Tài liệu ứng dụng vi sinh vật trong sản xuất lên men từ đậu nành

LỜI CẢM ƠN Em có được kiến thức và sự trưởng thành như ngày hôm nay là nhờ công lao rất lớn của các thầy cô Khoa Công nghệ Hoá học, nhất là các thầy cô thuộc Bộ môn Công nghệ Thực phẩm, Trường Đại học Bách Khoa Tp. HCM. Do vậy, lời đầu tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến quý thầy cô – những người đã hết lòng dìu dắt em trên con đường học vấn. Đặc biệt, em xin tỏ sự ghi ơn sâu sắc đến cô Lưu Thị Ngọc Anh, cô đã tận tình hướng dẫn, quan tâm chỉ dạy để em hoàn thành luận văn này. Con xin cảm ơn ba mẹ và gia đình đã luôn là chỗ dựa vững chắc cho con, động viên, khuyến khích và tạo mọi điều kiện cho con học tập tốt. i MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC MỤC LỤC BẢNG MỤC LỤC HÌNH i ii v vi Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VI SINH VẬT NÓI CHUNG...................................1 1.1 Sơ lược lịch sử phát triển của vi sinh vật học..............................................1 1.2 Vị trí của vi sinh vật trong sinh giới.............................................................3 1.2-Các đặc điểm chung của vi sinh vật ............................................................8 1.3 Hình thái và cấu tạo tế bào vi sinh vật.......................................................12 1.3.1 Vi khuẩn...................................................................................................12 1.3.2 Nấm men..................................................................................................15 1.3.3 Nấm mốc..................................................................................................16 1.4 Vai trò của vi sinh vật...................................................................................18 Chương 2: TỔNG QUAN VỀ VI SINH VẬT TRONG QUÁ TRÌNH LÊN MEN..................................................................................................................... 20 2.1 Khái niêm chung:.........................................................................................20 2.2 Bản chất của các quá trình lên men...........................................................20 2.3 Cơ chế điều hòa phản ứng hóa học trong các quá trình lên men............21 2.4 Các chu trình lên men..................................................................................25 2.4.1 Sơ đồ Embden – Meyerhof – Parnas.......................................................25 2.4.2 Chu trình pentozaphosphate....................................................................27 2.4.3 Chu trình tricacboxylic (Krebs):..............................................................27 2.5 Điều kiện quá trình lên men........................................................................29 2.5.1 Các cấu tử của môi trường lên men.........................................................29 2.5.2 Các tác nhân bên ngoài............................................................................30 2.5.3 Tác nhân gây lên men - vi sinh vật..........................................................30 Chương 3: GIỚI THIỆU MỘT SỐ SẢN PHẨM LÊN MEN TRUYỀN THỐNG................................................................................................................ 31 3.1 Đặc điểm chung của thực phẩm lên men truyền thống...........................31 3.2 Thực phẩm lên men bởi nấm mốc..............................................................31 3.2.1 Vai trò của nấm mốc trong lên men thực phẩm......................................31 3.2.2 Một số thực phẩm lên men bởi nấm mốc................................................32 3.3 Thực phẩm lên men bởi vi khuẩn...............................................................32 3.3.1 Vai trò của vi khuẩn trong lên men thực phẩm.......................................32 ii 3.3.2 Một số thực phẩm lên men bởi vi khuẩn.................................................33 3.4 Thực phẩm lên men bởi nấm men..............................................................34 3.4.1 Vai trò của nấm men................................................................................34 3.4.2 Một số sản phẩm lên men bởi nấm men..................................................34 3.5 Thực phẩm lên men bởi nấm mốc và nấm men........................................34 3.6 Thực phẩm lên men bởi vi khuẩn và nấm men.........................................34 3.6.1 Rượu vang................................................................................................34 