MÔN: CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN THỰC PHẨM TÊN ĐỀ TÀI: Tìm hiểu bản chất, mục đích, phương pháp thực hiện và các biến đổi quá trình lên men. Xây dựng 02 qui trình và tạo một sản phẩm thực phẩm có sử dụng quá trình lên men ( dưa chua, nem chua, tôm chua, sữa chua...). Giới thiệu một thành tựu công nghệ áp dụng cho quá trình lên men. Có thể thấy, lên men là một phương pháp được sử dụng rất phổ biến trong đời sống hiện nay, từ phòng thí nghiệm đến sản xuất công nghiệp. Quá trình lên men đem lại rất nhiều lợi ích thiết thực phục vụ cho sản xuất và đời sống, tạo ra nhiều loại thực phẩm như: rượu, bia, sữa chua, phô mai… Chính vì lý do này nhóm chúng em đã thực hiện đề tài: “Tìm hiểu bản chất, mục đích, phương pháp thực hiện và các biến đổi quá trình lên men. Xây dựng 02 qui trình và tạo một sản phẩm thực phẩm có sử dụng quá trình lên men (dưa chua, nem chua, tôm chua, sữa chua...). Giới thiệu một thành tựu công nghệ áp dụng cho quá trình lên men” để làm rõ các biến đổi bên trong quá trình lên men, tìm hiểu về một quy trình sản xuất sản phẩm lên men cụ thể và các thành tựu công nghệ khi áp dụng quá trình lên men vào từ đó nâng cao được hiểu biết về công nghệ lên men thực phẩm.
Bản chất của quá trình lên men
Trong ngành công nghiệp vi sinh, lên men (fermentation) được hiểu là một quá trình nuôi cấy vi sinh vật để chuyển hóa môi trường (medium) thành sản phẩm (product) hoặc để thu nhận các sản phẩm trao đổi chất (metabolive) do vi sinh vật tổng hợp nên.
Trong quyển sách công nghệ chế biến thực phẩm, lên men được hiểu là một quá trình nuôi cấy vi sinh vật trong sản xuất công nghiệp nhằm tạo ra các sản phẩm phục vụ cho con người.
Tương tự như quá trình nhân giống vi sinh vật, để quá trình lên men đạt hiệu quả cao về mặt kỹ thuật, các nhà sản xuất cần phải chú ý những vấn đề dưới đây:
- Chọn được giống vi sinh vật phù hợp
- Chọn được môi trường với thành phần cơ chất thích hợp để giống vi sinh vật sinh tổng hợp sản phẩm
- Chọn phương pháp và điều kiện lên men sản phẩm thu được đạt các yêu cầu về số lượng lẫn chất lượng.
Mục đích của quá trình lên men
Trong ngành công nghiệp thực phẩm, quá trình lên men có nhiều mục đích khác nhau:
- Chuẩn bị: Chúng ta sẽ xét một ví dụ Trong quy trình sản xuất phô mai Camembert có đến ba quá trình sử dụng vi sinh vật làm tác nhân chuyển hóa cơ chất Đó là lên men sơ bộ, lên men và ủ chính phô mai Quá trình lên men sơ bộ được thực hiện bởi nhóm vi khuẩn lactic Quá trình này diễn ra ở 8-14C trong thời gian 15-20 giờ Trong quá trình lên men sơ bộ, hoạt động của giống vi khuẩn lactic sẽ làm cho pH của sữa giảm về giá trị tối thích cho hoạt động xúc tác của enzyme chymosin trong quá trình đông tụ casein tiếp theo Do đó, quá trình lên men sơ bộ trong sản xuất phô mai Camembert có mục đích công nghệ là chuẩn bị cho quá trình đông tụ casein.
- Chế biến: Trong công nghệ lên men thực phẩm, hầu hết các quá trình lên men đều làm thay đổi sâu sắc thành phần hóa học của môi trường ban đầu, biến đổi môi trường thành sản phẩm Ví dụ như quá trình lên men làm biến đổi nước nho thành rượu vang, biến đổi dịch nha thành bia, biến đổi sữa tươi thành yaourt,… Khi đó, quá trình lên men có mục đích công nghệ là chế biến.
- Khai thác: Trong các trường hợp nuôi cấy vi sinh vật để thu nhận một sản phẩm trao đổi chất thì quá trình lên men có mục đích công nghệ là khai thác Ví dụ như lên men để thu nhận acid glutamic, acid citric, vitamin, chế phẩm enzyme, …
- Bảo quản: Các nguyên liệu thực và động vật sau thu hoạch rất dễ bị hư hỏng.
Từ xưa, con người đã xem lên men là một phương pháp bảo quản thực phẩm vì nó sẽ kéo dài thời gian sử dụng thực phẩm Ví dụ như cải tươi sau thu hoạch rất dễ bị hư hỏng Quá trình lên men cải tươi bằng hệ vi khuẩn lactic sẽ kéo dài thời gian bảo quản nó Ngày nay, chúng ta nhận thấy rằng quá trình lên men lactic để sản xuất cải chua có hai mục đích công nghệ: bảo quản và chế biến.
Một số quy trình lên men được sử dụng trong sản xuất thực phẩm có mục đích cải thiện các thông số chất lượng nhất định, đặc biệt là các đặc tính cảm quan như mùi và vị Các ví dụ điển hình bao gồm quá trình ủ chín trong sản xuất phô mai, quá trình lên men thứ cấp trong sản xuất bia và thời gian lưu trữ trong sản xuất rượu vang Mục tiêu chung của các quy trình này là nâng cao một số đặc điểm cảm quan quan trọng của sản phẩm thông qua quá trình lên men.
Ưu nhược điểm công nghệ lên men
+ Sử dụng các vi sinh vật với kích thước nhỏ, tỉ lệ bề mặt trên thể tích lớn, do đó hấp thu dược chất rất nhanh.
+ Các vi sinh vật có khả năng sinh trưởng mạnh chu kỳ ngắn do dó tốc độ đồng nhất hóa cao, sinh sản nhanh, nhanh sản xuất sản phẩm.
+ Dễ thích nghi, do vi sinh vật dễ dàng tiếp nhận một vật liệu di truyền nào đó để thích nghi với điều kiện môi trường sống.
+ Sản xuất ít phụ thuộc môi trường thời tiết.
+ Tốn ít diện tích (chỉ cần một nồi lên men).
+ Tận dụng được các phế phẩm và nguyên liệu nuôi cấy Như các vi tảo có khả năng sử dụng các nguyên liệu từ dầu mỏ, khí CO2…
+ Phát triển được ở nhiệt độ và áp suất thường.
+ Có thể thực hiện được nhiều phản ứng hóa sinh khác nhau, do một vi sinh vật có chứa rất nhiều enzym.
+ Như đã đề cập, các vi sinh vật rất dễ tiếp nhận các vật liệu di truyền mới, cũng như dễ dàng thực hiện các phương pháp biến đổi gen như đột biến, tái tổ hợp để tăng sản lượng hoặc biến đổi các sản phẩm cuối.
+ Có khả năng tạo ra sản phẩm đối quang mong muốn và có hoạt tính- những sản phẩm này rất khó để thực hiện bằng các phản ứng hóa học Điện hình là việc sản xuất các acid amin như glutamic, aspamat…
+ Do dễ dàng thay đổi kiểu gen, nên các vi sinh vật này cũng rất dễ biến dị và hồi biến tính hoang dại.
+ Có thể gây ra các độc tính cho người dùng.
+ Quá trình sản xuất phức tạp và đòi hỏi độ vô trùng cao Chỉ cần nhiễm một vi khuẩn hay một virus khác, nguy cơ hỏng quá trình lên men là rất cao do các tạp nhiễm, các độc tố mà vi sinh vật tạp nhiễm này gây ra.
