tiểu luận vi sinh Tìm hiểu về các loại vi sinh vật phân giải Protein và ứng dụng của chúng trong sản xuất nước tương

Vi sinh vật đóng vai trò vô cùng quan trọng trong thiên nhiên cũng như trong cuộc sống của con người. Nó là khâu quan trọng trong chuỗi thức ăn của hệ sinh thái, tham gia vào tất cả các vòng tuần hoàn vật chất tự nhiên, đóng vai trò quyết định trong quá trình tự làm sạch các môi trường tự nhiên… con người đã biết sử dụng vi sinh vật trong đời sống hằng ngày và trong sản xuất để tạo ra những sản phẩm hữu ích như làm rượu, làm dấm, làm tương, muối chua thực phẩm… đều ứng dụng được tính sinh học của các nhóm sinh vật. Ngoài ra, vi sinh vật cũng có ứng dụng to lớn trong công nghiệp sản xuất chế phẩm enzim. Các chế phẩm enzim này có ứng dụng to lớn trong công nghiệp thực phẩm, y học...

Đề tài: “ Tìm hiểu về các loại vi sinh vật phân giải Protein và ứng dụng của chúng trong sản xuất nước tương.”

Vi sinh vật là lực lượng sản xuất trực tiếp của ngành công nghiệp lên men

Vi sinh vật có các kiểu trao đổi chất phong phú, có năng lực trao đổi chất mạnh

mẽ, do đó có thể sản sinh ra rất nhiều sản phẩm trao đổi chất khác nhau Nhiềusản phẩm đã được sản xuất lớn ở quy mô công nghiệp Một trong số ứng dụngquan trọng đó là công nghệ sản xuất nước tương lên men, nó là sản phẩm củaquá trình thủy phân các nguyên liệu giàu protein dưới tác dụng của enzym visinh vật

Nước tương là một loại nước chấm không thể thiếu trong các bữa ăn củangười Việt Nam nói riêng và thế giới nói chung Nước tương chứa một hàmlượng đạm nhất định, giúp giảm cholesterol, bảo vệ cơ thể khỏi bệnh tim, ungthư và loãng xương, nó còn giúp bữa ăn thêm hấp dẫn và làm tăng tính ngonmiệng cho người dùng

Hiện nay, vấn đề vệ sinh an toàn thực phẩm và sử dụng các chất bảo quảnđộc hại để bảo quản thực phẩm được nói đến rất nhiều, với mục đích tạo ra mộtloại nước chấm ngon và có lợi cho sức khỏe con người, có thể ứng dụng để sản

xuất theo quy mô nhỏ tại nhà nên chúng tôi chọn đề tài: “ Tìm hiểu về các loại

vi sinh vật phân giải Protein và ứng dụng của chúng trong sản xuất nước tương.” để tìm hiểu và nguyên cứu.

2 Mục đích nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu về các loại vi sinh vật phân giải protein và ứng dụng củacác sinh vật phân giải trong quá trình sản xuất nước tương lên men

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

Xác định cơ sở khoa học của quá trình lên men vi sinh vật thủy phânprotein trong sản xuất nước tương

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Chúng tôi nghiên cứu về các sinh vật phân giải protein và quy trình sảnxuất nước tương lên men ở quy mô nhỏ

5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu lý luận

Phương pháp tổng hợp và tìm kiếm thông tin

Phương pháp nghiên cứu thực tiển

6 Đóng góp của đề tài

Thông qua đề tài này các bạn sinh viên có thể thử sức làm loại nước chấmthơm ngon bổ dưỡng này ngay tại nhà mà vẫn hợp vệ sinh

7 Kết cấu bài tiểu luận

Ngoài phần mở đầu, kết luận và danh mục tài tiệu tham khảo, phần nộidung của tiểu luận gồm có 2 chương:

Chương 1: Cơ sở lý luận

Chương 2: Ứng dụng của vi sinh vật trong quá trình sản xuất nước tương

B NỘI DUNG Chương 1: Cơ sở lý luận

1.1 Quá trình phân giải protein của vi sinh vật

1.1.1 Cơ chế phân giải protein

Protein là một chất hữu cơ có chứa các hợp chất cần thiết cho sự sinhtrưởng và phát triển vi sinh vật Protein ở môi trường bên ngoài sẽ là nguồn thức

