Giáo trình Vi sinh vật học: Phần 2

Chia sẻ: Túcc Vânn | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:100

Thêm vào BST

Báo xấu

13
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nối tiếp nội dung phần 1, phần 2 giáo trình Vi sinh vật học cung cấp cho người đọc các nội dung: Các quá trình lên men ở vi sinh vật, đại cương về truyền nhiễm và miễn dịch, vi khuẩn quang hợp và cố định nitơ phân tử, công nghệ vi sinh trong xử lý ô nhiễm môi trường. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Vi sinh vật học: Phần 2

Chuong 5 CÁC QUÁ TRÌNH LÊN MEN Ở VI SINH VẬT Chương "Các quá trình lên men ở vi sinh vật" ưình bày các vấn đề sau: 1) Các kiểu hô hấp ở vi sinh vật: i/ hô hấp hiếu khí là quá trình hô hấp khi chất nhận electron cuối cùng là oxi phân tử; ii/ hô hấp kị khí là quá trình hô hấp khi chất nhận electron cuối cùng là chất vô cơ khác oxi, iii/ Lên men là quá trình phân giải các chất hữu cơ khi chất nhận electron là chất hữu cơ. 2) Con đường phân giải và tổng hợp gluxit: 1/ Con đường phân giải trước piruvat gồm con đường EMP, HMP và ED; 2 / Sự chuyễn hóa sau piruvat: Đối với hô hấp hiếu khí (acid pyruvic tiếp tục phân hủy qua chu trình krebs, còn NADH2 thực hiện chuỗi hô hấp để tạo ra H2 O và giải phóng ATP); Đối với lên men (acid pyruvic sẽ là chất nhận điện tử để tạo thành acid lactic hoặc rượu ethanol); 3 / Sự tổng họp cacbohydrate liên quan đến tổng họp glycogen, tổng họp levan và dextran. 3) Trình bày về sự trao đổi protein: i) Phân giải protein (lên men thối): Quá trình được thực hiện do hệ các enzyme ngoại bào như protease, peptidase đế phân giải protein, chuỗi peptíde ngắn và các acid amin; các acid amin tạo thành một phần được dùng đế tổng họp protein, một phần khác phân giải theo con đường đặc thù đế giải phóng N H 3, CO2 và các sản phẩm trung gian, ii) Quá trinh tổng họp protein được thực hiện trong cơ thể vi sinh vật do gen điều khiển. 4) Giới thiệu khái quát về quá trình lên men rượu và lên men lactic: gồm định nghĩa, tác nhân lên men, cơ chế lên men và ứng dụng của len men rượu và lên men lactic trong cuộc sống. 1. CÁC KIÊU HÔ HÁP Ở VI SINH VẬT Hô hấp hiếu khí là quá trình hô hấp khi chất nhận electron cuối cùng là oxi phân tử; Vi sinh vật thuộc dạng này gọi là vi sinh vật hiếu khí. Khi chất nhận electron cuối cùng là một cơ chất khác không phải là oxi phân tử, thỉ người ta gọi là quá trinh lên men hoặc có thể là quá trình hô hấp kị khí và vi sinh vật thực hiện các quá trinh này gọi là các cơ thể kị khí.
Trong số các cơ thể kị khí, chất nhận electron có thể là chất hữu cơ hoặc chất vò cơ. Nếu chất nhận electron là chất hữu cơ người ta gọi là lên men, nếu chất nhận electron là chất vô cơ người ta gọi là hô hấp kị khí. Hô hấp của một cơ thể hiếu khí là một quá trình vận chuyển electron và proton qua màng với oxi phân tử làm chất nhận electron cuối cùng, còn hô hấp kị khí dùng để chỉ một quá trình vận chuyển qua màng của các electron và proton đến chất nhận electron cuối cùng là một chất khác oxi phân tử, như nitrate trong trường hợp hô hấp nitrate, fumarate như hô hấp fumarate. Hô hấp được đặc trưng trước hết là nơi khu trú của chuỗi vận chuyển electron ờ màng tế bào chất đối với các cơ thể nhân sơ và ở màng trong của ti thể đối với các cơ thể nhân thực. Hô hấp còn đặc trưng ở bản chất của chất nhận electron cuối cùng là oxi phân tử. Sự oxi hóa cơ chất và đồng thời sự khử của oxi được thực hiện nhờ một chuỗi phản ứng enzyme, trong đó có sự tham gia của enzyme dehydrogenase và các coenzyme liên kết với nó. Cơ chế thường thấy ở hô hấp là con đường của các xitocrom gián tiếp. Ngày nay, người ta hoàn toàn biết rõ thành phần và cơ chế hoạt động của các xitocrom này trong tế bào nhân thực và trong một số cơ thể nhân sơ. Bên cạnh quá trình phosphoryl oxi hoá cơ chất, còn tồn tại những con đường khác, đặc biệt là con đường oxi hoá trực tiếp nhờ các enzyme vận chuyển các electron từ cơ chất đến oxi phân tử để tạo thành H 2 O2 theo phương trình. fa d h 2 + o 2 F— fa d + h 2o 2 Hợp chất H 2 O 2 rất độc và cần được phân giải nhờ catalase, peroxidase hoặc superoxide dismutase tránh cho tế bào khỏi bị chết, quá trinh phân giải diễn ra theo phương trình sau: h 2o 2 . calalase ► HịO + 1 2 o 2 H;C>2 + 2H* + 2e' 2H ịO Những con đường này tạo rất ít hoặc không tạo năng lượng hữu ích. Một vi khuẩn không có enzyme trẽn, nhưng con đường phân giải trên buộc chúng phải sống kị khí bắt buộc, bời vì oxi phân tử là tác nhân gây độc với chúng. Có
