VI SINH VẬT LÊN MEN HIẾU KHÍ ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆP THỰC PHẨM

Tìm hiểu hình thái, cấu trúc, sự hình thành và phát triển của các loại vi sinh vật hiếu khí, ứng dụng của vi sinh vật hiếu khí trong ngành công nghệ thực phẩm và một số ngành khác. các phản ứng sinh học trong quá trình sản xuất. sản phẩm của vi sinh vật hiếu khí

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM

MỤC LỤC TRANG

I TỒNG QUAN

1 Khái quát

Phần lớn các vi sinh vật hiếu khí tiến hành oxi hóa chất dinh dưỡng hữu cơ thành CO2 và

H2O Vì cacbon trong CO2 đạt tới mức oxi hóa cao nên người ta thường gọi quá trình này là quátrình oxi hóa không hoàn toàn Một số vi sinh vật có khả năng oxi hóa cơ chất trong điều kiệnhiếu khí nhưng lại làm sinh các những sản phẩm chưa được oxi hóa hoàn toàn Vì có tích lũycác sản phẩm giống các quá trình lên men kị khí cho nên người ta còn gọi các quá trình oxi hóakhông hoàn toàn là các quá trình “lên men” Chữ “lên men” được dùng theo thói quen như lênmen axit axetic, lên men axit linolenic chứ thực ra những quá trình này không phải là quá trìnhlên men mà là oxi hóa hiếu khí[1]

2 Vai trò của quá trình lên men hiếu khí trong công nghiệp thực phẩm

Có rất nhiều quá trình lên men hiếu khí có ý nghĩa qua trọng trong công nghiệp lên men vìchúng làm sinh ra nhiều sản phẩm rất có giá trị Đặc biệt là vai trò của các quá trình lên menhiếu khí trong công nghiệp thực phẩm vì nó mang lại sản phẩm giá trị nhất định như:

2.1 Quá trình Lên men acetic

Quá trình lên men acid acetic có vai trò quan trọng

trong thực phẩm và sản xuất nước giải khát, cũng như

trong bioproduction các hoá chất công nghiệp, acid acetic

đóng một vai trò tích cực trong việc sản xuất các loại

thực phẩm được lựa chọn và đồ uống, nhưng cũng có thể

làm hỏng thực phẩm và đồ uống khác

Với hàm lượng acid acetic 2-5%, người ta gọi dung dịch này là giấm ăn Giấm ăn được sửdụng trong công nghệ thực phẩm để chế biến đồ hộp, rau quả, gia vị trong các bữa ăn gia đình.Giấm đã là một nhân tố quan trọng và được sử dụng rộng rãi trong ẩm thực, nội trợ và ngày naygiấm còn được sử dụng như là một loại dầu, kem làm trắng da, mượt tóc cho phái đẹp và được

sử dụng rộng rãi hơn phát triển theo nhu cầu ngày càng cao của con người

2.2 Quá trình lên men citric

Axit citric là một loại axit hữu cơ không độc, được sử dụng rộng

rải trong nền kinh tế quốc dân Từ năm 1970 tổng sản lượng axit citric

thực phẩm (sản xuất nước ngọt, bánh kẹo, mức, chống oxi hóa dầu béo, bảo quản thực phẩm,

…) Ở nước ta hằng năm phải nhập khoảng 500 – 1.000 tấn axit citric chủ yếu để dung trongcông nghiệp thực phẩm [1]

3 Bản chất của quá trình lên men hiếu khí

Bản chất của quá trình lên men hiếu là khả năng oxi hóa cơ chất của vi sinh vật trong điềukiện trong điều kiện hiếu khí nhưng lại làm sinh ra những sản phẩm chưa được oxi hóa hoàntoàn (như ketoaxit, axit axetic, axit gluconic, axit fumaric, axit limonic….) Vì có tích lũy cácsản phẩm giống các quá trình lên men kị khí cho nên người ta gọi là quá trình oxi hóa khônghoàn toàn là các quá trình lên men Nhưng thực ra những quá trình này không phải là quá trìnhlên men mà là oxi hóa hiếu khí [1] Và ở đây chúng ta thường gọi là lên men hiếu khí

