Tài liệu Nghiên cứu ứng dụng nấm men vào chế biến thực phẩm giàu protein

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- ĐÀM THỊ LIỄU NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NẤM MEN VÀO CHẾ BIẾN THỰC PHẨM GIÀU PROTEIN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- ĐÀM THỊ LIỄU NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NẤM MEN VÀO CHẾ BIẾN THỰC PHẨM GIÀU PROTEIN Chuyên ngành: Vi sinh vật học Mã số: 60 42 01 07 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. Ts. Trần Quang Trung 2. Ts. Phạm Thế Hải Hà Nội - 2014 LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Trần Quang Trung – Cục trưởng Cục An toàn thực phẩm và TS. Phạm Thế Hải – Khoa Sinh học, trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã tận tình hướng dẫn chỉ bảo, tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài này. Nhân dịp này, tôi cũng xin tỏ lòng cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo, cán bộ trong Khoa Sinh học trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cám ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè và những người thân đã ở bên tôi, tạo điều kiện cả về vật chất lẫn tinh thần trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Hà Nội, ngày 16 tháng 12 năm 2014 Học viên Đàm Thị Liễu MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3 1.1 Tổng quan về nấm men S. cerevisiae 3 1.1.1 Lịch sử phát hiện và ứng dụng nấm men 3 1.1.2 Nấm men S. cerevisiae 4 1.1.2.1 Đặc điểm phân loại học 1.1.2.2 Đặc điểm phân bố tự nhiên 1.1.3 Đặc điểm cấu trúc tế bào và sinh lý sinh hóa 4 4 4 1.1.4 Một số chủng nấm men S. cerevisiae đƣợc sử dụng trong nghiên cứu trên thế giới 7 1.1.5 Vai trò của S. cerevisiae 8 1.1.6 Ứng dụng nấm men S. cerevisiae trong sản xuất 9 1.1.6.1 Sản xuất đồ uống có cồn (ethanol) 9 1.1.6.2 Sản xuất thực phẩm 10 1.1.7 Thành phần của tế bào nấm men 1.2 Tình hình nghiên cứu, sản xuất nấm men và các chế phẩm có bổ sung nấm men 10 13 1.2.1 Tình hình nghiên cứu và sản xuất trên thế giới 13 1.2.2 Tình hình nghiên cứu và sản xuất trong nƣớc 15 1.2.3 Quy trình công nghệ thu hồi sinh khối nấm men (S. 16 cerevisiae) từ cơ sở sản xuất bia 1.2.4 Một số phƣơng pháp sấy sinh khối nấm men CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHÊN CỨU 2.1 Đối tƣợng nghiên cứu 2.2 Vật liệu nghiên cứu 2.2.1 Nguyên liệu 18 19 19 19 19 2.2.2 Trang thiết bị, hóa chất, dụng cụ 2.3 Phƣơng pháp nghiên cứu 2.3.1 Sơ đồ nghiên cứu 2.3.2 Các phƣơng pháp dùng trong nghiên cứu 2.3.2.2 Phƣơng pháp lý học 2.3.2.3 Xác định độ ẩm bã nấm men bằng máy đo độ ẩm bằng hồng ngoại 2.3.2.4 Xácđịnh hàm lƣợng protein thô theo phƣơng pháp Kjeldahl 2.3.2.5 Định lƣợng đƣờng tổng bằng phƣơng pháp Phenol 19 20 20 21 21 21 2.3.2.6 Xác định lipid tổng theo phƣơng pháp Soxhlet 2.3.2.7 Phƣơng pháp phân tích ANOVA sử dụng phần mền SPSS và Excell để xử lý số liệu 2.3.3 Thiết kế các thí nghiệm 2.3.3.1. Nghiên cứu điều kiện sấy sinh khối nấm men trên máy sấy vạn năng 2.3.3.2 Nghiên cứu điều kiện sấy sinh khối nấm men trên máy sấy phun 2.3.3.3 Nghiên cứu bổ sung bột nấm men vào bánh đậu xanh CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 24 25 3.1 Nghiên cứu chế độ sấy nấm men trên máy sấy vạn năng 3.1.1 Nghiên cứu độ dày mẫu thích hợp cho bã nấm men trên máy sấy vạn năng 3.1.2 Nghiên cứu nhiệt độ sấy thích hợp cho bã nấm men trên máy sấy vạn năng 3.2 Nghiên cứu chế độ sấy nấm men trên máy sấy phun 3.2.1 Lựa chọn nhiệt độ đầu vào thích hợp cho sấy phun bã nấm men có độ ẩm 86% 3.2.2 Lựa chọn độ ẩm nguyên liệu thích hợp cho sấy phun ở nhiệt độ đầu vào thích hợp 3.3 Đánh giá chất lƣợng nấm men sau khi sấy trên máy sấy vạn năng và máy sấy phun 3.3.1 Đánh giá chất lƣợng nấm men sau khi sấy trên máy sấy vạn năng 3.3.2 Đánh giá chất lƣợng nấm men sau khi sấy trên máy sấy phun 3.4 Kết quả nghiên cứu quy trình phối trộn nấm men vào bánh đậu xanh 22 23 26 26 27 28 34 34 34 38 42 42 45 46 46 48 52 3.4.1 Xác định độ ẩm của nguyên liệu ban đầu 3.4.2 Tối ƣu hóa tỉ lệ bột đậu xanh đƣa vào phối trộn 3.4.3 Tối ƣu hóa tỉ lệ đƣờng đƣa vào phối trộn 3.4.4 Tối ƣu hóa tỉ lệ bột nấm men đƣa vào phối trộn 3.4.5 Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian sấy đến độ ẩm của bánh 3.4.6 Đánh giá chất lƣợng sản phẩm 3.4.6.1 Kết quả kiểm nghiệm hóa lý, vi sinh 3.4.6.2 Kết quả đánh giá cảm quan KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC 52 52 54 55 56 59 59 59 62 CÁC CHỮ VIẾT TẮT ADN: Deoxyribo Nucleic ARN: Acid ribonucleic AOAC (Association of Official Analytical Chemists): Hiệp hội các nhà phân tích hóa học chính thức. ATP: Adenosine triphosphate CT: Công thức OD (optical density): Độ hấp thụ quang SCP (Single cell protein): Protein đơn bào TCVN 3215-79: chuẩn Việt Nam 3215-79 TNHH: Trách nhiệm hữu hạn TP HCM: Thành phố Hồ Chí Minh V: thể tích DANH MỤC BẢNG Tên bảng Trang Bảng 1.1: Hàm lƣợng các nguyên tố đa lƣợng trong tế bào nấm men.......................... 11 Bảng 1.2: Hàm lƣợng các nguyên tố không phải đa lƣợng trong tế bào nấm men ....... 11 Bảng 1.3: Hàm lƣợng các nguyên tố vi lƣợng trong tế bào nấm men .......................... 11 Bảng 1.4: Thành phần của nấm men sinh khối từ các nguồn nguyên liệu khác nhau .. 12 Bảng 1.5: Hàm lƣợng các axit amin có trong nấm men, tính theo % protein tổng ....... 12 Bảng 1.6: Hàm lƣợng các vitamin có trong nấm men, có trong mg/100g chất khô ..... 12 Bảng 2.1: Danh mục thiết bị, hóa chất, dụng cụ dùng trong nghiên cứu ..................... 19 Bảng 2.2: Bảng bố trí thí nghiệm sấy khay trong tủ sấy ............................................... 26 Bảng 2.3: Bố trí thí nghiệm sấy phun .......................................................................... 28 Bảng 2.4: Tỉ lệ các thành phần phối trộn (thay đổi tỉ lệ bột đậu xanh)......................... 29 Bảng 2.5: Tỉ lệ đƣờng sử dụng ..................................................................................... 30 Bảng 2.6: Tỉ lệ các thành phần phối trộn (thay đổi tỉ lệ bột nấm men) ........................ 31 Bảng 2.7: Khảo sát thời gian sấy bánh .......................................................................... 32 Bảng 2.8: Bảng điểm đánh giá chất lựợng sản phẩm bánh đậu xanh nấm men ........... 32 Bảng 2.9: Bảng mức chất lƣợng sản phẩm .................................................................. 33 Bảng 3.1: Kết quả nghiên cứu độ dày thích hợp cho bã nấm men ở nhiệt độ 70oC .............34 Bảng 3.2: Kết quả nghiên cứu nhiệt độ sấy thích hợp cho bã nấm men ở độ dày 15mm ............................................................................................................................ 38 Bảng 3.3: Kết quả sấy phun bã nấm men có độ ẩm 86% ở nhiệt độ đầu vào khác nhau .....42 Bảng 3.4: Kết quả sấy phun bã nấm men có độ ẩm khác nhau ở nhiệt độ đầu vào thích hợp ....................................................................................................................................45 Bảng 3.5: Thành phần hóa học của bột nấm men thành phẩm .................................... 46 Bảng 3.6: Thành phần hóa học của bột nấm men sấy phun .......................................... 