CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.7. Cơ sở khoa học của quá trình lên men
2.7.1. Quá trình lên men
2.7.1.1. Khái quát quá trình lên men ethanol
Quá trình lên men là một quá trình sinh học diễn ra liên tục, bắt đầu từ khâu tạo giống, nhân giố ng sinh khối, lên men và thu nh ậ n sả n ph ẩ m cu ối cùng. Các giai đoạ n này có liên quan m ậ t thi ế t với nhau, ả nh hưở ng qua lạ i lẫ n nhau và hàng loạ t các phả n ứ ng sinh hóa diễ n ra vớ i sự tham gia xúc tác c ủ a các hệ enzyme vốn được sinh ra từ các chủng vi sinh tham gia trong q trình.
Bản chất của cơng nghệ lên men là những phản ứng oxy hóa khử sinh học, oxy hóa các hợp chấ t hữ u cơ ở cơ thể sinh vậ t do hệ enzyme oxy hóa khử cung c ấ p. Các q trình này có thể di ễ n ra trong điề u kiệ n yế m khí hoặ c k ỵ khí và t ạ o các sả n phẩ m khác nhau.
Ethanol được tạo thành trong giai đoạn lên men. Muốn có được sản phẩm chủ yếu trong mơi trường lên men là rượu thì tác nhân cung c ấ p hệ enzyme đặ c thù đó phả i là
nấ m men Saccharomyces. N ấ m men có đặ c điể m là trong điề u kiệ n yế m khí, chúng có kh ả năng chuyể n đường thành ethanol và CO2 một cách hợ p th ứ c. Trong điề u kiệ n yế m khí nấ m men khơng có khả năng chuyể n hóa ti ế p các ethanol đã được tạ o thành, có nghĩa là sự lên men sẽ d ừ ng l ạ i ở giai đoạ n hình thành và tích lũy rượu ethylic. Như vậ y, biệ n pháp kỹ thuật tương ứng là phải cho lên men trong bình kín.
Tế bào nấm men cịn có đặc điểm nữa là khả năng tạo ra các nội enzyme, nghĩa là các enzyme tiế n hành xúc tác ở bên trong tế bào. Như vậ y, sự phân ly đường sẽ xả y ra ở bên trong tế bào nấ m men, còn rượu ethylic và CO2 được tạ o thành thì đi ra khỏi tế bào và tích tụ trong mơi trường.
2.7.1.2. Diễn biến của q trình lên men ethanol
Trước tiên, đường cùng với các chất dinh dưỡng khác của môi trường lên men được hấ p phụ vào trên bề mặ t tế bào nấ m men, sau đó khuế ch tán qua màng bán thấ m vào bên trong tế bào. S ự khuế ch tán này tuân theo nhữ ng định lu ậ t chung c ủa sự thẩ m thấu.
Nước được ra vào tế bào một cách tự do nhưng đường và các chất dinh dưỡng khác ch ỉ được màng tế bào cho đi vào mà khơng cho quay ra. Vì vậ y, đường bị chuyể n hóa qua một chu ỗi ph ả n ứ ng enzyme để tạ o thành sả n phẩ m cuối cùng c ủa sự lên men là rượu và CO2.
Rượu ethylic và CO2 được tạo thành liền thoát ra khỏi tế bào và khuếch tán vào mơi trường xung quanh. Vì rượu hịa tan vơ hạ n trong nước nên rượu có th ể khuế ch tán vào mơi trường m ộ t cách nhanh chóng và tạ o ra một nồng độ đậ m đặ c ở xung quanh tế bào nấ m men. Khí CO2 cũng hịa tan được trong mơi trường, song độ hịa tan c ủ a CO2 trong nước khơng lớ n. Độ hịa tan c ủa CO2 trong rượu lớn hơn trong nước 3 lầ n, do vậ y mà trong mơi trườ ng lên men khí CO2 nhanh chóng được bão hịa. Sau đó khí CO2 đượ c hấ p phụ vào trên bề mặ t tế bào nấ m men và nh ữ ng vậ t th ể r ắ n khác c ủ a môi trườ ng tạ o thành các bọt khí. Khi các bọt khí đạ t đế n một độ lớn nào đó thì lự c nâng c ủa chúng
vượt quá tr ọng lượng c ủa tế bào thì bọt khí cùng vớ i c ả tế bào sẽ nổi lên bề mặ t môi trường, r ồi b ọt khí bị v ỡ ra do thay đổi sứ c căng bề mặ t độ t ng ột, khí thốt ra kh ỏi dung dịch và nấ m men lạ i ti ế p tục bị chìm xuố ng. Như vậ y là tế bào nấ m men vố n dĩ không chuyể n độ ng tr ở nên chuyể n động được ở trong môi trườ ng lên men, khiế n cho sự trao đổ i ch ấ t ở trong t ế bào tr ở nên mạ nh mẽ hơn và sự lên men cũng được tăng nhanh lên một cách tương ứng.
