Hệ vi sinh vật trong sữa chua Kefir

Mô tả tổng quan hệ vi sinh vật trong sữa chua kefir: chủng loại, hình thái, đặc điểm,... và các quá trình chuyển hoá do vi sinh vật trong sản xuất sữa chua kefir.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA - ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM KHOA KỸ THUẬT HOÁ HỌC

Bộ môn: Công nghệ thực phẩm

BÀI TẬP LỚN MÔN VI SINH THỰC PHẨM

VI SINH VẬT TRONG SẢN XUẤT SỮA CHUA KEFIR

GVHD: Tạ Thị Minh Ngọc Lớp L02 - Nhóm 03 - HK211

Nguyễn Thành Vinh 1912446 Thái Ngọc Tấn Lộc 1911541 Lê Huỳnh Nhựt Quang 1911902 Nguyễn Đặng Hữu Thiên 1915271

Thành phố Hồ Chí Minh – 2021

MỤC LỤC

1 Mở đầu 1

2 Tổng quan về sữa chua kefir 1

2.1 Hạt kefir 1

2.2 Sơ lược về sữa chua kefir 1

2.2.1 Dinh dưỡng của sữa chua kefir 2

2.2.2 Lợi ích của sữa chua kefir 3

3 Vi sinh vật trong hạt và sữa chua kefir 3

3.4 Các chuyển hoá xảy ra trong kefir 10

3.4.1 Lên men lactic 10

3.4.2 Lên men ethanol 13

3.4.3 Quá trình sinh tổng hợp diacetyl liên quan đến sự chuyển hoá citrate 14

4 Khía cạnh công nghệ 15

4.1 Bảo quản hạt kefir 15

4.2 Sản xuất và bảo quản sản phẩm sữa chua kefir 15

5 Kết luận 16

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 Hệ vi khuẩn trong kefir 4

Bảng 2 Hệ nấm men trong kefir 6

DANH MỤC HÌNH Hình 1 Một số vi khuẩn Lacbacilli trong hạt và sữa chua kefir 5

Hình 2 Các loại vi khuẩn trong hạt và sữa chua kefir 6

Hình 3 Một số loại nấm men có trong hạt và sữa chua kefir 7

Hình 4 Hai con đường lên men đồng hình và dị hình ở vi khuẩn lactic 11

Hình 5 Lên men lactic đồng hình bằng con đường Embden – Meyerhoff 12

Hình 6 Con đường phosphoketolase của vi khuẩn lactic dị hình 13

Hình 7 Sinh tổng hợp các chất tạo hương từ citrate 14

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

LAB – Lactic acid bacteria (vi khuẩn acid lactic) QS – quorum sensing (hệ thống cảm nhận)

1 Mở đầu

Loài người đã tìm ra cách vận dụng vi sinh vật với mục đích phục vụ các khía cạnh trong đời sống từ hàng ngàn năm trước Cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, chúng ta ngày càng khai thác và vận dụng các vi sinh vật một cách hiệu quả hơn trong nhiều lĩnh vực khác nhau như y học, sinh học, nông nghiệp,… Trong lĩnh vực thực phẩm, chúng được ứng dụng rộng rãi để sản xuất nhiều loại thực phẩm như bánh mì, rượu vang, các loại thực phẩm lên men, và có ý nghĩa quan trọng trọng trong quá trình bảo quản thực phẩm Sữa chua kefir là một sản phẩm vận dụng vi sinh vật để sản xuất Có nguồn gốc lâu đời, loại thức uống này được biết đến rộng rãi ngày nay do giá trị dinh dưỡng cao

Việc nghiên cứu về hệ vi sinh vật trong sữa chua kefir có giá trị thực tiễn trong việc sản xuất và phát triển loại thực phẩm này Việc nghiên cứu sẽ giúp hiểu thêm về thành phần cũng như cơ chế hoạt động của hệ vi sinh vật trong sữa chua kefir, thông qua đó hiểu được cách thức sản xuất, bảo quản và phát triển sản phẩm để đạt được giá trị cảm quan và dinh dưỡng cao nhất Trong đề tài này, nhóm sinh viên sẽ tiến hành tìm hiểu về sữa chua kefir cũng như hệ vi sinh vật có mặt trong sản phẩm này Bằng những kiến thức về vi sinh thực phẩm đã được học trong các môn học, bên cạnh đó là những tìm hiểu của bản thân, nhóm hy vọng có thể giới thiệu về hệ vi sinh vật và vai trò trong sản xuất, bảo quản Qua đó tích lũy được thêm kiến thức cho bản thân