3.6.2 Nước chiết thực vật lên men....................................................................35 3.7 Thực phẩm lên men nhờ nấm mốc và vi khuẩn........................................35 3.8 Các sản phẩm lên men từ đậu nành và các hạt ngũ cốc..........................35 3.8.1 Khái quát chung về đậu nành..................................................................35 3.8.2 Các sản phẩm chế biến từ đậu nành........................................................40 Chương 4: ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA VI SINH VẬT DÙNG TRONG LÊN MEN ĐẬU NÀNH...............................................................................................42 4.1 Vi sinh vật thường có trong lên men đậu nành.........................................42 4.2 Vi sinh vật trong sản xuất tương.................................................................42 4.3 Vi sinh vật trong sản xuất nước chấm........................................................43 4.4 Vi sinh vật trong sản xuất chao...................................................................45 Chương 5: CÔNG NGHỆ TẠO GIỐNG VI SINH VẬT..................................48 5.1 Vai trò của giống...........................................................................................48 5.2 Yêu cầu giống vi sinh vật.............................................................................48 5.3 Kỹ thuật tạo giống dùng trong sản xuất công nghiệp..............................49 5.3.1 Phân lập giống trong tự nhiên.................................................................49 5.3.2 Phân lập giống trong điều kiện sản xuất.................................................51 5.3.3 Phân lập giống trong những ống giống đã thoái hóa..............................52 5.4 Sản xuất mốc giống trong sản xuất tương.................................................53 5.4.1 Phương pháp sản xuất mốc tương thủ công(dân gian)...........................53 5.4.2 Phương pháp sản xuất mốc tương công nghiệp......................................56 5.4.3 Phương pháp làm mốc tương ở các nước khác.......................................58 5.5 Sản xuất mốc giống trong sản xuất chao...................................................60 5.5.1 Theo phương pháp truyền thống:............................................................60 5.5.2 Theo phương pháp công nghiệp:.............................................................60 5.6 Sản xuất mốc giống trong công nghệ sản xuất nước chấm......................63 Chương 6: ỨNG DỤNG VI SINH VẬT TRONG SẢN XUẤT LÊN MEN TỪ ĐẬU NÀNH.........................................................................................................64 iii 6.1 Sản xuất chao................................................................................................64 6.1.1 Tổng quan về chao...................................................................................64 6.1.2 Qui trình làm chao Việt Nam...................................................................65 6.1.3. Sản xuất chao theo phương pháp hiện đại..............................................68 6.2 Sản xuất nước chấm.....................................................................................75 6.2.1 Quy trình công nghệ................................................................................75 6.2.2 Giải thích quy trình..................................................................................76 6.3 Sản xuất tương..............................................................................................79 6.3.1 Kỹ thuật sản xuất tương thủ công............................................................79 6.3.2 Kỹ thuật sản xuất tương công nghiệp:.....................................................81 6.3.3 Giá trị dinh dưỡng của tương..................................................................82 6.4 Miso................................................................................................................83 6.4.1 Rice Miso.................................................................................................86 6.4.2 Barley Miso..............................................................................................98 Chương 7: CHẤT LƯỢNG VÀ BẢO QUẢN SẢN PHẨM..............................94 7.