Lên men lactic và ứng dụng trong công nghệ thực phẩm

Nhóm vi khuẩn lactic là nhóm vi sinh vật có ý nghĩa quan trọng nhất trong công nghiệp sữa, nói chung đây là tác nhân gây lên men nhằm sản xuất hàng loạt các sản phẩm từ sữa khác nhau tro

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HCM

KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM 

BÁO CÁO VI SINH THỰC PHẨM

GVHD: GV NGUYỄN THÚY HƯƠNG SVTH: Lớp: HC07TP

TRẦN THỊ NGUYỆT MINH 60701493

PHẠM THỊ THANH TRÚC 60702706 TRẦN PHƯƠNG TUẤN 60702788

Tháng 05/2009

MỤC LỤC

Mở đầu

Chương 1 Giới thiệu chung về len men lactic

1.1 Tác nhân vi sinh vật

1.1.1 Đặc điểm của hệ vi khuẩn lactic

1.1.2 Phân loại vi khuẩn lên men lactic

1.2 Cơ chế của quá trình lên men

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men

1.4 Một số loại vi khuẩn lactic quan trọng

Chương 2 Ứng dụng của lên men lactic trong công nghệ thực phẩm

2.1 Sản xuất acid lactic

2.2 Bảo quản và chế biến các sản phẩm từ rau quả (rau quả muối chua) 2.3 Bảo quản và chế biến các sản phẩm từ thịt, thủy sản

MỞ ĐẦU

Năm 1780, nhà toán học Thủy Điển Schaele lần đầu tiên tách được acid lactic từ sữa bò lên men chua Năm 1857, Pasteur chứng minh được sự lên men làm sữa chua là

do nhóm vi khuẩn lactic Năm 1878, Lister phân lập thành công vi khuẩn lactic đầu tiên

và đặt tên là Bacterium lactis (hiện nay gọi là Streptococcus lactis); về sau các nhà khoa

học liên tiếp phân lập được nhiều loài vi khuẩn lactic khác nhau Công nghiệp lên men để sản xuất acid lactic có thể nói đã được hình thành từ năm 1881 Nhóm vi khuẩn lactic là nhóm vi sinh vật có ý nghĩa quan trọng nhất trong công nghiệp sữa, nói chung đây là tác nhân gây lên men nhằm sản xuất hàng loạt các sản phẩm từ sữa khác nhau trong đó có yaourt, sữa chua, fomat, bơ Ngoài ứng dụng trong công nghiệp sữa, vi khuẩn lactic còn được sử dụng nhiều trong công nghiệp sản xuất acid lactic, công nghiệp chế biến thịt cá, công nghiệp muối rau quả, sản xuất men tiêu hóa trong y học, và dùng để ủ chua thức ăn gia súc trong công nghiệp.

Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LEN MEN LACTIC

1.1 TÁC NHÂN VI SINH VẬT

1.1.1 Đặc điểm của vi khuẩn lên men lactic

Vi khuẩn lactic được xếp vào họ Lactobacteriaceae Chúng có thể là cầu khuẩn, trực khuẩn

ngắn hoặc dài, không tạo bào tử và hầu hết không chuyển động, khoảng nhiệt độ thích hợp là 10

- 400C Chúng không có cytochrom và catalase nhưng sống được trong điều kiện có oxy không khí vì có proxyoase phân giải H2O2 thành oxy không khí nên gọi là vi khuẩn hiếu khí hoặc kị khí không bắt buộc Sự phân bố của vi khuẩn lactic trong tự nhiên chứng tỏ những vi khuẩn này yêu cầu dinh dưỡng cao và khả năng phân giải để thu năng lượng của chúng lớn

Những vi khuẩn lactic ít gặp trong đất, nước mà thường gặp ở trong sữa và các sản phẩm của

sữa (như Lactobacillus lactis, L bulgaricus, L helveticus, L casei, L fermenti, L brevis,

Streptococcus lactis, Str diacetilactis…), trên bề mặt của thực vật và xác cây đang phân giải

(như L plantarum, L delbruckii, L fermenti, L brevis, Str lactis, Leuconostoc

mesenteroides…), trong ruột và ở lớp màng nhầy của người và động vật (như L acidophilus, Str faecalis, Str salivarius, Str bovis, Str pyogenses, Pneumococcus…)

1.1.2 Phân loại vi khuẩn lên men lactic

Dựa vào sản phẩm sinh ra trong quá trình lên men, người ta chia vi khuẩn lactic ra làm 2 nhóm: nhóm vi khuẩn lên men lactic điển hình (đồng hình) và nhóm vi khuẩn lên men lactic không điển hình (dị hình)

