tổng quan về quá trình lên men và vi sinh vật

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HCM
KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
Môn CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN THỨC UỐNG
GVHD: TS.Dương Thị Ngọc Diệp

BÀI BÁO CÁO

:

TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH
LÊN MEN VÀ VI SINH VẬT
LỚP DH14VT

NHÓM 5


DANH SÁCH NHÓM 5:
1. Phùng Thị Phương Mai
2. Nguyễn Thị Minh Trang
3. Nguyễn hoàng Thảo Vy
4. Phạm Nguyễn Ánh Hồng
5. Nguyễn Thị Ngọc Nhi
6. Phạm Thị Hoa
7. Gip Lương Ngọc
8. Đỗ Thị Mỹ Trang
9. Nguyễn Thị Thảo Nguyên
10.Đặng Thị Yến Vi

14125215
14125441
14125523

14125127
14125288
14125120
14125262
14125446
14125273
14125512


NỘI DUNG:
1.GIỚI THIỆU
2.LÊN MEN CỒN
3.LÊN MEN MALOLACTIC


1. Giới thiệu
- Lên men tự nhiên đã đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển
của con người.
- Quá trình lên men là dị hóa kỵ khí, được tạo ra bởi sự dị hóa của một
hợp chất hữu cơ (chất nền cấp phosphoryl hóa), trong khi hô hấp, ATP
được sản xuất thông qua khớp nối với động lực proton trong
phosphoryl hóa oxy hóa, mỗi phân tử glucose tạo được hai ATPs, nếu
có mặt oxy, pyruvate bị oxy hóa hoàn toàn, khoảng 38 ATPs được tạo
thành.
- Lên men sản xuất các phân tử tương đối giàu năng lượng như axit
lactic hoặc ethanol trong điều kiện kỵ khí, do đó năng lượng được
chiết xuất từ ​các phân tử glucose ban đầu là ít.


- Các vi sinh vật liên quan đến quá trình lên men tạo thành một nhóm

đa dạng, bao gồm cả prokaryote (vi khuẩn) và sinh vật nhân chuẩn
(nấm men và nấm mốc).
- Sinh vật khác gồm nấm, vi khuẩn axit axetic và vi khuẩn lactic cũng
có thể ảnh hưởng đến tiến độ của quá trình lên men.
- Điều quan trọng là phải hiểu được tác động của vi sinh vật,
Mặc dù giàu đường và chất dinh dưỡng khác, nhưng phần lớn các vi
sinh vật sẽ không phát triển mạnh trong nước ép nho và vải.
- Nấm men chính tham gia vào hầu hết các quá trình lên men cồn
công nghiệp là Saccharomyces cerevisiae.
- VD: khi sản xuất bia, các hạt nảy mầm và kết quả mạch nha lần đầu
tiên được chiết xuất bằng nước nóng để mang lại dịch nha có chứa
lên men mono-, di- và trisaccharides và khác chất dinh dưỡng nấm
men.


- Lên men Lactic được thực hiện bởi các vi khuẩn axit lactic
(LAB) rất quan trọng trong việc sản xuất sữa chua, phô
mai, dưa bắp cải và dưa chua.
- Axit acetic có tầm quan trọng lớn trong sản xuất giấm ăn.
- Tuy nhiên, Axit axetic còn được biết đến là một chất ức chế
tăng trưởng cho nấm men, sự hiện diện của một số lượng lớn
axit acetic hoặc vi khuẩn axit lactic có thể đối kháng với tăng
trưởng nấm men và có thể cản trở quá trình lên men.


2.2 LÊN MEN CỒN
2.2.1 Giới thiệu

Nhân loại đã khai thác khả năng của
nấm men trong sản xuất bia và làm bánh

mì và nấm men là một trong những sinh
vật đầu tiên được thuần hóa. Nó được
phát hiện vào giữa thế kỷ XIX, chuyển
đổi glucose và fructose thành ethanol và
carbon dioxide. Các loài quan trọng nhất
liên quan đến sản xuất rượu vang và bia
là Saccharomyces cerevisiae.


