Bài giảng vi sinh thực phẩm các quá trình chuyển hoá quan trọng của vi sinh vật

Bài giảng
CÁC QUÁ TRÌNH VI SINH QUAN TRỌNG
TRONG CHẾ BIẾN VÀ BẢO QUẢN
THỰC PHẨM


LỜI NÓI ĐẦU
Trao đổi chất và năng lượng là quá trình sinh hóa
quan trọng để vi sinh vật có thể sinh trưởng và phát
triển.
- Quá trình chuyển hóa glucid
- Quá trình chuyển hóa protein
- Quá trình chuyển hóa lipid
Đây là các quá trình chuyển hóa có sự ảnh hưởng lớn
đến vòng tuần hoàn vật chất trong tự nhiên và những quá
trình này được ứng dụng trong hàng loạt ngành sản xuất
cũng như làm cơ sở khoa học để chọn các phương pháp
bảo quản và chế biến thực phẩm.


QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA
GLUCID


Các con đường chuyển hóa glucid
Glucose

Con đường EMP

Con đường
Pentose

phosphate

6-phosphogluconate

6-phosphogluconate

Con đường ED

Ribulose-5-phosphate

Fructose-6-phosphate

3-phosphoglyceraldehyde

Pyruvate

Chu trình
TCA

Lên men

6-phosphogluconate




Theo con đường đường phân vi sinh vật sẽ chuyển hóa
glucose thành pyruvate và năng lượng dự trử ATP.
 Pyruvate tiếp tục được các vi sinh vật chuyển hóa theo
2 con đường: hiếu khí và kỵ khí.

- Nếu vi sinh vật hoạt động trong điều kiện hiếu khí thì
pyruvate sẽ bị oxi hóa hoàn toàn theo chu trình TCA
thành CO2 và H2O.
- Nếu vi sinh vật hoạt động trong điều kiện kỵ khí thì
pyruvate sẽ được chuyển hóa theo con đường lên men và
tạo ra các sản phẩm khác nhau.


Như vậy quá trình nào có ý nghĩa quan trọng trong
thực phẩm?

1. Quá trình oxy hóa?
2. Quá trình lên men?


Lên men là gì?
Lên men là quá trình chuyển hóa vật chất hữu cơ, mà
chủ yếu là cacbonhydrate dưới tác dụng của vi sinh vật
trong điều kiện không có oxy để thu nhận năng lượng.
Lên men là quá trình mà vi sinh vật có thể làm biến đổi
chất lượng và đặc điểm cảm quan của thực phẩm.
Lên men thực phẩm: là công nghệ sử dụng vi sinh vật
để cải tiến chất lượng thực phẩm trong quá trình sản xuất
cũng như trong bảo quản.


Kết quả của các quá trình lên men thực phẩm là gì?
- Tạo ra các thực phẩm lên men đặc trưng riêng.
- Làm biến đổi sản phẩm thực phẩm về thành phần, giá
trị dinh dưỡng, cảm quan, gia tăng giá trị hấp thụ, độ

an toàn và thời gian sử dụng…
- Giảm pH môi trường thực phẩm từ đó tiêu diệt hoặc ức
chế vi khuẩn gây hại bệnh hoặc hư hỏng thực phẩm.
- Tạo ra một số chất ức chế vi khuẩn như: diaxetyl,
hydroperoxyde, acetaldehyde và đặc biệt là
bacterriocin.


Tác nhân lên men
Không chỉ nấm men và vi khuẩn, mà cả nấm nói chung, nấm
mốc nói riêng cũng là những tác nhân của quá trình lên men, tạo ra
các sản phẩm lên men, thực phẩm lên men rất đặc biệt, khác nhau.
- Nấm men
- Vi khuẩn
- Nấm mốc
Tùy thuộc vào hệ enzyme từng loài vi sinh vật mà quá trình
chuyển hóa glucose thu được các sản phẩm lên men khác nhau.
Người ta thường dùng tên của sản phẩm điển hình được tích lũy
trong quá trình lên men để đặt tên cho quá trình lên men đó.


CÁC QUÁ TRÌNH LÊN MEN


1.1. Lên men ethanol
Định nghĩa:
Dưới tác dụng của một số loài vi sinh vật trong điều
kiện yếm khí, đường glucose được chuyển hóa thành
ethanol và khí cacbonic đồng thời giải phóng năng lượng.
Quá trình này gọi là quá trình lên men ethanol hay lên

men rượu.
Trong tất cả các quá trình chuyển hóa glucid do vi sinh
vật gây ra, sự lên men rượu được ứng dụng rộng rãi nhất
trong công nghiệp thực phẩm, ứng dụng này đã có từ thời
xưa sơ bộ để sản xuất rượu vang, bia và các nước uống
giải khát lên men khác.