+ Cần tiến hành bảo quản và giữ giống trong thời gian dài, tăng chi phí.
Thiết bị lên men
Thiết bị lên men sử dụng môi trường lỏng có thể chia thành 2 nhóm:
- Thiết bị lên men cổ điển: thiết bị có dạng hình trụ đứng hoặc nằm ngang, được làm bằng gỗ (trước đây) hoặc thép không rỉ (hiện nay) Một số nhà sản xuất etanol, bia, rượu vang ở nước ta và các nước khác trên thế giới vẫn tiếp tục sử dụng các thiết bị dạng này.
- Thiết bị lên men hiện đại: thiết bị có dạng hình trụ đứng và được làm bằng thép không rỉ Thiết bị có bộ phận điều nhiệt nhờ lớp vỏ áo và hệ thống đường dẫn xoắn đặt bên trong thân trụ của thiết bị Ngoài ra, bên trong thiết bị còn có bộ phận sục khí, cánh khuấy và các hệ thống cảm biến để đo và điều kiện nhiệt độ, pH, lượng oxy hòa tan trong pha lỏng Việc điều khiển các thông số như nhiệt độ và pH được thực hiện nhờ các chương trình phần mềm (để xử lý thông tin từ cảm biến) và các bơm điều khiển Những thiết bị lên men hiện nay còn có những cảm biến đo nồng độ sinh khối, cơ chất và sản phẩm trong suốt quá trình lên men
Đối với môi trường rắn, thiết bị nuôi cấy thường là khay (cuvet) hoặc thùng quay Cuvet có hình hộp chữ nhật, chiều cao 50mm, mặt đáy có rãnh thoát ẩm Lớp môi trường trong khay không được cao quá 25mm Các cuvet xếp trên giá đỡ nhiều kệ, đặt trong tủ hoặc phòng nuôi.
Thiết bị dạng thùng quay có hình trụ nằm ngang, đường kính xấp xỉ 2m, chiều dài 5m Bên trong thùng có tấm lưới đặt song song với trục hình trụ và chia thiết bị thành hai khoang lớn và nhỏ Môi trường sẽ được đặt trên tấm lưới khoang lớn Chiều cao của lớp môi trường không quá 20cm Không khí vô trùng sẽ được cho vào khoang nhỏ, đi xuyên qua tấm lưới và lớp canh trường để cung cấp oxy cho vi sinh vật phát triển, đồng thời đuổi nhiệt, đuổi CO2 và hiệu chỉnh nhiệt độ cho canh trường Không khí sẽ thoát ra khỏi thiết bị tại một cửa thoát trên phần thân trụ Ngoài ra, thiết bị có thể xoay xung quanh trục hình trụ nhờ một motor để đảo trộn canh trường trong quá trình lên men.
Nhược điểm lớn nhất của quá trình lên men sử dụng môi trường rắn là độ đồng nhất của canh trường không cao, điều đó gây khó khăn cho việc kiểm soát và hiệu chỉnh các thông số công nghệ trong quá trình lên men Khi kết thúc quá trình lên men, hàm lượng cơ chất còn sót lại trong canh trường rắn thường cao hơn nhiều so với canh trường lỏng Ngoài ra, quá trình lên men sử dụng canh trường rắn sẽ tốn nhiều lao động thủ công, chi phí sản xuất tăng cao, đồng thời rất khó cơ giới và tự động hóa hoàn toàn ở các nước công nghiệp phát triển, người ta ít khi sử dụng môi trường rắn trong sản xuất ở quy mô công nghiệp.
2 CÁC QUÁ TRÌNH LÊN MEN:
Lên men bề mặt
Trong quá trình lên men vi sinh vật chỉ nằm trên bề mặt của môi trường, quá trình lên men này thường thực hiện trên môi trường rắn, chỉ có một vài trường hợp lên men trên bề mặt lỏng.
- Vi sinh vật hiếu khí, phát triển trên bề mặt và lan dần xuống bên dưới theo các kẻ hở giữa các cấu tử thành phân môi trường
Trong sản xuất enzyme, người ta thường sử dụng môi trường rắn như cám trộn bột ngũ cốc, đậu tương, trấu để tạo môi trường thoáng khí, giúp oxy xâm nhập và vi sinh vật phát triển Với môi trường này, vi sinh vật có thể dễ dàng tiếp cận chất dinh dưỡng hơn Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, khả năng tổng hợp enzyme của nấm mốc cao hơn khi được nuôi cấy trên môi trường rắn hoặc bán rắn so với môi trường lỏng.
- Có thể sử dụng môi trường lỏng không sục khí- lên men lỏng tĩnh ( sản xuất acid citric, sản xuất thạch dừa, đông trùng hạ thảo).
- Thích hợp cho quá trình nuôi mốc, xạ khuẩn những nhóm vi sinh vật có hệ sợi.
- Không đòi hỏi quá cao về thiết bị.
- Nhiễm cục bộ, dễ cách ly nên không gây thiệt hại lớn khi mẻ lên men bị nhiễm vi sinh vật lạ.
- Tốn nhiều diện tích bề mặt.
- Khó cơ khí hóa, khó tự động hóa.
- Chi phí nhân công, điện nước cao.
Lên men bề sâu
Trong quá trình lên men vi sinh vật chỉ nằm trên bề sâu của môi trường
- Ta có thể dùng cho cả vi sinh vật kỵ khí và vi sinh vật hiếu khí chỉ cần thay đổi chế độ sục khí.
- Sử dụng môi trường lỏng (môi trường dịch thể).
- Vi sinh vật phân tán trong khắp môi trường.
- Phổ biến được dùng trong sản xuất men bánh mì, protein đơn bào từ vi sinh vật, chế phẩm vi sinh làm phân bón, thuốc trừ sâu, các enzyme, acid amin, kháng sinh, vitamin, …
- Tốn ít mặt bằng trong xây dựng và lắp đặt dậy chuyền.
- Chi phí điện năng, nhân lực và các khoản phụ cho 1 đơn vị sản xuất thấp.
- Dễ cơ khí hóa, tự động hóa cho toàn bộ quá trình.
- Trang bị kỹ thuật cao, chế tạo đặc biệt chịu áp lực cao, kín và làm việc trong điều kiện vô trùng tuyệt đối.
- Dễ bị nhiễm trùng toàn bộ.
3 CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN QUÁ TRÌNH LÊN MEN:
Phương pháp lên men chu kỳ
Trong phương pháp này, người ta sẽ thực hiện một lần châm môi trường vào thiết bị lên men, mỗi lần cấy giống vì sinh vật và một lần tháo canh trường ra khỏi thiết bị khi quá trình lên men kết thúc Phương pháp lên men chu kỳ hiện đang được sử dụng phổ biến tại Việt Nam, nó có thể áp dụng cho kiểu lên men bề mặt lẫn lên men bề sâu Nhìn chung, đây là một phương pháp đơn giản và dễ thực hiện.
Phương pháp lên men chu kỳ có bổ sung cơ chất
Trong phong pháp này, đầu tiên người ta châm môi trường vào thiết bị lên men (môi trường chỉ chiếm một phần thể tích trong bình lên men) rồi cấy giống để thực hiện quá trình nuôi cấy vi sinh vật Sau một khoảng thời gian xác định, người ta châm thêm cơ chất vào thiết bị lên men Cơ chất châm thêm có thể là môi trường như lần châm ban đầu hoặc là một số thành phần dinh dưỡng nào đó cần thiết cho hoạt động trao đổi chất của giống vi sinh vật Việc châm thêm cơ chất có thể được thực hiện gián đoạn hoặc liên tục cho đến khi thể tích làm việc của thiết bị lên men đạt giá trị theo khuyến cáo của hãng chế tạo thiết bị.Trước thời điểm châm cơ chất, trong một số trường hợp, người ta sẽ lấy mẫu để kiểm tra một số chỉ tiêu hóa lý cần thiết Việc kiểm tra này có thể được thực hiện bằng phương pháp thủ công hoặc tự động (nhờ hệ thống cảm biến) Sau khi thiết bị lên men được châm đầy, quá trình lên men sẽ tiếp diễn cho đến khi kết thúc Cuối cùng, người ta sẽ thực hiện một lần tháo toàn bộ canh trường ra khỏi thiết bị lên men rồi vệ sinh thiết bị để chuẩn bị cho một mẻ lên men mới.
