ỨNG DỤNG VI SINH VẬT TRONG CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN VÀ BẢO QUẢN THỰC PHẨM

- Hóa dị dưỡng Chemoheterotroph:vi sinh vật thường dùng các điện tử của các hợp chấthữu cơ để khử các hợp chất hữu cơ như ở phần lớn các vi khuẩn, nấm và động vật... phần các vi sinh vật

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA: CÔNG NGHỆ HÓA -THỰC PHẨM

MÔN HỌC:CÔNG NGHỆ SINH HỌC THỰC PHẨM

ỨNG DỤNG VI SINH VẬT TRONG CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN VÀ BẢO

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

ỨNG DỤNG VI SINH VẬT TRONG CHẾ BIẾN VÀ

BẢO QUẢN THỰC PHẨM

I ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA VI SINH VẬT.

Đặc điểm nổi bật nhất của các vi sinh vật là kích thướt rất nhỏ bé, đặc điểm nàychi phối hình dạng, các hoạt động trao đổi chất và cả sự phân bố rộng rãi trong tự nhiên

2 Dinh dưỡng

a) Hấp thụ các chất dinh dưỡng trực tiếp qua bề mặt tế bào

Đa số các vi sinh vật là đơn bào nên chúng nhận các chất dinh dưỡng bằng hấpthụ (absorbtion) qua bề mặt tế bào, khác với thực vật là tự dưỡng (autotrophic) và độngvật là nội tiêu hóa (ingestion) qua ống tiêu hóa Chính điều này mà việc nuôi các vi sinhvật được thực hiện dễ dàng và nhanh chống

b) Kiểu dinh dưỡng đa dạng.

- Quang tự dưỡng (photoautotrop): vi sinh vật dùng năng lượng ánh sáng khử CO2 nhưcác vi khuẩn tía, Cyanobacteria, tảo và thực vật

- Quang dị dưỡng (photoheterotroph): vi sinh vật dùng năng lượng ánh sáng để khử cáchợp chất hữu cơ như các vi khuẩn tía và lục không lưu huỳnh (purple nonsulfur bacteria)

- Hóa tự dưỡng (chemautotroph): vi sinh vật tường dùng các điện tử từ các gợp chất vô

cơ để khử CO2 như ở các vi khuẩn hydrogen, sulfur, sắt và nirit hóa (hydrogen, sulfur,iron and nitriflying bacteria)

- Hóa dị dưỡng (Chemoheterotroph):vi sinh vật thường dùng các điện tử của các hợp chấthữu cơ để khử các hợp chất hữu cơ như ở phần lớn các vi khuẩn, nấm và động vật Đa

phần các vi sinh vật sử dụng trong công nghệ sinh học thuộc kiểu dinh dưỡng này vàglucoselaf chất cung cấp năng lượng chủ yếu Nhờ vậy mà các vi sinh vật dễ nuôi từ cácnguồn phụ phế phẩm khác nhau có glucose và một số loại đường khác Ngoài ra, cácđiều kiện háo khí và hiếm khí có ảnh hưởng đáng kể đến thu hồi sản phẩm.

c) Sự phân bố và vai trò của vi sinh vật trong sinh quyển.

Nếu như nhự phân bố rộng rãi của thực vật dễ dàng nhận thấy qua màu xanh ởtrên trái đất thì các vi khuẩn là một thế giới vô hình khó nhìn thấy bằng mắt thường,nhưng chúng hiện diện khắp nơi, cả những nơi có điều kiện sống khắc nghiệt như bănggiá ở các cực của trái đất, hay như ở dưới đáy đại dương Hiện nay, tổng số tế bào vikhuẩn trên trái đất ước tính khoảng 5.1030 tỉ tấn, tổng sinh khối của nó gần bằng củathực vật trên cạn Lượng cacbon chứa trong vi khuẩn khoảng 350-500 tỉ tấn với, khốilượng khô khoảng 700-110 tỉ tấn Trong khi đó, khối lượng caccbon của thực vật trên cạn

