giới thiệu về vi sinh vật trong công nghệ lên men

VI SINH VẬT TRONG CÔNG
NGHỆ LÊN MEN
Ths. Bùi Hồng Quân
09.09.25.24.19/09.17.27.26.25
Email:
Website: www.buihongquan.tk
GBD giữ gìn màu xanh cho quê hương, xây dựng tương lai từ chất lượng cuộc sống


SINH LÝ VI SINH VẬT
Chia làm bốn giai đoạn:
– Pha lag: làm quen môi trường, kéo dài hay ngắn tùy theo
giống vi sinh vật
– Pha log: vi sinh vật phát triển mạnh tăng sinh khối nhanh
theo cấp số 2n
– Pha cân bằng: nguồn dinh dưỡng bắt đầu cạn kiệt, số tế bào
sinh ra bằng số tế bào chết đi
– Pha suy vong: nguồn dinh dưỡng đã cạn kiệt, chất thải từ
hoạt động sống của vi sinh vật tích tụ càng nhiều, số lượng
tế bào chết nhiều hơn số lượng tế bào sống
Trong công nghệ lên men chúng ta thường quan tâm đến pha lag
và pha cân bằng. Pha lag càng ngắn thì quá trình lên men càng
nhanh


QUÁ TRÌNH LÊN MEN HAI PHA
• Pha 1: là pha sinh trưởng, thu nhận sản
phẩm bậc 1
– Sinh tổng hợp protein và xây dựng tế bào
– Các tế bào trẻ sinh trưởng nhanh và tăng
sinh khối

– Bao gồm từ nhân giống và thời gian đầu quá
trình lên men
– Sản phẩm trao đổi chất không có hoặc bắt
đầu tích tụ với số lượng nhỏ. Dấu hiệu
chuyển qua pha thứ hai


QUÁ TRÌNH LÊN MEN HAI PHA
• Pha 2: tích tụ các sản phẩm trao đổi chất, các tế bào vi sinh vật
trưởng thành, sinh khối phát triển chậm hoặc ngừng phát triển =>
thu nhận sản phẩm bậc hai
– Bắt đầu giống vi sinh vật phát triển chậm lại
– Các sản phẩm trao đổi chất tích tụ trong pha này
– Môi trường dinh dưỡng còn ít hoặc bắt đầu cạn kiệt
• Thời kỳ đầu pha 2: tích tụ nhiều sản phẩm trong môi trường
• Thời kỳ cuối pha 2:
– Sinh khối giảm do tế bào tự phân
– Tích tụ sản phẩm bậc 2 ít
– Một số sản phẩm lại trở thành nguồn dinh dưỡng của vi sinh
vật (giống có thể đồng hóa trở lại sản phẩm)
– Hiện tượng tế bào tự phân làm tăng độ nhớt dịch lên men
– Quá trình lên men thu nhận sản phẩm bậc 2: kết thúc trước
thời kỳ cuối của pha 2


QUÁ TRÌNH LÊN MEN HAI PHA
Thu sản phẩm bậc 2:
• Thu sản phẩm bậc 2 không nằm trong giai đoạn thu sinh
khối mà phải đợi thời gian thoát ra môi trường => chậm hơn
• Vi sinh vật luôn có quá trình tự phân => thoát ra ngoài môi

trường. Muốn thu sản phẩm bậc 2 phải đợi qua giai đoạn vi
sinh vật phát triển sinh khối cực đại
• Chọn các điều kiện phát triển tối ưu của giống vi sinh vật
trong pha 1 (nếu để thu sản phẩm bậc 2 thì càng cần nghiên
cứu để rút ngắn giai đoạn này (pha log))
• Xác định những điều kiện chuyển tiếp từ pha 1 sang pha 2
=> khảo sát biến động của quá trình lên men
• Tìm những nguyên nhân làm giảm hàm lượng các sản phẩm
được tạo thành sau khi đã đạt mức tối đa (tự phân, tạp
nhiễm, đồng hóa ngược lại,…)


QUÁ TRÌNH LÊN MEN HAI PHA
• Pha 1:
– Môi trường nhân giống giàu các chất dinh dưỡng
hơn môi trường lên men
– Môi trường nhân giống có hàm lượng đường thấp
hơn môi trường lên men