II ỨNG DỤNG CÁC VI SINH VẬT LÊN MEN HIẾU KHÍ TRONG CNTP

Vi sinh vật có ảnh hường rất lớn đến môi trường, động vật và bao gồm cả con người nó thểmang lại lợi ích hoặc có thể gây hại Tuy nhiên ở phần này chúng ta chỉ tìm hiểu sự ảnh hưởngcủa vi sinh vật đến con người và đặc biệt là mặt mang lại lợi ích cho con người từ vi sinh vật.Nói cách khác là những ứng dụng của vi sinh vật trong lĩnh vực công nghiệp thực phẩm và cụthề là các vi sinh vật lên men hiếu khí Có rất nhiều ứng dụng của các vi sinh vật lên men hiếukhí trong công nghệ thực phẩm Nhưng chủ yếu là công nghệ sản xuất và thu nhận sinh khối từ

vi sinh vật và các sản phẩm trao đổi chất từ các quá trình như là quá trình lên men axetic, quátrình lên men citric, lên men glutamic…

1 Công nghệ sản xuất và thu nhận sinh khối từ vi sinh vật

1.1 Định nghĩa và phân loại

Sinh khối là tổng trọng lượng của sinh vật trong sinh quyền hoặc số lượng sinh vật trongmột đơn vị diện tích, thể tích

Phân loại

Trong công nghệ sản xuất Sinh khối vi sinh vật ta có 2 dạng:

- Sinh khối gồm các tế bào sống: Loại sinh khối này bao gồm

vi sinh vật dung trong sản xuất bánh mì và sinh khối vi sinh vật

dùng trong sản xuất thuốc trừ sâu sinh học và vaccine dung cho

người và động vật Các loại sinh khối này đòi hỏi phải đảm bảo các

tế bào ở dạng sống và có hoạt tính sinh học cao Do đó việc thu nhận chúng bắt buộc phải đảmbảo các đặc tính đó không bị thay đổi.

- Sinh khối bao gồm những tế bào vi sinh vật chết: Loại sinh khối này chủ yếu được dungvào 2 mục đích là làm thực phẩm cho người và cho gia súc Sinh khối bao gồm cá tế bào chếtkhông cần đến sự hoạt động của chúng, do đó việc thu nhận chúng trở nên dễ dàng hơn.[3]

1.2 phương pháp thu sinh khối vi sinh vật

Việc thu hồi sản phẩm với hiệu suất cao có ý nghĩa quyết định đối với tính kinh tế của quytrình công nghệ Vì vậy việc tách, thu hồi sản phẩm phải được tính toán ngay từ khi chọn giốngchủng vi sinh vật để lên men, chọn nguyên liệu cũng như môi trường dinh dưỡng Khi quá trìnhlên men kết thúc, người ta tiến hành thu hồi sản phẩm Các sản phẩm của quá trình tổng hợp visinh vật thường được tích luỹ hoặc ở trong tế bào hoặc trong dung dịch nuôi cấy

* Việc đầu tiên là tách tế bào vi sinh vật ra khỏi pha lỏng của dịch lên men

- Nếu là các vi sinh vật có cấu tạo hệ sợi như nấm, tảo dùng phương pháp lọc vớt

- Nếu là các vi sinh vật đơn bào, có kích thước tế bào nhỏ như nấm men, vi khuẩn dùngphương pháp ly tâm, thường ly tâm ở tốc độ cao

* Việc xử lý tiếp theo phụ thuộc vào mục tiêu của công nghệ Tùy theo mục đích mà có cácphương pháp thu nhận sản phẩm khác nhau Dưới đây là một số phương pháp chủ yếu:

- Phương pháp lắng tủa: có thể để lắng tự nhiên, hoặc tủa bằng muối, bằng dung môi hữu

cơ, bằng protein, bằng đẳng điện,

- Phương pháp lọc: phân riêng hỗn hợp không đồng nhứt qua lớp lọc, bã được giữ lại, dungdịch chui qua lọc Trong phương pháp lọc có sử dụng các chất trợ lọc như than mịn, đất sét tánnhỏ, Amiang mịn, Thiết bị lọc thường là máy lọc khung bản, lọc túi,

- Phương pháp ly tâm: là phương pháp lắng tủa nhờ lực ly tâm

- Phương pháp chiết bằng dung môi: Bắt đầu là giai đoạn trộn hai pha nước và dung môi đểtăng bề mặt tiếp xúc, giai đoạn sau là phân ly bằng lắng hoặc gạn, hoặc ly tâm

- Phương pháp hấp phụ: hấp phụ bằng dung dịch hoặc cột chứa chất hấp phụ, sau đó táchchất hấp phụ ra Phương pháp sấy khô, cô chân không