một số vi khuẩn chịu được hiếu khí như vi khuẩn Streptococcus, chúng không có catalase, nhưng có các enzyme ílavin (NAD-oxidase và NAD-peroxidase) cho phép chúng thực hiện sự cân bằng trong hô hấp ờ màng tế bào chất. Tùy thuộc vào số lượng và lượng các enzyme có thể phân giải H 2 O2 mà quyết định tính hiếu khí hay kị khí ở các vi khuẩn. Lên men để chi sự có mặt của chuồi vận chuyển electron nằm trong tế bào chất, không có sự tự động đi qua của dòng electron hoặc proton ờ phần bên này và phần bên kia của màng tế bào (một dòng vận chuyển thứ cấp được thiết lập nếu cần thiết, nhờ năng lượng của ATP). v ề phương diện trao đổi năng lượng, đây cũng là một quá trình oxi hóa khử, nhưng chất nhận electron cuối cùng là các hợp chất hữu cơ, chứ không phải là các phân tử oxi. Quả trinh này cũng giải phóng năng lượng nhưng ít hơn nhiều so với quá trình hò hấp. 2. CÁC CON ĐƯỜNG PHÂN GIẢI GLUXIT Ờ VI SINH VẶT 2.1. Con đường phân giải trước pyruvat Ờ vi sinh vật có ba con đường phân giải glucose khác nhau là: Con đường Fructose-l, 6 -bisphotphat (còn gọi là con đường glycosyl, con đường EMP), con đường Pentose-photphate (còn gọi là hexomonophotphate; ký hiệu là HMP, là con đường oxi hóa trực tiếp glucose tạo ra NADH và các pentose) và con đường 2-xeto-6-photpho-gluconate (còn gọi là con đường Entner- Doudoroíĩ). 2.1.1. Con đường phân giải EM P Đường phân là quá trinh chuyển hóa vật chất và năng lượng diễn ra trong tế bào để biến đổi từ một phân tử glucose (CeHnOí) thành hai phân tử acid pyruvic (CH3COCOOH) và hai coenzyme NADH + H7. Trong quá trình đuờng phân, phân tử glucose tự do không bị phân huỷ mà phân từ glucose đã được hoạt hóa thông qua việc gắn gốc photpho vào thành dạng đường phosphate đã được hoạt hỏa (Hình 16). Kết quả của đường phân có thể tóm tắt theo phương trình: CéH^Oé + 2NAD' + 2ADP + 2H3PO4 -> 2 CH 3 COCOOH + 2NADH+ÍT + 2ATP
Đường phân là một quá trinh chuyển hóa vật chất không phụ thuộc vào nguồn oxi, tức là chúng có thể xảy ra dù môi trường có oxi hay không có oxi. Quá trình này là con đường phổ biến nhất và chung cho cả hô hấp hiếu khí, hô hấp kị khí hay lên men. Chúng phần lớn xảy ra ở tế bào chất của tế bào. Quá trinh biến đổi này được các nhà khoa học Embden, Meyerhof và Pamas tìm ra nên được gọi là con đường phân giải EMP. Quá trình đường phân có thể chia thành hai giai đoạn chính là: (1) Giai đoạn "đầu tư" năng lượng: hai phân từ ATP sẽ bị phân hủy thành ADP (adenosine diphosphate) và Pi (nhóm phosphate PO 4 3' vô cơ). (2) Giai đoạn "thu hồi" năng lượng: bốn phân tử ATP được sinh ra từ ADP và p, từ môi trường. 2.1.2. Con đường phân giải HMP Con đường phân giải HMP bắt đầu với việc oxi hóa glucose- 6 P thành 6 P gluconat, sau đó 6 P gluconat được oxi hóa thành ribulose-5P, CO 2 và NADPH. Ribulose-5P được chuyển hóa thành các pentose khác như xilulose, ribose. Con đường HMP có một số chức năng sau: (1) NADPH tạo thành đóng vai trò như chất cho electron để khử các phân tử trong quá trinh sinh tổng hợp. (2) Con đường này tổng hợp các phân tử đường bốn cacbon và đường năm cacbon cho nhiều mục đích khác nhau. Đường bốn cacbon erithrose 4P được sử dụng để tổng hợp các acid amin thơm và vitamin B 6 . Ribose-5P là thành phần quan trọng của acid nucleic; ribulose-5P là chất nhận CO 2 chính trong quá trình quang hợp. (3) Các chất trung gian ờ con đường HMP có thể được dùng để tạo ATP. 2.1.3. Con đường Entner-Doudoroff Ở con đường này, thay bằng việc bị oxi hóa, 6 P-gluconat bị thủy phân tạo thành 2-xeto-3-deoxi-6P-gluconat (KDPG) - chất trung gian đóng vai trò then chốt trong con đường này. KDPG bị xúc tác bời KDPG aldolase để chuyển thành acid piruvic và glyceraldehit-3P. Glyceraldehit-3P bị chuyển thành acid piruvic tương tự giai đoạn 3 của đường phân. Bằng con đường này, từ 1 phân tử glucose sẽ thu được 1ATP, 1 NADPH+H" và 1 NADH+H".
Con đường Entner-Doudoroff được tìm thấy ờ vi khuẩn Pseudomonas, Rhìzobium, Aioiobacter, Agrobacterium và một số vi khuẩn gram âm. G lucose Ị Glucose 6P (2 ) ị Fnjcioíe -6P ATP A.DP Fracto»e 1.6 diP (6 ) Ị n * 'N A D H 2A , S PG 'ADP A .P G : a ,p g (9)[ 2ÃPEP. 2 AEP (11) i Ị I X Pynnic I Hình 16. Sơ đồ đườiigphân trong hô hấp hiếu khí (EMP') PDA: dihydroxyl aceton photphate; ALPG: glyceraldehyde 3 photphate; A1.3PG: l,3di P-glyceric; A3PG: 3P-glyceric; A2PG: 2P-glyceric; APEP: P-enol piruvic. 2.2. Sự chuyển hóa sau piruvat Trong hô hấp hiếu khí: Acid pyruvic tiếp tục bị oxi hóa hoàn toàn đến CO 2 , H 2 O và giải phóng toàn bộ năng lượng còn lại qua chu trình Krebs. Hai phân tử NADH 2 thực hiện chuỗi hô hấp để tạo ra H 2 0 . Phản ứng này kèm theo việc tổng hợp được 6 ATP qua quá trình phosphoryl hóa.
