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

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.

GVHD: Trần Quyết ThắngLỚP: 11DHTP7

NHÓM: 02

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ GLUCID

TP Hồ Chí Minh, năm 2024

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HỒ CHÍ MINHKHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

-o0o MÔN: CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN THỰC PHẨM

TÊN ĐỀ TÀI: Tìm hiểu bản chất, mục đích, phương pháp thực hiện và các biến đổiquá trình lên men Xây dựng 02 qui trình và tạo một sản phẩm thực phẩm có sử dụngquá trình lên men (dưa chua, nem chua, tôm chua, sữa chua ) Giới thiệu một thànhtựu công nghệ áp dụng cho quá trình lên men.

TP Hồ Chí Minh, năm 2024

MỤC LỤC

Lời Cam Đoan 3

LỜI MỞ ĐẦU 4

1TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH LÊN MEN: 5

1.1 Bản chất của quá trình lên men: 5

1.2 Mục đích của quá trình lên men: 5

1.3 Ưu nhược điểm công nghệ lên men: 6

1.4 Thiết bị lên men: 7

2CÁC QUÁ TRÌNH LÊN MEN: 9

2.1Lên men bề mặt: 9

2.2Lên men bề sâu: 9

3CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN QUÁ TRÌNH LÊN MEN: 10

3.1 Phương pháp lên men chu kỳ: 10

3.2 Phương pháp lên men chu kỳ có bổ sung cơ chất: 10

3.3 Phương pháp lên men liên tục: 11

4CÁC BIẾN ĐỔI VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TRONG QUÁ TRÌNH LÊN MEN: 11

4.1 Các biến đổi của quá trình lên men: 11

4.1.1 Biến đổi sinh học: 11

4.1.2 Biến đối hoá sinh và hóa học: 12

4.1.3 Biến đổi hóa lý: 13

4.1.4 Biến đổi vật lý: 14

4.2 Các yếu tố ảnh hưởng trong quá trình lên men: 14

4.2.1 Giống vi sinh vật: 14

4.2.2 Thành phần định tính và định lượng của môi trường: 15

4.2.3 Điều kiện lên men: 17

5XÂY DỰNG QUI TRÌNH SỬ DỤNG QUÁ TRÌNH LÊN MEN: 19

5.2.2 Thuyết minh quy trình: 27

6THÀNH TỰU CÔNG NGHỆ ÁP DỤNG CHO QUÁ TRÌNH LÊN MEN: 30

6.1 Sản phẩm từ công nghệ lên men: 30

6.2 Một số hệ thống lên men: 35

KẾT LUẬN 39

TÀI LIỆU THAM KHẢO 40

MỤC LỤC HÌNH ẢNHHình 1: Thiết bị lên men 8

Hình 2: Streptococcus thermophilus (phải) và Lactobacillus bulgaricus (trái) 15

Hình 3: Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố lên sinh khối chủng B subtilis LH1 theo thiết kế Plackett-Burman 16

Hình 4: Ảnh hưởng của nhiệt độ chần đến độ pH, hàm lượng polyphenol, mật độ tế bào vi khuẩn S.thermophillus SLC 122 17

Hình 5: Ảnh hưởng của thời gian lên men đến sự biến đổi độ acid của sữa chua mắc ca 19

Hình 6: Cho nguyên liệu vào phối trộn 28

Hình 7: Hòa tan hỗn hợp 28

Hình 8: Ủ sữa chua 29

Hình 9: Thành phẩm sữa chua tự làm 29

Hình 10: Sản phẩm công nghệ của quá trình lên men – Tỏi đen 30

Hình 11: Bảng so sánh tỏi tươi và tỏi đen 31

Hình 12: A Tỏi đen biến đổi trong quá trình lên men (từ trái sang phải) B Tép tỏi đenthành phẩm 31

Hình 13: Hệ thống lên men MDFT 35

Hình 14: Hệ thống lên men BIOFLO 120 36

Hình 15: Hệ thống lên men vi sinh vật 200 lít Marubishi 37

Hình 16: Hệ thống lên men BioFlo 110 5-10 Lít (New Brunswick, Mỹ) 38

Hình 17: Hệ thống lên men quy mô 100 Lít (YUIN 100, Việt – Hàn) 38

Lời Cam Đoan

Em/ chúng em xin cam đoan đề tài: “Tìm hiểu bản chất, mục đích, phương pháp thựchiện và các biến đổi quá trình lên men Xây dựng 02 qui trình và tạo một sản phẩmthực 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.” do nhóm 02nghiên cứu và thực hiện

