Bài 2: Các quá trình chuyển hoá yếm khí

Lên men là quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ không chứa N2 trong điều kiện yếm khí. Sản phẩm của sự phân giải đường nhờ các quá trình lên men là những chất hữu cơ chưa được oxi hoá triệt để. Tuỳ theo những sản phẩm trung gian tích tụ lại trong môi trường mà người ta đặt tên cho quá trình lên men

1: Lên men êtylic

Cơ chế của quá trình là bằng cách phá vỡ tế bào nấm men giữ lại dịch chiết enzim của nấm men. Thực chất lên men là sự phân giải đường thành rượu xẩy ra dưới tác dụng của enzim gọi là zymaza do nấm men tổng hợp nên trong điều kiện yếm khí

Dưới tác dụng của enzim này glucoza được chuyển hoá theo con đường embem mayer hoff để tạo thành piruvat

Piruvat dưới tác dụng của enzim piruvat decacboxyla và các tiamin pirophotphat sẽ khử cacboxyl tạo thành axetandehit, axetandehit bị khử tạo thành rượu etylic.

Quá trình này ngoài tác dụng của hệ enzim do VSV tiết ra còn đòi hỏi sự tham gia của photphat vô cơ

Sự lên men rượu có thể tiến hành theo nhiều kiểu khác nhau tuỳ điều kiện môi trường

* Sự lên men rượu thông thường:

PH môi trường hơi axit ( trong khoảng 4-5)

C6H12O6

NAD NAD

NAD.H2

2CH3COCOOH

CO2

CH3CHO C2H5OH

Quá trình lên men trải qua 2 thời kì:

+ Thời kì cảm ứng

CH3CHO tạo ra từ axit piruvic còn ít, chưa đủ lượng để nhận hết H2 đã tạo thành trong giai đoạn đường phân. Do vậy 1 phần H2 được chuyển cho andehit griceric tạo thành glycerin

Như vậy trong giai đoạn đầu môi trường có glycerin, andehit axetic ( CH3CHO) và CO2

+ Thời kì tĩnh:

Được đánh dấu bằng lượng CH3CHO đủ nhiều để thực hiện phản ứng nhận hết H2. Phản ứng tạo glycerin bị đình chỉ và sản phẩm chủ yếu trong giai đoạn này là rượu etylic

* Sự lên men rượu trong môi trường kiềm

Nếu ta kiềm hoá môi trường bằng CaCO3, K... thì sự lên men rượu trong nấm men sẽ hình thành chủ yếu là glycerin, axit axetic cùng với rưọu etylic theo phường trình sau

C6H12O6 ----- C2H5OH + C3H8O3 + CH3COOH + CO2

Cơ chế: Do trong môi trường giầu kiềm nên 2 phân tử aldehit 1,3 diphotpho glycerit tạo thành aldehit và glycerin

Nếu ta kiềm hoá môi trường bằng NaHSO3 thì sự lên men rượu sẽ cho sản phẩm là glycerin vì NaHSO3 phản ứng với axetandehit ( CH3CHO) tạo 1 hợp chất khó tan

NaHSO3 + CH3CHO ----- CH3 CH CH3 O SO2 Na

Làm đình chỉ phản ứng nhận H2 của CH3CHO

* Sự tạo thành dầu khét fusel

Dầu khét là sản phẩm phụ của quá trình lên men rượu, đó là hỗn hợp của nhiều rượu bậc cao với các axít hữu cơ C3H7COOH, iso butilic. Ngoài gốc của rượu này là sự chuyển hoá protein, đường của nấm men. Nó được hình thành do sự đề amin (- NH2) hoặc đề cacboxyl hoá (- COOH) các aa dưới tác dụng của enzim phân giải protein của nấm men

2: Tác nhân sinh học

Tác nhân của quá trình lên men rượu là nấm men thuộc loài Sac...thuộc họ sacchromycetaceae đó là những nấm men hình tròn hay trứng, trong điều kiện yếm khí có khả năng chuyển đường thành rượu

Điển hình là sac... cerevisiae và sac... ellipsoideur

Dựa vào đặc tính lên men người ta chia nấm men lên men rượu thành 2 loại

+ Nấm men nổi

+ Nấm men chìm

+ Nấm men nổi là nấm men gây nên quá trình lên men rượu ở nhiệt độ cao ( 28 - 30oC) môi trường luôn được khuấy trộn. Khí CO2 liên tục thoát ra ngoài. Quá trình lên men xẩy ra rất nhanh, ồ ạt, Loại nấm men này chỉ ứng dụng trong sản xuất những sản phẩm có kèm theo chưng cất.

VD: Cồn

+ Nấm men chìm: là những nấm men gây nên quá trình lên men rượu ở nhiệt độ thấp ( 5 - 10oC) dịch lên men không bị đảo trộn, lượng CO2 thoát ra từ từ, dịch lên men trong, tế bào nấm men hầu như bám ở dưới đáy bình. Loại này được ứng dụng trong sản xuất những sản phẩm không chưng cất như bia, nước giải khát.

Ngoài ra 1 số giống khác cũng có khả năng lên men rượu nhưng kém hơn

VD: Torula cumis

Ngoài ra các nấm mốc như: mucor roursi, Rhizopus, nigricans có tính chất hô hấp tuỳ tiện, trong điều kiện yếm khí cũng có khả năng lên men rượu nhưng cho sản xuất thấp, chỉ dung trong sản xuất thủ công

3: Các điều kiện chính của quá trình lên men rượu

+ PH: 4 - 5 cho sản phẩm chính là rượu

+ Nấm men không có hệ enzim amilaza do vậy các nguyên liệu phải là các gluxit đơn giản. Muốn sử dụng gluxit phức tạp thì phải thuỷ phân trước

+ Nồng độ đường trong dịch lên men tối thích là 10 - 15%. Nếu cao hơn sẽ gây trạng thái khô hạn sinh lý. Nếu thấp hơn sẽ gây nên lãng phí

+ Phải đặt chế độ yếm khí, nếu không nấm men sẽ tạo sinh khối

4:Ứng dụng qt chuyển hóa ykhí

a) Sản xuất rượu etylic

Đây là hoá chất được sử dụng rộng rãi. Khoảng 98% rượu được sản xuất theo phương pháp lên men. Chỉ 2% được sản xuất theo phương pháp hoá học tổng hợp từ C2H4

Nguyên liệu để sản xuất rượu là đường đơn giản hay đường phức tạp đã thuỷ phân, có thể là rỉ đường, phế liệu của công nghiệp mía đường

Các nấm dung trong sản xuất etanol là các nấm đơn bào, Những loài được quan tâm trước hết trong sản xuất công nghiệp là:

Sac... cerevisiae

Sac... urarum

Shizóacchoromyces pombe

Ngoài ra những biến chủng bắt nguồn từ các nấm men này được tạo ra nhờ các kĩ nghệ di truyền

VD: Ghép gen phân huỷ tinh bột vào sac...

+ Công nghệ: 2 phương pháp amilo Mucor, malt

2 phương pháp này được ứng dụng

+ amilo: quá trình đường hoá và quá trình lên men rượu xẩy ra đồng thời trong cùng 1 thiết bị lên men, thời gian kéo dài 7 ngày, thường dung mucor hay Rhizopus khoảng 1 ngày sau đó cho nấm men vào. Dẫn đến chuyển hoá không triệt để tinh bột thành đường nên hiệu quả thấp

+ Phương pháp mucor malt: dung chế phẩm enzim của nấm mốc Aspergillus nigere, aspergillus awamori... để đường hoá tinh bột sau mới chuyển thành đường R ( tạo độ th ông thoáng khí)

- Môi trường nuôi nấm mốc: bột cám, trấu được thành trùng rồi rải đều lên các khay bề dày 3mm. Sau đó cấy bào tử nấm mốc vào nuôi ở 30oC từ 3 - 5 ngày trong điều kiện hiếu khí. Nấm mốc phát triển thành rất nhiều hệ sợi và bắt đầu hình thành bào tử tổng hợp amilaza và bắt đầu cho hoạt lực cao 1 lúc nào đó. Canh trường nấm mốc được sấy khô ở 45oC rồi đóng bao, ta thu được chế phẩm enzim thô.

Dùng chế phẩm enzim này tỉ lệ 10% đường hoá tin bột. Sau 4 - 6h nhận được dịch lên men. Cuối cùng dịch nấm men tỷ lệ 10 - 20% chuyển hoá đường thành rượu trong 2 ngày. Chu kì sản xuất theo phương pháp này rất ngắn, có thể chủ động về mặt thời gian và ít bị nhiễm tạp

b) Sản xuất bia

Bia là loại đồ uống được ưa chuộng, giầu dinh dưỡng, nồng độ cồn thấp, hương thơm đặc trưng, vị đắng dịu, lớp bọt trắng, mịn, hàm lượng CO2 là 4 - 5 g/l. Trước đây sản xuất chủ yếu là từ malt đại mạch. Ngày nay thay một phần mald đại mạch bằng một số loại ngũ cốc khác

Nguyên liệu sau khi nghiền đường hoá, nấu lẫn với hoa houblong được lọc để thu lấy dịch lên men. Nồng độ đường = 15%. Chỉnh PH rồi cho lên men

Nấm men sử dụng cho sản xuất bia chỉ thuộc họ sac...

Có 2 giống: sac... serevisiae Sac... carlbegensis

Trong đó sac... cerevisiae được sử dụng để sản xuất nước giải khát lên men ( lên men bề mặt, lên men bề sâu)

Sac... carlbegensis: sản xuất bia nhẹ

*Quá trình lên men chia làm 2 giai đoạn: lên men chính và lên men phụ

+ Lên men chính: tiến hành ở 10 - 12oC, thời gian trong 4 - 5 ngày. Quá trình lên men xẩy ra rất mạnh mẽ. Nấm men sử dụng chất dinh dưỡng có trong dịch lên men là các loại đường đơn: glucoza, fructoza, đường kép malttoza, dextrin mạch ngắn. Các hợp chất chứa nitơ, aa, protein phân tử nhỏ để thực hiện các phản ứng sinh hoá. Hầu hết đường được chuyển hoá trong thời kì này.

+ Lên men phụ: Tiến hành ở 1 - 4oC. Lượng đường còn sót trong dịch tiếp tục lên men. Pr lắng xuống, bia được làm trong và bão hoà CO2. Các loại rượu bậc cao và aldehit giảm, hàm lượng este tăng lên

Tuỳ theo giống và phương pháp lên men, thời kì này thường kéo dài từ 2 - 3 tháng

Hiện nay còn dung chế phẩm enzim của nấm mốc thay thế cho enzim thực vật để rút ngắn thời gian và nâng cao hiệu quả

Nhằm nâng cao hơn nữa hiệu suất và chủng loại bia, vấn đề hoàn thiện các chủng lên men thong qua kĩ thuật công nghệ sinh học vẫn được rất chú ý trong thời gian tới

c) Sản xuất rượu vang

Rượu vang là những sản phẩm được sản xuất từ các loại quả khác nhau. Chủ yếu là nho, dâu, mơ và dứa.

Về nguyên tắc rượu nho được hình thành trong quá trình lên men tự nhiên, đường có mặt trong dịch quả nho. Nước nho quả chứa rất nhiều đường và các chất dinh dưỡng nên nó là môi trường lý tưởng để lên men rượu

Ngoài ra axit hữu cơ tự nhiên có mặt trong dịch nho sẽ ức chế các loài VSV không mong muốn khác giúp cho quá trình lên men được thực hiện dễ dàng.

Quả hái xuống được rửa sạch nhưng không thanh trùng. Trước khi ép lấy nước ta s ông nho bằng SO2 hay H2S để tránh không làm nước nho bị sậm mầu. Ngoài ra việc s ông nho cũng ức chế các loài nấm men khác và tạo điều kiện cho nấm men lên men rượu phát triển dễ dàng.

