Bằng cách làm cho chất đường có sẵn trong nguyên liệu chuyển hóa thành acid lactic do quá trình lên men lactic. Nhờ vậy sản phẩm có hương vị đặc trưng.
Ngoài ra, acid lactic còn có tính chất sát trùng, có khả năng ức chế sự hoạt động của
26
nhiều loại vi sinh vật gây hư hỏng sản phẩm. Do đó sản phẩm đã lên men lactic đầy đủ có thể dùng để ăn ngay, không cần nấu. Quá trình lên men lactic trong kim chi có thể phân thành ba giai đoạn chính:
- Giai đoạn bắt đầu:
Nguyên liệu được nén chặt, có sự trao đổi giữa muối, nước của rau quả và môi trường. Muối ăn gây áp suất thẩm thấu lớn nên đường và các chất dinh dưỡng khác có trong nguyên liệu khuếch tán vào nước muối và bắt đầu có sự hoạt động của vi khuẩn lên men lactic và một số vi sinh vật khác dẫn đến sự lên men. Trên bề mặt nước muối thấy xuất hiện những bọt khí, đó là do hoạt động của các vi khuẩn Coli và một số vi sinh vật có khả năng gây khí khác. Chủng vi khuẩn lên men Lactic phát triển chủ yếu trong thời kỳ này là Leuconostoc mensenteroides. Đó là loại cầu khuẩn có khả năng sinh acid lactic và sinh khí, khả năng tích tụ acid Lactic của chủng này yếu (nhỏ hơn 1%). Quá trình này kết thúc càng nhanh càng tốt, nếu không sẽ lên men tạp.
- Giai đoạn 2:
Là giai đoạn lên men yếm khí nên nguyên liệu phải được bọc kín hoặc ngập trong nước tạo điều kiện để lên men lactic dễ dàng. Quá trình này xảy ra đến khi vi khuẩn đã lợi dụng hết lượng đường mới ngưng. Bên cạnh quá trình lên men lactic, còn có các quá trình lên men khác như lên men rượu… Phần lới vi khuẩn gây thối bị ức chế vì độ pH của mội trường giảm xuống tới 3 – 3,5. Trong giai đoạn này acid lactic được hình thành, lượng ít hay nhiều có ảnh hưởng lớn đến hoạt động của vi khuẩn, sản phẩm tích tụ được lượng acid cao nên ở giai đoạn này cần chú ý đặc biệt.
- Giai đoạn 3:
Khi acid lactic đã tích tụ với lượng khá cao thì các vi khuẩn lên men lactic cũng bị ức chế. Khi ấy các nấm men và nấm mốc có khả năng phát triển mạnh, làm giảm chất lượng của sản phẩm vì chúng có khả năng phân hủy acid lactic mạnh.Vì vậy trong thời kỳ này cần ngăn ngừa các hiện tượng trên bằng cách bảo quản sản phẩm ở nhiệt độ thấp (2 – 4°C). Sự lên men lactic lúc này được tiến hành qua phản ứng sau:
27
C6H12O6 CH3 – C – COOH O
CH3 – C – COOH + H CH3CHOH – COOH
Phương trình 1.1.Phản ứng tạo sản phẩm phụ trong lên men dị hình.
1.3.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến qua trình sản xuất kim chi
Nhìn chung các quá trình sản xuất kim chi cho dù có khác nhau về cơ chế, về điều kiện lên men nhưng đều có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường nhất định. Các yếu tố ảnh hưởng chủ yếu đến quá trình sản xuất kim chi là: Nồng độ muối ăn, hàm lượng đường trong sản phẩm (đường có sẵn trong nguyên liệu và đường bổ sung), độ pH của sản phẩm, hệ vi sinh vật trong sản phẩm và nhiệt độ của sản phẩm.