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng các sản phẩm lên men truyền....94 7.2 Tình hình sản xuất hiện nay:.......................................................................94 7.2.1 Nước tương..............................................................................................94 7.2.2 Tương.......................................................................................................95 7.2.3 Chao.........................................................................................................96 Chương 8: TIỀM NĂNG VÀ PHƯƠNG HƯỚNG............................................97 8.1 Tiềm năng.....................................................................................................97 8.2 Phương hướng...............................................................................................97 8.2.1 Qui trình công nghệ sản xuất nước tương sạch bằng phương pháp lên men....................................................................................................................98 8.2.2 Qui trình công nghệ sản xuất nước tương bằng phương pháp lên men cải tiến.....................................................................................................................99 8.2.3 Qui trình công nghệ sản xuất nước tương sạch theo phương pháp kết hợp:..................................................................................................................100 Chương 9: KẾT LUẬN.....................................................................................101 TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................102 iv MỤC LỤC BẢNG Bảng 1.1. Niên biểu về một số cống hiến của L.Pastuer về vi sinh vật học.........2 Bảng 3.1. Thành phần dinh dưỡng trong 100g hạt đậu nành..............................36 Bảng 3.2. Thành phần hóa học trong các thành phần của hạt đậu nành.............37 Bảng 3.3. Thành phần các acid amin trong protein đậu nành............................38 Bảng 3.4. Thành phần carbohydrat trong đậu nành............................................39 Bảng 3.5. Thành phần vitamin trong đậu nành...................................................39 Bảng 6.1. Thành phần hoá học của chao.............................................................65 Bảng 6.2. Thành phần hoá học của tương...........................................................83 Bảng 6.3. Thành phần hóa học một số loại tương ở các tỉnh phía Bắc..............83 Bảng 6.4. Thành phần hoá học của Miso............................................................84 Bảng 6.5. Thành phẩn hóa học của Kome Ama Miso........................................88 Bảng 6.6. Thành phẩn hóa học của Kome Kara Miso........................................89 Bảng 6.7. Thành phẩn hóa học của Hishiho Miso..............................................90 Bảng 6.8. Thành phẩn hóa học của Mugi Miso..................................................92 v MỤC LỤC HÌNH Hình 1.1. Hệ thống phân loại 5 giới sinh vật........................................................4 Hình 1.2. Hệ thống phân loại 6 giới sinh vật........................................................4 Hình 1.3. Hệ thống phân loại 8 giới sinh vật........................................................5 Hình 1.4. Hệ thống 3 lĩnh giới (domain)..............................................................6 Hình 1.5. Một số loại virus...................................................................................8 Hình 1.6. Thước ghi kích thước của các dạng......................................................9 Hình1.7. Các vết tích về sự xuất hiện của vi sinh vật........................................11 Hình 2.1. Sơ đồ phosphryl hóa – oxy hóa..........................................................24 Hình 2.2. Sơ đồ Embden – Meyerhof – Parnas..................................................26 Hình 2.3. Sơ đồ nguyên tắc làm việc của chu trình Krebs.................................27 Hình 4.1. Khuẩn lạc Aspergillus oryzae.............................................................45 Hình 4.2. Apergillus oryzae................................................................................45 Hình 4.3. Actinomucor elegans..........................................................................48 Hình 5.1. Sơ đồ làm mốc thông thường..............................................................54 Hình 5.2. Sơ đồ làm mốc kiểu Cự Đà.................................................................57 Hình 5.3. Sơ đồ chuẩn bị giống cái lên men sử dụng trong quá trình chế biến đậu ở Hàn Quốc và Nhật Bản......................................................................60 Hình 5.4. Qui trình sản