Công nghệ lên men thực phẩm Phần 1 - Trường CĐ Lương thực Thực phẩm

đây O2 đóng vai trò chất nhận H2 cuối cùng.

- Trong điều kiện kỵ khí, acid pyruvic có thể là chất nhận H2 cuối cùng và chuyển thành những hợp chất hữu cơ, là sản phẩm của sự lên men rượu, các acid hữu cơ.

2. CÁC QUÁ TRÌNH LÊN MEN TRONG SẢN XUẤT THỰC PHẨM

2.1. Quá trình lên men ethanol

Lên men ethanol là quá trình phân giải yếm khí đường thành ethanol dưới tác dụng của VSV. Cơ chế của quá trình lên men ethanol được mô tả trên hình 1.1.

Hình 1.1. Cơ chế của quá trình lên men ethanol

Phương trình phản ứng tổng quát của quá trình lên men ethanol được trình bày như sau:

C6H12O6 + 2ADP + 2H3PO4 = 2C2H5OH + 2CO2 + 2ATP + 2H2O

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 152 trang tài liệu này.

Đường cùng với chất dinh dưỡng khác của môi trường lên men, trước tiên được hấp thụ trên bề mặt và sau đó khuếch tán qua màng tế bào và vào bên trong tế bào nấm men, sự phân hủy đường thành ethanol trong tế bào nấm men xảy ra hàng loạt các phản ứng với sự tham gia của nhiều loại enzyme khác nhau, bước cuối cùng của quá trình lên men là sự chuyển hóa acid pyruvic thành ethanol và CO2.

Sự chuyển hóa đường hexose thành ethanol và khí CO2 diễn ra trong tế bào chất của nấm men. Đây là quá trình trao đổi năng lượng của nấm men trong điều kiện kỵ khí, ethanol và CO2 tạo ra trong tế bào sẽ được nấm men “thải” vào môi trường lên men.

Trong điều kiện hiếu khí, quá trình lên men bị ức chế, khi đó hydro tách ra được chuyển qua chuỗi hô hấp tới oxy và acid pyruvic, sản phẩm của quá trình đường phân sẽ tiếp tục bị oxy hóa qua nhiều bước trong chu trình Krebs, các cặp hydro tách ra được chuyển tới oxy. Quá trình này liên hợp với quá trình tạo ATP. Tùy điều kiện môi trường, sự lên men rượu có thể tiến hành theo các kiểu khác nhau.

Bên cạnh ethanol và khí CO2, tế bào nấm men còn tổng hợp và “thải” vào dịch hàng trăm sản phẩm phụ và sản phẩm trung gian khác trong quá trình lên men. Những hợp chất này được tìm thấy trong dịch lên men với hàm lượng rất nhỏ, chẳng hạn như: glycerol cùng các rượu bậc cao, aldehyde, acid hữu cơ và ester.

Tác nhân VSV của quá trình lên men rượu là: nấm men, nấm mốc và vi khuẩn.

Trong đó tác nhân cơ bản là nấm men Saccharomyces cerevisiae

- Nấm men: Nấm men là tác nhân cơ bản gây nên quá trình lên men rượu, tuy

nhiên không phải loài nào cũng lên men đường thành rượu được mà chỉ có một số loài cá khả năng này. Trong sản xuất hiện nay người ta thường dùng một số loài thuộc họ Saccharomyces cerevisiae. Theo đặc tính lên men người ta chia nấm men thành hai nhóm: nấm men nổi và nấm men chìm.

Nấm men nổi: là những nấm men có cường lực lên men rất nhanh và mạnh. Nhiệt độ thích hợp cho nấm men sinh trưởng từ 20÷280C, tốc độ lên men rất lớn, lượng đường tiêu thụ nhiều. Do sinh ra nhiều khí CO2 nên các tế bào nấm men ở dưới sẽ theo CO2 nổi lên bề mặt, vì vậy nấm men hoạt động mạnh hơn và lên men cả các phân tử đường trên bề mặt. Người ta thường sử dụng để sản xuất ethanol và bánh mì. Tiêu biểu là loài Saccharomyces cerevisiae

Nấm men chìm: là những nấm men có cường lực lên men yếu. Nhiệt độ thích hợp cho nấm men sinh trưởng từ 5÷100C. Trong quá trình lên men lượng khí CO2 tạo ra ít và do nhiệt độ thấp nên nó được giữ lại trong dung dịch lên men. Sau khi lên men chúng tạo thành cặn dưới đáy thùng. Quá trình lên men chậm và xảy ra từ từ. Tiêu biểu là loài Saccharomyces ellipsoideus. Nấm men chìm thường dùng trong sản xuất bia, rượu vang, champagne.