• Nhiệt độ
Là yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến lớn đến sự sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn. Nhiệt độ lên men và nhiệt độ tàng trữ sản phẩm ảnh hưởng trực tiếp tới quá trình sản xuất kim chi và tới chất lượng sản phẩm. Mỗi loại vi sinh vật đều có một yêu cầu nhiệt độ thích hợp cho sự phát triển của nó. Nhiệt độ thích hợp cho quá trình lên men là trên dưới 29°C. Ngoài ra còn có những cách khác để bảo quản kim chi, chẳng hạn như thanh trùng Pasteur, không hoặc có sử dụng chất bảo quản, đóng hộp, lọ, sử dụng chất thêm vào thực phẩm và bức xạ nhiệt. Quá trình xử lý nhiệt chủ yếu được thiết kế nhằm điều chỉnh Lactobacillus và các vi sinh vật khác đóng vai trò trong sự quá chín ở giai đoạn sau của lên men. Quá trình đóng hộp các sản phẩm thương mại kim chi cũng được phát triển hơn. Tuy nhiên kim chi sẽ không còn độ tươi giòn như ban đầu do đã trải qua xử lý nhiệt. Quá trình xử lý nhiệt kim chi chủ yếu là để loại bỏ các vi khuẩn Lactobacillus plantarum hay Lactobacillus brevis sinh trưởng và phát triển trong lên men kim chi.
• pH và điều kiện không khí
Mỗi loại vi sinh vật lên men đều thích ứng ở một độ acid khác nhau. Acid lactic được tạo ra trong quá trình sản xuất kim chi, khi ở nồng độ 0,5% đã có thể ức
O
28
chế một số hoạt động của sinh vật lạ khác có ảnh hưởng đến quá trình sản xuất kim chi. Trong quá trình sản xuất kim chi, acid lactic tích tụ nhiều làm cho pH giảm xuống đến 3 – 4, khi tích tụ khá nhiều từ 1 – 2% acid lactic trong sản phẩm thì làm ngưng hoạt động của vi khuẩn lên men lactic và quá trình lên men lactic ngừng lại.
Nồng độ của acid lactic tức là pH của mội trường phụ thuộc vào lượng đường ban đầu, nồng độ muối của dung dịch và điều kiện tiến hành quá trình lên men.
• Hàm lượng đường
Là cơ chất cho quá trình lên men. Là nguồn tích tụ acid lactic. Trong trường hợp hàm lượng đường trong nguyên liệu không đủ thì hàm lượng đường acid lactic tích tụ trong sản phẩm cũng không đạt mức yêu cầu. Khi ấy sản phẩm có hương vị kém và dễ hư hỏng trong quá trình tàng trữ. Vì vậy cần chọn loại nguyên liệu có độ đường đạt yêu cầu và khi cần thì phải bổ sung lượng đường ở ngoài vào.
Kim và cộng sự (1989) đã nghiên cứu về nồng độ đường của củ cải để nâng cao khả năng bảo quản kim chi củ cải cắt khối nhỏ bằng việc điều chỉnh tính acid ở giai đoạn kết thúc quá trình lên men. Tính acid đạt được cuối quá trình lên men trực tiếp tỷ lệ với nồng độ đường trong củ cải với giá trị là 0,29x + 0,4428, trong đó x là nồng độ đường của củ cải. Những nhà khoa học này còn nghiên cứu mối quan hệ của nồng độ các chất hòa tan của cải thảo baechu và độ acid cuối cùng của kim chi.
Kết quả cho thấy độ acid cuối cùng trong kim chi được nghiên cứu cũng tỷ lệ trực tiếp với nồng độ các chất hòa tan của cải thảo (x) với giá trị là 0,3x + 0,7799. [17]
• Nồng độ muối
Muối có vai trò quan trọng quá trình chế biến và ảnh hưởng đến phẩm chất của thành phẩm. Muối tạo hương vị đặc trưng cho sản phẩm, ngoài ra muối còn có tác dụng bảo quản sản phẩm. Muối có tác dụng chủ yếu là gây ra hiện tượng co nguyên sinh ở tế bào rau quả, làm dịch bào tiết ra. Trong dịch bào chứa nhiều đường và một số chất dinh dưỡng khác, tạo điều kiện thuận lợi cho các vi khuẩn lên men lactic phát triển, làm cho sản phẩm đạt được chất lượng cao.