550 tỉ tấn Vi khuẩn chứa khối lượng nitrogen và phosphore 10 lần nhiều hơn của thựcvật, ước khoảng 85-130 tỉ tấn nitrogen và 9-14 tỉ tấn phosphore

Do tỉ lệ của bề mặt / thể tích lớn nên họt động sống của vi sinh vật diễn ra nhanhhơn nhiều so với đọng vật và thực vật Tương ứng với hoạtt động sống mạnh, nhịp độtăng trưởng của tế bào rất cao, thời gín thế hệ ngắn nên sinh sản rất nhanh, tạo sinh khốilớn khi có đủ dinh dưỡng Tế bào E.Coli chỉ nhân đôi trong 20 phút mấm men nhân đôinhưng chậm hơn, nhưng chỉ trong 2-3 nếu có điều kiện thích hợp

d) Sự đa dạng của ác phản ứng hoá học.

Các phản ứng sinh hóa trong cơ thể vi sinh vật thường đơn giản hơn nhiều so vớitrong cơ thể động vật, thực vât Nhưng mỗi loài có một số phản ứng riêng nên các phảnứng sinh hoá của các loài vi sinh vật khác nhau là rất đa dạng Dù hợp chất có phức tạpđến đâu, trong thiên nhiên điều có vi sinh vật sử dụng hay phân huỷ chúng Sản phẩm doloài này tạo ra có thể do loài khác sử dụng

Mỗi loài thường tạo ra một số sản phẩm trao đổi thứ cấp (secondary metabolites)đặc hiệu giúp cho chúng phát triển tốt hơn và kiềm hãm một số loài khác Ví dụ: các nấmmen rượu thích nghi với nồng độ đường cao và tạo ra rượu là chất kiềm chế nhiều loàikhác Do đặc điểm này, các sản phẩm khi bị nhiễm sẽ kìm hãm sự tăng trưởng của cácchủng sản xuất

Từ những đặc điểm chung của các vi sinh vật vừa nêu trên, trong sản xuất chúng

ta nên cần chú ý:

-Cách tốt nhất để tránh nhiễm là tạo môi trường thích hợp cho đối tượng sản xuất Xuhướng hiện nay là sử dụng vi sinh vật cực đoan nhằm hạn chế nhiễm các vi sinh vật bìnhthường

- Sản xuất các vi sinh vật có nhiều biến động và chuyển biến nhanh, cần xử lý kịp thời

- Nước sôi diệt được các tế bào sinh dưỡng

- Hơi nước bão hoà dưới áp suất cao sẽ cho nhiệt độ cao hơn 1000OC như ở áp suấtthường (1atm) áp suất tương ứng với 121OC Dụng cụ để khử trùng thông dụng là nồi hấp

áp suất (autoclave)

-Nồi hấp Pasteur (Pasteurisation): một số thực phẩm như sữa ở nhiệt độ cao sẽ mất mộtphẩm chất như các chất dinh dưỡng, protêin rất dễ bị biền tính… Và phương pháp hấppasteur thường được sử dụng để khử trùng cho sữa ( nhiệt độ và thời gian để khử trùng là

63OC trong 30 phút hoặc là 72OC trong 15 giây)

b) Phương pháp lọc.

Thường dùng cho các dạng vật chất lỏng, trong và có độ nhạy ương đối yếunhưng không chịu được nhiệt độ cao trên 60OC Vật đem lọc qua một màng lọc xốp cónhững lỗ với đường kính nhỏ hơn đường kính của tế bào vi sinh vật nhỏ nhất Vi trùng sẽ

bị giữ lại trên màng lọc, còn dung dịch đi qua sẽ vô trùng

-Màng xốp có thể làm bằng sứ, amiante, cellulose….trong các phòng vô trùng hiện đạithường dùng màng bông thuỷ tinh lọc khí để hạn chế sự nhiễm trùng

c) Diệt trùng bằng bức xạ.

Tia tử ngoại (UV) tia X và các tia phóng xạ ion hoá như alpha, beta, gamma…

đều có khả năng triệt trùng Tia tử ngoại thường được dùng nhất trong triệt trùng khôngkhí ở các bệnh viện hoặc các phòng cấy vi sinh vật Tia tử ngoại chỉ diệt trùng bề mặt,không thấm sâu vào phẩm vật.

d) Phương pháp hoá học.