• Pha 2:
– Thành phần môi trường ảnh hưởng đến sự chuyển
tiếp từ pha 1 sang pha 2
– Thay đổi thành phần môi trường dinh dưỡng: thay
đổi hoạt lực và hình thái của giống
– Thay đổi hình thái: tính chất tế bào


QUÁ TRÌNH LÊN MEN HAI PHA
• Phải biết sản phẩm cần thu sinh ra ở giai
đoạn nào của quá trình nuôi cấy

• Tìm ra trạng thái sinh lý của vi sinh vật
cho năng suất tạo sản phẩm đạt cao nhất
và duy trì nó trong thời gian dài
• Nhiều trường hợp đặt ra là vi sinh vật đạt
trạng thái sinh trưởng phát triển tối ưu
không đồng thời cho ra sản phẩm với
hiệu suất cao


VAI TRÒ CỦA GIỐNG VI SINH VẬT

• Giống đóng vai trò quyết định:
–Năng suất sinh học => giảm chi
phí cho qúa trình sản xuất
–Chất lượng sản phẩm lên men
–Vốn đầu tư cho sản xuất
–Giá thành sản phẩm


YÊU CẦU VỀ GIỐNG
• Cho sản phẩm có số lượng và chất lượng cao hơn các
sản phẩm phụ khác
• Năng suất sinh học cao
• Sử dụng các nguyên liệu rẻ tiền, dễ kiếm, hoặc phối
hợp với các nguồn phế liệu, phế thải công nghiệp
thực phẩm
• Sản phẩm dễ thu nhận và tinh sạch
• Tính ổn định của giống
• Tính thích nghi trong điều kiện lên men công nghiệp
• Tính cạnh tranh và ức chế, sinh sản và phát triển

mạnh
• Tốc độ trao đổi chất mạnh


PHÂN LẬP GIỐNG – PHÂN LẬP
TỰ NHIÊN
• Tự nhiên là nguồn vô tận để thu nhận
các giống vi sinh vật
• Nguyên tắc cơ bản: cơ chất nào thì có
mặt vi sinh vật phân hủy cơ chất đó
• Năng suất sinh học không cao
• Chưa thích nghi sản xuất quy mô
công nghiệp


TIẾN HÀNH PHÂN LẬP
• Xác định vị trí phân lập giống
• Môi trường tập trung: để loại dần các
vi sinh vật không mong muốn
• Môi trường đặc hiệu: chỉ cho phép vi
sinh vật cần phân lập phát triển
• Định danh giống cần phân lập


PHÂN LẬP GIỐNG TRONG NHÀ
MÁY
• Dễ thích nghi trong điều kiện sản
xuất
• Cho năng suất và chất lượng sản
phẩm sinh học cao

• Trong nước thải, chất thải có mật độ
vi sinh vật cần quan tâm nhất
• Phân lập tương tự trong tự nhiên


HOẠT HÓA GIỐNG
•
•
•
•

Môi trường bồi dưỡng
Sàng lọc giống
Rút gọn pha lag
Chiếu tia tử ngoại, laser => không
gây đột biến => kích hoạt giống. Ví
dụ: nấm


TUYỂN CHỌN
• Nguyên tắc: ở đâu có cơ chất thì ở đó có vi sinh vật
phân giải cơ chất đó
• Tự nhiên: có hệ gen ổn định
• Nhà máy: phòng thí nghiệm nhà máy, thùng lên men,
nước thải, chất thải
• Ngân hàng giống vi sinh vật
• Ví dụ:
– Phân lập giống Bifidobacteria để ứng dụng trong sản xuất
chế phẩm probiotic
– Phân lập giống Lactococcus lactis để ứng dụng trong sản

xuất chế phẩm Bacteriocin
– Phân lập giống Bacillus subtilis để ứng dụng trong sản xuất
probiotic


NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG GIỐNG
• Thay đổi đặc tính di truyền:
– Phương pháp di truyền cổ điển
– Lai
• Ưu điểm: dễ thực hiện
• Nhược điểm: giới hạn trong loài

– Phương pháp tạo tế bào trần
– Gây đột biến
• Ưu điểm: phá vỡ giới hạn loài
• Nhược điểm: không định hướng

