Các quá trình lên men:

- Quá trình dinh dưỡng là quá trình hấp thụ các chất dinh dưỡng để thoả mãn mọi nhu cầu sinh trưởng và phát triển.

b. Các quá trình lên men:

Lên men là quá trình phân giải hydrat cacbon trong điều kiện kỵ khí. Đây là quá trình oxy hoá khử cơ chất mà kết quả là một phần cơ chất bị khử còn một phần khác thì lại bị oxy hoá. Oxy phân tử không tham gia vào quá trình oxy hoá, sở dĩ ở đây có quá trình oxy hoá là do hidro được tách ra khỏi cơ chất. Hidro được tách ra có thể được tách ra dưới dạng khí hoặc có thể lại được liên kết ngay với chính sản phẩm phân giải của cơ chất hữu cơ đó. Năng lượng sinh ra trong quá trình lên men sẽ chi phí một phần cho các phản ứng khử, ngoài ra còn được tích luỹ lại trong liên kết cao năng.

Sản phẩm cuối cùng của quá trình lên men ngoài CO₂ còn có cả những hợp chất cacbon chưa được oxy hoá ho àn toàn như rượu, axit hữu cơ, aldehyt, xeton. Tất cả các quá trình lên men đều bắt đầu từ sự phân giải đường trong điều kiện kỵ khí theo con đường EMP để tạo thành axit piruvic. Việc chuyển hoá từ axit piruvic trở đi ở các nhóm vi sinh vật khác nhau là không giống nhau. Người ta thường dùng tên của sản phẩm điển hình sinh ra trong quá trình lên men để gọi tên của quá trình lên men đó.

Ví dụ:

- Lên men rượu, sản phẩm chủ yếu là rượu etylic. - Lên men lactic sản phẩm chủ yéu là axít lactic. ...

Cơ chế chung của một số quá trình lên men quan trọng có thể trình bày bằng sơ đồ sau: GLUCOZA Nấm men ATP H CO₂ H VK lactic

Axit lactic AXIT PIRUVIC Axetaldehit

Etanol

CO₂ H

VK propionic Nhóm VK đường ruột

Nhóm VK Clostridium

Axit oxaloaxetic Axetyl CoA + HCOOH Axetyl CoA + H₂ +

CO₂

H H ATP

ATP

H2 CO₂ Axetoaxetyl CoA Axit

axetic

CO2

CO₂ CO₂ Axit butiric

Axeton

Axit propionic Axetoin ATP

H

Butanol Izopropanol

Butadion

* Quá trình lên men etylic (lên men rượu): Quá trình lên men rượu là quá trình chuyển hoá đường glucoza thành rượu etylic và CO₂, đồng thời làm sản sinh ra một số năng lượng xác định dưới tác dụng của hệ thống enzim của một số vi sinh vật. Tác nhân lên men rượu chủ yếu là các nấm men, đặc biệt là các nòi

Saccharomyces cerevisiae. Nhiều loài vi khuẩn kỵ khí và hiếu khí không bắt buộc cũng có khả năng tạo thành rượu như là một sản phẩm chủ yếu hoặc sản phẩm phụ của quá trình lên men các hexoza hay pentoza.

- Lên men rượu nhờ nấm men: Trong quá trình này glucoza được chuyển hoá thành axit piruvic theo con đường EMP, sau đó axit piruvic sẽ bị decacboxyl hoá thành axetaldehyt và axetaldehyt tiếp tục bị khử thành rượu etylic.

Cơ chế tóm tắt của quá trình lên men rượu: Glucoza 2CH₃CH₂OH EMP NAD⁺ NADH₂ 2CH₃COCOOH pyruvatdecacboxylaza 2CH₃CHO CO₂

Nếu cơ chất là các sản phẩm khác như tinh bột, xenluloza thì quá trình sẽ có 2 giai đoạn. Giai đoạn đầu là sự phân giải các chất này thành glucoza nhờ các nhóm vi sinh vật phân giải tinh bột và xenluloza, sau đó glucoza được chuyển hoá thành rượu nhờ nấm men.

Quá trình lên men rượu được ứng dụng để sản xuất rượu, bia và đồ uống có

(cất hay không cất, pha hay không pha) mà người ta có thể làm ra nhiều loại đồ uống khác nhau có chứa rượu etylic.

