tổng quan về quá trình lên men và vi sinh vật

- Tuy nhiên, Axit axetic còn được biết đến là một chất ức chế tăng trưởng cho nấm men, sự hiện diện của một số lượng lớn axit acetic hoặc vi khuẩn axit lactic có thể đối kháng với tăng t

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Môn CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN THỨC UỐNG GVHD: TS.Dương Thị Ngọc Diệp

BÀI BÁO CÁO:

TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH

LÊN MEN VÀ VI SINH VẬT

LỚP DH14VT

NHÓM 5

DANH SÁCH NHÓM 5:

1 Phùng Thị Phương Mai 14125215

2 Nguyễn Thị Minh Trang 14125441

3 Nguyễn hoàng Thảo Vy 14125523

4 Phạm Nguyễn Ánh Hồng 14125127

5 Nguyễn Thị Ngọc Nhi 14125288

6 Phạm Thị Hoa 14125120

7 Gip Lương Ngọc 14125262

8 Đỗ Thị Mỹ Trang 14125446

9 Nguyễn Thị Thảo Nguyên 14125273

10.Đặng Thị Yến Vi 14125512

ATP được sản xuất thông qua khớp nối với động lực proton trong

phosphoryl hóa oxy hóa, mỗi phân tử glucose tạo được hai ATPs, nếu

có mặt oxy, pyruvate bị oxy hóa hoàn toàn, khoảng 38 ATPs được tạo thành

- Lên men sản xuất các phân tử tương đối giàu năng lượng như axit lactic hoặc ethanol trong điều kiện kỵ khí, do đó năng lượng được

chiết xuất từ các phân tử glucose ban đầu là ít

- Các vi sinh vật liên quan đến quá trình lên men tạo thành một nhóm

đa dạng, bao gồm cả prokaryote (vi khuẩn) và sinh vật nhân chuẩn (nấm men và nấm mốc)

- Sinh vật khác gồm nấm, vi khuẩn axit axetic và vi khuẩn lactic cũng

có thể ảnh hưởng đến tiến độ của quá trình lên men

- Điều quan trọng là phải hiểu được tác động của vi sinh vật,

Mặc dù giàu đường và chất dinh dưỡng khác, nhưng phần lớn các vi sinh vật sẽ không phát triển mạnh trong nước ép nho và vải

- Nấm men chính tham gia vào hầu hết các quá trình lên men cồn công nghiệp là Saccharomyces cerevisiae

- VD: khi sản xuất bia, các hạt nảy mầm và kết quả mạch nha lần đầu tiên được chiết xuất bằng nước nóng để mang lại dịch nha có chứa lên men mono-, di- và trisaccharides và khác chất dinh dưỡng nấm men

- Lên men Lactic được thực hiện bởi các vi khuẩn axit lactic (LAB) rất quan trọng trong việc sản xuất sữa chua, phô

mai, dưa bắp cải và dưa chua

- Axit acetic có tầm quan trọng lớn trong sản xuất giấm ăn

- Tuy nhiên, Axit axetic còn được biết đến là một chất ức chế tăng trưởng cho nấm men, sự hiện diện của một số lượng lớn axit acetic hoặc vi khuẩn axit lactic có thể đối kháng với tăng trưởng nấm men và có thể cản trở quá trình lên men

2.2 LÊN MEN CỒN 2.2.1 Giới thiệu

Nhân loại đã khai thác khả năng của nấm men trong sản xuất bia và làm bánh

mì và nấm men là một trong những sinh vật đầu tiên được thuần hóa Nó được phát hiện vào giữa thế kỷ XIX, chuyển đổi glucose và fructose thành ethanol và carbon dioxide Các loài quan trọng nhất liên quan đến sản xuất rượu vang và bia

là Saccharomyces cerevisiae.

2.2.2 Sinh lý học và

hình thái học của nấm

men

• - Nấm men được sử dụng trong sản xuất bia và

rượu vang (S cerevisiae) là loại nấm đơn bào

mà chủ yếu thuộc Ascomycetes và

Deuteromycetes Chúng không có chất diệp

lục, không thể quang hợp và chúng có thể trao đổi chất có hoặc không có oxy.