2.2.2 Sinh lý học và hình
thái học của nấm men

• - Nấm men được sử dụng trong sản xuất bia và
rượu vang (S. cerevisiae) là loại nấm đơn bào
mà chủ yếu thuộc Ascomycetes và
Deuteromycetes. Chúng không có chất diệp
lục, không thể quang hợp và chúng có thể trao
đổi chất có hoặc không có oxy.
- S. Cerevisiae được biết đến là gen tốt nhất
của tất cả các vi sinh vật và bộ gen của nó có
nhiều ứng dụng trong công nghệ lên men. S.
cerevisiae được phân loại như ascomycetes vì
nó sản sinh bào tử qua giảm phân (sinh sản
hữu tính).
- Các men lưỡng bội trong quần thể tạo ra
bốn hạt nhân đơn bội, được kết hợp thành bốn
chủng sinh bào tử chống chọi, gói gọn trong
ascus.
- Một đặc tính của S. cerevisiae là chúng
cũng có thể phát triển vô tính, tức là chúng có

thể sinh sản vô tính bằng cách nảy chồi đa
phương hoặc ép đùn một nụ từ một điểm trên
tế bào mẹ.


- Nấm men có thành tế bào và màng tế bào. Thành tế
bào có periplasma và màng plasma bao quanh và
encases tế bào chất men. Nó chiếm 15-20% trọng lượng
khô của tế bào, và kết hợp chitin.
-Vách tế bào là khá cứng nhưng ít đàn hồi và bao gồm
mannoproteins và –glucans.
- Cấu trúc của tế bào chất có chứa các bào quan như
nhân tế bào, lưới nội chất, bộ máy Golgi, ti thể và
không bào, được duy trì bởi một bộ khung tế bào.


2.2.3. Yêu cầu dinh dưỡng của nấm men
- Nấm men có nhu cầu dinh dưỡng tương đối đơn giản.
Vì không thể thực hiện quang hợp, nên yêu cầu của chúng về
nguồn carbon giảm,chẳng hạn phức tạp như một
disaccharide hoặc đơn giản như acetate.
- Ngoài ra, chúng cần các vitamin biotin và một nguồn
nitơ hữu cơ như ammonium, urê hoặc các axit amin.
- Tuy nhiên, trong sản xuất bia và rượu vang, khả năng
dinh dưỡng quan trọng nhất của nấm men (cụ thể là S.
cerevisiae) là không có oxy, chúng có thể chuyển đổi monovà disaccharides rượu thông qua quá trình lên men. Chúng
cũng có khả năng hô hấp (sử dụng oxy như một chất nhận
electron trong quá trình trao đổi chất) trong điều kiện cụ thể.
- Trong tất cả các chất dinh dưỡng của nấm men trong
quá trình lên men rượu, nitơ là chất quan trọng sau carbon.

2.2.4. Sử dụng nấm men tự nhiên trong quá trình lên men
Trước đây, các nhà sản xuất dựa trên nền văn hóa làm men khởi
động từ nước ép (sulfited để loại bỏ nấm men tự nhiên và thúc đẩy
S. cerevisiae), được cấy vào dịch lên men ở 2-5% sau nhiều ngày
lên men tự nhiên.
-Lên men tự nhiên có thể được coi như một quá trình vi sinh không
đồng nhất liên quan đến sự phát triển tuần tự của nấm men khác
nhau và các loài vi sinh vật khác, bị ảnh hưởng bởi các điều kiện
lên men phổ biến trong một thùng hoặc bể.


Khi dịch nho được sử dụng như một môi trường nuôi
cấy, áp lực chọn lọc có lợi cho nấm men với dị hóa
lên men hiệu quả nhất, đặc biệt là các chủng S.
cerevisiae và chủng của các loài liên quan chặt chẽ
như S. bayanus. Vì lý do này, S. cerevisiae gần như
đã được ưa thích để bắt đầu quá trình lên men rượu.


2.2.5. Yếu tố độc hại
- Một số loài nấm men, chủng (zymocidal) tiết ra độc tố
exocellular vào môi trường của chúng để tạo ra lợi thế cạnh tranh
trong quá trình lên men với các chủng nhạy cảm khác của nấm
men. Hiện tượng độc hại trong S. cerevisiae có liên quan với sự
hiện diện của một chất độc proteinaceous (zymocin), được tiết ra
bởi các chủng zymocidal và gây tử vong với các chủng nhạy cảm
của cùng một loài. Một số chủng nấm men có miễn dịch với những
zymocins, nhưng không sản xuất độc tố tích cực.