Em/ chúng em đã kiểm tra dữ liệu theo quy định hiện hành

Kết quả bài làm của đề tài: “Tìm hiểu bản chất, mục đích, phương pháp thực hiện vàcác biến đổi quá trình lên men Xây dựng 02 qui trình và tạo một sản phẩm thực phẩmcó sử dụng quá trình lên men ( dưa chua, nem chua, tôm chua, sữa chua ) Giới thiệumột thành tựu công nghệ áp dụng cho quá trình lên men.” và không sao chép từ bất kỳbài tập của nhóm khác

Các tài liệu được sử dụng trong tiểu luận có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng.

LỜI MỞ ĐẦU

Trong ngành công nghiệp thực phẩm, các sản phẩm không chỉ nhờ bao bì,nhãn mác đẹp mà thu hút người tiêu dùng mà còn nhờ vào các quá trình chếbiến góp phần quan trọng đến chất lượng sản phẩm tạo ra đa dạng các loại sảnphẩm thực phẩm mang đến tay người dùng, và trong số đó quá trình lên mencũng giữ một vị trí vô cùng quan trọng tác động tích cực, đem đến vô vàn sảnphẩm nhờ quá trình lên men đến nhu cầu tiêu dùng của đại đa số người ViệtNam nói riêng và người tiêu dùng toàn thế giới nói chung.

Có thể thấy, lên men là một phương pháp được sử dụng rất phổ biến trong đờisống hiện nay, từ phòng thí nghiệm đến sản xuất công nghiệp Quá trình lênmen đem lại rất nhiều lợi ích thiết thực phục vụ cho sản xuất và đời sống, tạo ranhiều 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, phươngpháp thực hiện và các biến đổi quá trình lên men Xây dựng 02 qui trình và tạomột 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 quátrình 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 khiáp dụng quá trình lên men vào từ đó nâng cao được hiểu biết về công nghệ lênmen thực phẩm

1 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH LÊN MEN:

1.1 Bản chất của quá trình lên men:

Trong ngành công nghiệp vi sinh, lên men (fermentation) được hiểu là mộtquá trình nuôi cấy vi sinh vật để chuyển hóa môi trường (medium) thành sảnphẩm (product) hoặc để thu nhận các sản phẩm trao đổi chất (metabolive) do visinh vật tổng hợp nên.

Trong quyển sách công nghệ chế biến thực phẩm, lên men được hiểu là mộtquá trình nuôi cấy vi sinh vật trong sản xuất công nghiệp nhằm tạo ra các sảnphẩm phục vụ cho con người.

Tương tự như quá trình nhân giống vi sinh vật, để quá trình lên men đạt hiệuquả cao về mặt kỹ thuật, các nhà sản xuất cần phải chú ý những vấn đề dướiđây:

- Chọn được giống vi sinh vật phù hợp

- Chọn được môi trường với thành phần cơ chất thích hợp để giống vi sinh vậtsinh tổng hợp sản phẩm

- Chọn phương pháp và điều kiện lên men sản phẩm thu được đạt các yêu cầuvề số lượng lẫn chất lượng.

1.2 Mục đích của quá trình lên men:

Trong ngành công nghiệp thực phẩm, quá trình lên men có nhiều mục đíchkhác nhau:

- Chuẩn bị: Chúng ta sẽ xét một ví dụ Trong quy trình sản xuất phô maiCamembert có đến ba quá trình sử dụng vi sinh vật làm tác nhân chuyển hóa cơchất Đó là lên men sơ bộ, lên men và ủ chính phô mai Quá trình lên men sơbộ được thực hiện bởi nhóm vi khuẩn lactic Quá trình này diễn ra ở 8-14Ctrong thời gian 15-20 giờ Trong quá trình lên men sơ bộ, hoạt động của giốngvi khuẩn lactic sẽ làm cho pH của sữa giảm về giá trị tối thích cho hoạt độngxúc 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 côngnghệ là chuẩn bị cho quá trình đông tụ casein.