xuất giống vi sinh vật....................................................63 Hình 6.1. Quy trình sản xuất chao nước.............................................................70 Hình 6.2. Actinormucor elegans phát triển trên bánh đậu.................................75 Hình 6.3. Quy trình sản xuất nước chấm............................................................76 Hình 6.4. Sơ đồ quy trình sản xuất tương bắc....................................................70 Hình 6.5. Sơ đồ quy trình sản xuất mốc trung gian............................................82 vi Hình 6.6. Rice Miso............................................................................................88 Hình 6.7. Kome Ama..........................................................................................88 Hình 6.8. Quy trình sản xuất Kome ama Miso...................................................89 Hình 6.9. quy trình sản xuất Kome kara Miso ..................................................90 Hình 6.10. quy trình sản xuất Hishiho Miso.........................................................91 Hình6.11. Mugi Miso...........................................................................................93 Hình 6.12. quy trình sản xuất Mugi Miso............................................................93 Hình 7.1. Độc tố Aflatoxin B1............................................................................96 Hình 7.2. Aspergillus flavus...............................................................................97 Hình 8.2. Quy trình sản xuất nước tương sạch bằng phương pháp lên men 99 Hình 8.2. Quy trình sản xuất nước tương bằng phương pháp lên men cải tiến 100 vii Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VI SINH VẬT NÓI CHUNG Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VI SINH VẬT NÓI CHUNG 1.1 Sơ lược lịch sử phát triển của vi sinh vật học:[10] Từ cổ xưa, mặc dầu chưa nhận thức được sự tồn tại của vi sinh vật, nhưng loài người đã biết khá nhiều về các tác dụng do vi sinh vật gây nên. Trong sản xuất và trong đời sống, con người đã tích lũy được nhiều kinh nghiệm về các biện pháp lợi dụng các vi sinh vật có ích và phòng tránh các vi sinh vật có hại. Trên những vật giử lại từ thời cổ Hy Lạp, người ta đã thấy minh họa cả quá trình nấu rượu. Những tài liệu khảo cổ chu biết cách đây trên 6000 năm, người dân Ai Cập ở dọc sông Nile đã có tập quán nấu rượu. Ở Trung Quốc rượu đã được sản xuất từ thời đại văn hóa Long Sơn (cách đây trên 4000 năm ) . Việc lên men lactic (muối dưa ) được thực hiện từ những năm 3500 năm trước công nguyên. Muối dưa , làm dấm, làm tương v..v.. đều là những biện pháp hữu hiệu để hoặc sử dụng hoặc khống chế vi sinh vật phục vụ cho việc chế biến và bảo quản thực phẩm. Việc sáng tạo ra các hình thức ủ phân, ngâm phân, ngâm gai, xếp ải, trồng luân canh với cây họ đậu... đều là những biện pháp tài tình mà tổ tiên ta từ lâu đã biết phát huy tác dụng của vi sinh vật trong nông nghiệp. Người có công phát hiện ra thế giới vi sinh vật và cũng là người đầu tiên miêu tả hình thái nhiều loại vi sinh vật là một người Hà Lan, vốn là một người học nghề trong một hiệu buôn vải. Đó là Antonie van Leeuwenhoek (1632 – 1723). Ông đã tự chế ra trên 400 kính hiển vi, trong đó có cái phóng đại được đến 270 lần. Năm 1670 ông nhìn thấy các vi khuẩn và động vật nguyên sinh ông gọi là các “động vật vô cùng nhỏ bé”. Qua đó ông đã miêu tả hình thái và dạng chuyển động của nhiều loại vi sinh vật. Nhiều bài báo của ông đã được công bố trên tạp chí Triết học của học hội hoàng gia Anh và năm 1680 ông được bầu làm thành viên của học hội này Từ thập kỉ 60 của thế kỉ 19 bắt đầu thời kì nghiên cứu về sinh lí học của các vi sinh vật. Người có công lớn trong việc này, người về sau được coi là ông tổ của vi sinh vật học là nhà khoa học người Pháp Louis Pasteur (1822 – 1895). Khó mà tóm tắt được khối lượng các phát hiện đồ sộ mà Luis Pasteur đã cống hiến cho nhân loại. 1 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VI SINH VẬT NÓI CHUNG Bảng 1.1: Niên biểu về một số cống hiến của L.Pastuer về vi sinh vật học: Năm Cống hiến Chứng minh nhiều quá trinh lên men (etilic, lastic, axetic...) là do 1854 – 1864 sinh vật gây nên. Nhận giải thưởng đặc biệt của viện hàng lâm khoa học Pháp về việc 1862 phủ định học thuyết Tự sinh (spontaneous-generation hypotheis). Chứng minh vi khuẩn là nguồn gốc của bệnh than. 1863 Phát hiện ra nguyên nhân của bệnh bào tử trùng ở tằm và đề xuất được các biện pháp phòng tránh. 