Thành viên cũ
Senior Member
CÁC QUÁ TRÌNH LÊN MEN
1. Lên men lactic.
1.1. Vi khuẩn lactic.
Nhóm vi khuẩn lactic rất đa dạng gồm nhiều giống rất khác nhau, tế bào của chúng có thề là hình cầu, hình que, phân biệt chúng về khả năng lên men đồng hình hay dị hình.
Lên men đồng hình thực tế chỉ xuất hiện axit lactic có ý nghĩa về mặt công nghiệp.
Lên men dị hình các sản phẩm cuối cùng khá đa dạng axit lactic, etanol, axit acetic, CO2.
Tất cả vi khuẩn lactic đều có đặc điểm chung là:
- Đó là những vi khuẩn Gram dương, nói chung là bất động, không sinh bào tử.
- Khả năng tổng hợp nhiều hợp chất cần cho sự sống của những vi khuẩn này rất yếu.
- Do đó, chúng là những vi khuẩn kỵ khí tùy nghi, vì hiếu khí, là loại có khả năng lên men hiếu khí cũng như kỵ khí.
1.2. Cơ chế sinh hóa của quá trình lên men lactic.
Phương trình tóm tắt của quá trình lên men lactic:
C6H12O6 -> 2C3H6O3+136 Kj (32,4 Kcal).
1.3. Ứng dụng của lên men lactic
1.3.1 Sử dụng vi khuẩn để muối chua rau quả, ủ chua thức ăn gia súc (làm chín sinh học các loại quả).
Đây là hình thức bảo quản thực phẩm bằng công nghệ lên men vi sinh vật. Quá trình chuyển hóa sinh học trong khi muối rau quả có thể chia làm các giai đoạn:
a. Muối ăn (NaCl) có nồng độ 2,5 – 3% khi muối dưa sẽ làm cho môi trường ưu trương đường và các chất từ tế bào rau quả một phần sẽ khuếch tán ra môi trường, do đó vi khuẩn lactic cùng các vi sinh vật khác cùng phát triển.
b. Do vi khuẩn lactic phát triển mạnh, nên pH môi trường giảm xuống 3 – 3,5, làm ức chế các vi khuẩn khác, chỉ còn vi khuẩn lactic phát triển, chúng chiếm ưu thế tuyệt đối, rau quả trở nên chua, ngon.
Đây là giai đoạn quyết định, nếu không tạo được ưu thế của vi khuẩn lactic, thì các vi khuẩn khác sẽ phát triển làm rau, dưa khú bởi các nguyên nhân sau:
- Rau quả rửa không kỹ, làm dập nát, có nhiều tạp khuẩn.
- Cho muối không đúng 2,5 – 3% (nếu quá 5 – 6% sẽ ức chế cả vi khuẩn lactic, nếu dưới 3% thì nhiều tạp khuẩn sẽ phát triển lấn át).
- Không đậy, nén kỹ, không tạo được điều kiện kỵ khí cho vi khuẩn lactic phát triển.
- pH là yếu tố rất quan trọng, nếu vi khuẩn lactic phát triển ưu thế thì pH sẽ là 3 – 3,5, còn nếu không thì vi sinh vật khác sẽ phát triển (pH 4,5 – 5: vi khuẩn gây thối hoạt động, pH 5 – 5,5: vi khuẩn đường ruột phát triển, pH 2.5 – 3: nấm men dại hoạt động, pH 1,2 – 3: nấm mốc phát triển).
c. Giai đoạn 3: Khi rau quả đã chua, pH giảm xuống đến 3, thì ngay cả vi khuẩn lactic cũng bị ức chế, nếu cứ để tự nhiên như vậy thì các nấm men dại, nấm mốc sẽ bắt đầu phát triển phân giải axit lactic thành CO2 và H2O, pH tăng lên, sản phẩm bắt đầu có váng (váng dưa, váng cá) và môi trường giảm chua, có mùi mốc, có nhiều bọt khí (nấm men dại thường có là Geotrichumcandidum).
Khi muối rau quả lên men lactic ra sẽ có thành phẩm đạt yêu cầu:
- Tạo được sinh khối vi khuẩn có ích, át các sinh vật gây thối.
- Gây chua, tạo hương vị thơm ngon cho sản phẩm.