Phương pháp lên men liên tục
Giai đoạn đầu của quá trình lên men liên tục thì tương tự như quá trình lên men chu kỳ Đầu tiên, người ta sẽ nạp môi trường vào đẩy thiết bị lên men rồi cấy giống vi sinh vật Sau một khoảng thời gian lên men xác định, người ta sẽ liên tục tháo canh trường ra khỏi thiết bị và liên tục nạp thêm môi trường mới vào trong thiết bị Phương pháp lên men liên tục có thể được chia thành hai dạng là chemostate và turbidostate.
Một điểm cần lưu ý là người ta chỉ sử dụng môi trường lỏng trong phương pháp lên men chu kỳ có bổ sung cơ chất và phương pháp lên men liên tục.
4 CÁC BIẾN ĐỔI VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG
TRONG QUÁ TRÌNH LÊN MEN:
Các biến đổi của quá trình lên men
Biến đổi sinh học
Giai đoạn sinh trưởng hiếu khí: Đây là giai đoạn đầu của quá trình lên men Ở giai đoạn này, nấm men nảy chồi và phát triển nhanh chóng, đạt cực đại là ở cuối ngày thứ 3 đồng thời là sự giảm nhanh nồng độ chất hòa tan trong dịch đường, nhiệt độ tăng dần và sự xuất hiện của nhiều bóng khí to, phủ kín bề mặt dịch nha.
Giai đoạn sinh trưởng kỵ khí: Trong giai đoạn này nấm men vẫn tiếp tục sinh trưởng nhưng trong điều kiện không có oxy và nồng độ đường thấp Quá trình lên men chuyển dần từ kiểu lên men hiếu khí (để tăng sinh khối) sang lên men kỵ khí (len men rượu tạo C2H5OH, CO2 và một số sản phẩm phụ khác).
Biến đối hoá sinh và hóa học
Những biến đổi hóa sinh và hóa học trong các quá trình lên men rất đa dạng. chúng có thể diễn ra ở bên trong hoặc bên ngoài tế bào và có liên quan đến sự trao đổi chất của giống vi sinh vật sử dụng các nhà sản xuất cần phải quan tâm đến con đường trao đổi chất (metabolic pathway) tạo ra sản phẩm lên men cần thu nhận.
Sự chuyển hóa glucose thành axit nitric là một trong những quá trình sinh hóa quan trọng nhất Quá trình này liên quan đến cơ chế sinh tổng hợp axit citric từ glucose do nấm mốc Aspergillus niger thực hiện.
Trong quá trình lên men diễn ra sự trao đổi glucid ở tế bào nấm men chủ yếu bao gồm: Sự thủy phân các loại đường disacharide, trisacharide… thành glucose dưới tác dụng của một số enzym tương ứng như: maliase, invertase, melibiase,… Chuyển hóa glycose thành etanol và CO2 Ngoài ra còn chuyển hóa các loại đường khác thành các loại rượu như propylic, izopropylic, amilic… Sự tổng hợp vật chất tế bào từ glucose thành glucogen cũng có thể xảy ra trong quá trình sinh trưởng và phát triển của nấm men Sự trao đổi lipid: Trong quá trình sinh trưởng và phát triển hiếu khí thường kèm theo quá trình tổng hợp các acid béo và sterol ở nấm men Các chất này là thành phần quan trọng của tế bào.
Sự trao đổi các hợp chất nitơ: Các hợp chất nitơ có trong dịch nha gạo gồm: các phân đoạn protein (các polypeptide, peptid, pepton, acid amin), các muối amoni, các purite, nucleotide… Trong số các hợp chất này thì các muối amoni vô cơ và các acid amin sẽ được nấm men sử dụng như nguồn cung cấp nitơ phục vụ cho quá trình sinh trưởng và trao đổi chất Biến đổi hóa học Sự thay đổi hàm lượng chất khô trong quá trình lên men, nấm men sử dụng đường trong dịch nha để tăng sinh khối và lên men ethanol Do đó nồng độ chất khô trong dịch lên men sẽ giảm dần Người ta dựa vào sự thay đổi Balling làm thông số điều khiển quá trình lên men Độ Balling trước quá trình lên men là130Balling (Độ Balling nguyên thủy) Tùy theo từng loại bia mà kết thúc quá trình lên men chính và lên men phụ có độ Balling khác nhau Sự thay đổi pH:Sau khi kết thúc quá trình lên men chính pH giảm xuống còn khoảng 4,4÷4,5.Hiện tượng giảm pH trong quá trình lên men là do sự hình thành acid H2CO3(do CO2 sinh ra trong quá trình lên men hòa tan vào nước), sự vận chuyển ionH+ qua màng tế bào và hình thành nên các acid hữu cơ Trong quá trình trao đổi chất của nấm nem như acetic, acid, formic, acid lactic, acid citric… Sự thay đổi hàm lượng khoáng chất trong quá trình lên men, nấm men đã sử dụng một số kim loại cần cho sự sinh trưởng và phát triển của nấm men như: Ca2+;Mg2+; Fe2+; Mn2+; Co2+; K+; Ni2+ và Zn2+ Dịch nha được xem là nguồn cung cấp các thành phần khoáng cần thiết cho nấm men Vì vậy, trong quá trình nấu dịch nha cần bổ xung thêm Ca2+ và Zn2+ Sự tạo thành các ester:Các ester được tạo thành vào cuối giai đoạn lên men chính nhờ phản ứng ester hóa giữa alcol (chủ yếu là ethanol) và các acid hữu cơ sinh ra trong quá trình lên men Các loại ester này tạo nên hương đặc trưng cho bia thành phẩm.
Biến đổi hóa lý
Sự hình thành bọt: Bọt được tạo thành trong quá trình lên men chính nhờ sự giải phóng các khí ở dạng không liên kết đặc biệt là CO2 Do bản chất của dịch nha là hệ keo gồm các hợp chất có tính hoạt động bề mặt như protein, palyphenol, chất đắng… Các chất này tạo nên một lớp hấp phụ trên bề mặt các bóng khí do đó khí khó thoát khỏi bóng này và tạo thành bọt mịn Những bọt này có xu hướng thoát lên trên bề mặt tạo nên sự khuấy trộn trong quá trình lên men Sự hòa tan khí CO2: Độ hòa tan của CO2 trong dịch lên men thấp hơn trong nước đồng thời hàm lượng CO2 sinh ra tăng nhanh cùng hàm lượng ethanol Do đó, một phần CO2 tồn tại trong dịch men dưới dạng liên kết với một số thành phần khác như protein, ester Phần CO2 còn lại có xu hướng thoát lên trên bề mặt tạo lên sự tự khuấy đảo dịch lên men Ngoài ra, sự tự khuấy đảo dịch lên men còn diễn ra bởi sự chênh lệch nhiệt độ trong quá trình giữ ổn định nhiệt.
Trong quá trình lên men có thể xảy ra những biến đổi về pha.
