cnsh thực phẩm chương 2 2023 update 2

Khái niệm lên men ° Quá trình hô hấp hiểm khí ° Sử dụng nguyên liệu carbohydrate tạo năng lượng hoặc sản phẩm trung gian... Tại sao sử dụng tê bào vi sinh vật trong sản xuât thực phâm °

CNSH THỰC PHẨM Chương 2 — Lên men thực phâm

Cao Thị Thanh Loan, PhD

09-2023

Food Production

Microbial Biotechnology in Food and Agriculture

| Food improved and preserved by fermentation

Len men: la qua trinh tao nang

Glutamic acid Organic acids Flavor compounds

Khái niệm lên men

Glucose ===> Ethanol <P Carbon dioxide +> ATP

Khái niệm lên men

° Quá trình hô hấp hiểm khí

° Sử dụng nguyên liệu carbohydrate tạo năng lượng ( hoặc sản phẩm trung gian)

Phân 1:Cơ sở vi sinh vật — Cơ sở của quá trình

lên men

How delbacteriado what theydo?

Bacteria

Quá trình lên men sản xuât sữa chua

[ sterlise equipment R

[ Pasteurise milk &

[ Add Lactobacillus bacteria

Tại sao sử dụng tê bào vi sinh vật trong sản

xuât thực phâm

Tại sao sử dụng tê bào vi sinh vật trong sản

xuât thực phâm

°- Kích thướt nhỏ ( thê tích bê mặt lớn)

-> hập thu chất dinh dưỡng nhanh và đông hóa ở tốc độ cao

° Nguyên liệu ban dau cho sản xuất đơn giản: các chất đường

bột và nhiêu phê phụ phâm rẻ tiên

‹ Chúng có thê thưc hiện các phản ứng sinh hóa khác nhau

Quy trình sinh trưởng và hình thành sản

phâm thức câp

m————=—=—=—=—=—=.= —

2 PHA CAP SO

Vi sinh sinh san theo

cấp số nhân với tốc độ cực đại

Giai đoạn này dòng vi sinh tốt,

khả năng hoạt động mạnh

3 Giai doan can bang

Tổng vi sinh vật mới sinh ra bằng tổng số lượng chết đi

Sinh khối trong pha này là cao nhất

4 Giai đoan suy thoái

Lượng vi sinh bắt đẫu giảm nhanh

Tốc độ suy giảm phụ thuộc vào

mat do vi sinh va mdi truong

Cách lựa chọn chủng giông vi sinh vat

® Theo nhu cau sản pham Mixed ~ Defined starters ~ Defined strains

Traditional Reliability & taste Health &

Main products from food fermentations

Wine and cider Some fermented milk products (e.g Kumis)

Kefir

Kombucha Cocoa

Vegetables Soy beans Cereals-fish-shrimp mixtures

Meat

Organisms Propionibacterium P Streptococcus Lactobacillus Saccharomyces y' Clostridium Acetobacter (NADH

Ví dụ:

Lên men các sản phẩm sữa - Lactic acid fermentation

¢ Lactic acid bacteria (LAB) : nhém vi khuan chính trong lên

men thuc pham

¢ Bao gém nhiéu nhém:

¢ Lactobacillus, Lactococcus, Streptococcus, Leuconostoc, Pediococcus, and Enterococcus

„ LAB là nhóm vi khuẩn đa dạng nhưng được xem là an toàn

“generally regarded as safe’ (GRAS) by the Food and Drug

Administration (FDA)

“qualifed presumption of safety” (QPS) by European Food

safety Authority (EFSA)

Cách lựa chọn chủng giông vi sinh vat

® Theo nhu cau sản pham Mixed ~ Defined starters ~ Defined strains

Traditional Reliability & taste Health &

Cách lựa chọn chủng giông vi sinh vật

VSV giông cân:

‹ đảm bảo các sản phẩm an toàn

„ đảm bảo tính nhất quán trong các sản phẩm thương mại

° có các đặc điềm mong muôn:

* san xuat axit lactic cao

¢ tiét ra chat chuyén hóa thứ cập mong muôn

° eXopolysaccharide, các chất chuyền hóa và peptit có hoạt

tính sinh học

° hoạt động phân giải protein (sản xuất pho mai)

