Bài giảng vi sinh vật thực phẩm nguyễn thị thanh hải (cập nhật năm 2015)

Bài giảng VI SINH VẬT THỰC PHẨM Giảng viên: Nguyễn Thị Thanh Hải Chủ đề 1:KHÁI QUÁT VỀ KHOA HỌC VI SINH VẬT VÀ ỨNG DỤNG MỞ ĐẦU • Microoganism: Sinh vật nhỏ bé mắt thường khơng nhìn thấy • Microobiology: Khoa hoc nghiên cứu vi sinh vật • Đặc điểm chung: - Kích thước nhỏ bé - Khả hấp thu, chuyển hóa nhanh - Khả sinh trưởng, phát triển nhanh - Dễ thích nghi phát sinh biến dị - Phân bố rộng, chủng loại nhiều MỞ ĐẦU • - Lịch sử phát triển ngành vsv học Giai đoạn chưa biết đến tồn vsv: trước kỷ 15 Giai đoạn hình thái học: kỷ 15 Giai đoạn sinh lý – sinh hóa vsv: cuối kỷ 17 Giai đoạn đại: Thế kỷ 20 Leeuwenhoek (1632-1723) Pasteur (1822-1895) Kính hiển vi Leeuwenhoek Bút tích miêu tả vi sinh vật Leeuwenhoek Robert Koch (1843-1910) Thí nghiệm bình cổ cong để phản đối thuyết tự sinh (Pasteur) Vi khuẩn lao chụp qua kính hiển vi Alexander Fleming (1881-1955) Elie Metchnikoff (1845-1916) Nấm Penicillium sản sinh penicillin Niên biểu số cống hiến quan trọng L Pasteur vi sinh vật học Nguyên lý Kock tác nhân gây bệnh Vi sinh vật gây bênh phải có mặt thể bị bênh, khơng có mặt thể khỏe mạnh Phải phân lập đựợc tác nhân gây bệnh từ thể dạng chủng môi trường thạch Khi đưa tác nhân gây bệnh vào thể khỏe mạnh phải gây đựợc bệnh điển thể mà đựợc lấy Phải phân lập lại tác nhân gây bệnh từ thể nhiễm 1887 R.J Petri Tìm dụng cụ dùng phân lập vi sinh vật : Hộp lồng mang tên ông hộp Petri Nuôi cấy môi trường dịch thể Sambeclanh (Shamberland) 1884: phễu lọc vi khuẩn 1884 - Hans Christian Gram đưa phương pháp nhuộm phân biệt vi khuẩn Gram (G- G+) MỐI LIÊN QUAN GIỮA NGÀNH VSV VÀ CÁC NGÀNH KHOA HỌC KHÁC - VSV CN Thực phẩm VSV y học VSV Nông nghiệp VSV Công nghiệp Chủ đề 2: HÌNH THÁI - CẤU TẠO TẾ BÀO VI SINH VẬT PHÂN LOẠI - HÌNH THÁI CẤU TẠO VSV A/ PHÂN LOẠI VSV • Dựa vào cấu tạo tế bào: - Tế bào nhân nguyên thủy: nhan chua co mang te bao chat (Bacteria, xạ khuẩn, Cyanobacteria, Myxobacteria, Spirochaete, Ricketsiae, Mycoplasma, Chlamydia) Vi khuẩn cổ (Archaea): Methanobacteria, Hallobacteria, Thermobacteri, - Tế bào nhân thật (Eucariotic): te bao da co co nhan hoan chinh Vi nấm: nấm sợi, Nấm men Tảo đơn bào, Nguyên sinh động vật - VSV chua có cấu tạo tế bào: chung co cau tao don gian, vo protein bao boc xung qunh soi acid nucleic ( virus) Giới Họ Ngành Giống Lớp Loài Bộ Chủng PHÂN LOẠI - HÌNH THÁI CẤU TẠO VSV * Phân loại truyền thống - Dựa vào hình thái, cấu tạo vi sinh vật: Vd: hình thái VK: cầu, que, xoắn; có/ khơng có tiên mao, có/ khơng có bào tử…; tế bào G+ / G- Dựa vào đặc tính sinh trưởng, phát triển vsv: khả sinh trưởng vk điều kiện khác (t0, pH, nồng độ muối, O2……), hình dạng, kích thước, màu sắc khuẩn lạc vi khuan - Dựa vào đặc tính sinh hóa: khả chuyển hóa vk sinh số thành phần Indol, enzyme ngoai bao… * Phan loai hien dai: gene: G + C; mARN, so sanh so (do tuong dong dac tinh) 10 • Phương trình tổng quát trình sau: C6H12O6 + 2(P) + 2ADP = 2C2H5OH + 2CO2↑ + 2ATP (glucoza) (rượu etylic) Trước tiên đường chất dinh dưỡng khác môi trường lên men, hấp thụ bề mặt sau khuếch tán qua màng bán thấm vào bên tế bào nấm men Sự phân