- Trong rượu vang đỏ, yếu tố độc hại bị bất hoạt sau khoảng ba
ngày, có thể do tạo phức của các protein độc tố với tannin. Khi các
yếu tố độc hại là các protein, sự ổn định của chúng sẽ bị ảnh
hưởng bởi nồng độ ethanol, nồng độ SO2 và bằng cách tương tác
với tannin và các chất phạt tiền. Yếu tố độc hại cũng bị bất hoạt
bởi nhiệt độ, pH cao nhưng được ưa chuộng bởi các điều kiện có
tính axit của nho (pH 2,8-3,8).


2.2.6. Cấy các chủng nấm men

- Các nhà sản xuất bia hoặc làm rượu hiện nay có thể lựa chọn
một chủng thương mại cho một thuộc tính cụ thể (ví dụ, khả
năng thủy phân monoterpene từ các tiền chất glycolysated).
- Trong quá trình cấy lên men, sự sinh trưởng chủ động của
giống khởi động chi phối các loài nấm nem có sẵn trong dịch
nho. Phải có đầy đủ nấm men để lên men dịch trái cây theo yêu
cầu, và sử dụng đúng liều lượng theo khuyến cáo của nhà sản
xuất.
-Sự lựa chọn nấm men dựa trên kinh nghiệm cũ, cách thức yêu
cầu thức uống và thông số kỹ thuật của giống nấm men.
-Theo khuyến cáo của nhà sản xuất, bù nước rất quan trọng với
nấm men, vì nó ảnh hưởng đến màng tế bào và nếu sử dụng sai
phương pháp thì khả năng hoạt động giảm.


2.2.7.Thùng lên men.
- Hệ thống lên men sẽ phản ánh cách thức làm ra thức uống,
truyền thống của các nước sản xuất và thông lượng của
người sản xuất.

- Thiết kế thùng, phương thức hoạt động và sự đa dạng của
nấm men sử dụng đều có liên quan.
- Vật liệu xây dựng, dễ làm sạch, công suất, hình học, giám
sát và kiểm soát các cơ sở đều quan trọng khi một hệ thống
đang được xem xét để sử dụng.


2.2.8. Sự phát triển số lượng nấm men
Quá trình lên men điển hình là gần như hoàn toàn yếm khí.
Hình 2.2.1 Sơ đồ quá trình lên men. Đây là một sơ đồ tổng
hợp; sơ đồ thực tế phụ thuộc vào nhiệt độ và các yếu tố
khác.


+ Pha lag thường kéo dài 1-2 ngày, nhưng có thể lâu hơn nếu nồng độ SO2
cao, không có đủ men hoặc có những chất ức chế khác như dư lượng thuốc
phun trong dung dịch. Nhiệt độ nên được kiểm soát trong giai đoạn tăng
trưởng theo cấp số nhân để đạt được tốc độ lên men mong muốn.
+Về phía kết thúc của pha tĩnh sinh khối giảm, nhưng quá trình chuyển
hóa đường quan trọng vẫn diễn ra trong sự vắng mặt của 1 lượng sinh khối.
Các đường được sử dụng như là một nguồn năng lượng trong giai đoạn này,
và không phải là một nguồn carbon trong sản xuất sinh khối. Sự chuyển đổi
sang rượu giảm dần về phía cuối của pha tĩnh vì nấm men bị cạn kiệt thực
phẩm và chết.

+Trong giai đoạn suy vong, tổng số tế bào sống và chết vẫn không đổi nhưng
môi trường thiếu dinh dưỡng làm khả năng sống của tế bào suy giảm. Sau đó,
hoạt động của tế bào sống giảm dần và quá trình lên men kết thúc. Tế bào nấm
men sẽ kết tủa và tạo thành một lớp dày đặc ở dưới cùng của thùng lên men