Sau đó đem nghiền ép lấy dịch quả. Kiểm tra nồng độ đường trong dịch quả rồi để lên men rượu 1 cách tự nhiên ở nhiệt độ từ 28 - 30oC, đạt độ rượu từ 9 - 10%

Quá trình này chia làm 2 thời kì: lên men chính 3 ngà, lên men phụ 3 đến 4 tháng

Trong thời gian lên men phụ và cất giữ, rượu được lắng trong và tích luỹ hương vị đặc trưng

Trong những trường hợp cần thiết người ta có thể cấy bổ sung vi khuẩn lên men malolactic là chủng lomonostoc uenes

Mùi vị của rượu nho phụ thuộc nhiều vào sự có mặt của dẫn xuất của tecpen, linalool, geraniol có mặt trong dịch lên men

Nó phụ thuộc nhiều vào thời gian, điều kiện ủ trong các hầm rượu và tương tác của rượu với thùng gỗ chứa rượu

Cho đến nay vẫn sử dụng chử yếu nấm men tự nhiên để sản xuất rượu nho. Nấm men lên men rượu vang có sẵn ở vỏ quả nho chin. Chúng chủ yếu thuộc họ Sac... ellipsoideus, sac... cerevisiae, sac... oviformis

Gần đây các nhà sản xuất rượu nho sử dụng dịch lên men rượu làm mồi thay thế cho nấm men tự nhiên. làm giảm thời gian ủ, tạo được rượu có mùi vị mong muốn và giúp giới hạn tỉ lệ rượu hỏng.

Sau lên men người ta xử lý tiếp rượu nho tươi ( vang non) bằng cách cho lên men lactic hay s ông hơi SO2 ( hay H2S) để ngăn rượu không bị oxi hoá thành sẫm mầu.

Để nâng độ rượu, người ta thường bổ sung cồn etanol vào rượu nho

Trong công nghiệp, nguyên liệu được thanh trùng, sau đó xử lí dịch lên men rượu bằng nấm men thuần khiết để làm mồi thay thế nấm men tự nhiên. Theo cách này quá trình lên men có định hướng rõ rệt, cho phép làm giảm thời gian ủ và giới hạn tỉ lệ rượu hỏng. Nhưng rượu vang được tạo thành cho hương vị kém hơn so với để lên men tự nhiên

Ngoài ra người ta còn chiết dịch quả bằng đường hay cồn rồi mới lên men rượu vang

d) Sản xuất rượu cồn (rượu chưng cất)

Rượu chưng cất chứa cồn cũng là sphẩm của qtrình lên men sac...trên các loại nguyên liệu khác nhau

VD: Rượu cônhắc được chưng cất từ rượu nho

Rượu wiski scott từ mầm mạch

Rượu wiski và Jin của Mĩ, vôtka của Nga từ lúa mì và Ngô

Rượu Rum từ đường mía

Các loại rượu nói trên có quy trình sản xuất gần giống nhau.

Trước hết phải xử lý tạo dịch có đường để lên men. Sau đó bổ sung nấm men và tiến hành lên men đến khi đạt độ cồn 9 - 11% theo thể tích thì ngừng

Gạn hay lọc để loại xác men ( xác của nấm men) rồi chưng cất rượu

Cuối cùng cho ủ với rượu wiski, đóng chai đối với Jin hay votka

Tuy nhiên cần chú ý đến những đặc điểm trong sản xuất của từng loại rượu riêng biệt

Trước hết phải sử dụng đúng chủng nấm men

VD: Để sản xuất rượu Rum nặng thồng thường phải sử dụng Shizosaccharomyces. Ngoài ra vi khuẩn Saccharo butilium cũng tham gia lên men rượu Rum ở tỷ lệ 1/5 so với nấm men. Vi khuẩn thường được bổ sung khi dịch lên men có nồng độ đường = 6% trọng lượng thể tích và độ cồn đạt từ 3,5 - 4,5%

Về nguyên tắc: chủng nấm men trong sản xuất nông nghiệp phải chịu được nồng độ cồn từ 12 - 15% theo thể tích. Bởi vậy chúng còn có khả năng thuỷ phân các oligosaccarit của ngũ cốc thành glucozơ. Điều này là cần thiết để chuyển hoàn toàn ngũ cốc thành etanol + CO2. Ngoài ra để nâng cao hiệu suất tạo cồn người ta còn bổ sung enzim thuỷ phân tinh bột vào khâu xử lý ban đầu

e) Quá trình lên men rượu còn được ứng dụng trong công nghệ làm bánh mì

Để sản xuất bánh mì người ta chỉ sử dụng sac... cerevisiae là chủ yếu. Đó là những chủng dễ khuếch tán vào nước, có đặc tính sinh hoá ổn định và có độ bền vững tốt ( không dễ tự thuỷ phân, rất bền nhiệt, có thể sinh sản nhanh, hàm lượng chất dinh dưỡng dễ hấp thụ cao

Quá trình làm bánh mì, nấm men chuyển đường thành rượu + CO2 đồng thời tích tụ diaxetin. Khi nướng, CO2 thoát ra làm bánh phồng và xốp. Điaxetin ở nhiệt độ cao sẽ tạo thành axetorin, tạo hương thơm đặc trưng của cùi bánh mì

Ngoài chủng giống trên, có nhiều nghiên cứu tìm cách sử dụng 1 số chủng khác như torula, candida, aspora để sản xuất men bánh mì khác với các chủng sac... serevisiae chỉ đồng hoá được đường hecxozơ. Các loài nấm men này có thể sử dụng được đường pentozơ. Tuy nhiên cho đến nay vẫn chưa sử dụng thành công các loài này sản xuất men bánh mì ở quy mô công nghiệp

Đối với các loại bột nhão chứa nhiều đường và mỡ, nhưng có ít nước có thể sư dụng chủng nấm men ưa thẩm thấu hay cac con lai giữa sac... serevisiae với các chủng hoang dại

Khi sử dụng nấm men, bước đầu tiên ta phải thu sinh khối. Sau đó mới lên men. Các nấm men có khả năng lên men rượu còn được dung để ủ men thức ăn gia súc, thức ăn gia súc sau ủ men có hương vị thơm ngon, kích thích tiêu hoá của gia súc

5: Một số nấm men điển hình và những VSV có hại trong quá trình lên men rượu

a) Một số nấm men điển hình

Sac... cerevisiae là loài phục vụ con người lâu đời nhất để sản xuất rượu vang, bia, sake...những đồ uống có cồn và bánh mì

Ngoài ra Khuyveromyces fragellis là 1 nấm men lên men đường lactoza dùng để sản xuất cồn từ nước sữa

Sac... lipolytica phân huỷ hidrocacbua và được dung để sản xuất protein

*3 loài này thuộc lớp ascomycetes (nấm men có túi)

Trichosporon aitaneum, oxi hoá được nhiều hợp chất hữu cơ trong đó có 1 vài chất độc như các phenol và đóng vai trò quan trọng trong hệ thống làm sạch môi trường theo con đường hiếu khí

Phaffia rhodozyma tổng hợp astaxantic - 1 loại cateroit có thể dung để nhuộm mầu thịt các loại cá hồi

b) Những VSV có hại cho lên men rượu

- Nấm men

Các chủng hoang dại: Sac... pasteurianus và Sac... intermedius chúng làm rượu vang, bia có mùi khó chịu

Nhiều loài thuộc giống Hasenula và Pichia. Chúng có hình thái, tính chất giống nấm men S... Nhưng khả năng lên men kém, tạo nhiều este. Chúng có khả năng dùng rượu làm nguồn thức ăn C. Oxi hoá rượu thành CO2 và nước. Hiệu suất lên men kém, làm tiền đề cho rượu bị chua

- Nhóm vi khuẩn

Vi khuẩn lactic lên men yếm khí ở điều kiện tương tự như điều kiện lên men rượu lactic tạo axit lactic làm chua rượu vang và bia

Vi khuẩn axetic làm hỏng rượu vang gặp mùi khó chịu vì chúng oxi hoá rượu thành axit axetic

Vi khuẩn butiric làm rượu bị chua, thối

II: Lên men lactic

Là sự phân giải các đường thành axit lactic dưới tác dụng của các vi khuẩn lactic

Lên men lactic có thể chia thành 2 loại: Loại điển hình và đặc biệt

1: Lên men lactic điển hình

a) Cơ chế

C6H12O6 --- CH3- CHOH-COOH + E

Phân tử đường lactoza được chuyển hoá theo chu trình Embden - Mayerhoff

Do trong tế bào vi khuẩn lên men lactic không có enzym decacboxylaza nên chúng không thể phân giải axít piruvic xa hơn, mà phải dung axit piruvic làm chất nhận H2 cuối cùng.

Axit piruvic nhận H2 sẽ trở thành axit lactic

b) Tác nhân sinh học

Những loài vi khuẩn lactic gây nên quá trình lên men lactic điển hình

Có thể xếp chúng thành 2 nhóm chính: Cầu khuẩn và trực khuẩn. Với những đặc tính chung là không chuyển động, không tạo bào tử, nhuộm Gram dương và hô hấp yếm khí, lên men được nhiều loại đường monosacarit, disaccarit. Nhưng hoàn toàn không lên men được tinh bột và gluxit phức tạp

Dinh dưỡng hữu cơ phức tạp thường cần có protein và các chất sinh trưởng. Cần nhất là vitamin B2

Cầu khuẩn: là những vi khuẩn không có bào tử, thường kết đôi hay kết chuỗi, hay gặp từ sữa và các sản phẩm từ sữa. Phát triển tốt nhất ở 25 - 30oC . Lên men được nhiều loại đường đơn giản như Glucoza, maltoza, lactoza...chỉ tạo thành axit lactic ( 0,8 - 1%)

Những giống điển hình: Streptococcus lactic và S... cremois

S... diacetylatic làm đông tụ sữa sau 10 - 12 h bên cạnh sản phẩm chính là axit lactic còn có khả năng tổng hợp các este.

Chủng S... cremocris thường làm đông tụ sữa sau 1 ngày. Có khả năng sinh tổng hợp Bacterium diplococun

Trực khuẩn: Lacto bacterium, lên men đường lactoza ở nhiệt độ 40 - 45oC, khả năng tích tụ axit lactic lớn hơn so với S... Các giống điển hình là lactobacterium bulgarium

Trực khuẩn dài 4 - 5 Mm thường xếp thành chuỗi, lên men được nhiều loại đường đơn như fructoza, glucoza, lactoza, galactoza ... tích tụ được ( 2,7 - 3,7%) axit lactic, không có khả năng lên men maltoza và saccaroza

+ Lacto bacterium casein: là trực khuẩn nhỏ, kích thước 2 - 6 Mm, lên men glucoza, galactoza, lactoza, fructoza, maltoza... có khả năng tổng hợp được proteaza được ứng dụng nhiều trong sản xuất phomat

+ Lactobacterium dellbruikii: chịu được nhiệt độ cao, trực khuẩn dài 7Mm, không lên men được đường lactoza. Khả năng tích tụ axit lactic là 2,5% ứng dụng trong sản xuất axit lactic trong công nghiệp

+ Lactobacterium cucumeris fermentati: có trong lên men dưa chua, lên men các loại rau quả chua

Ngoài 2 giống cầu khuẩn, trực khuẩn nói trên thì một số nâm mốc như mucor hay Rhizopus cũng có khả năng lên men lactic nhưng hoạt lực thấp.