1.3 ứng dụng của sinh khối vi sinh vật trong CNTP

- Sinh khối giàu prôtêin dùng làm thực phẩm cho người và thức ăn cho gia súc lànhững tế bào vi sinh vật (kể cả sinh khối tảo) đã sấy khô và chết, giàu prôtêin, các vitamin nhóm B và chất khoáng Nguồn sinh khối này được gọi là prôtêin đơn bào

- Sinh khối nấm men là những tế bào sống để dùng trong công nghiệp bánh mì-men bánh

mì, sinh khối có hoạt tính enzyme tiêu hóa để sản xuất các thuốc hỗ trợ tiêu hóa như

biolactovin…

- Sinh khối cố định đạm làm phân bón vi sinh, các loại phân bón vi sinh với vi khuẩnsống tự do trong đất và sống cộng sinh với cây họ đậu

2 Quá trình lên men axetic

2.1 Giới thiệu chung về acid axetic

(-COOH), khối lượng phân tử 60,5 kg/kmol

Acid acetic là một chất lỏng không màu, có mùi sốc, vị chua, có khả năng hút ẩm từ khôngkhí Nhiệt độ nóng chảy tnc = 16,630C, nhiệt độ sôi ts = 1180C, tỷ trọng 1,049; độ nhớt ở 200C là1,21.10-3 Ns/m2

Trong dung dịch acid acetic tồn tại các dạng (CH3COOH)2, (CH3COOH)3, sự tồn tại cácphân tử kép như trên là do các liên kết hydro giữa các phân tử với nhau

Acid acetic tan trong nước và các dung môi thường (rượu aceton, cồn, eter, chloroform,…)với bất kỳ tỷ lệ nào Ngoài ra nó cũng là dung môi tốt cho nhiều hợp chất hữu cơ (nhựa, tinhdầu, ) Đặc biệt acid acetic hoà tan tốt ngay cả cellulose và các hợp chất của nó Acid acetic rấtbền với các chất oxi hoá như acid chromic, permanganat

Acid acetic có tác dụng phân huỷ da, gây bỏng, ăn mòn nhiều kim loại và hợp kim, hoà tantốt nhiều chất vô cơ Acid acetic đóng vai trò quan trọng trong đời sống cũng như trong côngnghiệp Nó được ứng dụng nhiều trong các ngành công nghiệp như: công nghiệp tổng hợp hữu

cơ, công nghiệp thực phẩm, …

2.2 Nguyên liệu

Nguyên liệu chủ yếu của quá trình lên men axetic là ethanol hay một số nguyên liệu khác

có có nguồn gốc từ nông nghiệp bao gồm tinh bột ( gạo, ngô, lúa mì, đại mạch, ), đường(mậtong, nho, táo, điều,…) Nếu nguyên liệu là ethanol thì quá trình lên men chỉ có một bước làchuyển hóa cồn thành axit axetic

* Còn với các nguyên liệu khác thì phải qua các bước sau: [4]

Vi khuẩn/ oxy hóa

Rượu hóa Vi khuẩn/ oxy hóa

Rượu hóa

2.3 Vi sinh vật lên men chủ yếu

Vi khuẩn acetic: Vi khuẩn actic là vi khuẩn lấy

năng lượng từ quá trình oxy hóa ethanol để tạo thành

acid acetic trong quá trình lên men Hiện nay người ta

biết đến hàng chục loài vi khuẩn axetic thuộc họ

Acetobacter Chúng có những đặc điểm chung sau

đây:

- Là những trực khuẩn gram âm, không sinh bào

tử, hô hấp hiếu khí bắt buộc, xếp đôi hay tạo thành từng chuỗi, thường tạo thành lớp màng trên

bề mặt, có loài có khả năng chuyển động và có loài không

- Có nhiều trong rau quả

- Nguồn dinh dưỡng cacbon: oxi hoá rượu etylic hay các rượu khác thành axit tương ứng

Có khả năng sử dụng glucose

- Nguồn dinh dưỡng nitơ: sử dụng muối amoni hay peptone

- Có hai ngưỡng pH: pH thích hợp từ 5,4 - 6,8, pH thích ứng cho sự lên men từ 3,5 - 4,5 Chúng gồm các loài sau đây:

- Acetobacter aceti: là trực khuẩn hình que ngắn, không sinh bào tử, không chuyển động và

chúng có khả năng liên kết với nhau thành chuỗi dài Chúng bắt màu vàng với iot và có khảnăng chịu nồng độ cồn khá cao (11%) và tích tụ được 6% axit axetic Nhiệt độ phát triển tối ưucủa chúng là 340C, nếu nhiệt độ lên quá 400C sẽ xảy ra hiện tượng co tế bào và sẽ tạo ra hìnhquả lê Thường thấy chúng phát triển trong bia