+ Vi khuẩn lên men lactic đồng hình sau quá trình lên men sản phẩm chính là acid lactic chiếm 90 – 98% tổng sản phẩm lên men, sản phẩm phụ là etanol, acid axetic, CO2, axetoin

Nhóm vi khuẩn này chủ yếu là hai giống Lactobacterium như: Lactobacterium bungaricum, L

plantarum, L casei, L delbruckii, L cucumeris fermentati… và Streptococcus như:

Streptococcus lactis,

Streptococcus cremoris…

+ Vi khuẩn lên men lactic dị hình sau quá trình lên men ngoài acid lactic còn hàng loạt các sản phẩm khác: 40% acid lactic, 20% acid sucxinic và etanol, 10% acid acetic, 20% các chất

khí… Nhóm vi khuẩn này gồm có các vi khuẩn như: Bacterium coli, Bac aeogenes, Bac

pentoacetium, L brevis, Strep votrovorus, Strep paracotrovorus, Strep diacetylactis…

1.2 CƠ CHẾ CỦA QUÁ TRÌNH LÊN MEN LACTIC

1.2.1 Lên men lactic đồng hình (điển hình)

Lên men lactic đồng hình là quá trình lên men trong đó các sản phẩm acid lactic chiếm 90 – 98% tổng sản phẩm lên men, sản phẩm phụ là etanol, acid axetic, CO2, axetoin… Phương trình chung biểu diễn quá trình lên men:

C6H12O6 → 2 CH3CHOHCOOH + 21,8.104 J

Sơ đồ chuyển hóa trong lên men lactic đồng hình

Thực chất của quá trình này là đường được chuyển hóa theo con đường glycolysis của Embden-Mayerhoff tạo acid pyruvic Trong tế bào vi khuẩn lên men đồng hình không có đủ enzyme carboxylase, do vậy acid pyruvic không bị phân giải sâu xa hơn, mà thu nhận hydro để thành acid lactic Một phần nhỏ acid pyruvic bị decarboxyl để tạo ra lượng nhỏ các sản phẩm phụ nói trên

1.2.2 Lên men lactic dị hình

Lên men lactic dị hình là quá trình lên men trong đó ngoài sản phẩm acid lactic còn tạo ra một lượng đáng kể các sản phẩm phụ như acid acetic, etanol, acid sucxinic, CO2, H2 Phương trình chung biển diễn quá trình lên men:

C6H12O6 → CH3CHOHCOOH + HOOC(CH2)2COOH + CH3COOH + C2H5OH + CO2 + H2…Theo giả thuyết hiện nay, trong hệ vi khuẩn lactic dị hình thiếu các enzyme chủ yếu của con đường Embden-Mayerhoff đó là aldolase, triosephosphate isomerase Vì thế giai đoạn đầu của sự phân giải glucose xảy ra theo con đường pentosephosphate, tạo ra sản phẩm trung gian là xilulose-5-phosphate, sau đó nó bị phân ly thành andehit photphoglycerinic và acetyl photphat

Từ andehit photphoglycerinic chuyển tiếp tạo thành acid sucxinic và acid lactic còn acetyl

photphat tiếp tục chuyển hóa theo 2 hướng để tạo etanol và acid acetic

Sơ đồ chuyển hóa trong lên men lactic dị hình

Lên men dị hình ít được ứng dụng trong công nghiệp do tạo nhiều sản phẩm đồng thời, làm cho độ tinh khuyết sản phẩm không cao, sự tách riêng từng loại sản phẩm khác nhau rất khó khăn tốn kém

1.3 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG LÊN MEN LACTIC

1.3.1 Nguồn glucid

Để duy trì sự sống, điều hoà các quá trình chuyển hoá trong tế bào vi khuẩn cần sử dụng nguồn glucid có trong môi trường dinh dưỡng làm nguồn cacbon Nguồn cung cấp glucid quan trọng cung cấp cho vi khuẩn là đường lactoza Hầu hết các vi khuẩn lactic đều có enzyme lactose nên thuỷ phân được lactose thành glucose và galactose

Một số loại đường khác vi khuẩn lactic sử dụng rất chọn lọc:

+ Đisaccarit: Saccarose, maltose……

+ Polysaccarit: dextrin, tinh bột,……

Đối với lên men lactic đồng hình vi khuẩn lactic chuyển hoá được khoảng 98% glucid thành acid lactic

1.3.2 Nguồn Azốt

Các nguồn Azốt có ý nghĩa quan trọng đối với sự phát triển của vi sinh vật nếu không có các nguồn này thì không thể tổng hợp được các chất phức tạp cấu tạo nên nguyên chất trong tế bào vi sinh vật Vi sinh vật đòi hỏi nguồn Azốt rất cao đặc biệt là:

+ Protit: sự tương tác giữa casein trong sữa với vi khuẩn lactic khi có sự hiện diện của

ion H+ trong môi trường làm tăng khả năng lên men lactic Ngoài ra, casein còn là chất đệm có tính trung hoà một lượng acid sinh ra trong quá trình lên men

+ Pepton: trong môi trường sữa đã có sẳn nguồn pepton nhưng do nhu cầu peptone đối

với cơ thể vi khuẩn rất cao do đó cần bổ sung peptone từ bên ngoài vào môi trường sữa để đảm bảo lượng peptone đủ để làm tăng tốc độ lên men

+ Acid amin: vi khuẩn lactic hấp thụ được dễ dàng Theo các nghiên cứu, vi khuẩn lactic

phát triển tốt nhất trong môi trường có đầy đủ 16 loại acid amin Đối với các vi khuẩn sinh hương, acid amin ngoài việc cần thiết cho sự phát triển của vi khuẩn mà nó còn kích thích sự tạo hương thơm Trong các acid amin, serine có tác dụng ức chế sự phát triển của nhiều loài

Streptococus.

1.3.3 Vitamin

Vi khuẩn lactic không có khả năng sinh tổng hợp vitamin và do môi trường sữa bên ngoài

có nay đủ các loại vitamin cần thiết cho sự phátt triển của vi khuẩn lactic nên không cần bổ sung thêm từ bên ngoài

Loài vi khuẩn Vitamin

Ribiflavin Piridoxin Acid folic B12 Tianin

-1.3.4 Muối khoáng và các nguyên tố vi lượng

+ Nhu cầu này không lớn do đó không cần bổ sung thêm từ ngoài vào mà chỉ cần sử dụng những chất có sẳn trong môi trường sữa

+ Trong các loai muối khoáng P chiếm tỉ lệ cao nhất

Chú ý : Nồng độ muối NaCl trong môi trường không được quá 6.5% nó sẽ tiêu diệt hết các loại

vi khuẩn lactic

1.3.5 Nhu cầu Oxy

+ Vi khuẩn lactic vừa có khả năng sống được trong môi trường có oxy và vừa sống được trong môi trường không có oxy

+ Theo nghiên cứu cho rằng vi khuẩn lactic phát triển tốt nhất trong môi trường có nồng

độ oxy thấp

1.3.6 Nhiệt độ

Tuỳ từng loại vi khuẩn khác nhau mà nhiệt độ thích hợp cho nó sẽ khác nhau

VSV ưa lạnh tmin = 0oC tmax =20– 30oC top = 5 -10oCVSV ưa ấm tmin = 3oC tmax =45 – 50 oC top = 20 -35oCVSV ưa nóng tmin = 30oC tmax =80oC top = 50 -60oC

Nhiệt độ không chỉ ảnh hưởng đến cường độ phát triển mà còn ảnh hưởng đến khả năng phát triển của chúng nữa Điều chỉnh nhiệt độ thích hợp sẽ:

+ Rút ngắn thời gian lên men

+ Hạn chế sự nhiễm các vi sinh vật lạ khác

+ Sản phẩm thu được đạt kết quả như mong muốn

1.3.7 pH môi trường

pH của môi trường ảnh hưởng đến hoạt động phát triển của vi sinh vật, sự có mặt của ion

H+ sẽ tác động lên tế bào vi sinh vật theo nhiều cách:

+ Ảnh hưởng trực tiếp lên bề mặt tế bào làm thay đổi sự tích điện trên bề mặt của màng từ đó dẫn đến hoạt độ của các loại enzym bị giảm

+ Nồng độ ion H+ ảnh hưởng đến độ phân ly của các chất dinh dưỡng trong môi trường

+ pH môi trường khác còn làm độ phân tán chất keo và độ xốp của thành tế bào không đồng đều cho nên việc chống lại các tác động bên ngoài sẽ khác nhau dẫn đến làm thay đổi hình dạng của tế bào

Với vi khuẩn lactic thì các loại cầu khuẩn chịu pH kém hơn so với các trực khuẩn

Loài vi khuẩn pHmin pHop pHmax

Trực khuẩn ưa nhiệt 3.5 - 4.25 5.5 – 6.5 7 – 8

+ Khi pH môi trường cao thì sản phẩm tạo thành chủ yếu là acid lactic

+ Khi pH môi trường thấp thì sản phẩm tạo thành ngoài acid lactic còn có thêm acid acetic, và nhiều sản phẩm khác