2NAD+H' + 0 2 — 2NATT + 2H20 Kết quà của đường phân trong hô hấp hiếu khí là: C6 H 1206 + 0 2 — 2 CH 3 COCOOH + 2 H A đồng thời tạo 8 ATP. Kết quả của hô hấp hiếu khí là: C6H ,20 6 + 6O2 — 6CO2 + 6HjO + 36 ATP. Trong hô hấp kị khí: Acid pyruvic được tạo thành sẽ không bị oxi hóa hoàn toàn qua chu trinh Krebs, thay vào đó acid pyruvic sẽ được các nhóm vi sinh vật thực hiện các quá trinh lên men khác nhau. Hai phân tử NADH 2 sẽ được dùng để khử CH 3 COCOOH (trong lẽn men lactic) hay khử CH 3 CHO (trong lên men rượu) nên không thực hiện chuỗi hô hấp. Phương trình lên men lactic như sau: 2 CH 3 COCOOH + 2 NADH 2 — 2 CH 3 CHOHCOOH + 2NAD+. Kết quả của đường phân trong hô hấp kị khí tạo ra 2 acid piruvic, 2ATP 3. S ự TỎNG HỢP CACBOHYDRAT Vi sinh vật có khả năng tổng hợp các oligo và polysaccharide. Lượng oligo và polysaccharide nội bào đạt tới 60% khối lượng khô của tế bào, còn polysaccharide ngoại bào có thể vượt nhiều lần khối lượng của vi sinh vật. Thành tế bào cũng chứa một lượng lớn polysaccharide. Tất cả các oligo và polysaccharide được tổng hợp bằng cách kéo dài chuỗi saccharide có trước nhờ việc thêm đơn vị monosaccharide (X). Các monosaccharide này tham gia vào phản ứng ờ dạng nucleotit - m onosaccharide được hoạt hóa, thường là dẫn xuất cùa uridine - diphosphate (UDP.X) nhung đôi khi cùng với các nucleotit purine và pirimidine khác. Sự tổng hợp diễn ra theo phản ứng chung như sau: X X X x .x .x + UDP - X = . X X X x x x x + UDP (n - nhánh) (n + 1 - nhánh) Trong trường hợp polysaccharide bao gồm hai loại monosaccharide liên tiếp (X và Y) phản ứng chung xảy ra qua hai bước: Bước 1: X Y X.Y.X.Y + UDP - X = ... X Y.X Y.X Y X. + UDP Bước 2: ...X.Y.X.Y.X.Y X + UDP - Y = ... X.Y X Y X Y X Y + UDP
Con đường tổng hợp polysaccharide phân nhánh ít được biết đến. Trong dịch chiết tế bào của một số loài nấm sợi có chứa chitin synthase xúc tác phản ứng chuyển các nhánh N-acetyl glucosamine từ UDP-acetyl glucosamine đển phân tử nhận. Quá trình tổng hợp mannan của thành tế bào nấm men cũng bao gồm việc chuyển các nhánh mannose từ GDP-mannose đến chất nhận. Quá trình tổng hợp tinh bột ở tảo Chìorella và glycogen ờ vi khuẩn Arthrobacter có sự tham gia của ADP-glucose. Tổng hợp glycogen: Khi có điều kiện ngoại cảnh hạn chế sự phát triển của vi khuẩn thi chúng có thể tích lũy glycogen nhờ hệ enzyme trùng hợp các glucose. Glycogen tích lũy dưới dạng các hạt trong chất nguyên sinh mà chúng ta có thể phát hiện bằng cách nhuộm màu với iode (Hình 17). atp adp Hình 17. Sơ đồ tống hợp gìycogen Tổng họp levan và dextran: Các levan (poly-2,6-fructose) và các dextran (poly-l, 6 -glucose) với sự phân nhánh -1,3 hoặc -1,4 được tổng hợp từ saccarose theo phản ứng sau:n saccarose —> n glucose + (fructose)n n saccarose —» (glucose)n + n ửuctose Sự hình thành những hợp chất này là nguyên nhân của hiện tượng nhầy nhớt khi nuôi cấy một số loài vi khuẩn trên môi trường giàu saccarose. Các hợp chất polysaccharide cùng với hợp chất nitơ sẽ tạo nên glycopeptide của thành tế bào.
4. SỤ TRAO ĐÓI PROTEIN 4.1. Sự phân giải protein (lên men thối) Khi phân giải protein, vi sinh vật phải tiết ra các protease ngoại bào để thủy phân protein thành các polypeptide và olygopeptide. Các sản phẩm này hoặc tiếp tực được thủy phân thành các acid amin dưới tác dụng của peptidase ngoại bào và hấp thụ vào cơ thể, hoặc các sản phẩm này được hấp thụ vào trong tế bào và thủy phần thành các acid amin. Một phần acid amin được vi sinh vật sử dụng trong quá trình tổng hợp protein, phần khác được phân giải theo các con đường đặc thù để giải phóng NH 3 , CƠ 2 và sinh ra các sản phẩm trung gian khác. Trong cơ thể vi sinh vật, các acid amin thường được chuyển hóa nhờ quá trình khử amin, quá trình khử cacboxyl hoặc đồng thời vừa khử amin vừa khử cacboxyl. Khi phân giải các acid amin tùy theo từng loại phản ứng sẽ tạo các sản phẩm trung gian, đây là tiền chất cho các phản ứng sinh tổng hợp hoặc cần thiết cho một số quá trinh trao đổi chất, như sự tạo thành acid íìimaric từ acid aspactic theo phương trinh: HOOC-CH 2 -CH-(NH2)-COOH — HOOC-CH=CH-COOH + NH 3 Hay sự tạo a-ketoglutaric từ acid glutamic, acid acetic từ glycine, acid succinic từ aspactic. Quá trình khử amin thủy phân có sự liên kết với các ion H+ và OH' như sự tạo acid lactic từ alanine: CH 3 -CH(NH2)-COOH + h 20 — CH 3 -CHOH-COOH + n h 3. Nhiều loại amin do vi khuẩn sản sinh ra trong cơ thể người và động vật có tính độc, như sự tích lũy histamine có thể gây chứng co giật mạch máu, các hợp chất diamine như acmatine, putrecine gặp nhiều trong thịt cá ôi thiu đều có tính độc. Một số vi khuẩn có khả năng chuyển hóa tryptophan thành 2 chất có mùi hôi là indol và skatol. Trong quá trình phân giải các acid amin chứa lưu huỳnh (methionine, cysteine, cystine) sẽ tạo ra H 3 S làm cho phản hoặc thịt cá có mùi hôi.
