* Ứng dụng của vi khuẩn Lactobacillus
Vi khuẩn lactic ngày càng được sử dụng nhiều trong công nghệ thực phẩm, trong y học và trong nông nghiệp. Những hướng ứng dụng cơ bản gồm:
Ứng dụng của Lactobacillus trong công nghệ thực phẩm
Ứng dụng để sản xuất dưa chua: Muối chua rau quả chính là quá trình hoạt động sống của vi khuẩn lactic và vi khuẩn acetic. Quá trình phát triển của chúng trong rau quả, khi lên men sẽ tạo ra acid lactic và acid acetic cùng một số loại acid hữu cơ khác. Các acid hữu cơ này làm pH của dịch chống lại hiện tượng gây thối rau quả. Mặt khác, nhờ có lượng acid hữu cơ được tạo thành sẽ làm tăng hương vị của khối ủ rau quả. Chính vì thế, người ta cho rằng muối chua rau quả là quá trình vừa mang ý nghĩa chế biến, vừa mang ý nghĩa bảo quản.
phản ứng sinh hóa khác nhau trong đó có quá trình lên men lactic tạo pH thích hợp cho sản phẩm và làm tăng hương vị cho sản phẩm.
Sản xuất các sản phẩm lên men từ sữa: Trong sản xuất các loại sữa chua đều có sử dụng lên men lactic. Nhờ có quá trình chuyển hóa đường thành acid lactic mà casein được kết tủa và tạo cho sản phẩm có hương vị đặc trưng.
Ủ thức ăn gia súc: Về nguyên tắc, ủ các loại cỏ và lá cây làm thực phẩm gia súc cũng giống như công nghệ sản xuất dưa chua. Quá trình lên men lactic xảy ra làm tăng giá trị dinh dưỡng và khả năng tự bảo quản cỏ, lá cây cho gia súc.
Ứng dụng của Lactobacillus trong y học
Ứng dụng vi khuẩn lactic để chữa bệnh đường ruột: Việc ứng dụng này đã được Việt Nam ứng dụng từ lâu. Khi người ta bị tiêu chảy, bác sỹ khuyên hàng ngày uống 1 – 2 chén nước dưa chua, phương pháp này tỏ ra rất hiệu nghiệm trong điều kiện ngành dược chưa phát triển. Dựa vào hiệu quả sử dụng vi khuẩn lactic trong việc chữa trị tiêu chảy, Pháp đã sản xuất và đưa ra thị trường từ hàng chục năm nay 1 sản phẩm mang tên Biolactyl, sản phẩm chuyên trị tiêu chảy từ nhiều vi khuẩn lactic.
Ứng dụng vi khuẩn lactic theo phép chữa vi lượng đồng cân: Trong quá trình vận động của cơ thể, mô cơ hoạt động mạnh và trong 1 thời gian dài sẽ gây ra hiện tượng mệt mỏi. Hiện tượng mệt mỏi này xuất hiện do các phản ứng sinh hóa xảy ra trong mô cơ, tạo ra acid lactic. Các bác sỹ đã tạo ra một vị thuốc bao gồm acid lactic kết hợp với cây kim sa có khả năng giúp cơ thể không còn mệt mỏi, có khả năng làm việc và hoạt động liên tục trong thời gian dài.
Ứng dụng vi khuẩn lactic trong phẫu thuật chỉnh hình: Người ta thường sử dụng loại vật liệu có tên là Purasorb. Purasorb là 1 hợp chất cao phân tử được sản xuất từ acid lactic. Thành phần của Purasorb bao gồm lactides, glycolide, polylactides, polyglycolides, lactide/glycolide copolymer. Purasorb được sử dụng như những đinh ghim, gắn phần xương lại với nhau, khi xương định hình Purasorb sẽ tự tiêu hủy.
Sản xuất vật liệu sinh học: Các nhà khoa học đang nghiên cứu tạo ra những vật liệu sinh học dùng trong y học bằng các copolymer của acid lactic. Các copolymer này có tính năng rất giống những bộ khung xương động vật, hướng này
đang được nghiên cứu và người ta hy vọng trong tương lai nó sẽ được ứng dụng nhiều.