ăn của vi sinh vật Để có thể sử dụng được protein làm thức ăn vi sinh vật tiết ramột loại enzyme để thủy phân các liên kết peptide hoặc các polypeptide thànhcác peptide có phân tử lượng nhỏ hơn Tiếp theo là sự phân hủy các peptide trênthành các acid amin tự do ở môi trường ngoài

Sau đó được các vi sinh vật hấp thụ các acid amin tự do ở môi trường ngoàivào trong tế bào Trong tế bào vi sinh vật các acid amin sẽ được phân giải thành năng lượng cần thiết cho hoạt động sống của tế bào.

Sự chuyển amine

1.1.2 Enzim phân giải cần cho quá trình phân giải protein

Bản chất của sự thủy phân protein là sự thủy phân liên kết peptide.Do liênkết peptide là một liên kết mạnh, sự thủy phân xảy ra trong điều kiện có xúctác.Tác nhân xúc tác hóa học là axit hoặc kiềm và tác nhân xúc tác hoá sinh học

là nhóm enzym thủy phân protein có tên chung là protease

1.1.2.1 Cấu tạo của enzym protease

Protease vi sinh vật là một hệ thống rất phức tạp bao gồm nhiều enzymegiống nhau về cấu trúc, khối lượng và hình dạng phân tử nên rất khó tách radưới dạng tinh thể đồng nhất

Do là phức hệ gồm nhiều enzyme khác nhau nên protease vi sinh vậtthường có tính đặc hiệu rộng rãi cho sản phẩm thủy phân triệt để và đa dạng

Hình 1: Enzym Protease

 Cấu trúc trung tâm hoạt động (TTHĐ) của protease:

- TTHĐ của protease đủ lớn và bao gồm một số gốc acid amin và trong một

số trường hợp còn có cả cofactor kim loại

+ Các protease kim loại có TTHĐ lớn hơn vào khoảng 210 °A, có thể phânbiệt thành sáu tiểu đơn vị, mỗi tiểu đơn vị tương ứng với mỗi gốc acid amintrong phân tử cơ chất

+ Đối với các protease acid, theo nhiều nghiên cứu về cấu trúc TTHĐ củacác tinh thể protease acid của Phizopus chinensis và Endothia parasilica đã chothấy phân tử của các protease này gồm có hai hạt, giữa chúng có khe hở vàokhoảng 20 °A Khe hở này là phần xúc tác của các enzyme, các gốc Asp-35 vàAsp-215 xếp đối diện nhau trong khe ấy

- Đối với các protease không chứa cysteine, TTHĐ của chúng có tính mềmdẻo hơn do cấu trúc không gian không được giữ vững bởi các cầu disulphide.Mặc dù TTHĐ của các protease vi sinh vật có khác nhau nhưng các enzyme nàyđều xúc tác cho phản ứng thủy phân liên kết peptide theo cùng một cơ chếchung như sau:

E + S => E-S => P + E

Trong đó:

E: enzyme S: cơ chất

E - S: Phức chất enzym- cơ chất P: Là sản phẩm đầu tiên của phản ứng

1.1.2.2 Cơ chế hoạt động thủy phân protein của enzim protease

Sự thủy phân protein thành các acid amin là cơ sở của các phương phápcông nghệ chế biến nước tương:

Nhóm enzyme protease (peptide – hydrolase 3.4) xúc tác quá trình thuỷphân liên kết liên kết peptide (-CO-NH-)n trong phân tử protein, polypeptideđến sản phẩm cuối cùng là các acid amin Ngoài ra, nhiều protease cũng có khả

năng thuỷ phân liên kết este và vận chuyển acid amin như: Tác động trên mạchpolypeptide, exopeptidase:

+ Aminopeptidase: xúc tác thủy phân liên kết peptide ở đầu N tự do của chuỗi polypeptide để giải phóng ra một amino acid, một dipeptide hoặc một tripeptide

+ Carboxypeptidase: xúc tác phản ứng thủy phân liên kết peptide ở đầu C của chuỗi polypeptide và giải phóng ra một amino acid hoặc một dipeptide.+Dipeptihydrolase: xúc tác phản ứng thủy phân các liên kết dipepit