- Chế biến: Trong công nghệ lên men thực phẩm, hầu hết các quá trình lên menđều làm thay đổi sâu sắc thành phần hóa học của môi trường ban đầu, biến đổimôi trường thành sản phẩm Ví dụ như quá trình lên men làm biến đổi nướcnho thành rượu vang, biến đổi dịch nha thành bia, biến đổi sữa tươi thànhyaourt,… 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 sảnphẩm trao đổi chất thì quá trình lên men có mục đích công nghệ là khai thác Vídụ như lên men để thu nhận acid glutamic, acid citric, vitamin, chế phẩmenzyme, …

- 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 vìnó sẽ kéo dài thời gian sử dụng thực phẩm Ví dụ như cải tươi sau thu hoạch rấtdễ bị hư hỏng Quá trình lên men cải tươi bằng hệ vi khuẩn lactic sẽ kéo dàithời gian bảo quản nó Ngày nay, chúng ta nhận thấy rằng quá trình lên menlactic để sản xuất cải chua có hai mục đích công nghệ: bảo quản và chế biến.- Hoàn thiện: Một số quá trình lên men trong công nghiệp thực phẩm có chứcnăng cải thiện một vài chỉ tiêu chất lượng sản phẩm đặc biệt là những chỉ tiêucảm quan như mùi, vị… Ví dụ như quá trình ủ chín trong sản xuất một số loạiphô mai, quá trình lên men phụ trong sản xuất bia, quá trình tàng trữ trong sảnxuất rượu vang… đều có chung mục đích công nghệ là hoàn thiện một số chỉtiêu cảm quan của sản phẩm.

1.3 Ưu nhược điểm công nghệ lên men:

+ 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 sinhvật 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 tổhợp 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 những sản phẩm này rất khó để thực hiện bằng các phản ứng hóa học Điệnhình là việc sản xuất các acid amin như glutamic, aspamat…

tính Nhược điểm:

+ Do dễ dàng thay đổi kiểu gen, nên các vi sinh vật này cũng rất dễ biến dịvà 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 nhiễmmột vi khuẩn hay một virus khác, nguy cơ hỏng quá trình lên men là rất cao docác 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.

1.4 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 sảnxuất etanol, bia, rượu vang ở nước ta và các nước khác trên thế giới vẫn tiếptục sử dụng các thiết bị dạng này.

- Thiết bị lên men hiện đại: thiết bị có dạng hình trụ đứng và được làm bằngthép không rỉ Thiết bị có bộ phận điều nhiệt nhờ lớp vỏ áo và hệ thống đườngdẫn xoắn đặt bên trong thân trụ của thiết bị Ngoài ra, bên trong thiết bị còn cóbộ phận sục khí, cánh khuấy và các hệ thống cảm biến để đo và điều kiện nhiệtđộ, pH, lượng oxy hòa tan trong pha lỏng Việc điều khiển các thông số nhưnhiệt độ và pH được thực hiện nhờ các chương trình phần mềm (để xử lý thôngtin từ cảm biến) và các bơm điều khiển Những thiết bị lên men hiện nay còn cónhững cảm biến đo nồng độ sinh khối, cơ chất và sản phẩm trong suốt quá trìnhlên men

Hình 1: Thiết bị lên men

Đối với môi trưởng rắn, người ta sử dụng thiết bị nuôi dạng khay (cuvet) hoặcdạng thùng quay Cuvet có dạng hình hộp chữ nhật, chiều cao 50mm, mặt đáycó đục những rãnh nhỏ để thoát ẩm và dễ vệ sinh Chiều cao của lớp môitrường trong khay không được vượt quá 25mm Các cuvet được xếp lên mộtgiá đỡ có nhiều kệ, sau đó đặt trong tủ nuôi hoặc phòng nuôi.