2 Tổng quan về sữa chua kefir 2.1 Hạt kefir

Hạt kefir được cho là có nguồn gốc từ những người Mohammad chính thống ở sườn phía bắc núi Caucasus [1]

Hạt kefir có hình dạng như những hạt bông nhỏ bị co lại gần giống như súp lơ trắng Chúng có màu vàng hoặc màu trắng, kích thước từ 20 – 30 mm Thành phần hạt kefir chủ yếu bao gồm các loại vi khuẩn, nấm men, polysaccharides và proteins với thành phần hoá học cụ thể gồm 890 - 900 g/kg nước, 2 g/kg lipid, 30 g/kg protein, 60 g/kg đường và 7 g/kg tro [2]

2.2 Sơ lược về sữa chua kefir

Sữa chua kefir là sữa chua sữa lên men của hỗn hợp vi sinh vật từ hạt kefir bao gồm vi khuẩn lactic acid, vi khuẩn acetic acid và nấm men [2]

Các thành phần hoá học thường được quan tâm trong sữa chua kefir bao gồm CO2, protein, lipid, lactose, ethanol và lactic acid, vì những thành phần này ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của sữa chua [2]

2.2.1 Dinh dưỡng của sữa chua kefir [2]

Hầu hết hàm lượng protein, lipid, khoáng chất và vitamin của sữa chua kefir có từ nguồn sữa tạo nên nó

Protein trong sữa chua kefir trải qua quá trình lên men đã bị biến tính và thuỷ phân, do đó chúng dễ tiêu hoá hơn so với protein trong sữa Lượng amino acid tự do đồng thời cũng tăng lên, cụ thể là các amino acid như lysine, proline, cystine, isoleucine, phenylalanine và arginine Mặt khác, các nghiên cứu cho thấy rằng vi khuẩn và nấm mốc trong sữa chua kefir đã làm chuyển dạng L(+)-amino acid thành dạng D(-)-amino acid, trong đó dạng L(+) có lợi cho tiêu hoá và dạng D(-) thì gây bất lợi Ở sữa chua thường, lượng D(-)-amino acid ít phổ biến hơn so với sữa chua kefir Và cũng do tác dụng của vi khuẩn mà tổng lượng nitrogen và lượng nitrogen phi protein (nitrogen trong urea,…) trong sữa chua kefir cũng cao hơn so với sữa không lên men Ngoài ra, để tăng hàm lượng protein tổng, người ta có thể thêm sodium caseinate vào sữa trước khi lên men

Nhờ vào lactase từ hệ vi sinh vật trong quá trình sản xuất và dự trữ sữa chua kefir mà lactose từ sữa được thuỷ phân thành glucose và galactose Điều này có lợi cho việc tiêu hoá lactose ở người, nhất là với những người khó tiêu hoá chúng Tuy nhiên, lactase trong sữa chua kefir được nhận thấy là kém hoạt động mặc dù trong trong hạt kefir lại hoạt động tốt, chính vì vậy đã làm cho độ giảm của lactose không nhiều

Như nhiều loại sản phẩm lên men khác, sữa chua kefir cũng chứa lactic acid do hoạt động lên men của hệ vi sinh vật Lactic acid tồn tại ở hai dạng L(+) và D(-), dạng L(+) có lợi cho tiêu hoá cho cơ thể, ngược lại dạng D(-) gây cản trở cho hệ tiêu hoá Hầu hết lactic acid trong sữa chua kefir được nhận thấy tồn tại ở dạng L(+), trong khi ở sữa chua thông thường có tỉ lệ L(+)/D(-) là 58:42 Là một sản phẩm từ sữa, sữa chua kefir là một nguồn tốt để cung cấp các vitamin hoà tan trong nước, ngoại trừ vitamin C và B12 thì không nhiều Tuy nhiên, quá trình lên men đã làm thay đổi hàm lượng của chúng so với hàm lượng ban đầu trong sữa, một số thì tăng, còn một số thì giảm nhưng các nghiên cứu vẫn chưa thống nhất với nhau Ngoài ra, người ta có thể thêm một vài loại vi khuẩn vào sữa trước khi lên men để làm tăng hàm lượng vitamin B9 và B12