+ Proteinase: xúc tác phản ứng thủy phân các liên kết peptid nội mạch

1.1.2.3 Chức năng sinh học của enzym protease vi sinh vật

Theo nhiều tác giả thì Protease ngoại bào và Protease nội bào của vi sinhvật có thể có những vai trò khác nhau đối với hoạt động sống của vi sinh vật Các protease ngoại bào phân giải protein và các cơ chất cao phân tử khác

có trong môi trường dinh dưỡng thành các dạng phân tử thấp để vi sinh vật dễdàng hấp thu Các vi sinh vật mất khả năng tiết protease ngoại bào nên khôngthể sử dụng protein làm nguồn đạm dinh dưỡng Mặt khác quá trình tiết proteasengoại bào cũng như quá trình tổng hợp chúng ở nhiều vi sinh vật bị giảm khimôi trường có chứa một lượng lớn acid amin

Protease nội bào thường là peptidase và một số protease TheoHiroishi(1976) thì protease nội bào có vai trò quan trọng hơn protease ngoạibào, chúng có thể hoàn thành chức năng sau đây :

+ Phân giải các peptide được đưa từ môi trường ngoài vào thành các acidamin để tổng hợp tế bào hoặc đôi khi làm nguồn C , N , S , P Theo Gedbery vàDice (1974 ), tốc độ phân giải protein trong tế bào tăng lên khi vi sinh vật bịthiếu C, N, S, P sự phân hủy protein cũng tăng lên nhanh chóng trong quátrình sinh trưởng

+ Các protease nội bào có thể tham gia quá trình cải biến một số phân tửprotein, enzyme Điều này có nghĩa đối với việc hình thành và nảy mầm của bào

tử vi sinh vật

+ Các protease nội bào cũng có thể tham gia vào việc hoàn thiện chuỗipolypeptide đã có sẵn Ngoài ra, protease nội bào cũng có tác dụng phân hủy cácprotein vô dụng được tổng hợp sai do đột biến

1.1.2.4 Tính ưu việt của protease

Tính đặc hiệu của protease phụ thuộc vào bản chất của liên kết peptide vàbản chất của những nhóm hóa học ở cạnh liên kết đó.

Protease vi sinh vật có hoạt tính rất mạnh và tính đặc hiệu rộng Chúng cókhả năng phân hủy đến 80% các liên kết peptide có trong phân tử protein.Protease không chỉ phá hủy nhanh chóng và hoàn toàn các liên kết peptide mà

có khả năng phá hủy chậm một số liên kết không đặc trưng khác

Enzyme từ vi sinh vật có nhiều điểm ưu việt hơn so với các enzyme từ thựcvật và động vật bởi những lý do sau:

+ Hoạt tính enzyme vi sinh vật cao

+ Vi sinh vật sinh sản, phát triển và tổng hợp enzyme với tốc độ cực kỳ cao

và nhanh từ những môi trường đơn giản,dễ dàng phân lập trong tự nhiên

+ Vi sinh vật ảnh hưởng lớn của thành phần môi trường dinh dưỡng, tácnhân lý hóa cơ học có thể tạo ra những đột biến có tính đặc hiệu cao

+ Các protease có thể hoạt động trong dãy pH hẹp từ 5-8

1.2 Các vi sinh vật phân giải Protein.

Chi (genus) : Bacills

Loài (species) : Bacillus subtilis

Hình 2: Bacillus subtilis +Bacillus subtilis là trực khuẩn nhỏ, đầu tròn, không kết thành chuỗi,bắt

màu tím Là vi khuẩn Gram dương, có khả năng di động

+Có khả năng phân hủy protein, lipid: nhờ có khả năng tiết enzymeprotease và lipase

+Là vi khuẩn hiếu khí, thuộc nhóm vi sinh vật dị dưỡng, có khả năng sinhbào tử

+Nhiệt độ tối thích cho sinh trưởng là 36 – 500 C, tối đa khoảng 600 C, PH

Chi (genus) : Bacillus

Loài (species) : Bacillus cereus

Hình 3: Bacillus cereus +Bacillus cereus là trực khuẩn nhỏ, hình que, vi khuẩn tán huyết beta

+Là vi khuẩn Gram dương,có khả năng di động

+Có khả năng phân giải protein, cellulose và tinh bột nhờ có khả năng tiếtenzyme protease, glucosase và cellulase

