SỰ CHUYỂN HÓA CỦA GLUCOSE TRONG NẤM MEN SACCHAROMYCES CEREVISIAE VÀ ỨNG DỤNG TRONG SẢN XUẤT RƯỢU, BIA

HCMKHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM BÀI TẬP CUỐI KỲ HỌC PHẦN HÓA SINH HỌC THỰC PHẨM SỰ CHUYỂN HÓA CỦA GLUCOSE TRONG NẤM MEN SACCHAROMYCES CEREVISIAE VÀ ỨNG DỤNG TRONG SẢN XUẤT RƯỢU, BIA SVTH: NH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HCM

KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

BÀI TẬP CUỐI KỲ HỌC PHẦN HÓA SINH HỌC THỰC PHẨM

SỰ CHUYỂN HÓA CỦA GLUCOSE TRONG NẤM

MEN SACCHAROMYCES CEREVISIAE VÀ ỨNG

DỤNG TRONG SẢN XUẤT RƯỢU, BIA

SVTH: NHÓM 08

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HCM

KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

BÀI TẬP CUỐI KỲ HỌC PHẦN HÓA SINH HỌC THỰC PHẨM

SỰ CHUYỂN HÓA CỦA GLUCOSE TRONG NẤM MEN

LỜI CAM ĐOAN

Chúng tôi cam đoan “Bài tập cuối kỳ học phần Hóa sinh học thực phẩm” này là dochính chúng tôi thực hiện

Các nội dung trình bày trong bài tập là trung thực, không sao chép Các tài liệu thamkhảo sử dụng trong bài được trích dẫn nguồn và chú thích rõ ràng

TP Hồ Chí Minh, tháng 1 năm 2022

SINH VIÊN THỰC HIỆN An

Phạm Thị Bình An

MỤC LỤC

1.1 Khái niệm 1

1.2 Tính chất của glucose 2

1.2.1 Tính chất vật lý 2

1.2.2 Tính chất hóa học 2

1.3 Vai trò của glucose đối với nấm men Saccharomyces cerevisiae 3

2 TÌM HIỂU VỀ NẤM MEN SACCHAROMYCES CEREVISIAE 5 2.1 Đặc điểm 5

2.1.1 Những ảnh hưởng yếu tố ảnh hưởng đến Saccharomyces cerevisiae 6

2.2 Nhu cầu về glucose của tế bào nấm men 6

3 SỰ CHUYỂN HÓA CỦA GLUCOSE TRONG TẾ BÀO NẤM MEN 7 3.1 Giai đoạn đường phân 7

3.1.1 Phân giải glucose thành pyruvate 7

3.1.2 Quá trình đường phân 8

3.1.3 Phân giải hiếu khí pyruvate — Chu trình Krebs 9

3.2 Hô hấp hiếu khí 10

3.2.1 Hô hấp hiếu khí xảy ra ở đâu? 11

3.3 Hô hấp kị khí 13

3.3.1 Hô hấp kỵ khí xảy ra ở môi trường nào? 14

4 ỨNG DỤNG CỦA LÊN MEN RƯỢU ( SẢN XUẤT RƯỢU, BIA) 15 4.1 Bản chất của quá trình lên men rượu 15

4.2 Sự chuyển hóa đường của quá trình lên men rượu 16

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Cấu trúc glucose 2

Hình 1 2 Phản ứng khử 2

Hình 1 3 Phản ứng thế 3

Hình 1 4 Phản ứng lên men rượu 3

Hình 1 5 Nấm men Saccharomyces cerevisiae 5

Hình 1 6 Các phản ứng chuyển hóa 9

Hình 1 7 Quá trình hô hấp hiếu khí vi sinh vật 11

Hình 1 8 Quá trình đường phân trong hô hấp ở vi sinh vật 12

Hình 1 9 Chu trình Krebs trong hô hấp ở vi sinh vật 13

Hình 1 10 Quá trình hoạt động của hô hấp kị khí 14

Hình 1 11 Các loại hô hấp kị khí 15

MỞ ĐẦU

Công nghệ sản xuất rượu, bia là một lĩnh vực phát triển từ rất lâu đến hiện tại thì vẫntiến bộ không ngừng Trong quá trình lên men phải trải qua nhiều giai đoạn trong đó

có giai đoạn chuyển hóa các chất trong cơ thể vi sinh vật Vi sinh vật dùng trong quá

trình lên men là nấm men Saccharomycse cerevisiae, bài báo cao hôm nay nhóm em

xin trình bày về sự chuyển hóa của glucose trong nấm men Saccharomyces cerevisiae

và ứng dụng trong sản xuất rượu, bia

Bài báo cáo gồm 4 phần:

Phần 1: Giới thiệu về glucose

Phần 2: Tìm hiểu về nấm men Saccharomyces cerevisiae

Phần 3: Sự chuyển hóa của glucose trong nấm men Saccharomyces cerevisiae

Phần 4: Ứng dụng trong sản xuất rượu, bia

Phần nhóm em chú trọng nhất trong bài báo cáo này là sự chuyển hóa của glucose

trong nấm men Saccharomyces cerevisiae, vì phần này là sự tổng hợp của các phần

khác, và dẫn đến quá trình lên men của rượu, bia

Bài báo cáo của nhóm em xin bắt đầu, trong quá trình làm có điều gì sai sót và chưađúng về nội dung xin thầy cô bỏ qua

1 GIỚI THIỆU VỀ GLUCOSE

1.1 Khái niệm

Glucose là một hợp chất tạp chức, có cấu tạo của aldehyde đơn chức có 1 nhóm CH=O và alcol 5 chức có chứa 5 nhóm OH liền kề Là một loại đường trong thựcphẩm mà cơ thể dùng để chuyển hóa thành năng lượng Tồn tại ở 2 dạng là mạch vòng

-và mạch hở

- Công thức phân tử: C6H12O6

- Công thức cấu tạo của glucose mạch hở:

CH2OH – CHOH – CHOH – CHOH – CHOH -CH=O

Viết tắt: CH2OH[CHOH]4CHO

Trong thực tế, glucose tồn tại chủ yếu ở hai dạng mạch vòng: α glucose và β glucose

Hình 1 3 Phản ứng thế

Phản ứng xảy ra theo 3 giai đoạn:

Hình 1 4 Phản ứng lên men rượu

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

1.3 Vai trò của glucose đối với nấm men Saccharomyces cerevisiae

Glucose có vai trò quan trọng trong cơ thể động vật và vi sinh vật Nếu trong cơ thểđộng vật, glucose tạo ra nguồn năng lượng cho cơ bắp, não bộ, hệ thần kinh và cũng làmột nhân tố thúc đẩy của quá trình chuyển hóa chất béo trong cơ thể con người Thì

trong cơ thể vi sinh vật đang nói đến ở đây là nấm men Saccharomyces cerevisiae :

— Glucose là nguồn dinh dưỡng chủ yếu cho sự sinh trưởng, và phát triển của nấmmen, chiếm 95% glucose trong quá trình lên men cũng là một trong những yếu tốquan trọng ảnh hưởng đến quá trình lên men

— Glucose còn là cơ chất quan trọng đóng vai trò chất xúc tác cho nấm men sinhtrưởng trong các quá trình lên men Nồng độ đường thích hợp cho quá trình lênmen rượu từ 8 - 20% Khi nồng độ đường lớn hơn 30% sẽ ức chế quá trình lênmen rượu

Đối với việc sản xuất rượu vang người ta sử dụng nồng độ đường từ 16 ÷ 25% và dùngnấm men chìm, nên quá trình lên men chậm và sau khi lên men vẫn còn một lượngđường trong rượu vì vậy rượu vang thường có vị ngọt Còn trong sản xuất bia thườngdùng nồng độ đường từ 9 ÷ 12%

Trong điều kiện thiếu oxy, nấm men lấy năng lượng bằng cách chuyển hóa glucosethành CO2 và ethanol trong quá trình phân hủy glucose

Glucose đảm nhận vai trò hiển thị một số các hiện tượng điều hòa trong tế bào của

nấm men Saccharomyces cerevisiae, bao gồm cả sự hoạt hóa của đường

RAS-adenylate cyclase do glucose gây ra và sự luân chuyển phosphatidylinositol, tác độngnhanh chóng sau dịch mã đối với hoạt động của các enzym khác nhau cũng như lâu dàicác hiệu ứng ở cấp độ phiên mã

2 TÌM HIỂU VỀ NẤM MEN SACCHAROMYCES CEREVISIAE

2.1 Đặc điểm

Hình 1 5 Nấm men Saccharomyces cerevisiae

Nấm men phân bố rộng rãi trong tự nhiên, nhất là trong môi trường chứa đường, pHthấp (đất, nước, không khí, lương thực, thực phẩm, hoa quả, ), nhiều loại nấm men cókhả năng lên men rượu vì vậy từ lâu người ta đã biết sử dụng nấm men để nấu rượu,bia, sản xuất cồn, glycerine,