Sản xuất các loại sữa và bột giàu canxi: Người ta bổ sung lactate canxi vào thành phần sữa bột dinh dưỡng, bánh ngọt, bánh nướng để tăng lượng canxi cho cơ thể.
Làm chất dẻo trong tương lai: Các phòng thí nghiệm đang nghiên cứu loại chất dẻo mới thay thế cho chất dẻo cũ khó phân hủy. Chất dẻo mới này là loại polyme được gọi là poly acid lactic (PLA). Đó là sản phẩm được tạo ra từ phản ứng trùng hợp acid lactic. Người ta hy vọng trong tương lai nó sẽ thay thế chất dẻo được sản xuất từ dầu mỏ vì tính chất dễ phân hủy của nó có ý nghĩa rất lớn trong bảo vệ môi trường. Trong công nghiệp nhẹ, acid lactic là dung môi cho công nghiệp sản xuất sơn, vecni, nhuộm và thuộc da.
Trong mỹ phẩm: Các loại lactate kim loại được sử dụng trong thành phần của một số mỹ phẩm chăm sóc da như Punosal. Mỹ phẩm này có chất chống lại các vi sinh vật có trên bề mặt da, làm ẩm và sáng da.
Kẹo cao su có chứa các chủng vi khuẩn có lợi Lactobacillus do Công ty hóa
chất BASF của Đức phát triển. Đây là loại sản phẩm giúp người dùng loại trừ các loại vi khuẩn gây bệnh răng miệng. Marcinowski cho biết, kẹo cao su đã được thử nghiệm trên rất nhiều người và đã chứng minh được khả năng giảm đáng kể các vi
khuẩn có hại. Kẹo cao su chứa một chủng Lactobacillus đặc biệt, vi khuẩn này có trong sữa chua và sữa. BASF đã khám phá ra một nhóm vi khuẩn Strepptococcus
mutans, là vi khuẩn gây ra sâu răng. Strepptococcus mutans bám vào răng tạo ra acid
Chủng Lactobacillus mới tên là Lactobacillus anticaries, làm cho S. mutans
kết thành khối không thể dính lên bề mặt răng và bị loại bỏ dễ dàng khi súc miệng. Các thử nghiệm cho thấy kẹo cao su có thể giảm lượng vi khuẩn có lợi trong miệng khoảng 50 lần. Vi khuẩn này đã được biết từ lâu và rất an toàn.
Ứng dụng khác của vi khuẩn Lactobacillus là ngăn ngừa mùi mồ hôi. Hai chủng vi khuẩn là Lactobacillus pesodoris và Lactobacillus alaodoris đã được thử áp
dụng để ngăn ngừa vi khuẩn gây mùi ở chân và nách. BASF hy vọng sẽ sản xuất một
chất khử mùi dựa trên L. alaodoris. Chủng vi khuẩn này ngăn ngừa mùi hôi nách
bằng việc hạn chế tạo ra acid 3 – metyl – 2 hexonic. Cho đến nay, các thử nghiệm
cho thấy sản phẩm đầu tiên chứa L. alaodoris có thể giảm sự hình thành mùi lên tới 8
giờ.
Hình 9: Vi sinh vật thuộc nhóm Lactobacillus [44].
2.2.1.2 Leuconostoc
Leuconostoc gồm những liên cầu khuẩn lên men lactic đồng dạng, lên men
đường sinh acid lactic và 1 lượng lớn acid acetic, cồn etylic và khí CO2. Khả năng
của 2 loài Leuconostoc dextranicium và Leuconostoc citrovorum lên men acid citric
của sữa với sự sản sinh chất có mùi thơm diacetyl và khả năng kích thích liên cầu khuẩn lactic làm cho chúng được đem dùng vào giai đoạn đầu của chế biến bơ và phomai.