NH; H O O C -C H -(N H 2 )-C H : -SH + 2 H ; 0 -» H 2S + N H 3 + C H 3 C O O H + H C O O H cvsteine Ngoài khả năng phân giải protein, vi sinh vật còn có khả năng phân giải một số chất đạm khác như urê, acid uric. Sự phân giải các chất này cùng tạo ra các sản phẩm trung gian như acid formic, acid acetic, CO 2 , N H 3 ..., các chất này có thề tham gia trực tiếp vào quá trinh trao đổi chất và trao đổi năng lượng của tế bào. Urê là chất hữu cơ chủ yếu trong nước tiểu của người và động vật. Urê được vi sinh vật phân giải thành NH 3 cung cấp nguồn nitơ cho thực vật. Nhiều vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm sợi sống trong đất có khả năng phân giải urê mạnh (như vi khuẩn Planosarcina urea, Micrococcus urea, Bacillus pasteurii, Proteus vulgaris). Quá trình phân giải urê với sự xúc tác của urease theo phương trình: H 2 N-CO-NH 2 + H20 — (NH 4 )2 C 0 3 — 2 NH 3 + C 0 2 + H20 NH 3 sinh ra do sự phân giải hợp chất hữu cơ thường được oxi hóa thành NO2’ và tiếp tục oxi hóa đến NO3’ . Phân đạm ((NH4)2SƠ4 hoặc NH4CI) sau khi bón ruộng cũng nhanh chóng chuyển thành NO 3 ". Quá trình chuyển hoá này gọi là quá trình nitrate hóa. Quá trình nitrate hóa gồm 2 giai đoạn như sau: Giai đoạn 1: Quá trình nỉtrite hóa Giai đoạn nitrite hóa được biểu thị bằng phương trinh phản ứng sau: 2 NH 3 + 3 Ơ 2 —* 2 HNO 2 + 2 H 2 O + Q (năng lượng) Năng lượng sinh ra trong phản ứng nitrite được vi khuẩn nitrite sử dụng để đồng hóa CO 2 của không khí. Quá trình này trải qua nhiều phản ứng trung gian và tạo nhiều sản phẩm trung gian, trong đó sản phẩm trung gian quan trọng nhất là hydroxylamine (NH2 OH). Enzyme xúc tác cho việc chuyển hydro là các enzyme của quá trình hô hấp hiếu khí. Vi khuẩn nitrite là nhóm tự dưỡng bắt buộc với các chi đại diện là Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira và Nitrosocystis. Giai đoạn 2: Quá trình nitrate hóa Giai đoạn nitrate hóa được biểu thị bằng phương trình sau:
N 0 2' + O 2 —* NO 3 ' + Q (năng lượng) Nãng lượng sinh ra trong phản ứng oxi hoá NO 2 ' được sử dụng để đồng hóa CO 2 trong không khí. Vi khuẩn nitrate hóa điển hình là các loài thuộc giống Niữobacter. Đây là những tế bào hình bầu dục, kích thước khoảng 0 , 8 - 1 , 0 |im, thuộc nhóm gram âm, không tạo bào tử, khuẩn lạc nhỏ bé và trong suốt. Ngoài ra, còn có một số giống vi khuẩn khác thuộc Niữococcus, Nitrospira. 4.2. Sự tổng họp protein Quá trình tổng hợp protein được thực hiện theo ba buớc: (1) Sự nhân đôi ADN tạo ra hai phân tử ADN giống nhau và giống với ADN “mẹ”. (2) Quá trinh sao mã theo đó thông tin di truyền từ ADN được sao sang mARN, sau đó được chuyển đến ribosom. (3) Quá trình dịch mã cho phép chuyển dịch thông tin di truyền thành các acid amin cấu trúc nên protein. Hầu hết các vi sinh vật có khả năng tổng hợp 20 loại acid amin. Nguyên liệu dùng cho quá trình tổng hợp acid amin là những sản phẩm trung gian như pyruvate, a-ketoglutarate, oxaloacetate, íumarate. Trong phần lớn trường hợp, nhóm amin được đưa vào giai đoạn cuối cùng của sinh tổng hợp nhờ sự chuyển amin, một số acid amin được hình thành nhờ hàng loạt biến đổi của các acid amin khác, trong trường hợp đó không cần sự chuyển amin. Nhiều loại L-acid amin đã được sinh tổng hợp bằng con đường lèn men nhờ vi sinh vật nhu lysine, glutamic, alanine, glycine. Nhiều acid amin “tự nhiên” là sản phẩm của công nghệ sinh học bằng cách thủy phân protein, tổng hợp hóa học hoặc sinh tổng hợp nhờ vi sinh vật. Trong nhiều trường hợp người ta phối hợp giữa tổng hợp hóa học và sinh tổng hợp, phương pháp này có nhiều ưu điểm là cho các dạng L - acid amin là dạng thường gặp trong cơ thể. 5. LÊN MEN RƯỢU 5.1. Định nghĩa và tác nhân lên men rirợu Dưới tác dụng của một số loài vi sinh vật trong điều kiện yếm khí, đường glucose được chuyển hóa thành rượu etylic và CO 2 , đồng thời giải phóng năng lượng. Quá trinh này gọi là quá trinh lên men rượu etylic hay là quá trình lên men rượu.