- Nấm mốc: Nếu sản xuất ethanol từ tinh bột thì phải qua bước đường hóa tức là giai đoạn chuyển tinh bột thành đường. Người ta thường sử dụng nấm mốc cho giai đoạn này, các loài phổ biến là Aspergillus oryzae, Aspergillus usamii, Aspergillus awamori, Mucor rouxii.

- Vi khuẩn: Một số vi khuẩn có khả năng lên men chuyển hóa đường thành ethanol như Sasina ventriculi, Zymononas mobylis, ngoài ra còn có vi khuẩn lactic dị hình, vi khuẩn đường ruột hay Clostridium cũng có khả năng lên men đường thành ethanol, butyric... Tuy nhiên trong công nghiệp thực phẩm chủ yếu sử dụng nấm men trong lên men ethanol.

Quá trình lên men ethanol được ứng dụng trong sản xuất ethanol, sản xuất bia, sản xuất rượu vang, sản xuất nước giải khát lên men có cồn.

2.2. Quá trình lên men lactic

Lên men lactic là quá trình chuyển hóa yếm khí carbohydrate thành acid lactic nhờ hoạt động sống của VSV, điển hình là vi khuẩn lactic. Có hai kiểu lên men lactic chính là và lên men lactic đồng hình và lên men lactic dị hình.

- Lên men lactic đồng hình: là quá trình lên men do vi khuẩn lactic đồng hình, có khả năng phân hủy đường theo con đường đơn giản tạo nên acid lactic. Lượng acid lactic hình thành chiếm 90÷98% trong sản phẩm. Cơ chế của quá trình lên men lactic đồng hình được trình bày ở hình 1.2.

Hình 1.2. Cơ chế của quá trình lên men lactic đồng hình

- Lên men lactic dị hình: là quá trình lên men do các vi khuẩn lactic dị hình, phân hủy đường thành acid lactic, ngoài acid lactic tạo thành còn có hàng loạt sản phẩm khác nhau được tạo thành chiếm tỷ lệ khá cao như: acid acetic, ethanol, glycerin, CO2, H2O, một số chất thơm như diacetyl, ester.

Cơ chế chung của quá trình chuyển hóa đường sữa, do vi khuẩn lactic đồng hình và dị hình được tóm tắt ở hình 1.3.

Lactose

Glucose Galactose

Sản phẩm trung gian

Acid p yruvic CH3COCOOH

Acetaldehyde CH3CHO

Ethanol CH3CH2OH

Acetoin

CH3COCHOHCH3

Acid lactic CH3CHOHCOOH

Acid lactic

CH3CHOHCOOH

CO2 + Acid acetic

CH3COOH

Diacety l CH3COCOCH3

LM lactic đồng hình LM lactic dị hình

Hình 1.3. Sơ đồ lên men lactic đường sữa

Quá trình lên men lactic diễn ra trong tế bào chất của vi khuẩn. Đầu tiên, đường lactose sẽ được vi khuẩn lactic đưa vào bên trong tế bào nhờ những cơ chế vận chuyển đặc trưng của màng tế bào chất. Tiếp theo, lactose sẽ được thủy phân thành hai monosaccharide rồi đi vào các chu trình chuyển hóa khác nhau.

Đối với nhóm vi khuẩn lactic đồng hình như giống Lactococcus, các loài Streptococcus thermophilus, Lactobacillus bulgaricus, Lactobacillus helveticus, Lactobacillus lactis… chu trình đường phân là con đường chính chuyển hóa glucose thành acid lactic. Theo sơ đồ hình 1.3, acid lactic là sản phẩm chủ lực trong quá trình lên men lactic đồng hình. Phương trình tổng quát lên men lactic đồng hình như sau:

C H O

Lacticodehydrogenase

CH COCOOH + 2H 2CH CHOHCOOH + 22,5 kca

6 12 6 3 3

Glucose Acid pyruvic Acid lactic

Các vi khuẩn lactic dị hình như giống Leuconostoc do không có một số enzyme của chu trình đường phân nên chúng chuyển hóa glucose giai đoạn đầu theo chu trình

pentose-phosphate và tạo ra sản phẩm trung gian là xylulose – 5 – phosphate. Chất này sẽ được chuyển hóa tiếp thành glyceraldehyde – 3 – phosphate rồi tiếp tục đi theo giai đoạn cuối của chu trình đường phân để tạo thành acid pyruvic rồi acid lactic như trong quá trình lên men đồng hình.