Thiết bị dạng thùng quay có hình trụ nằm ngang, đường kính xấp xỉ 2m, chiềudài 5m Bên trong thùng có tấm lưới đặt song song với trục hình trụ và chiathiết bị thành hai khoang lớn và nhỏ Môi trường sẽ được đặt trên tấm lướikhoang lớn Chiều cao của lớp môi trường không quá 20cm Không khí vôtrùng sẽ được cho vào khoang nhỏ, đi xuyên qua tấm lưới và lớp canh trườngđể cung cấp oxy cho vi sinh vật phát triển, đồng thời đuổi nhiệt, đuổi CO2 vàhiệu chỉnh nhiệt độ cho canh trường Không khí sẽ thoát ra khỏi thiết bị tại mộtcửa thoát trên phần thân trụ Ngoài ra, thiết bị có thể xoay xung quanh trục hìnhtrụ 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 độđồng nhất của canh trường không cao, điều đó gây khó khăn cho việc kiểm soátvà hiệu chỉnh các thông số công nghệ trong quá trình lên men Khi kết thúc quátrình lên men, hàm lượng cơ chất còn sót lại trong canh trường rắn thường caohơn nhiều so với canh trường lỏng Ngoài ra, quá trình lên men sử dụng canhtrường 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:

2.1 Lên men bề mặt:

Trong quá trình lên men vi sinh vật chỉ nằm trên bề mặt của môi trường, quátrình lên men này thường thực hiện trên môi trường rắn, chỉ có một vài trườnghợp lên men trên bề mặt lỏng.

- Vi sinh vật hiếu khí, phát triển trên bề mặt và lan dần xuống bên dưới theocác kẻ hở giữa các cấu tử thành phân môi trường

- Thường sử dụng môi trường rắn có phối trộn chất độn làm xốp ( cám có trộnbột ngũ cốc, đậu tương, trấu,…) để tạo những koangr trống để Oxi có thể xâmnhập vào trong đồng thời khi vi sinh vật phát triển chúng có thể lan dần xuốngbên dưới để lấy chất dinh dưỡng của môi trường Người ta thường sử dụng quátrình lên men bề mặt với đối tượng là nấm móc trong lĩnh vực sản xuất enzyme.Các nghiên cứu ghi nhận rằng khi ta nuôi nấm móc trên môi trường cơ chất rắnvà bán rắn thì khả năng sinh tổng hợp tiết ra enzyme của vi sinh vật sẽ tốt hơnmôi trường lỏng.

- Có thể sử dụng môi trường lỏng không sục khí- lên men lỏng tĩnh ( sản xuấtacid citric, sản xuất thạch dừa, đông trùng hạ thảo).

- Thích hợp cho quá trình nuôi mốc, xạ khuẩn những nhóm vi sinh vật có hệsợi.

* Ưu điểm:

- Phương pháp đơn giản.

- Không đòi hỏi quá cao về thiết bị.

- Nhiễm cục bộ, dễ cách ly nên không gây thiệt hại lớn khi mẻ lên men bịnhiễm vi sinh vật lạ.

* Nhược điểm:

- Tốn nhiều diện tích bề mặt.- Khó cơ khí hóa, khó tự động hóa.- Chi phí nhân công, điện nước cao.

2.2 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 thayđổi 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 sinhvật, chế phẩm vi sinh làm phân bón, thuốc trừ sâu, các enzyme, acid amin,kháng sinh, vitamin, …

* Ưu điểm:

- 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.

3.1 Phương pháp lên men chu kỳ:

Trong phương pháp này, người ta sẽ thực hiện một lần châm môi trường vàothiết bị lên men, mỗi lần cấy giống vì sinh vật và một lần tháo canh trường rakhỏi thiết bị khi quá trình lên men kết thúc Phương pháp lên men chu kỳ hiệnđang được sử dụng phổ biến tại Việt Nam, nó có thể áp dụng cho kiểu lên menbề mặt lẫn lên men bề sâu Nhìn chung, đây là một phương pháp đơn giản vàdễ thực hiện.

3.2 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 lênmen (môi trường chỉ chiếm một phần thể tích trong bình lên men) rồi cấy giốngđể 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 làmôi trường như lần châm ban đầu hoặc là một số thành phần dinh dưỡng nàođó cần thiết cho hoạt động trao đổi chất của giống vi sinh vật Việc châm thêmcơ chất có thể được thực hiện gián đoạn hoặc liên tục cho đến khi thể tích làmviệc 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 đểkiểm tra một số chỉ tiêu hóa lý cần thiết Việc kiểm tra này có thể được thựchiện bằng phương pháp thủ công hoặc tự động (nhờ hệ thống cảm biến) Saukhi thiết bị lên men được châm đầy, quá trình lên men sẽ tiếp diễn cho đến khikết thúc Cuối cùng, người ta sẽ thực hiện một lần tháo toàn bộ canh trường rakhỏi thiết bị lên men rồi vệ sinh thiết bị để chuẩn bị cho một mẻ lên men mới.