Trong phản ứng lên men, đường glucose được phân cắt thành các hợp chất có mạch cacbon đơn giản. Lên men rượu là quá trinh sinh học đã được con người sử dụng từ thời xưa nhưng bản chất hóa học của nó đến nay mới được làm sáng tỏ. Nấm men Saccharomyces là tác nhân chính trong lên men rượu, cơ thể nấm men thuộc nhóm hô hấp hiếu khí, khi không có Ơ2 chúng sẽ lên men hidrat cacbon thành ethanol và CO 2 . Te bào nấm men rượu có hình ôvan, kích thước khoảng 3-10x5-12nm, sinh sản bằng hình thức nảy chồi có khả năng hình thành bào tử trong điều kiện nhất định, thường từ 1-4 bào tử, sống kị khí không bẳt buộc. Chúng có khả năng phân giải kị khí các loại đường khác nhau, có thể sử dụng nhiều nguồn nitơ vô cơ và hữu cơ, nhưng không có khả năng đồng hóa nitrate. Để sản xuất rượu ở qui môcông nghiệp, người ta cần tuyển chọn chùng nấm men Saccharomyces theo nhưng tiêu chuẩn sau: Đặc điểm tốt Đặc điểm không tốt Đặc điểm lưu ý khác - Tạo được nhiều rượu - Sản sinh H 2 S - Chống chịu với SO 2 - Chịu được nồng độ rượu - Hình thành acid bay - Các yếu tố hủy diệt cao hơi - Phân giải acid m alic - Hình thành các ester - Sản sinh CO 2 - Sản xuất glycerol - Tạo bọt - Thích nghi vói nhiệt độ - Sinh quá nhiều rượu (quá thấp hoặc quá cao) bậc cao - ít đòi hòi các yếu tố sinh - Hình thành các hợp dưỡng chất kết hợp với H 2 S Một số loài nấm men được sử dụng trong lẽn men rượu gồm: * Nấm men Saccharomyces cerevisiae: Còn gọi là nấm men bánh mỳ, nấm men bia. Chúng có thể lên men tới 95% đường glucose theo con đường đường phân kị khí, khi hiếu khí cũng bằng con đường này chúng sử dụng được 70% glucose. Hoạt tính lẽn men cực đại ờ pH 4,5-5,0. Nấm men nổi làm bánh
mì có khả năng lên men nhanh, nấm men chìm lên men chậm hơn nhưng không tạo bọt khí. Nấm men s. cerevisiae có khả năng sử dụng nhiều loại đường glucose, galactose, maltose, saccarose nhưng không đồng hóa trục tiếp được đường lactose và không đồng hóa được nitrate. Chúng có thể tích lũy trong môi trường lên men từ 6 - 1 2 % rượu và nấm men s. cerevisiae thường dùng để sản xuất bia đen. * Nấm men Saccharomyces ellippsoides: Nấm này đâm chồi liên tục nên hình thành hệ sợi giả, nấm men của rượu vang nho được coi là một loài gần với nấm men s. cerevisiae, chúng có khả năng hình thành đến 17-18% rượu. * Nấm men Saccharomyces uvarum: Loài nấm này thường được dùng để sản xuất bia vàng. Chúng lên men được 81% đường của dịch quả và tạo thành sinh khối ở đáy bình. 5.2. Cơ chế lên men ruọn Trong lên men rượu, đầu tiên acid piruvic được tạo thành theo con đường EMP bị cacboxyl hóa tạo thành acetaldehyde và CƠ 2 nhờ xúc tác của piruvat decacboxylase. Pyruvat decarboxylase (1) u 000 H -------------------- -----------------CH3CH0 + CO; 0 Sau đó, acetaldehyde bị khử thành rượu ethanol dưới tác dụng xúc tác của alcohol dehydrogenase của nấm men , A lcolholđehydrogenase ( 2) C H 3 C H 0 + N A D H +H -------------------— — --------------► C H 3 C H 2 O H + N A D ở đây NADH 2 tạo thành trong phản ứng oxi hóa glyceraldehyde 3P của quá trình đường phân đóng vai trò chất cho hydro, còn acetaldehyde là chất nhận hydro. Ở điều kiện pH từ 4,0-5,0, quá trình lên men rượu được chia làm hai thời ki là thời ki cảm ứng và thời ki tĩnh. Thời kì cảm ứng: Trong thời kì này, lượng acetaldehyde tạo thành theo phản ứng ( 1 ) còn ít, khi đó hydro 3P tạo thành được chuyển từ NADH 2 tới acetaỉdehyde glycerin 3P. Chất này bị khử gốc p nhờ enzyme phosphatase tạo
thành glycerol. Do đó, ở thời ki này glycerol là sản phẩm phụ của quá trinh lẻn men rượu trong môi trường acid NADH; ẻHO
5.3.2. Sản xuất ruọu vang Rượu vang là một loại thức uống có cồn được lên men từ nho hoặc nước quả nho. Rượu vang còn có thể được làm từ một số loại nước quả khác. Rượu vang đã được uống từ thời Hy Lạp cổ điển trong các bữa ăn sàng và tiệc rượu ban đêm. Trên thế giới có hàng trăm loại rượu vang khác nhau, mỗi loại được đặc trưng bời một phương thức sản xuất riêng tùy vào đặc điểm của rượu và tính chất của công nghệ. Quả hái về được rửa sạch ép lấy nước hoặc nghiền nhỏ rồi cho vào thùng để chuẩn bị dịch lên men. Cũng có trường hợp người ta không ép hoặc nghiền mà cho quả vào ngâm với đường theo tỷ lệ khối lượng 1 :1 để trích ly thành dạng siro và bảo quàn để lên men sử dụng dần sau này. Trong thực tế có hai cách chế biến rượu vang phổ biến nhất là cách chế biến rượu vang trắng và cách chế biến 1-ượu vang đỏ.