- S Cerevisiae được biết đến là gen tốt nhất

của tất cả các vi sinh vật và bộ gen của nó có

nhiều ứng dụng trong công nghệ lên men S

cerevisiae được phân loại như ascomycetes vì

nó sản sinh bào tử qua giảm phân (sinh sản hữu tính)

- Các men lưỡng bội trong quần thể tạo ra bốn hạt nhân đơn bội, được kết hợp thành bốn chủng sinh bào tử chống chọi, gói gọn trong ascus

- Một đặc tính của S cerevisiae là chúng

cũng có thể phát triển vô tính, tức là chúng có thể sinh sản vô tính bằng cách nảy chồi đa phương hoặc ép đùn một nụ từ một điểm trên

tế bào mẹ.

- Nấm men có thành tế bào và màng tế bào Thành tế bào có periplasma và màng plasma bao quanh và encases tế bào chất men Nó chiếm 15-20% trọng

lượng khô của tế bào, và kết hợp chitin

-Vách tế bào là khá cứng nhưng ít đàn hồi và bao gồm

mannoproteins và –glucans

- Cấu trúc của tế bào chất có chứa các bào quan như nhân tế bào, lưới nội chất, bộ máy Golgi, ti thể và không bào, được duy trì bởi một bộ khung tế bào

2.2.3 Yêu cầu dinh dưỡng của nấm men

- Nấm men có nhu cầu dinh dưỡng tương đối đơn giản

Vì không thể thực hiện quang hợp, nên yêu cầu của chúng

về nguồn carbon giảm,chẳng hạn phức tạp như một

disaccharide hoặc đơn giản như acetate

- Ngoài ra, chúng cần các vitamin biotin và một nguồn nitơ hữu cơ như ammonium, urê hoặc các axit amin

- Tuy nhiên, trong sản xuất bia và rượu vang, khả năng

dinh dưỡng quan trọng nhất của nấm men (cụ thể là S

cerevisiae) là không có oxy, chúng có thể chuyển đổi

mono- và disaccharides rượu thông qua quá trình lên men Chúng cũng có khả năng hô hấp (sử dụng oxy như một

chất nhận electron trong quá trình trao đổi chất) trong điều kiện cụ thể

- Trong tất cả các chất dinh dưỡng của nấm men trong quá trình lên men rượu, nitơ là chất quan trọng sau carbon

2.2.4 Sử dụng nấm men tự nhiên trong quá trình lên men

Trước đây, các nhà sản xuất dựa trên nền văn hóa làm men khởi động từ nước ép (sulfited để loại bỏ nấm men tự nhiên và thúc đẩy

S cerevisiae), được cấy vào dịch lên men ở 2-5% sau nhiều ngày

lên men tự nhiên

-Lên men tự nhiên có thể được coi như một quá trình vi sinh không đồng nhất liên quan đến sự phát triển tuần tự của nấm men khác nhau và các loài vi sinh vật khác, bị ảnh hưởng bởi các điều kiện

lên men phổ biến trong một thùng hoặc bể

Khi dịch nho được sử dụng như một môi trường nuôi cấy, áp lực chọn lọc có lợi cho nấm men với dị hóa

lên men hiệu quả nhất, đặc biệt là các chủng S

cerevisiae và chủng của các loài liên quan chặt chẽ

như S bayanus Vì lý do này, S cerevisiae gần như

đã được ưa thích để bắt đầu quá trình lên men rượu

Khi dịch nho được sử dụng như một môi trường nuôi cấy, áp lực chọn lọc có lợi cho nấm men với dị hóa

lên men hiệu quả nhất, đặc biệt là các chủng S

cerevisiae và chủng của các loài liên quan chặt chẽ

như S bayanus Vì lý do này, S cerevisiae gần như

đã được ưa thích để bắt đầu quá trình lên men rượu

2.2.5 Yếu tố độc hại

- Một số loài nấm men, chủng (zymocidal) tiết ra độc tố

exocellular vào môi trường của chúng để tạo ra lợi thế cạnh

tranh trong quá trình lên men với các chủng nhạy cảm khác của

nấm men Hiện tượng độc hại trong S cerevisiae có liên quan

với sự hiện diện của một chất độc proteinaceous (zymocin),

được tiết ra bởi các chủng zymocidal và gây tử vong với các

chủng nhạy cảm của cùng một loài Một số chủng nấm men có miễn dịch với những zymocins, nhưng không sản xuất độc tố tích cực