• Giống khởi động
Nhằm điều chỉnh tốt hơn quá trình lên men kim chi, các nhà khoa học đã có những nỗ lực nghiên cứu sử dụng giống khởi động trong lên men kim chi. Lac.
plantarum, Lac. brevis, Ped. cerevisiae, và Leu. mesenteroides phân lập từ kim chi
29
được sử dụng làm giống khởi động. Sử dụng giống khởi động để lên men kim chi làm tăng tốc độ lên men so với mẫu kim chi đối chứng dù thời gian lên men đã được giảm 24 giờ tại nhiệt độ 25oC. Những nghiên cứu trên cũng cho thấy giá trị cảm quan cũng được nâng cao hơn so với kim chi không sử dụng giống khởi động gồm có mùi, vị và trên tất cả là khả năng được chấp nhận. Một số các nhà khoa học đã sử dụng 5 chủng vi khuẩn lactic có khả năng tồn tại và phát triển trong điều kiện lạnh phân lập từ kim chi để làm giống khởi động.
Kim chi sử dụng giống khởi động cho thấy có sự giảm rõ rệt vi khuẩn gram (-) và coliform từ giai đoạn đầu, còn mẫu kim chi đối chứng cho thấy sự tăng lên chậm các loại vi khuẩn đó ở giai đoạn đầu và sau đó giảm rõ rệt sau 10 ngày ở nhiệt độ 8oC. Phải mất 10 ngày để làm chín kim chi đối với mẫu kim chi đối chứng, nhưng chỉ mất 4 – 6 ngày để đạt đến pha cân bằng đối với mẫu kim chi cho nhiễm Leuconostoc và 2 ngày đối với mẫu kim chi cho nhiễm Lactobacillus. Hơn nữa, việc sử dụng các giống khởi động sẽ không gây ra sự tích lũy acid quá cao.
Tuy nhiên người ta thấy chất lượng kim chi nhiễm Leuconostoc tốt hơn với mẫu đối chứng còn mẫu kim chi nhiễm Lactobacillus thì không. Nước ozone hay khí ozone được chấp nhận sử dụng nhằm điều khiển vi sinh vật trong nguyên liệu.
Việc xử lý bằng ozone có thể loại bỏ hơn 80% tổng vi khuẩn hiện diện trong các nguyên liệu sản xuất kim chi. Khi đã sử dụng cách xử lý trên thì Lac. acidophilus được sử dụng làm giống khởi động vì chúng có thể tồn tại trong ruột người và kim chi được xử lý ozone sử dụng giống khởi động này sẽ kích thích tạo ra vitamin B1
và vitamin C. Tuy nhiên Lac. acidophilus sinh ra các enzyme β-galactosidase và polygalacturonase làm thủy phân các polysaccharides trong thành tế bào cải thảo và từ đó làm mềm kim chi.
Hình 1.29Cấu trúc Leuconostoc mesenteroides trên kính hiển vi.
30
• Hệ vi sinh vật
Hệ vi sinh vật tạo ra trong quá trình sản xuất kim chi là mang tính tự nhiên.
Trong quá trình sản xuất kim chi, ngoài các vi khuẩn lên men lactic còn có các vi sinh vật lạ phát triển. Các vi sinh vật đó cũng phân hủy đường như vi khuẩn lên men butyric, vi khuẩn lên men acetic và các vi khuẩn gây thối, cũng như một số vi sinh vật khác. Các nấm mốc làm cho acid lactic sẽ bị phân hủy và tạo thành nhiều chất làm giảm chất lượng hoặc làm hư hỏng sản phẩm.vì vậy cần duy trì hệ vi sinh vật lactic và loại trừ vi sinh vật “lạ”. Điều này đạt được dễ dàng bằng cách rửa sạch nguyên liệu trước khi đem muối, có thể loại trên 90% hệ vi sinh vật trên bề mặt rau quả nếu rửa kỹ. [2]
Các vi sinh vật khác trong nguyên liệu phụ cũng góp phần vào quá trình lên men nhưng vi khuẩn lactic có vẻ như đóng vai trò chủ yếu. Để lên men kim chi đúng cách, chúng ta cần giữ được các điều kiện yếm khí để làm giảm sự phát triển các vi khuẩn hiếu khí và kích thích sự phát triển vi khuẩn lactic suốt quá trình lên men. Những bình bằng sành nung của Hàn Quốc là những thùng lên men hiệu quả nhằm cung cấp các điều kiện yếm khí tùy ý suốt quá trình lên men.