VD: Rhizopus oryrae chuyển hoá 15% đường của nguyên liệu ở nhiệt độ 30oC thành axit lactic có chất lượng tốt dung trong công nghiệp sản xuất nước giải khát

2: Lên men lactic đặc biệt

Quá trình này cho những hợp chất khác nhau như axit lactic khoảng 40%, axit sucxinic 20%, axit axetic và axit etylic 10 - 15%

Các chất khí như CO2 và H2: 5%

C6H12O6----- CH3-CHOH-COOH + HOOC-CH2-CH2-COOH + CH3COOH + C2H5OH + CO2 + H2 + E

Trong tế bào vi khuẩn lên men lactic dị hình hay đặc biệt có enzyme decacboxylaza có thể phẩn giải axit piruvic thành CH3CHO và CO2

Tuy nhiên enzim này không phần giải được hết lượng axit piruvic nên 1 phần axit đã được chuyển thành axit lactic và sucxinic

C6H12O6 ----- CH3-CHOH-COOH + HOOC- CH2-CH2-COOH + CH3COOH+ C2H5OH + CO2 + H2 + E

b: Tác nhân sinh học

Vi khuẩn lên men lactic dị hình có những điểm đáng chú ý sau:

Bacteriumcoly: là những trực khuẩn nhỏ, ngắn, nhuộm Gram âm, có khả năng di động, không tạo bào tử, hô hấp tuỳ tiện trong điều kiện yếm khí chuyển đường thành axit lactic luôn hình thành indol

Bacterium lactic aerogenes: gần giống với Bacteriumcoly nhưng khi phân giải protein không tạo nên indol

Bacterium brasicase fermentati thường gặp trong dưa, hô hấp tuỳ tiện

Bacterium pentouceticum: là những trực khuẩn nhỏ khoảng 1,3 - 2,5Mm, bắt mầu gram dương nhưng ngoài đường hexosain có khả năng lên men đường pentoza để tạo thành axit lactic và axit axetic

3: Ứng dụng của lên men lactic

a: Sản xuất axit lactic: chất gây chua trong công nghiệp thực phẩm, là chất giữ mầu trong công ngiệp dệt hay dung trong việc đánh bong bằng điện trong chế biến vật liệu dẻo

Axit lactic là axit hữu cơ đầu tiên được sản xuất bằng phương pháp lên men. Sản lượng hang năm ở Mĩ và Châu âu là > 40.000 tấn

Ở Mĩ gần như 100% axit lactic được sản xuất bằng phương pháp hoá học.

Ở Châu âu thì 1 nửa lên men đường glucoza nhờ giống lactobaterius delbruikii

Trong công nghiệp thường đi từ nguyên liệu đầu là rỉ đường hoặc các loại bột ngũ cốc được thuỷ phẩn trước bằng axit

Sau đó chuẩn bị dịch lên men (10 - 15%) Các chất khoáng và dinh dưỡng Nitơ, rồi đem lên men bằng vi khuẩn lactobacterium delbruikii. Nếu nguyên liệu đầu là sữa thì dung streptococcus lactic có khả năng lên men đường lactoza ở nhiệt độ cao ( 45 - 50oC) nhờ đó tránh được nhiễm tạp, thời gian lên men là 8 - 10 ngày.

Trong quá trình lên men thường xuyên bổ sung CaCO3, dư với mục đích trung hoà axit lactic tạo sản phẩm lactaccanxi. Do vậy hàm lượng lactaccanxi trong dung dịch có thể đạt 14% tương đương với 70 - 80% nguyên liệu ban đầu

Nếu không có CaCO3 nồng độ axit chỉ đạt 2,2 - 2,5%

Thu dịch lên men tách lactic canxi tinh chế kết tủa bằng các axit vô cơ như H2SO4 loãng ở 60 - 70oC axit lactic được giải phóng

b: Muối chua rau quả và ủ thức ăn gia súc

Muối chua rau quả là quá trình lên men lactic rau quả thực phẩm đạt các yêu cầu

+ Tạo được lượng sinh khối vi khuẩn có ích ức chế hay lấn át các VSV gây thối

+ Gây chua, tạo hương vị thơm, ngon cho sản phẩm

+ Chuyển hoá quả thành dạng chin sinh học, do đó mà hiệu suất tiêu hoá tăng

- Chuyển hoá sinh học chia làm 3 giai đoạn

+ Muối ăn NaCl với nồng độ ban đầu là 2,5 - 3% tạo dung dịch ưu trương, đường và các chất từ tế bào rau quả 1 phần sẽ khuếch tán ra ngoài môi trường hay dịch lên men làm cho vi khuẩn lactic cùng các loại VSV khác cũng phát triển.

Do vi khuẩn lactic phát triển mạnh, PH môi trường giảm 3 - 3,5% làm ức chế các VSV khác

Vi khuẩn lactic chiếm ưu thể tuyệt đối, rau quả trở nên chua ngon

+ Nguyên nhân dưa khú : là do rau quả rửa không kĩ, dập nát và chứa nhiều tạp chất

Nồng độ muối bàn đầu không đạt 2,5 - 3%

Không đậy, nén kĩ, tạo điều kiện cho vi khuẩn lactic phát triển

PH là yếu tố rất quan trọng. Nếu PH 3 - 3,5% thì vi khuẩn lactic phát triển chiếm ưu thế

PH : 4,5 - 5 Vi khuẩn gây thối hoạt động

PH : 5 - 5,5 Vi khuẩn đường ruột phát triển

PH : 2,5 - 3 Nấm men dại hoạt động

PH : 1,2 - 3 Nấm mốc phát triển

+ Khi rau quả đã chua

Ph giảm xuống đến 3 thì vi khuẩn lactic cũng bị ức chế . Nếu cứ tiếp tục như vậy thì nấm men và nấm mốc sẽ phát triển phẩn giải axit lactic thành CO2 và nước. Độ chua giảm đi, PH tăng lên, sản phẩm bắt đầu có váng, môi trường giảm chua, có mùi mốc, nhiều bọt khí

Khắc phục : Nếu muốn sản phẩm không quá lactíc thì có thể giữ ở 2 - 4 % đồng thời bổ sung chất diệt nấm Natri benzoat

+Ủ thức ăn gia súc : thực chất cũng là quá trình lên men lactic. Sử dụng vi khuẩn lactic để giữ hay bảo quản thức ăn gia súc được ' tươi sinh học'. Các loại rau, lá và thân động vật được đưa vào các hố. Lúc đầu các VSV có trên lá, thân rễ sẽ phát triển trong điều kiện hiếu khí, tạo ra môi trường kị khí cho axit lactic phát triển

Đồng thời khi VSV hiếu khí phát triển, sinh trưởng sẽ phân cắt các loại polysaccarit và protein thành các cấu tử nhỏ hơn, giúp cho vi khuẩn lactic dễ hấp thụ. Ủ chua tốt nghĩa là tạo được PH

Hiện nay người ta thường cấy chủng lacto bacterium plantarum

Để nâng cao chất lượng của thức ăn chăn nuôi

* Chế biến sữa

Bảo quản sữa không bị hư hỏng do vi khuẩn gây thối. Tạo nên những sản phẩm mới, sữa chua, phomat... có hương vị và giá trị dinh dưỡng cao hơ.

+ Sữa chua yaourt

Là sản phẩm lên men lactic các dạng sữa dạng lỏng khác nhau, đã khử trùng Paxtơ ( sữa chua 3%, mỡ sữa trộn với sữa đã vớt váng - sữa gầy làm tăng hàm lượng chất tan, cải thiện cấu trúc gen, protein...

Dưới tác dụng của nhiều vi khuẩn lactic khác nhau :

VD : Streptococcus lactic

S... Ceremmonis

S... Themophilus

Lacto bactecillus Bungaricus

L... axidophilus

Quá trình yếm khí xẩy ra ở 42 - 45oC trong 3 - 4 giờ. Lactoza sẽ chuyển thành axit lactic.

PH dung dịch sữa giảm từ 4 - 5 làm casein đông tụ, sữa keo sệt quánh mịn giống như gel có vị chua dịu ( 40 - 60oSH). Hương vị dễ chịu.

Phần quan trọng trong hương thơm đặc biệt của yaourt là các hợp chất Cacbon và dyxetyl đặc biệt là axetin (axetandehit) chiếm ưu thế

Vịêc thêm đường và hoa quả và yaourt làm tăng đáng kể số lượng tiêu thụ sản phẩm này.

Ở một số nước sữa chua được sản xuất từ sữa dê, sữa cừu, trâu, tuần lộc...

Người ta chế sẵn các viên sữa chua từ các loại vi khuẩn và nấm men. Dùng viên này bỏ vào cốc sữa thì quá trình lên men được định hướng nên quá trình lên men ngắn và hương vị thơm ngon hơn vì có thêm nấm men hoạt động

* Kêfia và Kumis

Là các loại đồ uống từ sữa chua rượu giầu CO2, nhiều bọt. Khu hệ VSV gồm nấm men Torula hay canđiđa chịu trách nhiệm đối với quá trình lên men rượu và các vi khuẩn Streptococcus lactic, Lactobacillus causalicus chịu trách nhiệm đối với lên men lactic

Hạt kêfir dùng để sản xuất sữa chua kêfir chứa các cục sữa đông cùng với các vi khuẩn kêfir

Còn Kumis được làm từ sữa ngựa hay sữa dê, thanh trùng Paxtơ rồi làm lạnh đến 28oC rồi cấy các giống Kumis thuần khiết

Themobacterium Bungaricus và nấm men Candida

Nuôi hay lên men trong 2 giờ đạt được độ axit 0,7 - 1,8% axit lactic, 1 - 2,5% rượu.

Cả hai đồ uống làm từ sữa này đều là các sản phẩm địa phương của vùng Caucanus và các vùng thảo nguyên ở trung á. Chứa axit lactic, rượu, CO2 và 1 số sản phẩm phân giải từ casein do hoạt động của nấm men

III: Lên men propionic

Cơ chế là quá trình phân giải đường hoặc axit lactic thành axit propionic,CH3COOH, CO2 và nước

3C6H12O6--- 4CH3-CH2-COOH + 2CH3COOH + 2CO2 + 2H20 + E

3CH3CHOHCOOH--- CH3-CH2-COOH + CH3COOH + CO2 + H2O + E

Dưới tác dụng của vi khuẩn propionic

Tác nhân của quá trình là vi khuẩn propionic thuộc giống propioni bacterium. Loài hoạt động nhiều nhất là Bacterium acidipropionil, đó là những trực khuẩn Gram dương, không chuyển động, không tạo bào tử, hô hấp yếm khí, nhiệt độ phát triển tối thích 30 - 35oC, PH trung tính có khả năng lên men một số loại đường lactoza. Dinh dưỡng Nitơ hữu cơ. Phân giải một số loại muối lactac

* Ứng dụng để sản xuất phomat

Phomat là sản phẩm thu được từ casein sữa đông tụ bằng cách loại bỏ dịch đường sữa và làm chin cục vón bằng khu hệ VSV đặc biệt

Nguyên liệu có thể là sữa bò, dê cừu. Quy trình công nghệ gồm 2 công đoạn chính là đông tụ casein và ủ chin phomat

Đông tụ casein ( thu phomat thô)

Sữa sau khi khử trùng được điều chỉnh tới hàm lượng chất béo, hàm lượng protein tới giá trị mong muốn

Cấy giống khởi động gồm vi khuẩn lactic hay vi khuẩn propionic, nấm sợi như Pennicilium camemberti

P... candidum

P... roqueforty

Với một số vi khuẩn mang sắc tố vang hay đỏ như : Bacterium linens. Một số cầu khuẩn và nấm men. Quá trình lên men lactic xẩy ra làm PH giảm nhanh. Sữa sẽ đông tụ thành khối váng lỏng, mềm tạo cục vón.

Sau lên men lactic quá trình được tiếp nối bằng sự bổ sung Rênin, gel protein này sẽ được cắt thành những hình khối nhỏ trong khi đang được đun nóng, khuấy nhẹ, dịch đường sữa được loại bỏ. Người ta thu được phần cục vón chứa mỡ là phomat thô. Phomat thô này được ép, tách nước và đạt được độ rắn mong muốn và chuyển sang quá trình làm chín

b) Ủ chín phomat

Khối Phomat thô được cho vào bể ngâm muối Ca nhằm cải thiện sự đông tụ của protein và cấu trúc của Phomat

Còn muối Nitrat để kiềm hãm những vi khuẩn yếm khí có khả năng tạo bào tử và những vi khuẩn có sắc tố tạo mầu

Fromage được ủ chín ở nhiệt độ 18 - 22oC. Đầu tiên là quá trình chín lactic. Các vi khuẩn lactic như Streptococcus lactic lên men tiếp đường lacto còn lại sau đó vi khuẩn propionic tổng hợp proteinaza phân huỷ cazein thành peptit và aa đồng thời chuyển hoá muối lactac thành axit propionic, axit axetic và CO2

Quá trình sử dụng vi khuẩn propionic thường kéo dài. Trong một số loại phomat người ta thường dùng nấm sợi penicilium candidum... để thuỷ phân protein tạo hương vị đặc trưng cho sản phẩm.