48 Bảng 3.7: Mức độ không ƣa thích khác nhau của các mẫu về tỉ lệ bột đậu xanh ở mức độ tin cậy 95% ...................................................................................................... 52 Bảng 3.8: Mức độ không ƣa thích khác nhau của các mẫu về tỉ lệ đƣờng ở mức độ tin cậy 95% ................................................................................................................... 54 Bảng 3.9: Mức độ không ƣa thích khác nhau của các mẫu về tỉ lệ bột nấm men ở mức độ tin cậy 95% .................................................................................................... 55 Bảng 3.10: Kết quả kiểm nghiệm hóa lý ...................................................................... 59 Bảng 3.11: Kết quả kiểm nghiệm vi sinh ..................................................................... 59 Bảng 3.12: Kết quả đánh giá cảm quan chất lƣợng sản phẩm bánh đậu xanh nấm men .............................................................................................................................. 60 DANH MỤC HÌNH ẢNH Tên hình Trang Hình 1.1: Tế bào nấm men hình elip hay hình tròn ..................................................... 5 Hình 1.2: S.cerevisiae nảy chồi dƣới kính hiển vi ........................................................ 6 Hình 1.3: Khuẩn lạc của chủng nấm men S288c trên môi trƣờng thạch-mạch nha ..... 7 Hình 1.4: Sơ đồ quy trình công nghệ thu hồi bã men bia ............................................. 17 Hình 2.1: Sơ đồ nghiên cứu .......................................................................................... 20 Hình 3.1: Biểu đồ so sánh hàm lƣợng protein thu đƣợc khi sấy các độ dày mẫu khác nhau ở nhiệt độ 70oC ..................................................................................................... 35 Hình 3.2: Biểu đồ ảnh hƣởng của độ dày lớp nguyên liệu đến tốc độ sấy ................... 37 Hình 3.3: Biểu đồ so sánh hàm lƣợng protein thu đƣợc khi sấy mẫu ở độ dày 15mm ở các nhiệt độ khác nhau .............................................................................................. 39 Hình 3.4: Biểu đồ ảnh hƣởng của nhiệt độ đến tốc độ sấy .......................................................41 Hình 3.5: Biểu đồ so sánh hàm lƣợng protein thu đƣợc khi mẫu trên máy sấy phun ở nhiệt độ đầu vào khác nhau ........................................................................................ 44 Hình 3.6: Biểu đồ thành phần hóa học của bột nấm men sấy khay .............................. 47 Hình 3.7: Bột nấm men sấy trên máy sấy vạn năng ở nhiệt độ 800C trên khay sấy độ dày 15mm ...................................................................................................................... 47 Hình 3.8: Biểu đồ thành phần hóa học của bột nấm men sấy phun .......................................49 Hình 3.9: Bột nấm men sấy phun ở nhiệt độ đầu vào 250oC, đầu ra 100 oC và độ ẩm ban đầu 86% .................................................................................................................. 49 Hình 3.10: Biểu đồ so sánh hàm lƣợng ẩm của nguyên liệu, bột nấm men sấy khay, bột nấm men sấy phun................................................................................................... 50 Hình 3.11: Biểu đồ so sánh lƣợng protein trong nguyên liệu, bột sấy khay, bột sấy phun ............................................................................................................................... 