• Phương pháp hiện đại
– Phương pháp chuyển gen
– Phương pháp tạo dòng


HUẤN LUYỆN THÍCH NGHI
• Nguyên tắc: tất cả các vi sinh vật có khả năng thích nghi
cao
• Huấn luyện thích nghi với điều kiện sản xuất công nghiệp
• Tiếp cận với năng suất sinh học cao nhất của nó trong tự
nhiên, những yếu tố ảnh hưởng như: nhiệt độ, pH,
enzyme,…
• Bắt nó phải thay đổi quá trình trao đổi chất

• Huấn luyện thích nghi để nâng cao chất lượg giống
• Thay đổi các yếu tố tạo ra tính thích nghi
• Tính thích nghi chỉ biểu hiện khi các yếu tố tác động đến
tính thích nghi đó tồn tại (vì tính thích nghi không di
truyền)
• Ví dụ: nâng cao biểu hiện gen amylase


NGUYÊN LÝ SINH TỔNG HỢP
THỪA Ở VI SINH VẬT

• Quá trình trao đổi chất tuân theo
nguyên tắc kinh tế và hài hòa:
không tổng hợp những chất quá
thừa so với nhu cầu phát triển
• Cơ chế sinh tổng hợp thừa (siêu
tổng hợp): cấu trúc không gian
của enzyme và cơ chế di truyền


Những nguyên tắc điều hòa trao đổi chất
• Điều hòa hoạt tính enzyme nhờ sự ức chế quá trình
tổng hợp của chính nó
• A ---> B ---> C ---> X
•
(b)
(c)
• Enzyme (a): thay đổi cấu hình không gian khi có mặt
sản phẩm cuối -> giảm bớt hoạt tính xúc tác
• (a) có khả năng gắn với A

• Nếu X dư thừa => bao vây trung tâm dị lập thể =>
trung tâm xúc tác bị biến đổi => (a) không thể gắn
với A mà chỉ gắn với X => (a) không có hiệu lực
chuyển A thành B => chuỗi sinh tổng hợp X bị gián
đoạn => X giảm


NGUYÊN LÝ SINH TỔNG HỢP
THỪA Ở VI SINH VẬT
• Vị trí các axít amin trong cấu trúc
enzyme:
– Sự sai lệch thứ tự sắp xếp hay số lượng các
axít amin nằm trong các trung tâm hoạt
động
– Sự thay đổi axít amin trong trung tâm kiềm
chế -> mất khả năng kết hợp với chất kiềm
chế


NHỮNG PHƯƠNG PHÁP GIỮ GIỐNG THUẦN
CHỦNG VÀ ỔN ĐỊNH HOẠT TÍNH SINH HỌC

Trên môi trường agar:
–
–
–
–
–

Phổ biến, đơn giản, tiện lợi

Thời gian giữ giống ngắn
Dễ mất hoạt tính di truyền ban đầu của giống
Tốn nhiều công sức
Dễ nhiễm bacteriophage, mất nước


NHỮNG PHƯƠNG PHÁP GIỮ GIỐNG THUẦN
CHỦNG VÀ ỔN ĐỊNH HOẠT TÍNH SINH HỌC

• Dưới lớp dầu khoáng
– Phủ lên môi trường agar đã có vi sinh vật một lớp
dầu khoáng
– Thời gian bảo quản là 12 tháng

• Trên cát, đất
– Giữ vi sinh vật có bào tử

• Silicagen và hạt ngũ cốc
– Tương tự


NHỮNG PHƯƠNG PHÁP GIỮ GIỐNG THUẦN
CHỦNG VÀ ỔN ĐỊNH HOẠT TÍNH SINH HỌC

• Giấy lọc
– Bảo quản vi sinh vật có bào tử trong nhiều năm
– Thời gian ngắn hơn so với giữ giống trên cát, đất,
ngũ cốc

• Gelatin

• Phương pháp lạnh sâu
– Sự phát triển của vi sinh vật bị ức chế ở nhiệt độ
lạnh sâu


NHỮNG PHƯƠNG PHÁP GIỮ GIỐNG THUẦN
CHỦNG VÀ ỔN ĐỊNH HOẠT TÍNH SINH HỌC

• Phương pháp đông khô
–
–
–
–

Có 3 giai đoạn:
Lạnh đông (tiền đông khô)
Sấy chính
Sấy phụ