Như vậy sự chín của phomat mềm xẩy ra từ ngoài vào trong. Vì thế trong giai đoạn đầu sẽ có một phần vỏ chín và 1 phấn lõi chưa chín.

Sự chín không đồng đều xẩy ra là do sự chênh lệch về PH. Ở trong khối pho mat PH thấp vì sự có mặt của axit lactic, còn ở ngoài vỏ các loài nấm sợi đặc trưng phát triển đã nâng PH do phản ứng tạo CO2 từ các aa.

Sự chín ở phomat cứng xẩy ra đồng đều ở trong toàn bộ khối phomat

IV : Lên men Butiric

Là nấm men butiric được tìm ra vào năm 1814. Lên men hay sản xuất từ rỉ đường 1843 nhưng đến năm 1861 mới được Pasteur tìm ra bản chất

Cơ chế

C6H12O6 --- CH3-COCOOH --- CH3CHO --- CH3-CHO-H-CH2-CHO --- CH3CHOH-CH2-CHO --- CH3-CH2-CH2-COOH

Trong quá trình lên men này H2 không được chuyển cho những chất nhận mà tạo thành H2 phân tử

2 Phân tử CH3CHO trùng hợp với nhau tạo thành aldehit hidrooxy butyric. Quá trình này có sự trùng hợp những chất có 2 Cacbon thành những hợp chất có 4 Cacbon.

Thực tế ngoài những sản phẩm kể trên còn hình thành những sản phẩm phụ như axit axetic, rượu etylic và nếu môi trường có PH hơi axit thì sẽ tích tụ những axeton và rượu butanol

Tác nhân sinh học, vi khuẩn lên men butiric gọi chung là vi khuẩn butyric phân bố rộng rãi trong tự nhiên, luôn có trong đất, nước thải, fân, rác, sữa và phomat

Chúng chủ yếu thuộc giống Clostridium, đó là những trực khuẩn có chu mao ( có tiên mao xung quanh tế bào, dài 3 - 10 Mm, sinh bào tử. Trong tế bào chứa nhiều Granuloza hô hấp yếm khí bắt buộc, lên men được cả đường đơn giản và đường phức tạp như dextrin, tinh bột, axit lactic, axit piruvic. Sử dụng protein, peptone, aa, muối amôn nitrat. Một số loài còn sử dụng cả Nitơ phân tử.

Những giống điển hình là Clostridium butilicum ngoài khả năng lên men butyric, còn lên men các gluxit thành rượu butylic. Giống clostridium felrineum có hình thái tương tự loài trên nhưng có khả năng sinh tổng hợp pectinaza nên có khả năng phân huỷ pectin

+ Ý nghĩa của quá trình lên men butyric

Lợi ích: Vi khuẩn butiric phân giải xác thực vật, góp phần vào việc vô cơ hoá các hợp chất hữu cơ và được sử dụng để sản xuất axit butyric, axetan butanol, izo propanol

Tác hại: Nó làm hư hỏng nhiều loại thực phẩm như rau quả. Làm ôi chua bơ sữa phomat, làm phồng đồ hộp, làm chua thối rượu. Khi phân giải xác hữu cơ trong tự nhiên tích luỹ axit butyric lạ trong đất gây bất lợi với sự phát triển của cây trồng.

Ứng dụng để sản xuất ax butyric

Là một chất lỏng không mầu, mùi hắc khó chịu, trong tự nhiên thường gặp ở dạng glicerit, có trong chất béo ở động thực vật, nhất là trong bơ. Trong công nghiệp nó được sử dụng làm hương liệu ở dạng este cho sản xuất rượu, bia bánh kẹo

VD: Butirac metyl : mùi táo

B... : Mùi lê

* Ứng dụng : Sản xuất butyric

Nguyên liệu là các loại đường, đường bột rẻ tiền, rỉ đường khoai tây.

Nguyên liệu tinh bột có thể không cần đường hoá trước vì các vi khuẩn butyric có hệ enzim amilaza. Tuy nhiên để tiện cho việc lên men và rút ngắn thời gian lên men thường thuỷ phân sơ bộ bằng axit nitơric với tỷ lệ là 0,4 - 0,5% nguyên liệu sau đó trung hoà bằng Ca(OH)2 hoặc bằng CaCO3 dư. Bổ sung 1 - 1,5% bột đậu lạc

Đun sôi dịch lên men, làm nguội đến 40oC rồi cấy vi khuẩn butiric thuần khiết. Cũng có thể sử dụng canh trường vi khuẩn tập trung butiric ở nhiệt độ 80oC. Sau đó giữ ở 40oC trong 8 - 10 ngày sẽ thu được dịch lên men chứa 40 - 50 % axit butiric ở dạng muối Canxi

Cần lưư ý là luôn bổ sung CaCO3. Nếu mt là axit thì trong sản phẩm sẽ tạo nhiều axeton và rượu butanol

Đun sôi dịch lên men để kết tủa protein, lọc, cô đặc từ 4 - 5 lần rồi dùng HCl để đẩy axit butiric, thu được axit butiric tự do nổi thành một lớp trên bề mặt như dầu chiết, đem tinh chế, cũng có thể chuyển butirat Canxi thành butirat natri nhờ muối Na2SO4

Sau đó dùng H2SO4 đẩy axit butyric nếu muốn sản xuất este thì cho axit butiric thu được không cần tinh chế đem phản ứng ngay với các rượu trong sự có mặt của H2SO4

Bài 3: Các quá trình chuyển hoá hiếu khí

Là những quá trình hô hấp của VSV trong điều kiện hiếu khí

Điểm khác nhau cơ bản của quá trình lên men và quá trình hô hấp hiếu khí là chất H2 cuối cùng là những hợp chất hữu cơ chưa no, trong quá trình oxi hoá chất nhận H2 cuối cùng là O2 phân tử

Các hợp chất hữu cơ chưa no có thể không đủ để nhận hết toàn bộ H2 sinh ra trong đó H2 có thể thoát ra dưới dạng phân tử.

Trong quá trình oxo hoá thì sản phẩm cuối cùng của oxi hoá là CO2 và nước ( nếu oxi hoá hoàn toàn hoặc là những chất hữu cơ nếu oxi hoá không hoàn toàn

Trong trường hợp oxi hoá không hoàn toàn các VSV cũng hô hấp hiếu khí nhưng sản phẩm tiết ra môi trường là những chất hữu cơ chỉ được oxi hoá 1 phần các xêto axit, axit axetic, axit gluconic, axit fumaric, axit xitric hay là những sản phẩm này giống với sản phẩm của 1 số quá trình lên men.

Quá trình oxi hoá không hoàn toàn được gọi là quá trình lên men hiếu khí

I: Oxi hoá lipit và chất béo

Lipit là este phức tạp của glicerin và các axit béo. Lipit cũng như axit béo là các hợp chất hữu cơ tương đối bền, quá trình chuyển hoá xảy ra tương đối chậm

Cơ chế: glicerit bị thuỷ phẩn

CH2-O-COR1 H2O R1COOH

................R2 gly +R2COOH

................R3 Lipaza R3COOH

Sau đó glycerin tiếp tục bị oxi hoá 1 cách dễ dàng. Còn axit béo là 1 chất bền thì lúc đầu, được tích tụ lại trong môi trường rồi dần dần mới chuyển hoà B oxi hoá

Quá trình này ít có ý nghĩa trong công nghiệp

II: Sự oxi hoá rượu thành axit axetic

Là axit hữu cơ quan trọng nhất về phương diện công nghiệp, nó được sử dụng trong công nghiệp chế biến cao su, chất dẻo, các sợi axetat, dược phẩm và thuốc trừ sâu.

Ở nhật bản axit axetic là cơ chất để len men sản xuất các aa

Sự oxi hoá etanol thành axit axetic nhờ vi khuẩn axetic chỉ có trong trường hợp sản xuất giấm còn tổng hợp hoá học thì dựa vào sự cacbonat hoá methanol

Cơ chế phản ứng

CH3CH2OH+1/2O2ancoholhydrogenaza CH3CHO

+H2O CH3CH(OH)2 +1/2O2 CH3COOH

Tác nhân sinh học:

1862: Nghiên cứu bệnh của rượu vang, Paxtơ viết 1 luận án về vai trò của VSV này trong sự lên men dấm. Đến nay tìm thấy hơn 20 loài vi khuẩn axetic và xếp chúng vào một nhóm là axeto bacte. Đó là những trực khuẩn tương đối lớn, không chuyển động không có bào tử, khi sinh trưởng mạnh mẽ tạo thành những màng khuẩn còn gọi là khuẩn giao đoàn trong đó vi khuẩn axetic kết thành sợi dài những tế bào thau đổi hình dáng, phình to lên, chúng thuộc loại hiếu khí bắt buộc

Nhiệt độ tối thích: 30 - 35oC. Điển hình là một số loài như sau:

+ Aceto bacter aceti: đó là những trực khuẩn mà tế bào luôn dính với nhau thành chuỗi. Khi nhuộm I2 thì cho mầu vàng đậm, trong tế bào có nhiều glycogen. Chịu được nồng độ rượu khá cao 11% và tích luỹ được 6% axit axetic. Nhiệt độ tối thích là 34oC

+ Aceto bacte pasterunium: hình thành màng khô nhăn nheo, trong tế bào chứa nhiều granuloza, Khi nhuộm I2 cho mầu xanh đậm

+ Acetobacte Kutzin guanum. Khi nhuộm I2 cũng cho mầu xanh thẫm, tạo thành màng nhầy, không bền dính vào thành bình

+ Aceto bacte oreleaneme là những vi khuẩn thường sử dụng trong các phương pháp lên men thủ công chịu được 10 - 12% độ rượu, tích luỹ được 9 - 9,5% axit axetic. Quá trình oxi hoá xẩy ra chậm thì sự tiếp xúc giữa không khí và vi khuẩn chỉ xẩy ra trên bề mặt

+ Acetobacte Shutzenbatchi: là vi khuẩn mang tên nhà công nghiệp người Đức, được sử dụng trong phương pháp lên men nhanh trong công nghiệp, đó là những trực khuẩn dài, tích luỹ được tới 11,5% axit axetic

+ Acetobacte xylynum: Khi lên men tạo màng dấm dày như sữa trên bề mặt dung dịch, màng này chứa nhiều hemi xenluloza nên khi nhuộm với I2 và H2SO4 thì cho mầu xanh. Chúng tích tụ được 4 - 5% axit axetic và có nhược điểm là oxi hoá tiếp tục axit axetic thành CO2 và H2O nên làm giảm hiệu suất thu hồi. Bởi vậy cần tránh loại này trong sản xuất

3: Ứng dụng

a) Phương pháp bề mặt.

Đây là phương pháp thủ công( phương pháp chậm) còn gọi là phương pháp olean được biết đến từ năm 1970 tại vùng trồng nho nổi tiếng orean

Trước hết rượu vang được pha loãng và axit hoá băng axit axetic, tỉ lệ dịch lên men thường là 2% axit axêtic, 4% rượu hoặc 3% axit axetic, 3% rượu

Dịch này được đưa vào các hệ thống thùng nằm ngang có các van để cho nguyên liệu vào và lấy sản phẩm ra , thùng được mở nắp cho thoáng khí nhưng có phủ vải màn để tránh nhiễm tạp. Nhiệt độ tối thích là 25 - 30oC

Khi nhiệt độ tăng lên so với môi trường khoảng 2 - 3 độ màng dấm đã phát triển và bắt đầu xuất hiện quá trình lên men

Do màng vi khuẩn bao phủ bề mặt dung dịch nên sự xâm nhập của O2 không khí vào cơ chất rất hạn chế và vì thế quá trình oxi hoá diễn ra rất chậm chạp đến 3 -4 tuần thậm chí có thể là 6 tuần nếu vào mùa đông,

Sản phẩm thu được chứa 5 - 6 % axit axetic. Nhưng nếu sau phương pháp lên men bề mặt được cải tiến bằng cách đưa dịch lên men vào khay chiều sâu 5 - 20 cm. Xếp trên các giàn trong phòng nuôi.