• Các nguyên liệu phụ
Hai nhà nghiên cứu Hàn Quốc là Lee và Kim cũng báo cáo rằng ớt, tỏi và gừng (những nguyên liệu phụ quan trọng trong chế biến kim chi) cũng ức chế sự phát triển của vi khuẩn lactic ở giai đoạn đầu của quá trình lên men (ở nhiệt độ 25oC trong 2 ngày), nhưng sau đó tổng mức độ sinh trưởng của chúng lại tương tự hoặc cao hơn so với mẫu đối chứng. Mặt khác, sucrose, MSG, hàu tươi, tôm và cá cơm muối lên men thúc đẩy quá trình lên men. MSG làm giảm thời gian lên men do kích thích vi khuẩn lactic phát triển, nhưng giá trị pH thì thay đổi tương tự như mẫu đối
Hình 1.30Khuẩn lạc Leuconostoc mesenteroides trên đĩa thạch.
31
chứng (nghĩa là pH vẫn ổn định). Tuy nhiên MSG ảnh hưởng đến sự ổn định của acid ascorbic, thiamine, và β-carotene. MSG khi thêm vào cũng sẽ cải tiến hương vị kim chi do sự hình thành acid glutamic làm giảm vị chua của kim chi.
• Các chất bảo quản tự nhiên
Để phát triển một chất bảo quản tự nhiên nhằm kéo dài thời gian bảo quản kim chi, Moon và cộng sự (1995) đã sàng lọc 102 loại thực vật ăn được, 21 chất kháng khuẩn và các hợp chất khác có liên quan. Baical skullcap và Assam indigo chọn từ 42 Đông dược đã cho thấy hiệu quả trong việc lưu giữ trang thái tươi ngon của kim chi, 32 loại thảo dược và gia vị, gồm bạc hà, quế, kinh giới, hoa houblon, hương thảo, xô thơm, cải ngựa và húng tây cũng cho thấy hoạt tính kháng khuẩn cao đối với các chủng vi sinh vật trong kim chi lên men. Trong số 28 loại trái cây, rau và các loại cây khác có liên quan được đem thí nghiệm, lá thông, quả hồng vàng và lá cây sồi cho thấy có hiệu quả tiêu diệt vi khuẩn đáng kể. Nisin và caffeic acid làm chậm quá trình lên men một cách hiệu quả, nên có thể xem là các chất có thể dùng để bảo quản kim chi nhằm kéo dài thời gian sử dụng kim chi. Tuy nhiên, giá trị cảm quan cũng là một yếu tố cực kì quan trọng khi lựa chọn các chất bảo quản.
Kim và Park (1995) đã nghiên cứu về hoạt tính kháng khuẩn trong 15 loại rau củ sử dụng làm nguyên liệu cho sản xuất kim chi. Dịch chiết tỏi tây cho thấy hoạt tính kháng khuẩn mạnh mẽ đối với chủng Ped. Cerevisiae và Lac. Plantarum – vi sinh vật được biết gây ra sự acid hóa kim chi suốt quá trình lên men. [20]
Nhựa lá cây thông cho thấy cũng ức chế sự lên men, do lá thông đã kéo dài thời gian cần thiết cho lên men lên gấp đôi để đạt được pH 4,3. Tổng số vi khuẩn có thể tồn tại và số tế bào Lactobacillus giảm khi dịch chiết lá thông được bổ sung vào kim chi, chưa kể đến nhiệt độ lên men.