Cơ chế lên men rượu

Hình 1. Quá trình chuyển hóa glucose thành rượu etylic

Phương trình tổng quát:
C6H12O6 + 2(P) + 2ADP = 2C2H5OH + 2CO2↑ + 2ATP
(glucoza)

(rượu etylic)


Cơ chế lên men rượu
Đường và các chất dinh dưỡng khác của môi trường lên
men, trước tiên được hấp thụ trên bề mặt và sau đó khuếch tán
qua màng bán thấm và vào bên trong tế bào nấm men.
Sự phân hủy đường thành rượu trong tế bào nấm men xảy
ra bằng hàng loạt các phản ứng với sự tham gia rất phức tạp
của nhiều loại enzyme khác nhau, bước cuối cùng của quá
trình lên men là sự chuyển hóa axit pyruvic thành rượu etylic
và khí CO2.
Ngoài sản phẩm chính là ethanol thì quá trình lên men rượu
còn ra nhiều sản phẩm phụ khác nhau như: glyxerin, aldehyt

axetic, các axit xucsinic, axetic, lactic và xitric, các este và
rượu bậc cao.


Các giai đoạn lên men rượu
Nếu cơ chất là sản phẩm phức tạp khác nhau như tinh
bột, xenlulose thì quá trình sẽ có hai giai đoạn.
- Giai đoạn đầu: vi sinh vật sẽ phân giải các hợp chất
hữu cơ phức tạp này thành dịch đường đơn.
- Giai đoạn hai: lên men đường thành rượu.
Điều kiện lên men rượu:
- pH lên men pH= 4-6
- Nhiệt độ lên men 3-45oC. Nếu lên men dưới 10oC thì là
lên men lạnh, trên 10oC thì gọi là lên men nóng.


Các thời kỳ lên men rượu
- Thời kỳ cảm ứng:
Lượng acetaldehyt (CH3CH=O) được tạo thành còn ít.
Ion H+ được chuyển từ NADH2 đến glyxeraldehyt-3-photphat để
tạo thành glyxerin-3-photphat.
Sau đó glyxerin-3-photphat bị khử gốc photphat để tạo thành
glyxerin.
Phương trình tổng quát:
NADH2
Glyxeracetaldehyt–3–photphat

-P

Glyxeryl

NAD+
Glyxeryl–3–photphat


Thời kỳ tỉnh
Khi lượng acetaldehyt (CH3CH=O) tạo thành đạt được
một lượng nhất định, Axetaldehyt bị khử tạo thành rượu
etylic.
Glyxerin chỉ được tạo thành từ thời kỳ cảm ứng do đó
nó chỉ là sản phẩm phụ trong khi lên men trong môi
trường axit.
Phương trình tổng quát của quá trình này như sau:
C6H12O6 + 2(P) + 2ADP = 2C2H5OH + 2CO2 + 2ATP


Nếu tiến hành kiềm hoá môi trường bằng Na2CO3, K2CO3 hay
(NH4)2CO3 thì axetaldehyt vừa bị khử vừa bị oxi hoá, vì vậy chất
nhận H2 từ NADH là glyxeraldehit 3-photphat và kết quả sẽ tạo
thành glyxerin.
Như vậy trong môi trường kiềm ta thu được glyxerin, axit axetic
và rượu etylic.
Phương trình tổng quát như sau:
CH2OH
C6H12O6 + H2O 

CHOH + CH3COOH + C2H5OH + 2CO2
CH2OH

(glucoza)

(glyxerin)

(axit acetic)


Sản phẩm lên men rượu
Theo M. Larpent – Gougaud và cộng sự (1992) thì tỷ lệ về
sản phẩm lý thuyết quá trình lên men rượu như sau:
STT

Sản phẩm lên men

Tỷ lệ %

1

Ethanol

48,4 %

2

CO2

46,6 %

3

Glycerin

3,3 %

4

Các hợp chất khác

1,5 %

5

Sinh khối tế bào

1,2 %


Nguồn nguyên liệu lên men rượu
Một số dạng nguyên liệu chính như sau:
- Nguyên liệu chứa tinh bột: bao gồm nhiều loại chứa
tinh bột khác nhau như hạt ngũ cốc, các loại củ.
- Nguyên liệu chứa đường: Các loại trái cây chín, mật rỉ
đường.
- Nguyên liệu chứa cellulose: Các nguyên liệu có
cellulose đều có khả năng lên men rượu.


