,5%, Thermobacter, Ribirium cerea là 2,2%, Lactobacterium plantarum là 1%.
- Các trực khuẩn lactic ưa nhiệt phát triển tốt ở môi trường acid yếu (pH=6,5).
Tuy nhiên có loài phát triển ở pH = 5,4 như Lactobacillus bulgaricus, cũng có loại
phát triển tốt ở pH =3,8 trong khi các trực khuẩn xếp chuỗi không thể phát triển được,
nhiệt độ tối ưu là 40÷450C, đây là vi khuẩn tạo được độ acid rất cao 300÷3500T.
Lactobacterium helveticum (trực khuẩn phomat) phát triển ở 22-510C, làm cho sữa
chua tới 200÷3000T, Lactobacterium bulgarium phát triển ở 22÷530C tạo độ acid
trong sữa 200÷3000T, độ giới hạn là 200÷2500T. Lactobacterium lactic phát triển ở
22÷500C độ acid giới hạn là 110÷1800T.
8
- Betabacterium trên môi trường thạch tạo những khuẩn lạc giống như khuẩn lạc
của trực khuẩn lactic ưu nhiệt. Khi phát triển trong sữa vi khuẩn này cho ít acid, nếu
cho dịch tự phân của nấm men vào môi trường, vi khuẩn này phát triển mạnh hẳn lên,
đường sữa bị lên men bởi vi khuẩn này không chỉ tạo thành acid lactic mà còn tạo
nhiều acid dễ bay hơi. Trong sữa thường có hai loại chính là Betabacterium causasium
và Betabacterium breve.
- Leuconostoc: là nhóm gồm những vi khuẩn lên men lactic không điểnhình.
Chúng có dạng hình cầu nhưng trong môi trường acid chúng nhọn ở hai đầu và dài ra
sinh ra lượng acid có hạn vì thế không làm đông sữa. Mặt khác, chúng hình thành từ
đường, acetyl metyl carbonyl hoặc acetoin làm cho bơ thơm. Loại vi khuẩn điển hình
của giống này là Leuconostoc citrovorium được ứng dụng trong sản xuất bơ.
Bảng 1.2: Giá trị nhiệt độ và pH tối ưu cho sự sinh trưởng của một số loài vi khuẩn
lactic
Loài vi sinh vật
Topt, (0C)
pHopt
Lactococcus lactis
29 ÷ 34
6,0÷6,5
Lactococcus cremoris
28÷32
6,0÷6,5
Lactococcus diacetylactis
30÷34
6,0÷6,5
Streptococcus thermophilus
40÷42
6,0÷6,5
Lactobacillus bulgaricus
43÷46
5,5÷6,0
Lactobacillus helveticus
43÷46
5,5÷6,0
Lactobacillus casei
30÷37
-
Lactobacillus kefir
30
-
Lactobacillus acidophilus
37
5,5÷6,0
Lauconotoc lactis
20÷27
5,5÷6,0
Lauconotoc cremoris
25÷30
-
Bifidobacterium bifidum
37÷41
-
1.3.2. Nấm men
Nấm men thường dùng trong sản xuất sữa kefir là Saccharomyces cerevisiae
dùng để lên men rượu tạo hương vị cồn cho sản phẩm kefir. Nấm men này có một số
đặc điểm sau:
9
- Kích thước khoảng 2,5-10µm × 4,5-2,1 µm. Tùy theo loài mà nấm men có
nhiều loài khác nhau chẳng hạn như hình cầu, hình elip, hình ovan… Những nang bào
tử hình cầu với kích thước từ 2÷4µm, sinh sản theo hình thức nảy chồi.
- Các nấm men loại này sử dụng cacbon của gluxit mà số nguyên tử cacbon trong
phân tử chia hết cho 3, trong môi trường lỏng nấm men này sẽ lên men, trong môi
trường rắn chúng sẽ oxi hóa những gluxit sau: glucoza, fructoza, mantoza, glactoza,
sacaroza, maltoza nhưng không ổn định.
- Đối với các loại rượu, bia, loại nấm men này lên men được destrin, oxy hóa
glyxerin và cồn etylic vì thế loại nấm men này có khả năng chịu đựng đối với cồn
etylic cao độ, không chịu được môi trường axit mạnh nhưng chịu được trong môi
trường axit yếu.
