Các kỹ thuật trong công nghệ lên men

Mục Đích Tìm hiểu về các kỹ thuật cơ bản trong công nghệ lên men nhằm hiểu rõ hơn về phương pháp cũng như quy trình sản xuất nên những sản phẩm thực phẩm ứng dụng từ công nghệ lên men..

MỤC LỤC Trang

Phần thứ nhất: MỞ ĐẦU……… …… ……… 1

1.1 Đặt vấn đề……….……….1

1.2 Mục đích và yêu cầu……….… 1

1.2.1 Mục đích……… ………….……….….1

1.2.2 Yêu cầu……… ……….………….….1

Phần thứ hai: NỘI DUNG ……… ……….……… 2

2.1 Tìm hiểu về các kỹ thuật lên men………… ……….……….….………2

2.1.1 Khái niệm lên men……….…… ……….2

2.1.2 Phân loại……….……….……….… 2

2.2 Kỹ thuật lên men chìm (bề sâu)……….……… ……… 2

2.2.1 Nguyên lý……… ……… ……… 2

2.2.2 Ưu nhươc điểm………….……… 3

2.2.3 Ứng dụng……… ……… ………3

2.3 Kỹ thuật lên men bề mặt……… ……….……… ….5

2.3.1 Nguyên lý……… ………….………6

2.3.2 Chuẩn bị trước lên men……… ……… ……… …….……… ……… 7

2.3.3 Lên men……….……….………8

2.3.4 Xử lý sau lên men….……….……… 9

2.3.4 Ưu nhược điểm ……….10

2.3.5 Các yếu tố ảnh hưởng……… …….………11

Phần thứ ba: KẾT LUẬN……….……… 12

Phụ lục: Tài liệu tham khảo……….……… …….13

PHẦN THỨ NHẤT: MỞ ĐẦU

1.1. Đặt vấn đề

Từ lâu đời con người đã ứng dụng lên men để sản xuất các sản phẩm thực phẩm Lên men là một phương pháp để bảo quản thực phẩm có vai trò rất quan trọng đối với đời sống con người Nhiều thực phẩm là sản phẩm của quá trình lên men như: phomat, bánh mì và dưa chua Ngày nay công nghệ lên men ngày càng cho thấy ưu điểm so với phương pháp tổng hợp hóa học vì đây là phương pháp tạo ra sản phẩm an toàn hơn, thân thiện với môi trường và có hiệu quả kinh tế cao Chính vì thế mà việc nghiên cứu các kỹ thuật lên men có vai trò vô cùng quan trọng đối với lên men nói chung cũng như lên men thực phẩm nói riêng Có thể thấy từ lịch sử lâu đời và sự phát triển không ngừng nghỉ của ngành công nghiệp lên men dẫn đến việc tìm hiểu về

“Các kỹ thuật trong công nghệ lên men” là việc làm rất thiết thực và cần thiết

1.2. Mục đích – Yêu cầu

1.2.1 Mục Đích

Tìm hiểu về các kỹ thuật cơ bản trong công nghệ lên men nhằm hiểu rõ hơn về phương pháp cũng như quy trình sản xuất nên những sản phẩm thực phẩm ứng dụng

từ công nghệ lên men Đồng thời tìm hiểu các ứng dụng của các phương pháp trong đời sống cũng như sản xuất

1.2.2 Yêu cầu

Để người đọc hiểu về các kỹ thuật lên men cơ bản thì bài tiểu luận cần có các yêu cầu sau đây:

-Tìm hiểu về các kỹ thuật lên men

-Kỹ thuật lên men bề sâu

-Kỹ thuật lên men bề mặt

PHẦN THỨ HAI: NỘI DUNG

2.1 Tìm hiểu về các kỹ thuật lên men

2.1.1 Khái niệm lên men

Trước hết, nói về lên men, người ta định nghĩa: “ Lên men là quá trình tổng hợp chuyển đổi đường thành sản phẩm như: acid, khí hoặc rượu… của nấm men, hoặc vi khuẩn, hoặc trong trường hợp lên men acicd lactic trong tế bào cơ ở điều kiện thiếu oxy” Hay theo định nghĩa của Pasteur thì: “ Lên men là sự sống không có oxy phân tử” Trong lĩnh vực công nghiệp (thực tiễn đời sống): quá trình lên men là quá trình trao đổi chất, qua đó các chất hữu cơ là đường bị biến đổi dưới tác dụng của enzyme vi sinh vật, sự hình thành các chất khác nhau xảy ra trong điều kiện hiếu khí hoặc kị khí

