Bài giảng Chương 3 - Ứng dụng vi sinh vật trong bảo quản và chế biến thực phẩm - Trường Đại Học Quốc Tế Hồng Bàng

thường dùng các điện tử từ các hợp chất hữu cơ để khử các hợp chất hữu cơ như ở phần lớn các vi khuẩn, nấm và động vật.. Đa phần các VSV sử dụng trong CNSH thuộc.[r]

CHƯƠNG III:

ỨNG DỤNG VI SINH VẬT TRONG

BẢO QUẢN

VÀ CHẾ BIẾN THỰC PHẨM

1 Công nghệ sinh học vi sinh vật

2 Ứng dụng vi sinh vật trong chế biến thực phẩm

3 Ứng dụng vi sinh vật trong bảo quản thực phẩm

I Công nghệ sinh học vi sinh vật

1.1 CƠ SỞ CỦA CÔNG NGHỆ SINH HỌC VI SINH VẬT

• Trước khi có thuật ngữ Công nghệ sinh học vi

sinh vật người ta đã nói đến Vi sinh vật ứng dụng hay còn gọi là Vi sinh vật công nghiệp, Công

nghệ vi sinh vật hay Công nghệ lên men Đây là

bộ phận lớn nhất của công nghệ sinh học, nó ra đời sớm nhất và có quá trình phát triển lâu dài nhất, có nhiều sản phẩm và doanh số lớn nhất Công nghệ sinh học vi sinh vật được phát triển trên cơ sở các kiến thức về thế giới vi sinh vật, cũng như các kĩ thuật và quy trình công nghệ đặc trưng

• Các nhóm vi sinh vật (VSV) chủ yếu trong

CNSH là : vi khuẩn (Bacteria), nấm men, nấm mốc, vi tảo (tảo đơn bào)

• Trong lịch sử tiến hoá của sinh giới, vi

khuẩn là những sinh vật đầu tiên xuất hiện cách nay khoảng 3,5 tỉ năm (hay 3,8 tỉ năm) Chúng phát triển trong hơn 2 tỉ năm đầu khi

có sự sống và gây những biến đổi địa hoá

(geochemical) lớn trên hành tinh, mà bầu khí quyển O2 do các vi khuẩn quang hợp tạo ra

là một ví dụ, và đồng thời từ chúng hình

thành nên các sinh vật đa bào ngày nay Các

vi sinh vật rất linh hoạt và đa dạng Tiềm

năng ứng dụng của chúng còn rất lớn

• 1.2 ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA VI SINH VẬT

• Đặc điểm nổi bậc nhất của các vi sinh vật là kích

thước rất nhỏ bé Đặc điểm này chi phối hình dạng, hoạt động trao đổi chất và cả sự phân bố rộng trong

tự nhiên

• 1.2.1 Kích thước nhỏ bé

• Phần lớn các vi khuẩn có đường kính vài

micromet (1/1000mm) Tế bào nấm men rượu

Saccharomyces cerevisiae có lớn hơn nhiều nhưng

cũng không quá 10 micromet Tế bào nấm men và vi khuẩn đều phải nhìn dưới kính hiển vi quang học mới thấy, còn virus thì phải cần đến hiển vi điện tử Chúng

có mặt ở khắp mọi nơi mà ta không thấy Khi nhiễm trên mẫu vật ở mức ít thì không thấy được, khi trông thấy dấu vết thì chúng đã sinh sản đến hàng tỉ tỉ tế bào Do đó, việc đánh giá sự hiện diện và số lượng của chúng có khó khăn Hơn nữa, các thao tác nuôi cấy và phân tích mẫu đều phải thực hiện trong điều kiện vô trùng

• 1.2.2 Dinh dưỡng

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

• Đa số VSV là đơn bào nên chúng nhận các chất dinh

dưỡng bằng hấp thụ (absorbtion) qua bề mặt tế bào, khác với thực vật là tự dưỡng (autotrophic) và động vật

là nội tiêu hoá (ingestion) qua ống tiêu hoá Chính điều

này mà việc nuôi các VSV được thực hiện dễ dàng và

nhanh chóng

• b) Kiểu dinh dưỡng đa dạng

• – Quang tự dưỡng (Photoautotroph) : VSV dùng năng

lượng ánh sáng khử CO 2 như ở các vi khuẩn tía (purple

bacteria), Cyanobacteria, tảo và thực vật

• – Quang dị dưỡng (Photoheterotroph) : VSV dùng năng

lượng ánh sáng để khử các hợp chất hữu cơ như ở các vi khuẩn tía và lục không lưu huỳnh (purple nonsulfur and green nonsulfur bacteria)