- Một số yếu tố ảnh hưởng đến nấm men (Saccharomyces cerevisiae):
+ Nhiệt độ tối ưu từ 28 ÷ 320C; nhiệt độ thấp, khả năng lên men kém và kéo dài
hơn; nhiệt độ cao, hoạt tính của nấm men giảm nhanh.
+ pH tối ưu để lên men kefir là 4,5-5,2; nếu tăng pH cho môi trường lên men thì
lúc này môi trường đễ bị nhiễm khuẩn; pH nhỏ hơn 4,2 nấm men hầu như không phát
triển.
+ Nồng độ dịch đường khá cao sẽ làm tăng áp suất thẩm thấu và làm mất cân
bằng về trạng thái sinh lý của nấm men, có thể ức chế nấm men.
+ Khí CO2 được tạo thành trong quá trình lên men rượu từ dịch đường. Khi môi
trường chứa hàm lượng đường cao sẽ cản trở CO2 thoát ra ngoài, ức chế sự sinh sản
của nấm men dẫn đến hiệu suất thấp. Khí CO2 nằm trong khoảng không gian giữa môi
trường và không khí có tác dụng kìm hãm sự phát triển của vi sinh vật.
+ Nấm men là loại hô hấp hiếu khí tùy tiện, do đó phải cung cấp O2 đầy đủ và
đúng thời điểm tránh xảy ra hiệu ứng pasteur
1.4. Chu trình phát triển của giống kefir
Kefir là những giống gốc tự nhiên, chúng được hình thành từ những màng bao
bọc mỏng không theo một quy tắc nào cả bao gồm hỗn hợp protein, lipid,
polisacharide. Những màng bao bọc phát triển với hình dạng không nhất định, hình
thành các thuỳ phức tạp và không đồng đều, các thuỳ này lại có xu hướng trở về
nguyên bản tạo thành cấu trúc sinh học bao gồm nhiều thuỳ con bao quanh mình. Với
dấu hiệu phát triển đặc biệt như thế chúng hình thành những hạt con, mỗi tiểu thuỳ
được kết nối với nhau ở phần giữa, xòe ra trong khi nó được gắn với các điểm trung
tâm của hạt giống mẹ.
Nhờ sự kết hợp đó mà các hạt con tách ra có mẫu phát triển giống như nhạt mẹ
ban đầu. một vàu hạt kefir cũng được tách ra giống cấu trúc vật lý của não người,
10
tuyến tụy và các cơ quan bên trong. Sau một thời gian có thể do những chấn thương
hoặc tác động bên ngoài, một phần thùy con gắn với hạt mẹ tách ra thành hạt tự do.
Các hạt con này tiếp tục được nhân giống thành hạt mẹ. chui trình phát triển được lặp
đi lặp lại với chu trình gần giống nhau (tự nhân giống). Mặt khác, nếu các hạt con
không thể hình thành thì thay vào đó chúng hình thành nên một khối lớn (khối hạt
kefir).
2. CÁC QUÁ TRÌNH LÊN MEN CỦA HỆ VI SINH VẬT KEFIR
2.1. Quá trình lên men lactic
Lên men lactic là quá trình chuyển hóa đường thành acid lactic nhờ vi sinh vật,
tiêu biểu là vi khuẩn lactic.
Trong quá trình lên men lactoza, nhiều chủng vi khuẩn không chỉ sản sinh ra acid
lactic mà còn cho hàng loạt các sản phẩm khác như acid hữu cơ, rượu, este, CO2,…
Dựa vào các sản phẩm của quá trình lên men mà người ta chia thành 2 dạng lên
men là lên men lactic đồng hình và lên men lactic dị hình.
Quá trình lên men diễn ra trong tế bào chất của vi khuẩn. Đầu tiên đường lactose
trong sữa được vi khuẩn lactic đưa vào tế bào nhờ cơ chế vận chuyển đặc trưng của
màng tế bào chất (cytoplasmic membrane). Tiếp theo lactose sẽ được phân thành 2
monosacharide rồi đi vào các chu trình chuyển hóa khác nhau.
Cơ chế của quá trình lên men lactic được thể nhiện như sau:
Axit lactic
Tinh bột,
Thủy phân
thính,
Glucose
đường.
