Lên men là một quá trình trao đổi chất dưới tác dụng của các enzyme tương ứng gọi là chất xúc tác sinh học. Tùy theo sản phẩm tích tụ sau quá trình lên men mà người ta chia làm nhiều kiểu lên men khác nhau. Tuy nhiên có hai hình thức lên men chính là lên men yếm khí và lên men hiếu khí. Lên men rượu là quá trình lên men yếm khí với sự có mặt của nấm men, chúng sẽ chuyển hóa đường lên men thành ethanol và CO2. Quá trình lên men rượu được chia làm hai thời kỳ chính:
- Thời kỳ phát triển sinh khối: giai đoạn này với sự có mặt của oxy, tế bào nấm men phát triển sinh khối.
- Thời kỳ lên men chuyển đường thành rượu và CO2: giai đoạn này nấm men hấp thụ các chất dinh dưỡng và sử dụng các enzyme sẵn có của mình thực hiện xúc tác sinh học trong quá trình trao đổi chất để duy trì sự sống, tạo thành rượu và CO2.
Glucose Hexokinase Glucose – 6 – phosphate Phosphoglucose isomerase Fructose – 6 – phosphate PhosphoFructokinase Fructose – 1,6 – diphosphate Aldolase Triophosphat izomerase
Glyceraldehyde – 3 – phosphate Dihydroacetone phosphate Glyceraldehyde phosphatdehydrogenase Acid – 1,3 – diphosphoglyceric Phosphoglyceratkinase Acid – 3 – phosphoglyceric Phosphoglycerate-mutase Acid – 2 – phosphoglyceric Enoiase Acid phosphoenolpyruvic Pyruvate kinase Acid – enol – pyruvic
Acid pyruvic
Pyruvate – decarboxylase Ethanal
Aldodeshydrogenase Ethanol
Hình 3. Cơ chế phân hủy đường trong tế bào nấm men (Teusink, 2000)
Để lên men, người ta cho vào môi trường một lượng tế bào nấm men nhất định. Thông thường, khi lên men, lượng nấm men phải lớn hơn 10 triệu/1mL dung dịch lên men. Đường lên men và các chất dinh dưỡng khác được hấp thụ trên bề mặt nấm men, sau đó khuếch tán qua màng vào bên trong, tạo ra rượu và CO2.
Rượu etylic tạo thành sẽ khuếch tán ra bên ngoài qua màng tế bào nấm men. Rượu hòa tan vô hạn trong nước nên tốc độ khuếch tán rất nhanh. CO2 cũng hòa tan trong môi trường nhưng tốc độ hòa tan không lớn và nhanh chóng đạt trạng thái bão hòa. Khi đó, CO2 bám xung quanh tế bào nấm men hình thành những bọt khí. Tế bào nấm men thường dính liền nhau, bọt khí sinh ra ngày càng nhiều và lớn dần lên thành
túi lớn, đến lúc nào đó sẽ có sự chênh lệch về khối lượng riêng giữa môi trường và tế bào nấm men sẽ nổi lên. Khi nổi lên, do có sự thay đổi đột ngột sức căng bề mặt nên chúng bị vỡ ra làm cho CO2 phóng thích ra bên ngoài. Lúc này, khối lượng riêng của nấm men đủ lớn trở lại nên chúng chìm xuống. Quá trình tế bào nấm men nổi lên rồi chìm xuống diễn ra liên tục làm cho nấm men từ trạng thái tĩnh chuyển sang thái động, gia tăng khả năng tiếp xúc của tế bào với môi trường, gia tăng tốc độ lên men (Bùi Thị Quỳnh Hoa và Nguyễn Bảo Lộc, 2004).
Trong giai đoạn lên men phụ, sự đường hóa cũng xảy ra nhưng rất chậm và không hoàn toàn, đặc biệt khó khăn đối với tinh bột không hòa tan. Do đó, tốc độ lên men trong thời kỳ này không phụ thuộc vào số lượng tế bào nấm men mà chủ yếu phụ thuộc vào khả năng thủy phân hàm lượng dextrin (không lên men) còn lại. Như vậy, chu kì lên men dịch đường phụ thuộc vào thời gian lên men cuối hay phụ thuộc vào khả năng đường hóa của phức hệ enzyme amylase. Rất nhiều thí nghiệm cho thấy rằng càng kéo dài thời gian lên men cuối thì hiệu suất quá trình lên men càng tăng.