Dưới đây là một số ví dụ:
1 Trong lên men hiếu khí, việc sục không khi hoặc khuấy trộn canh trường sẽ làm cho một phần oxy không khí hòa tan vào canh trường vi sinh vật hiếu khí sẽ sử dụng oxy hòa tan trong canh trường để sinh trưởng.
2 Khi sinh vật phân phải cơ chất thải ra khí CO2, một phần khí CO2 sẽ hòa tan trong canh trường
3 Trong quá trình lên men, pH canh trường thay đổi do sự vận chuyển các chất qua màng tế bào, từ đó làm thay đổi nồng độ ion H+ trong canh trường ngoài ra, một số vi sinh vật sinh tổng hợp aicd hửu cơ và tiết ra bên ngoài tế bào Khi đó, một số phân tử protein hòa tan trong canh trường có thể bị đông tụ.
* Các sản phẩm của công nghệ lên men:
- Sinh khối VSV: sản xuất bánh mì, protein đơn bào, chế phẩm diệt côn trùng…
- Enzym VSV: amylase, cellulase, protease…
- Các sản phẩm trao đổi chất: rượu, bia, axit amin, axit hữu cơ, kháng sinh, …
- Sản phẩm chuyển gen: protein tái tổ hợp, yếu tố đông máu…
- Các sản phẩm chuyển hóa sinh học như vitamin, steroid, acrylamide…
- Các đại phân tử sinh học và chất họat động bề mặt
Biến đổi vật lý
Trong quá trình lên men, một số chỉ tiêu vật lý của canh trường như tỷ trọng, nhiệt độ sẽ thay đổi cần lưu ý là sư gia tăng nhiệt độ quá mức sẽ làm giảm hoạt tính trao đổi chât của giống vi sinh vật.
Nhiệt độ lên men: Trong quá trình lên men chính yếu tố nhiệt độ đóng vai trò rất quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ lên men và từ đó ảnh hưởng đến chất lượng bia Nhiệt độ trong quá trình lên men tăng dần do quá trình trao đổi chất của nấm men có kèm theo hiện tượng giải phóng nhiệt Do đó, để đảm bảo nhiệt độ luôn ổn định người ta thường điều chỉnh nhiệt độ trong quá trình lên men một cách tự động, hay bán tự động bằng cách tiếp khí CO2 lạnh vào tank, khuấy đảo để giảm nhiệt độ Khi đón dịch vào tank lên men thì nhiệt độ điều chỉnh là 12°C, sau mẻ dịch cuối cùng 12h thì tăng nhiệt độ lên 16°C Khi nhiệt độ tank ổn định ở 16°C thì tiếp giống, giống được tiếp vào tank ở nhiệt độ 18°C, ổn định sau 2h thì hạ nhiệt độ xuống 16°C để tiến hành lên men chính. Thực tế thì nhiệt độ đặt tự động trong tank và nhiệt độ thực luôn chênh lệch nhau, do đó, khi mực chênh lệch quá cao thì tiến hành tiếp khí CO2 lạnh và khuấy đảo để hạ nhiệt độ trong tank Tank lên men có hai tầng nhiệt khác nhau, phía trên của tank lên men nhiệt độ cao hơn phía dưới (hình phễu), mặc dù nhiệt độ đặt là như nhau, nhưng nhiệt độ thật thì thay đổi Kết thúc quá trình lên men chính thì hạ nhiệt độ từ từ xuống 4°C tạo điều kiện cho quá trình lắng men và chuẩn bị cho lên men phụ. Áp suất lên men: Quá trình lên men thì áp suất của tank lên men sẽ tăng dần do giải phóng lượng CO2 trong quá trình phân giải glucose, và quá trình tiếp CO2 lạnh để điều chỉnh nhiệt độ vì thế tank lên men trang bị hệ thống điều áp tự động Áp suất lên men luôn duy trì ở 1atm, mặc dù áp suất luôn dao động,tuy nhiên không lớn Áp suất của tank lên men trong quá trình đón dịch là0.4atm.
Các yếu tố ảnh hưởng trong quá trình lên men
Giống vi sinh vật
Trong công nghiệp vi sinh, việc lựa chọn giống vi sinh vật thường là một vấn đề rất quan trọng Nếu chọn được giống vi sinh vật thỏa mãn các tiêu chí đã đặt ra thì sẽ đảm bảo được năng suất và chất lượng sản phẩm lên men cần thu nhận.
Riêng trong lĩnh vực lên men thực phẩm, người ta thường sử dụng giống ở dạng tổ hợp gồm nhiều loài vi sinh vật khác nhau.
Ví dụ: Trong nghiên cứu sử dụng vi khuẩn probiotic Lactobacillus plantarum trong chế biến sữa chua (Trích nguồn – Tạp chí khoa học Trường đại học Cần
Hình 2: Streptococcus thermophilus (phải) và Lactobacillus bulgaricus (trái)
Trong quá trình nghiên cứu và phát triển các giống, các nhà sản xuất cần đặc biệt chú ý đến hiện tượng tương tác sinh học giữa các loài trong tổ hợp giống Những kiểu tương tác này bao gồm cộng sinh (symbiosis), tương hỗ (mutualism), hợp lực (synergism), hội sinh (commensalism) và trưng tính (neutralism).
Thành phần định tính và định lượng của môi trường
Việc tối ưu hóa thành phần định tính và định lượng của môi trường lên men có vai trò rất quan trọng, quyết định năng lực và hiệu quả chung của toàn quá trình: xác định nguồn nguyên liệu chính, thành phần môi trường lên men, nồng độ tương ứng của từng cấu tử trong từng thời điểm cụ thể, đều được xác định qua con đường thực nghiệm, trên cơ sở kiểm tra trên hàng loạt cơ chất dự kiến chính, các tiền chất, các chất dinh dưỡng khác, các chất phụ gia kỹ thuật… Nếu môi trường chứa đầy đủ thành phần cơ chất với tỷ lệ cân đối thì quá trình lên men sẽ diễn ra nhanh, năng suất và chất lượng sản phẩm lên men sẽ đạt yêu cầu Ngược lại, nếu môi trường thiếu đi một thành phần dinh dưỡng nào đó hoặc tỷ lệ cơ chất trong môi trường không cân đối thì sẽ kìm hãm sự phát triển của giống vi sinh vật, hệ quả là thời gian lên men kéo dài, năng suất và chất lượng sản phẩm cần thu nhận bị giảm đi đáng kể Các nhà sản xuất cần tối ưu hóa thành phần định tính và định lượng môi trường trước khi lên men.
Ví dụ: TỐI ƯU HÓA THÀNH PHẦN MÔI TRƯỜNG LÊN MEN RẺ TIỀN CHỦNG Bacillus subtilis LH1 BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM PHỤC VỤ SẢN XUẤT PROBIOTIC (Trích nguồn – Tạp chí Khoa học Lạc Hồng 2020, 9, 037-040).
Tối ưu hóa bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm theo thiết kế Box- Behken.
Hình 3: Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố lên sinh khối chủng B. subtilis LH1 theo thiết kế Plackett-Burman
Từ kết quả ở hình trên cho thấy 3 yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất đến hiệu suất thu sinh khối chủng B subtilis LH1 là (NH4)2SO4, K2HPO4 và NaCl, các yếu tố này được chọn đưa vào Box-Behnken để xác định hàm lượng tối ưu.
Thành phần môi trường tối ưu lên men chủng Bacillus subtilis LH1với rỉ đường 10 g/l, (NH4)2SO4 15 g/l, nguồn khoáng: NaCl 7.5 g/l, K2HPO4 2.13 g/l, CaCl2 0.2 g/l, MgSO4 1g/l.