hủy đường thành rượu tế bào nấm men xảy hàng loạt phản ứng với tham gia phức tạp nhiều loại enzyme khác nhau, bước cuối trình lên men chuyển hóa axit pyruvic thành rượu etylic khí CO2 Hệ vsv: nấm men (enzyme zimaza): S cerevisiae (16% cồn) S oviformis (19-22% cồn), vi khuẩn, nấm mốc (mucor) Sự lên men rượu nấm men dùng sản xuất bia, rượu vang bánh mì 222 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình lên men rượu a Nồng độ đường: Nồng độ đường thích hợp cho q trình lên men rượu từ ÷ 20% Khi nồng độ đường lớn 30% ức chế trình lên men rượu Đối với việc sản xuất rượu vang người ta sử dụng nồng độ đường từ 16 ÷ 25% dùng nấm men chìm, nên trình lên men chậm sau lên men cịn lượng đường rượu rượu vang thường có vị Cịn sản xuất bia thường dùng nồng độ đường từ ÷ 12% b Oxy Nấm men loại vi sinh vật hơ hấp tùy tiện Trong điều kiện hiếu khí với có mặt oxy xảy phương trình phản ứng sau: C6H12O6 + 6O2 6H2O+ 6CO2 + Q1 → gia tăng sinh khối Chỉ điều kiện yếm khí tiến hành lên men rượu theo phương trình: C6H12O6  2C2H5OH + 2CO2 + Q2 Vì có mặt oxy kiềm hãm q trình lên men rượu 223 • Hiệu ứng Pasteur: giảm hiệu suất tạo thành rượu khí cacbonic; giảm hiệu suất sử dụng đường Vì giai đoạn đầu trình lên men cần thơng khí vào mơi trường để kích thích nấm men sinh trưởng tăng sinh khối sau khơng cần oxy để tạo điều kiện kỵ khí cho q trình lên men rượu đạt hiệu suất cao c Độ rượu Rượu tích tụ dần dịch lên men lại chất độc kìm hãm nấm men Nấm men chịu nồng độ cồn từ ÷ 12%, từ 16 ÷ 18% đại đa số nấm men bị ức chế Nếu nồng độ cồn cao ức chế tất nấm men 224 d Độ pH Bình thường lên men rượu thực pH= ÷ 4,5 Để axit hóa mơi trường người ta thường dùng H 2SO axit lactic để tạo pH thích hợp cách cấy vi khuẩn lactic vào sau trùng cấy nấm men vào e Nhiệt độ Tuỳ thuộc vào nấm men hay nấm men chìm mà điều chỉnh nhiệt độ mơi trường cho thích hợp Đối với nấm men nhiệt độ thích hợp từ 20 ÷ 28oC, nấm men chìm nhiệt độ thích hợp từ ÷ 10oC Ngồi nhiệt độ từ 28 ÷ 30oC rượu bay làm cho trình lên men xảy nhanh 225 Ứng dụng: - Sản xuất rượu cồn Sản xuất từ nguyên liệu chứa tinh bột gạo, sắn, ngô… Người ta thuỷ phân tinh bột thành đường axit, kiềm hay enzyme sau lên men đường thành rượu nhờ nấm men - Sản xuất bia • Bia loại thức uống giải khát thơm ngon, có độ rượu nhẹ từ ÷ 5%, có vị đắng dễ chịu hoa hublong • Nguyên liệu malt đại mạch, cao hoa hublong nước Trong malt có sẵn enzyme amilase để thuỷ phân tinh bột thành đường cung cấp cho q trình lên men • Người ta thường sử dụng nấm men Saccharomyces cerevisiae dạng biến chủng chuyên dụng để lên men bia 226 - Sản xuất rượu vang sâmpanh - Sản xuất bánh mì Quá trình lên men bánh mì gồm trình lên men phụ (lên men lactic) q trình lên men (lên men rượu) Q trình lên men tạo CO2 tích tụ thành túi khí, nướng phồng lên tạo độ xốp cho bánh mì sản phẩm lên men như: rượu, ester, axit lactic… tạo mùi thơm đặc trưng cho bánh mì Quá trình lên men lactic: - Bản chất: q trình chuyển hóa đường thành acid lactic nhờ vsv Lên men lactic có dạng: lên men đồng hình lên men dị hình 227 ADP + P i Glucose ATP Đường phân NAD+ NADH + H+ Pyruvate Lactate (b) Sự lên men lactic b Lên men