Một số đặc trưng của giống Leuconostoc cho nó vị trí quan trọng trong thực
phẩm như: Sản sinh diacetyl, sự chịu đựng của những nồng độ muối cao làm cho
mesenteriodes) làm cho vi khuẩn có thể phát triển trong xiro bán lỏng và kem đá…
sản sinh ra nhiều thán khí từ đường làm hư hỏng 1 số loại phomai, xiro.
Hình 10: Vi sinh vật thuộc nhóm Leuconostoc [45].
2.2.1.3 Streptococcus
Streptococcus là cầu khuẩn hoặc trực khuẩn rất ngắn, chủ yếu lên men lactic
đồng hình, kết song đôi hoặc thành chuỗi ngắn. Giống ưa ấm, nhiệt độ phát triển tối thiểu là 100C, tối đa là 40 – 450C và phát triển tốt ở 30 – 350C. Trong môi trường nó tích tụ được 0.8 – 1% acid. Một số chủng tạo thành bacteriocin.
Một số dạng Streptococcus thường dùng để lên men lactic như:
Streptococcus lactis: là liên cầu khuẩn Gram (+). Nhiệt độ phát triển từ 10 –
450C, có thể chịu được nồng độ NaCl 4%. Khi lên men đường glucose, maltose, lactose, xylose, arabinose, saccharose, trehalose, monnitol tạo ra acid lactic, CO2, acid acetic, diacetyl. Chúng có khả năng lên men được raffinose, inulin, glycerol, sorbitol. Chúng được sử dụng rộng rãi trong chế biến các sản phẩm như sữa chua,
cream – bơ chua, phomai. Streptococus lactic có khả năng lên men 300C đối với sữa, đường glucose, mantose, lactose, galactose.
Streptococcus cremoris: là tế bào hình cầu và kết thành chuỗi dài, ưa ấm và
tạo ít acid trong môi trường. Nhiệt độ thích hợp cho phát triển là 250C, tối thiểu là 100C, tối đa là 36 – 380C.
Streptococcus thermophilus: có dạng hình cầu, kết thành chuỗi dài, phát triển
tốt ở nhiệt độ 40 – 450C, tích tụ khoảng 1% acid. Thường dùng phối hợp với trực khuẩn lactic để chế biến sữa chua và các loại đặc biệt, sữa chua nấu chín và phomai.
Streptococcus falcalis: là tế bào Gram (+), chúng thường tạo thành chuỗi tế
bào hình cầu, có khả năng chịu được nồng độ NaCl 5%, có khả năng lên men đường glucose, maltose, lactose, trehalose, silicin, sorbitol [3].
Gần đây, người ta nghiên cứu sản xuất phomai từ sữa dừa dưới tác dụng của
vi khuẩn Streptococcus diacetylactis. Giống được bảo quản trong môi trường sữa và
giữ trong tủ đông. Nhiệt độ nuôi cấy sinh trưởng và lên men mạnh nhất khi nuôi cấy ở 280C, phát triển khá ở 350C và thấp nhất ở 200C. Sau nhiều thử nghiệm cho thấy môi trường tốt nhất là môi trường sữa bột gầy bổ sung glucose và nước chiết nấm men.
Streptococcus diacetylactis còn được gọi là Pneumococci, là cầu khuẩn Gram
(+), xếp từng đôi hay thành chuỗi, có vỏ bằng polysaccharide. Pneumococci dễ bị ly
giải bởi những chất hoạt động bề mặt như muối mật. Thường trú ở đường hô hấp trên của người và có thể gây viêm phổi, viêm xoang, viêm phế quản, nhiễm khuẩn máu, viêm màng não,... Hình dạng: thể điển hình xếp từng đôi, hình ngọn giáo, Gram(+). Ở bệnh phẩm đàm hay mủ, vi khuẩn đứng riêng lẻ hay xếp thành chuỗi. Khi trở nên già thì biến thành Gram (-) và dễ tự ly giải.