Qua nhiều nghiên cứu người ta nhận thấy rằng lượng di-acetyl tạo ra nhiều nhất tại pH = 4.6 – 5.2 , đây chính là yếu tố làm tăng mùi hương cho sản phẩm

1.3.8 Các chất kháng sinh

Các chất kháng sing ảnh hưởng rất lớn đến vi khuẩn lactic

+ Penicilin: chỉ một lượng rất nhỏ cũng đủ để ức chế nhiều loài vi khuẩn lactic.+ Streotomycin: có tính kháng sinh rất mạnh, có khả năng tiêu diệt cả vi khuẩn Gram (+) và vi khuẩn Gram (–) trông quá trình lên men, hàm lượng chất kháng sinh tạo ra trong môi trường đủ lớn sẽ làm giảm hiệu suất lên men

1.4 MỘT SỐ LOÀI VI KHUẨN LACTIC QUAN TRỌNG

o Streptococcus lactic: vi khuẩn này phát triển tốt trong sữa và một số môi trường pha chế

từ sữa, trong khi lại phát triển kém trong môi trường nước thịt pepton Đây là loại vi khuẩn hiếu khí tuỳ tiện nên có thể phát triển sâu trong thạch và cho khuẩn lạc hình cây có nhánh Đặc điểm sinh hoá quan trọng là lên men glucose, lactose, galactose, maltose, dextrin, không lên men

saccharose Vì vậy Streptococcus lactic đóng vai trò quan trọng trong việc chế biến sữa chua

Phát triển tốt ở nhiệt độ 30÷35 0C, ở nhiệt độ này vi khuẩn gây đông tụ sữa sau 10÷12 giờ, độ

acid giới hạn do Streptococcus lactic tạo nên thường dao động trong khoảng 110-120 0T mặc dù

có những chủng yếu chỉ tạo khoảng 90-100 0T Sữa được lên men chua bởi Streptococcus lactic luôn luôn có hương vị đặc trưng của sản phẩm sữa chua Ở nhiệt độ tối ưu Streptococcus lactic

phát triển trong sữa có thể đạt đến số lượng tối đa là 1,2÷2 tỷ tế bào/ml sau 10÷12 giờ Thời gian này tương ứng với thời gian lên men chua sữa đến 60 0T Độ acid sữa tăng lên rất nhanh trong vài giờ đầu, sau đó giảm dần và ngừng hẳn khi đạt đến gần 120 0T Đường biểu thị acid trong sữa lên men không có hướng đi xuống vì sau khi đạt cực đại độ chua được giữ nguyên theo thời gian mà không giảm đi

o Streptococcus cremoris: loại liên cầu khuẩn này thường thấy trong sữa dưới dạng chuỗi

dài hoặc hiện diện dưới dạng song cầu khuẩn, phát triển tốt ở 20÷250C Các điều kiện nuôi cấy

khác với giống S lactic Tuy nhiên, ảnh hưởng của chúng đối với sữa hơi khác, chúng thường

làm đông sữa nhưng chúng cũng có thể làm cho sữa bị nhớt Một số chủng loại này phát triển

trong sữa cho mùi đặc biệt dễ chịu được ứng dụng trong chế biến bơ Cũng như S lactic, S

cremoris lên men lactose thành acid lactic nhưng không lên men saccharose, maltose, dextrin Streptococcus cremoris làm cho sữa có độ chua thấp hơn (110÷115 0T) tạo nên sản phẩm có vị ngon thường được dùng trong sản xuất bơ chua

o Streptococcus thermophillus và Streptococcus bovis là hai vi khuẩn thuộc nhóm

Viridams Streptococci chúng không phát triển ở 100C, phát triển tốt ở 40÷450C khi lên men sữa tạo được khối đông, không phát triển khi có sự hiện diện của 0,1% xanh methylen, 6,5%NaCl,

pH=9,6, arginin, pepton, không tạo thành amoniac Streptococcus thermophillus là vi sinh vật ưa

nhiệt giống như tên chủng, nhiệt độ thích hợp khoảng 40÷450C và bị tiêu diệt ở nhiệt độ 530C Khi làm môi trường nuôi cấy từ sữa thanh trùng và ủ ở 320C số lượng lớn khuẩn lạc của