Nguồn vi sinh vật lên men rượu
1. Nấm men
Nấm men là tác nhân cơ bản gây nên quá trình lên
men rượu, tuy nhiên không phải loài nào cũng lên men

đường thành rượu được mà chỉ có một số loài có khả
năng này.
Trong sản xuất hiện nay người ta thường dùng một
số loài thuộc họ Saccharomycesaceae.
Theo đặc tính lên men người ta chia nấm men thành
hai nhóm:
- Nấm men lên men nổi
- Nấm men lên men chìm.


Nấm men lên men nổi:
Là những nấm men có cường lực lên men rất nhanh và
mạnh.
Nhiệt độ thích hợp cho nấm men này sinh trưởng từ 20
÷ 28oC, có tốc độ lên men rất lớn, lượng đường tiêu thụ rất
nhiều.
Do sinh ra nhiều khí CO2 nên các tế bào nấm men ở
dưới sẽ theo CO2 nổi lên trên bề mặt, vì vậy nấm men hoạt
động mạnh hơn và lên men cả các phân tử đường trên bề
mặt.
Người ta thường sử dụng để sản xuất cồn và bánh mì.
Tiêu biểu là loài Saccharomyces cerevisiae.


Nấm men lên men chìm:
Là những nấm men có cường lực lên men yếu, nhiệt độ
thích hợp từ 5 ÷ 10oC.
Trong quá trình lên men lượng khí CO2 tạo ra ít và do
nhiệt độ thấp nên nó được giữ lại trong dung dịch lên
men.

Nấm men tiếp xúc ít và sau khi lên men chúng tạo
thành váng cặn dưới đáy thùng.
Quá trình lên men chậm và xảy ra từ từ.
Nấm men chìm thường dùng trong sản xuất bia, rượu
vang, sâmpanh. Tiêu biểu là loài Saccharomyces
ellipsoideus.


2. Nấm mốc
Nếu sản xuất rượu từ tinh bột thì chúng ta phải qua
bước đường hoá tức là giai đoạn chuyển tinh bột thành
đường. Ngày nay người ta thường sử dụng nấm mốc cho
giai đoạn này.
Nấm mốc là nguồn giàu enzyme amylase để chuyển
tinh bột thành đường.
Hiện nay người ta thường sử dụng một số loài nấm
mốc sau:
- Aspergillus oryzae
- Aspergillus usamii
- Aspergillus awamori
- Mucor rouxii


- Aspergillus oryzae: là nấm mốc có màu vàng, bào tử hở. Đặc
điểm của nó là có hệ enzyme amilase và protease. Được sử dụng
rộng rãi trong sản xuất tương và nước chấm.
- Aspergillus usamii: là nấm mốc có màu xám trắng, rất giàu
enzyme amylase. Được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp sản
xuất rượu.
- Aspergillus awamori: là nấm mốc có màu xám đen giàu enzyme

amylase. Được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp sản xuất
rượu.
- Mucor rouxii: thường có màu xám trắng, được sử dụng rộng rãi
trong các nhà máy rượu sản xuất theo phương pháp amilo.
Khác với cả 3 loài trên phải nuôi cấy trên môi trường đặc, Mucor
phát triển tốt trong môi trường lỏng và tạo nhiều enzyme amylase.


3. Vi khuẩn
Một số vi khuẩn kỵ khí và hiếu khí tùy tiện có khả năng lên men
chuyển hóa đường thành rượu như: Sasina ventriculi, Zymononas
mobylis. Ngoài ra còn có vi khuẩn lactic dị hình, vi khuẩn đường
ruột hay Clostridium cũng có khả năng lên men đường thành rượu
etylic, butylic…
Tuy nhiên, trong công nghiệp thực phẩm người ta chủ yếu sử
dụng nấm men trong lên men rượu.
Trong sản xuất một số nhà máy sản xuất còn sử dụng vi khuẩn
lactic để tạo pH môi trường thích hợp cho quá trình lên men rượu.
Tức là sau khi đường hoá xong người ta cho vi khuẩn lactic vào môi
trường, chúng sẽ phát triển và tạo lượng axit nhất định, độ axit này
thích hợp nấm men phát triển và tiến hành lên men.
Thường người ta sử dụng vi khuẩn Thermobacterium cereale và
vi khuẩn Denbrue.