Các phản ứng chính xảy ra:
Vi khuẩn lactic
[Sản phẩm chính]
Acetaldehyt
Rượu etylic
Axit succinic [Sản phẩm phụ]
Axit acetic
Formic
CO
Sơ đồ 2.1: Mô hình biểu diễn quá trình lên men lactic của vi khuẩn lactic
Phương trình tóm tắt của quá trình lên men lactic đồng hình từ glucozơ có thể
viết là:
C6H12O6 → 2C3H6O3 + 136kJ (32,4kcal)
11
Đường được vi khuẩn lactic lên men chủ yếu thành axit lactic. Khi lên men đồng
hình, đường sẽ đi theo con đường EMP để biến thành axit lactic, còn khi lên men lactic
dị hình thì con đường pentozophosphat sẽ được sử dụng để hình thành lactat, etanol và
axetat.
Mức năng lượng:
A. Trong lên men đồng hình: 2 ATP cho một glucozơ 5ATP cho 1 phân tử
lactozơ.
B. Trong lên men dị hình: 1 ATP cho 1 glucozơ và 3 ATP cho phân tử lactozơ.
Ngoài vi khuẩn còn có một số cơ thể bậc cao có thể tạo được axit lactic, ví dụ một số
loài nấm Rhizopus như Rh.oryzae có thể tạo ra được khoảng 60% axit lactic so với
lượng đường sử dụng, nhưng ở đây là lên men oxi hoá.
2.1.1. Lên men lactic đồng hình:
Axit piruvic được tạo thành theo sơ đồ Embden-Mayerhorf-Parnas (EMP). Sau
đó axit piruvic sẽ tạo thành axit lactic dưới tác dụng của enzyme lactatdehydrogenase.
Lượng axit lactic tạo thành chiếm hơn 90%. Chỉ một lượng nhỏ piruvat bị khử cacbon
để tạo thành axit axetic, etanol, CO2 và axeton. Lượng sản phẩm phụ tạo thành phụ
thuộc vào sự có mặt của oxy.
Đối với nhóm vi khuẩn lactic đồng hình như giống Lactococcus, các loài
streptococcus thermophylus, Lactobacilus bulgaricus, Lactobacilus helveticus,
Lactobacilud lactic,…
12
C6H12O6 → 2 CH3CHOHCOOH.
Cơ chế lên men lactic đồng hình:
C6H12O6
glucose
CH3-CHOH-COOH
Axit lactic
CH3-CO-COOH
Axit pyruvic
HOOC-CH2-CH2-COOH
Axit succinic
Sản phẩm chính
CH3-COOH
Axit acetic
CH3-CH2-OH
Rượu etylic
Sản phẩm phụ
2.1.2. Lên men lactic dị hình:
Xảy ra trong trường hợp vi khuẩn lactic không có các enzyme cơ bản của sơ đồ
Embden-Mayerhorf-Parnas (EMP), vì vậy xilulozơ-5 photphat sẽ được tạo thành theo
con đường pento-photphat (PP).
C6H12O6 → CH3CHOHCOOH + C2H5OH + CO2
Quá trình lên men lactic tạo thành axit lactic và các axit hữu cơ khác làm cho sản
phẩm có vị chua đặc trưng. Ngoài ra, điều này còn giúp cho vi khuẩn lactic tiếp tục
hoạt động. Đồng thời tạo môi trường có pH axit cũng có tác dụng ức chế hoạt động
của hệ vi sinh vật gây thối rửa, giúp bảo vệ sản phẩm không bị hỏng.
2.1.3. Ứng dụng của quá trình lên men lactic:
- Sử dụng vi khuẩn lactic để muối chua rau, quả, ủ chua thức ăn gia súc. Đây là
hình thức bảo quản thực phẩm bằng công nghệ lên men vi sinh vật. Vi khuẩn lactic
không phá vỡ tế bào thực vật nên dưa, quả muối chua vẫn có hình dạng gần như không
đổi.
- Để kích thích vi khuẩn lactic phát triển nhanh, ta có thể muối dưa, quả bằng
nước ấm, để vại muối ở nơi kín gió, gần bếp, thêm một ít đường, cấp giống bằng ít
nước dưa chua của mẻ trước.
- Ủ chua thức ăn cho gia súc thực chất cũng là sử dụng vi khuẩn lactic để giữ cây
cỏ dùng trong chăn nuôi được tươi “sinh học”, tức là không bị giảm chất lượng dinh
dưỡng, ngược lại được bổ sung nhiều loại vitamin do vi khuẩn tổng hợp nên.