2.2.2 Lợi ích của sữa chua kefir

Công dụng đầu tiên phải kể đến của sữa chua kefir là có lợi cho người không dung nạp lactose Như đã nói ở phần trên, lactase từ hạt kefir đã thuỷ phân lactose giúp con người tiêu hoá và hấp thụ chúng dễ dàng hơn Một nghiên cứu đã cho thấy sau quá trình lên men, hàm lượng lactose đã giảm 30% so với sữa ban đầu Thêm vào đó, các enzyme từ các tế bào vi khuẩn bị ly giải cũng hỗ trợ một phần trong quá trình tiêu hoá lactose [3]

Công dụng tiếp theo của sữa chua kefir là đặc tính kháng khuẩn của nó, đặc tính này được cho là nhờ vào sự cạnh tranh giữa các vi khuẩn lactic acid với các vi sinh vật gây hại khác, và nhờ vào việc tạo thành các acid hữu cơ trong quá trình lên men của sữa Vi khuẩn trong sữa chua kefir được

quan sát là đã chống lại với nhiều loài vi sinh vật khác như các vi khuẩn Salmonella enteritidis,

Shigella sonnei, Staphylococcus aureus, Escherichia coli, Streptococcus pyogenes,… và nấm men Candida albicans Đồng thời, acid hữu cơ được tạo ra trong quá trình lên men đã làm thay đổi phân

tử độc tố aflatoxin B1 của nấm mốc thành dạng aflatoxicol ít độc hơn [3]

Giảm lượng đường trong máu là công dụng kế đến của sữa chua kefir Việc tiêu thụ sữa chua kefir đã cung cấp một lượng các lợi khuẩn giúp giảm các vi khuẩn gram âm ở đường ruột, dẫn đến giảm lượng lipopolysaccharide từ chúng Hấp thụ lipopolysaccharide ít hơn sẽ có ích cho người bệnh tiểu đường, và lượng lipopolysaccharide thấp sẽ cải thiện insulin giúp chuyển hoá đường trong máu tốt hơn [3]

Ngoài ra, một số công dụng khác của sữa chua kefir được biết đến như khả năng giảm cholesterol trong máu, chống tăng huyết áp, khả năng chống viêm, chống oxy hoá, chống ung thư và khả năng chữa lành [3]

Tóm lại, sữa chua kefir là một thực phẩm có độ dinh dưỡng cao với nhiều khả năng có ích cho người tiêu dùng Các đặc tính của nó có được nhờ vào hệ vi sinh vật từ hạt kefir và các hợp chất sinh học được tạo ra trong quá trình lên men, nhưng hầu như không khác nhiều so với các loại sữa chua thông thường xét trên độ dinh dưỡng và công dụng Và dù được biết đến với nhiều công dụng tuyệt vời, những nghiên cứu về chúng chưa thật sự nhiều, hầu hết các nghiên cứu là trên cơ thể động vật Vì vậy, chúng ta chưa thể kết luận chính xác khả năng điều trị bệnh của sữa chua kefir đối với con người nhưng có thể dùng chúng như một loại thực phẩm [2, 3]

3 Vi sinh vật trong hạt và sữa chua kefir 3.1 Tổng quan

Các nghiên cứu cho thấy, kefir là một sinh khối có cấu tạo phức tạp bao gồm nhiều thành phần vi sinh vật cùng sinh sống, một số loài chiếm ưu thế ví dụ như: vi khuẩn acid lactic, vi khuẩn acid acetic, nấm men và nấm mốc Tuy nhiên, các sản phẩm kefir ở những vùng miền khác nhau sẽ tồn tại những chủng vi sinh vật khác nhau và số lượng phân bố cũng khác nhau Báo cáo dưới đây sẽ tổng hợp và giới thiệu những chủng phổ biến và đặc trưng nhất cho hạt và sữa chua kefir

3.2 Hệ vi sinh vật trong hạt và sữa chua kefir 3.2.1 Hệ vi khuẩn

Vi khuẩn trong trong kefir chủ yếu là vi khuẩn lactic, các vi khuẩn này gram dương, không sinh nội bào tử Theo quan sát và nghiên cứu, vi khuẩn lactic thường có hình cầu hoặc gậy ngắn gần giống bầu dục, đứng riêng lẻ hoặc tạo chuỗi Nhiệt độ sinh trưởng tối ưu dao động trong khoảng 25÷47oC Để tồn tại trong môi trường sữa, vi khuẩn lactic tổng hợp năng lượng ATP từ cơ chất lactose Acid lactic là một trong những sản phẩm được sinh ra từ quá trình tổng hợp năng lượng

trên Các vi khuẩn lactic có trong kefir thuộc nhiều chi khác nhau như: Lactobacillus, Streptococcus,