Thực tế cho thấy rằng, sự lên men rượu xảy ra một cách bình thường để cho ra sản phẩm chủ yếu là rượu ethylic và một số sản phẩm phụ khác chỉ xảy ra trong điều kiện mơi trường có pH 4 ‒ 5 và thật yếm khí. Trong điều kiện yếm khí, sự lên men xảy ra rất mạnh mẽ nhưng sự phát triển của tế bào nấm men hầu như khơng có. Vì khi ấy nấm men chỉ có thể thu được năng lượng để duy trì các hoạt động của mình chỉ bằng cách gây lên men glucose. Khi có khơng khí thì sự lên men yếu đi vì nấm men sẽ thu năng lượng cần
thiết cho sự phát triển của chúng bằng con đường hơ hấp hiếu khí, nghĩa là bằng cách oxy hóa sinh học glucose đến CO2 và H2O. Hiện tượng kìm hãm sự lên men rượu dưới ảnh hưởng của oxy gọi là hiệu ứng Pasteur.
Như vậy, biện pháp kỹ thuật tương ứng trong sản xuất rượu là phải lên men trong những bình kín.
2.7.1.3. Q trình lên men nước quả
Lên men nước quả là một quá trình lên men kỵ khí, với sự có mặt của nấm men chuyển hóa đường thành ethanol và CO2 qua nhiều phản ứng trung gian.
Q trình lên men nước quả có thể chia làm 2 giai đoạn chính:
Giai đoạn phát triển sinh khối của nấm men: giai đoạn này nấm men cần nhiều
oxy để cung cấp cho hoạt động tăng sinh khối, vì thế mà hình thức hơ hấp chủ yếu ở đây là hiếu khí nên tạo ra nhiều CO2 và nước.
Giai đoạn lên men chuyển đường thành ethanol và CO2: giai đoạn này, nấm men
hầu như không tăng sinh khối, môi trường nghèo dần oxy và nấm men bắt đầu hơ hấp theo hình thức yếm khí. Sự hấp thu chất dinh dưỡng của nấm men ở đây chủ yếu là để sinh ra năng lượng duy trì sự sống của tế bào và tạo ra sản phẩm phân hủy là ethanol và CO2 để trao đổi với môi trường.
2.7.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men2.7.2.1. Ảnh hưởng của oxy 2.7.2.1. Ảnh hưởng của oxy
Nấm men sử dụng trong lên men nước quả là những vi sinh vật kỵ khí tùy tiện. Khi mơi trường có nhiều oxy thì hoạt động sinh sản của nấm men diễn ra mạnh mẽ, lượng sinh khối tăng lên nhanh chóng và trở thành sản phẩm chủ yếu trong môi trường lên men.
Khi môi trường thiếu oxy, nấm men chuyển sang hoạt động hơ hấp yếm khí, lúc này sản phẩm tạo thành chủ yếu là ethanol.
Vì vậy trong quá trình lên men, ta cần cung cấp đầy đủ oxy ở giai đoạn đầu, khi tế bào nấm men phát triển sinh khối đạt yêu cầu thì giảm cung cấp oxy để nấm men chuyển sang giai đoạn hơ hấp yếm khí và tạo ra ethanol.
2.7.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ
Nhiệt độ là yếu tố quan trọng, ảnh hưởng rất lớn đến sự phát triển của vi sinh vật và hiệu quả của quá trình lên men. Trong thực tế sản xuất, người ta thường sử dụng nhân tố này để điều chỉnh tốc độ phản ứng và chiều hướng phản ứng để tạo ra sản phẩm theo mong muốn.
Ở khoảng nhiệt độ khơng thích hợp, hoạt tính của enzyme giảm hẳn và đôi khi xảy ra hiện tượng lên men phụ rất phức tạp. Nhiệt độ thích hợp cho q trình lên men nước
quả vào khoảng 15 ‒ 30oC, nhiệt độ quá thấp thì quá trình lên men chậm nhưng chất lượng sản phẩm cao, cịn nhiệt độ q cao thì q trình lên men nhanh nhưng chất lượng sản phẩm sẽ kém và đến một mức nào đó thì nấm men sẽ bị chết nhiệt.
2.7.2.3. Ảnh hưởng của pH
Cũng như nhiệt độ, pH cũng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng rất lớn đến sự sinh trưởng, phát triển của nấm men và hiệu quả lên men. Ở những giá trị pH của môi trường lên men khác nhau có thể cho ta sản phẩm của quá trình lên men là khác nhau.