- Sử dụng vi khuẩn lactic để sản xuất sữa chua (yaourt)
13
- Vi khuẩn lactic phát triển, làm pH hạ thấp, cùng với pH và các yếu tố khác,
casein của sữa sẽ đông tụ, làm sữa chuyển trạng thái từ lỏng sang keo sệt, sản phẩm
yaourt hơi chua, keo sệt và có hương vị thơm ngon.
- Cũng bằng phương pháp lên men lactic người ta còn tạo ra được các sản phẩm
khác như kem chua, fomat (fromage), làm nem chua...
- Sử dụng vi khuẩn lactic để sản xuất axit lactic
- Axit lactic được dùng rộng rãi trong công nghiệp nhuộm, thuộc da, trong y học,
chế tạo chất dẻo, sơn… Nguyên liệu chủ yếu để lên men lactic trong công nghiệp là
ngô, khoai, sắn, khoai tây.
- Tác dụng gây hại của vi khuẩn lactic
- Ngoài những tác dụng có lợi của vi khuẩn lactic, một số vi khuẩn lactic còn làm
chua rượu vang, bia, nước ngọt.
2.1.4. Sơ đồ thể hiện sự chuyển hóa lactoza, axit xitric, protein, lipit trong
sữa.
Lactoza
Glucoza
Galactoza
Axit pyruvic
Axetaldehyt
axeton
diaxetyl
Sơ đồ 2.2: Sơ đồ chuyển hóa Lactoza trong
14
Axit xitric
Axit oxalaxetic
Axit pyruvic
Axetaldehyt
Axeton
Diaxetyl
Sơ đồ 2.3: Sơ đồ chuyển hóa axit xitric
trong sữa
protein
Hydroxylaxit
Methanethiol
Axit Amin
lacton
-Xetoaxit
Hợp chất S
aldehyt
Axit
Rượu
Este
Sơ đồ 2.4: Sơ đồ chuyển hóa protein
trong sữa
15
Thio este
Lipit
Axit béo
5
-xetoaxit
Axit béo chưa no
4-, 5- hydroxy axit
hydroperoxit
Methyl xeton
Lacton
Rượu bậc 2
Aldehyt
7
Axit béo tự do
Rượu
Sơ đồ 2.5: Sơ đồ chuyển hóa lipit
trong sữa
16
Axit
2.2. Quá trình lên men rượu:
Trong công nghệ sản xuất các sản phẩm lên men từ sũa, quá trình lên men
ethanolđược thực hiện chủ yếu bởi các nấm men thuộc giống Sacharomyces và
Kluyveromyces. Sau khi được vận chuyển vào trong tế bào chất, đường hexose được
chuyển hóa theo chu trình đường phân để tạo thành acid pyruvic. Tiếp theo acid
pyruvic sẽ được chuyển hóa thành acetaldehyde rồi thành ethanol. Dihydroxyacetone
phosphat là một sản phẩm trung gian trong chu trình đường phân, hợp chất này có thể
chuyển hoá thành glyxerol. Trong môi trường pH acid, glycerol chỉ được tạo ra với
hàm lượng nhỏ. Ngược lại, trong môi trường pH kiềm lượng glyxerol sinh ra sẽ tăng
lên rất nhiều và glycerol sẽ trở thành một trong những sản phẩm chủ yếu của quá trình
lên men. Sự chuyển hóa đường hexose thành ethanol và khí CO2 diễn ra trong tế bào
chất của nấm men. Đây là quá trình trao đổi năng lượng của nấm men trong điều kiện
kỵ khí. Ethanol và CO2 trong tế bào chất sẽ được nấm men thải vào môi trường lên
men. Ngoài ra tế bào nấm men còn tổng hợp và thải vào dịch lên men hàng trăm sản
phẩm phụ và sản phẩm lên men khác, những hợp chất này được tìm thấy với hàm
lượng rất nhỏ, chúng được chia thành 4 nhóm: glyxerol cùng rượu bậc cao, aldehyde,
acid hữu cơ và este. Trong quá trình lên men ethanol, nhiều acid hữu cơ được tạo
thành (The Moll, 1990). Một số acid hữu cơ được sinh tổng hợp từ chu trình Crebs nếu
như quá trình lên men không diễn ra trong điều kiện kỵ khí nghiêm ngặt, các acid hữu
cơ chiếm hàm lượng cao nhất trong dịch lên men là: acid citric, malic, acetic, lactic.