Theo một con đường trao đổi chất khác, xylulose – 5 – phosphate sẽ được chuyển hóa thành acetyl – phosphate và tiếp theo sau đó là thành ethanol. Sơ đồ chuyển hóa hình 1.3 cho thấy trong quá trình lên men dị hình, các sản phẩm chuyển hóa chính thu được bao gồm acid lactic, ethanol, CO2 …

Lên men lactic là một quá trình trao đổi năng lượng. Các phân tử ATP được hình thành trong quá trình chuyển hóa cơ chất (lactose) sẽ được vi khuẩn giữ lại trong tế bào để phục vụ cho hoạt động trao đổi chất và sinh trưởng của VSV. Ngược lại, các sản phẩm như acid lactic, ethanol và CO2 sẽ được vi khuẩn “thải” vào môi trường lên men. Kết quả là hàm lượng acid lactic tích lũy trong môi trường lên men ngày càng tăng, làm giảm pH môi trường và kéo theo những biến đổi hóa lý khác.

Trong quá trình lên men lactic, ngoài sản phẩm acid lactic (lên men đồng hình), ethanol, CO2 (lên men dị hình), trong dịch lên men còn xuất hiện nhiều hợp chất hóa học mới khác. Chúng là những 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. Đáng chú ý nhất là diacetyl và acetaldehyde. Quá trình sinh tổng hợp diacetyl liên quan đến sự chuyển hóa citrate, được trình bày ở hình 1.4.

Citrate

Acetate

Oxaloacetate

CO2

Pyruvate

Acetolactate

CO2

Acetaldehyde - TPP Acetyl - CoA

CoASH + TPP

2,3 Butanediol

Acetoin

Diacety l

NAD(P) NAD(P)H

NAD(P)

NAD(P)H

Hình 1.4. Sinh tổng hợp các chất tạo hương từ citrate (Cogan và Fordan, 1994)

Ở giai đoạn đầu của quá trình lên men, diacetyl được tổng hợp. Hàm lượng diacety trong môi trường sẽ tăng dần rồi sau đó sẽ giảm dần vào giai đoạn cuối, đặc biệt khi hàm lượng citrate giảm giảm dần. Một phần diacetyl sẽ được chuyển hóa thành acetoin và 2,3 butanediol. Acetaldehyde được tổng hợp từ các sản phẩm của quá trình chuyển hóa glucose và một số acid amin (hình 1.5).

Nhiều loài vi khuẩn lactic có khả năng sinh tổng hợp acetaldehyde. Đây là hợp chất quan trọng quyết định đến mùi vị đặc trưng cho các sản phẩm lên men như yoghurt, bơ,…

Tỷ lệ hàm lượng diacetyl/acetaldehyde ảnh hưởng lớn đến giá trị cảm quan của yoghurt và bơ. Tỷ lệ này phụ thuộc vào thành phần các chủng VSV sử dụng trong tổ hợp giống và các thông số kỹ thuật của quá trình lên men như: nhiệt độ, pH đầu, lượng giống cấy …

Glucose

Glucose 6-phosphate

Fructose 1,6-diphosphate 6-phosphogluconate

Pyruvate

Alanin Lysine Serine

Xylose-5-phosphate

Acetyl-CoA Acetate

Acetaldehyde

Hình 1.5. Sinh tổng hợp acetyldehyde ở một số vi khuẩn lactic ưa nhiệt (Varnam và Sutherland, 1994)

Hình thái một số vi khuẩn lactic được mô tả trên hình 1.6.

Lactobacillus casei Lactobacillus bulgaricus

Oenococcus oeni Lactobacillus brevis

Pediococcus pentosaceus Brevibacterium linens

Hình 1.6. Hình thái một số vi khuẩn lactic

Tác nhân VSV trong quá trình lên men lactic là vi khuẩn lactic thuộc họ Lactobacillaceae và được xếp vào bốn nhóm: Streptococcus, Pediococcus, Lactobaccillus, Leuconostoc. Đây là những trực khuẩn hoặc cầu khuẩn không tạo bào tử, chúng thường không chuyển động và hô hấp yếm khí tùy tiện. Phần lớn chúng vẫn phát triển bình thường nếu không có O2. Hầu hết không có khả năng lên men tinh bột và các polysacharide khác. Sự phát triển của nó cần một số acid hay các hợp chất hữu cơ chứa nitơ khác (pepton, polysacharide và protein tan).