Nhiều hoá chất có khả năng triệt trùng Rượu cồn trên 70OC thường được dùng để sáttrùng ngoài da Oxyde ethylen thường được dùng để khử trùng các dụng cụ làm bằngplastic

-Ngoài ra còn nhiều hoá chất khác như phenol, formaline….Cũng là các chất sát trùng có

hể dùng khử trùng trong phòng cấy, khi sử dụng hoá chất để khử trùng ta cần lưu ý một

số chất sát trùng có thể gây ra độc đối với cơ thể người

Có nhiều phương pháp khử trùng khác nhau, tuỳ đối tượng, tuỳ tính chất công việc mà sửdụng phương pháp này hay phương pháp khác

3 Giữ giống và chọn giống.

Giống là yếu tố quan trọng đầu tiên chi phối giá thành sản phẩm Công nghiệp visinh vật thành công lớn là nhờ vào các giống có năng suất cao

-Để có các chủng có năng suất cao, công việc căn bản đầu tiên là là thu thập rất nhiềuchủng từ thiên nhiên, là bộ sưu tập giống (culture collection) và cất giữ chúng trong cácbảo tàng giống (museum) Ở các nước có công nghiệp vi sinh vật vi sinh phát triển điều

có các bảo tàng vi sinh vật lớn như ATCC (American Type Culture Collection- Mỹ) Ởcác bảo tàng lớn thường lưu giữ hàng trăm ngàn, thậm chí hàng triệu chủng loài đã đượcđịnh danh và mô tả các đặc tính sinh học của chúng Các chủng vi khuẩn thường đượcsấy thăng hoa (đông khô – lyophilization) trong các ống thủy timh (ampule) hàn kín vàgiữ trong ống nitrogen lỏng ở 190OC (ở nhiệt độ này trao đổi chất của các tế bào dườngnhư dừng lại Các chủng mốc và nấm men phải bảo quản ở nhiệt độ lạnh

Tầm soát giống:

Tầm soát có định hướng (goal-oriented screeing) các chủng từ thiên nhiên hay bảotàng giống là công việc cần thiết để tạo ra giống sản xuất Trong công nghệ sinh học cónhiều ví vị thành công điển hình trong tầm soát như:

- Tìm ra chủng loại tạo penicilin đầu tiên tăng trưởng tốt trong bồn lên men khuấy mixed fermented) từ vết mốc trên trái bưởi ở Peoria (Mỹ)

(well Chủng vi sinh vật đầu tiên sản sinh cephalosprin phân lập từ nước thải ở Sardinia

Đây là công việc cực kỳ phức tạp nên cần có sự phối hợp chặt chẽ giữa các nhà vi sinhvật học, sinh học, hóa học và phải tiến hành qua nhiều bước Ví dụ như tầm soát chủng visinh vật sản sinh một loại enzym thì cần phải trải qua 8 bước:

1) Chọn chủng vi sinh vật thích hơp nhất

2) Chủng này tạo ra enzym năng suất cao trong thời gian ngắn nên lên men chìm.3) Chủng tạo enzym từ cơ chất rẻ tiền

4) Tế bào dễ tách khỏi dịch lên men

5) Ezym ngoại bào thì tốt hơn và dễ chiết tách khỏi dịch lên men

6) Vi sinh vật không gây bệnh

7) Không tạo độc tố và các chất có độc tính sinh học khác

8) Chủng ổn định về mặc di truyền và kháng bacteriophage

Các nhà vi sinh vật học Nhật Bản được coi là thành công nhất trong tầm soát cácchủng vi sinh công nghiệp như chủng Corynebacterium glutamicium sinh glutamic acidchủng tạo enzym nitrilase dùng chuyển arylonitrile thành arylamide để sản xuất nhựapolyaryamine ở

quy mô công nghiệp … Họ dùng lực lượng đông đảo ở các trường đại học để phân lập vàtầm soát Các khối lượng giúp hình dung khối lượng công việc và phí tổn sức trong tầmsoát các chủng tạo các chất thuốc có giá trị