*Các yếu tố ảnh hưởng đến sự tăng trưởng của tế
bào nấm men: Nồng độ đường có thể gây ra vấn
đề nếu nó quá cao, hoặc quá thấp.
+Nếu nó quá thấp, men có thể thở và nếu có bất
kỳ sự hiện diện nào của oxy thì sẽ sản xuất
carbon dioxide và nước thay vì ethanol.
+Nếu nó quá cao, áp suất thẩm thấu tác dụng
lên men có thể trì hoãn sự khởi đầu của quá trình
lên men. Khoảng 50% tổng lượng đường có sẵn
được sử dụng trong giai đoạn tăng trưởng theo
cấp số nhân, trong khi phần còn lại là lên men bởi
các tế bào trong pha tĩnh.
- Nồng độ ethanol, như đã nói, có thể ảnh hưởng đến men
như là một chất độc sinh lý. Nó xuất hiện chủ yếu là do
ethanol tác động vào màng cấu trúc và tính thấm của
màng.
- Một số yếu tố được biết đến để tăng cường tác dụng ức
chế ethanol: nhiệt độ lên men cao, hạn chế chất dinh
dưỡng (Đặc biệt là oxy, nitơ, lipid và các ion magiê) và
trao đổi chất của sản phẩm, chẳng hạn như cồn khác,
aldehyde, ester, các acid hữu cơ (đặc biệt là axit octanoic
và decanoic), axit béo nhất định, và cacbonyl và các hợp
chất phenolic.


- Mặc dù Saccharomyces là hầu như không thể tìm thấy trong hệ
vi khuẩn thực vật của nho, nó nhanh chóng chiếm ưu thế quá trình
lên men để hoàn toàn trở thành gần như giống men tinh khiết
được quan sát thấy.

- Tế bào nấm men nhân lên trong nước nho lên men và động học
của quá trình sinh trưởng tăng theo một đường cong tăng trưởng
của vi sinh vật điển hình (Hình 2.2.1) phản ánh sự tăng trưởng của
số lượng tế bào và giảm nồng độ đường (◦ Brix).
- Khoảng 50% tổng lượng đường có sẵn được sử dụng trong giai
đoạn tăng trưởng theo cấp số nhân, trong khi phần còn lại là lên
men bởi các tế bào trong pha tĩnh.
- Nhiệt độ nên được kiểm soát trong giai đoạn tăng trưởng theo cấp
số nhân để đạt được tốc độ lên men mong muốn.
- Trong giai đoạn sinh trưởng và ổn định, phần lớn các đường được
chuyển thành rượu.


2.2.9 .Tổng quan về lên men cồn
- Trong điều kiện yếm khí, thiếu oxy, nấm men có thể chỉ
chuyển đổi đường thành carbon dioxide và ethanol, phục
hồi ít năng lượng được lưu trữ trong các phân tử bề mặt:
C6H12O6 + men → 2C2H5OH + 2CO2 + ATP (năng
lượng) + Nhiệt.
-Trong quá trình lên men điển hình, khoảng 95% lượng
đường được chuyển thành ethanol và carbon dioxide, 1%
vào vật chất di động và 4% thành sản phẩm khác như
glycerol.


- Tùy về điều kiện hiếu khí (có hoặc không có oxy), nấm men có
thể làm giảm lượng đường bằng hai con đường chuyển hóa: quá
trình lên men rượu và hô hấp.
-Quá trình lên men đòi hỏi hai enzyme để chuyển hóa pyruvate:
+đầu tiên là tham gia vào các phản ứng khử carboxyl của

pyruvate tạo thành acetaldehy
+thứ hai làm giảm acetaldehyde tạo NAD + và H + cũng như
ethyl alcohol. Nó không cần oxy hoặc một hệ thống vận chuyển
điện tử, mà sử dụng một phân tử hữu cơ như chất nhận electron.
- Trong một môi trường chất lỏng như nước ép nho, nấm men sẽ
lắng xuống đáy của thùng chứa và phát triển kỵ khí, tiêu thụ bất kỳ
oxy hòa tan mà chúng ôxi hóa nguồn carbon đơn giản, chẳng hạn
như monosacarit, ethanol, acetate hoặc glycerol, với carbon
dioxide và nước


- Một hợp chất carbon (acetaldehyde) đóng vai trò như chất
nhận điện tử đầu cuối của các electron, được tạo ra trong quá
chuyển hoà đường thành năng lượng dưới dạng ATP, và
ethanol được hình thành.
- Trong sản xuất rượu vang, hàm lượng đường trong nho là một
yếu tố rất quan trọng khi chọn thời gian thu hoạch. Lượng
đường còn lại trong dung dịch sau khi lên men cũng là một yếu
tố quan trọng riêng và lượng đường sau cùng, axit và nồng độ
cồn cũng phải được cân đối trong thành phẩm.
- Trong nấm men, ở điều kiện lên men, thì pyruvate bị
decarboxyl hoá thành acetaldehyt, và sau đó làm giảm lượng
ethanol. Tỷ lệ lên men và nồng độ cồn trong rượu được sản
xuất trên một đơn vị đường trong suốt sự chuyển hoá của dịch
nho thành rượu có tầm quan trọng thương mại đáng kể.


