CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.4. CÔNG NGHỆ LÊN MEN RƯỢU
Lên men ethanol là một quá trình sinh tổng hợp năng lượng ở tế bào nấm men trong điều kiện kỵ khí. Quá trình này sẽ diễn ra tại tế bào chất của tế bào nấm men. Đầu tiên, đường trong môi trường sẽ được màng tế bào chất vận chuyển vào bên trong tế bào. Sau đó, hệ enzyme của nấm men sẽ xúc tác các phản ứng chuyển hóa đường thành năng lượng sinh học (ATP). Có rất nhiều sản phẩm trao đổi chất khác cũng được nấm men sinh ra trong quá trình chuyển hóa đường thành ATP trong điều kiện kỵ khí như ethanol, carbon dioxide, rượu cao phân tử, glycerol, hợp chất carbonyl, acid hữu cơ, acid béo, este, hợp chất chứa lưu huỳnh… Trong số này, ethanol và carbon dioxide có hàm lượng cao vượt trội hơn các sản phẩm trao đổi chất còn lại. Nấm men sẽ giữ ATP lại bên trong tế bào để sử dụng cho các phản ứng đồng hóa và duy trì sự tồn tại của tế bào. Các sản phẩm trao đổi chất trong đó có ethanol và CO2 sẽ được nấm men thải vào dịch lên men và sẽ ảnh hưởng đến giá trị dinh dưỡng cũng như giá trị cảm quan của rượu thành phẩm.
1.4.2. Cơ sở sinh hóa của quá trình lên men rượu [1]
Con đường chuyển hóa chính của quá trình lên men ethanol là con đường đường phân (con đường Embden - Meyerhof - Parnas hay EMP). Thông qua con đường này, 1 phân tử glucose được chuyển hóa thành 2 phân tử pyruvate (hình 1.7).
Dưới điều kiện kỵ khí pyruvate chuyển hóa thành ethanol và giải phóng CO2. Theo lý thuyết, hiệu suất của ethanol là 0,511 và của CO2 là 0,489 tính trên khối lượng cơ bản của glucose chuyển hóa. Hai ATP tạo ra được sử dụng cho các phản ứng sinh hóa cần năng lượng trong quá trình sinh tổng hợp của tế bào nấm men. Nếu ATP không được sử dụng liên tục bởi quá trình sinh trưởng của nấm men thì quá trình đường phân của glucose sẽ dừng lại ngay lập tức, bởi vì sự tích tụ của ATP trong tế bào sẽ làm ức chế enzyme
phosphofructokinase (PFK) - một trong các enzyme điều hòa quan trọng nhất của quá trình đường phân.
Ngoài ethanol và CO2, nhiều sản phẩm phụ khác cũng được tạo thành trong suốt quá trình lên men ethanol. Glycerol được tạo thành khoảng 1% (w/v) trong hầu hết các quá trình lên men ethanol, nó là một trong các sản phẩm phụ chủ yếu. Rượu có mạch carbon dài và các sản phẩm phụ khác tạo thành ở mức độ thấp hơn. Sự tạo thành các sản phẩm phụ cũng như sự sinh trưởng của tế bào nấm men làm giảm hiệu suất tạo thành ethanol.
Hình 1.8 Con đường chuyển hóa trong quá trình lên men ethanol của S. cerevisiae Chữ viết tắt: HK: hexokinase, PGI: phosphoglucoisomerase, PFK:
phosphofructokinase, FBPA: fructose bisphosphate aldolase, TPI: triose phosphate isomerase, GAPDH: glyceraldehydes-3-phosphate dehydrogenase, PGK:
phosphoglycerate kinase, PGM: phosphoglyceromutase, ENO: enolase, PYK: pyruvate kinase, PDC: pyruvate decarboxylase, ADH: alcohol dehydrogenase.
Trong suốt quá trình lên men, tế bào nấm men chịu nhiều stress khác nhau. Các yếu tố của môi trường như: Môi trường lên men không đủ dinh dưỡng, nhiệt độ cao và ô nhiễm, các sản phẩm từ sự trao đổi chất của tế bào nấm men như sự tích tụ ethanol cũng ức chế sinh trưởng của nấm men và quá trình sản xuất ethanol.
Hình 1.9 Những yếu tố stress của S. cerevisiae trong quá trình lên men ethanol 1.4.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men
Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men ethanol, trong đó có một số yếu tố quan trọng như:
a. Ảnh hưởng của nồng độ đường [1]
Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ đường khác nhau (5%, 10%, 15%, 20%) đến quá trình lên men ethanol bởi S. cerevisiae. Arifa Tahir và cộng sự nhận thấy quá trình sản xuất ethanol đạt cực đại (61,5 g/l) sau 48 giờ lên men với nồng độ đường là 15%, khi nồng độ đường tiếp tục tăng lên thì hàm lượng ethanol giảm xuống, tốc độ tạo thành ethanol phụ thuộc vào nồng độ đường ban đầu. Khi nồng độ cơ chất rất thấp - không đủ cơ chất nên nấm men không sinh trưởng làm giảm khả năng sản xuất. Một tác dụng quan trọng nữa của hàm lượng đường cao hơn là sự ức chế dị hóa của con đường oxi hóa.