1865 Phát hiện các phẩy khuẩn gây bệnh. 1877 Phát hiện ra các tụ cầu khuẩn gây bệnh. 1880 Phát hiện ra các liên cầu khuẩn gây bệnh. 1880 Tìm ra vacxin chống bệnh dịch tả gà nhờ sử dụng vi khuẩn đã chuyển sang dạng mất độc lực. Phát hiện não mô cầu khuẩn ( cùng với Chamberland, Roux và 1880 Thuillier). 1880 Tìm ra vacxin chống bệnh than. 1881 Phát hiện tụ huyết khuẩn ở lợn ( cùng với Thuillier). Nghiên cứu vacxin chống bệnh dại. Ngày 6-7-1885 em bé 9 tuổi 1883 Joseph Meister là người đầu tiên được cứu sống nhờ vacxin chống dạ của L.Pastuer. Trở thành viện trưởng đầu tiên của bệnh viện Paster ở Paris (cho 1880 - 1885 đến khi qua đời). Phát hiện não mô cầu khuẩn ( cùng với Chamberland, Roux và 1888 Thuillier). Tiếp tục phát huy thành tựu của L.Pasteur, nhiều nhà bác học khác đã khám phá ra hầu hết các vi sinh vật gây bệnh và tìm ra phương pháp phân lập thuần khiết vi sinh vật trên các môi trường đặc. Năm 1892 nhà sinh lý học thực vật người Nga D.I.Ivanovskii (1864 – 1920) chứng minh có sự tồn tại của loại vi sinh vật siêu hiển vi gây ra bệnh khảm ở lá thuốc lá. Đến năm 1897 nhà khoa học người Hà Lan M.W. Beijerinck (1851 – 1931) gọi loại vi sinh vật này là virut. 2 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VI SINH VẬT NÓI CHUNG Năm 1928 bác sĩ người Anh Alexander Fleming (1881 – 1955) tách được chủng nấm sinh chất kháng sinh penixilin, mở ra một kỉ nguyên mới cho khả năng đẩy lùi nhanh chóng các bệnh nhiễm khuẩn. Khoa học về enzim hình thành và phát triển nhờ hàng loạt các thành công: năm 1987 B. Bertrand phát hiện ra và đặt tên cho nhóm coenzim; A. Harden và Young cô đặc được một nhóm coenzim gọi là cozimaza vào năm 1905; Sorensen chứng minh ảnh hưởng của pH đến hoạt động của enzim vào năm 1912 ... Tính đến năm 1984 người ta đã biết đến 2477 loại enzim khác nhau và enzim đã có mặt trong rất nhiều hoạt động sản xuất và đời sống con người. Các nhà vi sinh vật còn tạo ra bước ngoặt của di truyền học. Các chủng vi sinh vật được tạo ra nhờ thao tác di truyền sẽ có mặt trong đời sống nhân loại ở mọi lĩnh vực khác nhau. 1.2 Vị trí của vi sinh vật trong sinh giới:[10] Vi sinh vật không phải là một nhóm phân loại trong sinh giới mà là bao gồm tất cả các sinh vật có kích thước hiển vi, không thấy rõ được bằng mắt thường, do đó phải sử dụng kính hiển vi thường hoặc kính hiển vi điện tử. Ngoài ra muốn nghiên cứu vi sinh vật người ta phải sử dụng tới phương pháp nuôi cấy vô khuẩn. Từ trước đến nay có rất nhiều hệ thống phân loại sinh vật. Các đơn vị phân loại sinh vật nói chung và vi sinh vật nói riêng đi từ thấp lên cao là Loài (Species), Chi (Genus), Họ (Family), Bộ (Order), Lớp (Class), Ngành (Phylum), và Giới (Kingdom). Hiện nay trên giới còn có một mức phân loại nữa gọi là lĩnh giới (Domain). Đấy là chưa kể đến các mức phân loại trung gian như Loài phụ (Subspecies), Chi phụ (Subgenus), Họ phụ (Subfamily), Bộ phụ (Suborder),Lớp phụ (Subclass), Ngành phụ (Subphylum). Xưa kia John Ray (1627-1705) và Carl Von Linnaeus (1707-1778) chỉ chia ra 2 giới là Thực vật và Động vật. Năm 1866 E. H. Haeckel (1834-1919) bổ sung thêm giới Nguyên sinh (Protista). Năm 1969 R. H. Whitaker (1921-1981) đề xuất hệ thống phân loại 5 giới : Khởi sinh (Monera), Nguyên sinh (Protista), Nấm (Fungi), Thực vật (Plantae) và Động vật (Animalia). Khởi sinh bao gồm Vi khuẩn (Bacteria) và Vi khuẩn lam (Cyanobacteria). Nguyên sinh bao gồm Động vật nguyên sinh (Protzoa), Tảo (Algae) và các Nấm sợi sống trong nước (Water molds). 3 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VI SINH VẬT NÓI CHUNG Hình 1.1: Hệ thống phân loại 5 giới sinh vật Gần đây hơn có hệ thống phân loại 6 giới- như 5 giới trên nhưng thêm giới Cổ vi khuẩn (Archaebacteria), giới Khởi sinh đổi thành giới Vi khuẩn thật (Eubacteria) (P. H. Raven, G. B. Johnson, 2002). Hình 1.2: Hệ thống phân loại 6 giới sinh vật 4 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VI SINH VẬT NÓI CHUNG T. Cavalier-Smith (1993) thì lại đề xuất hệ thống phân loại 8 giới: o Vi khuẩn thật (Eubacteria), o Cổ vi khuẩn (Archaebacteria), o Cổ trùng (Archezoa), o Động vật nguyên sinh (Protozoa), o Sắc khuẩn (Chromista), o Nấm (Fungi), o Thực vật (Plantae) và o Động vật (Animalia). Hình 1.3: Hệ thống phân loại 8 giới sinh vật Theo R. Cavalier-Smith thì : Cổ trùng (như Giardia) bao gồm các cơ thể đơn bào nguyên thuỷ có nhân thật, có ribosom 70S, chưa có bộ máy Golgi, chưa có ty thể (mitochondria) chưa có thể diệp lục (Chloroplast), chưa có peroxisome. Sắc khuẩn bao gồm phần lớn