3.3 Phương pháp lên men liên tục:

Giai đoạn đầu của quá trình lên men liên tục thì tương tự như quá trình lênmen chu kỳ Đầu tiên, người ta sẽ nạp môi trường vào đẩy thiết bị lên men rồicấy giống vi sinh vật Sau một khoảng thời gian lên men xác định, người ta sẽliên tục tháo canh trường ra khỏi thiết bị và liên tục nạp thêm môi trường mớivào trong thiết bị Phương pháp lên men liên tục có thể được chia thành haidạng là chemostate và turbidostate.

Một điểm cần lưu ý là người ta chỉ sử dụng môi trường lỏng trong phươngpháp 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:

4.1 Các biến đổi của quá trình lên men:

4.1.1 Biến đổi sinh học:

Giai đoạn sinh trưởng hiếu khí: Đây là giai đoạn đầu của quá trình lên men Ởgiai đoạn này, nấm men nảy chồi và phát triển nhanh chóng, đạt cực đại là ởcuối ngày thứ 3 đồng thời là sự giảm nhanh nồng độ chất hòa tan trong dịchđường, nhiệt độ tăng dần và sự xuất hiện của nhiều bóng khí to, phủ kín bề mặtdịch nha.

Giai đoạn sinh trưởng kỵ khí: Trong giai đoạn này nấm men vẫn tiếp tục sinhtrưởng nhưng trong điều kiện không có oxy và nồng độ đường thấp Quá trìnhlên men chuyển dần từ kiểu lên men hiếu khí (để tăng sinh khối) sang lên menkỵ khí (len men rượu tạo C2H5OH, CO2 và một số sản phẩm phụ khác).

4.1.2 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 sựtrao đổi chất của giống vi sinh vật sử dụng các nhà sản xuất cần phải quan tâmđến con đường trao đổi chất (metabolic pathway) tạo ra sản phẩm lên men cầnthu nhận.

Những biến đổi hóa sinh quan trọng nhất là sự chuyển hóa đường glucosethành acidnitric Những biến đổi này liên quan đến cơ chế sinh tổng hợp acidcitric từ glucose bởi nấm mốc A niger

Trong quá trình lên men diễn ra sự trao đổi glucid ở tế bào nấm men chủ yếubao gồm: Sự thủy phân các loại đường disacharide, trisacharide… thànhglucose dưới tác dụng của một số enzym tương ứng như: maliase, invertase,melibiase,… Chuyển hóa glycose thành etanol và CO2 Ngoài ra còn chuyểnhóa 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 thểxảy 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 trìnhtổng hợp các acid béo và sterol ở nấm men Các chất này là thành phần quantrọng 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 muốiamoni, các purite, nucleotide… Trong số các hợp chất này thì các muối amonivô cơ và các acid amin sẽ được nấm men sử dụng như nguồn cung cấp nitơphục vụ cho quá trình sinh trưởng và trao đổi chất Biến đổi hóa học Sự thayđổi hàm lượng chất khô trong quá trình lên men, nấm men sử dụng đườngtrong dịch nha để tăng sinh khối và lên men ethanol Do đó nồng độ chất khôtrong dịch lên men sẽ giảm dần Người ta dựa vào sự thay đổi Balling làmthông 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 quátrình 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 thayđổi hàm lượng khoáng chất trong quá trình lên men, nấm men đã sử dụng mộtsố 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 nguồncung cấp các thành phần khoáng cần thiết cho nấm men Vì vậy, trong quátrình 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 esterhóa giữa alcol (chủ yếu là ethanol) và các acid hữu cơ sinh ra trong quá trìnhlên men Các loại ester này tạo nên hương đặc trưng cho bia thành phẩm.