Qua ví dụ trên, việc thay đổi thành phần môi trường, nồng độ các cấu tử và sự biến thiên nồng độ của chúng trong suốt quá trình có quan hệ chặt chẽ với hoạt động trao đổi chất của vi sinh vật, vì vậy quan hệ chặt chẽ đến các sản phẩm tạo thành của quá trình. Đối với môi trường lỏng, các nhà sản xuất cần quan tâm đến hàm lượng chất khô và giá trị pH Khi thu nhận các sản phẩm trao đổi chất từ vi sinh vật như acid hữu cơ, acid amin, dung môi hữu cơ nếu hàm lượng chất khô ban đầu trong môi trường quá thấp thì hàm lượng sản phẩm thu được cũng sẽ thấp Do đó, các nhà sản xuất có xu hướng gia tăng hàm lượng chất khô ban đầu trong môi trường lên men Tuy nhiên, nếu nồng độ chất khô trong môi trường quá lớn thì sẽ làm tăng áp lực thẩm thấu gây ức chế vi sinh vật và làm ảnh hưởng xấu đến quá trình lên men Tùy theo dạng sản phẩm lên men cần thu nhận mà các nhà sản xuất sẽ lựa chọn nồng độ chất khô ban đầu thích hợp.
Giá trị pH sẽ ảnh hưởng đến hoạt tính trao đổi chất của vi sinh vật Trong quá trình lên men, pH canh trường luôn thay đổi.Tùy theo dạng sản phẩm lên men cần thu nhận mà các nhà sản xuất sẽ hiệu chỉnh hoặc không hiệu chỉnh pH theo thời gian lên men. Đối với môi trường rắn, độ ẩm của canh trường là một yếu tố công nghệ quan trọng Độ ẩm quá thấp hoặc quá cao đều gây ảnh hưởng xấu đến hoạt tính trao đổi chất của vi sinh vật cũng như năng suất và chất lượng sản phẩm cần thu nhập Thông thường, độ ẩm canh trường sẽ giảm theo thời gian lên men do hiện tượng tỏa nhiệt của vi sinh vật trong quá trình sinh trưởng Các nhà sản xuất cần sử dụng không khí ẩm (độ ẩm tương đối: 98-99%) để hiệu chỉnh độ ẩm và nhiệt độ của canh trường trong quá trình lên men.
Điều kiện lên men
- Lượng giống cấy: Nếu lượng giống cấy quá ít thì thời gian lên men sẽ kéo dài.Ngoài ra, trong giai đoạn đầu của quá trình lên men, các vi sinh vật nhiễm trong môi trường dễ phát triển và có thể làm ảnh hưởng xấu đến năng suất và chất lượng sản phẩm Ngược lại, nếu lượng giống cấy quá nhiều thì sẽ làm tăng chi phí cho quá trình nhân giống Trong công nghệ lên men thực phẩm, lượng giống cấy quá nhiều sẽ làm thay đổi tỷ lệ các sản phẩm phụ tạo thành trong canh trường lên men, từ đó giá trị cảm quan của thực phẩm lên men sẽ bị thay đổi Các nhà sản xuất cần xác định lượng giống cấy thích hợp bằng phương
Nhiệt độ là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự phát triển, trao đổi chất của vi sinh vật và chất lượng sản phẩm lên men Lựa chọn nhiệt độ lên men phù hợp sẽ giúp tối ưu hóa năng suất, đảm bảo chất lượng sản phẩm và tiết kiệm chi phí sản xuất.
Ví dụ: MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH LÊN MEN GỪNG (Trích nguồn – HỘI NGHỊ CÔNG NGHỆ SINH HỌC TOÀN QUỐC
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN : Ảnh hưởng của nhiệt độ chần đến quá trình lên men gừng
Hình 4: Ảnh hưởng của nhiệt độ chần đến độ pH, hàm lượng polyphenol, mật độ tế bào vi khuẩn S.thermophillus SLC 122
Từ kết quả ảnh hưởng của nhiệt độ chần đến chất lượng gừng lên men nhận thấy: lượng tế bào vi khuẩn ở công thức 65℃ là 1,15x10 10 CFU/ml chứng tỏ quá trình lên men diễn ra tốt, pH không giảm quá nhiều làm sản phẩm có tính chất cảm quan hài hòa và được người sử dụng ưa thích Nhiệt độ chần cao làm tổn hao nhiều polyphenol trong gừng, tuy nhiên xét tổng thể, nhiệt độ chần gừng 65℃ cho các giá trị cảm quan, pH và quá trình lên men diễn ra tốt.
Thông thường, quá trình lên men ở nhiệt độ thấp sẽ kéo dài Ngược lại, lên men ở nhiệt độ quá cao sẽ làm giảm bất thuận nghịch hoạt tính trao đổi chất của vi sinh vật Nếu chúng ta lên men thực phẩm ở nhiệt độ cao thì sự tổn thất các cấu tử hương trong sản phẩm sẽ gia tăng Trong công nghệ lên men thực phẩm, nhiệt độ tối ưu của quá trình lên men có thể không trùng với nhiệt độ tối ưu cho sự sinh trưởng của giống vi sinh vật Ví dụ như trong sản xuất bia, khi sử dụng nấm men chìm thì nhiệt độ thích hợp của quá trình lên men chính và lên men phụ lần lượt là 6-14℃ và 0-2℃ Còn nhiệt độ sinh trưởng tối ưu của nấm men chìm là 28-30℃ Lên men bia ở nhiệt độ thấp nhằm mục đích bão hòa C O 2 cho bia và cải thiện các chỉ tiêu cảm quan của sản phẩm như độ trong, mùi và vị.
- Sự cung cấp oxy: Việc cung cấp oxy cho các quá trình lên men hiếu khí là bắt buộc vì nó ảnh hưởng quyết định đến năng suất và chất lượng sản phẩm cần thu nhận Đối với môi trường rắn, người ta thổi không khí vô trùng đi qua lớp canh trường trong thiết bị nuôi cấy Còn đối với môi trường lỏng, người ta sục không khí vào canh trường, kết hợp với sự khuấy trộn.
Trong quá trình lên men kỵ khí bắt buộc, sự hiện diện của oxy có thể ức chế hoặc thậm chí giết chết vi sinh vật Đối với môi trường lỏng, người ta thường bơm khí trơ như nitơ (N2) vào khoảng trống giữa mặt trên của chất lỏng và nắp thiết bị lên men, hoặc sục khí trơ trực tiếp vào môi trường nuôi cấy trong suốt quá trình lên men để duy trì điều kiện kỵ khí.
- Thời gian lên men: phụ thuộc vào giống vi sinh vật, dạng sản phẩm cần thu nhận và nhiều yếu tố khác Khi thu nhận các sản phẩm trao đổi chất như acid amin, acid hữu cơ, dung môi hữu cơ, enzyme, thời gian lên men thường kéo dài từ 1 đến 8 ngày Ngược lại, đối với nhóm thực phẩm lên men, thời gian lên men và tàng trữ có thể kéo dài đến hàng tuần, hàng tháng và thậm chí là hàng năm
Ví dụ: Xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sản xuất sữa chua mắc ca (Trích nguồn – Bài báo Khoa học Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội)
Hình 5: Ảnh hưởng của thời gian lên men đến sự biến đổi độ acid của sữa chua mắc ca
Dựa vào Hình 3, độ acid tăng theo thời gian lên men, đạt cực đại ở thời điểm 18 giờ (104,8 ml NaOH 0,1N/100g) Sau thời điểm 18 giờ, độ acid không tăng đáng kể, chỉ còn 104,5 ml NaOH 0,1N/100g ở 21 giờ Khoảng thời gian này được chọn là thời gian lên men tối ưu do đây là thời điểm có nồng độ acid lactic và các thành phần phụ tạo hương vị cao nhất.