2.1.2 Phân loại

Có nhiều cách để phân loại các kỹ thuật lên men như:

- Dựa vào cách nạp liệu và thu hồi bán thành phẩm sau khi lên men, người ta chia thành:

+ lên men gián đoạn

+ lên men liên tục

+ lên men bán liên tục

- Dựa vào thành phần đồng nhất hay không đồng nhất của canh trường, người ta chia thành:

+ lên men bề mặt

+ lên men bề sâu

+ lên men bán rắn

- Dựa vào loại vi sinh vật dùng để lên men có:

+ lên men bằng vi khuẩn

+ lên men bằng nấm men

+ lên men bằng nấm mốc

Trong khuôn khổ tiểu luận cho phép, nhóm chúng em đã tìm hiểu và xin trình bày về một số kỹ thuật lên men chính sau đây :

2.2 Kỹ thuật lên men bề sâu

Kỹ thuật lên men chìm là một trong những kỹ thuật căn bản của công nghệ lên

men Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu kỹ hơn về nó

2.2.1 Nguyên lý

Nuôi cấy chìm hay nuôi cấy bề sâu dùng môi trường dịch thể Chủng vi sinh vật cấy vào môi trường được phân tán khắp mọi điểm và chung quanh bề mặt tế bào được tiếp xúc với dịch dinh dưỡng Phương pháp này dùng cho cả vi sinh vật kị khí

và hiếu khí Đối với nuôi vi sinh vật kị khí trong quá trình nuôi không cần sục khí chỉ thỉnh thoảng đảo trộn với vi sinh vật hiếu khí chỉ sử dụng được oxygen hòa tan trong môi trường nên phải sục khí liên tục Đây là phương pháp hiện đại đã được dung trong khoảng nửa cuối thế kỉ XX và cho kết quả rất to lớn đối với công nghệ vi sinh Không thể có môi trường nuôi cấy chung cho tất cả các chủng vi sinh vật, vì vậy cần phải chọn thành phần môi trường, tỷ lệ các chất dinh dưỡng sao cho thích hợp với từng chủng

Nuôi cấy chìm sử dụng nồi lên men Trước hết nồi lên men được rửa sạch, rót môi trường mới vào và khử trùng để đảm bảo cho quá trình lên men không bị nhiễm Các

cơ thể vi sinh vật tồn tại trong môi trường Trong nồi lên men có thiết bị sục khí và thiết bị khuấy giúp cho không khí, môi trường dinh dưỡng và các tế bào vi sinh vật được phân phối đều

2.2.2 Ưu điểm và nhược điểm

- Tốn ít mặt bằng trong xây dựng và lắp

đặt dây chuyền

- Chi phí điện năng, nhân lực và các

khoản phụ cho một đơn vị sản phẩm thấp

- Dễ tổ chức được xí nghiệp có sản lượng

lớn

- Các thiết bị lên men chìm dễ cơ khí hoá,

tự động hoá

- Sử dụng hợp lý các chất dinh dưỡng của

môi trường, tránh sự lãng phí chất dinh

dưỡng nằm lại trong khối môi trường

chất rắn mà vi sinh vật không sử dụng

được

- Đòi hỏi trang bị kĩ thuật cao, dễ bị nhiễm trùng toàn bộ

-Thiết bị chịu được áp lực cao, kín và làm việc với điều kiện vô trùng tuyệt đối (trong nuôi cấy bề mặt có thể loại bỏ phần đã nhiễm trùng, các phần khác vẫn còn dùng được)

- Phải khuấy và sục khí liên tục vì vi sinh vật chỉ sử dụng được ôxy hoà tan trong môi trường Khí được nén qua một hệ thống lọc sạch tạp trùng, hệ thống này tương đối phức tạp và dễ gây nhiễm cho môi trường nuôi cấy

