IV. TRAO ĐỔi CHẤT VĂ NĂNG LƯỢNG
4.2.1. Phđn giải câc hợp chất không chứa Nitơ +Phđn giải cellulose
Hằng năm có khoảng 30 tỷ tấn chất hữu cơ được cđy xanh tổng hợp trín trâi đất. Trong số năy có tới 30% lă măng tế băo thực vật mă thănh phần chủ yếu lă cellulose, người ta nhận thấy cenlulo chiếm 90% trong bông vă 40-50% trong gỗ.
Câc sợi cellulose tự nhiín chứa khoảng 10000-12000 gốc gluco, câc sợi năy liín kết thănh bó nhỏ gọi lă câc microfibrin. Trọng lượng phđn tử của từng loại cellulose thay đổi tùy từng loại thực vật.
Cellulose lă loại hợp chất bền vững, không tan trong nước, nó không được tiíu hoâ trong đường tiíu hoâ của con người, sỡ dĩ động vật nhai lại vă con người tiíu hoâ được cellulose lă nhờ hoạt động phđn giải cellulose của rất nhiều loại vi sinh vật (sống trong dạ cỏ vă trong đường tiíu hoâ của người)
Câc loại vi sinh vật phđn giải cellulose
Vi sinh vật (vsv) hiếu khí yếm Vsv khí Vsv yếm khí sống tự do Vsv ưa nóng Niím vi khuẩn: Cytophaga, Sporicytophaga, cenlulomonas Vi khuẩn Bacillus Xạ khuẩn Streptomyces Nấm mốc Aspergilus, Penicilium, Fusarium Vi khuẩn dạ cỏ loăi Ruminococcus Bacillus celluloae hydrogenicus Bacillus cellulose methanicus Bacillus cellulosae thermophicus
Cơ chế của quâ trình phđn giải cellulose : Muốn phđn giải được cellulose câc vi sinh vật phải tiết ra men cellulease, sau đó men mới tâc động trực tiếp lín cellulose.
Cellulose → disacharit → monosaccharit (glucose)
+ Sự phđn giải tinh bột
Tinh bột lă chất dự trữ chủ yếu của thực vật, nó phản ứng với iod tạo thănh chất có mău lam tím. Trong tế băo thực vật tinh bột tồn tại trong dạng câc hạt tinh bột, câc hạt tinh bột có hình dạng vă kích thước thay đổi tùy theo loại thực vật. Tinh bột gồm hai thănh phần khâc nhau amylose vă amylosepectin.
Nhiều loại vi sinh vật có khả năng sản sinh ra men amylase ngoại băo lăm phđn giải tinh bột thănh câc thănh phần đơn giản hơn có thể phđn biệt một số loại amylase sau:
α-amylase: tâc động đồng thời lín nhiều dđy nối, kể cả bín trong đại phđn tử, sản phẩm phđn giải năy ngoăi mantose còn có oligmer chứa 3-4 gốc glucose.
β-amylase: men năy chỉ tâc động bín ngoăi đại phđn tử, phđn cắt liín kết 1-6 ở câc vị trí phđn nhânh.
Glucoamylase: phđn giải tinh bột thănh glucose vă câc oligosaccarit. Một số loại vi sinh vật có hoạt tính amylase
Loại amylase Vi sinh vật
α-amylase Bacillus subtillis, B. maccarans, B. mesintericus, Aspegyllus candidus, Asp. niger, Asp. orysee.
Clostridium acetobutylicum,...
β-amylase Asp. awamori, Asp. oryse..
Glucoamylase Asp. niger, Asp. awamori, Asp. oryse..
Câc quâ trình lín men +Quâ trình lín men Etilic
Dưới tâc dụng của một số loăi vi sinh vật, đường glucosa có thể được chuyển hoâ thănh rượu etylic vă CO2 đồng thời lăm sản sinh một số năng lượng xâc định. Quâ trình năy được gọi lă quâ trình lín men etilic hay còn gọi lă quâ trình lín men rượu.
Vi sinh vật tham gia văo quâ trình lín men rượu:
Loăi nấm men có khả năng lín men rượu mạnh mẽ nhất vă có nhiều ý nghĩa kinh tế nhất lă Saccharomyces cerevisiae.
Loại nấm men năy có khả năng lín men đường glucose, galactose, maltose, lactose, tinh bột.
Trong công nghiệp bia, người ta sử dụng câc loại Sac. carsbergensis. Rượu rum thường lín men Schizosacchramyces, chúng phđn biệt dễ dăng với Saccharomyces ở chỗ có khả năng phđn chia tế băo nhờ vâch ngăn ngang (không nẩy chồi).