- Hiệu ứng Pasteur: là sự ức chế quá trình lên men rượu khi có mặt của oxy. Hiện tượng này được Pastuer phát hiện đầu tiên, ông nhận thấy trong quá trình lên men rượu, khi sục oxy vào thì việc tích luỹ rượu bị ngừng lại và nhu cầu glucoza bị giảm đi, quá trình đường phân EMP bị đình chỉ, lúc đó vi sinh vật tăng cường quá trình hô hấp. Như vậy hiệu ứng P asteur thể hiện tính kinh tế trong sự trao đổi chất oxy hoá.

- Sự tạo thành glyxerin trong lên men rượu: trong quá trình lên men rượu thường sinh ra một ít glyxerin, tuy nhiên nếu trong môi trường kiềm (pH = 8) lượng glyxerin sinh ra sẽ tăng lên rất nhiều và trở thành một trong những sản phẩm chủ yếu:

2C₆H₁₂O₆ + H₂O = CH₃COOH + CH₃CH₂OH + 2CH₂OHCHOHCH₂OH +

2CO₂

Lượng glyxerin càng sinh ra nhiều hơn nữa nếu quá trình lên men xảy ra với sự có mặt của NaHSO₃. Trong trường hợp này axetaldehyt sẽ liên kết với NaHSO₃ nên không bị khử thành rượu nữa. Sản phẩm lên men chỉ là glixerin, CO₂ và axetalsunphonat natri.

- Lên men rượu nhờ vi khuẩn: trong các vi khuẩn lên men rượu chỉ ở Sarcina

ventriculi người ta mới tìm thấy con đường tạo thành etylic theo kiểu của nấm men (phân giải đường theo con đường EMP). Còn ở Zygomonas mobilis glucoza được

phân giải theo con đường ED. Trong quá trình lên men của một số vi khuẩn đường

ruột và Clostridium, rượu được hình thành như là một sản phẩm phụ của quá trình lên men. Song tiền chất của etylic tức axetaldehyt không được giải phóng trực tiếp từ axit piruvic nhờ piruvatdecacboxylaza mà nhờ phản ứng khử axetyl photphat.

* Quá trình lên men lactic: Lên men laitic là quá trình chuyển hoá glucoza thành axit lactic trong điều kiện kỵ khí. Có hai kiểu lên men lactic: lên men lactic đồng hình và lên men lactic dị hình. - Lên men lactic đồng hình sản phẩm tạo thành là axit lactic (90%), 1 ít CO₂ và axit acetic.

- Lên men lactic dị hình, ngoài axit lactic còn có axit axetic, etylic, CO₂ và glyxerin.

Tuy nhiên chỉ có lên men lactic đồng hình là có ý nghĩa về mặt công nghiệp. Cơ chế của quá trình lên men lactic như sau:

Glucoza Glucoza

EMP HMP

Axit lactic Axit lactic

3P – glyxeraldehyt

EMP

NADH₂ NADH₂

Axit piruvic Axit piruvic

Lên men lactic đồng hình Lên men lactic dị hình

Các vi khuẩn lên men lactic đồng hình phân giải glucoza theo con đường EMP, nhưng các vi khuẩn lên men lactic dị hình do thiếu các enzim chủ yếu của con đường EMP, đó là aldolaza và triozophotphatizomeraza, vì thế giai đoạn đầu của sự phân giải glucoza theo con đường HMP, sau khi tạo thành 3 P glyxeraldehyt

thì mới đi vào đoạn cuối của con đường EMP để tạo thành axit piruvic.

Vi khuẩn len men lactic đồng hình là: Streptococcus lactis, Streptococcus cremosis, và các loài trong 2 giống phụ Streptobacterim, Thermobacterium, thuộc giống Lactobacterium.

Vi khuẩn lên men lactic dị hình là: Streptococcus citrovorus, Streptococcus paracitrovorus, Streptococcus diaxetilactis. Tất cả những loài này thuộc giống phụ

β Bacterium, thuộc giống Lactobacterium.

Vi khuẩn lactic ở nhiệt độ cao thường sinh trưởng, phát triển tốt, nhưng để thuận lợi cho quá trình lên men nhiệt độ thông thường từ 20 – 45⁰C và pH = 4 – 8. Vi khuẩn lactic ít gặp trong đất và nước, chúng thường phát triển ở những nơi nhiều chất hữu cơ phức tạp như trên xác thực vật, sữa.