+Là vi khuẩn kị khí tuỳ nghi, thuộc nhóm vi sinh vật dị dưỡng

+Có khả năng sinh bào tử

+Là vi khuẩn Gram âm, có khả năng sinh bào tử

+Là vi khuẩn kị khí, thuộc nhóm vi sinh vật dị dưỡng

+Có khả năng tiết enzyme protease, lipase và enzyme cellulase để phân giảiprotein, lipid và cellulose

Chi (genus) : Staphylococcus

Hình 5: Staphylococcus +Staphylococcus tụ cầu khuẩn sắp xếp theo mọi hướng và thường tạo thành

cụm (tụ) trông giống như chùm nho

+Là các cầu khuẩn Gram dương, không sinh bào tử

+Là vi sinh vật kị khí, thuộc nhóm vi sinh vật dị dưỡng

+Có khả năng phân giải protein, tinh bột nhờ có khả năng tiết enzymeprotease và glucosase

Chi (genus) : Aspergillus

Loài (species) : Aspergillus flavus

Hình 6: Aspergillus flavus +Aspergillus flavus là một loai nấm mốc nhỏ, hình que

+Là vi khuẩn Gram dương, có khả năng sinh bào tử

+Là vi sinh vật kị khí,thuộc nhóm vi sinh vật dị dưỡng

+Có khả năng tiết enzyme protease và glucosase để phân giải protein vàtinh bột

Chi (genus) : Aspergillus

Loài (species) : Aspergillus oryzae

Hình 7: Aspergillus oryzae

+Aspergillus oryzae là một loại nấm nhỏ hình que.

+Là vi khuẩn Gram dương, có khả năng sinh bào tử

+Thuộc nhóm vi sinh vật dị dưỡng

+Nấm sợi Aspergillus oryzae lại có hoạt tính cao về các enzyme amylase

và proteinase nên có khả năng phân hủy protein và tinh bột cao

+Là vi khuẩn Gram dương, có khả năng sinh bào tử

+Là vi sinh vật kị khí,thuộc nhóm vi sinh vật dị dưỡng

+Nấm sợi có hoạt tính cao về enzyme proteinase nên có khả năng phân hủyprotein cao

1.2.8 Flavobacterium

Giới (regnum) : Bacteria

Ngành (phylum) : Bacteroidetes

+Là vi khuẩn Gram âm, có khả năng sinh bào tử

+Là vi sinh vật kị khí tùy tiện, thuộc nhóm vi inh vật dị dưỡng

+Có khả năng phân hủy tinh bột và protein cao nhờ có khả năng tiếtenzyme amylase và protease có hoạt độ cao

Hình 9: Treptomyces +Treptomyces là một loại vi khuẩn dang sợi.

