Quá trình trao đổi chất ở vi sinh vật

QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI CHẤT Ở VI SINH
VẬT
KHÁI NIỆM CƠ BẢN
- Trao đổi chất
- Con đường trao đổi chất
- Tiền tố
- Quá trình trao đổi chất bao gồm: trao đổi năng
lượng
và trao đổi vật chất xây dựng tế bào
Dị hóa (catabilism)
•
Đồng hóa (anabolism)
•
- Vật chất tế bào
- Sản phẩm trao đổi chất (metabolite)
Chất trao đổi bậc 1 (primary metabolite):
•
Chất trao đổi bậc 2 (secondary metabolite):
•

Q TRÌNH TRAO ĐỔI NĂNG LƯỢNG
Có 2 dạng trao đổi năng lượng: hô hấp và lên men
HƠ HẤP (respiration): chuỗi hơ hấp tham gia vào
q
trình tổng hợp ATP
-


Thành

phần của chuỗi hơ hấp:

Flavoprotein
•
Protein Fe-S
•
Ubiquinone (coenzyme Q)
•
Cytochrome
•
43


-

Phân loại: có 2 kiểu hơ hấp
Hơ hấp hiếu khí (aerobic respiration)
•
Hơ hấp kỵ khí (anaerobic respiration)
•

LÊN MEN (fermentation): chuỗi hơ hấp khơng tham
gia
vào q trình tổng hợp ATP

Phân loại q trình lên men
- Lên men hiếu khí: do vsv hiếu khí gây ra (có sự
tham
gia của oxy)
- Lên men kỵ khí: do vi sinh vật kỵ khí hay kị khí
tùy
tiện gây ra

44


LÊN MEN KỴ KHÍ
Q trình lên men rượu
1.
Bản chất: là q trình phân hủy đường thành rượu và
khí carbonic dưới tác dụng của vsv.
Phương trình phản ứng:
-

-

Hệ vsv: nấm men (enzyme zimaza): S. cerevisiae (16%

cồn) và S. oviformis (19-22% cồn), vi khuẩn, nấm mốc
(mucor)
Nguyên liệu: đường lactose chỉ lên men được dưới tác
dụng của nấm men S. lactis, đường rafinose lên men được
1/3, tinh bột và cellulose không thể lên men được. Ngoài
ra, nguyên liệu sản xuất rượu cồn thường là: ngũ cốc (lúa,
ngơ, khoai, sắn, lúa mì, lúa mạch, cao lương)..., rỉ đường ...
Chú ý: nấm men nổi (S. cerevisiae), nấm men chìm (S.
carlsbergensis hay S. uvarum). Theo Kreger-van-Rij,1984:
chìm + nổi = S. cerevisiae
Thành tựu công nghệ mới: nấm men cố định
(immobilized yeast cells)
Quá trình lên men lactic:

2.
Bản chất: là q trình chuyển hóa đường thành acid
lactic nhờ vsv. Lên men lactic có 2 dạng: lên men đồng


hình và lên men dị hình
45


-

•

Phương trình phản ứng:

Ngồi sản phẩm chính là acid lactic, chúng ta còn thu
được các sản phẩm phụ như: acid succinic, acid
lactic, acid
acetic, rượu etylic, khí CO2 và H2.

-

Hệ vsv: vi khuẩn lactic (thường có dạng hình cầu,
hình

ovan và hình que), kích thước: 1-8μm, đứng riêng rẽ
hoặc
kết thành chuỗi. Vi khuẩn lên men lactic đồng hình
(S.
lactis, L. bulgaricus…), vi khuẩn lactic lên men dị hình

(S.
L. brevis, L. lycopersici…)
Nguyên liệu: vi khuẩn lactic lên men được mono và
disaccharide (một số không sử dụng maltose); không
lên
men được tinh bột và các polysaccharide khác.
Quá trình lên men propionic:
3
. Bản chất: quá trình phân hủy đường, acid lactic,
- muối


lac
tat
e
thà
nh
aci
d
pr
opi
oni
c,
C
O2
và
H2
O
dư
ới

tác
dụ
ng
củ
a
vsv
Ph
ươ
ng 46
trìn
h
ph
ản
ứn
g:


-

Hệ vsv: nhờ nhóm vk propionic
thuộc giống Propionibacterium (trực
khuẩn hơi bị uốn cong, gram dương).
Nguyên liệu: ngoài cơ chất là
đường và acid lactic, những vk
còn lên

Propionibacterium

men được acid pyruvic, glycerine và một số chất
khác.

Chúng phân hủy aa, tách các acid béo ra thành dạng
tự do
làm cho thực phẩm ôi và có vị đắng.
Q trình lên men butyric:
4
. Bản chất: q trình phân hủy đường thành acid
butyric, CO2 và H2O dưới tác dụng của vk butyric.
Trong
q trình lên men cịn xuất hiện tổ hợp các sản phẩm
phụ:
acetone, rượu butylic, ethanol, acid acetic.
Phương trình phản ứng:
Hệ vsv: vk butylic thuộc giống Clostridium (trực
- khuẩn
lớn, chuyển động, sinh bào tử, kỵ khí bắt buộc)
Nguyên liệu: có thể lên men các loại đường, tinh
- bột,


de
xtr
in,
pe
cti
n,
gly
cer
ine
và
các

mu
ối
lac
tat
e
…
*
Qu
á
trì
nh
lên
me
n
nà
y
đư
ợc
dù
ng
để
sả
n
xu
ất
aci
d
bu
tyr
ic

từ khoai tây, bột nấu, bã tinh bột, đường (ester
của butyric là các chất thơm: ester metylic có mùi táo,
47


ester etylic có mùi mận, ester amylic có mùi dứa…). Các
ester này dùng trong sản xuất bánh kẹo và mỹ phẩm.
Q trình lên men acetone-butanol:
5.
Bản chất: q trình chuyển hóa đường thành các sản
phẩm như: acetone, butanol, ethanol, CO2 và H2O; sản
phẩm phụ là acid butyric.
Phương trình phản ứng:
-