- Chuyển rau quả về dạng “chín sinh học” do đó mà hiệu suất tiêu hóa tăng. Nếu muốn giữ sản phẩm không cho “quá lactic” thì có thể giữ ở nhiệt độ thấp (2-4oC) đồng thời bổ sung chất diệt nấm như Bensozt natri 1%, dịch chiết tỏi, gừng, giềng...
Cần nói thêm rằng vi khuẩn lactic không phá vỡ tế bào thực vật, nên dưa quả muối chua vẫn có hình dạng gần như không thay đổi.
1.3.2 Sử dụng vi khuẩn lactic để sản xuất sữa chua (yaourt).
1.3.3 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. Trước khi cho lên men, các nguyên liệu này phải được thủy phân sơ bộ để thu được dịch thủy phân chứa các loại đường khác nhau.
2. Lên men focmic
Một số loại vi khuẩn, nhất là các vi khuẩn thuộc họ trực khuẩn đường ruột (Enterobacteriaceae) có khả năng lên men đường tạo thành axit focmic (HCOOH) & một số sản phẩm khác. Quá trình lên men này gọi là quá trình lên men focmic. Axit focmic sau khi sinh ra sẽ tích lũy lại trong môi trường hoặc chuyển hóa thành H2 và CO2 (nếu môi trường có phản ứng axit) dưới tác dụng của men focmiat hidrogenliaza:
HCOOH H2 +CO2
Các chi vi khuẩn đường ruột có khả năng lên men focmic có hình thái rất giống nhau. Đó là những trực khuẩn Gram âm, chu mao, di động mạnh, không sinh bào tử, kỵ khí không bắt buộc, có thể phát triển được cả trên những môi trường đơn giản không chứa đạm hữu cơ.
Sản phẩm của quá trình lên men focmic bao gồm rất nhiều loại khác nhau: axit focmic, axit acetic, axit xucxinic, axit lactic, etanol, glixerin, axetoin (axetyl metylcacbinol) 2,3 – butadiol, CO2 và H2. Tùy từng loại vi khuẩn đường ruột mà các sản phẩm lên men có thể khác nhau rất nhiều.
3. Lên men butiric và lên men axeton – butanol.
Axit butiric, butanol, axeton, izopropanol và một số loại rượu, axit hữu cơ khác là sản phẩm của quá trình lên men hidratcacbon thực hiện bởi một nhóm vi khuẩn kí khí sinh bào tử thuộc chi Clostridium. Quá trình lên men tạo axit butiric và một số sản phẩm khác được gọi là quá trình lên men butiric.
Chi Clostridium bao gốm các vi khuẩn G+, có khả năng di động nhờ các tiên mao mọc khắp quanh cơ thể, tế bào dinh dưỡng hình que nhưng vì bào tử có kích thước lớn hơn chiều ngang của tế bào dinh dưỡng nên khi mang bào tử tế bào sẽ có dạng hình thoi hay hình dùi trống. Đa số các loài Clostridium là kỵ khí bắt buộc, chỉ có một số ít loài (như C. pectinovorum, C. histolyticum...) là kỵ khí không bắt buộc.
Một số loài Clostridium (điển hình nhất là C. pasteurianum) có khả năng cố định nitrogen không khí. Chúng có mặt ở hầu hết các mẫu đất (kể cả những đất có độ pH khá thấp) và có ý nghĩa rất tích cực đối với việc làm năng cao dự trữ đạm của đất.
Quá trình lên men butiric và lên men axeton – butiric từ lâu đã được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. Axit butiric sử dụng trong công nghiệp sản xuất bánh kẹo, nước giải khát, chất thơm, công nghiệp thuộc da... Axeton là dung môi quan trọng được sử dụng nhiều trong các ngành sàn xuất thuốc nổ, chất dẻo, tinh luyện dầu hỏa, chiết rút dầu thực vật, xử lý phim ảnh, chế tạo chất thơm... Axeton còn được dùng nhiều trong phân tích hóa học trong nghiên cứu khoa học. Butanol cũng là một dung môi rất phổ biến để hòa tan chất sơn, chất màu, chất bèo, nhựa, sáp... Butalnol còn là nguyên liệu để tổng hợp butadien dùng trong tổng hợp cao su nhân tạo.
Vi khuẩn thường được dùng để lên men butiric là loài Clostridium butyricum (tên cũ là Granulobacter saccharobutylicus). Loại vi khuẩn này có hình que. Bào tử có hình bầu dục. Bào tử có thể chịu đựng được khá cao đối với những điều kiện bất lợi của ngoại cảnh (trong nước sôi có thể sống được đến 1 – 2 phút).