2.2.2. Đặc điểm chung của Lactobacillus acidophilus và lên men lactic 2.2.2.1 Đặc điểm của Lactobacillus acidophilus 2.2.2.1 Đặc điểm của Lactobacillus acidophilus
Lactobacillus acidophilus thuộc:
Giới: Bacteria Ngành: Fermicutes Lớp: Bacilli Bộ: Lactobacillilales Họ: Lactobacillaceae Giống: Lactobacillus
Tên vi sinh vật: Lactobacillus acidophilus
Lactobacillus acidophilus: là trực khuẩn lên men lactic đồng hình, chịu nhiệt,
nhiệt độ tối thích cho sinh trưởng là 37 – 400C, tối thiểu là 200C. Trực khuẩn này được phân lập từ ruột trẻ em và bê mới đẻ. Một số chủng có khả năng tạo thành màng nhầy. Trong thiên nhiên chúng tồn tại riêng lẻ, đôi khi chúng tạo thành những chuỗi ngắn, có khả năng chuyển động. Chúng có khả năng lên men 1 số loại đường glucose, fructose, galactose, mannose, maltose, lactose, saccharose để tạo ra acid lactic. Chúng hoàn toàn không có khả năng lên men xylose, arabinose, rahamnose, glycerol, sorbitol, dulcitol, inositol. Trong quá trình lên men chúng tạo ra cả 2 dạng
đồng phân quang học của acid lactic. Lactobacillus acidophilus có khả năng sống 2
ngày trong dịch vị, 5 ngày trong dịch mật tinh khiết, 8 ngày trong dịch tràng.
Lactobacillus acidophilus được coi là loại Probiotic thông dụng nhất, hay là
loại vi khuẩn có ích. Loại vi khuẩn có lợi này cư trú tại ruột, âm đạo để bảo vệ chống lại sự xâm nhập hay gia tăng của các sinh vật “có hại” có thể gây bệnh. Sự phân rã
của thức ăn do khuẩn L. acidophilus sản xuất ra acid lactic, hydrogen peroxide… tạo
ra sự phản ứng của môi trường chống lại các sinh vật không ưa thích.
L. acidophilus cũng sản xuất ra lactase, loại enzyme có khả năng phá huỷ
đường sữa (lactose) thành các loại đường đơn giản.
Lactobacillus acidophilus sản xuất acid lactic và các chất diệt khuẩn
bacteriocin như lactocidin, ngăn cản sự xâm nhập và ức chế sự tăng sinh của các vi
Lactobacillus acidophilus đóng vai trò sinh lý quan trọng nhờ tổng hợp các vitamin,
có khả năng bền vững với 40 loại kháng sinh[3].
2.2.2.2 Lên men lactic
Lên men lactic là quá trình chuyển hoá đường thành acid lactic nhờ vi sinh vật, điển hình là vi khuẩn lactic. Lên men lactic là 1 trong những loại hình lên men phát triển nhất trong thiên nhiên.
Lên men lactic là 1 quá trình trao đổi năng lượng. Các phân tử ATP được hình thành trong quá trình chuyển hoá cơ chất (lactose) sẽ được vi khuẩn giữ lại trong tế bào để phục vụ cho quá trình trao đổi chất và sinh trưởng của vi sinh vật. Ngược lại các sản phẩm như acid lactic, ethanol, CO2 được vi khuẩn thải vào môi trường lên men. Kết quả là hàm lượng acid lactic tích luỹ trong môi trường lên men ngày càng tăng, làm giảm pH môi trường và kéo theo những biến đổi lý hoá khác.
Trong quá trình lên men lactic, ngoài sản phẩm là acid lactic, acid acetic, ethanol, CO2 trong dịch lên men còn xuất hiện cả trăm hợp chất hoá học mới khác. Chúng là sản phẩm trung gian hoặc sản phẩm phụ của quá trình lên men. Hàm lượng của chúng trong dịch lên men thường rất thấp (vài ppm hoặc ít hơn). Một số hợp chất trong nhóm trên rất dễ bay hơi. Chúng đóng vai trò quan trọng trong việc góp phần hình thành nên mùi vị đặc trưng cho những sản phẩm lên men lactic.