Saccharomyces là một chi nấm men được sử dụng rộng rãi trong ngành thực phẩm như làm bánh mì, sản xuất cồn Saccharomyces có nghĩa là nấm đường và là loại vi sinh

vật được sản xuất với quy mô rất lớn trên thế giới

Saccharomyces cerevisiae là loại nấm men được sử dụng nhiều trong quá trình sản

xuất rượu, bia, bánh mì, thuộc nhóm cơ thể đơn bào, có hình cầu hay hình trứng, nếu

ở trong môi trường giàu dinh dưỡng nó có hình bầu dục, trong điều kiện yếm khí cóhình tròn, còn trong điều kiện hiếu khí thì tế bào dài hơn

Saccharomyces cerevisiae có kích thước nhỏ từ 5- 14 μm, loài này sinh trưởng bằngm, loài này sinh trưởng bằng

cách tạo chồi và sinh bào tử, chúng sinh trưởng và phát triển ở nhiệt độ cao ( 25-42

oC)

Ở độ pH= 5.8 phù hợp cho nấm men phát triển, pH= 7.5 thì nấm men sẽ bị ức chế vàngừng phát triển

Sinh trưởng trên môi trường chứa 50% và 60% glucose, sinh sản acid từ glucose

Nguồn dinh dưỡng chủ yếu chúng sử dụng từ nguồn carbon là các loại đường nhưglucose, galactose, saccharose, maltose, từ nguồn nitơ là các amino acid và các muốiamon

Cấu tạo của tế bào nấm men Saccharomyces cerevisiae gồm vỏ tế bào, màng nguyên

sinh chất, màng sinh chất, ty thể, không bào (chứa các sản phẩm bị phân cắt, hay chất

độc lạ có thể có hại cho tế bào), bộ máy gogi, ribosome, nhân tế bào, lưới nội chất.

 Màng tế bào chất: nằm sát vách tế bào, có cấu tạo chủ yếu là lipoprotein, giữvai trò điều hòa vận chuyển các chất dinh dưỡng cho tế bào

 Tế bào chất gồm có mạng lưới nội chất là vị trí của nhiều hệ thống enzymekhác nhau, đảm bảo sự vận chuyển vật chất cho tế bào

2.1.1 Những ảnh hưởng yếu tố ảnh hưởng đến Saccharomyces cerevisiae

Ảnh hưởng của áp suất thẩm thấu của môi trường và nồng độ cơ chất riêng

Áp suất thẩm thấu, điều này còn phải phụ thuộc vào đường và các chất hòa tan có mặt.Với nồng độ cơ chất khi nồng độ này lên cao, nó sẽ đồng thời kéo theo áp suất thẩmthấu cao và đẩy sự tích tụ nấm men càng nhanh hơn

Ảnh hưởng của nhiệt độ

Loại nấm men saccharomyces cerevisiae sinh trưởng và phát triển tốt nhất trong nhiệt

độ từ 25 đến 30 độ Nếu nhiệt độ môi trường giảm, nó sẽ khiến cho tốc độ phát triển

của nấm men saccharomyces cerevisiae bị giảm xuống Đặc biệt nấm sẽ bị chết nếu

nhiệt độ cao quá 60 độ

Ảnh hưởng của pH

Môi trường pH có ý nghĩa quyết định đến sự sinh trưởng của vi sinh vật

Độ pH của môi trường cũng ảnh hưởng nhiều đến sự sinh trưởng của nấm men Độ pHtốt nhất vào khoảng từ 4,0 - 6,8, tại pH = 5,8 phù hợp cho nấm men phát triển

2.2 Nhu cầu về glucose của tế bào nấm men

Quá trình lên men etylic ( lên men rượu ): Quá trình lên men rượu là quá trìnhchuyển hoá đường glucoza thành rượu etylic và CO2 , đồng thời làm sản sinh ra một

số năng lượng xác định dưới tác dụng của hệ thống enzim của một số vi sinh vật Tác

nhân lên men rượu chủ yếu là các nấm men đặc biệt là các nổi 1 Saccharomyces cerevisiae

Nhiều loại vi khuẩn kỵ khi và hiếu khí không bắt buộc cũng có khả năng tạothành rượu như là một sản phẩm chủ yếu hoặc sản phẩm phụ của quá trình lên men cáchexoza hay pentoza - Lên men rượu nhờ nấm men: Trong quá trình này glucoza đượcchuyển hoá thành axit piruvic theo con đường EMP, sau đó axit piruvic sẽ bịdecacboxyl hóa thành axetaldehyt và axetaldehyt tiếp tục bị khử thành rượu etylic Cơchế tóm tắt của quá trình lên men rượu : Glucoza 2CH3CH2OH EMP NAD + NADH2

Nếu cơ chất là các sản phẩm khác như tinh bột, xenluloza thì quá trình sẽ có 2giai đoạn Giai đoạn đầu là sự phân giải các chất này thành glucoza nhờ các nhóm visinh vật phân giải tinh bột và xenluloza, sau đó glucose được chuyển hoá thành rượunhờ nấm men.