Vi khuẩn lên men butilic thuộc loại kỵ khí bắt buộc. Nhiệt độ thích hợp để phát triển là 30 – 37oC. Trong sản xuất, để lên men butilic người ta thường sử dụng rỉ đường, các nguyên liệu giàu tinh bột (khoai tây ngũ cốc) hoặc bã thải của các nhà máy bột, nhà máy sản xuất axit lactic. Để dùng làm nguồn thức ăn nitơ, người ta thường bổ sung đậu, khô đậu hoặc khô lạc.
Vi khuẩn butilic phân bố rất rộng rãi trong tự nhiên. Chúng có thể phát triển và làm ảnh hưởng tới một số quá trình lên men khác (như quá trình sản xuất rượu, bia, men ăn...). Vi khuẩn butilic còn là một trong những nguyên nhân trực tiếp trong việc làm hư hỏng rau quả, thịt cá, đồ hộp (các sản phẩm lên men butilic sẽ có mùi chua ủng).
Vi khuẩn thường được dùng để lên men aceton – butilic là loài C. acetobutylicum hoặc loài C. saccharo – acetobutylicum. Đó là những vi khuẩn hình quy kỵ khí, có khả năng di động. Nhiệt độ thích hợp với loài đầu là 38oC còn đối với loài thứ hai là 30oC. Vi khuẩn axeton – butilic phân bố rất rộng rãi trong tự nhiên, nhất là trong bùn ruộng, bùn ao.
4. Lên men metan
Vi khuẩn sinh metan cũng là những vi khuẩn kỵ khí bắt buộc. Chúng chuyển hóa rượu và axit hữu cơ thành CH4, CO2 và có thể còn sinh ra một số axit hữu cơ được oxi hóa triệt để.
Metan có thể được sinh ra do quá trình khử CO2 dưới tác dụng của chủng Methanobacterium M.O.H. Quá trình lên men này rất đơn giản, chất cho hidro ở đây là hidro phân tử:
CO2 + 4H2 -> CH4 + 2H2O
Vi khuẩn sinh metan được chứng minh là loại vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp mạnh mẽ vitamin B12.
1. Lên men lactic.
1.1. Vi khuẩn lactic.
Nhóm vi khuẩn lactic rất đa dạng gồm nhiều giống rất khác nhau, tế bào của chúng có thề là hình cầu, hình que, phân biệt chúng về khả năng lên men đồng hình hay dị hình.
Lên men đồng hình thực tế chỉ xuất hiện axit lactic có ý nghĩa về mặt công nghiệp.
Lên men dị hình các sản phẩm cuối cùng khá đa dạng axit lactic, etanol, axit acetic, CO2.
Tất cả vi khuẩn lactic đều có đặc điểm chung là:
- Đó là những vi khuẩn Gram dương, nói chung là bất động, không sinh bào tử.
- Khả năng tổng hợp nhiều hợp chất cần cho sự sống của những vi khuẩn này rất yếu.
- Do đó, chúng là những vi khuẩn kỵ khí tùy nghi, vì hiếu khí, là loại có khả năng lên men hiếu khí cũng như kỵ khí.
1.2. Cơ chế sinh hóa của quá trình lên men lactic.
Phương trình tóm tắt của quá trình lên men lactic:
C6H12O6 -> 2C3H6O3+136 Kj (32,4 Kcal).
1.3. Ứng dụng của lên men lactic
1.3.1 Sử dụng vi khuẩn để muối chua rau quả, ủ chua thức ăn gia súc (làm chín sinh học các loại quả).
Đây là hình thức bảo quản thực phẩm bằng công nghệ lên men vi sinh vật. Quá trình chuyển hóa sinh học trong khi muối rau quả có thể chia làm các giai đoạn:
a. Muối ăn (NaCl) có nồng độ 2,5 – 3% khi muối dưa sẽ làm cho môi trường ưu trương đường và các chất từ tế bào rau quả một phần sẽ khuếch tán ra môi trường, do đó vi khuẩn lactic cùng các vi sinh vật khác cùng phát triển.
b. Do vi khuẩn lactic phát triển mạnh, nên pH môi trường giảm xuống 3 – 3,5, làm ức chế các vi khuẩn khác, chỉ còn vi khuẩn lactic phát triển, chúng chiếm ưu thế tuyệt đối, rau quả trở nên chua, ngon.