- Acetobacter pasteurianum: là trực khuẩn ngắn, hình thái

gần giống loài trên, chỉ khác là chúng bắt màu xanh thẫm với iot

Tạo thành khuẩn lạc hình nhăn nheo trên môi trường đặc Có khả

năng tích tụ 6,2% ax it axetic

- Acetobacter orleanense: là trực khuẩn không chuyển động, có kích thước trung bình Khi

tăng nhiệt độ chúng tạo thành tế bào hình dài hoặc hình sợi hoặc không tạo hình Thường thấychúng phát triển trong dịch nho loãng Có khả năng tồn tại ở nồng độ cồn từ 11 ÷ 12% và tíchluỹ axit axetic đến 9,5%

- Acetobacter xylinum: là trực khuẩn

không chuyển động Khi lên men tạo màng

dấm dày như sữa trên bề mặt dung dịch,

màng này chứa nhiều hemixenluloza nên

khi nhộm với I2 và H2SO4 thì cho màu

xanh Chúng tích tụ được 4-5% acid axetic

và có nhược điểm là oxi hóa tiếp tục acid

acetic thành CO2 và H2O nên làm giảm hiệu suất thu hồi Chúng được sử dụng trong ngành sản

xuất nước uống lên men có ga Acetobacter xylinum có bao nhầy cấu tạo bởi cellulose

- Acetobacter schiitzenbachii: hình que tương đối dài kết hợp thành chuỗi, không sinh bào

tử, không chuyển động, gram âm Các tế bào già tạo thành màng chặt nhưng không chắc Vìvậy, giống này có thể dung để sản xuất giấm theo phương pháp chìm và có thể tạo thành 11,5-12% acid acetic trong dung dich nuôi cấy Nhiệt độ tối thích là 2800C

- Acetobacter curvum: có đặc tính tương tự như Acetobacter

schiitzenbachii, tạo thành acid cao, không tạo màng chắc, không làm

bẩn vỏ bào và làm đục giấm Nhiệt độ tối thích 35-370C, nâng nhiệt

độ quá giới hạn này giống sẽ phát triển yếu và tạo thành acid kém

- Acetobacter suboxydans: được dung trong công nghiệp

vitamin để sản xuất ascobic (vitamin C)

2.4 Bản chất và Cơ chế quá trình lên men

- Bản chất của quá trình lên men acid acetic: là quá trình oxy

hoá không hoàn toàn cồn thành acid acetic nhờ vi khuẩn acetic hay vi khuẩn Acetobacter trong

điều kiện hiếu khí

- Cơ chế phản ứng của quá trình lên men acid acetic:

Lên men giấm là quá trình oxy hoá rượu ethanol thành acid acetic nhờ có enzym alcoholoxydaza xúc tác trong điều kiện hiếu khí:

C2H5OH + O2 -> CH3COOH + H2O + 117 Kcal

Để chuyển hoá thành acid acetic, rượu và oxy phải thâm nhập vào tế bào vi khuẩn ở đâynhờ có enzyme của vi khuẩn xúc tác, rượu được chuyển hoá thành acid acetic theo một quá trìnhsau:

C2H5OH + ½ O2 -> CH3CHO (Acetaldehyd) + H2O

CH3CHO + H2O -> CH3CH(OH)2 (Hydrat acetaldehyd)

CH3CH(OH)2 + ½ O2 -> CH3COOH + H2OAcid acetic tạo thành sẽ thoát ra khỏi tế bào của vi khuẩn và đi vào môi trường Khi môitrường hết rượu thì vi khuẩn giấm sẽ oxy hoá acid acetic thành CO2 và H2O theo phương trình:

CH3COOH + 2O2 -> 2CO2 + 2H2OĐây chính là sự “quá oxy hoá” rất có hại cho quá trình lên men giấm Vì vậy, trong dịchlên men phải còn dư một lượng rượu khoảng 0,3-0,5% để đảm bảo không bao giờ cho oxy hoáhết rượu nhằm tránh hiện tượng “quá oxy hoá”

+ Quá trình oxy hoá rượu thành acid acetic:

Phản ứng xảy ra trong tế bào vi khuẩn:

Muốn phản ứng được xảy ra , C2H5OH và O2 phải được thẩm thấu vào trong tế bào Khi đó

CH3COOH được tạo thành sẽ thoát ra khỏi tế bào và tan trong dung dịch môi trường

2.5 Các yếu tố Ảnh hưởng đến quá trình lên men [2]

- Nồng độ rượu

Tùy thuộc vào từng loại, nồng độ rượu phù hợp với quá trình lên men từ 6 – 15%, thườngtrung bình là 13% Khi hết rượu chúng oxi hóa axit axetic thành CO2 và nước để cung cấp năng

lượng cho quá trình sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn Để tránh trường hợp này cần phảikiểm tra nồng độ rượu thường xuyên để dừng quá trình lên men khi nồng độ rượu còn 0,3 –0,5%.