b. Ảnh hưởng của nồng độ ethanol [20]
A. I. El-Diwany và cộng sự nhận thấy rằng nấm men có thể chịu được nồng độ cồn lên đến 10% nhưng khi nồng độ cồn tăng lên 12 - 15% thì nấm men không phát triển được, số lượng tế bào nấm men giảm từ 4 - 10%.
c. Ảnh hưởng của tỷ lệ nấm men giống [1]
Lakkana Laopaiboon và cộng sự nghiên cứu sản xuất ethanol từ cây lúa miến ngọt với mật độ tế bào nấm men ban đầu là 1×106, 1×107 và 1×108 tế bào/ml, đã kết luận mật độ tế bào nấm men ban đầu thích hợp nhất là 1×108 tế bào/ml. Kết quả cũng cho thấy mật độ tế bào ban đầu cấy vào môi trường lên men không ảnh hưởng đến hàm lượng ethanol tạo thành (khoảng 80 g/l) ở cuối thí nghiệm. Tuy nhiên nó ảnh hưởng đến tốc độ sử dụng cơ chất và hiệu suất tạo thành ethanol.
Irfan Turhan và cộng sự nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ nấm men ban đầu đến quá trình lên men ethanol từ dịch chiết hạt carob và nhận thấy rằng hàm lượng ethanol đạt cực đại (42,90 g/l), năng suất ethanol (3,7g/l/h) và hiệu suất ethanol (45%) thu được với tỷ lệ nấm men ban đầu là 3%. Tỷ lệ giống nấm men là yếu tố rất quan trọng trong quá trình lên men ethanol. Nghiên cứu với tỷ lệ giống nấm men 1 - 5% (v/v). Arifa Tahir và cộng sự nhận thấy hàm lượng ethanol đạt cực đại (65,0 g/l) ở tỷ lệ nấm men 3%.
d. Ảnh hưởng của pH ban đầu [1]
pH ban đầu của môi trường lên men ethanol được giữ trong khoảng 2,5 – 6,0. Quá trình sản xuất ethanol đạt cực đại (65 g/l) ở pH 4,5. Tiếp tục tăng pH lên sẽ làm giảm hàm lượng ethanol tạo thành. Điều chỉnh pH trong suốt quá trình lên men là quan trọng vì 2 nguyên nhân:Vi khuẩn có hại chậm sinh trưởng và phát triển trong môi trường acid và nấm men sinh trưởng và phát triển tốt trong điều kiện acid.
e. Ảnh hưởng của nhiệt độ [1]
Nhiệt độ ảnh hưởng sâu sắc đến quá trình lên men ethanol. Quá trình sản xuất ethanol tốt nhất ở 30ºC và hàm lượng ethanol giảm còn 0,5 g/l ở 40ºC. Nhiệt độ 30 - 35ºC thường được sử dụng để nuôi cấy nấm men.
f. Ảnh hưởng của sự thông khí [1]
Hàm lượng ethanol đạt tối đa (65g/l) khi thể tích làm việc của bình lên men là 800 ml trong bình nón 1000 ml. Thể tích điền đầy của môi trường tăng sẽ làm giảm lượng ethanol
nhưng không tạo ra ethanol. Tuy nhiên, lượng vết oxy có thể kích thích quá trình lên men của nấm men. Oxy cần cho sự sinh trưởng của nấm men để sinh tổng hợp chất béo không no và lipid cần thiết trong ty thể và màng bào tương. Lượng vết của oxy không thúc đẩy quá trình chuyển hóa ưa khí. Khi thiếu hụt oxy sẽ hạn chế sự sinh trưởng, giảm khả năng sống sót của nấm men và quá trình lên men chậm.
g. Ảnh hưởng của thời gian lên men [1]
Tiến hành lên men ethanol trong các khoảng thời gian khác nhau 24, 48, 72 và 96 giờ dưới các điều kiện tối ưu. Lượng ethanol cực đại thu được sau thời gian lên men 72 giờ (76,78 g/l). Thời gian lên men là khác nhau với chủng nấm men và cơ chất khác.
Nhận xét chung: Qua quá trình tìm hiểu và nghiên cứu để tài về cây Búng Báng, nhận thấy rằng việc nghiên cứu về quy trình sản xuất rượu Tà Vạt nồng độ cao đã được khảo sát về loài nấm men thích hợp, tỉ lệ bổ sung nấm men và thời gian lên men rượu. Vấn đề cần giải quyết tiếp theo là xác định lại một số tính chất và thành phần dịch nhựa cây Búng Báng, từ đó thực hiện việc nghiên cứu sự ảnh hưởng của tỉ lệ dịch chiết vỏ cây chuồn đến quá trình lên men. Và cuối cùng là đánh giá sự biến đổi của rượu Tà Vạt nồng độ cao trong quá trình bảo quản.