4.1.3 Biến đổi hóa lý:

Sự hình thành bọt: Bọt được tạo thành trong quá trình lên men chính nhờ sựgiải phóng các khí ở dạng không liên kết đặc biệt là CO2 Do bản chất của dịchnha 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 cácbóng khí do đó khí khó thoát khỏi bóng này và tạo thành bọt mịn Những bọtnày có xu hướng thoát lên trên bề mặt tạo nên sự khuấy trộn trong quá trình lênmen Sự hòa tan khí CO2: Độ hòa tan của CO2 trong dịch lên men thấp hơntrong nước đồng thời hàm lượng CO2 sinh ra tăng nhanh cùng hàm lượngethanol Do đó, một phần CO2 tồn tại trong dịch men dưới dạng liên kết vớimột số thành phần khác như protein, ester Phần CO2 còn lại có xu hướng thoátlên trên bề mặt tạo lên sự tự khuấy đảo dịch lên men Ngoài ra, sự tự khuấy đảodịch lên men còn diễn ra bởi sự chênh lệch nhiệt độ trong quá trình giữ ổn địnhnhiệt.

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 sẽlàm cho một phần oxy không khí hòa tan vào canh trường vi sinh vật hiếu khísẽ 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 hòatan trong canh trường

3 Trong quá trình lên men, pH canh trường thay đổi do sự vận chuyển các chấtqua màng tế bào, từ đó làm thay đổi nồng độ ion H+ trong canh trường ngoàira, một số vi sinh vật sinh tổng hợp aicd hửu cơ và tiết ra bên ngoài tế bào Khiđó, 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 côntrùng…

- 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

4.1.4 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 giảmhoạt 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 tròrất quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ lên men và từ đó ảnh hưởng đếnchất lượng bia Nhiệt độ trong quá trình lên men tăng dần do quá trình trao đổichất của nấm men có kèm theo hiện tượng giải phóng nhiệt Do đó, để đảm bảonhiệt độ luôn ổn định người ta thường điều chỉnh nhiệt độ trong quá trình lênmen 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 điềuchỉnh là 12°C, sau mẻ dịch cuối cùng 12h thì tăng nhiệt độ lên 16°C Khi nhiệtđộ tank ổn định ở 16°C thì tiếp giống, giống được tiếp vào tank ở nhiệt độ18°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 lệchnhau, do đó, khi mực chênh lệch quá cao thì tiến hành tiếp khí CO2 lạnh vàkhuấy 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 dùnhiệt độ đặt là như nhau, nhưng nhiệt độ thật thì thay đổi Kết thúc quá trìnhlên men chính thì hạ nhiệt độ từ từ xuống 4°C tạo điều kiện cho quá trình lắngmen và chuẩn bị cho lên men phụ.

Áp suất lên men: Quá trình lên men thì áp suất của tank lên men sẽ tăng dầndo giải phóng lượng CO2 trong quá trình phân giải glucose, và quá trình tiếpCO2 lạnh để điều chỉnh nhiệt độ vì thế tank lên men trang bị hệ thống điều áptự 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.

4.2 Các yếu tố ảnh hưởng trong quá trình lên men:

4.2.1 Giống vi sinh vật :

Trong công nghiệp vi sinh, việc lựa chọn giống vi sinh vật thường là một vấnđề rất quan trọng Nếu chọn được giống vi sinh vật thỏa mãn các tiêu chí đã đặtra thì sẽ đảm bảo được năng suất và chất lượng sản phẩm lên men cần thunhận.

Riêng trong lĩnh vực lên men thực phẩm, người ta thường sử dụng giống ởdạng 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 CầnThơ).

Hình 2: Streptococcus thermophilus (phải) và Lactobacillus bulgaricus (trái)

Các nhà sản xuất cần chú ý đến tương tác sinh học giữa các loài trong tổ hợpgiống Những kiểu tương tác như cộng sinh (symbiosis), tương hỗ (mutualism),hợp lực (synergism), hội sinh (commensalism) và trưng tính (neutralism)thường mang đến những tác động có lợi cho quá trình lên men.