Buồng nuôi được đảm bảo độ ẩm và chế độ không khí, biện pháp nuôi như vậy cho phép thu được dấm trong thời gian ngắn hơn. Tuy nhiên tổn thất đối với cồng và axít axetic cần được loại trừ nhờ sự hồi lưu không khí hoặc bộ phận hấp phụ hơi axit axetic trong khí thải

Dấm được sản xuất trong thời gian dài rất thơm ngon, mặt bằng sản xuất lớn và khó cơ khí hoá, tự động hoá

b) Phương pháp lên men nhanh hay là phương pháp qua tháp đệm

1823: Shuzenbatchi đưa ra phương pháp lên men cho phép rút ngắn thời gian sản xuất

Nguyên tắc của phương pháp là tạo bề mặt tiếp xúc lớn giữa 3 pha rắn lỏng khí.

Bề mặt lớn được tạo ra khi sử dụng vật liệu xốp, vỏ bào, lõi ngô còn gọi là vật liệu mang xếp trong thiết bị dạng tháp trụ.

Tháp lên men cấu tạo từ vật liệu chịu axit thường làm bằng gỗ

Chiều cao gấp đôi đường kính. Cách đáy 20 cm đặt 1 ngăn gỗ có đục lỗ để lấy sản phẩm ra. Ở nắp có sang có kích thước nhất định. Trên mặt sang là hệ thống phần phối dịch có thể quay nhờ động cơ. Trước khi đưa hệ thống vào sử dụng thì vật liệu mang được cấy vi khuẩn axetic bằng cách tưới dung dịch dấm không thanh trùng lên diện tích bề mặt vật liệu xốp thong qua bộ phận phân phối dịch sao cho tế bào vi khuẩn bám lên đó.

Dịch lên men bao gồm hỗn hợp gồm dấm, chất dinh dưỡng được phun từ đỉnh tháp chẩy xuống đáy trong khi không khí được thổi vào thiết bị qua lỗ nhỏ ở phía dưới đáy giả và bên thành của tháp, rồi đượi chuyển lên ngược chiều với cơ chất. Quá trình được xem là kết thúc khi nồng độ rượu còn sót trong dịch lên men 0,2 - 0,4%

c) Phương pháp chìm ( bề sâu)

chiếm ưư thế so với 2 phương pháp trên

Đặc điểm của phương pháp: toàn bộ khối vi khuẩn được hoà vào dung dich lên men. Vi khuẩn luôn tiếp xúc với oxi không khí thong qua việc cấp khí.

Về mặt tiếp xúc giữa 3 pha được tận dụng đáng kể nên vi khuẩn phát triển rất nhanh và cường độ lên men cao, sau 24h đạt 4 - 6% axit axetic. Hiệu suất 90 - 95%

Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp là đòi hỏi phải cung cấp khí thường xuyên, liên tục

Khi nồng độ axít là 6%, ngừng khuấy và thong khí thì quá trình lên men bị kìm hãm hoàn toàn. Lên men kiểu này có khả năng tự động hoá cao. Thiết bị lên men chìm nổi tiếng nhất là của Đức. Đó là thiết bị kín, có cánh khuấy, hệ thống ruột gà để ổn định nhiệt. Bên ngoài có mạng vi tính để đo tất cả các tần số

4: Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình oxi hoá rượu thành axit axetic

a) Thành phần môi trường dinh dưỡng

Nồng độ rượu trong dịch lên men biến đổi từ 7 - 14% tuỳ theo phương pháp và chủng giống sử dụng

Nói chung nồng độ rượu cao làm giảm hoạt động của vi khuẩn axetic vì làm đình chỉ quá trình sinh tổng hợp các enzyme có trong chu trình Krep và do đó ảnh hưởng đến quá trình oxi hoá rượu thành axit axetic. Trong dung dịch luông phải khống chế nồng độ rượu sót 0,2 - 0,4%

Không được để hết rượu để tránh quá trình quá oxi hoá.

Vi khuẩn axetic phát triển tốt ở PH =3 vì thể dịch lên men phải được axit hoá trước từ 2 - 10 % tuỳ theo phương pháp lên men và chủng giống sử dụng

Thành phần môi trường phải có đủ muối amôn, muối phốt phát và một số chất kích thích sinh trưởng như diotin, vitamin, carotin

Nhiệt độ thích hợp là từ 28 - 30oC

Nồng độ oxi hoà tan rất cần cho quá trình oxi hoá, nếu thiếu oxi thì quá trình oxi hoá giảm rõ rệt

III: Sự oxi hoá gluxit thành axit hữu cơ

a. axithc: Trong số các axit hữu cơ được tạo thành qua con đường oxi hoá, chỉ riêng axit axetic là sản phẩm trao đổi chất của vi khuẩn còn các axit khác đều là sản phẩm trao đổi chất của nấm mốc được hình thành trong quá trình oxi hoá đường không hoàn toàn và là sản phẩm trung gian của chu trình Krep

Các axit hữu cơ này đều có thể sản xuất bằng con đường sinh học, quy mô công nghiệp. Bản chất quá trình là sự oxi hoá đường không hoàn toàn dưới tác dụng enzim, oxi hoá khử do nấm mốc sinh tổng hợp nên.

Sự hình thành và tích tụ các axit hữu cơ nói trên trong môi trường liên quan mật thiết tới sự phá vỡ cơ chế điều hoà quá trình trao đổi chất.

Bằn thực ngiệm, trong môi trường tự nhiên, khi môi trường thiếu chất dinh dưỡng, không thấy sự tích tụ các axít hữu cơ

Trong điều kiện môi trường giầu chất dinh dưỡng, có rất nhiều sản phẩm trung gian được tích tụ lại.

Ngoài ra khi giảm một cách đáng kể hàm lượng của các nguyên tố vi lượng như Zn, Mg, Cu thì có tác dụng kích thích sự tích tụ các sản phẩm trung gian hình thành các axit hữu cơ

Sự phụ thuộc vào tác nhân và PH của môi trường

VD: axit sucxinic và pumaric chủ yếu do mucor và Rhizopus tổng hợp nên

b. Axit xitric được sử dụng trong công nghiệp bánh kẹo, dược, mĩ phẩm. 90% axit xitric được sản xuất trong công nghiệp được sản xuất bằng con đường sinh tổng hợp. Axit xitric có nhiều trong hoa quả

1: Cơ chế của axit xitric

Oxi hoá đường thành axit xitric được biểu diễn bằng phương trình

C6H12O6 + 3O C6H8O4 + 2H2O + 170Kcal

Giả thuyết 1: Dưới tác dụng của enzim gluco oxidaza làm cho nấm mốc được oxi hoá thành axit gluconic rồi tạo

Giả thuyết 2: Mạch C đường, bị phán vỡ đứt ra theo kiểu lên men rượu tạo axit piruvic + axetal dehit sau đó tổng hợp thành axit xitric

Tác nhân sinh học:

Trong tế bào nhiều loại VSV có khả năng tổng hợp axit xitric tuỳ thuộc vào loại cơ chất sử dụng khác nhau

VD: Athrobacterium, Brevibacterium có khả năng tạo axit từ paraffin

Còn nấm candida và Tricloderma thì tạo axit từ rỉ đường. Tuy nhiên hiện nay ở quy mô công nghiệp axit xitric được sản xuất từ Aspergillus niger và A... wentii

* Yếu tố quyết định quá trình oxi hoá gluxit thành axit xitric

+ Thành phần môi trường dinh dưỡng: gluxit ở dạng mono hoặc disac ở mức dư thừa. ngoài ra bổ sung các loại muối NH4Cl, K3PO4, FESO4, MgSO4

+ Môi trường nuôi nấm mốc phát triển khác với môi trường thực hiện quá trình lên men axit xitric, Trong môi trường lên men, cần thiếu các yếu tố vi lượng, Ph môi trường thích hợp. Aspergillus niger 4 - 5. Ph thích hợp cho việc tích tụ axit xitric là 1,7 - 2,5 ( sử dụng axit vô cơ để điều chỉnh Ph môi trường)

+ Điều kiện công nghệ:

Quá trình này cung cấp không khí đầy đủ. Đủ O2 thoáng khí và giảm CO2 thải do muối thoáng khí bằng sục khí vô trùng vào dung dịch lên men nếu nuôi chìm, quạt gió vào phòng nuôi.

Nhiệt độ thích hợp thay đổi tuỳ từng chủng, thường khoảng 30 - 34oC

* Ứng dụng: Công nghệ sản xuất axit citric

+ Lên men nổi: ( lên men bề mặt): Axit xitric được sản xuất bằng lên men bề mặt một số loại nấm trên môi trường có Ph thấp, trong đó hằng số biến đổi đường thành axit có thể đạt tới 60%, nếu hạn chế được sự tạo sinh khối sợi nấm ( = Ph muối khoáng)

Lên men bề mặt là phương pháp thủ công, nấm mốc phát triển trên bề mặt thành này.

Thiết bị là những khay, chậu mỏng, nông. Bào tử nấm mốc được đưa vào dung dịch tan sau 2 ngày màng mốc sẽ phát triển phủ đầy trên mặt dung dịch

Sau đó rút dịch tan ra, thay vào bằng dung dịch lên men chỉ có gluxit, không có muối vô cơ hoặc ít giữ nhiệt độ 32oC trong khoảng 4 ngày thì lên men xong.

* Lên men chìm

Lên men chìm bề sâu liên tục hay theo chu kì, quá trình lên men khá phức tạp trong đó sự tăng lên của nấm mốc được kiểm soát bằng thay đổi các thành phần môi trường, P, Mn, Fe và Zn, Ph môi trường 1,2 - 2. Trong phương pháp này nấm mốc tạo sợi nằm trong toàn bộ môi trường lỏng.

Phương pháp này cho phép tăng công suất nhiều máy do tiết kiệm được mặt bằng, hạ thấp mất mát do nhiễm trùng, có khả năng cơ khí hoá và tự động hoá cao. Thiết bị lên men hoàn toàn kín, có sục khí, 2 cánh khuấy, tuy nhiên khi nấm mốc phát triển nhiều, hệ sợi sẽ làm tăng trở lực của cánh khuấy, hạn chế O2 hoà tan và có thể làm đình chỉ quá trình

Phần 2

Bài 1: Sinh tổng hợp Protein từ VSV

I) Vấn đề hiện nay

Tình trạng khan hiếm protein là vấn đề nan giải về dinh dưỡng của cả nhân loại

Để giải quyết khó khăn về protein bên cạnh những giải pháp tổng thể về kinh tế xã hội, về CNSH tập trung giải quyết khan hiếm này bằng những biện pháp như sản xuất protein đơn bào hay làm giàu protein bổ sung cho thức ăn bằng lên men hoặc sản xuất công nghiệp aminoaxit.