- Trong rượu vang đỏ, yếu tố độc hại bị bất hoạt sau khoảng ba ngày, có thể do tạo phức của các protein độc tố với tannin Khi các yếu tố độc hại là các protein, sự ổn định của chúng sẽ bị ảnh hưởng bởi nồng độ ethanol, nồng độ SO2 và bằng cách tương tác với tannin và các chất phạt tiền Yếu tố độc hại cũng bị bất hoạt bởi nhiệt độ, pH cao nhưng được ưa chuộng bởi các điều kiện có tính axit của nho (pH 2,8-3,8)

2.2.6 Cấy các chủng nấm men

- Các nhà sản xuất bia hoặc làm rượu hiện nay có thể lựa chọn một chủng thương mại cho một thuộc tính cụ thể (ví dụ, khả năng thủy phân monoterpene từ các tiền chất glycolysated)

- Trong quá trình cấy lên men, sự sinh trưởng chủ động của giống khởi động chi phối các loài nấm nem có sẵn trong dịch nho Phải có đầy đủ nấm men để lên men dịch trái cây theo yêu cầu, và sử dụng đúng liều lượng theo khuyến cáo của nhà sản xuất

-Sự lựa chọn nấm men dựa trên kinh nghiệm cũ, cách thức yêu cầu thức uống và thông số kỹ thuật của giống nấm men.-Theo khuyến cáo của nhà sản xuất, bù nước rất quan trọng với nấm men, vì nó ảnh hưởng đến màng tế bào và nếu sử

dụng sai phương pháp thì khả năng hoạt động giảm

2.2.7.Thùng lên men.

- Hệ thống lên men sẽ phản ánh cách thức làm ra thức uống, truyền thống của các nước sản xuất và thông lượng

của người sản xuất

- Thiết kế thùng, phương thức hoạt động và sự đa dạng của

nấm men sử dụng đều có liên quan

- Vật liệu xây dựng, dễ làm sạch, công suất, hình học, giám sát và kiểm soát các cơ sở đều quan trọng khi một hệ

thống đang được xem xét để sử dụng

2.2.8 Sự phát triển số lượng nấm men

Quá trình lên men điển hình là gần như hoàn toàn yếm khí

Hình 2.2.1 Sơ đồ quá trình lên men Đây là một sơ đồ tổng hợp; sơ đồ thực tế phụ thuộc vào nhiệt độ và các yếu tố

khác

+ Pha lag thường kéo dài 1-2 ngày, nhưng có thể lâu hơn nếu nồng độ SO2 cao, không có đủ men hoặc có những chất ức chế khác như dư lượng

thuốc phun trong dung dịch Nhiệt độ nên được kiểm soát trong giai đoạn tăng trưởng theo cấp số nhân để đạt được tốc độ lên men mong muốn

+Về phía kết thúc của pha tĩnh sinh khối giảm, nhưng quá trình chuyển hóa đường quan trọng vẫn diễn ra trong sự vắng mặt của 1 lượng sinh

khối Các đường được sử dụng như là một nguồn năng lượng trong giai

đoạn này, và không phải là một nguồn carbon trong sản xuất sinh khối Sự chuyển đổi sang rượu giảm dần về phía cuối của pha tĩnh vì nấm men bị cạn kiệt thực phẩm và chết

+Trong giai đoạn suy vong, tổng số tế bào sống và chết vẫn không đổi nhưng môi trường thiếu dinh dưỡng làm khả năng sống của tế bào suy giảm Sau đó, hoạt động của tế bào sống giảm dần và quá trình lên men kết thúc Tế bào

nấm men sẽ kết tủa và tạo thành một lớp dày đặc ở dưới cùng của thùng lên men

*Các yếu tố ảnh hưởng đến sự tăng trưởng của tế bào nấm men: Nồng độ đường có thể gây ra vấn

đề nếu nó quá cao, hoặc quá thấp

+Nếu nó quá thấp, men có thể thở và nếu có bất

kỳ sự hiện diện nào của oxy thì sẽ sản xuất

carbon dioxide và nước thay vì ethanol

+Nếu nó quá cao, áp suất thẩm thấu tác dụng

lên men có thể trì hoãn sự khởi đầu của quá trình lên men Khoảng 50% tổng lượng đường có sẵn

được sử dụng trong giai đoạn tăng trưởng theo

cấp số nhân, trong khi phần còn lại là lên men bởi

các tế bào trong pha tĩnh

- Nồng độ ethanol, như đã nói, có thể ảnh hưởng đến men như là một chất độc sinh lý Nó xuất hiện chủ yếu là do ethanol tác động vào màng cấu trúc và tính thấm của

màng.