Đây là giai đoạn quyết định, nếu không tạo được ưu thế của vi khuẩn lactic, thì các vi khuẩn khác sẽ phát triển làm rau, dưa khú bởi các nguyên nhân sau:
- Rau quả rửa không kỹ, làm dập nát, có nhiều tạp khuẩn.
- Cho muối không đúng 2,5 – 3% (nếu quá 5 – 6% sẽ ức chế cả vi khuẩn lactic, nếu dưới 3% thì nhiều tạp khuẩn sẽ phát triển lấn át).
- Không đậy, nén kỹ, không tạo được điều kiện kỵ khí cho vi khuẩn lactic phát triển.
- pH là yếu tố rất quan trọng, nếu vi khuẩn lactic phát triển ưu thế thì pH sẽ là 3 – 3,5, còn nếu không thì vi sinh vật khác sẽ phát triển (pH 4,5 – 5: vi khuẩn gây thối hoạt động, pH 5 – 5,5: vi khuẩn đường ruột phát triển, pH 2.5 – 3: nấm men dại hoạt động, pH 1,2 – 3: nấm mốc phát triển).
c. Giai đoạn 3: Khi rau quả đã chua, pH giảm xuống đến 3, thì ngay cả vi khuẩn lactic cũng bị ức chế, nếu cứ để tự nhiên như vậy thì các nấm men dại, nấm mốc sẽ bắt đầu phát triển phân giải axit lactic thành CO2 và H2O, pH tăng lên, sản phẩm bắt đầu có váng (váng dưa, váng cá) và môi trường giảm chua, có mùi mốc, có nhiều bọt khí (nấm men dại thường có là Geotrichumcandidum).
Khi muối rau quả lên men lactic ra sẽ có thành phẩm đạt yêu cầu:
- Tạo được sinh khối vi khuẩn có ích, át các sinh vật gây thối.
- Gây chua, tạo hương vị thơm ngon cho sản phẩm.
- Chuyển rau quả về dạng “chín sinh học” do đó mà hiệu suất tiêu hóa tăng. Nếu muốn giữ sản phẩm không cho “quá lactic” thì có thể giữ ở nhiệt độ thấp (2-4oC) đồng thời bổ sung chất diệt nấm như Bensozt natri 1%, dịch chiết tỏi, gừng, giềng...
Cần nói thêm rằng vi khuẩn lactic không phá vỡ tế bào thực vật, nên dưa quả muối chua vẫn có hình dạng gần như không thay đổi.
1.3.2 Sử dụng vi khuẩn lactic để sản xuất sữa chua (yaourt).
1.3.3 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. Trước khi cho lên men, các nguyên liệu này phải được thủy phân sơ bộ để thu được dịch thủy phân chứa các loại đường khác nhau.
2. Lên men focmic
Một số loại vi khuẩn, nhất là các vi khuẩn thuộc họ trực khuẩn đường ruột (Enterobacteriaceae) có khả năng lên men đường tạo thành axit focmic (HCOOH) & một số sản phẩm khác. Quá trình lên men này gọi là quá trình lên men focmic. Axit focmic sau khi sinh ra sẽ tích lũy lại trong môi trường hoặc chuyển hóa thành H2 và CO2 (nếu môi trường có phản ứng axit) dưới tác dụng của men focmiat hidrogenliaza:
HCOOH H2 +CO2
Các chi vi khuẩn đường ruột có khả năng lên men focmic có hình thái rất giống nhau. Đó là những trực khuẩn Gram âm, chu mao, di động mạnh, không sinh bào tử, kỵ khí không bắt buộc, có thể phát triển được cả trên những môi trường đơn giản không chứa đạm hữu cơ.
Sản phẩm của quá trình lên men focmic bao gồm rất nhiều loại khác nhau: axit focmic, axit acetic, axit xucxinic, axit lactic, etanol, glixerin, axetoin (axetyl metylcacbinol) 2,3 – butadiol, CO2 và H2. Tùy từng loại vi khuẩn đường ruột mà các sản phẩm lên men có thể khác nhau rất nhiều.
3. Lên men butiric và lên men axeton – butanol.
Axit butiric, butanol, axeton, izopropanol và một số loại rượu, axit hữu cơ khác là sản phẩm của quá trình lên men hidratcacbon thực hiện bởi một nhóm vi khuẩn kí khí sinh bào tử thuộc chi Clostridium. Quá trình lên men tạo axit butiric và một số sản phẩm khác được gọi là quá trình lên men butiric.