*Ứng dụng quá trình lên men lactic: vi khuẩn lactic được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp chế biến sữa, chế biến rau quả, thực phẩm như: làm sữa chua; muối dưa, cà, tôm chua, làm nem, tré...; ủ chua thức ăn cho gia súc hoặc để sản xuất axit lactic và các loại muối lactat. Axit lactic là nguyên liệu rất cần thiết của công nghiệp thuộc da (làm mềm và làm nở da), công nghiệp dệt (nhuộm, in), công nghiệp tổng hợp chất dẻo, công nghiệp thực phẩm. Lactat canxi là loại dược phẩm nhằm bổ sung canxi dưới dạng dễ hấp thu cho cơ thể. Lactat sắt dùng để chữa bệnh thiếu máu. Lactat đồng dùng làm dung môi...

*Quá trình lên men metan:

Vi khuẩn sinh metan là nhóm vi khuẩn kỵ khí bắt buộc, chúng có khả năng chuyển hoá chất hữu cơ thành CH₄, CO₂ và một số axit hữu cơ khác.

Quá trình này có thể chia làm 2 giai đoạn: giai đoạn đầu là sự phân giải các hợp chất hữu cơ thành các axit hữu cơ, axit béo, rượu hữu cơ và CO₂. Giai đoạn hai là giai đoạn chuyển hoá rượu, CO₂ thành CH₄. Sự hình thành CH₄ có thể theo nhiều đường hướng khác nhau.Ví dụ:

CH₃COOH CH₃OH + CO₂

4CH₃OH 3CH₄ + CO₂ + 2H₂O

hoặc

2CH₃CH₂OH + CO₂ 2CH₃COOH + CH₄

hoặc:

CO₂ + 4H₂ CH₄ + 2H₂O

Quá trình lên men metan do nhiều loại vi sinh vật cùng hoạt động. Giai đoạn đầu là do các vi sinh vật phân giải xenluloza, pectin, protein, lipit, và các hydratcacbon khác. Giai đoạn hai là do một số vi khuẩn như: Methanobacterium sochngeni, Sarcina methanica, Micrococcus nazei...

Ứng dụng: Điều chế metan làm khí đốt phục vụ đời sống và sản xuất. Vi khuẩn metan làm tích luỹ nhiều vitamin B₁₂, do đó người ta sử dụng bã rượu để nuôi cấy các vi khuẩn này nhằm tạo ra các chế phẩm vitamin B₁₂ thô dùng trong chăn nuôi.

c. Quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ bền vững:

*Quá trình phân giải xenluloza: Xenluloza là một trong những thành phần chủ yếu của tổ chức thực vật. Hàm lượng xenluloza trong xác thực vật thường thay đổi trong khoảng 50 – 80% khối lượng khô, trong sợi bông hàm lượng này thường vượt quá 90%. Hàng năm trên trái đất có khoảng 30 tỷ tấn chất hữu cơ được cây xanh tổng hợp nên, trong số này có tới 30% là màng tế bào thực vật mà thành phần chủ yếu là xenluloza. Nếu không có sự phân giải xenluloza thì số lượng này tăng lên rất nhanh và chẳng bao lâu tất cả CO₂ trong không khí sẽ bị chuyển hoá hết thành xenluloza, sự sống sẽ không tồn tại nữa.

Xenluloza là loại polisaccarit cao phân tử, là chất rất bền vững, không tan trong nước, không được tiêu hoá trong đường tiêu hoá của người. Chúng được cấu tạo từ nhiều gốc β-glucoza liên kết với nhau nhờ dây nối β 1,4 – glucozit. Mỗi phân tử xenluloza thường chứa tử 1.400 – 10.000 gốc glucoza.