Cách lựa chọn chủng giông vi sinh vat

f Starter cultures 7”

VSV có thê tạo ra một số chất chuyên hóa có hoạt

tính sinh học mong muốn và không mong muốn

Các Biogenic amins (bên trái) là một sản phẩm không

mong muôn trong hầu hết các quá trình lên men do

độc tính của chúng

Các peptit hoạt tính sinh học (bên phải) được tạo ra

thông qua giải phóng enzym là các sản phẩm phụ

mong muốn do hoạt tính sinh học tích cực

Bacteriocins (ở giữa ) được mong muôn do hoạt tính

giỗng probiotic, nhưng có khả năng không mong

muốn trong môi trường đôi với chủng VSV nuôi cay

do có thê xảy ra tác động đối với quá trình lên men

Cách lựa chọn chủng giông vi sinh vat

° Đề nghị giải pháp gì cho mô hình lên men bên?

Biogenic Amin (Bas)

° Các sản phẩm từ sữa, đặc biệt là pho mát, có thê tích tụ mức BAs cao, chủ yêu

là histamine và tyramine là độc hại ( giai đoạn aging phomai)

=> phát hiện BAs trong các sản phẩm sữa bằng sắc ký

° phát hiện các sinh vật sản xuât BA sử dụng các phương pháp dựa trên

PCR, tương quan với kết quả HPLC

° Mức độ tyramine trong pho mát mẫu đã giảm 85% thông qua việc sử dụng

xa khuan bacteriopohage đề hạn chê số lượng vi khuẩn sản xuất BA

° Lựa chọn các chủng giông VSV không chứa Các gen BA trong tương lai có

thê cân thiết đề tránh sự tích tụ không mong muôn của các hợp chất BA

Bacteriocins

‹ có thê thay thé cho thuôc kháng sinh và chất bảo quản thực phẩm hóa hoc

- Cân đên các phương pháp mới đề xác định các chủng có thể

san xuat ra bacteriocin

Bacteriocins

°ồ Phương pháp in silico

Các phương pháp trợ giúp bởi máy tính được ứng dụng vào nhiêu

khâu của quá trình nghiên cứu và phát triển thuốc, từ khâu tìm kiếm

các hợp chất hóa học có tác dụng sinh học, đến tối ưu hóa câu trúc các hợp chất này nhằm tăng hoạt tính sinh học, giảm độc tính, tang cac

tính chất dược động học của thuốc, đên các khâu nghiên cứu tiên lâm

sàng và lâm sàng

¢ Collins et al (2017) ste dung sang loc in silico dé sang lọc bộ gen của 213

lactobacilli nhan dién được 11 loài sinh bacteriocins ( trong đó có 5 loài mới)

Phân 2: Phân loại các phương pháp lên men

Theo cách tiến hành

‹ Lên men mẻ gián đoạn

-‹ Lên men bán liên tục

‹ Lên men liên tục

Phân 2: Phân loại các phương pháp lên men

Theo cách tiến hành

-‹ Lên men

-‹ Lên men

-‹ Lên men

Lên men mẻ gián đoạn

° _͆ nguy cơ lây nhiễm phương pháp khác, sản phẩm

° - Đơn giản, dễ vận hành chỉ thu trong một thời điểm

‹ Cân tiên hành khử trùng ở

môi mẻ, lô sản xuât

Lên men bán liên tục

° Việc bổ sung dinh dưỡng giúp giảm + Việc bỗ sung sẽ làm không ỗn định

độ nhớt môi trường nuôi cây làm môi trường nuôi cây cả vê dinh

thuận tiện cho các quá trình chuyên dưỡng và sản phẩm Do đó, cân tiễn khdi va vi sinh vat hap thu dinh hành kiểm soát và lây mẫu thường

và sản phẩm tạo thành

°_ Môi trường được pha loãng còn làm Việc cấp dinh dưỡng và thu sản

giảm ức chê của tế bào với các sản phẩm định kỳ cũng làm tăng nguy cơ phẩm phụ hoặc sản phẩm chính nhiễm khuẩn trong môi trường nuôi

cây, tăng rủi ro nhiễm khuẩn.