• – Hoá tự dưỡng (Chemoautotroph) : VSV

thường dùng các điện tử từ các hợp chất vô

cơ để khử CO2 như ở các vi khuẩn

hydrogen, sulfur, sắt và nitrit hoá (hydrogen, sulfur, iron and nitrifying bacteria)

• – Hoá dị dưỡng (Chemoheterotroph) : VSV thường dùng các điện tử từ các hợp chất

hữu cơ để khử các hợp chất hữu cơ như ở phần lớn các vi khuẩn, nấm và động vật Đa phần các VSV sử dụng trong CNSH thuộc

kiểu dinh dưỡng này và glucose là chất cung cấp năng lượng chủ yếu Nhờ vậy mà các

VSV dễ nuôi từ các nguồn phụ phế phẩm

khác nhau có glucose và một số loại đường khác Ngoài ra, các điều kiện yếm khí và háo khí có ảnh hưởng đáng kể đến thu hồi sản

phẩm

• 1.2.3 Sự phân bố và vai trò trong sinh quyển

• Nếu như sự phân bố rộng rãi của thực vật dễ nhận

thấy qua màu xanh ở trên Trái đất thì các vi khuẩn là

một thế giới vô hình khó nhìn thấy bằng mắt thường, nhưng chúng hiện diện ở khắp nơi, cả ở những nơi có

điều kiện sống khắc nghiệt như băng giá ở các cực của Trái đất, hay như ở dưới đáy đại dương Hiện nay, tổng số lượng tế bào vi khuẩn trên Trái đất ước tính khoảng 5.10 30 , tổng sinh khối của nó gần bằng của thực vật trên cạn Lượng carbon chứa trong vi khuẩn khoảng 350 – 550 tiû tấn với khối lượng khô khoảng

700 – 1100 tiû tấn Trong khi đó, lượng carbon của thực vật trên cạn khoảng 550 tiû tấn Vi khuẩn chứa

số lượng nitrogen và phosphore 10 lần nhiều hơn của thực vật, ước khoảng 85 – 130 tiû tấn nitrogen và 9 –

14 tiû tấn phosphore

• Do tỉ lệ của bề mặt/thể tích lớn nên

hoạt động sống vi sinh vật diễn ra

nhanh hơn nhiều so với động vật và

thực vật Tương ứng với hoạt động

sống mạnh, nhịp độ tăng trưởng của VSV rất cao, thời gian thế hệ ngắn nên sinh sản nhanh, tạo sinh khối lớn khi

có đủ dinh dưỡng Tế bào E coli nhân đôi chỉ trong 20 phút Nấm men nhân đôi chậm hơn, nhưng cũng chỉ trong 2

• 1.2.4 Sự đa dạng của các phản ứng hoá học

• Các phản ứng sinh hoá trong cơ thể VSV thường

đơn giản hơn nhiều so với trong cơ thể động, thực vật

Nhưng mỗi loài có một số phản ứng riêng nên các

phản ứng sinh hoá của các loài VSV khác nhau rất đa

dạng Dù một hợp chất có phức tạp đến đâu, trong

thiên nhiên đều có các VSV sử dụng hoặc phân hủy chúng Sản phẩm do loài này tạo ra có thể được loài khác sử dụng

• Mỗi loài thường tạo ra một số chất trao đổi thứ cấp

(secondary metabolites) đặc hiệu giúp cho chúng phát triển tốt hơn và kìm hãm một số loài khác Ví dụ : các loài nấm men rượu thích nghi với nồng độ đường cao

và tạo ra rượu là chất hạn chế sự phát triển nhiều loài

khác Do đặc điểm này, sản phẩm khi bị nhiễm sẽ kìm

hãm sự tăng trưởng của các chủng sản xuất

Từ những đặc điểm chung của các vi sinh vật vừa nêu, trong sản xuất cần lưu ý :

– Cách tốt nhất để tránh nhiễm là tạo môi trường chọn lọc thích hợp cho đối tượng sản

xuất Xu hướng hiện nay là sử dụng các VSV cực đoan nhằm hạn chế nhiễm các VSV bình thường

– Sản xuất bằng các VSV có nhiều biến động và diễn biến nhanh, cần xử lí kịp thời

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỬ TRÙNG

• – Đốt cháy : Dùng lửa đèn cồn hoặc gas đốt cháy các

dụng cụ kim loại như que cấy, kẹp, kéo, dao

• – Nhiệt khô dùng để diệt trùng các dụng cụ kim loại

hay thủy tinh trong lò Pasteur (1800 C trong 30 phút hay 160 0 C trong 2 giờ)ø

• – Nước sôi diệt được các tế bào sinh dưỡng

• – Hơi nước bão hoà dưới áp suất cao sẽ cho nhiệt độ

cao hơn 100 0 C như ở áp suất thường (1atm), áp suất hơi nước tương ứng với 121 0 C Dụng cụ để khử trùng

thông dụng là nồi hấp áp suất (autoclave)

