L ỜI CẢM ƠN
2.3.3. Cơ chế lên men rượu
2.3.3.1 Tác nhân gây lên men
Điển hình của tác nhân gây lên men là nấm men. Trong số các giống nấm men, Saccharomyces là giống được dùng rộng rãi. Nấm men có đặc điểm là trong điều kiện sinh hoạt yếm khí, chúng có khảnăng chuyển đường thành rượu ethanol và CO2. Trong điều kiện yếm khí, nấm men không có khả năng chuyển hoá tiếp các ethanol đã được tạo thành, có nghĩa là sự lên men sẽ dừng lại giai đoạn hình thành và tích luỹrượu ethanol. Như vậy, biện pháp kỹ thuật tương ứng là phải cho lên men trong thùng kín.
Tế bào nấm men còn có đặc điểm nữa là khả năng tạo ra các nội enzyme (endoferment), nghĩa là những enzyme tiến hành xúc tác ở bên trong tếbào. Như vậy, sựphân ly đường sẽ xảy ra ở bên trong tế bào nấm men, còn rượu êtylic và CO2được tạo thành thì đi ra khỏi tế bào và tích tụởtrong môi trường.
2.3.3.2 Các điều kiện lên men rượu
Có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới quá trình lên men như: nồng độ đường, độ acid của môi trường, nhiệt độ...
Nồng độđường thích hợp cho đa số nấm men là 12-16%. Khi nồng độ đường quá cao hoặc quá thấp thì hiệu lực lên men đều bị giảm thấp.
Độ acid của môi trường cũng giữ vai trò quan trọng. Quá trình lên men xảy ra bình thường khi pH 4-4,5. Trong môi trường kiềm, sự lên men tiến triển theo đường hướng đặc biệt, tạo sản phẩm chính là glycerin.
Nhiệt độ có ảnh hưởng tới vận tốc lên men. Thường vận tốc lên men lớn nhất vào khoảng 29-32oC. Trong thực tế, tuỳ yêu cầu, quá trình lên men cũng có thể tiến hành trong khoảng nhiệt độ từ 24-28oC.
Sự tích tụrượu trong môi trường có tác dụng độc hại đối với nấm men. Đa số trường hợp sựlên men đường đình chỉ khi nồng độ rượu trong môi trường đạt từ 12- 14% thể tích.
Khí CO2ức chế sự lên men, nhưng sự thoát khí CO2 có tác dụng khuấy động dịch lên men do đó làm tăng tốc độ lên men.
Cơ chế sinh hóa xảy ra trong quá trình lên men rượu
Lên men rượu là quá trình yếm khí chuyển hóa đường mà chủ yếu là glucose và fructose thành ethanol và carbon dioxide. Quá trình lên men rượu được tóm tắt bởi phản ứng tổng quát như sau:
Tuy nhiên, lên men rượu là quá trình phức tạp. Nhiều quá trình hóa lý, hóa học và sinh hóa xảy ra đồng thời với phản ứng tổng quát này. Các quá trình này làm hoàn thiện thêm giá trị của đồ uống có độrượu (rượu vang, bia...). Vì vậy, bên cạnh ethanol nhiều hợp chất khác cũng được tạo ra trong quá trình lên men như rượu cao, ester, glycerol, succinic acid, acetoin và 2,3-butadiol. Ngoài sự chuyển hóa đường, các hợp chất khác có trong môi trường lên men cũng được chuyển hóa bởi nấm men tạo nên giá trị cảm quan cho sản phẩm đồ uống.
* Quá trình đường phân
Quá trình đường phân chuyển hóa glucose hoặc fructose thành pyruvate trong tế bào. Đây là quá trình đầu tiên của sự chuyển hóa carbohydrate trong hầu hết các sinh vật. Nấm men sử dụng quá trình đường phân như là con đường chính để chuyển hóa đường (Hình 2.3).
Hình 2.3. Sơ đồ tóm tắt quá trình đường phân xảy ra trong tế bào nấm men.
(Đỗ Thị bích Thủy, 2011)
Kết thúc quá trình đường phân, pyruvate được chuyển hóa bởi nấm men theo một vài hướng khác nhau. Các hướng chuyển hóa tiếp theo có thểđược thực hiện bằng lên men yếm khí hoặc hô hấp hiếu khí.
* Lên men và hô hấp
Nấm men là những vi sinh vật hô hấp tùy tiện. Chúng có thể chuyển hóa đường trong điều kiện hiếu khí hoặc yếm khí. Vì vậy, nấm men có thể tiêu thụđường theo hai con đường chuyển hóa là lên men yếm khí và hô hấp hiếu khí. Hình 2.4 là sơ đồ tóm tắt của hai quá trình này.
Hình 2.4. Sơ đồ tóm tắt lên men và hô hấp xảy ra trong tế bào nấm men
(Đỗ Thị Bích Thủy, 2011)
Cả hai quá trình này đều bắt đầu với quá trình đường phân tạo nên pyruvate. Pyruvate có thểđược chuyển hóa thành acetaldehyde và CO2dưới tác dụng xúc tác bởi enzyme pyruvate decarboxylase. Sau đó, acetaldehyde (ethanal) được khử để tạo thành ethanol. Quá trình này xảy ra trong tế bào chất và được gọi là quá trình lên men rượu.
Pyruvate cũng có thểđược chuyển hóa thành Acetyl-CoA và CO2dưới tác dụng xúc tác bởi pyruvate dehydrogenase. Sau đó Acetyl- CoA đi vào chu trình Krebs, tạo nên CO2 và một vài coenzyme dạng khử (NADH và FADH2). Các coenzyme khửđược
tạo thành trong chu trình Krebs và trong quá trình đường phân sau đó bị oxy hóa trong chuỗi hô hấp để khử oxy phân tử thành H2O. Từ đó cho thấy rằng mấu chốt của quá trình điều hòa sựtrao đổi chất của tế bào nấm men là điều khiển để nấm men chuyển hóa pyruvic thành acetaldehyde hoặc Acetyl-CoA.
* Sự lên men rượu
Trong quá trình lên men rượu, Saccharomyces cerevisiea chủ yếu chuyển hóa pyruvate thành ethanol để tái tạo NAD+ đã được tiêu thụ bởi quá trình đường phân. Quá trình lên men rượu xảy ra trong tế bào nấm men được tóm tắt trên hình 2.5.
Hình 2.5. Tóm tắt cơ chế hóa sinh của quá trình lên men rượu.
(Đỗ Thị Bích Thủy, 2011)
Đầu tiên là quá trình decarboxyl pyruvate tạo thành ethanal dưới tác dụng xúc tác bởi pyruvate decarboxylase. Enzyme này cần Mg và thiamine pyrophosphate như là các yếu tốđồng phản ứng. Sau đó, alcohol dehydrogenase khử ethanal thành ethanol và chuyển NADH thành NAD+.
CH3CHO + CO2 Acid pyruvic Pyruvat decarboxylase (1) CH3CHO + NADH+ + H+ CH3CH2OH + NAD+ Alcohol dehydrogenase (2) CH3 - C – COOH O
Ở đây NADH2 tạo thành trong phản ứng oxy hoá glyceraldehyde-3- phosphate của quá trình đường phân đóng vai trò chất cho hydro, còn acetaldehyde là chất nhận.
Sản phẩm cuối cùng của quá trình lên men (ethanol, CO2) được vận chuyển ra ngoài tế bào bằng cơ chế khuếch tán đơn giản.