18 giờ để nghiên cứu sản xuất sữa chua mắc ca.
Qua đó, ta thấy được các nhà sản xuất sẽ xác định thời gian lên men và tàng trữ bằng phương pháp thực nghiệm tùy thuộc vào nhu cầu năng suất và chất lượng sản phẩm mà họ muốn đem ra thị trường tiêu dùng.
5 XÂY DỰNG QUI TRÌNH SỬ DỤNG QUÁ TRÌNH LÊN MEN:
Qui trình 01
Qui trình thực hiện
Nhập nguyên liệu: Sữa bò tươi, bột sữa gầy, bột sữa 25% béo, nước gia nhiệt
Xử lý nhiệt Đồng hóa 1 Lọc
Thanh trùng 2 Đồng hóa 2
Thuyết minh qui trình
Tại mỗi cơ sở sản xuất đều có bộ phận thu nhận sữa nguyên liệu và kiểm tra chất lượng sữa được đưa đến nhà máy theo những giờ nhất định Thường là buổi sáng và chiều Cần phải kiểm tra và thanh trùng các thiết bị chứa sữa nguyên liệu trước khi nhập liệu sữa tươi.
Khi nhập sữa, khuấy sữa thật đều, đo nhiệt độ, lấy mẫu kiểm tra các chỉ tiêu hoá lý, chỉ tiêu cảm quan, chỉ tiêu vệ sinh
Sữa bò tươi, bột sữa gầy, bột sữa 25% béo, nước gia nhiệt được đưa đi phối trộn để tạo thành thể đồng nhất
Hàm lượng bột sữa gầy và sữa bột tách béo sử dụng thường không cao hơn 3% so với khối lượng sữa tươi Yêu cầu là phải dễ phân tán vào nước, hoà tan hoàn toàn không để lại các hạt thô, không có những hạt bị cháy xém để lại màu nâu cho sản phẩm.
Các chất ổn định được đưa vào để tạo trạng thái bền vững cho sữa, tạo dạng gel bền vững, sản phẩm không bị tách lớp trong quá trình bảo quản.
Có thể tiến hành theo các bước như sau: sữa tươi (2 – 3 0 C) → trộn hoàn toàn → gia nhiệt (5 – 10 phút) → sữa 50 0 C → bột sữa gầy, bột sữa 25% béo → trộn đường, chất ổn định (15 phút).
Để loại bỏ tạp chất trong quá trình vắt và vận chuyển, đồng thời loại bỏ các cục sữa bị vón cục lại trong quá trình hoàn nguyên bột sữa, phương pháp lọc cơ học có thể được sử dụng.
Dịch sau trộn được bơm qua bộ phận lọc dạng ống, sau đó là chuyển đến bồn cân bằng.
Bồn cân bằng Đảm bảo mực hỗn hợp ở mức cố định giúp quá trình sản xuất được liên tục, giảm dao động của dòng sản phẩm và tránh bọt khí lẫn vào sản phẩm.
Quá trình xử lý nhiệt thường được thực hiện trong thiết bị trao đổi nhiệt dạng bảng mỏng hoặc ống lồng Chế độ xử lý là 90-95 O C trong 3-5 phút nhằm tiêu diệt hoặc ức chế đến mức tối đa Ngoài ra, quá trình này còn làm biến tính sơ bộ các protein sữa Nhờ đó, trong qúa trình lên men lactic, khối đông được hình thành với cấu trúc ổn định, hạn chế sự thoát huyết thanh ra khỏi cấu trúc gel khi bảo quản sữa chua. Đồng hoá 1
Nhằm ngăn chặn sự phân ly của kem trong quá trình ủ, lên me, giảm đường kính trung bình của hạt béo vào trong micelle casein, tránh hiện tượng tách pha của chất béo.
- Mục đích: tiêu diệt các vi sinh vật không cần thiết hiện diện trong sữa, làm cho sữa có môi trường dinh dưỡng tinh khiết thích hợp cho sự phát triển của vi sinh vật yêu cầu.
Sữa được thanh trùng ở nhiệt độ 62 độ C trong thời gian 30 phút Quá trình gia nhiệt sữa lên nhiệt độ đó được thực hiện bằng một thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm, thông qua việc trao đổi nhiệt với nước nóng Nhiệt độ thanh trùng được tự động điều khiển ở mức đã cài đặt sẵn nhờ bộ kiểm soát nhiệt độ.
Khi thành trùng Pasteur các β - lactose globulin bị biến tính Tuy nhiên việc thanh trùng cũng kéo theo phản ứng Maillard, gây màu nâu và làm ảnh hưởng đến cảm quản của sữa
Dịch sữa sau thanh trùng 1 được làm lạnh xuống 4 - 8 O C trong thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm qua 3 giai đoạn.
Giai đoạn 1: sữa sau thanh trùng được dẫn vào ngăn thứ 2 của thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm Tại đây sữa dược làm nguội nhờ trao đổi nhiệt với dịch sữa chuẩn bị đi vào đồng hóa 1.
Giai đoạn 2: sữa tiếp tục được làm nguội bằng nước thường ở ngăn thứ 3 của thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm.
Giai đoạn 3: sữa ra khỏi ngăn thứ 3 sẽ đi vào ngăn thứ 4 của thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm để làm lạnh dịch sữa xuống 4 - 8 O C
Dịch sữa được giữ ở 4 - 8 O C trong 5 - 20 giờ để ổn định chất lượng dịch sữa, làm cho các chất khoáng đạt đến trạng thái cân bằng ổn định Bồn ageing là loại bồn 2 vỏ có bảo ôn, sử dụng nước lạnh 1 - 3 O C. Đồng hoá 2
Giúp ổn định thành phần, hỗn hợp đồng nhất, tạo môi trường và điều kiện thuận lợi cho các quá trình tiếp theo Phương pháp thực hiện tương tự như đồng hoá 1.
Dịch sữa chua khi ra khỏi thiết bị đồng hóa 2 sẽ đi vào ngăn thứ 1 của thiết bị trao đổi nhiệt để trao đổi nhiệt với nước nóng và nâng nhiệt độ sữa tới soát nhiệt độ tự động Nếu nhiệt độ thanh trùng không đạt dịch sữa sẽ được tuần hoàn về bồn cân bằng cho đến khi nào nhiệt độ thanh trùng đạt Sữa 95 O C sẽ được dẫn vào ống lưu nhiệt độ trong thời gian 5 - 10 phút.
Dịch sữa sau thanh trùng được làm nguội xuống 45 O C qua hai giai đoạn rồi đưa vào bồn ủ.
Quy trình 02
Thuyết minh quy trình
Sữa chua 1 hộp (Sữa chua Vinamilk)
Sữa tươi không đường 440 ml
Hòa sữa đặc với sữa tươi trên bếp khoảng 40 độ C Phối trộn
Cho 1 hủ sữa chua vào làm men cái, đun ấm
Lọc qua rây Ủ 6-8 giờ, duy trì nhiệt độ ở 50 độ C Ủ sữa chua
Phối trộn Đem sữa tươi không đường và sữa đặc ra khỏi tủ lạnh rồi để nguội khoảng 10 -
15 phút trước khi chế biến để thành phẩm sữa chua không bị lợn cợn hay vón cục.
Hình 6: Cho nguyên liệu vào phối trộn
Sau đó, cho hết 2 lon sữa đặc vào một nồi lớn Tiếp đến, cho 1 hộp sữa chua vào nồi rồi khuấy đều, tiếp tục cho thêm 440 ml sữa tươi không đường vào trong nồi, dung muỗng khuấy cho đến khi hỗn hợp đều và sánh mịn.