Các thành tựu của công nghiệp vi sinh vật không thể tách rời với những tiến bộnhảy vọt trong việc chọn lọc các chủng có năng suất cao Các phương pháp chọn lọc độtbiến được ứng dụng vào chọ giống làm tăng năng suất tạo các sản phẩm, làm biến đổihóa học các chất và khắc phục một số nhược điểm của chúng được dùng trong sản xuấtcông nghiệp

Phương pháp chọn giống này có các đặc điểm:

- Thu nhận kết quả nhanh

- Chỉ đánh giá các sản phẩm thu được, không quan tâm đến các biến đổi sinh lý, sinhhóa

II ỨNG DỤNG VI SINH VẬT TRONG CHẾ BIẾN THỰC PHẨM.

1 Sản xuất sinh khối vi sinh vật.

a) Giống ban đầu cho các quy trình lên men vi sinh vật.

Tất cả các chương trình lên men vi sinh vật đều cần giống ban đầu (starterculture), tức là cần; phải có đủ số lượng tế bào cần thiết cho thực hiện các phản ứng sinhhọc trong lên men Khâu này phải đảm bảo hai điều kiện cơ bản:

- Đủ số lượng tế bào cần thiết

- Các tế bào có số lương lớn nhưng hoạt tính không thay đổi

Trong đa số các quy tình, các tế bào sinh sản tốt trong điều kiện thổi khí đủ Tuy nhiên,trong một số trường hợp tế bào lên men yếm khí, nếu thổi khí mạnh tế bào sinh sảnnhanh có thể sản phẩm sẽ kém chất lượng Ví dụ, trong bia nếu thổi khí mạnh ở giai đoạnđầu thì chất lượng, hương vị bia có thể giảm

b) Sản xuất men bánh mì

Ngay từ năm 1958, Pastuer phát hiện sự tăng nhanh sinh khối tế bào nấm men khisục khí mạnh, nhưng mãi đến năm 1919 quy trình sản xuất men bánh mì mới được rađời Men bánh mì thực chất là khối tế bào nấm men Saccharomyces cerevisiae được nuôitrong môi trường giàu đường ( mật rỉ đường) có bổ sung phosphore và amonium nhưDAP (Diamonium photphate), ure…

Tế bào nấm men có 3 vai trò chính trong sản xuất bánh mì: làm nở bột mì nhào

do lên men rượu sinh ra khí CO2, các bọt khí làm xốp bánh và góp phần tạo hương Menbánh mì được bán ra dưới dạng sấy khô hay ở dạng tươi, được ép thành bánh (paste).Hiện nay nhu cầu này được tiêu thụ rất lớn trên thế giới

2) Protein đơn bào.

Sinh khối vi khuẩn, nấm men, nấm sợi, vi tảo có nhiều protein nên gọi là protein đơn bào( single cell protein- SCB) Do lịch sử, khái niệm protein đơn bào hiểu theo 2 nghĩa khácthường:

-Gồm cả sinh khối của tế bào với nhiều chất chứ không chỉ protein

-Không chỉ sinh vật đơn bào mà có thể là nấm sợi đa bào

-Sau cuộc Cách mạng xanh vào những năm thập niên 1960, nạn đói protein vẫn chưakhắc phục được con người tính đến nguồn protein từ sinh vật do chúng đa dạng lại cótốc độ sinh sản nhanh

-Sinh khối của tế bào vi sinh vật luôn có hàm lượng protein cao Năng suất tạo hàmlượng protein cao năng suất tạo protein cao hơn nhiều so với chăn nuôi nhờ tốc độ sinh

sản nhanh Hơn nữa các vi sinh vật có thể tạo SCP từ các nguyên liệu rẽ tiền, thậm chí từnhiều phụ phế liệu công, nông, lâm nghiệp.