Rirọn vang đỏ: Là loại rượu vang có được khi thực hiện lên men nước quả nho lẫn với xác quả. Trong vỏ quả có chứa nhiều chất màu, tanin, chất thơm. Những chất này phân hủy trong quá trình lên men làm tăng lượng chất hòa tan và tạo hương thơm, màu sắc đẹp cho rượu. Lên men cả xác quả thường tiến hành ờ nhiệt độ cao hơn nhằm trích ly triệt để các chất màu, chất thơm và tanin. Khi kết thúc lên men cần tách xác quả ra khõi rượu. Trong sản xuất lớn, trước hết người ta cho rượu chảy qua một tấm lưới để giữ xác quả lại. Rượu thu được lúc này có chất lượng cao nhất gọi là rượu vang giọt, vang chảy. Khi rượu ngừng chảy, xác quả trẽn lưới được ép trên máy ép để thu rượu vang ép. Rượu vang ép chiếm tỷ lệ khoảng 15% tổng số rượu chế được và có thề đem trộn với rượu vang chảy. Rượu vang đỏ có hàm lượng tanin nhiều hơn rượu vang trắng nên có vị chát. Do đó, sau khi lên men rượu cần tiến hành lên men malolactic nhằm chuyển hóa acid malic thành acid lactic tạo cho rượu có vị chua dịu cân đối với vị chát của tanin. Có thể sử dụng vi khuẩn lactic hoặc một lượng nhỏ nấm men Schizosaccharomyces để có khả năng lên men malolactic triệt để. Rượu vang trắng: Là loại rượu vang được lên men từ quả đã được tách bã nên không có màu. Hương vị của rượu vang trắng chủ yếu do nước quả. Rượu vang trắng thường được lên men ở nhiệt độ thấp hơn rượu vang đỏ (khoảng 15-20°C) để giữ hương vị cho rượu. Thời gian lên men từ 6-7 ngày hoặc lâu hơn tùy theo nhiệt độ và yêu cầu công nghệ. Kết thúc quá trình lên men khi nhận thấy rượu không còn sủi bọt lên nữa, cặn và xác men lắng xuống đáy thùng. Khi đó tiến hành gạn cặn, rượu trẻ được chuyển sang thùng mới, tiếp tục lắng trong rồi đưa đi tàng trữ. 5.3.3. Sản xuất bia Bia là một loại nước giải khát lên men rất bổ dưỡng, không qua chưng cất. Bia có độ rượu nhẹ (chiếm từ 2-9%), có gas (hàm lượng CƠ 2 khoảng 3-4 g/1), có bọt mịn xốp, có vị thơm ngon rất đặc trưng. Ngoài ra, bia còn chứa một số chất bổ dưỡng như chất đạm (bao gồm protein, peptide và acid amin), gluxit (gồm 70% là dextrin, pentosan-sản phẩm caramen hóa), vitamin (chủ yếu thuộc nhóm B như Bi, B2); ngoài ra bia còn chứa một lượng lớn các enzyme khác nhau. Đặc biệt lượng CO 2 hòa tan trong bia có tác dụng làm giảm nhanh cơn
khát cho người uống bia, giúp tiêu hóa nhanh thức ăn và ăn uống ngon miệng, giảm mệt mòi, tăng sự tỉnh táo cho người uống bia. Quá trình sản xuất bia gồm 2 giai đoạn: (1) Giai đoạn nấu malt để biến tinh bột thành đường; ( 2 ) giai đoạn lẻn men, nhào trộn, ủ chín. Sơ đồ qui trìn h sàn x uất bia n hư sau: Nguyên liệu gồm malt, hoa houblon, nước (70% malt + 30% gạo) tiến hành đường hóa (nồng độ đường đạt 10%, thanh trùng ờ 1 15°c, trong 30 phút) sau đó lên men chính (cấy nấm men) và lên men phụ, ủ chín bia cuối cùng thu được thành phẩm. 5.3.4. Nấm men rirợu làm nỏ' bột mì Nấm men làm nở bột mì gọi là men bánh mì. Từ cổ xưa, con người đã biết sàn xuất men bánh mi, nhưng chi dựa vào quá trình lên men tự nhiên. Hiện nay nhiều nước trên thế giới đã chủ động sản xuất men ép để làm nờ bột mì. Ờ Việt Nam, một số chủng nấm men bánh mì đã được tuyển chọn cho năng suất sinh khối cao, thích hợp để sản xuất trên môi trường ri đường mía. Men bánh mì thực chất là sinh khối tế bào nấm men được nuôi trong môi trường giàu đường có bổ sung photpho và ammonium như DAP (diammonium phosphat), urê. Tế bào nấm men có vai trò trong sản xuất men bánh mi làm nở bột mi nhão do lên men ruợu sinh ra khí CO 2 ; bọt khí làm xốp bánh; góp phần tạo hương. Men bánh mì được bán ra ờ dạng đông khô, hay dạng tươi được ép thành bánh. Nấm men sử dụng sản xuất men bánh mỉ thuộc loài s. cerevisiae. Trong công nghiệp tuyển chọn chủng nấm men phải đảm bảo các đặc tính sau: Có khả năng làm nờ bột tốt, làm khối bột nhào nhẹ và xốp, dễ hòa với nước và có đặc tính sinh hóa ổn định và độ bền vững tốt (khó bị tự phân). Bền nhiệt, có thề kéo dài hoạt tính enzyme ở nhiệt độ cao. Có khả năng lên men các nguồn đường glucose, íructose, maltose và saccarose. Khả năng sinh sản nhanh, cho năng suất cao ừong quá trình lên men, dễ tách sinh khối và dễ bẻ gãy sau khi ép. 6. LÊN MEN LACTIC 6.1. Định nghĩa và tác nhân lên men lactic Lên men lactic là quá trình chuyển hóa sinh học kị khí các hợp chất đường thành acid lactic và một số sản phẩm khác.
