1.2.5.1Giới thiệu chung về nấm men:
- Nấm men là nhóm vi sinh vật được dùng trong công nghiệp, hầu hết nấm men là đơn bào, không chuyển động. Hình dạng và kích thước của chúng thay đổi tuỳ theo điều kiện môi trường. Nói chung nấm men có dạng hình cầu, hình trứng, hình bầu dục, ... có
kích thước tương đối lớn, chiều dài 6 ÷ 10 micromet có khi 12÷18 micromet, chiều ngang từ 4 ÷ 8 micromet.
- Về cấu tạo tế bào nó cũng gồm màng, nguyên sinh chất, hạch. Trong nguyên sinh chất chứa không bào và các chất chứa đựng khác: glycogen, granuloza, chất béo, volutin...
- Nấm men có thể sinh sản theo lối nảy chồi, phân chia hoặc tạo thành bào tử. Nhóm nấm men sinh sản theo hình thức nảy chồi và phân chia có nhiều trong tự nhiên. Và nhiều loại trong nhóm này có khả năng lên men rượu nên được ứng dụng trong sản xuất rượu bia, rượu vang, sản xuất nước giải khát lên men...Tế bào nấm men giàu protein, vitamin và đặc biệt là vitamin nhóm B và tiền vitamin D. Vì vậy mà nấm men hay được sử dụng bổ sung làm chất dinh dưỡng vào thức ăn cho gia súc. Mặt khác nấm men không sinh độc tố, do vậy mà nấm men hay được sử dụng trong chế biến các sản phẩm dành cho người như lên men rượu vang, nước quả lên men… Trong quá trình phát triển hình thái của nấm men có thể thay đổi nh ư sau:
+Ở nấm men trẻ: (qua 12 ÷ 16 giờ nuôi cấy) màng mỏng, căng nguyên sinh chất đồng nhất, không b ào chưa có hoặc mới bắt đầu xuất hiện, tế bào sinh sản chiếm tỉ lệ cao.
+ Ở nấm men trưởng thành (24 ÷ 48 giờ nuôi cấy) kích thước điển hình, không bào lớn, số không bào có thể đến hai, lượng glucogen tăng, tế bào sinh sản chiếm 10-15%.
+ Ở nấm men già (đã nuôi cấy từ 72 giờ trở lên) màng dày nhẵn, nguyên sinh chất không đồng nhất, không bào lớn, lượng chất béo tăng, tế bào hầu như không sinh sản nữa, không có glucogen, tế bào chiếm tỉ lệ lớn hơn. Nấm men trong lên men rượu vang, nước quả lên men thường có 3 loại là men tự nhiên và men nuôi cấy thuần chủng.
1.2.5.2 Men tự nhiên:
Hệ vi sinh vật trong lên men rượu vang, nước quả lên men tự nhiên tương đối phức tạp và không đồng nhất. Trong môi tr ường nước quả tươi có các nhóm vi sinh vật khác nhau nhiễm vào từ môi trường xung quanh từ thân, lá, vỏ, quả, trong đó phần l ớn là nấm men, nấm mốc, một số ít là vi khuẩn không sinh bào tử, xạ khuẩn... Nấm men trong dịch
quả thường ít hơn nấm mốc song lại có khả năng sinh tr ưởng và phát triển nhanh hơn trong điều kiện yếm khí hoặc thiếu oxy, đồng thời lên men tích tụ cồn. Chính nhờ điều kiện và trong dung dich cồn sẽ làm ức chế nấm mốc, tạo điều kiện cho nấm men phát triển chiếm ưu thế trong quá trình lên men. Các men tự nhiên hay men dại luôn có sẵn trên bề mặt của quả. Đó là một số loại như: Saccharomyces apiculata có hình múi chanh
nó có khả năng lên men tại 4 ÷ 5 độ rượu. Ngoài ra còn có Mycoderma có khả năng phân
giải axit malic thành axic latic làm cho rư ợu ít bị chua gắt. Hay còn có các loại khác như:
Hancelnula,pichia...tạo màng trắng trên rượu. Nhưng nếu để men dại phát triển tự nhiên thì quá trình lên men rất khó điều chỉnh và chất lượng sản phẩm thu được không ổn định.
Khi nền công nghiệp ngày càng phát triển thì con người đã có những biện pháp cần thiết để diệt men dại và thay vào đó là nuôi c ấy nấm men thuần chủng, với những đặc tính sinh học nhất định sẽ giúp cho quá trình chế rượu vang, nước quả lên men đem lại hiệu quả và chất lượng cao.