Lên men liên tục

° Phương pháp này kéo dài pha - Hệ thông phức tạp, tăng chỉ phí

cân bằng, do đó tế bào lâu già — * Sản phâm thu được không phải là

¢ Trang thai sinh ly của tê bao ° _ Tăng nguy cơ nhiễm khuẩn

đồng nhất hơn lên men mẻ, tạo

được sản lượng ôn định hơn °- Làm thay đổi sinh lý tê bào (kéo

°_ giảm được chi phí nhân lực và dài pha cân bằng)

các khâu nhân giỗng ° _ Việc thu sản phẩm định kỳ cũng

° giảm độ phức tạp cho quá tiệt là một nguy cơ gây thất thoát

trùng và thu sản phẩm giỗng và sinh khối

- hiệu suất của quy trình tăng.

Sơ đồ tổng quát và các giai đoạn chính

°® Trước lên men (Upstream)

¢ Len men (Fermentation)

¢ Sau lén men (Downstream)

1 Organism-based strategies 2 Substrate-based strategies

thermostable & Delignified and low crystalline

fast growing organism cellulosic biomass

3 Process optimization—based strategies

Lab Pilot Reactor

<100 g 100 g - 1 kg 5~100 kg Factors to be optimized:

a OFAT methods kể pH, temperature, water content

' | b RSM methods § substrate: type, size, S/L ratio

—— inoculum: type & size

c Mathematical Medium components: C & N source,

modeling mediators, metals, surfactants

agitation & aeration

4 Bioreactor based strateg a Type of bioreactor strategies 5 Process monitoring based

a1 Tray bioreactor

a2 Packed bed bioreactor a Temperature, b pH, c Humidity & moisture

a3 Drum bioreactor d Aeration & O> transfer, e Agitation, f Flow

a4 Stirred bed bioreactor measurements & control, g Pressure drop

measurements, h Biomass measurements,

i Inoculum measurements, j product measurements

6 Contamination control based

contamination leads to higher enzyme production

Low cost and efficient recovery of enzyme

7 Downstream based strategies makes the cellulase prodcution feasible 1

a Extraction

b Purification 32-38 Crude enzyme

c Crystallization Viral inactivation Commercial

Polishing chromatography Addition enzyme

Viral filtration Po“! of stabilizer

Buffer addition Diafiltration —

Formulation Lyophilization Filtration Chromatography High resolution purification Crystallization

Qúa trình lên men trong Bioreactor là trung tâm, nên thường chia làm 3 công đoạn chính :

vTrước lên men (Upstream): Xử lý, chế biến phối trộn và khử

trùng nguyên liệu ban đầu

“ Lén men (Fermentation) trong | Bioreactor duoc thong khí tốt (can

pha bot), trong dich lên men diễn ra qúa trình truyện khối, truyền

nhiệt, tăng sinh khối tế bào và điêu chỉnh hoạt tính sinh học để tao

nhiêu sản phẩm mục tiêu

vSau lên men (Dowstream): tách tế bào băng ly tâm hay lọc, phá

vỡ tế bào tế tạo các chất nội bào; tủa tỉnh sạch các chất; thực hiện

phản ứng bố sung tạo đúng thương phẩm; tỉnh chế; sấy; thương phẩm ở dạng hoàn chỉnh được bảo quản; tận dụng phế phụ phẩm

11

1 Organism-based strategies 2 Substrate-based strategies

thermostable & Delignified and low crystalline fast growing organism cellulosic biomass

3 Process optimization—based strategies

Lab Pilot Reactor

<100 g 100 g - 1 kg 5-100 kg Factors to be optimized:

c Mathematical Medium components: C & N source,

mediators, metals, surfactants modenng agitation & aeration

4 Bioreactor based strategies 5 Process monitoring based

a Type of bioreactor R st r at e gi eS

a Temperature, b pH, c Humidity & moisture

d Aeration & O; transfer, e Agitation, f Flow

measurements & control, g Pressure drop

|| measurements, h Biomass measurements,

a1 Tray bioreactor

a2 Packed bed bioreactor a3 Drum bioreactor

a4 Stirred bed bioreactor

b Heat and mass transfer fe se i Inoculum measurements, j product

oe measurements

gO

6 Contamination control based

strategies Suitable bioreactor, control of heat and mass transfer, accurate online monitoring and control of

contamination leads to higher enzyme production

EE

iDownstrea

a ee ee ee ee ee ee ee ee eee eee ee ee ee ee

Low cost and efficient recovery of enzyme

7 Downstream based strategies makes the cellulase prodcution feasible

b Purification

c Crystallization san Viral inactivation Commercial |

Buffer addition | Kees | Diafiltration i

Bioreactor

° Theo dõi kiểm soát các thông số nuôi cấy:

¢ Oxy hoa tan,

° Nhiệt độ

° pH tối ưu cho NSV phát triển

°Ö Khuấy trộn đêu môi trường nuôi cấu

Ứng dụng lên men

Phương án giải cứu nồng sản ??

“ bất kỳ trái cây có đường nào cũng có thê làm rượu vang”

Lên men: phương án giải cứu nông sản

“ bất kỳ trái cây có đường nào cũng có thê làm rượu vang”

H TỦ 0U

nu

nT

Ví dụ 1 :“Phân lập và tuyên chọn nắm men có khả năng

lên men rượu vang thanh long ruột đỏ (Hylocereus

Hình dạng 6 nhóm nâm men (1): hình cầu lớn, (2) hình cầu nhỏ, (3)

hinh oval lớn) 4): hình oval nhỏ, 5) hình elip lớn, 60 hình elip nhỏ (Thảo

Pham et al., 2018)

Đặc điểm hình thái và sinh hóa của 29 chủng nấm men

Đặc điểm sinh lý, sinh hóa

Hình dạng Khả năng lên men Phân giải

6 NMIULONGT CÔ Blips + BMI

Chọn lọc chủng nghiên cứu

°Ổ Khả năng lên men của các dòng nắm men phân lập:

° kết quả cho thay lượng khí CO2 sinh ra ở các nghiệm thức là

khác nhau khá nhiêu

Nhìn chung, hau hết các chung nam men thử nghiệm đều sinh khí

CO2 đạt tôi đa chiêu cao ông Durham (30 mm)

° 14 chủng nâm men được sơ tuyên dựa trên khả năng hình thành khí

CO2 đạt giá trị tôi đa (30 mm) sau 14 giờ lên men.

Ethanol (% v/v ở 20°C)

Độ côn và độ Brix sau lên — owi:i 13,83! 4,49 ST

men

DC 11,33° 4,15" 6,2%

* các chủng nâm men:

NK2.3, BT1.3,

BT2.1 va BT2.2

¢ sinh ham luong ethanol

tốt nhât trong khoảng

7,13 6,181

11,17° : 11,30°

17,00° Xã 12,50°¢

8,25°

4,57 4,03%

Hình dạng tế bào (ở vật kính 100X) và khuẩn lạc của dòng

nắm men BT2.1

Ví dụ 2: Lên men tạo sữa chứa probiotic từ BạO

‹

a Brown rice milk )

Prepared from Thai GABA-rich rice

Selection of 8 best strains for the «ad hoc»

formulation of 3 multi-strain starters

ivi = ‘UU 4" ive and CGiiift / “tí

* living lactic acid bacteria;

Red rice flour Buckwheat flour Barley flour

Red rice flour Buckwheat flour Barley flour

\

Gelatinization 60°C for 30 min

Cooling and filtration

|

Distribution of the fermentation

substrates in 2-L glass bottles

Inoculation of the multiple-strain starter

|

Incubation at 30 °C for 24h

|

Fermented beverages Storage for 30 days at 4 °C

Lysine-fortified rice germ yogurt fermented with JSA 22

ệ Ce

7 26 ở 2=

Antioxidative activity Production of Lysine, GABA

e Lysine production gene

e Probiotic activity gene

> WO

Control LGG JSA22 Control LGG JSA22

Fig 2 ABTS (A) and DPPH (B) antioxidant activities of rice germ yogurt fermented with Lactiplantibacillus plantarum JSA 22 Control, non-fermented rice germ milk;

LGG, rice germ yogurt fermented with L rhamnosus GG; JSA 22, rice germ yogurt fermented with L plantarum JSA 22 Error bars represent standard deviation of

triplicates Means with different letters are significantly different from each other at p < 0.05 by Duncan’s multiple range test.