Trang 31
Lên men trên môi trường bán rắn hay lên men trên cơ chất rắn (Solid State Fermentation - SSF) là một quá trình trong đó sự sinh trưởng của vi sinh vật và sự hình thành sản phẩm diễn ra trên bề mặt của nguyên liệu gần như không có mặt nước tự do, cơ chất chứa ẩm dưới dạng hấp phụ trong mạng chất rắn. Hoạt động sống của vi sinh vật diễn ra chủ yếu trên bề mặt rắn. Sự trao đổi nhiệt và khí hầu như là trực tiếp giữa pha rắn và pha khí không qua chất lỏng trung gian. Các phản ứng sinh học và sự chuyển hóa thực hiện trực tiếp giữa tế bào vi sinh vật và cơ chất tại nơi tiếp xúc [15,19].
Lên men trên môi trường bán rắn đã được sử dụng từ nhiều năm qua. Các phương pháp truyền thống được hiện đại hóa để tạo ra các sản phẩm không truyền thống trong công nghiệp thực phẩm. Ngày nay lên men trên môi trường bán rắn đang được quan tâm trở lại một cách mạnh mẽ và được sử dụng rộng rãi nhằm gia tăng giá trị cho các sản phẩm từ các nguồn nguyên liệu rẻ tiền, các phế liệu nông nghiệp và chất thải công nghiệp [15, 32].
2.4.2.2. Các loại cơ chất thường dùng trong lên men bán rắn tạo cellulase
Các cơ chất tự nhiên và tổng hợp đều được sử dụng trong lên men bán rắn và là các chất không tan trong nước, có thể được vi sinh vật sử dụng để sinh trưởng, phát triển và trao đổi chất. Các cơ chất đã và đang được sử dụng là các nguyên liệu thô, rẻ tiền của ngành nông nghiệp và những phế liệu của các ngành công nghiệp khác. Được sử dụng rộng rãi nhất để lên men bán rắn là các nguyên liệu giàu cellulose có nguồn gốc thực vật như bột lúa mì, bột gạo, cellulose tinh khiết, lõi ngô và các nguyên liệu khác. Các phế liệu của nông nghiệp và công nghiệp thực phẩm như cám mì, bã mía, sắn, củ cải đường, vỏ cam chanh, lõi bắp, trấu … và các loại nguyên liệu khác như lignocellulose.
Các bước chuẩn bị và tiền xử lý là rất cần thiết nhằm chuyển các cơ chất thô sang dạng thích hợp như là làm giảm kích thước bằng cách xay nghiền, hay chuyển hóa các cơ chất cao phân tử bằng các phương pháp vật lý, hóa học hay sinh học nhằm tăng cường khả năng tiếp xúc của cơ chất với vi sinh vật, bổ sung dưỡng chất (phospho, nitơ, các muối khoáng), ổn định pH, tạo ẩm độ thích hợp; nấu hay xử lý bằng hơi nước bão hòa đối với cơ chất nhằm loại bỏ các yếu tố gây nhiễm. Vấn đề chính đặt ra là tính
Trang 32
hỗn tạp, cấu trúc không đồng bộ của cơ chất gây khó khăn cho quá trình thủy phân. Sự không đồng nhất giữa các mẻ cơ chất, việc khuấy đảo khối cơ chất nhằm tránh sự vón cục xảy ra trong quá trình lên men, đây là những nguyên nhân khiến cho sinh trưởng của vi sinh vật không đồng bộ, các thông số nhiệt độ, pH, độ ẩm khó đạt được các điều kiện chuẩn [13].
2.4.2.3. Những ưu điểm của lên men bán rắn tạo enzyme
Lên men bán rắn có những điểm vượt trội so với lên men trong môi trường dịch thể. Đó là việc không cần khuấy đảo hay thông khí; đặc biệt là thành phần môi trường nuôi cấy đơn giản, rẻ tiền. Chẳng hạn, các cơ chất dùng trong lên men bán rắn thường là các phế liệu của ngành sản xuất nông nghiệp và công nghiệp thực phẩm, tất cả đều là những cơ chất rẻ tiền và ổn định nên có tiềm năng sử dụng để sản xuất enzyme ở qui mô lớn.
Những ưu điểm khác so với lên men trong môi trường dịch thể là nồng độ cơ chất cao hơn, ít bị nhiễm tạp, giảm năng lượng và lượng nước sản xuất đầu vào; nuôi cấy bán rắn không cần sử dụng nhiều thiết bị phức tạp, do đó việc vận hành cũng như việc đầu tư vừa đơn giản vừa ít tốn kém. Lượng enzyme được tạo ra từ nuôi cấy bán rắn thường có hoạt tính và độ ổn định cao hơn rất nhiều so với nuôi cấy lỏng. Đây là đặc điểm rất quan trọng để giải thích tại sao phương pháp lên men bán rắn đang phát triển trở lại một cách mạnh mẽ.
Mặc dù lên men bán rắn đang rất hấp dẫn nhưng việc ứng dụng vẫn còn mặt hạn chế, nhược điểm chính là không thể kiểm soát hay điều chỉnh môi trường một cách chính xác theo ý muốn và cũng vì vậy không thể áp dụng có hiệu quả các phương pháp tối ưu hóa như đối với lên men lỏng. Ngoài ra lượng cơ chất thừa gây khó khăn cho việc thu nhận sản phẩm tinh khiết, do đó khả năng ứng dụng còn bị hạn chế.
Tuy nhiên nếu xét toàn diện thì lên men bán rắn có lẽ là công cụ khá hữu hiệu để tạo ra các sản phẩm, cụ thể là trong trường hợp enzyme công nghiệp. Ngoài ra, lên men bán rắn còn được dùng trong xử lý môi trường và nhiều lĩnh vực khác [32].