1.2.5.3. Men nuôi cấy thuần chủng.
Men nuôi cấy thuần chủng hệ sinh vật trong lên men tự nhiên rất phức tạp nên thường cho độ cồn không cao (<10% V), dễ bị nhiễm có mùi chua của axit acetit, chất lượng rượu ít được đảm bảo, mùi vị rượu không hài hoà. Do đó việc áp dụng các chủng nấm men thuần chủng trong sản xuất n ước quả lên men ở quy mô công nghiệp đang đ ược phổ biến rộng rãi trên thế giới. Những chủng nấm men thuần khi êt thường cho lên men nước giải khát cũng như rượu vang là: Saccharomyces vini, Saccharomyces cerevisiae,
Saccharomyces ellipoidies, Saccharomyces avifo rm, ... Ưu điểm khi dùng nấm men thuần khiết là thời gian lên men nhanh, quá trình lên men không bị dừng giữa chừng, nồng độ cồn thu được cao hơn lên men tự nhiên 0,1 ÷ 1 độ, sản phẩm có màu sáng hơn, vị thanh khiết.
Nấm men thường gặp trong sản xuất r ượu vang và nước quả lên men thuộc giống
Saccharomyces. Theo phân loại của Yelio V.N.P giống này có vị trí như sau:
LớpAscomyces.
BộSaccharomyces.
Giống Saccharamyces có tới 18 loài nhưng chỉ có một số loài hay được sử dụng sản xuất nước quả lên men cũng như rượu vang.
Saccharomyces cerevisiae.
Saccharomyces vini.
Saccharomyces oviformis.
Saccharomyces chevalieri.
1.2.5.4 Men bánh.
Men bánh là men nhân dân sản xuất ở các vùng có tập quán nấu rượu.Vì nguyên liệu dùng để thế rượu trong nhân dân là gạo nên môi trường nền là bột gạo kết hợp với một số vị thuốc bắc. Các khối men giống như bánh hình tròn men bánh có thể bóp vụng, rây qua để loại các tạp chất, bỏ thẳn g vào nước quả rồi trộn đều. Ưu điểm cơ bản của men bánh là ở đâu cũng dùng được, chỗ nào cũng dùng được không như
men ống muốn dùng phải có phòng thí nghiệm. Để có thể lên men đạt kết quả người ta đã nghiên cứu các điều kiện hoạt động của men.
1.2.5.5. Điều kiện hoạt động của men:
Là một sinh vật, men sản sinh trao đổi chất, phải có nguồn năng l ượng để hoạt động, phải tìm thấy trong môi trường nước quả những nguyên liệu cần thiết để xây dựng bản thân mình khi lên men đường, men tạo ra một nguồn năng lượng cần thiết hoạt động theo phương trình:
C6H12O6 2CH3CH2OH + 2CO2
Nhưng khi lên men, năng lư ợng sử dụng được ít, từ sự phân hủy một mol đ ường men chỉ sử dụng khoảng 15 kcal số năng l ượng này không đủ để men sinh sản, đặc biệt trong giai đoạn lên men đầu. Khi lên men, men sinh sôi nẩy nở theo cấp số nhân.Vì vậy, men không chỉ lên men đường trong điều kiện không có oxy mà còn hô hấp có oxy theo phương trình:
Trường hợp này số năng lượng men có thể sử dụng đ ược cao gấp hơn 20 lần khilên men cùng một phân tử đường trong trường hợp trên. Số lượng tế bào men có tăng, men có sinh sản mạnh thì mới có lên men đó là hai hiện tượng nhất quyết phải đi song song. Men sinh sản càng nhanh thì lên menđường càng chóng và men còn cần oxy để có thể sinh sản nhanh trong giai đo ạn đầu. Ngoài ra, men còn cần nước, cần cacbon nhưng nước không bao giờ thiếu, cacbon có ngay trong đ ường. Do vậy, phần dưới đây xin nói tới các nhu cầu của men như oxy, nhiệt, chất khoáng, axit amin, vitamin và các chất khác.
a.Ảnh hưởng của oxy
Mặc dù lên men rượu là một quá trình yếm khí, khi cho lên men trong giai đoạn đầu cần phải cho nước quảtiếp xúc với oxy của không khí. Nếu men có thể lên men trong điều kiện thiếu oxy đó là vì trong tế bào men cồn có những chất chứa nhiều oxy. Yêu cầu oxy cao nhất khi lên men bắt đầu, số lượng tế bào men tăng nhanh. Do đó, khi sản xuất nước cái men để cấy v ào nước quả, người ta thường áp dụng các biện pháp tăng oxy cho nước cái men: lắc cơ giới cho oxy tăng nhanh v ào nước, dùng bơm bơm thêm oxy vào nước. Khi lên men với lượng nước quả lớn có khả năng thiếu oxy và lên men chậm thì người ta rút nước quả ra rồi trở lại phía trên bể lên men nhằm làm tăng oxy cho nước quả đang lên men. Tăng oxy ch ỉ có lợi trong giai đoạn đầu, làm quá muộn khi con men đã hoạt động yếu đi, do lượng cồn etylic tăng lên, một số các chất vi lượng bị sử dụng hết thì dù có oxy, men cũng không thể tái sinh sản mạnh, lên men cũng không nhanh thêm.