Lactococcus, Leuconostoc, Acetobacter [4]

Bảng 1 Hệ vi khuẩn trong kefir

Lactobacilli

Nhóm vi khuẩn lactic Lactobacilli chiếm khoảng

65÷80% tổng số vi sinh vật trong hạt kefir Chúng là những loài ưa ẩm và ưa nhiệt, thực hiện quá trình lên men theo cơ chế đồng hình lẫn dị hình

Lb acidophilus, Lb delbrueckii

ssp bulgaricus, Lb brivis, Lb

helveticus, Lb kefiranofaciens, Lb kefirgranum, Lb kefiri, Lb

parakefir, Lb plantarum, Lb casei

ssp casei, Lb paracasei ssp

paracasei, Lb fermentum, Lb rhamnosus, Lb fructivorans, Lb hilgardi

Streptococci

Streptococci tập hợp theo chuỗi, chiếm 11÷12% tổng

số vi sinh vật trong hạt kefir Chúng là những sinh vật ưa ẩm, ưa nhiệt, và kị khí tùy tiện

S thermophilus, S lactis, S filant, S durans

Lactococci

Lactococci sống riêng lẻ, theo cặp hoặc tập hợp lại

thành chuỗi dài, chiếm 20% tổng số vi sinh vật trong hạt kefir

Lactococci trong hạt kefir chủ yếu là những loài ưa

ẩm và nhiệt, hô hấp kị khí [5]

Lc lactis ssp Lactis, Lc lactis

ssp cremoris

Leuconostoc

Leuconostoc có hình oval, sống thành từng cặp hoặc

chuỗi Gồm các loài ưa ẩm, hiếu khí tùy tiện, lên men dị

hình Nhiệt độ tối ưu cho Leuconostoc phát triển là

18÷25 oC

Leu mesenteroides ssp Dextranicum, Leu mesenteroides

ssp Cremoris, Leu mesenteroides ssp mesenteroides

Các loài khác

Acetobacter aceti, Acetobacter rasens, Enterococcus durans, Galactomyces geotrichum

Hình 1 Một số vi khuẩn Lactobacilli trong hạt và sữa chua kefir

A) Lb kefiranofaciens [6] B) Lb acidophilus [7] C) Lb kefiri [8]

C

Hình 2 Các loại vi khuẩn trong hạt và sữa chua kefir

A) S thermophilus [9] B) Leu mesenteroides [10] C) Lc lactis [11]

3.2.2 Hệ nấm men

Nấm men là những cá thể đơn bào, thường có hình cầu, oval hoặc hình trứng Một số chi nấm

men thường gặp trong kefir là Kluyveromyces, Saccharomyces, Candida,… đa phần thuộc nhóm

kị khí tùy tiện Các loài nấm men trong kefir có thể sử dụng đường lactose cho quá trình trao đổi chất Các sản phẩm chính của quá trình trao đổi chất, lên men này là ethanol, acid lactic, CO2 tạo vị chua và nồng đặc trưng cho kefir

Bảng 2 Hệ nấm men trong kefir

Kluyveromyces

Chi Kluyveromyces thuộc lớp nấm túi, đặc trưng

cho khả năng sinh bào tử và mycelia không cần các mấu liên kết (clamp connections)

Các loài thuộc chi Kluyveromyces có tế bào hình

oval hoặc tròn, sinh sản bằng cách nảy chồi từ bất kì

hướng nào của cơ thể tế bào mẹ Chi Kluyveromyces có

thể sinh trưởng và lên men ở nhiệt độ lên đến 50 oC [12]

K lactis var lactis, K marxianus ssp Bulgaricus, K marxianus ssp marxianus

Saccharomyces

Chi Saccharomyces bao gồm nhiều loài nấm men

có vai trò quan trọng trong sản xuất thực phẩm Đều là

S unisporus, S turicensis, S cerevisiae, S exiguus

các sinh vật đơn bào, hình cầu, oval hoặc hình trứng Có thể sống trong điều kiện hiếu khí hoặc kị khí, có khả năng chuyển hóa nhiều loại đường khác nhau Nhiệt độ

tối ưu cho chi Saccharomyces có thể sinh trưởng và phát

triển là 30÷32oC [13]