Sinh tổng hợp từ VSV là thu protein từ sinh khối VSV vì tỷ lệ protein trong hợp phần tế bào VSV là lớn nhất

II) Cơ sở khoa học của phương pháp

Ưu điểm là nằm ở đặc điểm của bản thân quá trình sản xuất và đặc điểm của sản phẩm tạo thành

Năng suất của VSV trội hơn cây trồng và vật nuôi trong công nghiệp vì VSV phát triển nhanh hơn cây trồng 500 lần và hơn vật nuôi 1000 - 5000 lần

Nấm tảo: 6 h

Cỏ : 2 tuần

Gà vịt: 5 tuần

Lợn: 6 tuần

Bò: 2 tháng

Chi phí lao động thấp hơn nhiều so với sản xuất nông nghiệp. Sử dụng các nguyên liệu rẻ tiền, hiệu suất chuyển hóa cao, các nguyên liệu thường là phụ phẩm, phế phẩm của những ngành khác nhử rỉ đường, dịch kiềm sunfit, phế phẩm của chế biến gỗ, giấy, parafin của dầu mỏ

Trong đó hiệu suất chuyển hóa cao, hdrat cacbon. Chuyển hóa tới 80%. Cacbua hidro 100% thành chất khô của tế bào

Quá trình sản xuất không phụ thuộc địa điểm, không chịu ảnh hưởng của khí hậu, thời tiết, dễ cơ khí hóa tự động hóa

* Đặc điểm của protein từ VSV

Hàm lượng protein trong tế bào VSV rất cao:

Vi khuẩn 60 - 70%

Nấm men: 40 - 50 % chất khô VSV

Hàm lượng này phụ thuộc vào loài VSV và chịu ảnh hưởng nhiều vào điều kiện nuôi cấy

Chất lượng protein cao, thành phần aa có trong VSV giống với thành phần protein trong động vật và với hàm lượng cao. Ngoài ra trong tế bào VSV chứa chất béo, VTM và muối khoáng

Khả năng tiêu hóa protein này có phần bị hạn chế một mặt bởi thành phần phi protein axit nucleic peptit của thành tế bào, Mặt khác bởi chính thành và ỏ tế bào VSV khó cho các enzym tiêu hóa đi qua

Về mặt an toàn độc tố trong sản xuất SCP không được dùng VSV gây bệnh cũng như các loài chứa thành phần độc hoặc nghi ngờ về sinh lý sinh dưỡng ở dạng khó tách riêng

Chính vì sức khỏe của con người cho đến nay SCP được chủ yếu dùng cho sinh dưỡng động vật

III) Đối tượng sản xuất SCP ( Singer central protein)

1: Yêu cầu

Những chủng dùng trong sản xuất SCP cần đáp ứng yêu cầu kĩ thuật sau:

+ Thời gian sinh trưởng ngắn ( những chủng có khả năng sinh trưởng nhanh sẽ cho năng suất cao

+ Có khả năng tạo thành 50 - 70% protein

+ Sử dụng được các nguồn C rẻ tiền, tiêu thụ tối đa các chất dinh dưỡng và môi trường

+ Không được gây bệnh và tách vào môi trường những độc tố

+ Có sức chống chịu cao ( chịu được điều kiện nuôi cấy không vô trùng, mẫn cảm với sự tạp nhiễm

+ Dễ tách khỏi dịch canh trường trong điều kiện tuyển nổi và ly tâm tách

Vấn đề tách và xử lý sinh khối phụ thuộc chủ yếu vào kích thước tế bào. Những chủng chịu được nhiệt độ hoặc ưa nhiệt sẽ giảm chi phí về làm nguội trong sản xuất

2: Đối tượng

Những đối tượng VSV sử dụng trong lên men thu SCP có thể là nấm men, vi khuẩn, tảo nấm mốc và xạ khuẩn

Nấm men

Hàm lượng protein chiếm khoảng 40 - 60 % chất khô. Sản xuất protein được tiến hành từ đầu thế kỉ 20 (1916 - Đức) do Del Bruck với nấm men Canđiđa utilis trên rỉ đường

1936: được tiến hành trên dịch kiếm sunfit là dịch thải của công nghiệp chế biến gỗ

Ở Mĩ 1946: mới tổ chức sinh khối nấm men

Nhiều nước đã sử dụng sản phẩm này, tinh sạch để chế biến thức ăn nhằm tạo hoặc bổ sung vào các nguồn chế biến thực phẩm lỏng

25 năm trở lại đây công nghiệp sản xuất SCP đã có bước nhảy vọt do việc sử dụng hdrocacbua của dầu mỏ, khí đốt làm nguồn C và năng lượng trong nuoi cấy nhiều loài VSV

* Chủng giống và nguyên liệu

Các chủng nấm men sử dụng cho SCP tùy thuộc vào C trong môi trường

+ Trên các dịch thủy phân từ nguyên liệu thực vật

+ Hay dùng các chủng nấm men: Canđiđa utilis, Canđiđa proficalis, canđiđa maltoza, canđiđa scotty, canđiđa humicola

hoặc ở mức độ ít hơn Trichosporon cuntarium trong đó hiệu quả theo sinh khối và protein

* Dịch kiềm sunfit và bã rượu sunfit

Gỗ nấu với Canxi bisunfit, lích nhin được hòa tàn vào dưới dạng muối Ca của axit lich nhin sunfuric

Còn hemi xenluloza cũng là một phần của xenlulo thủy phân thành đường hextoza, pentoza

Hexoza lên men thành rượu etanol

60% các hợp chất hữu cơ của Kiềm sunfit là muối Ca của axit lich nhin sunfuric không được nấm men sử dụng bởi vậy khi dịch còn nóng, phải thổi khí mạnh để đuổi SO2 và furfurol ra khỏi dịch. Bởi vì các chất này kìm hãm sinh trưởng của nấm men còn lại tất cả các đường có trong dịch kiềm sunfit cùng với axit axetic cùng với nấm men canđiđa sử dụng với hiệu suất cao

Sinh khối tạo thành tính theo chất khô tới 50% so với nguồn C có trong môi trường

2 chủng được dùng nhiều nhất là Canđiđa utilis và Canđiđa proticalis

Có thể sử dụng đơn lẻ hoặc dùng hỗn hợp cả 2 để chúng hỗ trợ nhau và kết quả thu được tốt hơn

Ngoài ra còn dùng S... cerevisiae

Trên dịch thủy phân than bùn nuôi nấm men Canđiđa proticalis là tốt nhất

Các hidro cacbua lỏng được độc hóa bởi các chủng thuộc giống Canđiđa như:

C... proticalis

C... maltoza

C... rugoza

Ngoài ra một số giống khác còn sử dụng C của dầu mỏ như:

Torulopsis

Rodotorula

Trên một môi trường khác, trên bã rượu nấu từ rỉ đường và bột ngũ cốc thường nuôi một số nấm men: C... tropicalis, C... utilis

Môi trường chứa các hợp chất axit, metanol, etanol thường nuôi Canđiđa, Debary omyces, Endomy copsis

Những chủng nấm men quan trọng nhất hay được sử dụng là C... utilis và C... tropicalis

Sơ đồ quy trình công nghệ

Nguyên liệu --- Xử lý nguyên liệu --- Thanh trùng --- Làm nguội --- Lọc

Chủng giống --- Lên men --- Ly tâm --- Tách và thu sinh khối --- Ép khuôn --- Sấy --- Protein thô

b) Vi khuẩn

Ngoài nấm men vi khuẩn cũng được sử dụng rộng rãi để sản xuất SCP

Hàm lượng aa của protein VK cân đối hơn của nấm men. Tỷ lệ protein trong tế bào vi khuẩn rất cao 60 - 70 %

Thậm chí có loài tới 87%

Vi khuẩn sử dụng được nhiều nguồn cơ chất khác nhau. Các nhà khoa học Mĩ đã thành công trong việc thu sinh khối vi khuẩn từ xenluloza

Vi khuẩn có khả năng sinh trưởng trên nhiều loại hidro cácbua hơn nấm men

VD: Dãy ankan mạch thẳng mạch nhánh

Trên 60% vi khuẩn được mô tả có khả năng sử dụng khí thiên nhiên, chúng chủ yếu là các chi:

Pseudomonas

Methaomonas

Coryner bacterium

Tốc độ sinh trưởng nhanh, thời gian sinh trưởng ngắn

* Nhược điểm

Kích thước tế bào nhỏ nên công đoạn thu sinh khối đòi hỏi ly tâm phức tạp. Do đó giá thành và các chi phí về năng lượng là cao hơn

Tỷ lệ axit nucleic trong tế bào cao và khả năng dễ nhiễm vi khuẩn gây bệnh

c) Nấm mốc và xạ khuẩn

Trong sản xuất SCP nấm mốc ít được chú ý vì hàm lượng protein thấp, sinh trưởng chậm, khó tách riêng hệ sợi. Cơ chất dinh dưỡng thường là tinh bột

Tuy nhiên một vài chủng do có mùi vị đặc biệt nên có thể dùng trong chế biến thức ăn. Người ta đề ra những biện pháp và công nghệ

Nuôi hỗn hợp nấm mốc và nấm men trong đó nấm mốc sinh tổng hợp enzim để phân hủy xenluloza, tinh bột thành đường nuôi nấm men phát triển

Enđomycopsis filuliger

Cho đến nay xạ khuẩn chưa được dùng trong sản xuất SCP cũng như nấm mốc hệ sợi xạ khuẩn là cho protein thấp và dễ bị hỏng vì vậy phải sấy ngay sau khi tách khỏi pha lỏng. Sinh khối hệ sợi có thể dùng cho chăn nuôi

SCP của xạ khuẩn và nấm mốc thường thu dưới dạng sản phẩm phụ của Công nghiệp sinh tổng hợp

d) Tảo

Có giá trị dinh dưỡng rất cao, chứa nhiều protein 40 - 50%, trong đó Spirulina 70%

Hàm lượng aa lại gần với protein tiêu chảy. Điều đáng chú ý là tổng số các aa không thay thế đặc biệt là lyzin. Đặc biệt là lyzin trong tảo rất cao, trong tảo còn chứa nhiều protein. Vitamin C, A, B12 các chất kích thích sinh trưởng, axit...

Nhiều loại kháng sinh chống vi khuẩn như nấm

Những loại điển hình là Chlorella. Trong đó Semolena là chủ yếu vì có những đặc điểm nổi trội hơn frolena

Điều kiện nuôi cấy đơn giản ( chỉ cần dung dịch muối bão hòa CO2, dung dịch nước muối sinh lý, sử dụng ánh sáng mặt trời

Vòng đời ngắn

Nhờ 3 tính năng này nên có thể thu hoạch quanh năm, tốc độ sinh trưởng cao cho năng suất trên một diện tích nuôi trồng cao hơn so với sản xuất nông nghiệp

Tảo Spirulena có thể nổi trên mặt nước, kích thước lớn 0,2 - 0,5 mm

Phần 2: Sinh tổng hợp aa

I) Những phương pháp sản xuất aa

Aa là đơn vị cơ bản cấu tạo nên protein của mọi tế bào cơ thể sống. Chúng còn tạo nên enzym các polypeptit của động vật

Thực hiện hàng loạt chức năng quan trọng trong quá trình tổng hợp protein, hoocmôn, chất kháng sinh...

Hiện nay thế giới sản xuất > 200.000 tấn aa, Chúng được sử dụng để bổ sung vào thực phẩm cho người và thức ăn cho gia súc nhằm cân đối dinh dưỡng vì vậy cùng với việc sinh tổng hợp protein. Việc nghiên cứu và triển khai sản xuất các aa riêng biệt cũng có ý nghĩa to lớn với đời sống con người

Để sản xuất aa có thể sử dụng các phương pháp sau:

+ Tách các aa từ dịch:

phương pháp này thu được các hỗn hợp các aa. Tách riêng từng aa là việc khó khăn hơn nữa. Trong quá trình thủy phân, một số aa bị phân hủy. Ngày nay phương pháp này vẫn được sử dụng nhưng không thể thỏa mãn yêu cầu của thực tế, với lại nó đòi hỏi chi phí về trang thiết bị và về nguyên liệu khá lớn và không đưa lại hiệu quả kinh tế cao

+ Phương pháp thứ 2:

tổng hợp hóa học các aa thu được dạng raxemic là hỗn hợp 2 đồng phân quang học D và L aa

Dạng D aa không được các cơ thể động vật đồng hóa. Sau đó sử dụng các giải pháp công nghiệp thích hợp để thu tách riêng các L aa

Sử dụng enzim aminoacylaza để chuyển các axit dạng D sang dạng L, việc này gây tốn kém

Sinh tổng hợp aa từ nguồn hidrat cacbon nhờ VSV

Kết hợp hóa học và sinh học, trước tiên tổng hợp hóa học các xetoaxit là tiền thân của aa. Sau đó là nguyên liệu để sản xuất các aa tương ứng bằng phương pháp lên men nhờ VSV

Trong các phương pháp trên phương pháp thủy phân nhờ protein động vật là phương pháp cổ điển nhất cho hiệu quả kinh tế thấp còn nhìn chung cả 3 phương pháp sau đều có nhiều ưu điểm và triển vọng khá lớn. Đặc biệt là phương pháp sinh tổng hợp nhờ VSV có nhiều ưu điểm sau:

+ Hầu hết các aa thu được theo phương pháp này đều ở dạng L

+ Ít tốn kém về đầu tư trang thiết bị

+ Nguyên vật liệu dùng trong sản xuất rẻ tiền, dễ kiếm nên hạ được giá thành sản phẩm

Phương pháp sinh tổng hợp hiện nay đang là phương pháp chủ yếu axit glutamic và lyzin

Một điều đáng chú ý là trong cả 3 phương pháp sau vai trò của VSV là rất quan trọng hoặc trực tiếp là tác nhân thu enzym phục vụ cho quá trình sản xuất.