Tóm tắt quâ trình:
C6 H12 O6 → CH3COCOOH + 4H CH3COCOOH → CH3CHO +2CO2 CH3CHO + 4H → CH3CH2OH
C6H12O6 → CH3CH2OH + 2CO2 + 22Kcalo
Nếu cơ chất lă câc sản phẩm phức tạp khâc như tinh bột, cellulo thì quâ trình năy sẽ qua hai giai đoạn. Giai đoạn đầu câc hợp chất hữu cơ phức tạp năy bị câc chất hữu cơ khâc phđn giải thănh câc dung dịch đường, sau đó dưới tâc dụng của nấm men mới biến thănh rượu.
Quâ trình năy được ứng dụng:
Sản xuất rượu bia, câc loại nước giải khât, sử dụng nấm men lăm nở bột mỳ, ủ thức ăn cho gia súc.
+Lín men lactic
Đường glucose dưới tâc dụng của một số vi sinh vật yếm khí đặc biệt sẽ cho chúng ta acid lactic gọi lă quâ trình lín men lactic.
Cơ chế quâ trình: Có hai quâ trình lín len lactic khâc nhau đó lă lín men lactic đồng hình vă lín men lactic dị hình.
Trong chu trình lín men lactic đồng hình glucose sẽ được chuyển hoâ theo chu trình Embden-Meyerhoff để cuối cùng tạo thănh acid pyruvic vă NAD-H+. Acid pyruvic sẽ tiếp tục khử thănh acid lactic:
C6H12O6→ 2CH3COCOOH + 4H
CH3COCOOH + 4H → 2CH3CHOHCOOH
Quâ trình lín men lactic đồng hình được thực hiện bởi nhóm vi khuẩn lactose
bacterium (Thermobacterium, Streptobacterium) vă Streptococcus.
Trong quâ trình lín men lactic dị hình, ngoăi acid lactic còn tạo thănh câc sản phẩm khâc như acid acetic, CO2, ethanol, glyceril.
C6H12O6 → CH3CHOHCOOH + CH3COOH + CH3CH2OH +CO2
Vi khuẩn lín men lactic dị hình, ngoăi việc tạo thănh câc acid lactic còn có nhiều sản phẩm khâc. Vi khuẩn lín men lactic dị hình không có men chủ yếu của chu trình Embden - Meyerhoff .
Vi khuẩn lactic thuộc Streptococcaceae vă Lactobacillaceae, vi khuẩn lactic không sinh băo tử, Gram dương (trừ Lactobacillus inulinus), thường không di động, chúng thuộc loại vi khuẩn kỵ khí hoặc hâo khí.
Vi khuẩn lactic thường đòi hỏi nhiều chất sinh trưởng (acid amine, thiamin, riboflavin,...) chúng thường không thể phât triển được trín môi trường tổng hợp, người ta thường nuôi cấy vi khuẩn lactic trín câc môi trường chứa chất hữu cơ phức tạp như nấm men, nước că chua, sữa, mâu,...
Nhiệt độ thích hợp cho vi khuẩn lactic phât triển đó lă 22-450C, vi khuẩn lactic thường ít gặp trong đất, nước, chúng thường phât triển ở những nơi có chứa nhiều chất hữu cơ phức tạp như trín xâc thực vật, sữa,...
Ứng dụng: sản xuất acid lactic, chế biến sữa chua, ủ chua thức ăn cho gia súc.
Lín men butyric
Trong tự nhiín, đường glucose dưới tâc dụng của một số vi sinh vật yếm khí đặc biệt, được chuyển hoâ để cho ra acid butyric gọi lă quâ trình lín men butyric.
Cơ chế:
C6H12O6 → 2CH3COOH + 4H 2CH3COOH → 2CH3CHO + CO2
CH3CHO + CH3CHO → CH3CHOHCH2CHO CH3CHOHCH2CHO → CH3CH2CH2COOH
Qua cơ chế trín chúng ta thấy có sự trùng hợp giữa hai phđn tử CH3CHO. Quâ trình trùng hợp năy phụ thuộc rất nhiều văo điều kiện ngoại cảnh, khi ngoại cảnh thay đổi thì sản phẩm cũng thay đổi, ngoăi acid butyric ra, người ta còn thu được nhiều sản phẩm khâc như acid acetic, acetone, rượu butanol,...
Vi sinh vật lín men butyric
Vi sinh vật lín men chủ yếu lă Clostridium, lă một loại vi khuẩn Gram dương, chu mao, di động sinh nha băo, kích thước nha băo lớn hơn kích thước tế băo vi khuẩn nín khi mang nha băo vi khuẩn có dạng hình vợt, dùi trống, chúng thích hợp trong phât triển kỵ khí.
Ứng dụng: vi khuẩn lín men butyric tham gia tích cực văo quâ trình phđn giải câc hợp chất hữu cơ trong tự nhiín. Nhưng nếu quâ trình năy xẩy ra mạnh thì lượng acid butyric sinh
ra nhiều gđy ảnh hưởng đối với sự phât triển của cđy trồng. Quâ trình lín men butyric gđy ảnh hưởng xấu trong quâ trình bảo quản hoa quả, muối dưa, ủ chua thức ăn chăn nuôi.