51 Hình 3.12: Biểu đồ mức độ ƣa thích khác nhau của các mẫu khi thay đổi tỉ lệ bột đậu xanh ........................................................................................................................ 53 Hình 3.13: Biểu đồ mức độ ƣa thích khác nhau của các mẫu khi thay đổi tỉ lệ đƣờng ..........54 Hình 3.14: Biểu đồ mức độ ƣa thích khác nhau của các mẫu khi thay đổi tỉ lệ bột nấm men ........................................................................................................................ 56 Hình 3.15: Biểu đồ sự thay đổi độ ẩm của bánh sau khi sấy ở 60oC trong các khoảng thời gian khác nhau ...................................................................................................... 57 Hình 3.16: Bánh đậu xanh có bổ sung nấm men .......................................................... 60 MỞ ĐẦU Nhƣ chúng ta đã biết, nguồn thực phẩm cung cấp cho con ngƣời gồm ba loại chính là: carbonhydrate, lipid, protein. Lipid là nguồn cung cấp năng lƣợng lớn nhƣng không đƣợc lựa chọn trong tình hình hiện nay bởi nguy cơ gây bệnh cao (béo phì, tim mạch, tiểu đƣờng), carbonhydrate là nguồn cung cấp năng lƣợng chính trong khẩu phần ăn hằng ngày nhƣng nó có thể tích lớn và trọng lƣợng khá cao. Protein bên cạnh khả năng cung cấp năng lƣợng nó còn chứa một nguồn axít amin rất cần thiết cho cơ thể. Trong cơ thể con ngƣời protein đóng vai trò rất quan trọng, là nguyên liệu để xây dựng và tái tạo tổ chức trong cơ thể, protein là nguồn cung cấp nitơ cho quá trình sinh tổng hợp ADN, ARN. Protein còn là thành phần chính của kháng thể giúp cơ thể chống lại các bệnh nhiễm khuẩn, là thành phần của các men (enzyme) và các nội tiết tố (hormon) rất quan trọng trong hoạt động chuyển hóa của cơ thể. Nguồn thực phẩm giàu protein gồm các thực phẩm có nguồn gốc động vật (thịt, cá, trứng, sữa), các thực phẩm có nguồn gốc thực vật (lạc, vừng, đậu tƣơng…) và vi sinh vật đã trở thành một nguồn cung cấp protein dồi dào đƣợc biết đến trên thế giới từ nửa sau của thế kỷ 20. Nấm men là một loại vi sinh vật với hàm lƣợng protein khá cao, trong đó loài nấm men Saccharomyces cerevisiae với hàm lƣợng protein chiếm từ 4657%, rất giàu các axít amin thay thế và không thay thế, giàu các nguyên tố vi lƣợng nhƣ Mg, Ca, Fe, P2O5, Na, không những thế còn chứa một nguồn vitamin nhóm B khá phong phú [9]. Hiện nay ở Việt Nam ngành sản xuất bia đang ngày càng phát triển. Ở các nhà máy bia phần lớn lƣợng nấm men này đƣợc xả cùng nƣớc thải gây ô nhiễm môi trƣờng [4]. Trong khi đó, sinh khối nấm men có thể đƣợc sử dụng để chuyển hóa thành các sản phẩm giàu dinh dƣỡng và giàu năng lƣợng. Vì thế, tận thu sinh khối nấm men trong quá trình sản xuất bia, nghiên cứu chế biến thành các sản phẩm có giá trị là một việc làm cần thiết để tận dụng ƣu thế của nguồn lợi này, đồng thời làm giảm ô nhiễm môi trƣờng. 1 Vì vậy mà đề tài “nghiên cứu ứng dụng nấm men vào chế biến thực phẩm giàu protein” có tính cấp thiết và ứng dụng rất cao, đáp ứng đƣợc với nhu cầu hiện tại của con ngƣời. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: - Xây dựng và hoàn thiện được quy trình công nghệ sấy để tận thu sinh khối nấm men từ bã men bia. - Nghiên cứu bổ sung bột nấm men S. cerevisiae vào bánh đậu xanh với tỷ lệ thích hợp để tạo ra sản phẩm bánh đậu đạt yêu cầu về chất lượng và cảm quan. 2 Chƣơng 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Tổng quan về nấm men S. cerevisiae 1.1.1 Lịch sử phát hiện và ứng dụng nấm men Con ngƣời đã biết đến nấm men từ hàng ngàn năm nay. Họ đã sử dụng nấm men trong quá trình lên men nhƣ sản xuất đồ uống có cồn và lên men bánh. Sản xuất công nghiệp và thƣơng