2.2.3 Ứng dụng

Kỹ thuật lên men chìm được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, trong thực tiễn

Nó được ứng dụng phổ biến trong công nghệ vi sinh để sản xuất bánh mì, protein đơn bào, các chế phẩm vi sinh làm phân bùn, thuốc trừ sâu, các enzyme, các vitamin, các chất kháng sinh, các chất kích thích sinh học…

 Có thể thấy rằng kỹ thuật lên men chìm có rất nhiều ưu điểm song bên cạnh

đó nó cũng có nhiều nhược điểm cần phải chú ý Chính vì thế mà chúng ta cần phải lựa chọn các đặc điểm phù hợp nhất của kỹ thuật này để áp dụng vào sản xuất các sản phẩm lên men thích hợp, mang lại hiệu quả cao

Để hiểu thêm về ứng dụng của phương pháp này, hãy cùng tìm hiểu về một ứng dụng cụ thể, đó là “Sản xuất thuốc trừ sâu sinh học bằng phương pháp lên men chìm”

Với ưu điểm là ít độc với người và môi trường, các chế phẩm vi sinh vật dùng trừ sâu hầu như không độc với người và các sinh vật có ích Mau phân hủy trong tự nhiên, ít để lại dư lượng độc trên nông sản… Cho nên việc sản xuất các chế phẩm thuốc trừ sâu sinh học đang được ưa chuộng hơn, thay thế cho thuốc trừ sâu hóa học Dưới đây nhóm xin trình bày về phương pháp sản xuất thuốc trừ sâu sinh học bằng phương pháp lên men chìm mà nhóm đã tìm hiểu

Sơ đồ tổng quát quy trình tạo thuốc trừ sâu sinh học:

Vi khuẩn được cấy trong các nồi lên men có thể tích đến vài chục mét khối Được thổi khí qua máy nén trong điều kiện vô trùng Thiết bị được trang bị hệ điều khiển tự động hóa việc cung cấp khí, nhiệt độ, điều chỉnh pH

Thời gian nuôi cấy khoảng 2-3 ngày

Mật độ tế bào có thể lên đến hàng tỷ con trong 1ml dịch nuôi cấy

Hoàn thành chế phẩm: có thể thu được 3 dạng chế phẩm sau:

- Chế phẩm dạng lỏng: dịch lên men sau khi kết thúc được bổ sung các chất phụ gia, chất bảo quản chống thối, chất bám dính rồi đóng chai

- Chế phẩm dạng nhão: sau khi ly tâm dịch lên men ta thu được sinh khối ướt có

độ ẩm khoảng 85%, không cần sấy khô mà trộn với dầu thành dạng nhũ tương

- Chế phẩm dạng bột: ly tâm thu được dạng dịch đặc nhão như trên, trộn với các chất phụ gia như tinh bột, cellulose… Rồi đem sấy bằng các thiết bị sấy phun hoặc sấy thăng hoa Bột khô được đóng gói trong bao PE hoặc giấy thiếc hoặc trong bọc kín

 Lên men chìm là phương pháp lên men được áp dụng khá phổ biến và lợi ích của nó đem lại cho con người là vô cùng lớn

2.3 Kỹ Thuật lên men bề mặt

Khi nấm men hoạt động, nó sẽ chuyển hóa đường, tạo ra năng lượng để đáp ứng nhu cầu năng lượng của bản thân nấm men Chuyển hóa này có thể xẩy ra theo hai hướng: hiếu khí và kỵ khí

Theo hướng hiếu khí (còn được gọi là hướng hô hấp), đường được chuyển hóa theo phản ứng

C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H20 + 668 kcal

Còn theo hướng kỵ khí (còn được gọi là hướng oxy hóa hay hướng lên men), đường được chuyển hóa theo phản ứng

C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2 + 40 kcal

Qua đó ta thấy hướng hiếu khí có yêu cầu cao về oxy nhưng lại có ưu thế hơn về mặt năng lượng Có2 trạng thái lên men thường dung là:

-Lên men trạng thái rắn thích hợp cho nấm mốc Các bề mặt được sử dụng thường bao gồm các sản phẩm phụ từ thực vật như bột củ cải đường hoặc cám lúa mì -Lên men trạng thái lỏng được thực hiện trong bể Môi trường lỏng là lý tưởng cho sự phát triển của các sinh vật đơn bào như vi khuẩn hoặc nấm men Sợi nấm phát triển trong một môi trường chất lỏng, tạo ra độ nhớt phong phú giảm khả năng hòa tan oxy

Như vậy hoạt động của nấm men còn tùy thuộc điều kiện cụ thể của môi trường Khi môi trường có ít đường, nấm men có điều kiện tiếp xúc tốt với không khí, chuyển hóa theo hướng hiếu khí là chủ yếu Ngược lại khi môi trường có nhiều đường, điều kiện cung cấp oxy cho nấm men khó khăn, chuyển hóa chủ yếu theo hướng kỵ khí

Khay nuôi cấy nấm men Nấm men S.cerevisiae

2.3.1 Nguyên lý

 Trước quá trình lên men cần tìm hiểu các điều kện cần thiết cho một quá trình lên men với các yêu tốmôi trường, thiết bị và thông số kỹ thuật chính xác

- Dưỡng chất: là những thành phần dùng để duy trì sự sống cho vi sinh vật và giúp chúng phát triển cũng như duy trì hoạt tính

- Cơ chất: là các thành phần sẽ bị biến đổi trong quá trình lên men để tạo ra sản phẩm như: đường, tinh bột, malt Nếu sản phẩm là sinh khối vi sinh vật thì cơ chất cũng là dưỡng chất

- Chất mang: khi lên men trong môi trường lỏng, chất mang chủ yếu là nước Khi lên men trên môi trường rắn, chất mang là các giá thể rắn như rơm rạ, bã mía, mạt cưa, cám bột mì tạo môi trường xốp tăng độ hiếu khí cho vi sinh vật nuôi

- Vi sinh vật: trong kỹ thuật lên men bề mặt người ta thường sử dụng nấm men

Saccharomyces cerevisiae do thích nghi trong môi trường chứa đường cao, có tính

acid cao, có khả năng đường hóa và phosphoryl hóa, có thể nuôi tế bào nấm men ở quy mô lớn để dễ thu sinh khối tế bào (trong sản xuất bánh mì)

 Phụ gia: là các thành phần giúp quá trình lên men đạt hiệu quả hơn, xúc tiến một số quá trình có lợi, ngăn ngừa hay hạn chế các quá trình có hại

 Để chuẩn bị cho quá trình lên men trước tiên phải có môi trường nuôi cấy vi sinh vật Có 3 loại môi trường

 Môi trường tự nhiên:

Môi trường loại này sử dụng các nguyên liệu tự nhiên, thường là các sản phẩm hay phụ phẩm của sản xuất nông lâm ngư nghiệp, thực phẩm như bột ngũ cốc, mật rỉ đường, bánh dầu Môi trường tự nhiên có các tính chất sau: là hỗn hợp của nhiều thành phần nên có thể đáp ứng nhiều yêu cầu về dưỡng chất như nguồn C, nguồn N, năng lượng, vitamin, khoáng.Tuy nhiên thành phần và số lượng không được xác định

rõ gây khó khăn trong sản xuất và bất lợi cho vi sinh vật, phải bổ sung chất còn thiếu Được sử dụng nhiều trong sản xuất số lượng lớn , sản phẩm không đòi hỏi yêu cầu cao

 Môi trường tổng hợp:

Để chuẩn bị môi trường thuộc loại này, ta phối trộn các thành phần đơn giản

(thường là các loại hóa chất) theo đúng liều lượng thành phần hóa học, sau đó kết hợp với chất mang

Tuy nhiên loại môi trường này có giá thành cao nên chỉ phù hợp cho quy mô nhỏ, dùng để sản xuất các sản phẩm cao cấp, có giá trị cao như dược phẩm

 Môi trường bán tổng hợp:

Môi trường bán tổng hợp là môi trường trong đó có một số chất tự nhiên và các chất hoá học đã biết thành phần và số lượng… Các môi trường nói trên đều ở dạng lỏng nên được gọi là môi trường lỏng (hoặc môi trường dịch thể) Để nuôi cấy vi sinh vật trên bề mặt môi trường đặc, người ta thêm vào môi trường lỏng 1,5 – 2% thạch (agar)