các cơ thể quang hợp chứa thể diệp lục trong các phiến (lumen) của mạng lưới nội chất nhăn (rough endpplasmic reticulum) chứ 5 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VI SINH VẬT NÓI CHUNG không phải trong tế bào chất (cytoplasm), chẳng hạn như Tảo silic , Tảo nâu, Cryptomonas, Nấm noãn. Năm 1980, Carl R. Woese dựa trên những nghiên cứu sinh học phân tử phát hiện thấy Cổ khuẩn có sự sai khác lớn trong trật tự nucleotid ở ARN của ribosom 16S và 18S. Ông đưa ra hệ thống phân loại ba lĩnh giới (Domain) bao gồm Cổ khuẩn (Archae), Vi khuẩn (Bacteria) và Sinh vật nhân thực (Eucarya). Hình 1.4: Hệ thống 3 lĩnh giới (domain) 6 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VI SINH VẬT NÓI CHUNG Cổ khuẩn là nhóm vi sinh vật có nguồn gốc cổ xưa. Chúng bao gồm các nhóm vi khuẩn có thể phát triển được trong các môi trường cực đoan (extra), chẳng hạn như nhóm ưa mặn (Halobacteriales), nhóm ưa nhiệt (Thermococcales, Thermoproteus, Thermoplasmatales), nhóm kỵ khí sinh mêtan (Methanococcales, Methanobacteriales, Methanomicrobiales), nhóm vi khuẩn lưu huỳnh ưa nhiệt (Sulfobales, Desulfurococcales). Monera trong hệ thống 5 giới tương đương với Vi khuẩn và Cổ khuẩn trong hệ thống 8 giới và trong hệ thống 3 lĩnh giới. Nguyên sinh trong hệ thống 5 giới tương đương với 3 giới Cổ trùng (Archaezoa), Nguyên sinh (Protista-Protozoa) và Sắc khuẩn (Chromista) trong hệ thống 8 giới và tương đương với 5 nhóm sau đây trong hệ thống 3 lĩnh giới (domain): Archaezoa, Euglenozoa, Alveolata, Stramenopila và Rhodophyta. Theo hệ thống 3 lĩnh giới thì : - Archaezoa bao gồm Diplomonad, Trichomonad và Microsporidian. Euglenozoa ao gồm Euglenoid và Kinetoplastid. - Alveolata bao gồm Dinoflagellate, Apicomplexan, và Ciliate. Strmenopila bao gồm Tảo silic (Diatoms) , Tảo vàng (Golden algae), Tảo nâu (Brown algae) và Nấm sợi sống trong nước (Water mold) . - Rhodophyta gồm các Tảo đỏ (Red algae). Riêng Tảo lục (Green algae) thì một phần thuộc Nguyên sinh (Protista) một phần thuộc Thực vật (Plantae) Monera hay 2 lĩnh giới Vi khuẩn và Cổ khuẩn thuộc nhóm Sinh vật nhân sơ (Prokaryote), còn các sinh vật khác đều thuộc nhóm Sinh vật nhân thật (Eukaryote). Kết luận: phần lớn vi sinh vật thuộc về ba nhóm Cổ khuẩn, Vi khuẩn và Nguyên sinh. Trong giới Nấm, thì nấm men (yeast), nấm sợi (filamentous Fungi) và dạng sợi (mycelia) của mọi nấm lớn đều được coi là vi sinh vật. Như vậy là vi sinh vật không có mặt trong hai giới Động vật và Thực vật. Người ta ước tính trong số 1,5 triệu loài sinh vật có khoảng 200000 loài vi sinh vật (100000 loài động vật nguyên sinh và tảo, 90000 loài nấm, 2500 loài vi khuẩn lam và 1500 loài vi khuẩn). Tuy nhiên hàng năm, có thêm hàng nghìn loài sinh vật mới được phát hiện, trong đó có không ít loài vi sinh vật. Virus là một dạng đặc biệt chưa có cấu trúc cơ thể cho nên chưa được kể đến trong số 200000 loài vi sinh vật nói trên. Số virus đã được đặt tên là khoảng 4000 loài. 7 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VI SINH VẬT NÓI CHUNG Poliovirus Virus cúm gà H5N1 Virus HIV/AIDS Hình 1.5: Một số loại virus Trong thực tế, số loài vi sinh vật phải tới hàng triệu loài. Bảo tàng giống chuẩn vi sinh vật (VTCC) thuộc TT Công nghệ Sinh học, ĐHQG Hà Nội hợp tác với các nhà khoa học Nhật bản và dựa trên các kỹ thuật sinh học phân tử đã bước đầu phát hiện được khá nhiều loài vi sinh vật mới được thế giới công nhận. 1.2-Các đặc điểm chung của vi sinh vật :[10] Vi sinh vật có các đặc điểm chung sau đây : 1.2.1)-Kích thước nhỏ bé : Vi sinh vật thường được đo kích thước bằng đơn vị micromet (1mm= 1/1000mm hay 1/1000.000m). virus được đo kích thước đơn vị bằng nanomet (1nn=1/1000.000mm hay 1/1000.000.000m). Kích thước càng bé thì diện tích bề mặt của vi sinh vật trong 1 đơn vị thể tích càng lớn. Chẳng hạn đường kính của 1 cầu khuẩn (Coccus) chỉ có 1mm, nhưng nếu xếp đầy chúng thành 1 khối lập nhưng có thể lích là 1cm3 thì chúng có diện tích bề mặt rộng tới 6m2 8 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VI SINH VẬT NÓI CHUNG Light microscope : KHV quang học Electron microscope : KHV điện tử Most bacteria: Phần lớn vi khuẩn Hình 1.6: Thước ghi kích thước của các dạng. 1.2.2)-Hấp thu nhiều, chuyển hoá nhanh : Tuy vi sinh vật có kích thước rất nhỏ bé nhưng chúng lại có năng lực hấp thu và chuyển hoá vượt xa các sinh vật khác. Chẳng hạn 1 vi khuẩn lắctic (Lactobacillus) trong 1 giờ có thể phân giải được một lượng đường lactose lớn hơn 100-10 000 lần so với khối lượng của chúng. tốc độ tổng hợp protein của nấm men cao gấp 1000 lần so với đậu tương và gấp 100 000 lần so với trâu bò. 1.2.3) Sinh trưởng nhanh, phát triển mạnh : Chẳng hạn, 1 trực khuẩn đại tràng (Escherichia coli ) trong các điều kiện thích hợp chỉ sau 12-20 phút lại phân cắt một lần. Nếu lấy thời gian thế hệ là 20 phút thì mỗi giờ phân cắt 3 làn, sau 24 giờ phân cắt 72 lần và tạo ra 4 722 366 500 000 000 000 000 000 tế bào (4 722 366. 