mại có sử dụng nấm men bắt đầu vào cuối thế kỷ 19 sau khi định danh và phân lập nấm men bởi Pasteur. Ngày nay, kiến thức khoa học và công nghệ cho phép phân lập và sản xuất trên quy mô công nghiệp các chủng nấm men với các đặc tính cụ thể để đáp ứng các nhu cầu của ngành công nghiệp lên men (bia, rƣợu vang, rƣợu táo và sản phẩm chƣng cất). Nấm men thực phẩm cũng đƣợc sử dụng nhƣ nguồn protein có giá trị dinh dƣỡng cao, giàu các enzyme và vitamin, với nhiều ứng dụng nhƣ bổ sung dinh dƣỡng cho thực phẩm, điều vị và các tác nhân hƣơng liệu, cũng nhƣ bổ sung vào thức ăn chăn nuôi. Nấm men đƣợc sử dụng để làm tác nhân sản xuất các loại thực phẩm lên men cụ thể nhƣ pho mát, bánh mì, sourdoughs, thịt lên men và các sản phẩm rau, giấm, v.v. Một phần lớn dân số thế giới đang bị suy dinh dƣỡng, do nghèo đói và sự phân phối nguồn thực phẩm không hợp lý. Các nhà khoa học quan tâm đến việc cung cấp thực phẩm để có thể theo kịp với tốc độ gia tăng dân số thế giới, với nhu cầu ngày càng tăng về năng lƣợng, trong khi nguồn nguyên liệu và tỷ lệ diện tích đất cần thiết cho sản xuất thực phẩm hoặc sản xuất năng lƣợng chỉ có hạn, mà cần đảm bảo duy trì đa dạng sinh học tự nhiên [18]. Vì vậy, việc sản xuất sinh khối vi sinh vật cho tiêu thụ thực phẩm là một mối quan tâm chính cho ngành công nghiệp và cộng đồng khoa học. Những lợi thế ấn tƣợng của vi sinh vật cho sản xuất protein đơn bào (SCP) so với các nguồn thông thƣờng khác của protein (đậu nành hoặc thịt) cũng đƣợc biết đến. Vi sinh vật có hàm lƣợng protein cao và thời gian sinh trƣởng ngắn, dẫn đến sản xuất sinh khối nhanh chóng, có thể liên tục và độc lập trong các điều kiện môi trƣờng. Việc sử dụng các loại nấm, đặc biệt là nấm men, giúp cho sản xuất SCP thuận tiện hơn, vì chúng có 3 thể dễ dàng nhân lên sử dụng nguyên liệu ban đầu rẻ và dễ dàng thu hoạch do khả năng kết bông. Hơn nữa, chúng có chứa lƣợng axit nucleic thấp hơn vi khuẩn [21]. 1.1.2 Nấm men S. cerevisiae 1.1.2.1 Đặc điểm phân loại học Loài nấm men Saccharomyces cerevisiae thuộc ngành Ascomycota, thuộc phân ngành Saccharomycotina, lớp Saccharomycetes, bộ Saccharomycetales, họ Saccharomycetaceae, chi Saccharomyces [9]. Saccharomyces là một chi nấm men đƣợc sử dụng rộng rãi trong ngành thực phẩm nhƣ làm bánh mì, sản xuất cồn. “Saccharomyces” có nghĩa là nấm đƣờng và là loại vi sinh vật duy nhất đuợc sản xuất với quy mô rất lớn trên thế giới. Chi Saccharomyces có khoảng 40 loài (van der Walt, 1970) và các loài trong chi này đƣợc biết nhiều do chúng đƣợc ứng dụng trong làm nổi bánh, bia, rƣợu,… chúng hiện diện nhiều trong sản phẩm có đƣờng, đất, trái cây chín, phấn hoa,…[9] 1.1.2.2 Đặc điểm phân bố tự nhiên Trong tự nhiên, các tế bào nấm men đƣợc tìm thấy chủ yếu ở các loại trái cây nhƣ nho chín (khi nho còn xanh hầu nhƣ không có nấm men S. cerevisiae). S. cerevisiae không lơ lửng trong không khí mà cần vector để di chuyển. Ngƣời ta tìm thấy bằng chứng chứng minh rằng ong chúa bắp cày và các con ong thợ trƣởng thành có thể nuôi dƣỡng các tế bào nấm men từ mùa thu đến mùa xuân và truyền chúng cho các thế hệ con cháu của nó. Ong bắp cày là môi trƣờng quan trọng thích hợp cho sự phát triển của các quần thể S. cerevisiae tự nhiên và phân tán của các tế bào nấm men trong môi trƣờng đồng thời chúng cũng duy trì sự đa dạng của chủng này [26]. 