Quá trình lên men lactic được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm sản xuất một số sản phẩm thực phẩm lên men: yoghurt, phomat, bánh mì đen, acid lactic, muối chua rau quả, …

2.3. Quá trình lên men propionic

Lên men propionic là quá trình chuyển hóa acid lactic và muối lactat thành acid propionic dưới tác dụng của VSV. Ngoài acid propionic, sản phẩm của sự chuyển hóa này còn có acid acetic, CO2 và H2O.

Cơ chế phản ứng như sau:

- Phân hủy đường:

3C6H12O6 =

Glucose

4CH3CH2COOH + 2CH3COOH + 2CO2 + 2H2O

Acid propionic Acid acetic

- Phân hủy acid lactic:

3CH3CHOHCOOH = 2CH3CH2COOH + CH3COOH + CO2 + H2O

Acid lactic Acid propionic Acid acetic

Theo quá trình này, tỷ lệ giữa hai loại acid propionic và acid acetic là 2:1 (thực tế thường thu được 1,5:1)

Tác nhân VSV chủ yếu là các vi khuẩn propionic trong đó loài hoạt động nhất là Bacterium acidipropionic, vi khuẩn này rất giống với vi khuẩn lactic, thường chung sống với vi khuẩn lactic, chúng rất phổ biến trong sữa. Vi khuẩn này lên men dễ dàng acid lactic, muối lactat và một số đường hexose, pH thích hợp để lên men là 7, nhiệt độ thích hợp là 14÷350C. Vi khuẩn này lên men dễ dàng acid lactic, muối lactate, đường thành acid propionic. Trong quá trình sống chúng cần bổ sung thêm nitơ hữu cơ phức tạp dưới dạng protein.

Ứng dụng của quá trình lên men propionic: lên men propionic có vai trò quan trọng trong quá trình ủ chín một số loại phomat. Acid propionic được tạo thành vừa là chất bảo quản, vừa là cấu tử tham gia tạo hương cho sản phẩm. Khí CO2 tạo ra trong quá trình lên men là nguyên nhân tạo nên cấu trúc lỗ hổng trong khối phomat thành phẩm. Ngoài ra lên men propionic còn ứng dụng trong công nghiệp sản xuất acid propionic, sản xuất vitamin B12.

2.4. Quá trình lên men acetic

Lên men acetic là quá trình oxy hóa ethanol thành acid acetic, trong điều kiện hiếu khí, với tác nhân gây chuyển hóa là vi khuẩn acetic.

Phương trình tổng quát chuyển hóa ethanol thành acid acetic

C2H5OH + 3O2 = 2CH3COOH + 4H2O + 2CO2

Thực chất của quá trình oxy hóa ethanol thành acid acetic là các phản ứng liên tiếp nhau được xảy ra trong điều kiện hiếu khí. Ethanol và oxy không khí phải được tế bào vi khuẩn hấp thụ vào bên trong và sau đó acid acetic được hình thành sẽ thoát ra

ngoài. Trong tế bào vi khuẩn, đầu tiên ethanol bị oxy hóa thành acetaldehyde, chất này chuyển thành hydratacetaldehyde, sau đó hydratacetaldehyde bị oxy hóa thành acid acetic.

Cơ chế phản ứng của quá trình này có thể biểu diễn như sau (hình 1.7).

CH3CH

Alcoldehydrogenase

2OH CH

3CHO H2O

CH3CHOHOH

Ethanol Acetaldehyde Hydratacetaldehyde

+2H

Aldehydehydrogenase

CH3COOH

Acid acetic

Hình 1.7. Cơ chế phản ứng chuyển hóa ethanol thành acid acetic

Điều kiện thích hợp cho sự lên men acetic là môi trường pH = 3, nhiệt độ 28÷300C, nồng độ ethanol khoảng 6÷12% (trong môi trường dinh dưỡng có glucose). Tùy từng loại vi khuẩn, khi nồng độ ethanol trong môi trường không đủ thì sẽ xảy ra sự tổn thất acid acetic do phản ứng oxy hóa acid acetic bởi vi khuẩn:

CH3COOH + O2 2CO2 + 2H2O

Tác nhân vi sinh vật chủ yếu trong quá trình lên men acetic là vi khuẩn acetic, được xếp vào giống Acetobacter. Chúng là những trực khuẩn tương đối lớn, không chuyển động, không có bào tử, hô hấp hiếu khí bắt buộc, nhiệt độ thích hợp là 30÷350C.