Khi nồng độ của acid lactic đạt 2 – 3% sẽ ức chế hoạt động của các vi sinh vật
khác, kể cả E.coli. Chính vì thế nên lên men lactic được ứng dụng để sản xuất nhiều
sản phẩm khác nhau như: sữa chua, bơ, phomai, dưa chua… Phương trình tóm tắt của quá trình lên men lactic:
C6H12O6 → 2C3H6O3 + 136 Kj (32,4 Kcal). Lên men lactic gồm có lên men đồng hình và lên men dị hình
Lên men đồng hình: Lượng acid lactic tạo thành chiếm hơn 90%, chỉ 1 lượng nhỏ pyruvat bị khử carbon chuyển thành acid acetic, ethanol, CO2 và acetoin. Lượng sản phẩm phụ tạo ra phụ thuộc sự có mặt của oxy.
Các chủng vi sinh vật được sử dụng trong lên men đồng hình như:
Lactobacterium delbruckii… Phương trình tổng quát trong quá trình lên men đồng
hình:
C6H12O6 + 2ADP + 2Pi → 2CH3CHOHCOOH + 2ATP
Trong một số trường hợp, lên men đồng hình có thể được chuyển sang dạng dị hình khi điều kiện lên men thay đổi.
Lên men dị hình: Chỉ có 50% lượng đường tạo thành acid lactic, ngoài ra còn có các sản phẩm phụ khác nhau như acid acetic, ethanol, CO2, các sản phẩm phụ tương tác với nhau tạo thành ester có mùi thơm. Phương trình tổng quát trong quá trình lên men dị hình:
C6H12O6 → CH3CHOHCOOH + CH3COOH + C2H5OH
Lượng sản phẩm phụ tạo thành hoàn toàn phụ thuộc vào giống vi sinh vật, môi trường dinh dưỡng và điều kiện ngoại cảnh. Acid lactic thường chiếm 40% lượng đường đã được phân huỷ, acid suecinic 20%, rượu etylic 10%, acid acetic 10% và các loại khí gần 20%
2.2.2.3 Đặc điểm chung của các chủng vi sinh vật lên men lactic
Vi khuẩn lactic thuộc họ Lactobacilliaceae. Acid lactic được phát hiện vào
năm 1780 nhờ nhà hóa học Sheele người Thụy Điển, ở sữa chua, acid lactic được thừa nhận là sản phẩm của quá trình lên men vào năm 1847 [5].
Vi khuẩn lactic thuộc vi khuẩn Gram (+), không di động, không có khả năng tạo bào tử (tuy nhiên hiện nay người ta đã tìm thấy một số giống thuộc họ vi khuẩn lactic có khả năng tạo bào tử).
Vi khuẩn lactic thuộc vi khuẩn hiếu khí tùy tiện, không chứa cytochrom và enzyme catalase, có khả năng sinh tổng hợp enzyme peroxydase rất mạnh. Chúng phân giải H2O2 để tạo ra H2O và O2 để phát triển.
Theo khóa phân loại của Bergay, họ Lactobacilliaceae chia làm 2 họ:
Streptococeae và Lactobacileae.
Streptococeae lại chia ra Streptococcus và Leuconostoc. Lactobacileae chỉ có 1 loài là Lactobacillus
khuẩn lactic như Streptococcus có khả năng gây bệnh. Nhóm vi khuẩn lactic rất đa
dạng gồm nhiều giống rất khác nhau, tế bào của chúng có thể là hình cầu, hình que, phân biệt chúng về khả năng lên men đồng hình hay dị hình. Khả năng tổng hợp nhiều hợp chất cần cho sự sống của những vi khuẩn này rất yếu [4].
Các loài vi khuẩn lactic khác nhau tạo thành acid lactic trong môi trường và như vậy sức chịu acid cũng khác nhau. Đa số các trực khuẩn lactic đồng hình tạo thành acid cao hơn (khoảng 2 – 3,5%), liên cầu khuẩn (khoảng 1%). Các trực khuẩn này có thể phát triển ở pH: 3.8 – 4, cầu khuẩn không thể phát triển ở môi trường này. Hoạt lực lên men tốt nhất ở vùng pH: 5.5 – 6.0.