lactic dị hình (khơng điển hình) Trong trường hợp có 50% lượng đường tạo thành axit lactic, ngồi cịn có sản phẩm phụ khác như: axic axetic, etanol, CO2 Các sản phẩm phụ tương tác với tạo thành ester có mùi thơm Phương trình tổng quát: C6H12O6  CH3CHOHCOOH+CH3COOH Glucose axit lactic (40%) axit acetic +C2H5OH+COOH(CH2)2COOH+CO2 etanol axit sucxinic 228 Vi khuẩn lactic trực khuẩn, cầu khuẩn Gram dương không tạo bào tử hầu hết không di động, hô hấp tuỳ tiện Chúng có khả lên men nhiều loại đường đơn đường đơi khơng có khả lên men loại glucid phức tạp tinh bột Chúng có yêu cầu đặc biệt chất dinh dưỡng giàu vitamin, axit amin khống chất Q trình lên men xảy tốt môi trường axit pH từ 5,5 ÷ 6, pH nhỏ 5,5 trình lên men bị dừng lại Nhiệt độ thích hợp cho q trình lên men từ 15 ÷ 50oC Tuy nhiên, lồi có khoảng nhiệt độ thích hợp khác nhau, nhiệt độ lớn 80oC vi khuẩn lactic bị tiêu diệt hoàn toàn Ứng dụng a Sản xuất axit lactic Người ta sản xuất axit lactic theo cách lên men đồng hình sau tinh chế thành axit lactic tinh khiết để ứng dụng vào ngành công nghệ thực phẩm, thay axit citric sản xuất bánh kẹo, đồ hộp… Trong công nghiệp nhẹ, axit lactic dung môi cho công nghiệp sản xuất sơn, vecni, nhuộm thuộc da Trong công nghiệp rượu, axit lactic dùng dạng muối canxi 229 b Chế biến sản phẩm sữa - Sản xuất sữa chua: nguyên tắc làm sữa chua phát triển vi khuẩn lactic làm pH giảm mạnh, cazein sữa bị đông tụ - Sản xuất phomat: để sản xuất phomat người ta dùng enzyme đông kết thu cazein sữa, sau tiếp tục cho lên men với nồng độ muối loãng Tuỳ loại phomat mà trình ủ chín người ta sử dụng lồi vi sinh vật khác Các loại vi sinh vật thường sử dụng để làm chín phomat là: vi khuẩn propionic, nấm mốc… c Muối chua rau Muối chua rau nhằm hai mục đích sau đây: bảo quản nguyên liệu làm tăng giá trị dinh dưỡng, giá trị cảm quan rau Nguyên tắc muối chua rau tạo điều kiện để phát triển vi khuẩn lactic đồng thời hạn chế tác dụng vi khuẩn gây thối rữa 230 d Ủ chua thức ăn gia súc Từ lâu người ta biết sử dụng trình lên men lactic để ủ chua thức ăn gia súc Phương pháp ủ chua thức ăn gia súc đặc biệt cần thiết trại chăn ni gia súc Q trình lên men propionic: - Bản chất: trình phân hủy đường, acid lactic, muối lactate thành acid propionic, CO2 H2O tác dụng vsv - Phương trình phản ứng: 231 Lên men propionic q trình chuyển hố axit lactic muối lactate thành axit propionic tác dụng vi sinh vật Ngồi axit propionic cịn có sản phẩm khác như: axit axetic, khí cacbonic nước - Từ nguyên liệu đường: 3C6H112O6  4CH3CH2COOH + 2CH3COOH Glucose axit propionic axit axetic + 2CO2 + 2H2O + Q - Từ axit lactic: 3CH3CHOHCOOH 2CH3CH2COOH + CH3COOH + Axit lactic axit propionic axit axetic CO2+ H2O + Q Theo trình tỉ lệ hai loại axit propionic axit acetic 2:1 (Trong thực tế thu 1,5:1) - Hệ vsv: nhờ nhóm vk propionic thuộc giống Propionibacterium (trực khuẩn bị uốn cong, gram dương) - Nguyên liệu: chất đường acid lactic, vk lên men acid pyruvic, glycerine số chất khác Chúng phân hủy aa, tách acid béo thành dạng tự làm cho thực phẩm có vị đắng 232 • Chủ yếu vi khuẩn propionic, lồi hoạt động Bacterium acidipropionic, chúng thường sống chung với