Vi khuẩn acetic và quá trình oxy hóa ethanol thành acid acetic được ứng dụng rộng rãi để sản xuất dấm ăn, nước giải khát, bánh mì đen, vitamin C,… Tuy nhiên, vi khuẩn acetic có thể nhiễm vào nhiều công đoạn trong chế biến thực phẩm, gây hư hại nhiều cho nguyên liệu và thành phẩm, đặc biệt là trong công nghiệp sản xuất rượu, bia, bánh mì, đồ hộp, …

2.5. Quá trình lên men butyric

Lên men butyric là quá trình phân giải yếm khí đường tạo thành acid butyric và một số sản phẩm phụ dưới tác dụng của VSV.

Đây là một quá trình sinh hóa phức tạp. Sản phẩm của quá trình này không chỉ là acid butyric mà còn có ethanol, aceton, acid acetic, … Các phản ứng xảy ra theo sơ đồ hình 1.8.

Tác nhân VSV chủ yếu là vi khuẩn butyric, chúng rất phổ biến trong tự nhiên như đất, nước bẩn, sữa, phomat… Chúng là trực khuẩn chuyển động, do có tiên mao xung quanh, chúng có khả năng sinh bào tử, hô hấp yếm khí bắt buộc, nhiệt độ tối ưu là 30÷400C, có khả năng lên men không chỉ đường đơn giản mà cả đường phức tạp như dextran, tinh bột. Khả năng dinh dưỡng nitơ của vi khuẩn này rất rộng, chúng có khả năng sử dụng protein, pepton, muối amôn, muối nitrat, một số còn sử dụng cả nitơ phân tử. Một số loài thường gặp: Clostridium saccharobutyricum, Clostridium pasteurianum, Clostridium butyricum.

Ứng dụng của quá trình lên men butyric: lên men butyric được ứng dụng chủ yếu

trong sản xuất acid butyric. Ngoài ra quá trình lên men butyric còn tạo thành một lượng nhỏ các chất như: acid acetic, acid caprolic, acid caprilic, ethanol … Lên men butyric là quá trình không mong muốn, là nguyên nhân gây nên mùi vị khó chịu trong các sản phẩm sữa chua và hiện tượng phồng của phomat.

2H2

C6H12O6 2CH3COCOOH + 4H

Glucose Acid p yruvic

2CO2

2CH3CHO

Acetaldehyde

Cacboligase

CH3CHOHCH2CHO

Acetaldola

CH3CH2CH2COOH

Acid butyric

Hình 1.8. Cơ chế phản ứng của quá trình lên men glucose thành acid butyric

3. CÁC LOẠI THỰC PHẨM LÊN MEN

Ở nước ta có các nhóm thực phẩm lên men phổ biến là:

- Thực phẩm lên men từ đậu nành và ngũ cốc: nước chấm, tương, chao, bánh mỳ,…

- Thực phẩm lên men từ rau, quả: chủ yếu là rau, quả muối chua

- Thực phẩm lên men từ thịt, cá: nước mắm, nem chua,…

- Thực phẩm lên men từ sữa: sữa chua yoghurt, kefir, phomat,…

- Thực phẩm thức uống lên men: ethanol, bia, rượu vang, …

- Một số thực phẩm lên men khác: mì chính, dấm ăn, …

4. LỢI ÍCH CỦA THỰC PHẨM LÊN MEN

4.1. Tăng thời gian bảo quản, sử dụng thực phẩm

Lên men có thể kéo dài thời gian bảo quản thực phẩm, chẳng hạn như rau quả muối có thể sử dụng trong vòng 1÷2 tháng, trong khi rau tươi sẽ hư hỏng sau 3÷5 ngày. Tương, chao, mắm là những thực phẩm lên men có thể để tới hàng năm.

Lên men là một phương pháp bảo quản thực phẩm hiệu quả và rẻ tiền vì không đòi hỏi trang thiết bị phức tạp, công nghệ dễ áp dụng. Chính vì vậy, kỹ thuật lên men đã được sử dụng từ rất lâu đời. Có nhiều chứng cứ xác thực cho thấy nước uống lên men đã được sản xuất cách đây 7000 năm tại Babylon (bây giờ là Iraq), bánh mỳ đã được sử dụng ở Ai Cập cách đây 3500 năm và sữa lên men đã được sử dụng ở Babylon.

4.2. Tạo ra sự đa dạng thực phẩm

Nhờ công nghệ lên men, người ta tạo ra được những thực phẩm khác nhau như rượu được chế biến từ trái cây, ngũ cốc, rỉ đường; nước mắm được chế biến từ cá; tương, chao được chế biến từ đậu nành. Các thực phẩm lên men được chế biến từ