- Một số yếu tố được biết đến để tăng cường tác dụng ức chế ethanol: nhiệt độ lên men cao, hạn chế chất dinh dưỡng (Đặc biệt là oxy, nitơ, lipid và các ion magiê) và trao đổi chất của sản phẩm, chẳng hạn như cồn khác, aldehyde, ester, các acid hữu cơ (đặc biệt là axit octanoic và

decanoic), axit béo nhất định, và cacbonyl và các hợp chất

phenolic

- Mặc dù Saccharomyces là hầu như không thể tìm thấy trong hệ

vi khuẩn thực vật của nho, nó nhanh chóng chiếm ưu thế quá trình lên men để hoàn toàn trở thành gần như giống men tinh khiết

được quan sát thấy

- Tế bào nấm men nhân lên trong nước nho lên men và động học của quá trình sinh trưởng tăng theo một đường cong tăng trưởng của vi sinh vật điển hình (Hình 2.2.1) phản ánh sự tăng trưởng của

số lượng tế bào và giảm nồng độ đường (◦ Brix)

- Khoảng 50% tổng lượng đường có sẵn được sử dụng trong giai đoạn tăng trưởng theo cấp số nhân, trong khi phần còn lại là lên

men bởi các tế bào trong pha tĩnh

- Nhiệt độ nên được kiểm soát trong giai đoạn tăng trưởng theo cấp

số nhân để đạt được tốc độ lên men mong muốn

- Trong giai đoạn sinh trưởng và ổn định, phần lớn các đường được

chuyển thành rượu

2.2.9 Tổng quan về lên men cồn

- Trong điều kiện yếm khí, thiếu oxy, nấm men có thể chỉ chuyển đổi đường thành carbon dioxide và ethanol, phục hồi ít năng lượng được lưu trữ trong các phân tử

bề mặt:

C6H12O6 + men → 2C2H5OH + 2CO2 + ATP

(năng lượng) + Nhiệt

-Trong quá trình lên men điển hình, khoảng 95% lượng đường được chuyển thành ethanol và carbon dioxide, 1% vào vật chất di động và 4% thành sản phẩm khác

như glycerol

- Tùy về điều kiện hiếu khí (có hoặc không có oxy), nấm men có thể làm giảm lượng đường bằng hai con đường chuyển hóa: quá

trình lên men rượu và hô hấp

-Quá trình lên men đòi hỏi hai enzyme để chuyển hóa pyruvate: +đầu tiên là tham gia vào các phản ứng khử carboxyl của

pyruvate tạo thành acetaldehy +thứ hai làm giảm acetaldehyde tạo NAD + và H + cũng như ethyl alcohol Nó không cần oxy hoặc một hệ thống vận chuyển điện tử, mà sử dụng một phân tử hữu cơ như chất nhận electron

- Trong một môi trường chất lỏng như nước ép nho, nấm men sẽ lắng xuống đáy của thùng chứa và phát triển kỵ khí, tiêu thụ bất

kỳ oxy hòa tan mà chúng ôxi hóa nguồn carbon đơn giản, chẳng hạn như monosacarit, ethanol, acetate hoặc glycerol, với carbon

dioxide và nước

- Một hợp chất carbon (acetaldehyde) đóng vai trò như chất nhận điện tử đầu cuối của các electron, được tạo ra trong quá chuyển hoà đường thành năng lượng dưới dạng ATP, và

ethanol được hình thành

- Trong sản xuất rượu vang, hàm lượng đường trong nho là một yếu tố rất quan trọng khi chọn thời gian thu hoạch Lượng đường còn lại trong dung dịch sau khi lên men cũng là một yếu

tố quan trọng riêng và lượng đường sau cùng, axit và nồng độ

cồn cũng phải được cân đối trong thành phẩm

- Trong nấm men, ở điều kiện lên men, thì pyruvate bị

decarboxyl hoá thành acetaldehyt, và sau đó làm giảm lượng ethanol Tỷ lệ lên men và nồng độ cồn trong rượu được sản xuất trên một đơn vị đường trong suốt sự chuyển hoá của dịch nho thành rượu có tầm quan trọng thương mại đáng kể