1017), tương đương với 1 khối lượng ... 4722 tấn. Tất nhiên trong tự nhiên không có được các điều kiện tối ưu như vậy ( vì thiếu thức ăn, thiếu oxy, dư thừa các sản phẩm trao đổi chất có hại...). Trong nòi 9 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VI SINH VẬT NÓI CHUNG lên men với các điều kiện nuôi cấy thích hợp từ 1 tế bào có thể tạo ra sau 24 giờ khoảng 100 000 000- 1 000 000 000 tế bào. Thời gian thế hệ của nấm men dài hơn, ví dụ với men rượu (Saccharomyces cerevisiae) là 120 phút. Với nhiều vi sinh vật khác còn dài hơn nữa, ví dụ với tảo Tiểu cầu ( Chlorella ) là 7 giờ, với vi khuẩn lam Nostoc là 23 giờ...Có thể nói không có sinh vật nào có tốc độ sinh sôi nảy nở nhanh như vi sinh vật. 1.2.4) Có năng lực thích ứng mạnh và dễ dàng phát sinh biến dị : Trong quá trình tiến hoá lâu dài vi sinh vật đã tạo cho mình những cơ chế điều hoà trao đổi chất để thích ứng được với những điều kiện sống rất khác nhau, kể cả những điều kiện hết sức bất lợi mà các sinh vật khác tgường không thể tồn tại được. Có vi sinh vật sống được ở môi trường nóng đến 1300C, lạnh đến -50C, mặn đến nồng độ 32% muối ăn, ngọt đến nồng độ mật ong, pH thấp đến 0,5 hoặc cao đến 10,7, áp suất cao đến trên 1103 at. hay có độ phóng xạ cao đến 750 000 rad. Nhiều vi sinh vật có thể phát triển tốt trong điều kiện tuyệt đối kỵ khí, có loài nấm sợi có thể phát triển dày đặc trong bể ngâm tử thi với nộng độ Formol rất cao... Vi sinh vật đa số là đơn bào, đơn bội, sinh sản nhanh, số lượng nhiều, tiếp xúc trực tiếp với môi trường sống ... do đó rất dễ dàng phát sinh biến dị. Tần số biến dị thường ở mức 10-5-10-10. Chỉ sau một thời gian ngắn đã có thể tạo ra một số lượng rất lớn các cá thể biến dị ở các hế hệ sau. Những biến dị có ích sẽ đưa lại hiệu quả rất lớn trong sản xuất. Nếu như khi mới phát hiện ra penicillin hoạt tính chỉ đạt 20 đơn vị/ml dịch lên men (1943) thì nay đã có thể đạt trên 100 000 đơn vị/ml. Khi mới phát hiện ra acid glutamic chỉ đạt 1-2g/l thì nay đã đạt đến 150g/ml dịch lên men (VEDAN-Việt Nam). 1.2.5) Phân bố rộng, chủng loại nhiều : Vi sinh vật có mặt ở khắp mọi nơi trên Trái đất, trong không khí, trong đất, trên núi cao, dưới biển sâu, trên cơ thể, người, động vật, thực vật, trong thực phẩm, trên mọi đồ vật... Vi sinh vật tham gia tích cực vào việc thực hiện các vòng tuần hoàn sinh-địa-hoá học (biogeochemical cycles) như vòng tuần hoàn C, vòng tuần hoàn n, vòng tuần hoàn P, vòng tuần hoàn S, vòng tuần hoàn Fe... Trong nước vi sinh vật có nhiều ở vùng duyên hải (littoral zone), vùng nước nông (limnetic zone) và ngay cả ở vùng nước sâu (profundal zone), vùng đáy ao hồ (benthic zone). 10 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VI SINH VẬT NÓI CHUNG Trong không khí thì càng lên cao số lượng vi sinh vật càng ít. Số lượng vi sinh vật trong không khí ở các khu dân cư đông đúc cao hơn rất nhiều so với không khí trên mặt biển và nhất là trong không khí ở Bắc cực, Nam cực... Hầu như không có hợp chất carbon nào (trừ kim cương, đá graphít...) mà không là thức ăn của những nhóm vi sinh vật nào đó (kể cả dầu mỏ, khí thiên nhiên, formol. dioxin...). Vi sinh vật có rất phong phú các kiểu dinh dưỡng khác nhau : quang tự dưỡng (photoautotrophy), quang dị dưỡng (photoheterotrophy), hoá tự dưỡng (chemoautotrophy), hoá dị dưỡng (chemoheterotrophy).tự dưỡng chất sinh trưởng (auxoautotroph), dị dưỡng chất sinh trưởng (auxoheterotroph)... 