Candida

Các nấm men thuộc chi Candida đều là sinh vật

đơn bào, có hình dạng oval hoặc hình trứng Nấm men

chi Candida thường thuộc nhóm hô hấp hiếu khí Nhiệt độ và pH tối ưu cho chi Candida phát triển lần lượt là

Pichia fermentans, Torulaspora delbrueckii, Debaryomyces occidentalis

Hình 3 Một số loại nấm men có trong hạt và sữa chua kefir

A) K marxianus [15] B) S cerevisiae [16] C) C kefyr [17]

3.3 Tương tác giữa các vi sinh vật

So sánh với một đơn vị phân loài riêng lẻ, các tổ hợp vi sinh vật trong kefir đã được chứng minh là có được khả năng phục hồi cao trong điều kiện bất lợi và linh hoạt trong cơ chế chuyển đổi

B

cơ chất [18] Những đặc tính nổi bật này có thể xuất phát từ sự tương tác giữa các vi sinh vật khác nhau, trong đó mỗi vi sinh vật mang vật chất di truyền cụ thể của riêng mình và chia sẻ các đặc điểm trao đổi chất của chúng với những loài khác trong tổ hợp Mặc dù sự tương tác mạnh mẽ là điều cần thiết để đạt được sự phát triển mạnh mẽ trong hệ sinh thái, nhưng sự phức tạp cũng sẽ do đó mà tăng lên tỉ lệ thuận với lượng vi sinh vật tham gia vào quần xã [19] từ đó mà nghiên cứu trở nên khó khăn hơn Trong bất kỳ loại quần xã vi sinh vật nào, tương tác giữa các cá thể cũng được nghiên cứu từ hai khía cạnh: (1) Bản chất của tương tác và (2) các thành phần tham gia

3.3.1 Bản chất của tương tác

Các vi sinh vật, với tư cách là thành phần tham gia vào tổ hợp, thường ảnh hưởng đến sự phát triển và trao đổi chất của nhau theo một số phương thức [13] Tương tác có thể được phân loại thành hai nhóm là: (i) trực tiếp, thông qua các va chạm vật lý, và (ii) gián tiếp, thông qua sự bài tiết các tín hiệu của phân tử (chất ức chế/kích thích) hoặc thay đổi các yếu tố tăng trưởng môi trường (pH và khí quyển) [20]

Tương tác trực tiếp hay vật lý:

Trong nhiều trường hợp, va chạm và sự gắn kết giữa tế bào với tế bào cho phép vi sinh vật hoạt động hợp tác với nhau và hình thành các cấu trúc phức tạp giống như một màng sinh học [21, 22], điều này thường dẫn đến việc cải thiện khả năng tồn tại cũng như khả năng chống lại áp lực

của các vi sinh vật trong tổ hợp Ví dụ, S cerevisiae có thể cải thiện đáng kể khả năng tồn tại của chủng lợi khuẩn Lb rhamnosus HN001 trong môi trường acid [23] Các quan sát bằng kính hiển

vi cho thấy hiệu ứng này là do tế bào tiếp xúc trực tiếp tế bào và quá trình đồng tập hợp sau đó được trung gian bởi polysaccharide của thành tế bào nấm men và các protein bề mặt tế bào vi khuẩn

[24, 25] Mendes và cộng sự đã báo cáo rằng sự tương tác giữa S cerevisiae và Lb delbrueckii như

một chiến lược để đối phó với điều kiện bất lợi khi độ pH giảm thấp hay sự có mặt của ethanol [26] Cheirslip và cộng sự cho thầy tầm quan trọng của các tương tác vật lý giữa hai thành phần là

S cerevisiae và Lb kefiranofaciens trong việc tăng cường sản xuất ra exopolysaccharide kefiran

(một trong những thành phần chính của hạt kefir) từ Lb kefiranofaciens [27]

Tương tác gián tiếp:

Các chất chuyển hóa sơ cấp hay thứ cấp ngoại bào có tác động đáng kể đến các thành phần khác của tổ hợp Johansen và cộng sự đã xem xét các chức năng của một số hệ thống cảm nhận (QS) (trung gian truyền thông tin giữa tế bào vi sinh vật bằng cách phát hoặc nhận các tín hiệu