Trong tự nhiên có nhiều loài vi sinh vật có khả năng sinh ra các enzim làm xúc tác cho quá trình phân giải xenluloza:

- Vi sinh vật hiếu khí: Niêm vi khuẩn (Cytophaga,

Sporocytophaga...), vi khuẩn (Bacillus, Pseudomonas, Cellulomonas, Vibrio, Cellvibrio...), Vi nấm (Rhizopus, Penicilium, Fusarium, Aspergillus, Tricoderma...), xạ khuẩn (Streptomyces, Actinomyces, Streptosporangium...). các vi sinh vật này sinh ra 2 loại enzim phân giải xenluloza là: xenlulaza C₁ và xenlulaza C_x, trong đó C₁ tác động sơ bộ vào các phân tử xenluloza thiên nhiên và biến chúng thành các chuỗi xenluloza mạch thẳng. Sau đó dưới tác dụng của enzim C_x chúng sẽ bị thuỷ phân thành thành đường xenlobioza. Loại đường này có thể tan trong nước và dưới tác dụng của β – glucozidaza (hay xenlobiaza) chúng sẽ chuyển hoá thành glucoza.

- Vi sinh vật kỵ khí: vi khuẩn dạ cỏ sống cộng sinh trong dạ cỏ của trâu bò và các động vật nhai lại khác (Ruminococcus albus, Ruminococcus flavefeciens, Bacteroides succinogenes, Clostridium cellobioparum...), vi khuẩn sống tự do (Clostridium thermocelum, Clostridium omelianskii...).

Có thể trình bày sơ đồ phân giải xenluloza như sau: Xenluloza tự nhiên

Xenlulaza C₁

Xenluloza có cấu trúc biến đổi Xenlulaza C_x

Exo – β – (1,4) gluconaza Endo – β – (1,4) gluconaza C B Oligosacarit C A Các oligosacarit chuỗi ngắn B A A, B, C Xenlobioza Xenlobiaza (β glucozidaza) Glucoza A: nấm Tricoderma viride

B: vi khuẩn Cellvibrio fulvus

C: nhiều vi sinh vật khác.

Ý nghĩa của nhóm vi sinh vật phân giải xenluloza: có ý nghĩa rất lớn đối với việc thực hiện vòng tuần hoàn cacbon trong tự nhiên, góp phần quan trọng trong việc nâng cao độ phì của đất cũng như vào việc tiêu hoá thức ăn ở động vật nhai lại. Ngoài ra các vi sinh vật phân giải xenluloza còn có vai trò trong việc cung cấp nguồn thức ăn cacbon cho các vi sinh vật khác, góp phần làm sạch môi trường đồng thời cũng là nhóm vi sinh vật cơ bản trong quá trình chế biến phân hữu cơ.

*Quá trình phân giải tinh bột:

Tinh bột là chất dự trữ quan trọng của thực vật. Tinh bột là một loại polisaccarit được cấu tạo bởi 2 thành phần là amyloza và amylopectin.

- Amyloza tan trong nước nóng, chiếm khoảng 25% trong tinh bột. Nó chứa 0,03% photpho, bắt màu xanh với dung dịch iốt, nhưng bị mất màu khi đun nóng. Chúng được cấu tạo bởi gốc α – D- glucopiranoza liên kết với nhau qua dây nối 1- 4

- Amylopectin: chiếm 75% trong tinh bột, chứa 0,1 – 0,8% photpho, bắt màu tím hay màu đỏ tím với dung dịch iốt. Amylopectin tạo thành hồ keo trong nước nóng. Chúng được tạo bởi các gốc α – D- glucopiranoza và liên kết với nhau vừa qua dây nối 1 – 4, vừa qua dây nối 1- 6 glucozit, vì vậy có cấu tạo phân nhánh.

Tinh bột là chất khó phân giải trong tự nhiên, tuy nhiên có nhiều loại vi sinh vật có khả năng sinh ra enzim amylaza ngoại bào để xúc tác cho quá trình phân giải tinh bột thành các phần đơn giản hơn. Có các loại amylza:

+ α - amylaza: tác động đồng thời lên nhiều dây nối α 1 – 4 kể các dây nối bên trong đại phân tử, do đó sản phẩm của quá trình phân giải này là mantoza (2 gốc glucoza) và các dextrin (3 – 4 gốc glucoza).

+ β amylaza: tác động vào dây nối α 1 – 4 nhưng chỉ tác động vào phần ngoài đại phân tử nên sản phẩm tạo thành là mantoza và các dextran.

+ Amylaza 1 – 6 glucozidaza: phân cắt dây nối α 1 – 6 glucozit ở các chỗ phân nhánh.

+ Glucoamylaza: tác động vào tất cả các dây nối α 1 – 4 và 1 – 6 nên sản phẩm tạo thành là glucoza.