II) Cơ sở khoa học và cơ chế quá trình sinh tổng hợp aa từ VSV

1) Cơ sở khoa học

Từ lâu con người đã biết nhiều VSV có thể tổng hợp các aa cần thiết cho cơ thể của chúng (80% VSV) nhưng cường độ thấp chỉ khoảng 1 - 2 gam/lit

Tuy nhiên khả năng sử dụng aa chỉ được ghi nhận sau nghiên cứu của Kinoshita (1957) Ông phát hiện thấy khi nuôi Micrococus trong môi trường muối khoáng, urê. Một số chúng có thể tích tụ trong môi trường hàng chục gam/lit axit glutamic, đây là hiện tượng siêu tổng hợp aa min.

Kể từ đó việc nghiên cứu sinh tổng hợp aa nhờ VSV phát triển hết sức nhanh chóng

Trong khoảng thời gian ngắn đã giải quyết hàng loạt vấn đề:

+ Phân lập VSV, tạo biến chủng mới

+ Nghiên cứu cơ chế quá trình, tìm giải pháp điều chỉnh quá trình và xác định điều kiện nuôi, sản xuất công nghiệp

2) Cơ chế quá trình sinh tổng hợp

Gắn liền với sự trao đổi gluxit của tế bào. Trong quá trinh trao đổi gluxit đã hình thành những chât trung gian như xetoaxit là những chất tiền thân cho tổng hợp aa

Nhóm amin đã được đưa vào các chất này thông qua phản ứng trao đổi amin

Ngoài ra một số VSV còn có khả năng hấp thu dạng D aa chuyển sang dạng L và tiết ra ngoài tế bào vì trong tế bào VSV có hệ enzym raxemaza

+ Nguyên nhân của hiện tượng siêu tổng hợp riêng biệt trong canh trường thường rất đa dạng

+ Trong quần thể VSV phát triển bình thường có thể điều chỉnh sinh tổng hợp xảy ra 1 cách hài hòa và cơ thể VSV chỉ tổng hợp lượng aa vừa đủ cho cung cấp phát triển của chúng. Chỉ khi nào cơ chế điều chỉnh bị phá vỡ hoặc bị sai lệch mới dẫn đến việc sinh tổng hợp dư thừa 1 hay 1 vài aa nào đó

VD: Cơ chế ức chế ngược bị phá vỡ ( sản phẩm tạo thành bởi 1 quá trình đó ức chế enzym xúc tác do quá trình đó tạo ra)

+ Nguyên nhân thứ 2 là sự tác động nào đó lên quá trình tổng hợp thành tế bào hay các động trực tiếp lên thành tế bào nhằm tăng tính thấm của nó dẫn tới làm các aa khuếch tán ra ngoài tế bào. Để cân băng được duy trì các aa tiếp tục được tổng hợp và lại tiếp tục thoát ra ngoài

VD: Trong thủy phân lipoprotein của thành tế bào thiếu 1 axit béo nhất định do đó nó có tính thẩm thấu cao với các aa. Sự sai lệch trong quá trình tổng hợp thành tế bào có thể gây ra trong môi trường có chất kháng sinh hay có kích thích sinh trưởng như biotin với liều lượng cao

III) Sản xuất aa nhờ VSV

1) Phân lập và tuyển chọn chủng VSV có khả năng sinh tổng hợp aa cao

a) Phương pháp phân lập

Nuôi VSV trên môi trường đặc sau đó thử với Ninhidrin, aa sẽ phản ứng với ninhydrin chuyển thành mầu tím sẫm

Dùng phương pháp cấy dàn đều các VSV, nuôi 3 - 4 ngày để VSV tạo khuẩn lạc riêng biệt, dùng một miếng giấy lọc đánh giấu vị trí tương ứng của khẩn lạc ép lên trên bề mặt môi trường đặc để 1 - 2 ngày. Sau đó lấy ra ngâm vào dung dịch Ninhidrin 0,5% pha trong axeton, thời gian là từ 15 - 20 phút trong 60oC

b) Tuyển chọn chủng VSV

Phương pháp xác định hàm lượng hay nồng độ aa tạo thành

+ Dùng chủng chỉ thị: có những kiểm tra VSV nhất định rồi so sánh với chủng nghiên cứu trên môi trường cơ bản, cấy các chủng VSV thí nghiệm, nuôi khoảng 4 - 5 ngày rồi dùng tia tử ngoại để giết các tế bào VSV trong khuẩn lạc. Sau đó đổ lên bền mặt môi trường này một lớp môi trường mới và cấy chủng chỉ thị

Các aa của chủng thí nghiệm sẽ khuếch tán vào môi trường mới và được chủng chỉ thị sử dụng do đó hàm lượng aa được phản ánh bằng sự phát triển của chủng chỉ thị

+ Phương pháp nuôi chìm hoặc dùng khay giống lọc nuôi VSV trong môi trường lỏng ly tâm loại bỏ sinh khối thu dịch, dùng khay giấy lọc thấm dịch lên men đặt vào hộp pettri có cấy chủng chỉ thị xung quanh khoanh giấy lọc có sự phát triển của chủng chỉ thị từ đó xác định được hàm lượng aa

+ Phương pháp dùng 2 dãy ống nghiệm: Mỗi dãy có 10 ống nghiệm, trong dãy thứ nhất mỗi ống nghiệm chứa 10 ml dung dịch aa với nồng độ cho trước và 5 ml môi trường dung dịch

Trong dãy thứ 2 mỗi ống chứa 10 ml dịch canh trường nghiên cứu (hàm lượng aa chưa biết ) và 5 ml môi trường dinh dưỡng

Sau đó thanh trùng rồi cấy chủng chỉ thị giống hệt nhau. Nuôi cấy 24h bằng các ống nghiệm đem xác định kết quả bằng cách đếm tế bào hoặc đo độ tụ từ đó suy ra hàm lượng aa trong dịch nghiên cứu

c) Sơ đồ quy trình công nghệ chung

Chuẩn bị mt

Thanh trùng

Chủng giống Lênmen(48-72h) CaCO3

Ly tâm Loại bỏ TB sinh khối

Tách tạp chất

Cô đặc

Kết tinh Sấy Dóng gói

Phần 4: Sinh tổng hợp enzim từ VSV

A: Đại cương về enzim

I) Định nghĩa

Enzim là chất xúc tác sinh học có bản chất là protein được tế bào tổng hợp nên và giữ vai trò quan trọng trong quá trình trao đổi chất của VSV

Tất cả các chuyển hóa hóa học trong cơ thể đều có enzym tham gia. Dưới sự xúc tác của enzim chúng xẩy ra nhanh, nhẹ nhàng và có định hướng rõ rệt

Ở ngoài cơ thể sống trong những điều kiện nhất định, enzym vẫn có thể xúc tác trong những phản ứng hóa học đó. Điều này mang lại ý nghĩa thực tiễn to lớn rút ngắn thời gian của quá trình, tiết kiệm nguyên vật liệu và nâng cao giá trị của sản phẩm

VD: Sử dụng enzym của nấm mốc trong sản xuất rượu, bia tiết kiệm được 50% malt đại mạch

Trong sản xuất bánh mì dùng enzym amilaza có thể rút ngắn thời gian ủ bột

II) Đặc tính chung của enzym

+ Có khả năng phát huy tác dụng với nồng độ rất nhỏ, rất loãng

1 gam pepxin thủy phân 50 kg protein

1 gam renin thủy phân 72 tấn sữa

+ Enzym luôn luôn có cường độ chuyển hóa lớn, thể hiện bằng hằng số chuyển hóa là số phân tử cơ chất bị một phân tử enzym tác dụng trong thời gian 1 phút

+ Tốc độ của các phản ứng có xúc tác của enzym đó dễ điều khiển thông qua việc khống chế nhiệt độ, PH và nitơ cơ chất

+ Tạo điều kiện phản ứng có enzym rất nhẹ nhàng êm ái

+ Có tính đặc hiệu cao (enzym nào thì thủy phân cơ chất ấy)

III) Phạm vi sử dụng của enzym

Renin từ dạ dày bê, nghé

Pepxin, tripxin từ dạ dày lợn

Amilaza từ mầm thóc

Domalain từ dứa

Papain từ đu đủ

VSV: xenluloza

Hệ enzym của VSV phong phú hơn nhiều so với enzym từ động thực vật. Ngoài ra một số enzym chỉ VSV mới có

VD: izomeraza, xenlulaza

Hoạt tính của enzym từ VSV cao hơn enzym động thực vật

Một tế bào VSV sau 24 h chuyển hóa lượng cơ chất gấp 30 - 40 lần trọng lượng cơ thể nó

+ VSV sinh trưởng nhanh chóng, kích thước tế bào nhỏ nên tỷ lệ enzym là cao dẫn đến tăng năng suất sản suất

+ Enzym VSV rất nhạy cảm với điều kiện ngoại cảnh nên dễ dàng khống chế quá trình sinh tổng hợp ra nó thông qua việc khống chế các điều kiện môi trường

+ Enzym của VSV đa số là enzym ngoại bào

+ Nguyên liệu để nuôi VSV sinh tổng hợp enzym rẻ tiền và dễ kiếm có thể tận dụng phế phẩm của các ngành sản xuất công nghiệp khác

B) Phương pháp sinh tổng hợp enzym nhờ VSV

1) Phân lập, tuyển chọn chủng VSV có khả năng sinh tổng hợp enzym cao

2) Lên men sinh tổng hợp enzym

* Phương pháp bề mặt: sử dụng môi trường đặc để nuôi VSV, tùy thuộc đặc tính của từng loài mà chọn thành phần môi trường thích hợp, Đối với nấm mốc thường sử dụng tinh bột xấu (tinh bột sắn) 75 - 85 % nguyên liệu

+ Bổ sung trấu để tăng độ xốp ( 15 - 20 %)

Cơ chất 10 %. Ngoài ra muối khoáng thường là sunfat amôn và nước để đạt hàm ẩm là 65 - 75%. Sau đó đem thanh trùng trong 1 at trong 1h nhằm tiêu diệt tạp khuẩn, làm giãn nở hạt tinh bột, tạo điều kiện chơ nấm mốc dễ sử dụng

+ Cấy bào tử vào môi trường, phân phối trên các giá hay sàng với bề dầy của môi trường là khoảng 5 cm

Độ ẩm của hỗn hợp đạt 90 - 100%, thời gian nuôi cấy là 36 - 48h

Đây là phương pháp đơn giản dễ thực hiện, thích hợp với sản xuất nhỏ

Có thể dễ loại bỏ phần nhiễm tạp. Tận dụng được phế liệu tinh bột rẻ

Nhược điểm:

Tốn diện tích, năng suất thấp do lao động thủ công, khó cơ khí hóa và tự động hóa, khi nuôi bề mặt bị nhiễm tạp. Trong nhiều trường hợp nấm mốc không thể xâm nhập vào bề sâu củ môi trường gây lãng phí nguyên liệu

* Phương pháp bề sâu

Là phương pháp nuôi VSV trong môi trường lỏng từ rỉ đường, dịch thủy phân rơm rạ gỗ tinh bột xấu và các loại phế phẩm của công nghiệp giấy

Thiết bị là thùng lên men có khả năng điều chỉnh nhiệt độ, PH, hàm lượng O2 hòa tan thông qua việc dùng hệ thống cánh khuấy và sục khí

Ưu điểm: Hiệu suất cao, cự động hóa, tiết kiệm diện tích, sử dụng triệt để nguyên liệu. VSV phát triển trên toàn bộ môi trường. Đưa lại năng suất cao, cho hoạt lực enzym cao

Nhược điểm: Dễ bị nhiễm toàn bộ, thiết bị đắt tiền và không tổ chức cho sản xuất nhỏ. Khi phát triển hệ sợi sẽ làm giảm lượng O2 hòa tan dẫn đến ức chế, đình chỉ quá trình

Thu và tách enzym: Tùy mục đích sử dụng, yêu cầu mật độ tinh khiết khác nhau đối với công nghiệp rượu trong chăn nuôi có thể sử dụng các chế phẩm enzym thô

Trong y học, phân tích hóa học, phân tích thực phẩm cần sử dụng enzym sạch đòi hỏi phải tinh chế

3) Tách, thu và tinh chế

Đối với enzym ngoại bào chỉ cần loại bỏ sinh khối còn đối với enzym nội bào thì phải phá vỡ tế bào bằng phương pháp nghiền hoặc siêu âm hoặc gây hiện tượng co nguyên sinh hoặc hiện tượng tự phân để tăng khă năng trích ly của enzym vào VSV. Sau đó tách e bằng cách chiết với các dung môi thích hợp (nước, cồn, axeton, toluen...)