 Thành phần môi trường:

Môi trường gồm nguồn C, nguồn N, vitamin, khoáng, chất mang và thành phần công nghệ

 Nguồn C

Ta có thể dùng các loại đường như glucoze hay saccaroze, maoltoze, lactoze, các loại polysaccarit như tinh bột, xelluloze, hay chất béo để làm nguồn C cho quá trình lên men

 Nguồn N

Thông thường, các muối amôn, các muối nitrat hay urê được sử dụng làm nguồn N

Ta cũng có thể dùng các nguyên liệu tự nhiên giàu đạm như nước chiết khoai tây, nước chiết ngô Trong một số trường hợp xục NH3 cũng là một giải pháp để cung cấp nitơ cho vi sinh vật

 Thành phần công nghệ

Các thành phần công nghệ để hỗ trợ cho quá trình lên men xẩy ra dễ dàng hơn, theo chiều hướng thuận lợi hay ngăn cản một số hiện tượng, tiến trình có hại như: +Chất đệm

+Chất chống tạo bọt +Các chất ức chế

+Các chất cảm ứng +Các chất xúc tiến

2.3.2 Chuẩn bị trước lên men

 Gồm 2 công đoạn: chuẩn bị nguyên vật liệu và vi sinh vật

Đối với nguyên liệu thô, ta cần phải làm sạch, nghiền nhỏ 1-3mm phối trộn đều với nước đạt tới độ ẩm 55-60% và hấp thanh trùng Môi trường nuôi cấy được phân bố đều, chiều dày 2-5cm

Thiết bị phải thanh trùng làm sạch, diện tích khay nuôi cấy đủ rộng tạo điều kiện cho vi sinh vật hô hấp Buồng nuôi cấy vô trùng có bộ phận gia nhiệt, phun mù và làm mát

Lên men bề mặt vi sinh vật hô hấp hiếu khí sử dụng oxy không khí là nguồn cung cấp năng lượng là chủ yếu Vậy nên trong quy mô công nghiệp người ta thiết kế các khay nuôi cấy vi sinh vật theo dạng trồng tầng nhằm tiết kiệm diện tích nuôi cấy

Thiết bị nuôi cấy nấm men bề mặt

Đối với vi sinh vật, ta cần phải chuẩn bị một lượng phù hợp với thể tích làm việc của thiết bị lên men khoảng 70.106tế bào/cm3

2.3.3 Lên men

Trong các kỹ thuật lên men thông dụng, sau khi chuẩn bị canh trường, cơ chất và dưỡng chất, ta chuyển chúng vào các kệ có khay và quá trình lên men bề mặt xảy ra Cấy giống vi sinh vật từ dịch nhân giống hoặc rắc các bào tử vào khối môi trường

đã thanh trùng và để nguội, ủ thành đống vài giờ, sau đó tãi ra khay với chiều dày 2-5cm (càng mỏng hiếu khí càng tốt) Khi vi sinh vật phát triển sẽ thải CO2 tảo nhiệt

ra xung quanh làm nóng và khô môi trường, hệ sợi làm cho môi trường kết thành tảng Khi đó cần phải thông gió, phun mù hoặc làm ẩm trực tiếp, lật khối môi trường nuôi cấy hoặc bẻ nhỏ

Trong suốt quá trình nuôi cấy phải cung cấp ôxy bằng cách thổi oxy không khí vào buồng nuôi cấy

Hệ thống SSF lên men bề mặt

1.Nắp 2 Không khí ra

3 Vòi phun 4 Giá đỡ

5 Canh trường 7.Không khí vào

8 Nước vào 9 Nước ra

 Nuôi cấy bề mặt với môi trường rắn và xốp ngày nay được cải tiến nhiều trong quá trình: thay khay và buồng nuôi cấy bằng thùng quay có trục chéo hoặc thùng bể có thổi khí liên tục và điều khiển nhiệt độ, độ ẩm Những cải tiến này làm tăng năng suất của quá trình rất nhiều

2.3.4 Xử lý sau lên men