b.Ảnh hưởng của nhiệt độ
Nhiệt độ ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ l ên men và độ cồn đạt được và nó ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động của nấm men. Mỗi loài men, thậm chí mỗi dòng men thích nghi với mỗi nhiệt độ nhất định. Nhiệt độ tối thích thay đổi t ùy theo giai đoạn phát dục của nấm men: sinh sản, thở, lên men. Những điều kiện hoạt động khác cũng ảnh hưởng tới việc chọn nhiệt độ thích hợp, thí dụ nếu thiếu oxy, độ đ ường cao thì nhiệt độ lên men càng phải thấp, nếu nhiệt độ lên men không hết đường, dừng lại nửa chừng. Vì những lí do vừa nêu rất khó xác định nhiệt độ lên men tối ưu cho mỗi loài men, cho mỗi trường hợp lên men cụ thể.
- Trong giới hạn từ 15 ÷ 35 0C, nhiệt độ càng cao thì giai đoạn chuẩn bị từ khi cấy men đến khi những bọt CO2 đầu tiên xuất hiện càng ngắn lên men càng nhanh và kết thúc sớm. Nhưng nhiệt độ càng cao lên men càng hạn chế, độ cồn càng thấp, lượng đường còn lại trong rượu còn lại càng nhiều.
- Nhiệt độ càng cao, số lượng tế bào men trong 1 ml dịch càng giảm.Vì vậy lượng đường phân huỷ được càng ít đi.
- Nhiệt độ cao ảnh hưởng đến quá trình lên men cũng tương tự như độ đường cao hay sự tiếp xúc hạn chế với oxy.
- Tốt nhất là từ đầu đến cuối cho lên men ở cùng một nhiệt độ. Nhiệt độ ổn định dù ở mức khá cao 30 0C nhưng liên tục tốt hơn là lúc đầu ở 200C, rồi tăng lên 30 0C.Nơi lên men, vì vậy phải giữ nhiệt độ càngổn định càng tốt, đêm và ngày không khác nhau nhiều.
c.Ảnh hưởng của đường, đạm, muối khoáng và pH.
Đường:
Đường là nguồn cung cấp thức ăn chính cho nấm men, trong đó đườngglucose là loại đường thích hợp nhất cho các loại nấm men vì là loại đường đơn giản dễ đồng hóa. Trong dịch nước quả có đường glucose và fructose song lượng đường của chúng hấp thụ không ổn định vì vậy người ta phải bổ sung th êm đường saccarose, đường này nhanh chóng bị enzyme chuyển thành đường khử, dễ đồng hóa. Tỉ lệ đường càng cao thì rượu càng nhiều cồn etylic, cho nên thêm đường vào nước hoa quả là biện pháp phổ biến. Qua nhiều thí nghiệm người ta thấy khi nồng độ đ ường dưới 200 g/l thì nấm men hoạt động bình thường, có những chủng lên men tốt ở nồng độ đường cao hơn (200-220 g/l). Song nếu hàm lượng đường quá cao thì áp suất thẩm thấu của dung dịch cũn g tăng cao làm ức chế hoạt động của nấm men do hiện t ượng co nguyên sinh chất dẫn đến việc không xảy ra hoặc quá trình lên men xảy ra chậm.
Đạm:
Một phần đáng kể (25 – 60% khối lượng khô) của men là những chất có đạm vì vậy trong nước hoa quả phải có đủ đ ạm để men sinh sản nhanh v à cường độ lên men tăng theo. Thường trong nước hoa quả có đủ đạm để cung cấp cho nhu cầu của men song cũng có trường hợp không đủ do một nguyên nhân nào đó như: sâu bệnh, hạn hán, tỉ lệ đạm thấp thì phải thêm đạm. Đối với chủng Saccharomyces,
nguồn nitơ là muối amoni là thích hợp nhất vì men đồng hóa các dạng muối này. Nên cho thêm trước khi lên men, vì nếu cho muộn men không có khả năng đồng hóa đạm.Từ muối amoni, men có thể tự tổng hợp đ ược tất cả axit amin và protein cần thiết cho mình, nhưng nếu cho thêm axit amin là dưới dạng hỗn hợp nhiều loại thì tác dụng kích thích rất rõ. Khả năng tổng hợp axit amin của men lớn, do đó cho thêm tương đối nhiều muối amoni thì hàm lượng đạm trong men tăng lên, khi men chết men tự hủy, axit amin hòa tan trong sản phẩm có thể tăng đạm tổng số củasản phẩm lên tới ba, bốn lần .