+Là vi khuẩn Gram dương, có khả năng sinh bào tử

+Là vi sinh vật kị khí, thuộc nhóm vi sinh vật dị dưỡng

+Phân hủy tốt protein, lipid nhờ có hệ enzyme protease, lipase có hoạt tínhcao

+Có hình cầu hay hình bầu dục

+Là cầu khuẩn Gram dương, không di động

+Là vi sinh vật hiếu khí

+Thuộc nhóm vi sinh vật dị dưỡng

+Có khả năng tiết enzyme protease, lipase và amylase để phân hủy cơ chấtcao

1.2.11 Clostridium

Giới (regnum) : Bacteria

+Là trực khuẩn Gram dương

+Có khả năng sinh bào tử

+Là vi sinh vật kị khí

+Thuộc nhóm vi sinh vật dị dưỡng

+Có khả năng tiết enzyme Protease

Hình 13: Bifidobacterium +Bifidobacterium là vi khuẩn có dạng hình que

+Là vi khuẩn Gram dương

+Không có thể di động

+Là vi sinh vật kị khí

+Thuộc vi sinh vật dị dưỡng

+Có khả năng phân giải protein nhờ có hệ enzyme

Chi (genus) : Penicillium

Loài (species) : Penicillium camemberti

Hình 14: Penicillium camemberti

+Penicillium camemberti là một loài nấm có dạng sợi

+Là vi sinh vật Gram dương

+Có khả năng sinh bào tử

+Là vi sinh vật hiếu khí

+Thuộc vi sinh vật dị dưỡng

+Có khả năng phân giải protein nhờ hệ enzyme protease

+Là vi sinh vật Gram dương

+Có khả năng sinh bào tử

+Là vi sinh vật hiếu khí

+Thuộc vi sinh vật dị dưỡng

1.2.15 Pseudomonas

Giới (regnum) : Bacteria

+Là trực khuẩn Gram âm,có khả năng di động

+Là vi sinh vật hiếu khí

+Thuộc nhóm vi sinh vật dị dưỡng

+Có khả năng phân giải protein, lipide, tinh bột nhờ hệ enzyme protease, lipase và amylase

Chương 2: Ứng dụng của vi sinh vật trong quá trình sản xuất nước tương.

2.1 Sơ lược về nước tương (xì dầu).

Tương, tàu vị yểu hay xì dầu là một loại nước chấm được sản xuất bằngcách lên men hạt đậu tương, ngũ cốc rang chín, nước và muối ăn Nước chấmnày, có nguồn gốc từ Trung Quốc, được sử dụng khá phổ biến trong ẩm thựcchâu Á tại khu vực Đông Á và Đông Nam Á, gần đây cũng xuất hiện trong một

số món ăn của ẩm thực phương Tây, đặc biệt là một thành phần của nước chấmWorcestershire

Tương là một sản phẩm lên men từ các nguồn nguyên liệu giàu gluxit vàgiàu đạm Đây là một dạng thực phẩm cổ truyền của Việt Nam Tương là mộtloại thực phẩm gắn liền với văn hóa dân tộc ta từ xưa cho đến nay và mãi mãi vềsau Đã có những địa phương làm tương nổi tiếng như Bần Yên Nhân (HưngYên), Cự Đà (Hà Đông) và Nam Đàn (Nghệ An).

2.1.2 Đặc tính của nước tương.

Xì dầu đích thực được lên men bằng men (là một trong hai loài nấmAspergillus oryzae hay A sojae) cùng các vi sinh vật liên quan khác Xì dầuđích thực được sản xuất từ hạt đậu tương nguyên vẹn, nhưng nhiều loại rẻ tiềnđược làm từ protein đậu tương thủy phân Các loại xì dầu này không có màu sắc

tự nhiên của xì dầu đích thực và nói chung được nhuộm màu bằng nhuộm màucaramel để có màu nâu đen

Theo truyền thống thì hạt đậu tương được lên men trong các điều kiện tựnhiên, chẳng hạn như trong các bình hay lọ to để ngoài trời mà người ta tin rằng

sẽ tạo thêm hương vị cho sản phẩm

Dường như tất cả các loại xì dầu đều được bổ sung thêm một chút rượu khiđóng chai, có tác dụng như là chất bảo quản chống hư hỏng Xì dầu nói chungnên được bảo quản nơi râm mát, tránh bị nắng chiếu trực tiếp Chai xì dầu đã mởnắp mà không được lưu giữ nơi có nhiệt độ thấp sẽ hơi bị đắng Mặc dù có nhiềuloại xì dầu, nhưng tất cả đều là chất lỏng màu nâu có vị mặn, được sử dụng đểtạo gia vị khi nấu ăn hay làm nước chấm

2.1.3 Vai trò, công dụng của nước tương trong đời sống

Nước tương không phải là chất bổ sung đạm mà chỉ là nước chấm làm tăngkhẩu phần vị, chứ không có tác dụng bổ sung dinh dưỡng, không nên ăn nhiều.Theo các nhà y học, mỗi ngày cơ thể con người cần 60g chất đạm, nên nướctương không phải là chất cung cấp đạm chính Độ đạm thấp nhất trong nướctương là 10N Người bình thường, tối đa mỗi ngày ăn 10ml nước tương thì chấtđạm do nó mang lại là không đáng kể

Nước tương sử dụng chế biến các món ăn làm tăng tính hấp dẫn cho món

ăn, tạo nên màu sắc thật đẹp mắt Dùng nước tương để chấm các loại rau củquả… tăng tính ngon miệng, kích thích ăn nhiều

2.2 Quy trình sản xuất nước tương.

2.2.1 Nguyên liệu.

2.2.1.1 Nguyên liệu chính