-

Hệ vsv: Cl. acetobutylicum (lên men được tất cả

hydrate carbon, trừ cellulose). Được ứng dụng trong sản
xuất acetone và butanol.
LÊN MEN HIẾU KHÍ
Lên men acetic
1.
Bản chất: là q trình oxy hóa rượu ethylic thành acid
acetic do vsv
Phương trình phản
- ứng:

48


-

Hệ vsv: giống Acetobacter (hiện nay người ta mô tả
được 20 loài thuộc giống này): A. aceti, A. xillinum …
Vk
acetic có đặc điểm là dễ thay đổi hình dạng: ở điều
kiện
bình thường có hình sợi dài và kết thành màng trên
bề mặt
cơ chất; ở điều kiện bất lợi thì lại phình to, phồng
…
Ngun liệu: phương pháp thủ cơng (A. orleanense)
- VS
quy mô công nghiệp (A. schuzenbachii và A. aceti).
Lên men citric
2
. Bản chất: là q trình oxy hóa đường thành acid
- citric
dưới tác dụng của vsv (thường là nấm mốc A. niger)
Phương trình phản ứng:
-

-

Hệ vsv: nấm mốc A. niger

Nguyên liệu: rỉ đường (15%), bột sắn được đường

- hóa
* Phương pháp nuôi cấy bề mặt VS phương pháp
nuôi cấy
bề sâu.
Phân hủy cellulose và pectin
3
. Là quá trình phân hủy cellulose và pectin dưới tác
dụng của những vsv có hoạt tính enzyme pectinase và


cel
lul
ase
(vd
:
nấ
m
m
ốc,
vi
kh
uẩ
n)
Ưu: q
trình
khống
hóa xác
- ực vật
th
Nhược

điểm:
q trình
phá hủy
thịt quả,
mơ thực
vật
Ứng
dụng:
49


4. Phân hủy lipid (chất béo) và (fatty acid) acid béo
- Bản chất:
• thủy phân chất béo thành glycerine và acid béo tự do
(enzyme lipase từ Aspergillus và Penicillum); enzyme
lipoxygenase xúc tác quá trình peroxide của các acid
béo.
Glycerine: vsv chuyển hóa thành CO2 và H2O
•
Các peroxide: bị oxy hóa thành các sản phẩm trung
•
gian như: oxide acid, aldehyde, cetone … cuối cùng bị
vsv
chuyển hóa thành CO2 và H2O


50


Q TRÌNH TRAO ĐỔI GLUCID

1. DỊ HĨA GLUCID
Cơ chất hexose
Con đường đường phân (Glycolytic pathway) / EMP
(Embden-Meyerhof-Parnas)

51


-

Trong điều kiện có oxy: acid piruvic sẽ đi vào chu trình
Kreb (chu trình tricarboxylic, acid citric), sản phẩm
cuối
cùng là H2O, CO2 và ATP

-

Trong điều kiện khơng có oxy: xảy ra qt lên men

52


Cơ chất oligo-saccharide: được thủy phân để tạo thành
hexose
Dưới tác dụng của enzyme sẽ tạo thành các monohexose. Ví dụ: maltose (enzyme maltase), lactose (enzyme
lactase), saccharose (enzyme invertase), raffinose (enzyme
invertase và melibiase) …
Dùng enzyme thủy phân thành các mono hexose, sau
đó hexose sẽ đi vào con đường EMP
Cơ chất polisaccharide: được thủy phân để tạo thành

các mono- và oligo- saccharide
Dưới tác dụng của enzyme sẽ tạo thành các mono và
oligo. Ví dụ: tinh bột (enzyme amylase), hemicellulose
(enzyme cellulase),
(enzyme hemicellulase), cellulose
pectine (enzyme pectinase), inuline (inulase)…
2. ĐỒNG HÓA GLUCID
Tổng hợp glycogen từ glucose (nấm men)
Tổng hợp levan, dextran, cellulose...
-

QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI PROTEIN
1. DỊ HÓA PROTEIN
Các phản ứng thủy phân protein bởi hệ enzyme
protease. Vd: hệ enzyme trong ruột cá


53


Ứng dụng: sản xuất nước chấm lên men (nước mắm, nước
tương), chao, phơ mai
2. ĐỒNG HĨA PROTEIN
Ngun tắc: phản ứng trao đổi amin và deamin hóa
Ứng dụng: sản xuất sinh khối giàu protein làm thức ăn gia
súc
QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI LIPID
1. DỊ HÓA LIPID
Các phản ứng thủy phân lipid bởi hệ enzyme lipase
thành glycerine và acid béo

Phản ứng chuyển hóa acid béo thành ATP (chu trình
Kreb)
2. ĐỒNG HĨA LIPID
Tổng hợp triglyceride từ glycerine và acid béo
Ứng dụng: sản xuất acid béo (DHA)

54