a) SCP từ nguồn carbohydrate

-Thực ra, việc sử sụng VSV làm nguồn thực phẩm đã được Đức thực hiện với nâm menTorula, trong thế chiến 1 Đến năm 1930, bắt đầu ứng dụng vsv để tạo nguồn thực phẩm

và trong thế chiến 2 đạt 15000 tấn Để nhân sinh khối, cái loài Torula và Candida chohiệu quả tốt hơn Năm 1967, tập đoàn BP( British Petroleum ) đã thông báo kết quả sảnxuất SCP nhờ lên men công nghiệp từ nấm men từ parafin dầu mỏm do đó có lúc người

ta nói đến “ bít tết từ dầu mỏ” Tương tự, ở Ý và Nhật đã sản xuất SCP từ n- parafin vớicông suất 100000 – 2000000 tấn/năm

ngoài ra, vi khuẩn Methylophilus sử dụng methanol, một phụ phẩm dồi dào của côngnghiệp dầu mỏ, để tạo SCP và đã đạt 100.000 tấn/năm

-Những protein này là tế bào nấm men, tế bào vi khuẩn nên chất lượng tốt Nhưng chođến nay, SCP chủ yếu được sử dụng cho thức ăn gia súc Trong những thập niên sau này,sản xuất SCP đã dừng do tốn nhiều năng lượng sục khí trong khi giá dầu mỏ tăng cao

Do vậy cho đến nay, chỉ có sản phẩm protein từ nấm ( mycoprotein ) được sảnxuất theo công nghệ của công ty Rank Hovis McDougass ( Anh ), là protein vi sinh vậtduy nhất được công nhận sử dụng cho cả người và gia súc Mycoprotein là dạng thựcphẩm chứa sợi nấm Fusarium graminaerum Hiện nay protein thương phẩm được bánrộng rãi ở Anh có thành phần: protein-47%, mỡ-14%, chất xơ-25%,cacbohydrate-10%,tro-3% và RNA-1% khối lượng khô

b) Vi tảo và Cyanobacteria.

-Vi tảo chlorella được dùng sản xuất sinh khối vào những năm 1960 và sau đóđược đưa lên vũ trụ Nhưng Chlorella có vỏ tế bào dày nên không tiêu dược nên sử dụngtrong chăn nuôi không thích hợp, nhưng vẫn dùng bổ sung trong thức ăn cho người ( như

“ sữa xanh ” ) có tác dụng tăng lực Scenedesmus sinh sản nhanh nhưng ít được sử dụng

Hiện nay các nhà khoa học đang đặt hi vọng vào vi khuẩn lam Spirulina, thuộcCyanobacteria Ở Mexico, Spirulina được nuôi trong hồ có pH = 11; ở nước cộng hòaChad người ta vớt những vi khuẩn lam này đem bán để dùng làm thực phẩm cho người

Nó đã được dùng từ lâu đời nên không sợ độc tố, hàm lượng protein rất cao ( 65% ) và

có nhiều amilo acid có giá trị; vách tế bào mềm, dạng tảo sợi dài nên dễ thu sinh khối

Tảo dể nuôi trong môi trường kiềm nhưng phải dùng hóa chất ( như NaHCO3 ) để giữ

pH cao

3) Lên men rượu.

-Lên men các đường thành rượu được thực hiện bởi nhiều loại nấm men, chủ yếu

là các loài Saccharomyces và một số vi khuẩn

Nguyên liệu làm rượu có thể chia làm 3 nhóm:

các cơ chất giàu đường như rỉ đường, mật mía đường, củ cải đường, nước trái cây chín,

… Sự lên men rượu xảy ra trực tiếp từ nguyên liệu này mà không cần xử lí

Tinh bột từ các hạt ngũ cốc như lúa mì gạo, ngô,… và các loại củ như khoai tây, sắn,…Ngũ cốc là nguồn nguyên liệu lớn từ trồng trọt, nhưng trước khi lên men phải được thủygiải thành đường rồi mới lên men đường thành rượu

phức hợp lignocellulose từ gỗ, phế thải nông, lâm nghiệp, giấy in báo,… Đây là nguồnnguyên liệu dồi dào nhất trên trái đất từ sinh khối thực vật, nhưng việc xử lí phân cắtcellulose thành glucose khó khăn và tốn kém hơn nhiều