Đặt một nồi lên bếp và đun sôi 550ml nước Khi nước sôi, từ từ đổ vào nồi chứa hỗn hợp sữa chua đã pha ở trên, đồng thời khuấy đều tay cho đến khi hỗn hợp hòa tan hoàn toàn với nhau.
Hình 7: Hòa tan hỗn hợp
Tiếp đến, lọc hỗn hợp qua rây để sữa chua được sánh mịn, cho sữa chua đã lọc vào nồi rồi lấy 1 miếng vải phủ kín nồi và đậy nắp nồi lại. Ủ sữa chua Đặt nồi ở nơi khô thoáng, tránh sự xê dịch di chuyển và ủ khoảng 12 tiếng Bạn có thể lấy thêm khăn để quấn bên ngoài nồi nhằm đảm bảo chất lượng lên men được tốt nhất.
Sau khi hoàn thành, sữa chua sẽ cực kỳ sánh mịn, dẻo và thơm chuẩn vị, chua chua ngọt thanh ăn rất thích Bạn có thể ăn món này cùng với trái cây hoặc sử dụng làm các món sinh tố.
Hình 9: Thành phẩm sữa chua tự làm Đánh giá sản phẩm
Màu sắc sữa chuyển từ màu trắng sang trắng ngà
Trạng thái từ lỏng sang đông tụ (đặc sệt lại).
Vị ngọt giảm, tăng vị chua.
Vi khuẩn lactic đã biến đường trong sữa thành axit lactic, đồng thời trong quá trình lên men đã có sự tỏa nhiệt và biến đổi của prôtêin làm sữa đông tụ lại, vị ngọt của sữa giảm, vị chua tăng lên đồng thời lên men phụ tạo ra điaxêtyl, các este và các axit hữu cơ làm cho sữa có vị chua thơm ngon.
Vi khuẩn lactic đã biến đường thành axit lactic:
Lactôzơ ⇒ Galactôzơ + Glucôzơ (xúc tác là vi khuẩn lactic)
Glucôzơ ⇒ axit lactic (xúc tác là vi khuẩn lactic)
6 THÀNH TỰU CÔNG NGHỆ ÁP DỤNG CHO QUÁ TRÌNH LÊN MEN:
Sản phẩm từ công nghệ lên men
Tỏi không chỉ là gia vị mà còn là vị thuốc quý với nhiều công dụng tuyệt vời, tuy nhiên mùi khó chịu của tỏi là một nhược điểm lớn Để khắc phục vấn đề này, các nhà khoa học đã nghiên cứu và cho ra đời các sản phẩm cải tiến, trong đó tỏi đen được sử dụng rộng rãi tại Hàn Quốc và Nhật Bản như một thực phẩm bổ dưỡng Tuy nhiên, tỏi đen có giá thành khá đắt đỏ.
Trong lĩnh vực y tế, sản xuất dược phẩm cũng như công nghệ thực phẩm quá trình lên men được chú trọng phát triển, mang ý nghĩa và giá trị to lớn đối với con người Thành tựu mà quá trình lên men mang từ tỏi đen đem lại giúp chuyển hóa các chất cao phân tử thành các chất có khối lượng phân tử thấp hơn và làm cho chúng trở thành một phân tử mới, không độc, dễ hấp thu, hoặc hoạt tính mạnh hơn Thậm chí, sau quá trình lên men có thể xuất hiện hoạt tính hoàn toàn khác với chất ban đầu Các sản phẩm sau khi lên men cũng tạo ra các chất có tính chất hóa lý khác làm cho quá trình tinh chế chúng trở nên dễ dàng hơn,
Hiện nay có nhiều loại dược phẩm ứng dụng công nghệ lên men Trong đó,lên men thảo dược nổi bật nhất chính là tỏi đen Thực chất đây không phải thực phẩm có sẵn trong tự nhiên mà chúng trải qua quá trình lên men từ tỏi trắng thành tỏi đen.
Hình 10: Sản phẩm công nghệ của quá trình lên men – Tỏi đen Ở Việt Nam, tỏi cũng được trồng phổ biến ở nhiều vùng trong đó đáng chú ý là tỏi Lý Sơn – Quảng Ngãi Tuy nhiên giống như các loại tỏi khác, tỏi Lý Sơn cũng chỉ được sử dụng ở dạng nguyên liệu tươi, chưa có nghiên cứu về chế biến lên men thành các dạng sản phẩm đặc biệt Chính vì vậy, nhóm nghiên cứu thuộc Học viện Quân Y, do TS Vũ Bình Dương đứng đầu, đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu lên men tỏi đen từ tỏi Lý Sơn và đánh giá tác động sinh học của sản phẩm tạo ra” nhằm tạo thêm các sản phẩm có tác dụng sinh học tốt mà giá cả hợp lý, có giá trị cao để chăm sóc sức khỏe cộng đồng góp phần nâng cao đời sống của người dân trồng tỏi. a) So sánh thành phần giữa tỏi đen sau quá trình lên men và tỏi tươi
Hình 11: Bảng so sánh tỏi tươi và tỏi đen
Khi lên men từ tỏi trắng thành tỏi đen sẽ xuất hiện thêm rất nhiều hàm lượng các nhóm hoạt chất Trong loại tỏi này có chứa rất nhiều sulfur hữu cơ mà ít gây mùi cay nồng không như các hợp chất này tồn tại trong tỏi trắng Đặc biệt,hàm lượng S-allyl-L-cysteine (SAC) tăng lên từ 6-10 lần so với tỏi trắng, loại đường Fructose làm cho tỏi có vị ngọt.
Hình 12: A Tỏi đen biến đổi trong quá trình lên men (từ trái sang phải).
B Tép tỏi đen thành phẩm.
Ngoài ra, polyphenol là một nhóm chất có khá nhiều tác dụng có mặt trong nhiều loại thảo dược khác nhau mà giữ vai trò tác dụng chính thì cũng có mặt trong tỏi lên men với hàm lượng khá cao, hàm lượng này tăng từ 5-10 lần so với tỏi trắng Ngoài những thành phần được bổ sung thì hàm lượng của những hoạt chất dược tính cũng tăng cao Điều này mang đến tác dụng với cơ thể thường nhanh và mạnh gấp 4 lần so với tỏi trắng. b) Quy trình đã nghiên cứu từ đề tài “Nghiên cứu lên men tỏi đen từ tỏi Lý Sơn và đánh giá tác động sinh học của sản phẩm tạo ra”
Để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, trung tâm đã bổ sung thêm các thiết bị chuyên dụng bao gồm: thiết bị lên men tỏi đen với công suất 150kg/mẻ, tủ mát công nghiệp đảm bảo bảo quản sản phẩm trong điều kiện tối ưu, máy sục ozone giúp làm sạch tỏi nguyên liệu, thiết bị quạt công nghiệp hỗ trợ làm khô tỏi, và máy hút chân không phục vụ mục đích đóng gói sản phẩm.
Sau 4 đợt thử nghiệm, hoàn chỉnh công nghệ, nhóm nghiên cứu đưa ra quy trình sản xuất tỏi đen tại Hải Phòng Cụ thể, chọn nguyên liệu tỏi trong vùng chuyên canh, ruộng tỏi có thời gian sinh trưởng 135 - 140 ngày Vào những ngày không mưa, tiến hành thu hoạch tỏi Những củ tỏi tròn đều, đường kính củ từ 28 - 35mm, tép rắn chắc, không bị xây xát, tróc vỏ, sâu bệnh… sẽ được chọn làm nguyên liệu Tỏi được rửa sạch bằng nước máy và sục bằng nước ozon, làm khô trên giá nhà xưởng trong 1 ngày rồi đưa vào lên men.