- Trong môi trường có lượng đường cao, nấm men chỉ có thể chuyển hóa
đường bằng con đường lên men.
- Bước đầu tiên trong quá trình lên men rượu là việc vận chuyển đường

vào trong tế bào. Điều này có thể được thực hiện trong một trong ba
cách: khuyếch tán đơn giản, tạo điều kiện (hoặc người vận chuyển qua
trung gian) khuếch tán, vận chuyển tích cực. Glucose, fructose và
mannose được vận chuyển thông qua khuếch tán trung gian, một quá
trình đòi hỏi năng lượng sử dụng cùng một hệ thống vận chuyển.
- Nấm men không thể chuyển hóa disaccharide trực tiếp mà nó phải
được thủy phân bên ngoài tế bào bằng một enzyme phân cắt invertase.
Sau đó các monosaccharides (glucose và fructose) được vận chuyển vào
trong tế bào. Còn các maltose disaccharide được vận chuyển vào tế bào
thông qua một cơ chế vận chuyển tích cực, đòi hỏi phải có năng lượng.
- Nói cách khác, tốc độ sản xuất rượu bằng men rượu chủ yếu giới hạn
bởi tỷ lệ glucose và fructose hấp thu.


GLYCOLYSIS
Enzyme tham gia

Chất nền

Năng lượng sử dụng

GLUCOSE

Hexokinase

Đầu vào: ATP

ADP

Đầu vào: ATP

ADP

1.GLUCOSE-6-PHOSPHATE

Phosphoglucoisomerase
2.FRUCTOSE-6-PHOSPHATE

Phosphofrutokinase
3. FRUCTOSE-1,6-DIPHOSPHATE

Aldolase
4. DIHYDROXYACETONE-PHOSPHATE &

Isomerase

GLYCERALDEHYDE PHOSPHATE

5. GLYCERALDEHYDE PHOSPHATE (2X)
Triose phosphate
dehydrogenase
6. 1,3-DIPHOSPHOGLYCERATE (2X)
Phosphoglycerateki
nase
7. 3-PHOSPHOGLYCERIC ACID (2X)
Phosphoglyceromu
tase
8. 2-PHOSPHOGLYCERIC ACID (2X)
Enolase
9. PHOSPHOENOLPYRUVIC ACID (2X)

Pyruvatekinase
10. PYRUVATE

Đầu vào: Pi,
NAD+
NADH (x2)
Đầu ra: ADP

ATP (x2)

Đầu ra: ADP

ATP (x2)


- Quá trình đường phân gồm 10 bước, từng bước được xúc tác
bởi các enzyme cụ thể. Mạch carbon của các phân tử đường dần
bị chia cắt, và năng lượng từ việc cắt đứt liên kết nhận được
dưới dạng của ATP từ ADP và NADH từ NAD+..
- Các pyruvate được tạo ra trong quá trình đường phân được
chuyển thành acetaldehyl, giải phóng các carbon dioxide như
một sản phẩm phụ.
- Trong Saccharomyces, NADH từ quá trình đường phân hoạt
động như một chất khử, làm giảm acetaldehyl và hoạt động như
những chất nhận điện tử cuối cùng để sản xuất ethanol.
- Không có mặt oxy, các tế bào nấm men không thể chuyển năng
lượng được lưu trữ trong NADH cho ADP, do đó tạo ra ATP
khác thông qua việc giảm acetaldehyl. Nếu không có bước này
và sự tái sinh của NAD+, quá trình lên men glucose sẽ chấm dứt
hoàn toàn.

- Trong giai đoạn đầu của quá trình lên men, sự tăng trưởng và
phân chia tế bào yêu cầu giảm năng lượng một cách đáng kể.