Chi Clostridium bao gốm các vi khuẩn G+, có khả năng di động nhờ các tiên mao mọc khắp quanh cơ thể, tế bào dinh dưỡng hình que nhưng vì bào tử có kích thước lớn hơn chiều ngang của tế bào dinh dưỡng nên khi mang bào tử tế bào sẽ có dạng hình thoi hay hình dùi trống. Đa số các loài Clostridium là kỵ khí bắt buộc, chỉ có một số ít loài (như C. pectinovorum, C. histolyticum...) là kỵ khí không bắt buộc.
Một số loài Clostridium (điển hình nhất là C. pasteurianum) có khả năng cố định nitrogen không khí. Chúng có mặt ở hầu hết các mẫu đất (kể cả những đất có độ pH khá thấp) và có ý nghĩa rất tích cực đối với việc làm năng cao dự trữ đạm của đất.
Quá trình lên men butiric và lên men axeton – butiric từ lâu đã được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. Axit butiric sử dụng trong công nghiệp sản xuất bánh kẹo, nước giải khát, chất thơm, công nghiệp thuộc da... Axeton là dung môi quan trọng được sử dụng nhiều trong các ngành sàn xuất thuốc nổ, chất dẻo, tinh luyện dầu hỏa, chiết rút dầu thực vật, xử lý phim ảnh, chế tạo chất thơm... Axeton còn được dùng nhiều trong phân tích hóa học trong nghiên cứu khoa học. Butanol cũng là một dung môi rất phổ biến để hòa tan chất sơn, chất màu, chất bèo, nhựa, sáp... Butalnol còn là nguyên liệu để tổng hợp butadien dùng trong tổng hợp cao su nhân tạo.
Vi khuẩn thường được dùng để lên men butiric là loài Clostridium butyricum (tên cũ là Granulobacter saccharobutylicus). Loại vi khuẩn này có hình que. Bào tử có hình bầu dục. Bào tử có thể chịu đựng được khá cao đối với những điều kiện bất lợi của ngoại cảnh (trong nước sôi có thể sống được đến 1 – 2 phút).
Vi khuẩn lên men butilic thuộc loại kỵ khí bắt buộc. Nhiệt độ thích hợp để phát triển là 30 – 37oC. Trong sản xuất, để lên men butilic người ta thường sử dụng rỉ đường, các nguyên liệu giàu tinh bột (khoai tây ngũ cốc) hoặc bã thải của các nhà máy bột, nhà máy sản xuất axit lactic. Để dùng làm nguồn thức ăn nitơ, người ta thường bổ sung đậu, khô đậu hoặc khô lạc.
Vi khuẩn butilic phân bố rất rộng rãi trong tự nhiên. Chúng có thể phát triển và làm ảnh hưởng tới một số quá trình lên men khác (như quá trình sản xuất rượu, bia, men ăn...). Vi khuẩn butilic còn là một trong những nguyên nhân trực tiếp trong việc làm hư hỏng rau quả, thịt cá, đồ hộp (các sản phẩm lên men butilic sẽ có mùi chua ủng).
Vi khuẩn thường được dùng để lên men aceton – butilic là loài C. acetobutylicum hoặc loài C. saccharo – acetobutylicum. Đó là những vi khuẩn hình quy kỵ khí, có khả năng di động. Nhiệt độ thích hợp với loài đầu là 38oC còn đối với loài thứ hai là 30oC. Vi khuẩn axeton – butilic phân bố rất rộng rãi trong tự nhiên, nhất là trong bùn ruộng, bùn ao.
4. Lên men metan
Vi khuẩn sinh metan cũng là những vi khuẩn kỵ khí bắt buộc. Chúng chuyển hóa rượu và axit hữu cơ thành CH4, CO2 và có thể còn sinh ra một số axit hữu cơ được oxi hóa triệt để.
Metan có thể được sinh ra do quá trình khử CO2 dưới tác dụng của chủng Methanobacterium M.O.H. Quá trình lên men này rất đơn giản, chất cho hidro ở đây là hidro phân tử:
CO2 + 4H2 -> CH4 + 2H2O
Vi khuẩn sinh metan được chứng minh là loại vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp mạnh mẽ vitamin B12.