Muối khoáng:
Muối khoáng cần thiết cho men để cấu thành các tổ chức của mình, cũng cần để cấu thành các enzyme là tác nhân gây ra các phản ứng sinh hóa trong nước lên men. Dưới đây là các khoáng ch ất chính của men rượu tính theo phần trăm khối l ượng tro.
Bảng 2: Các khoáng chất chính của men rượu [7]
STT Thành phần Hàm lượng 1 H2O 23-48% 2 Na2O 0,06-2,2% 3 CaO 1,0-4,5% 4 MgO 3,7-8,5% 5 Fe2O3 0,06-7,3% 6 P2O5 5-59% 7 SO3 0,4-6,3% 8 SO2 0-1,8% 9 Cl 0,03-1,0%
Ngoài ra còn một lượng nhỏ các chất Al, Br, Cr, Cu, Pb, Au, Te, Sn, Zn, Sr…tất cả các muối khoáng chiếm 5 -10% khối lượng khô của men.
Độ pH:
Các chủng nấm men trong quá trình sinh sản và phát triển chịu ảnh hưởng lớn của pH môi trường. Men chỉ hoạt động trong những giới hạn pH nhất định. Thực ra pH tối thích đối vớiSaccharomyces là 4 ÷ 6. Độ pH nước hoa quả từ 2,8 ÷ 3,8 không phải là tối
thích, nhưng men vẫn hoạt động tốt còn khuẩn thì ức chế. Do đo, khi dùng nước quả độ pH 3,0 ÷ 3,5 không cản trở hoạt động của men nh ưng nếu vì những điều kiện khác không thuận lợi như thiếu oxy, nhiệt quá cao men ngừng hoạt động thì nước quả lên men cũng không bị khuẩn làm hỏng.
Chất kích thích men:
Cũng như các sinh vật cao cấp men cần một số chất kích thích, tr ước hết là vitamin để sản sinh và hoạt động. Một số loại men có thể tổng hợp được những vitamin nhất định, lấy nguyên liệu từ các chất hữu c ơ trong nước hoa quả. Những vitamin khác men không tự tổng hợp được nếu không có sẵn trong n ước quả. Ngoài hoạt động của men và khuẩn, lượng vitamin còn bị nhiều yếu tố khác ảnh h ưởng như: ánh sáng, lọc, xử lý nhiệt.
1.2.5.6. Bản chất của quá trình lên men
Lên men là một quá trình oxy hóa khử xảy ra trong cơ thể sinh vật nhằm cung cấp năng lượng và các hợp chất trung gian cho tế bào sinh vật. Bởi lẽ cơ thể luôn luôn cần năng lượng mà năng lượng được tàng trữ dưới dạng ATP. Các phản ứng sinh hóa trong quá trình lên men là phản ứng tách và vận chuyển hydro ở dạng (H++e) dưới tác dụng của các emzym dehydrogenaza. Trong quá trình đó hydro được tách ra khỏi cơ chất chuyển đến tiếp nhận cuối cùng là chất hữu cơ. Hợp chất hữu cơ đó được khử tạo thành sản phẩm lên men rồi tích tụ lại trong môi trường dinh dưỡng. Tùy theo sản phẩm tích lũy nào chiếm ưu thế mà ta có thể lên men rượu, lên men lactic… Vì v ậy bản chất của quá trình lên men là quá trình oxy hóa khử, quá trình oxy hóa khử đó lại xảy ra trong c ơ thể sinh vật dưới tác dụng của hệ thống enzyme, cho nên quá trình lên men còn được gọi là quá trình oxy hóa khử sinh học. Lên men khác với hô hấp yếm khí và hô hấp hiếu khí. Hô hấp yếm khí được tiến hành trong điều kiện không có oxy tham gia. Hydro được chuyển qua mạch hô hấp đến chất tiếp nhận cu ối cùng như nitrat hoặc sunfat. Hô hấp hiếu khí được tiến hành trong điều kiện có oxy tham gia. Hydro được chuyển qua mạch hô hấp đến chất tiếp nhận cuối cùng là oxy tạo thành nước. Còn lên men có thể thực hiện cả trong điều kiện yếm khí và hiếu khí, nhưng hydro được chuyển qua hệ thống enzyme oxy hóa khử và tiếp nhận cuối cùng là một chất hữu cơ, chất hữu cơ bị khử tạo thành sản phẩm lên men tích lũy trong môi trường. Tuy nhiên lên men và quá trình hô hấp đều là quá trình oxy hóa khử sinh học. Cần phân biệt sự khác nhau giữa quá trình oxy hóa khử sinh học và