1.1.3 Đặc điểm cấu trúc tế bào và sinh lý sinh hóa S. cerevisiae là một loại vi sinh vật có nhân điển hình. Cụ thể hơn, chúng là một loại nấm men có tế bào dạng hình cầu màu vàng - xanh. S. cerevisiae có thể tồn tại dƣới hai dạng khác nhau: đơn bội hoặc lƣỡng bội. Tuy vậy, chúng tồn tại chủ yếu ở 4 dạng lƣỡng bội [26]. Dạng lƣỡng bội hình elip có đƣờng kính 5 - 6µm, trong khi các dạng đơn bội hình cầu với đƣờng kính 4µm [26]. Hình 1.1: Tế bào nấm men hình elip hay hình tròn (x 4000) [26] Trong pha tăng trƣởng theo cấp số nhân, các tế bào đơn bội sinh sản nhanh hơn các tế bào lƣỡng bội. Các tế bào đơn bội và lƣỡng bội có thể sinh sản vô tính trong một quá trình gọi là nảy chồi, nơi mà các tế bào con nhô ra khỏi tế bào mẹ. Các chồi của các tế bào đơn bội liền kề với nhau, trong khi các chồi của các tế bào lƣỡng bội đƣợc đặt đối nhau [9, 26]. Ngoài ra, các tế bào lƣỡng bội có thể biểu hiện sinh khuẩn ty giả nếu nó đƣợc phát triển trên môi trƣờng nghèo carbon, tiếp xúc với nhiệt hoặc độ thẩm thấu cao, các tế bào mới phát triển vẫn còn gắn liền với các tế bào bố mẹ thông qua một vách ngăn [9]. Ngoài sự nảy chồi, các tế bào lƣỡng bội có thể trải qua một quá trình phân bào giảm nhiễm hình thành bào tử để sản xuất bốn bào tử đơn bội. Bào tử đơn bội có thể là một trong hai loại giao phối, a hoặc α. Những bào tử cũng có thể trải qua nảy chồi để sản xuất nhiều hơn các tế bào đơn bội. Bào tử a và α cũng có thể giao phối và hợp nhất với nhau, tạo ra một tế bào lƣỡng bội. Chủng S. cerevisiae đƣợc tiếp tục phân biệt bởi sự khác biệt trong giai đoạn đơn bội. Đối với các chủng dị tản (heterothallic), các bào 5 tử hình thành từ quá trình tạo bào tử không trải qua nảy chồi, và kiểu giao phối của chúng không thay đổi. Tuy nhiên, với các chủng đồng tản, sự hiện diện của một gen HO cho phép các bào tử thay đổi kiểu giao phối khi chúng phát triển [21]. Hình 1.2: S.cerevisiae nảy chồi dƣới kính hiển vi (x 10000) [21] Sự hình thành bào tử có thể xuất hiện nếu các tế bào nấm men đƣợc tiếp xúc với một trong hai điều kiện nghèo carbon hoặc thiếu nitơ. Bào tử cũng có khả năng chịu đựng cao hơn các điều kiện khắc nghiệt của môi trƣờng, ví dụ nhƣ nhiệt độ cao [21]. Vì là một dạng sinh vật nhân thực, S. cerevisiae có chứa các bào quan gắn màng, nhiễm sắc thể nằm trong nhân, và sử dụng ty thể hô hấp tế bào. Giống nhƣ tất cả các loại nấm khác, hình dạng của tế bào dựa trên thành tế bào của chúng. Thành tế bào bảo vệ các tế bào từ môi trƣờng cũng nhƣ từ bất kỳ thay đổi trong áp suất thẩm thấu. Thành tế bào bên trong có nồng độ β -glucans cao, trong khi các tế bào bên ngoài có nồng độ mannoprotein cao. Chitin thƣờng nằm trong các vách ngăn [21]. S. cerevisiae có thể sống trong cả điều kiện hiếu khí cũng nhƣ điều kiện yếm khí. Với sự có mặt của oxy, nấm men có thể hô hấp hiếu khí, ở đó đƣờng đƣợc phân hóa thành CO2 và ATP. Các nguồn carbon và năng lƣợng chính là glucose, và khi nồng độ 6 glucose đủ cao, gen của enzymes đƣợc sử dụng trong hô hấp đƣợc biểu hiện và quá trình lên men tiếp tục [21]. Tuy nhiên, nấm men cũng có thể sử dụng các loại đƣờng khác nhƣ một nguồn carbon. Sucrose có thể đƣợc chuyển đổi thành glucose và fructose bằng cách sử dụng một enzyme gọi là invertase, và maltose có thể đƣợc chuyển đổi thành hai phân tử glucose bằng cách sử dụng các mannose enzyme [21]. Hình 1.3: Khuẩn lạc của chủng nấm men S288c trên môi trƣờng thạch-mạch nha [9] 1.1.4 Một số chủng nấm men S. cerevisiae đƣợc sử dụng trong nghiên cứu trên thế giới S. cerevisiae đƣợc phân lập lần đầu tiên từ trái vả thối đƣợc tìm thấy ở Merced, California, vào năm 1938, bởi Emil Mrak [22]. Tận dụng lợi thế của chu kỳ sinh sản độc đáo của chúng, Robert Mortimer thực hiện lai tạp di truyền sử dụng chủng phân lập từ quả vả và chủng nấm men khác có đƣợc thông qua các nhà