Quá trình lên men rượu được ứng dụng để sản xuất rượu, bia và đồ uống có gaz,làm nở bột mỳ Tuỳ theo nguyên liệu và quá trình lên men, quy trình tinh chế uốngkhác nhau có chứa rượu etylic

Hiệu ứng Pastuer: là ức chế quá trình lên men rượu khi có mặt của oxy Hiệntượng này được Pastuer phát hiện đầu tiên, ông nhận thấy trong quá trình lên menrượu, khi sục oxy vào thì việc tích luỹ rượu bị ngừng lại và nhu cầu glucose bị giảm đi,quá trình đường phân EMP bị đình chỉ, lúc đó vi sinh vật tăng cường quá trình hô hấp.Như vậy hiệu ứng Pasteur thể hiện tính kinh tế trong sự trao đổi chất oxy hoá

Sự tạo thành glyxerin trong lên men rượu: trong quá trình lên men rượu thườngsinh ra một ít glyxerin, tuy nhiên nếu trong môi trường kiểm (pH = 8) lượng glyxerinsinh ra sẽ tăng lên rất nhiều và trở thành một trong những sản phẩm chủ yếu:

2C6H1206 + H2O = CH3COOH + CH3CH2OH + 2CH2OHCHOHCH2OH + 2CO2

Lượng glyxerin càng sinh ra nhiều hơn nữa nếu quá trình lên men xảy ra với sự

có mặt của NaHSO3 Trong trường hợp này axetaldehyt sẽ liên kết với NaHSO3 nênkhông bị khử thành rượu nữa Sản phẩm lên men chỉ là glixerin CO2 vàaxetalsunphonat natri

Lên men rượu nhờ vi khuẩn: trong các vi khuẩn lên men rượu chỉ ở Sarcina ventriculi người ta mới tìm thấy con đường tạo thành etylic theo kiểu của nấm men

(phân giải dường theo con đường EMP) Còn ở Zygomonas mobilis glucose được phân giải theo con men của một số vi khuẩn đường ED Trong quá trình lên ruột và Clostridium, rượu được hình thành như là một sản phẩm phụ của quá trình lên men Song tiền chất của etylic tức axetaldehyt không được giải phóng trực tiếp từ axit piruvic nhờ

3 SỰ CHUYỂN HÓA CỦA GLUCOSE TRONG TẾ BÀO NẤM MEN

3.1 Giai đoạn đường phân

3.1.1 Phân giải glucose thành pyruvate

Sự phân giải glucose thành pyruvate và các chất trung gian Các monose ( chủ yếu làglucose ) sau khi đến các cơ quan và tể bảo sẽ tiếp tục được biển đổi , chuyển hỏa

glucose thành pyruvate và các chất trung gian khác Quá trình phân giải đường tại cơquan và tế bảo có thể xảy ra theo nhiều hướng khác nhau , trong đó có 3 con đường cơbản là : con đường Embden - Meyerhoff - Parnas , còn gọi là quá trình đường phản( glycolysis ) ; con đường pentose phosphate : con dường Entner – Doudoroff Trong

3 con đường này thì con đường Embden - Meyerhoff - Parnas là phổ biển nhất

3.1.2 Quá trình đường phân

Đây là con đường phổ biến nhất để phân giải Glucose Thành pyruvate, còn được biếtđến với tên gọi là con đường đường phân (glycolysis) Đường phân gặp ở tất cả cácnhóm sinh vật và hoạt động trong sự có mặt cũng như vắng mặt của Oxy Quá trìnhnày diễn ra trong phần mềm tế bào chất của cơ thể nhân nguyên thủy và nhân thật Quátrình đường phân là một trong là một quy trình rất phức tạp, bao gồm một chuỗi 10phản ứng, chia làm 2 pha đầu hay còn gọi là pha chuẩn bị (preparatory phase) là phatiêu hao năng lượng, pha sao (payoff phase) là pha sinh năng lượng

Hình 1 6 Các phản ứng chuyển hóa

Phân giải hiểu khi pyruvate Chu trình Krebs

3.1.3 Phân giải hiếu khí pyruvate — Chu trình Krebs

Khi có oxy, pyruvate sẽ chuyển thành acetyl - CoA đi vào chu trình Krebs để tạo nên