1.2.6)Vi sinh vật xuất hiện đầu tiên trên trái đất : Trái đất hình thành cách đây 4,6 tỷ năm nhưng cho đến nay mới chỉ tìm thấy dấu vết của sự sống từ cách đây 3,5 tỷ năm. Đó là các vi sinh vật hoá thạch còn để lại vết tích trong các tầng đá cổ. Vi sinh vật hoá thạch cỗ xưa nhất đã được phát hiện là những dạng rất giống với Vi khuẩn lam ngày nay. Chúng được J.William Schopf tìm thấy tại các tầng đá cổ ở miền Tây Australia. Chúng có dạng đa bào đơn giản, nối thành sợi dài đến vài chục mm với đường kính khoảng 1-2 mm và có thành tế bào khá dày. Trước đó các nhà khoa học cũng đã tìm thấy vết tích của chi Gloeodiniopsis có niên đại cách đây 1,5 tỷ năm và vết tích của chi Palaeolyngbya có niên đại cách đây 950 triệu năm. Vết tích vi khuẩn lam Vết tích Gloeodiniopsis cách đây Vết tích Palaeolyngbya cách đây cách đây 3,5 tỷ năm 1,5 tỷ năm 950 triệu năm Hình 1.7: Các vết tích về sự xuất hiện của vi sinh vật 11 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VI SINH VẬT NÓI CHUNG 1.3 Hình thái và cấu tạo tế bào vi sinh vật:[10, 14] 1.3.1 Vi khuẩn: a.Hình thái, kích thước: Vi khuẩn có nhiều hình thái, kích thước và cách sắp xếp khác nhau. Đường kính của phần lớn vi khuẩn trong khoảng 0,2 – 2,0 m, chiều dài cơ thể khoảng 2,0 – 8,0 m. Những hình dạng chủ yếu của vi khuẩn là hình cầu, hình que, hình dấu phẩy, hình xoắn, hình có cuống, hình có sợi... b.Thành tế bào: Thành tế bào (cell wall) giúp duy trì hình thấi của tế bào, hỗ trợ sự chuyển động của tiên mao (flagellum) , giúp tế bào đề kháng với áp suất thẩm thấu, hỗ trợ quá trình phân cắt tế bào , cản trở sự xâm nhập của một số chất có phân tử lớn, liên quan đến tính kháng nguyên , tính gây bệnh, tính mẫn cảm với Thực khuẩn thể (bacteriophage). c.Màng sinh chất: Màng sinh chất hay Màng tế bào chất ở vi khuẩn cũng tương tự như ở các sinh vật khác. Chúng cấu tạo bởi 2 lớp phospholipid, chiếm 30-40% khối lượng của màng, và các protein (nằm trong, ngoài hay xen giữa màng), chiếm 60-70% khối lượng của màng. Đầu phosphat của phospholipid tích điện, phân cực, ưa nước ; đuôi hydrocarbon không tích điện, không phân cực, kỵ nước. Màng sinh chất có các chức năng chủ yếu sau đây: - Khống chế sự qua lại của các chất dinh dưỡng, các sản phẩm trao đổi chất - Duy trì áp suất thẩm thấu bình thường trong tế bào. - Là nơi sinh tổng hợp các thành phần của thành tế bào và các polyme của bao nhày (capsule). - Là nơi tiến hành quá trình phosphoryl oxy hoá và quá trình phosphoryl quang hợp (ở vi khuẩn quang tự dưỡng) - Là nơi tổng hợp nhiều enzym, các protein của chuỗi hô hấp. - Cung cấp năng lượng cho sự hoạt động của tiên mao d.Tế bào chất : Tế bào chất là phần vật chất dạng keo nằm bên trong màng sinh chất, chứa tới 80% là nước. Trong tế bào chất có protein, acid nucleic, hydrat carbon, lipid, các ion vô cơ và nhiều nhiều chất khác có khối lượng phân tử thấp. Bào quan đáng lưu ý trong TBC là ribosom (ribosome). Ribosom nằm tự do trong tế bào chất và chiếm tới 70% trọng lượng khô của TBC. Ribosom gồm 2 tiểu phần (50S và 30S), 12 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VI SINH VẬT NÓI CHUNG hai tiểu phần này kết hợp với nhau tạo thành ribosom 70S. S là đơn vị Svedbergđại lượng đo tốc độ lắng khi ly tâm cao tốc. e.Thể nhân: Thể nhân ( Nuclear body) ở vi khuẩn là dạng nhân nguyên thuỷ, chưa có màng nhân nên không có hình dạng cố định, và vì vậy còn được gọi là vùng nhân. Khi nhuộm màu tế bào bằng thuốc nhuộm Feulgen có thể thấy thể nhân hiện màu tím. Đó là 1 nhiễm sắc thể (NST, chromosome) duy nhất dạng vòng chứa 1 sợi ADN xoắn kép. Thể nhân là bộ phận chứa đựng thông tin di truyền của vi khuẩn. f.Bao nhầy: Thành phần chủ yếu của bao nhầy là polysaccarid, ngoài ra cũng có polypeptid và protein. Trong thành phần polysaccarid ngoài glucose còn có glucozamin, ramnose, acid 2-keto-3-deoxygalacturonic, acid uronic, acid pyruvic, acid axetic... Ý nghĩa sinh học của bao nhầy là: - Bảo vệ vi khuẩn trong điều kiện khô hạn, bảo vệ vi khuẩn tránh bị thực bào (trường hợp Phế cầu khuẩn-Diplococcus pneumoniae) - Cung cấp chất dinh dưỡng cho vi khuẩn khi thiếu thức ăn - Là nơi tích luỹ một số sản phẩm trao đổi chất (dextran, xantan...) - Giúp vi khuẩn bám vào giá thể ( trường hợp các vi khuẩn gây sâu răng như Streptococcus salivarrius, Streptococcus mutans...) g.Tiên mao: Tiên mao (Lông roi, flagella) không phải có mặt ở mọi vi khuẩn, chúng quyết định khả năng và phương thức di động của vi khuẩn. Tiên mao là những sợi lông dài, dưới kính hiển vi quang học chỉ có thể thấy rõ khi nhuộm theo phương pháp riêng. Dưới kính hiển vi điện tử có thể thấy rất rõ cấu trúc của từng sợi tiên mao. Kiểu sắp xếp tiên mao liên quan đến hình thức di động của vi khuẩn. Tiên mao mọc ở cực giúp vi khuẩn di động theo kiẻu tiến- lùi. Chúng đảo ngược hướng bằng cách đảo ngược hướng quay của tiên mao. Vi khuẩn di động theo hướng nào thì các tiên mao chuyển động theo hướng ngược lại. Khi tiên mao không tụ lại về một hướng thì vi khuẩn chuyển động theo kiểu nhào lộn. Tốc độ di chuyển của vi khuẩn có tiên mao thường vào khoảng 20-80µm/giây, nghĩa là trong 1 giây chuyển động được một khoảng cách lớn hơn gấp 20-80 lần so với chiều dài của cơ thể chúng. 13