• – Hấp Pasteur (Pasteurisation) : Một số thực phẩm như

sữa ở nhiệt độ cao sẽ mất một phần phẩm chất, và phương pháp hấp Pasteur được sử dụng để khử trùng cho sữa (đun nóng hơn 1 lần ở 63 0 C trong 30 phút hoặc ở 72 0 C trong 15 giây)

• 1.3.2 Phương pháp lọc

• Dùng cho vật lỏng, trong và có độ nhạy

tương đối yếu nhưng không chịu được nhiệt

độ cao trên 60 0 C Vật đem lọc qua một màng lọc xốp có những 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 bằng sứ, amiante,

cellulose… Trong các phòng vô trùng hiện

đại thường dùng màng bông thủy tinh lọc

khí để hạn chế nhiễm

1.3.3 Diệt trùng bằng bức xạ

• Tia tử ngoại (UV), tia X và các tia

phóng xạ ion hoá như tia alpha, beta, gamma, … đều có khả năng diệt trùng Tia tử ngoại thường được dùng nhất trong diệt trùng không khí các bệnh viện hoặc các phòng cấy vi sinh vật Tia tử ngoại chỉ diệt trùng bề mặt, không thấm sâu vào phẩm vật

1.3.4 Phương pháp hoá học

• Nhiều hoá chất có khả năng diệt trùng Rượu

cồn (trên 70 o C) thường được dùng để sát trùng ngoài da Oxyde ethylene thường dùng để khử trùng các dụng cụ làm bằng plastic

• Ngoài ra, nhiều hoá chất khác nhau như

phenol, formaline,… cũng là những chất sát trùng

có thể dùng khử trùng phòng cấy, cần lưu ý một

số chất sát trùng có tác dụng độc với người

• Có nhiều phương pháp khử trùng khác nhau

Tùy đối tượng, tùy tính chất công việc mà sử dụng phương pháp này hay phương pháp khác

• 1.4 GIỮ GIỐNG VÀ CHỌN GIỐNG

• Giống là yếu tố quan trọng đầu tiên chi phối giá

thành sản phẩm Công nghiệp VSV thành công lớn nhờ vào các giống có năng suất cao

• Để có các chủng năng suất cao, công việc căn

bản đầu tiên là thu thập rất nhiều chủng từ thiên

nhiên, lập bộ sưu tập giống (culture collection) và giữ chúng trong các bảo tàng giống (museum) Các nước có công nghiệp VSV phát triển đều có bảo

tàng giống lớn như ATCC (American Type Culture Collection  Mĩ),… Các bảo tàng lớn lưu giữ hàng trăm nghìn, thậm chí hàng triệu chủng đã được định danh và mô tả các đặc tính sinh học Các chủng vi khuẩn thường được sấy thăng hoa (đông khô –

lyophilization) trong các ống thủy tinh (ampule) hàn kín và giữ trong nitrogen lỏng ở -192 O C (ở nhiệt độ này trao đổi chất của tế bào hầu như dừng lại) Các chủng mốc và nấm giữ ở nhiệt độ lạnh

• * Tầm soát giống

• Tầm soát có định hướng (goal-oriented

screening) các chủng từ thiên nhiên hay bảo tàng giống là công việc cần thiết để tiến tới tạo ra giống sản xuất Trong CNSH, có nhiều ví dụ thành công điển hình trong tầm soát như:

• – Tìm ra chủng tạo penicillin đầu tiên tăng trưởng

tốt trong bồn lên men khuấy (well-mixed fermenter) từ vết mốc trên trái bưởi ở Peoria (Illinois,Mĩ)

• – Chủng VSV đầu tiên sản sinh cephalosporin

phân lập từ nước thải ở Sardinia

• Đây là công việc phức tạp nên cần có

sự phối hợp chặt chẽ giữa các nhà VSV học, sinh học, hoá học và phải tiến

hành qua nhiều bước Ví dụ như tầm

soát chủng VSV sản sinh một loại

enzyme cần qua 8 bước :

• 1) Chọn chủng VSV thích hợp nhất ;

• 2) Chủng này tạo enzyme năng suất cao trong thời gian ngắn khi lên men chìm ;

• 3) Chủng tạo enzyme từ cơ chất rẻ tiền ;

• 4) Tế bào dễ tách khỏi dịch lên men ;

• 5) Enzyme ngoại bào thì tốt hơn và dễ chiết tách khỏi dịch lên men ;

• 6) VSV không gây bệnh ;

• 7) Không tạo độc tố và các chất có hoạt tính sinh

học khác ;

• 8) Chủng ổn định về mặt di truyền và kháng

bacteriophage