nghiên cứu khác. Kết quả là, ông đã tạo ra một chủng mới gọi là S288c [22], mà sau đó đã đƣợc sử dụng nhƣ là một chủng mẹ để tạo ra hầu hết các chủng đột biến đang đƣợc sử dụng trong nghiên cứu [24]. Hơn nữa, dòng này sau đó đã đƣợc sử dụng để giải trình tự bộ gen của S. cerevisiae [22]. Nhƣ vậy, có nhiều chủng S. cerevisiae khác nhau đƣợc sử dụng trong nghiên cứu. Dƣới đây là một số chủng phổ biến nhất đƣợc sử dụng trong phòng thí nghiệm. Sự lựa chọn chủng để sử dụng tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu. 7 S288c: Chủng này đã đƣợc phân lập trong những năm 1950 bởi Robert K. Mortimer thông qua sự pha tạp về mặt di truyền. Nó đƣợc sử dụng nhƣ một dòng cha mẹ khi phân lập đột biến [20]. S288c đƣợc sử dụng để giải mã hệ gen của S. cerevisiae vào năm 1996. Sự hình thành bào tử của chúng có tỷ lệ thấp và sự thiếu protein tăng trƣởng khi thiếu vắng nitơ đã khiến các nhà khoa học chọn chủng thay thế cho nghiên cứu của họ [20]. A634A: Đƣợc sử dụng trong các nghiên cứu chu kỳ tế bào. Chủng này liên quan chặt chẽ với S288c là kết quả của việc lai chéo S288c và một dòng không rõ [20]. BY4716: Vì chủng này gần giống với S288c, chúng thƣờng đƣợc sử dụng nhƣ một chủng tham chiếu hoặc chủng chứng [20]. CEN.PK: Tại châu Âu, chủng này đƣợc sử dụng nhƣ một chủng chuẩn thứ hai cùng với S288c khi nghiên cứu hệ gen của nấm men. Ngoài ra, chúng có thể phát triển tốt trên các nguồn carbon khác nhau cũng nhƣ trong điều kiện yếm khí. Chúng đƣợc sử dụng khi nghiên cứu tốc độ tăng trƣởng và sự hình thành sản phẩm [19,20]. Σ1278b: Chúng chứa các gen duy nhất cho sự trao đổi chất nitơ [19].Tốt nhất là nghiên cứu chúng trong điều kiện khi nitơ còn hạn chế; tế bào có hình thái dài và dù có trải qua sự phát triển nhƣng các tế bào vẫn nối vật lý với nhau [20]. SK1: Vì chủng này tạo ra rất nhiều bào tử, nên nó đƣợc sử dụng trong các nghiên cứu phân bào giảm nhiễm [26]. W303: Liên quan chặt chẽ đến S288c; là kết quả của sự lai chéo giữa S288c và một dòng chƣa đƣợc biết rõ [24]. Chúng đƣợc sử dụng trong phân tích di truyền và sinh hóa [24]. 1.1.5 Vai trò của S. cerevisiae S. cerevisiae nổi tiếng với vai trò của chúng trong sản xuất lƣơng thực. Chúng là thành phần quan trọng trong quá trình lên men để chuyển đổi đƣờng thành rƣợu, một thành phần đƣợc cho vào trong bia, rƣợu và đồ uống chƣng cất. Chúng cũng đƣợc sử dụng trong quá trình nƣớng nhƣ một chất men, nấm men giải phóng khí vào môi 8 trƣờng gây ra các kết cấu xốp nhƣ bánh mì và bánh ngọt. Vì vai trò của chúng trong quá trình lên men, con ngƣời đã biết và sử dụng nấm men Saccharomyces cerevisiae trong một thời gian dài. Các nhà khảo cổ đã tìm thấy bằng chứng về một loại đồ uống lên men ở Trung Quốc có niên đại 7000 năm trƣớc công nguyên [18], và bằng chứng phân tử của nấm men đƣợc sử dụng trong quá trình lên men đã đƣợc tìm thấy trong một loại rƣợu bình có niên đại 3150 năm trƣớc công nguyên [18]. S. cerevisiae cũng đƣợc coi là một "sinh vật mô hình" của các nhà khoa học. Lợi thế lớn của chúng là chúng là một sinh vật đơn bào và có nhân điển hình. Sự hiểu biết lớn hơn của bộ gen nấm men cũng sẽ giúp các nhà khoa học hiểu đƣợc bộ gen của con ngƣời [26]. S. cerevisiae có lợi thế là tốc độ tăng trƣởng nhanh, trên môi trƣờng men thông thƣờng, mất 90 phút cho sinh khối nấm men tăng gấp đôi [26], và các khuẩn lạc thƣờng có thể nhìn thấy 2-3 ngày sau khi cấy chúng trên môi trƣờng mới. 1.1.6 Ứng dụng nấm men S. cerevisiae trong sản xuất 1.1.6.1 Sản xuất đồ uống có cồn (ethanol) Một trong những ứng dụng lâu đời nhất của nấm men S. cerevisiae