Hầu hết nấm men sẽ phát triển tốt giữa pH 4,5 ‒ 6,5 và gần như tất cả các loại này không phát triển trong môi trường quá acid hoặc quá kiềm. Giá trị pH cao hay thấp đều sẽ tác động đến tế bào nấm men (Walker et al., 1998).
Nấm men sẽ lên men thích hợp ở pH 4 ‒ 5 để tạo ra sản phẩm chính là ethanol. Ở pH cao thì chiều hướng chủ yếu của quá trình lên men là tạo ra glycerin.
2.7.2.4. Ảnh hưởng của hàm lượng đường
Nồng độ đường trong dịch lên men cũng ảnh hưởng rất nhiều đến quá trình lên men. Nồng độ đường quá thấp thì khơng đủ cơ chất để nấm men phát triển tăng sinh khối và lên men, do đó tốc độ lên men sẽ chậm. Cịn nếu nồng độ đường quá cao thì tạo ra áp suất thẩm thấu quá lớn gây ức chế sự phát triển của tế bào và có thể dẫn đến hiện tượng co nguyên sinh nên tốc độ lên men cũng chậm lại.
Nồng độ đường thích hợp cho nấm men phát triển và lên men tốt là từ 10 ‒ 18%, tương ứng với nồng độ chất khơ hịa tan khoảng 18 ‒ 22%.
2.7.2.5. Ảnh hưởng của nồng độ rượu
Trong quá trình hoạt động, nấm men sinh ra rượu, nhưng khi lượng rượu tạo thành được tích lũy trong mơi trường lên men ngày một nhiều thì lại gây ảnh hưởng đến sự phát triển của tế bào nấm men.
Nồng độ rượu trong mơi trường lên men khoảng 2% đã có tác dụng đối với nấm men và nấm men trở nên hoạt động chậm lại khi hàm lượng rượu trên 5%, tế bào sẽ ngừng hoạt động hoặc có thể bị chết khi nồng độ rượu trên 12%. Tuy nhiên, một số loại nấm men có khả năng đặc biệt có thể hoạt động trong mơi trường có hàm lượng rượu lên đến 18%.
2.7.2.6. Ảnh hưởng của chất lượng và tỷ lệ nấm men bổ sung
Chất lượng và tỷ lệ nấm men bổ sung vào cũng ảnh hưởng khơng nhỏ đến q trình lên men. Nếu nấm men bổ sung vào có chất lượng tốt và tỷ lệ phù hợp thì quá trình lên men sẽ diễn ra thuận lợi, năng suất cao và chất lượng sản phẩm sẽ tốt, ít có sản phẩm phụ khác.
Nếu bổ sung với tỷ lệ quá cao thì quá trình lên men diễn ra nhanh nhưng sẽ xảy ra hiện tượng không đủ cơ chất để nấm men hoạt động, nấm men dễ bị chết khơng có lợi về mặt kinh tế và sản phẩm phụ sinh ra nhiều.
Nếu bổ sung q ít thì nấm men phát triển tăng sinh khối chậm và quá trình lên men diễn ra với tốc độ thấp.
2.7.2.7. Ảnh hưởng của các yếu tố khác
Ngồi các yếu tố trên, q trình lên men cịn bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác như: ánh sáng, mức độ khuấy trộn, hàm lượng chất sát trùng, hàm lượng nito, phospho và các nguyên tố vi lượng khác trong dịch lên men….
Ánh sáng có thể là tác nhân kích thích các q trình biến đổi sinh hóa xảy ra nhanh, nhưng cũng có thể là tác nhân gây ra sự kìm hãm vi sinh vật phát triển và oxy hóa các chất nhạy cảm với ánh sáng như vitamin.
Mức độ khuấy trộn càng cao thì tốc độ lên men xảy ra càng nhanh, nhưng không thể khuấy trộn quá mạnh dễ sinh ra lực cơ học kìm hãm vi sinh vật hoạt động.
Chất sát trùng được sử dụng để phá hủy các hệ enzyme khơng có lợi và tiêu diệt các vi sinh vật có hại, do đó các vi sinh vật mong muốn cũng khơng tránh khỏi bị ảnh hưởng và có thể dẫn đến chết nếu sử dụng nồng độ quá cao. Đồng thời, khi hàm lượng chất sát trùng cao có thể gây ra mùi lạ cho sản phẩm.
Nito, phospho và các nguyên tố vi lượng rất cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật. Thông thường các nguyên tố này có rất nhiều trong bản thân nguyên liệu lên men, ngoại trừ một số nguyên liệu có hàm lượng quá thấp mới cần bổ sung thêm.