vi khuẩn lactic sữa Chúng tìm thấy nhiều sữa, đất khoang miệng số động vật nhai lại, tham gia trình tạo axit hữu Là lồi trực khuẩn Gram dương, không chuyển động, không tạo bào tử, hô hấp kỵ khí bắt buộc, nhiệt độ thích hợp từ 14 ÷ 35oC, pH thích hợp trung tính Vi khuẩn lên men dễ dàng axit lactic, muối lactate, đường thành axit propionic Trong trình sống chúng cần bổ sung thêm nitơ hữu phức tạp dạng protein Ứng dụng a Sản xuất phomat Dưới tác dụng vi khuẩn Bacterium acidipropionic vi khuẩn lactic người ta tiến hành sản xuất phomat b Sản xuất vitamin Vi khuẩn đường ruột tạo nên vitamin B12 thỏa mãn phần lớn nhu cầu cho vật chủ Một số vi khuẩn propionic có khả tạo vitamin B12 lồi Bacterium acidipropionic Lợi dụng khả người ta thường điều chế vitamin B12 nhà máy chế biến sữa 233 LÊN MEN HIẾU KHÍ (Q trình oxy hóa khơng hồn tồn) Lên men acetic - Bản chất: q trình oxy hóa rượu ethylic thành acid acetic vsv - Phương trình phản ứng: - Hệ vsv: giống Acetobacter (hiện người ta mơ tả • 20 loài thuộc giống này): A aceti, A xillinum … Vk acetic có đặc điểm dễ thay đổi hình dạng: điều kiện bình thường có hình sợi dài kết thành màng bề mặt chất; điều kiện bất lợi lại phình to, phồng … • Để chuyển hoá thành axit axetic, rượu phải thẩm thấu qua thành tế bào Ở xảy q trình chuyển hố rượu thành axit axetic thẩm thấu ngồi mơi trường bên ngồi • Q trình chuyển hố sau: • CH3CH2OH + O2 CH3CHO + H2O • CH3CHO + H2O  CH3CH(OH)2 • CH3CH(OH)2 + O2  CH3COOH + H2O • CH3CH2OH + O2  CH3COOH + H2O + Q 234 Đặc điểm chung vi khuẩn axetic thuộc họ Acetobacter: - Là trực khuẩn gram âm, không sinh bào tử, hô hấp hiếu khí bắt buộc, xếp đơi hay tạo thành chuỗi, thường tạo thành lớp màng bề mặt, có lồi có khả chuyển động có lồi khơng - Có nhiều rau - Nguồn dinh dưỡng cacbon: oxi hoá rượu etylic hay rượu khác thành axit tương ứng Có khả sử dụng glucose - Nguồn dinh dưỡng nitơ: sử dụng muối amôn hay peptone - Có hai ngưỡng pH: pH thích hợp từ 5,4 đến 6,8, pH thích ứng cho lên men từ 3,5 đến 4,5 Ứng dụng Sản xuất giấm Chủ yếu sản xuất từ rượu vang, nguyên liệu gồm khoảng 3÷4% rượu từ 2÷3% axit axetic nhằm tạo điều kiện cho vi khuẩn axetic phát triển, mặt khác ngăn ngừa tạp nhiễm Sau để mơi trường ngồi khơng khí Sau thời gian bề mặt tạo thành váng chứa nhiều axit axetic Vì q trình oxi hố chậm kết thúc sau vài tuần Sau kiểm tra nồng độ rượu cịn từ 0,3÷0,5 lấy giấm cho dịch vào Không nên để lâu chất lượng giấm giảm nhanh trình oxi hố axit axetic thành CO2 H2O Nếu muốn bảo quản giấm lâu phải trùng 235 He is me ??? OOH, he is me? Never 236 ... sản sinh penicillin Niên biểu số cống hiến quan trọng L Pasteur vi sinh vật học Nguyên lý Kock tác nhân gây bệnh Vi sinh vật gây bênh phải có mặt thể bị bênh, khơng có mặt thể khỏe mạnh Phải... Kính hiển vi Leeuwenhoek Bút tích miêu tả vi sinh vật Leeuwenhoek Robert Koch (1843-1910) Thí nghiệm bình cổ cong để phản đối thuyết tự sinh (Pasteur) Vi khuẩn lao chụp qua kính hiển vi Alexander... Microoganism: Sinh vật nhỏ bé mắt thường khơng nhìn thấy • Microobiology: Khoa hoc nghiên cứu vi sinh vật • Đặc điểm chung: - Kích thước nhỏ bé - Khả hấp thu, chuyển hóa nhanh - Khả sinh trưởng,