trong công nghệ sinh học là vai trò tạo ra các đồ uống có cồn. Nhờ quá trình hô hấp kỵ khí, nấm men S. cerevisiae sử dụng đƣờng làm chất nền của chúng và chuyển đổi đƣờng để sản xuất ethanol, cung cấp các đồ uống có chứa cồn. Tùy loại đồ uống, nấm men đƣợc đƣa vào quá trình sản xuất theo các cách khác nhau. Nhà sản xuất rƣợu chọn loại nấm men dựa trên một số yếu tố: loại nho, khí hậu địa phƣơng, khu vực địa lý và hƣơng vị mong muốn của sản phẩm cuối cùng [18]. Nấm men sau đó đƣợc sản xuất tại các nhà máy rƣợu, sau đó thêm vào nho đã đƣợc nghiền nát khi đó là thời gian cho quá trình lên men. Champagne là một ngoại lệ nơi chủng nấm men tự nhiên đƣợc sử dụng, vì nấm men đi trực tiếp vào chai thay vì một thùng lớn [18]. Không khí sinh ra nhiều trong chai, tạo ra champagne. Trong sản xuất bia, có hai loại nấm men khác nhau của nấm men đƣợc sản xuất trong quá trình lên men, tùy thuộc vào loại bia đƣợc tạo ra. Nấm men lên men ở trên 9 cùng, còn đƣợc gọi là nấm men nổi (chính là S. cerevisiae), hình thành bọt trên bề mặt của dịch nha, chất lỏng có chứa các loại đƣờng đƣợc sử dụng để đƣợc chuyển đổi thành ethanol. Nấm men vẫn ở phía trên của thùng chứa, và bắt đầu lên men ở nhiệt độ ấm 28-30 oC. Quá trình này đƣợc sử dụng trong việc tạo ra các loại bia khác nhau nhƣ: ale, porters, stouts và bia lúa mì [18]. Nấm men lên men ở đáy, thƣờng là S. carlsbergensis còn đƣợc gọi là lagers men, lên men ở nhiệt độ lạnh 0-10 oC, và men lắng ở dƣới cùng của thùng chứa [18]. Chúng đƣợc sử dụng trong sản xuất hầu hết các loại bia thƣơng mại đƣợc bán tại Mỹ. Một quá trình khác đƣợc sử dụng để tạo ra các đồ uống đƣợc biết đến nhƣ là các đồ uống có cồn, chẳng hạn nhƣ vodka và Tequilla. Nấm men đƣợc sử dụng trong quá trình lên men của loại đồ uống này đƣợc phân lập từ củ cải đƣờng hoặc mía. Tiêu chí lựa chọn các nấm men bao gồm sản xuất ethanol bậc cao, có khả năng chịu tốt với nồng độ ethanol, và phải có khả năng lên men các chất nền khác nhau cho các nƣớc giải khát cụ thể [18]. 1.1.6.2 Sản xuất thực phẩm S. cerevisiae cũng hoạt động nhƣ chất làm bột nở. Trong quá trình chuẩn bị, các tế bào nấm men khô đƣợc cho vào cùng với các thành phần khác. Trong khi nƣớng, nấm men đồng thời cũng lên men và sinh ra khí (chủ yếu là CO2). Khí này bị giữ lại, tạo thành lỗ sau khi nƣớng. Điều này góp phần tạo kết cấu xốp nhƣ bánh mì và bánh ngọt nhìn thấy sau khi nƣớng. Các tế bào nấm men khô có thể làm bột nở hoặc chất không làm bột nở nhƣ chất điều vị cho bánh [18]. 1.1.7 Thành phần của tế bào nấm men Cũng nhƣ các cơ thể sống khác, thành phần cơ bản và chủ yếu của tế bào nấm men là nƣớc- khoảng 75% khối lƣợng chung [9]. Hàm lƣợng các nguyên tố trong tế bào nấm men nhƣ sau: 10 Bảng 1.1: Hàm lƣợng các nguyên tố đa lƣợng trong tế bào nấm men [9] Thành phần Hàm lƣợng (%) Cacbon 47 Hydro 65 Oxy 31 Nitơ 5 ÷ 10 Photpho 1,6 ÷ 3,5 Bảng 1.2: Hàm lƣợng các nguyên tố không phải đa lƣợng trong tế bào nấm men [9] Thành phần Hàm lƣợng (%) Canxi 0,3 ÷ 0,8 Kali 2,5 ÷ 9,5 Magie 0,1 ÷ 0,4 Natri 0,06 ÷ 0,2 Lƣu huỳnh 0,2 Bảng 1.3: Hàm lƣợng các nguyên tố vi lƣợng trong tế bào nấm men [9] Thành phần Sắt Đồng Kẽm Mo Hàm lƣợng (mg/kg) 90 ÷ 350 20 ÷ 135 100 ÷ 160 15 ÷ 65 Tế bào nấm men thu nhận từ các nguồn nguyên liệu khác nhau thì có các thành phần dinh dƣỡng cũng khác nhau. Có hai nguồn nguyên liệu chính dùng để tận thu nấm men là rỉ đƣờng và bã men bia. Thành phần dinh dƣỡng cụ thể của mỗi loại nấm men nguyên liệu đƣợc thể hiện ở Bảng 1.4. Đồng thời, các axit amin và vitamin trong nấm men nói chung đƣợc thể hiện ở Bảng 1.5 và 1.6. 11