Lên men lactic gồm 2 loại: Lên men đồng hình (là quá trinh lên men cho sàn phẩm chủ yếu là acid lactic) và lên men dị hình (là quá trình lên men ngoài acid lactic, còn có các sản phẩm khác như acid acetic, ethanol, CO 2 ). Các vi khuẩn lên men lactic rất đa dạng, gồm nhiều giống khác nhau, tế bào có hỉnh cầu như vi khuẩn Streptococcus, Lactococcus, Enlerococcus, Leuconostoc hoặc hình que như vi khuẩn LactobaciUus, chúng có đặc íiểm chung là: ( 1 ) Vi khuẩn lactic thuộc nhóm gram dương, bất động, không sinh bào tử, catalase âm, oxydase âm, nitrate reductase âm. (2) Vi khuẩn lên men lactic là những cơ thể đa khuyết dưỡng đố: với nhiều acid amin, bazơ nitơ, vitamin; không có khả năng tổng hợp nhân hem của các porphyrine, không có xitocrom. (3) Vi khuẩn lactic thuộc nhóm kị khí tùy nghi, vi hiếu khí, là loại cơ thể độc nhất có khả năng lẽn men hiếu khí cũng như kị khí. 6.2. Cơ chế lên men lactic Ở vi khuẩn lactic người ta đã tìm thấy các enzyme peptidase ngoại bảo và các peptidase của thành tế bào, đó là các exopeptidase. Các vi khuẩn lactic có peptidase nội bào làm nhiệm vụ thủy phân các peptide ờ bên trong tế bào. 6.2.1. Quá trình lẽn men lactic đồng hình Trong lên men lactic đồng hình đường được vi khuẩn lactic lên men chủ yếu thành acid lactic. Khi lên men lactic đồng hình, đường sẽ đi theo con đường EMP để biến thành acid lactic. Trong lên men lactic đồng hình, một phần tử gam lactose sử dụng cho ra 4 phân tử lactat + 5ATP (2ATP tạo thành theo sự phân giải glucose và 3ATP tạo thành theo sự phân giải galactose). Nồng độ đường lactose trong sũa khá lớn, đối với sữa bò nồng độ này là 40-50 g/1, đó là loại đường tự do chủ yếu có mặt trong sữa. Cuối pha sinh trường của vi khuẩn lactic, hàm lượng acid hctic nhiều làm pH mòi trường xuống thấp, dao động tùy loài vi khuẩn. Trong lên men, sự hình thành acid lactic trải qua nhiều giai đoạn tung gian với sự tham gia của các enzyme tương ứng. Giai đoạn đầu xảy ra quá trình
hoạt hóa hexose, với sự có mặt của acid photphoric để hình thành hexose diphotphat, sau đó diễn ra sự cắt mạch hexose để hình thành triosophotphat (dihydroxyacetone p và glyceraldehyde-3P) những hợp chất này biến thành pyruvat, và pyruvat là chất nhận hidro từ NADH 2 để biến thành acid lactic. Phương trình của quá trình lên men lactic đồng hình tư glucose là: C 6 H 1 2 0 6 -» 2 C 3 H 6 Ơ 3 + 136 kj (32,4 Kcal) 6.2.2. Q uá trìn h lên men lactic dị hình Trong lên men lactic dị hình, vi khuẩn thiểu các enzyme chủ yếu của con đuờng EMP là aldolase và triosephosphate-isomerase. Giai đoạn phân giải đường glucose đẩu tiên chi xảy ra qua con đường pentosephosphate, tức là qua glucose-6 - phosphate, 6 -phosphogluconat và ribulose-5-phosphate. Chất này nhờ một epimerase được chuyển thành xilulose-5-phosphate và nhờ phosphoketolase được phân giải trong một phản ứng phụ thuộc taminpirophosphate làm xuất hiện glyceraldehyde-3-phosphate và acetylphosphate. Các tế bào của vi khuẩn Leuconosloc mesenteroides không sinh trường và được rửa sạch đã lên men glucose thành lactate, ethanol và CO 2 với ti lệ gần tuơng đương theo phương trinh: c 6h 12o 6 — CH3-CHOH-COOH + CH3-CH2-OH + c o 2 Ờ các cơ thể này acetyl phosphate bị khử qua acetyl-CoA và acetaldehyde thành ethanol. Các vi khuẩn lên men dị hình khác chuyển một phần hoặc toàn bộ acetyl phosphate thành acetate, trong đó liên kết phosphate giàu năng lượng được chuyển sang ADP và được sử dụng dưới dạng ATP. Dihydro thừa trong trường hợp này được truyền cho đường glucose làm xuất hiện manit. Glyceraldehyde-3- phosphate được chuyển qua piruvat thành lactate. Đường ribose được vi khuẩn L. mesenteroides lên men thành lactate và acetate. 6.3. ử n g dụng lên men lactic 6.3.1. Sử dụng vi khuẩn lactic để muối chua rau, quả và ủ chua thức ăn gia súc (i) Các giai đoạn khi muối dưa, cà Muối ăn (NaCl) với nồng độ khi muối dưa từ 2,5-3,0% sẽ làm cho môi truờng ưu trương, đuờng và các chai tu tế bao rau quà một phần sẽ khuếch tán