Sản phẩm rượu có thể dùng ở dạng chưng cất hay không chưng cất

4) Lên men Acid Glutamic

Có rất nhiều vi sinh vật có khả năng tạo và tiết glutamiac ra ngoài Hiện nay,Corynebacterium glutamicium ( Micrococcus glutamicus) đang đươc sử dụng phổ biếntrong công nghiệp, hầu hết điều là chủng đột biến, các chủng này có khả năng tạo từ 40đến 50g/l glutamic acid trong dịch lên men Trong điều kiện thí nghiện có thể thu được

100 g/l glutamic acid trong dịch lên men

Môi trường lên men glutamic acid

- Nguồn carbon: nguyên liệu hiện đang được sử dung rrá nhiều là mật rỉ đường míahoặc củ cải đường và tinh bột khoai mì được xử lý để tạo thành dung dịch glucosenhờ enzym amylase

- Nguồn nitrogen: mỗi vi sinh vật đòi hỏi một tỉ lệ nhất định giữa carbon và nitrogen,thông thường tỉ lệ C/N khoảng 100/15 đối với nhu cầu của vi khuẩn lên men glutamicacid

Nguồn dinh đưỡng khoáng được bổ sung vào dưới dạng muối sulfate hoặc phosphate đểđảm bảo nhu cầu về P, K, S cũng như các nguyên tố khoáng đại lượng và vi lượng khá

cần cho sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật ( thường chúng đã có sẵn trong mật rỉđường).

Vitamin: Biotin đóng vai trò quan trọng nhất trong lê men glutamic acid Biotin khôngchỉ là chất kích thích sinh trưởng mà còn quyết định thành phần và số lượng các sảnphẩm lên men

5) Lên men acid lactic.

Các vi khuẩn lactic thường đóng vai trò quan trọng trong nhiều loại thực phẩm cổtruyền như sữa chua, nem chua, rau quả muói chua… Sản lượng acid lactic không thayđổi lớn trong thập kỷ cuối thế kỷ 20 và ước tính khoảng 50000 tấn năm, khoảng 2/3 đượcsản xuất bởi sợ lên men

Nguyên liệu monosaccharide và đisaccharide là các cơ chất truyền thống cho sản xuấtacid lactic: glucose (dextrose) và các glucose syrup, maltose là sản phẩm của sự chuyểnhoá tinh bột nhờ enzym, lactose và nước sữa

Có vài quy trình lên men lactic acid công nghiệp như lactic calcium cổ điển, phươngpháp ammonium lactate

6) Sản xuất các nucleotid bằng vi sinh vật

Sản xuất công nghiệp các nuleotid đã bắt đầu từ năm 1961 ở Nhật Bản, trừ khimột vài loài nucleotid được tìm thấy có hoạt tính tăng cường mùi vị (Flavor enhancer).Nucleotid và các hợp cất liên quan được sử dụng không những như các hợp chất tăngcường mùi vị mà còn như các chất sinh hoá hoặc dược phẩm Hơn thế nữa, nhữngnghiên cứu gần đây cho thấy các nucleotid có vai trò cực kì quan trọng

Ngày nay, các nucleotid được sản xuất công nghiệp bằng lên men vi sinh vật.Phần lớn việc sản xuất nucleotid này đều phát triển ở Nhật Bản, với mục tiêu cuối cùng

là tạo ra các chất tăng cường mùi vị như 5-inosine (IMP) và 5’-guanylate (GMP)

7) Sản xuất vitamin C.

Trong trường hợp này có sự kết hợp giữa hoá học và phản ứng chuyên hoá sinhhọc biến D-sorbose Bước đầu tiên thực hiện phản ứng hoá học biến glucose thành D-sorbitol Bước tiếp theo thực hiện phản ứng chuyển hoá sinh học biến D-sorbitol thànhthành L-sorbose nhờ chủng Acetobacter suboxydans Khâu cuối cùng là phản ứng hoáhọc biến L-sorbone thành L-ascorbic acid (vitamin C)