Tỏi tươi được xếp một lớp đều vào các khay, mỗi khay 7,5kg Giai đoạn lên men đầu tiên, xếp khay vào thiết bị lên men với nhiệt độ 80℃, độ ẩm 85% trong 24 giờ Sau đó, chuyển chế độ nhiệt độ còn 75℃, độ ẩm 75% trong 96 giờ Đến giai đoạn lên men chính, điều chỉnh thiết bị lên men với thông số nhiệt độ 70℃, độ ẩm 75% trong 480 giờ, rồi lại giảm nhiệt độ còn 65℃, độ ẩm75% trong 120 giờ Quá trình lên men tỏi thường xuyên theo dõi, kiểm tra sự thay đổi màu sắc, mùi vị của tỏi.
Kết thúc quá trình lên men kéo dài 30 ngày, những củ tỏi có vỏ chuyển màu nâu, tép tỏi màu đen tuyền, vị ngọt, chua dịu, dẻo và có hương thơm dễ chịu là sản phẩm đạt tiêu chuẩn.
Sau khi lên men, tỏi được làm khô trong thiết bị lên men trong vòng 48 giờ ở nhiệt độ 40℃, tắt chế độ phun ẩm Sau đó, chuyển tỏi sang phòng sạch dùng quạt gió công nghiệp tiếp tục làm khô trong 96 giờ ở nhiệt độ phòng c) Công dụng của tỏi đen
Nhiều nghiên cứu cho thấy tỏi đen có tác dụng chống oxy hóa mạnh mẽ, cụ thể là giảm hoạt động của các gốc tự do Hoạt tính này tăng theo thứ tự tỏi đen lên men > tỏi đen dùng nhiệt > tỏi tươi Tỏi đen có khả năng chống oxy hóa vượt trội hơn tỏi tươi là do quá trình lên men đã chuyển hóa alliin, một chất chống oxy hóa không ổn định trong tỏi tươi, thành SAC, một chất chống oxy hóa có độ ổn định cao hơn nhiều Tác dụng chống oxy hóa của tỏi đen không chỉ dừng lại ở đó mà còn có khả năng ngăn chặn sự phát triển của tế bào ung thư.
Cơ chế tác dụng ức chế sự tăng trưởng của tế bào ung thư của tỏi đen chưa được biết rõ Tuy nhiên các nghiên cứu cho thấy dịch chiết tỏi đen có tác dụng ức chế sự phát triển của một số dòng tế bào ung thư ở người, bao gồm: U937 (ung thư máu), A549 (ung thư phổi), MCF-7 (ung thư vú), AGS, SGC-7901 (ung thư dạ dày), HepG2 (ung thư gan), HT29 (ung thư ruột kết)
Béo phì là một trong các tác nhân góp phần làm trầm trọng các bệnh lý đái tháo đường, bệnh tim, tăng mỡ máu, hay các bệnh về gan Những nghiên cứu trên chuột cho thấy tỏi đen có tác dụng chống béo phì thông qua các hiệu quả làm giảm cân, giảm béo, giảm triglycerid, LDL, tăng HDL, giảm các men gan AST và ALT.
Tỏi đen đã chứng minh tác dụng bảo vệ gan rõ rệt trong các mô hình tổn thương gan ở chuột Trong mô hình gan tổn thương do rượu, tỏi đen đã làm giảm đáng kể nồng độ các men gan (AST, ALT, ALP, LDH), đồng thời tăng cường các enzym bảo vệ gan (CYP2E1, glutathione S-transferase, quinone reductase, GSH-Px, glutathione reductase, catalase) Trong các mô hình tổn thương gan khác như mô hình gan tổn thương do carbon tetrachloride hoặc gan nhiễm mỡ, dịch chiết tỏi đen cũng cho thấy khả năng làm giảm nồng độ AST và ALT hiệu quả.
Chống viêm, tác động lên hệ miễn dịch
Một số hệ thống lên men
Hình 13: Hệ thống lên men MDFT
Với quy mô phòng thí nghiệm chúng ta có các hệ thống thiết bị lên men từ 100ml đến 10 lít như hệ thống lên men MDFT hãng Marubishi
MDFT thích hợp cho quy mô phòng thí nghiệm hoặc nghiên cứu với các dải thể tích bình lên men từ 1L, 2L… đến 10L Hệ lên men MDFT được sản xuất với công nghệ Nhật Bản mang tính bền bỉ cùng hiệu suất và độ chính xác cao. MDFT có những ưu điểm nổi bật như: thiết kế khép kín với trục quay từ tính tránh lây nhiễm trong quá trình vận hành, bộ điều khiển tự động, thông minh cùng hệ thống đo lường sử dụng phím bấm tiện lợi, kiểm soát nhiệt độ, oxi trong quá trình lên men hiệu quả, bề mặt bình lên men được làm bằng thủy tinh Pyrex chịu nhiệt cao, có thể hấp tiệt trùng nhanh gọn Ngoài ra thiết bị có thể tháo rời dễ dàng, tiện lợi vệ sinh và bảo trì thiết bị.
Hình 14: Hệ thống lên men BIOFLO 120
Hệ thống lên men sinh học Bioflo 120 là hệ thống lên men nhỏ gọn (dung tích 5 lít và 10 lít) tuân thủ các tiêu chuẩn công nghiệp được phát triển để lên men vi sinh hoặc nuôi cấy mô tế bào.
- Thiết kế công nghiệp với những đầu dò cao cấp và phần mềm điều khiển thông minh
+ Bình nuôi cấy tiệt trùng được bằng nồi khử trùng autoclave
+ Mô tơ khuấy trực tiếp với khả năng điều khiển tốc độ khuấy và chiều khuấy
+ Thiết kế bằng thép không gỉ tại mặt trước, sau và bảng điều khiển
+ 4 bơm nhu động gồm bơm điều khiển được tốc độ và bơm một tốc độ để nạp môi trường nuôi cấy, axit, bazơ.
- Tính tiện ích: có thể kết nối trực tiếp với thiết bị ly tâm liên tục (Máy ly tâm liên tục CEPA Eppendorf) để thu hồi sản phẩm lên men đảm bảo độ tinh sạch và hiệu suất thu hồi cao.
* Ứng dụng của hệ thống:
- Ứng dụng cho nuôi cấy tổng hợp như tế bào động vật, tế bào gốc, vi sinh vật, tế bào thực vật, tảo
- Phù hợp với tất cả các phòng thí nghiệm từ nghiên cứu đến bán sản xuất
- Dùng cho các sản phẩm mang tính bảo mật hoặc các loại vắc xin, kháng thể đơn dòng,
- Nuôi tạo giống cho bán sản xuất
- Dùng cho nghiên cứu về nguyên liệu sinh học
- Nuôi cấy các dạng tế bào lơ lửng hay tế bào kết dính
- Nuôi hiếu khí hoặc kỵ khí.
Hình 15: Hệ thống lên men vi sinh vật 200 lít Marubishi
Hệ thống lên men từ 200 – 1000 lít thường được ứng dụng tại các nhà máy,trung tâm nghiên cứu sản xuất chế phẩm sinh học lớn như tại Xưởng sản xuất thực nghiệm (tại Viện vi sinh vật và công nghệ sinh học – Đại học Quốc gia HàNội) với hệ thống 2 thiết bị lên men 500 lít và 1000 lít lớn nhất cả nước Các hệ bộ điều khiển thông minh, quá trình lên men được cài đặt và tự động hoàn toàn, chỉ cần một người điều khiển toàn bộ quá trình, giúp tiết kiệm chi phí nhân công.
Một số hệ thống lên men khác:
Hình 16: Hệ thống lên men BioFlo 110 5-10 Lít (New Brunswick, Mỹ)
Hình 17: Hệ thống lên men quy mô 100 Lít (YUIN 100, Việt – Hàn)