- Trong môi trường có lượng đường cao, nấm men chỉ có thể chuyển hóa

đường bằng con đường lên men

- Bước đầu tiên trong quá trình lên men rượu là việc vận chuyển đường vào trong tế bào Điều này có thể được thực hiện trong một trong ba cách: khuyếch tán đơn giản, tạo điều kiện (hoặc người vận chuyển qua trung gian) khuếch tán, vận chuyển tích cực Glucose, fructose và mannose được vận chuyển thông qua khuếch tán trung gian, một quá trình đòi hỏi năng lượng sử dụng cùng một hệ thống vận chuyển

- Nấm men không thể chuyển hóa disaccharide trực tiếp mà nó phải được thủy phân bên ngoài tế bào bằng một enzyme phân cắt invertase Sau đó các monosaccharides (glucose và fructose) được vận chuyển vào trong tế bào Còn các maltose disaccharide được vận chuyển vào tế bào thông qua một cơ chế vận chuyển tích cực, đòi hỏi phải có năng lượng

- Nói cách khác, tốc độ sản xuất rượu bằng men rượu chủ yếu giới hạn

bởi tỷ lệ glucose và fructose hấp thu

Đầu ra: ADP ATP (x2)

- Quá trình đường phân gồm 10 bước, từng bước được xúc tác bởi các enzyme cụ thể Mạch carbon của các phân tử đường dần bị chia cắt, và năng lượng từ việc cắt đứt liên kết nhận được dưới dạng của ATP từ ADP và NADH từ NAD+

- Các pyruvate được tạo ra trong quá trình đường phân được chuyển thành acetaldehyl, giải phóng các carbon dioxide như

một sản phẩm phụ.

- Trong Saccharomyces, NADH từ quá trình đường phân hoạt động như một chất khử, làm giảm acetaldehyl và hoạt động như những chất nhận điện tử cuối cùng để sản xuất ethanol

- Không có mặt oxy, các tế bào nấm men không thể chuyển năng lượng được lưu trữ trong NADH cho ADP, do đó tạo ra ATP khác thông qua việc giảm acetaldehyl Nếu không có bước này và sự tái sinh của NAD+, quá trình lên men glucose

sẽ chấm dứt hoàn toàn

- Trong giai đoạn đầu của quá trình lên men, sự tăng trưởng và phân chia tế bào yêu cầu giảm năng lượng một cách đáng kể

- Giai đoạn tiếp theo trong quá trình chuyển hóa đường hô hấp là chu trình acid

citric, còn được gọi là chu trình Kreb.

- Enzyme của chu kỳ này và chuỗi vận chuyển điện tử nằm trong một hạt cơ quan nội sinh, các ty thể Trong điều kiện yếm khí, trưởng thành, ty thể đầy đủ chức

năng không có mặt trong Saccharomyces.

- Khi hô hấp hoàn toàn phụ thuộc vào lượng oxy, các enzyme cần thiết chỉ được

tổng hợp khi cần.

- Nếu không có oxy, sự thay đổi chuyển hóa này sẽ không diễn ra.

- Trong chu kỳ, pyruvate là decarboxylated và phản ứng với coenzym A để tạo thành acetyl-CoA Các enzyme xúc tác phản ứng này là pyruvate-dehydrogenase Acetyl-CoA ngưng tụ với một acid bốn carbon, acetate oxalic, để tạo thành citrate, một acid sáu carbon, cũng như một loạt các acid trung gian hữu cơ khác.

- Trong điều kiện lên men, phản ứng khử carboxyl của pyruvate để tạo CoA không hoạt động Một chu trình acid citric hoàn thành tạo ra hai phân tử carbon dioxide, Ba phân tử (NADH), một phân tử flavin adenin dinucleotide

acetyl-(FADH2) và cũng tái tạo oxalic acetate.)