4.2.2 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 mencó vai trò rất quan trọng, quyết định năng lực và hiệu quả chung của toàn quátrình: xác định nguồn nguyên liệu chính, thành phần môi trường lên men, nồngđộ tương ứng của từng cấu tử trong từng thời điểm cụ thể, đều được xác địnhqua con đường thực nghiệm, trên cơ sở kiểm tra trên hàng loạt cơ chất dự kiếnchính, các tiền chất, các chất dinh dưỡng khác, các chất phụ gia kỹ thuật… Nếumôi trường chứa đầy đủ thành phần cơ chất với tỷ lệ cân đối thì quá trình lênmen sẽ diễn ra nhanh, năng suất và chất lượng sản phẩm lên men sẽ đạt yêucầu Ngược lại, nếu môi trường thiếu đi một thành phần dinh dưỡng nào đóhoặc tỷ lệ cơ chất trong môi trường không cân đối thì sẽ kìm hãm sự phát triểncủa giống vi sinh vật, hệ quả là thời gian lên men kéo dài, năng suất và chấtlượng sản phẩm cần thu nhận bị giảm đi đáng kể Các nhà sản xuất cần tối ưuhóa 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 TIỀNCHỦNG Bacillus subtilis LH1 BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUY HOẠCH THỰC

NGHIỆM PHỤC VỤ SẢN XUẤT PROBIOTIC (Trích nguồn – Tạp chí Khoahọc Lạc Hồng 2020, 9, 037-040).

Tối ưu hóa bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm theo thiết kế Behken.

Thành phần môi trường tối ưu lên men chủng Bacillus subtilis LH1với rỉđường 10 g/l, (NH4)2SO4 15 g/l, nguồn khoáng: NaCl 7.5 g/l, K2HPO4 2.13g/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 sựbiến thiên nồng độ của chúng trong suốt quá trình có quan hệ chặt chẽ với hoạtđộng trao đổi chất của vi sinh vật, vì vậy quan hệ chặt chẽ đến các sản phẩmtạo thành của quá trình.

Đối với môi trường lỏng, các nhà sản xuất cần quan tâm đến hàm lượng chấtkhô và giá trị pH Khi thu nhận các sản phẩm trao đổi chất từ vi sinh vật nhưacid hữu cơ, acid amin, dung môi hữu cơ nếu hàm lượng chất khô ban đầutrong môi trường quá thấp thì hàm lượng sản phẩm thu được cũng sẽ thấp Dođó, các nhà sản xuất có xu hướng gia tăng hàm lượng chất khô ban đầu trongmôi trường lên men Tuy nhiên, nếu nồng độ chất khô trong môi trường quálớn thì sẽ làm tăng áp lực thẩm thấu gây ức chế vi sinh vật và làm ảnh hưởngxấu đến quá trình lên men Tùy theo dạng sản phẩm lên men cần thu nhận màcác 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 quátrình lên men, pH canh trường luôn thay đổi.Tùy theo dạng sản phẩm lên mencần thu nhận mà các nhà sản xuất sẽ hiệu chỉnh hoặc không hiệu chỉnh pH theothời gian lên men.

Đối với môi trường rắn, độ ẩm của canh trường là một yếu tố công nghệ quantrọng Độ ẩm quá thấp hoặc quá cao đều gây ảnh hưởng xấu đến hoạt tính traođổi chất của vi sinh vật cũng như năng suất và chất lượng sản phẩm cần thunhập Thông thường, độ ẩm canh trường sẽ giảm theo thời gian lên men dohiện tượng tỏa nhiệt của vi sinh vật trong quá trình sinh trưởng Các nhà sảnxuất cần sử dụng không khí ẩm (độ ẩm tương đối: 98-99%) để hiệu chỉnh độẩm và nhiệt độ của canh trường trong quá trình lên men.

4.2.3 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 nhiễmtrong môi trường dễ phát triển và có thể làm ảnh hưởng xấu đến năng suất vàchất lượng sản phẩm Ngược lại, nếu lượng giống cấy quá nhiều thì sẽ làm tăngchi phí cho quá trình nhân giống Trong công nghệ lên men thực phẩm, lượnggiống cấy quá nhiều sẽ làm thay đổi tỷ lệ các sản phẩm phụ tạo thành trongcanh trường lên men, từ đó giá trị cảm quan của thực phẩm lên men sẽ bị thayđổi Các nhà sản xuất cần xác định lượng giống cấy thích hợp bằng phươngpháp thực nghiệm.