Việc thêm trà xanh vào kim chi cũng kéo dài thời gian bảo quản kim chi do làm giảm tính acid, gồm acid lactic và acid acetic. Các nhà khoa học đã có những nghiên cứu hiệu quả bảo quản và chống sự biến đổi của lá trà xanh khi thêm vào kim chi baechu. Thời gian lên men kim chi có thêm lá trà xanh (green tea added kimchi, viết tắt là GK) lâu hơn so với mẫu kim chi đối chứng (control kimchi, viết tắt là CK). Mặc dù pH và tính acid ban đầu của hai mẫu kim chi trên là tương tự nhau, nhưng thời gian để đạt đến độ chín tối thích (pH 4,3) thì có sự khác biệt. CK
32
mất 6 ngày, trong khi GK2 (mẫu kim chi thêm 2% lá trà xanh) và GK4 (mẫu kim chi thêm 4% lá trà xanh) tương ứng mất 10 ngày và 14 ngày để lên men hoàn toàn kim chi ở 10oC. Theo đó, sự phát triển của chủng Leuconostoc và Lactobacillus cũng bị trì hoãn.
Việc thêm 2% nhân sâm vào kim chi cũng nâng cao cả về chất lượng và thời gian sử dụng của kim chi. Kim chi được bổ sung thêm nhân sâm cho thấy tính chất hệ sợi mô tốt hơn, tăng giá trị cảm quan và ngăn cản sự trở mùi của kim chi. Ảnh hưởng của việc xử lý nhiệt ở nhiệt độ thấp và ảnh hưởng của tinh dầu mù tạt lên giá trị pH và tính acid của kim chi cũng đã được nghiên cứu. Tinh dầu mù tạt đã cho thấy hoạt tính kháng khuẩn đối với Lac.plantarum, Lac. brevis, Leu.mesenteroides, và Ped. cerevisiae. Nếu thêm 200 ppm tinh dầu mù tạt, 0,1% bột mù tạt và 0,01%
H2O2sẽ làm giảm quá trình lên men. Xử lý nhiệt với nhiệt độ thấp (50oC) đối với cải thảo đã ướp muối và thêm 200 ppm tinh dầu mù tạt và 0,01% H2O2 vào thành phần gia vị đã kéo dài thời gian để đạt được độ chín tối ưu cho kim chi, gấp 2,5 lần so với mẫu đối chứng. Nếu kết hợp tiền xử lý nhiệt ở nhiệt độ thấp (50oC trong 35 phút) cùng với việc bổ sung tinh dầu mù tạt và H2O2vào thành phần tạo gia vị, sau đó hậu xử lý nhiệt cũng ở nhiệt độ thấp (65oC trong 20 phút) sẽ làm chậm tốc độ lên men đến 5 lần, so với mẫu đối chứng.
Chitosan và oligochitosan cũng làm giảm quá trình lên men. Kết quả nghiên cứu cho thấy pH không giảm nhưng tính acid tổng số thì bị giảm đối với kim chi có bổ sung chitosan. Tổng số các tế bào tồn tại của chủng Leuconostoc và chủng Plantarum trong kim chi có thêm chitosan thấp hơn so với mẫu đối chứng. Vị chua và chớm hỏng của kim chi cũng sẽ được làm giảm nếu bổ sung chitosan. Khi thêm 1% chitosan oligosaccharide vào kim chi, sự sinh trưởng và phát triển của vi khuản lactic sẽ bị ức chế cao, trong khi đó pH không giảm. Sự tăng acid tổng số cũng bị làm chậm đáng kể (hơn 2 lần) nếu lên men ở 15oC. Quan trọng hơn, hương vị của sản phẩm cuối cùng qua kiểm tra cảm quan cũng cho thấy tăng cao. Tiêu Trung Quốc cũng cho thấy tính kháng khuẩn giúp kéo dài thời gian sử dụng kim chi. Các nhà khoa học cũng đã chỉ ra tính ức chế của nisin (1 loại bacteriocin được sản xuất từ vi khuẩn Strep. lactis) trong lên men kim chi ở 15oC. Thêm nisin với nồng độ