Một số vi sinh vật có hoạt tính amylaza cao:

Loại amylaza Vi sinh vật

α - amylaza Aspergillus candidus

Aspergillus niger Aspergillus oryzae Bacillus subtilis

Clostridium acetobutylicum ...

β - amylaza Aspergillus awamori

Aspergillus oryzae ... Glucoamylaza (γ - amylaza) Aspergillus awamori Aspergillus niger Aspergillus oryzae ...

Ý nghĩa của vi sinh vật chuyển hoá tinh bột: vi sinh vật phân giải tinh bột có vai trò quan trọng trong việc tạo ra nguồn thức ăn cacbon cho các vi sinh vật khác. Ngoài ra còn được sử dụng để sản xuất amylaza cần trong công nghiệp sản xuất rượu, bia, cồn, đường.

*Quá trình phân giải pectin:

Pectin là một trong những thành phần quan trọng của tế bào thực vật. Pectin thường chứa nhiều trong tầng gian bào của các mô thực vật và là thành phần chính trong lớp cùi của một số quả. Sau quá trình lên men pectin các tế bào thực vật sẽ tách rời khỏi nhau và tiếp tục chịu tác động của các nhóm vi sinh vật khác nhau để

hoàn thành việc phân giải thành các hợp chất vô cơ đơn giản. Pectin là một loại polysaccarit cao phân tử, chúng cấu tạo bởi các gốc axit α - D - galacturonic liên kết với nhau nhờ dây nối α – 1,4 – glucozit.

Thuật ngữ chất pectin thường được dùng để chỉ chung bốn nhóm sau đây: - Protopectin: một thành phần cấu trúc của màng tế bào, không tan trong nước. Dạng này có trong thực vật, là thành phần quan trọng của chất gian bào, làm nhiệm vụ liên kết các tế bào lại với nhau.

- Pectin: hợp chất cao phân tử tan trong nước của axit galacturonic, có chứa liên kết metyl este, tồn tại chủ yếu ở dịch tế bào.

- Axit pectinic: hợp chất cao phân tử tan trong nước của axit galacturonic, hoàn toàn tách khỏi các liên kết metyl este.

- Axit pectic: sản phẩm demetoxyl hoá của axit pectinic. Hoà tan kém hơn so

với axit pectinic. Có thể tạo thành muối pectat.

Pectin không hoà tan và pectin hoà tan là polygalacturonic được metyl hoá 100%, axit pectinic được metyl hoá nhỏ hơn 100%, riêng axit pectic không được

metyl hoá - không chứa nhóm metoxy (-COOCH₃).

Việc phân giải pectin được tiến hành nhờ enzim protopectinaza, poligalacturonidaza:

- Protopectinaza phân giải protopectin, tạo thành pectin hoà tan, sau đó pectinmetylesteraza sẽ thuỷ phân liên kết metyl este của pectin hoà tan để tạo thành metanol và axit pectinic, rồi thành axit pectic. Protopectinaza Pectinmetylesteraza

Protopectin Pectin hoà tan Axit pectinic + metanol

Axit pectic

- Poligalacturonidaza phân giải những liên kết giữa các gốc axit galacturonic của pectin hoặc của axit pectinic, tạo thành các chuỗi ngắn hoặc các phân tử axit galacturonic tự do.

Axit pectinic (C₄₆H₆₈O₄₀) có thể được thuỷ phân như sau:

C₄₆H₆₈O₄₀ + 10H₂O 4CHO(CHOH)₄COOH + C₆H₁₂O₆ + C₅H₁₀O₅ + C₅H₁₀O₅ +

Axit galacturonic galactoza xiloza arabinoza

2CH₃OH + 2CH₃COOH

Có nhiều vi sinh vật có khả năng tham gia phân giải pectin, ví dụ:

- Vi khuẩn: Bacillus subtilis, Bacillus mesentericus, Clostridium

pectinovorum, Clostridium felsineum...

- Nấm mốc: Aspergillus niger, Aspergillus flavus, Mucor stolinifer, Fusarium oxysporum...

Ứng dụng: người ta thường sử dụng quá trình phân giải pectin nhờ vi sinh vật để ngâm đay, gai, ngâm dó, nhằm tách lấy sợi làm dây thừng, bao tải, làm giấy...