- Nhiệt độ: Nhiệt độ ảnh hưởng đến sự sinh trưởng, hoạt tính trao đổi chất củavi sinh vật và chất lượng của thực phẩm lên men Các nhà sản xuất cần chọnnhiệt độ lên men thích hợp để năng suất và chất lượng sản phẩm cao nhất, đồngthời tiết kiệm được 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 QUỐC2020)

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN : Ảnh hưởng của nhiệt độ chần đến quá trình lênmen gừng

Hình 4: Ảnh hưởng của nhiệt độ chần đến độ pH, hàm lượngpolyphenol, 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 nhậnthấy: lượng tế bào vi khuẩn ở công thức 65℃ là 1,15x1010 CFU/ml chứng tỏquá trình lên men diễn ra tốt, pH không giảm quá nhiều làm sản phẩm có tínhchất cảm quan hài hòa và được người sử dụng ưa thích Nhiệt độ chần cao làmtổn hao nhiều polyphenol trong gừng, tuy nhiên xét tổng thể, nhiệt độ chầngừng 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, lênmen ở nhiệt độ quá cao sẽ làm giảm bất thuận nghịch hoạt tính trao đổi chấtcủa vi sinh vật Nếu chúng ta lên men thực phẩm ở nhiệt độ cao thì sự tổn thấtcác cấu tử hương trong sản phẩm sẽ gia tăng Trong công nghệ lên men thựcphẩm, nhiệt độ tối ưu của quá trình lên men có thể không trùng với nhiệt độ tốiưu cho sự sinh trưởng của giống vi sinh vật Ví dụ như trong sản xuất bia, khisử dụng nấm men chìm thì nhiệt độ thích hợp của quá trình lên men chính vàlên men phụ lần lượt là 6-14℃ và 0-2℃ Còn nhiệt độ sinh trưởng tối ưu củanấm men chìm là 28-30℃ Lên men bia ở nhiệt độ thấp nhằm mục đích bãohòa CO2 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 bắtbuộc 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 canhtrường trong thiết bị nuôi cấy Còn đối với môi trường lỏng, người ta sục khôngkhí vào canh trường, kết hợp với sự khuấy trộn.

Trong trường hợp lên men kỵ khí bắt buộc, sự có mặt của oxy trong môitrường có thể gây độc và ức chế vi sinh vật giống Đối với môi trường lỏng,người ta có thể thổi khí trơ (ví dụ như khí N2) vào khoảng không gian đượcgiới hạn giữa bề mặt trên của môi trường và đáy nắp của thiết bị lên men hoặcsục khí trơ vào trong canh trường trong suốt thời gian lên men.

- Thời gian lên men: phụ thuộc vào giống vi sinh vật, dạng sản phẩm cần thunhận và nhiều yếu tố khác Khi thu nhận các sản phẩm trao đổi chất như acidamin, acid hữu cơ, dung môi hữu cơ, enzyme, thời gian lên men thường kéodài từ 1 đến 8 ngày Ngược lại, đối với nhóm thực phẩm lên men, thời gian lênmen và tàng trữ có thể kéo dài đến hàng tuần, hàng tháng và thậm chí là hàngnăm

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 củasữa chua mắc ca

Dựa vào hình 3 cho thấy ở thời gian lên men là 9 giờ thì độ acid thu được là42,7 (ml NaOH 0,1N/100g), khi tăng thời gian lên men lên 12 giờ thì độ acidthu được là 67,2 (ml NaOH 0,1N/100g) Độ acid có xu hướng tăng dần theothời gian lên men và đạt cực đại ở thời gian lên men 18 giờ là 104,8 (ml NaOH0,1N/100g) và khi tăng nhiệt độ lên 21 giờ thì độ acid thu được là 104,5 (mlNaOH 0,1N/100g) Như vậy ở thời điểm 18 giờ lên men độ acid thu được làcao nhất, ở giai đoạn này phần lớn các cơ chất như đường đã được lên menchuyển hóa thành các acid lactic Trong thời gian lên men này ngoài sản phẩmchính là acid lactic còn tạo ra hàng loại các thành phần phụ khác tạo cho sản