- Ảnh hưởng của nhiệt độ

Tùy từng loài mà nhiệt độ tối ưu cho quá trình oxi hóa khác nhau Trong sản xuất người tathường dung những loài vi khuẩn có nhiệt độ thích ứng cho quá trình oxi hóa rượu thành axitaxetic từ 30 – 34%

axetic Cần thông gi0o1 và vô trùng không khí khi cung cấp oxi cho quá trình lên men

- Môi trường dinh dưỡng

Nếu chỉ có rượu thì vi khuẩn axetic không thể sống được nên cần bổ sung một số chất dinhdưỡng khác Trong 100 lít rượu 10% cồn cần 500g đường glucose hay tinh bột đã thủy phân,25g superphosphate, 25g sunfat amon, ngoài ra còn bổ sung them một số chất dinh dưởng khác

2.6 Các phương pháp sản xuất acetic

Acid acetic là một loại acid hữu cơ được ứng dụng rộng rãi và từ rất lâu Do đó, loài người

đã phát minh ra nhiều phương pháp khác nhau để sản xuất acid acetic, những phương pháp sảnxuất acid acetic hiện nay bao gồm: Phương pháp hoá học, sinh học, Phương pháp kết hợp,…

- Phương pháp hoá học

Từ C2H2 và C2H5OH, C2H4 tiến hành tổng hợp có xúc tác sẽ thu được acetandehyd, oxi hoáacetandehyd nhờ có xúc tác ở nhiệt độ và áp suất cao sẽ thu được acid acetic

Giai đoạn oxi hóa acetandehyd thành acid, dùng xúc tác mangan, rồi sau đó chưng cất phânđoạn ở nhiệt độ : 500C – 800C để thu được acid có hiệu suất cao Phương pháp này có giá trịthực tế khá cao nhưng do tạo nhiều sản phẩm phụ nên làm giảm hiệu suất phản ứng.

- Phương pháp kết hợp

Phương pháp này ra đời cùng với sự phát triển của công nghiệp hoá dầu và hoá gỗ nhằmtận dụng những phế liệu của nó, nâng cao hiệu quả kinh tế của các ngành này Một vài quá trìnhcủa phương pháp này như sau:

Trước tiên người ta tiến hành oxy hoá các hydro cacbon thấp như propan, butan sẽ tạothành acetandehyd và các sản phẩm khác Acetandehyd được oxy hoá có xúc tác thành acidacetic

Sau đó người ta trung hoà khối thuỷ phân này và tiến hành lên men để thu nhận được dungdịch chứa acid acetic

Phương pháp hỗn hợp được sử dụng nhiều hơn cả phương pháp thuỷ phân bột gỗ bằng acid(phương pháp hoá học)

- Phương pháp sinh học

Hiện nay người ta sản xuất acid acetic chủ yếu bằng phương pháp lên men (sản phẩm làgiấm ăn) So với những phương pháp khác, phương pháp lên men có những ưu điểm:

-Công nghệ sản xuất acid acetic hoàn toàn không gây ô nhiễm môi trường

-Quá trình chuyển hoá (hay quá trình lên men) được thực hiện ở điều kiện rất ôn hoà,không cần nhiệt độ cao, áp suất cao hay máy móc thiết bị phức tạp

-Nguyên liệu để sản xuất acid acetic bằng phương pháp lên men rất dễ kiếm, có thể sửdụng nguyên liệu chứa đường (nước ép trái cây, nước ép dứa, nước ép mía, …), có thể sử dụngnguyên liệu chứa tinh bột hoặc cồn công nghiệp

2.7 Ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm

- Giấm dùng để nấu nướng: chứa axit axetic 4- 5% có vị nồng, thơm dịu, tẩy mùi tanh của

cá, giúp tươi thịt, các hải sản

- Giấm ăn với cơm và rau trộn: Độ axit axetic 3- 4%, vị ngọt, thơm thích hợp cho trộn rau,nước chấm, ăn với phở, mì quảng, điểm tâm…