Streptococcus thermophillus xuất hiện Streptococcus thermophillus là một vi sinh vật quan

trọng trong sản xuất yaourt, phomat, nó bị ngăn cản sự hoạt động bởi 0,01mg penicillin hay 5mg

streptomycin/ml Streptococcus bovis được tìm thấy trong sữa bò và có thể xâm nhập vào sữa từ

nguồn này hay nguồn khác, nó sống sót trong sữa thanh trùng, có thể tách chúng từ sữa thanh trùng hay một số loại phomat

o Các trực khuẩn lactic: trực khuẩn lactic phát triển rộng rãi trong thiên nhiên, chúng luôn luôn có mặt trong sữa và các sản phẩm sữa chịu được độ acid cao, phát triển ở phạm vi nhiệt độ rộng trong môi trường có hoặc không có không khí Trực khuẩn lactic đóng vai trò rất quan trọng trong chế biến sữa chua, quá trình làm fomat Trực khuẩn lactic cũng chia thành nhóm điển hình và nhóm không điển hình tuỳ thuộc vào khả năng tạo thành sản phẩm phụ Nhóm trực khuẩn lactic gồm các trực khuẩn ưa nhiệt, trực khuẩn xếp chuỗi cần nhiệt độ trung

bình (ưa ấm)

+ Bacterium thuộc nhóm trực khuẩn không điển hình Nhờ nhiều loại enzim thích hợp

nên các vi khuẩn lactic điển hình có khả năng phân giải các đường đơn (glucose, galactose, levulose ) thành acid lactic Các loại khác nhau có thể tích tụ lượng acid khác nhau:

Lactobacterium bulgaricum tích tụ đến 3,5%, Thermobacter, Ribirium cerea là 2,2%,

Lactobacterium plantarum là 1%

+ Các trực khuẩn lactic ưa nhiệt phát triển tốt ở môi trường acid yếu (pH=6,5), tuy nhiên

có loài phát triển ở pH=5,4 như Lactobacillus bulgaricus, cũng có loại phát triển tốt ở pH =3,8

trong khi các trực khuẩn xếp chuỗi không thể phát triển được, nhiệt độ tối ưu là 40÷450C, đây là

vi khuẩn tạo được độ acid rất cao 300÷3500T

+ Lactobacterium helveticum (trực khuẩn phomat) phát triển ở 22-510C, làm cho sữa chua tới 200÷3000T,

+ Lactobacterium bulgarium phát triển ở 22÷530C tạo độ acid trong sữa 200÷3000T, độ giới hạn là 200÷2500T

+ Lactobacterium lactic phát triển ở 22÷500C độ acid giới hạn là 110÷1800T

+ Betabacterium trên môi trường thạch tạo những khuẩn lạc giống như

khuẩn lạc của trực khuẩn lactic ưu nhiệt Khi phát triển trong sữa vi khuẩn

này cho ít acid, nếu cho dịch tự phân của nấm men vào môi trường, vi khuẩn

này phát triển mạnh hẳn lên, đường sữa bị lên men bởi vi khuẩn này không

chỉ tạo thành acid lactic mà còn tạo nhiều acid dễ bay hơi Trong sữa thường

có hai loại chính là Betabacterium causasium và Betabacterium breve.

+ Leuconostoc: là nhóm gồm những vi khuẩn lên men lactic không điển

hình Chúng có dạng hình cầu nhưng trong môi trường acid chúng nhọn ở hai

đầu và dài ra sinh ra lượng acid có hạn vì thế không làm đông sữa Trái lại

chúng hình thành từ đường, acetyl metyl carbonyl hoặc acetoin làm cho bơ

thơm Loại vi khuẩn điển hình của giống này là Leuconostoc citrovorium

được ứng dụng trong sản xuất bơ

Giá trị nhiệt độ và pH tối ưu cho sự sinh trưởng

của một số loài vi khuẩn lactic

Chương 2: ỨNG DỤNG CỦA LÊN MEN LACTIC

TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

2.1 SẢN XUẤT ACID LACTIC

Do vị chua dễ chịu và đặc tính bảo quản, acid lactic sản xuất công nghiệp được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, một lượng lớn acid lactic được sử dụng trong công nghệ thực phẩm Nó được sử dụng như một chất gia vị đối với các loại đồ uống nhẹ, tinh dầu, cao, dịch quả, mứt và

Loài vi sinh vật T otp ( 0 C ) pH otp

Lactococcus lactis Lactococcus cremoris Lactococcus diacetylactis Streptococcus thermophilus Lactobacillus bulgaricus Lactobacillus helveticus Lactobacillus casei Lactobacillus kefir Lactobacillus acidophilus Lauconotoc lactis

Lauconotoc cremoris Bifidobacterium bifidum

29 ÷ 3428÷3230÷3440÷4243÷4643÷4630÷37303720÷2725÷3037÷41

6,0÷6,56,0÷6,56,0÷6,56,0÷6,55,5÷6,05,5÷6,0 5,5÷6,05,5÷6,0