CO2 và H2O, Quá trình này diễn ra ở động vật , thực vật và nhiều tế bào sinh vật trongđiều kiện hiếu khí, O2 là chất nhận điện từ cuối cùng từ NADH , do đó pyruvate sẽđược đưa vào ty thể và ở đây sẽ được tiếp tục biển dưỡng và đồng thời tạo ra nhiềuATP mới

Pyruvate trong dịch tế bảo chất được chuyển vào ngăn trong của ty thể Qua một chuỗiphản ứng phức tap, pyruvate vi oxy hóa thành CO2 và một gốc acetyl 2C, chất này gắnvới một coenzym A (CoA) tạo ra chất acetyl - CoA Khi pyruvate được oxy hóa, điện

từ và ion H+ bị lấy đi, và NAD+ lại là chất nhận điện từ và ion H+ để tạo ra NADH ,Chuỗi phản ứng có thể được tóm tắt trong phương trình sau :

1 acid pyruvic + 2HS - CoA +2 NAD → 2CH - C - SCoA +2 CO₂ - C - SCoA +2 CO 2 + 2 NADH + 2H+Nếu đi từ glucose, quá trình oxy hóa hoàn toàn chia quá trình này ra làm 4 giai đoạnchính : phân giải glucose thành pyruvate ( xem quá trình đường phân ) ; chuyển hóapyruvate thành acetyl - CoA ; oxy hóa acetyl - CoA thông qua chu trình Krebs

Chuyển hóa pyruvate thành acetyl - CoA: Phức hợp đa enzyme pyruvatedehydrogenase trước hết oxy hóa pyruvate thành CO2 và acetyl - CoA cũng là mộtphân tử cao năng bao gồm coenzyme A và acid acetic nối với nhau qua liên kết caonăng thiol este Acetyl - CoA sẽ bị phản giải tiếp trong chu trình Krebs

Việc tạo ra năng lượng , sử dụng năng lượng và coenzyme khử qua quá trình đườngphân ( glycolysis ) và chu trinh Krebs được tôm tắt như sau :

Fructose - 6 - phosphate → fructose - 1,6 - bisphosphate -1 ATP

2 Glyceraldehyde - 3 - P➜ 21,3 – bisphosphoglycerate NADH 6 ATP

2 1,3 – Bisphosphoglycerate  23 - phosphoglycerate 2 ATP

2 a - Ketoglutarate → 2 succinyl - CoA 2NADH → 6 ATP

Khi oxy hóa hoàn toàn một phân tử glucose sẽ thu được 686 kcal, nhưng để tổng hợpATP tử ADP cần cung cấp khoảng 9 kcal / mol Nếu toàn bộ năng lượng phân giải mộtmol glucose đểu được dùng tổng hợp ATP thì sẽ thu được 686; 9 = 76 mol ATP

Thực tế chỉ tạo ra 38 mol ATP, chiếm 50 % tổng số năng lượng , vậy còn 50 % đượcgiải phóng ra dưới dạng nhiệt năng

Phương trình tổng quát của chu trình Krebs; Acetyl CoA + 3H O + 3NAD + FAD +₂ - C - SCoA +2 COADP + Pi → 2CO + 3NADH + 3H + FADH + CoASH + ATP + ₂ - C - SCoA +2 CO ₂ - C - SCoA +2 CO

3.2 Hô hấp hiếu khí

Hô hấp hiếu khí là quá trình oxi hóa các phân tử hữu cơ, mà chất nhận electron cuốicùng là oxi phân tử (O2) Đây là cách hô hấp của các vi sinh vật nhỏ bé Ở vi sinh vậtnhân thực, chuỗi truyền electron ở màng trong ti thể, còn sinh vật nhân sơ diễn ra ngaytrên màng sinh chất

Vi sinh vật là những cơ thể nhỏ bé, chúng ta chỉ nhìn rõ chúng dưới kính hiển vi Đặcđiểm chung của chúng là hấp thụ và chuyển hóa chất dinh dưỡng rất nhanh, sinhtrưởng và sinh sản nhanh, phân bố rộng Trong tự nhiên, vi sinh vật có mặt ở khắp mọinơi, trong các môi trường và điều kiện sinh thái đa dạng

Trong môi trường có oxi phân tử, một số vi sinh vật tiến hành hô hấp hiếu khí Còn khimôi trường không có oxi phân tử, vi sinh vật sẽ tiến hành lên men hoặc hô hấp kị khí Sản phẩm cuối cùng của quá trình phân giải đường là CO2 và H2O Ở vi khuẩn, khiphân giải một phân tử Glucôzơ, tế bào sẽ tích lũy được 38 ATP, tức là chiếm 40%năng lượng của phân tử Glucose Có một số vi sinh vật hiếu khí, khi môi trường thiếu