- Trong giai đoạn ủ chín vi khuẩn lactic không hoạt động, nhưng nấm men kefir
hoạt động mạnh, tạo ra rượu, cacbondioxyt và các chất thơm khác.
17
Sơ đồ 3.6: Con đường trao đổi chất của nấm men trong sản xuất ethanol
Bảng 3.1. Các hợp chất thơm trong kefir
Chất bay hơi
Axetaldehyt
Diacetyl
Axetoin
Vai trò
Tác nhân vi sinh vật
Lb.bulgaricus, Lb.jugurti,
Str.thermophilus
trong chất thơm
Hợp chất thơm chủ yếu
Str.thermophilus,
Là mùi thơm chính
Lb.bulgaricus, Lb.jugurti,
trong các sản phẩm
Lb.accidophilus
từ sữa
Nguồn cơ chất
Lactoza
Axit amin
Axit xitric
Lactoza
Str.thermophilus
Các axit bay
Lb.bulgaricus
Tạo ra sự cân đối
Lactoza - chất
hơi
Lb.jugurti
cho hợp chất thơm
béo và protein
Lb.acidophilus
Axeto,
Rất ít
Butanon-2
VSV trong lên men sữa
Tạo mùi nấm men,
Chất béo,
Axeton
chua
đặc trưng của sữa
lactoza
Ethanol
chua kefir
18
Các loài S.cerevisiae lên men rượu theo con đường EMP, trong khi vi khuẩn
Zymomonas mobilis lại phân giải glucozơ theo con đường xetodioxiphotphogluconat
(XDPG), còn các nấm mốc như Mucor lên men glucozơ chủ yếu (70% cơ chất) theo
EMP và phần khác (30% cơ chất) theo HMP.
Hiệu suất năng lượng khi nấm men rượu sống trong điều kiện hiếu khí:
Glucozơ → 6CO2 + 6H2O + 36(38)ATP
Còn trong điều kiện kị khí:
Glucozơ → 2C2H5OH + 2CO2 + 2ATP
2.2.1. Hiệu ứng Pasteur
Như trên đã trình bày, muốn biến thành rượu, axetanđehit phải nhận hiđro từ
NAD–H2 (NAD + H + H khử) dưới sự xúc tác của ancol đehiđrogenaza. Khi môi
trường hiếu khí, phần lớn nucleotit khử phải đi vào con đường hô hấp hiếu khí, do đó
làm giảm lượng NAD–H2 cho quá trình biến axetanđehit thành rượu, vì vậy mà lượng
rượu giảm đi, sinh khối tăng và glyxêrin cũng tăng, cho nên thực chất của hiệu ứng
Pasteur là sự cạnh tranh của NAD–H2 trong quá trình hô hấp đối với quá trình lên men
ở nấm men S.cerevisiae. Chính L.Pasteur là người đầu tiên phát hiện ôxi tự do cảm
ứng quá trình hô hấp và ức chế quá trình lên men ở nấm men; về sau này Custeurs đã
bổ sung thêm những điều kiện của quá trình lên men rượu: kị khí; đường có thể lên
men; pH giữ ở 4,5–5,5; nhiệt độ ở khoảng 25–300C; số lượng nấm men giống là
0,26% trọng lượng cơ chất. Khi pH trở nên kiềm (khoảng 7,5–8) thì nấm men sẽ tạo
thành glyxerin là sản phẩm chủ yếu.
2.2.2. Ứng dụng của quá trình lên men rượu:
Sản xuất công nghiệp rượu etylic
Rượu etylic là một dung môi rất phổ biến, người ta sử dụng rượu trong công
nghiệp chế biến cao su nhân tạo, este… Rượu vang là loại rượu lên men dịch quả
không qua chưng cất; hiện nay ở nước ta đang nghiên cứu chế tạo vang điều, vang 236
vải…
Sản xuất bia
Bia là một loại nước giải khát lên men rượu nhẹ không chưng cất gồm; 92%
nước, 2–9% rượu etylic và các loại đường sót, rất nhiều vitamin nhóm B, nên là loại
nước uống rất được ưa chuộng ở nhiều nước. Bốn nguyên liệu cơ bản quyết định chất
lượng bia: lúa mạch (orge) mọc mầm, hoa houblon, nấm men và nước.
19
- Xem thêm -