ra môi trường, do đó vi khuẩn lactic và các loại vi sinh vật khác cũng phát triển ờ giai đoạn này. Do vi khuẩn lactic phát triển mạnh, nên pH môi trường giảm xuống từ 3,0-3,5 làm ức chế các vi khuẩn khác, chì còn vi khuẩn lactic phát triển, chúng chiếm ưu thế tuyệt đối, rau quả trờ nên chua ngon. Đây là giai đoạn quyết định đến chất lượng dưa muối, nếu không tạo được ưu thế của vi khuẩn lactic, thì các vi khuẩn khác sẽ phát triền làm rau, dưa bị khú. (ii) Nguyên nhân làm dưa, cà muối bị khú: (1) Rau quả rửa không kĩ, có nhiều tạp khuẩn; (2) Cho rau không đúng tỉ lệ muối ở nồng độ từ 2,5-3,0% (nếu muối cho vào quá 5,0-6,0% sẽ ức chế cả vi khuẩn lactic phát triển, nếu nồng độ muối dưới 3,0% thỉ nhiều tạp khuẩn sẽ phát triển lấn át); (3) Không đậy, nén kĩ, không tạo được điều kiện kị khí cho vi khuẩn lactic phát triển; (4) pH môi trường là yếu tố rất quan trọng, nếu vi khuẩn lactic chiếm ưu thế thi pH sẽ đạt từ 3,0-3,5; còn nếu không thì các vi sinh vật khác sẽ phát triển (pH từ 4,5-5,0 thích hợp cho vi khuẩn gây thối hoạt động; pH từ 1,2-3,0 thích hợp cho nấm mốc phát triển; pH từ 5,0-5,5 thích hợp cho vi khuẩn đường ruột phát triển, pH từ 2,5-3,0 thích hợp cho nấm men dại hoạt động). Khi rau quả đã chua, pH giảm xuống đến 3,0 thì vi khuẩn lactic cũng bị ức chế, nếu cứ để tự nhiên như vậy thì nấm men dại, nấm mốc sẽ bắt đầu phát triền phân giải acid lactic thành CƠ 2 và H 2 O làm cho pH môi trường tăng lên, sản phẩm bắt đầu có váng (như váng dưa, váng cà). Mòi trường giảm chua, có mùi mốc, có nhiều bọt khí. (iii) Khi muối rau, quả lên men lactic có thành phẩm đạt yêu cầu là: (1) Tạo được lượng vi khuẩn có ích át chế vi khuẩn gây thối. (2) Gây chua, tạo hương vị thơm ngon cho sản phẩm. (3) Chuyển rau, quả về dạng chín sinh học do đó hiệu suất tiêu hóa tăng. Neu muốn sản phẩm không cho quá lactic thì có thể giữ ở nhiệt độ thấp (từ 2-4°C), đồng thời bổ sung chất diệt nấm như benzoat natri 1 ,0 %; dịch chiết tỏi, gừng, giềng. Vi khuẩn lactic không phá vỡ tế bào thực vật, nên dưa quả muối chua vẫn giữ nguyên hình dạng gần như không đổi. Đe kích thích vi khuẩn lactic phát
triển nhanh, ta có thể muối dưa, quả bằng nước ấm, để vại muối ở nơi kín gió, gần bếp, thêm một chút đường, cấy giống bằng ít nước dưa chua của mé trước. (iv) ủ chua thức ăn cho gia xúc: Thực chất của việc ủ chua thức ăn cho gia súc là sử dụng vi khuẩn lactic để giữ cây cỏ dùng trong chăn nuôi được tươi sinh học, tức là không bị giảm chất lượng dinh đường, ngược lại sẽ bổ sung nhiều loại vitamin do vi khuẩn tổng hợp nên. Các loại rau, lá, thân được chất ủ thành đống hoặc đưa vào các hố. Lúc đầu các vi sinh vật có sẵn trong lá, thân, rễ hoặc chủ động cấy vào sẽ phát triển trong điều kiện hiếu khí, tạo ra môi trường kị khí cho vi khuẩn lactic phát triển. Khi vi sinh vật hiếu khí sinh trường sẽ phân cắt các loại polysaccharide và protein thành các đoạn ngắn giúp vi khuẩn lactic hấp thụ. ủ chua tốt nghĩa là tạo được pH môi trường < 4,5và lượng acid lactic chiếm 40-60%, lượng acid acetic chiếm từ 40-60% và không sinh ra hoặc rất ít acid butyric. 6.3.2. Sử dụng lên men lactic để sản xuất sữa chua Sữa chua là sản phẩm của sự lên men sữa lỏng bằng sự để chua ngẫu nhiên dưới tác động của nhiều vi khuẩn sinh acid lactic khác nhau (như vi khuẩn Streptococcus lactis hay s. cremoris), hoặc của một số lượng ít hơn nhiều các vi khuẩn gây thơm (như vi khuẩn Streptococcus diacetylacis, Betacoccus ciữovorus) hoặc bằng việc cấy vào sữa đã đun nóng các giống vi khuẩn thuần khiết. Từ nguyên liệu là sữa bò, nhờ các vi khuẩn lên men lactic, quá trình lên men diễn ra theo hướng lactic hóa môi trường đồng thời gây đông tụ protein có trong sữa, kết quả là sữa chuyển từ trạng thái lỏng sang ừạng thái keo sệt. Sản phẩm tạo thành ở trạng thái chín sinh học ưở nên có hương vị đặc biệt, hơi chua và rất thơm ngon. Khi ăn sữa chua, nem chua, tôm chua ta đồng thời sử dụng cả sinh khối vi khuẩn lactic và một lượng nhỏ vi khuẩn lactic có trong sản phẩm do vậy loại thức ăn này vừa cung cấp chất dinh dưỡng, lại vừa có tác dụng kích thích tiêu hóa và giữ cân bằng cho hệ vi khuẩn đường ruột. Sản phẩm sữa chua đạt yêu cầu phải có màu trắng ngà, hơi chua, ngọt nhẹ, có mủi thơm đặc trưng, trạng thái đông sệt và đồng nhất. Neu sản phẩm có mùi hôi hoặc bị vữa và đông vón !à bị nhiễm vi khuẩn lạ, không nên dùng.