Kết tủa enzym bằng cồn 90o hoặc bằng dung dịch muối hydrat amôn bão hòa. Ly tâm không kết tủa. Sấy chân không là tốt nhất

Cuối cùng thêm các chất phụ gia để đảm bảo hoạt tính, để bảo quản được lâu dài

VD: CaCl

Các enzym chính được sử dụng trong công nghiệp thực phẩm, nhóm VSV sinh tổng hợp nên chúng

Anpha amilaza thủy phân tinh bột thành dextrin

Anpha amilaza được sản xuất nhờ các loại nấm mốc như: Aspergilus, Mucor, Rhizopus, Furanium

Amilaza chủ yếu là amilaza chịu được nhiệt độ thấp

Vi khuẩn: Bacillus

B... subtilis

B... mesentericus

Amilaza của VK thường là enzym chịu nhiệt độ cao, từ 70 - 100oC

+ Nấm men: đặc biệt là endomycócis là loại tạo khuẩn ty giả phát triển trên môi trường đặc trông hơi giống nâm mốc, có khả năng sinh tổng hợp gluco amolaza. Nấm men không có enzym gluco transpheraza nên không chuyển hóa gluco thành các hợp chất glucozit

+ Proteaza: protein --- polypeptit --- oligo peptit

+ Nấm mốc chủ yếu là Aspergillus, Penecilium. Đặc tính enzym từ nấm mốc là có khả năng hoạt động trong giải PH rất rộng 2 - 11, cho phép sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau

+ Vi khuẩn: hầu hết các vi khuẩn sinh tổng hợp amilaza có khả năng sinh tổng hợp proteaza. Proteaza của vi khuẩn ưa môi trường trung tính hoặc kiềm nhẹ

+ Dextrinaza: ứng dụng trong sản xuất rượu vang, nước quả. Dùng để thủy phân peptin tạo điều kiện trích ly nước quả triệt để. Các giống VSV chủ yếu la nấm mốc, điển hình là Aspergilus niger và 1 số vi khuẩn như penicilium, Bacilius...

+ Xenluloza: là sản phẩm của một số loài VK, làm nhiệm vụ phân giải xelulose điển hình là các loài

Bacilius Xenluloza hydrogenicus

..............................methanicus

+ Clostridium thermophilus: có khả năng sinh tổng hợp enzym xenlulaza chịu nhiệt độ cao (65oC)

+ Cuối cùng là 2 loài phảy khuẩn: Cellovibrio và Cellofacinula giúp con người tận dụng được phụ phẩm của nông nghiệp

Phần 5: Sinh tổng hợp Vitamin từ VSV

Vitamin là những chất hữu cơ phức tạp vô cùng cần thiết để duy trì sự sống bình thường của cơ thể sinh vật

Tuy Vitamin không phải là nguồn năng lượng hay vật chất để xây dựng tế bào nhưng không thể thiếu trong khẩu phần thức ăn hàng ngày. Mặc dù hàm lượng ít bởi vì nó có hoạt tính sinh học cao có tác dụng mạnh đối với các qua trình trao đổi chất trong cơ thể .

Hiện nay người ta đã biết hơn 30 loại VTM khác nhau, chúng được gọi tên bằng tiếng LaTinh. Nhiều loại là thành phần co enzym trong các phản ứng hóa sinh

VTM tham gia vào thành phần của 200 loại enzym

Khi thiếu enzym có bệnh avita ninoza. Trong quá trình sống VTM bị giảm đi thì gọi là hipo vitaminoza

VTM được sản xuất nhiều từ sau chiến tranh thế giới thứ 2 và được sử dụng chủ yếu trong 2 lĩnh vực: y học và chăn nuôi

Con đường sản xuất VTM có thể là chiết suất từ thực vật. Beta caroten (cà rốt) hoặc chiết suất từ động vật Riboflavin ( từ dầu gan cá thu)

+ Tổng hợp hóa học

+ Tổng hợp VSV: Cơ sở của phương pháp này là tương tự như cơ sở siêu tổng hợp aa của VSV

Một số VSV có khă năng tự tổng hợp VTM cần thiết (tất cả hoặc một số nào đó)

Trong điều kiện nhất định lượng VTM tổng hợp được, dư thừa so với nhu cầu bản thân thì được thoát ra ngoài môi trường hoặc tích lũy lại trong tế bào trên cơ sở này đề xuất phương pháp sinh tổng hợp VTM từ VSV

Hiện nay cả 3 phương pháp này đều được áp dụng. Phương pháp hóa học được áp dụng để sản suất phần lớn các VTM đang dùng

Tuy vậy phương pháp sinh tổng hợp cũng được chú ý nhiều. Vì sản suất theo phương pháp này tương đối rẻ và đơn giản có thể kết hợp sản xuất với 1 sản phẩm nào đó. Những VTM tổng hợp theo phương pháp VS học gồm: VTM B12, B2, C...

Theo phương pháp hóa học - VS học để sản xuất VTM C

Một số VSV khi sinh trưởng trên môi trường tự nhiên hoặc tổng hợp sẽ tích lũy 1 số VTM trong tế bào hoặc tiết vào môi trường xung quanh, có thể phân biệt mấy trường hợp sau:

+ Sinh tổng hợp và làm giầu VTM cho sản phẩm lên men

VD: nuôi cấy nấm men dùng làm thức ăn cho gia súc và làm thuốc

+ Sinh tổng hợp VTM kèm theo những quá trình lên men khác trong đó VTM là sản phẩm phụ của quá trình lên men

VD: Lên men axeto butanol trong bã thải có tích tụ 1 lượng lớn Rhiboflavin

+ VTM là sản phẩm chính hoặc duy nhất của quá trình lên men

IV) Một số VSV sinh tổng hợp các VTM phổ biến

1: Vitamin B12

Là VTM đầu tiên và được sản xuất với số lượng nhiều nhất bằng phương pháp VSV

Tác dụng trong quá trình tạo huyết cho cơ thể nên được dùng để điều trị các bệnh thiếu máu cho con người.

Động thực vật không có khả năng tổng hợp B12 trong khi nhiều vi khuẩn, xạ khuẩn có khả năng này

Điển hình là nhóm xạ khuẩn Actynomyces, Olivaceus, actynomyces...

Vi khuẩn: Bacterium, propionic, metan

2 loài có giá trị cao nhát là Ac olivaceus và propioni bacterium shermani cho tới 6 - 8 mg/ml canh trường

2: Vitamin B2

Đáng chú ý là: Eremothecium ashbyii, ashbya gosspi, clostridium acetobutalycum

1 số nấm men: canđiđa guellia rmondia, canđiđa robusta, canđiđa frareri

Nấm mốc: aspergillus niger và penecilium notatum

3: Tiền VTM A: Bêta caroten

Các VSV: Penecilium sherotium

4: VTM C

Vi khuẩn: acetobacter subocydans chuyển dạng D- sorbit tổng hợp được theo phương pháp hóa học thành dạng L - sorbroza

Phần 6: Sinh tổng hợp kháng sinh nhờ VSV

I) Giới thiệu

Hiện tượng đối kháng giữa các VSV được biết đến từ lâu và mãi đến 1886 Ganalia phát hiện ra chất đối kháng này

Ban đầu chú ý đến kháng sinh từ 1929 khi fleming công bố về penecilin chiết suất từ penecilium

Có 2 giả thuyết giải thích về sự hình thành kháng sinh đặc tính đặc biệt trong sự trao đổi chất của VSV.

1: Giả thuyết thứ nhất

Cho rằng sự hình thành kháng sinh là một đặc tính đặc biệt trong sự trao đổi chất của VSV

Nó gắn chặt và tồn tại trong suốt quá trình tiến hóa. Sự tạo thành và tách các chất kháng sinh ra trong môi trường trong quá trình sống hay sau khi chúng bị chết có thể là 1 hiện tượng để tồn tại. Đại diện cho thuyết này là Gracimov, Gauze, Grosdar

2: Giả thuyết thứ 2

Cho rằng các chất kháng sinh được tạo thành do VSV là một đặc tính ngẫu nhiên, nó chỉ xẩy ra trong điều kiện nhất định, không liên quan gì đến tiêu hóa

Đại diện cho thuyết này là vacman

Thuyết này dựa trên 2 cơ sở:

+ Không phải toàn bộ VSV đều có khả năng tạo chất kháng sinh

+ Các chất kháng sinh kể cả chất khá bền vững cũng dễ bị phân hủy và mất khả năng đối kháng

* Định nghĩa: Chất được gọi là kháng sinh phải đảm bảo điều kiện cần và đủ:

+ Chất đó phải do sinh vật tạo ra

+ Chất đó có khả năng ức chế và tiêu diệt VSV có tính chọn lọc ở nồng độ rất thấp

VD: Một số chất như: HgCl2, AgCl thỏa mãn điều kiện 2 nhưng không thỏa mãn điều kiện 1nên không được gọi là chất kháng sinh

II) Đặc tính chất kháng sinh

Tác dụng chọn lọc đặc hiệu, Mỗi loại kháng sinh chỉ có thể tác dụng với 1 nhóm VSV nhất định

Các chất kháng sinh là sản phẩm troa đổi chất bậc 2 và được tạo thành nhờ các VSV từ các aa

III) Phân loại kháng sinh

+ Các dẫn xuất của aa

VD: hadixidin là dẫn xuất của N - focmyl và N - hydroxy glycin được tạo thành từ glycin

Các penicilin và cephalsporin là các dẫn xuất của peptit

Các polipeptit

VD: decapeptit vòng gramixidin và các actynomycin. Ngoài 2 peptit vòng còn chứa hệ thống phenoxazin được tạo thành từ ax anthranilic

IV) Tác nhân sinh học

Những kháng sinh do nấm mốc và xạ khuẩn tổng hợp nên

VD: Penicilin do penicilium notatum và Pen chryzagenium tổng hợp nên

Streptomycin do Actynomyces streptomycini và Ac...griceus tổng hợp ( kháng sinh chữa viêm mũi họng)

Tetracyclin và Biomixin do AC... aureopaciens

V) Sản suất thuốc kháng sinh

Trong thực tế thuốc kháng sinh được sản suất bằng VSV hiện nay tập trung nghiên cứu chủ yếu

+ Mở rộng phổ hoạt động và năng suất cao hiệu lực của thuốc kháng sinh

+ Kết tủa độc và khắc phục các phản ứng phụ cảu thuốc đối với con người

+ Tạo các dngj thuốc cải tiến chịu được sự phân giải của vi khuẩn, cho phép kéo dài thời gian bán phân hủy của chúng

+ Hoàn thiện phương thức sản xuất thuốc

Hiện nay thuốc kháng sinh được sản xuất theo 3 phương pháp sau:

a) Sản suất bằng lên men trực tiếp

Bản chất của phương pháp này là bổ sung các tiền chất của kháng sinh hay các chất ức chế trao đổi chất vào môi trường lên men, hướng chủng lên men tổng hợp thuốc kháng sinh và các đồng phân của nó

VD: penicilium chryzogenum chuyên tổng hợp, tích tụ penicilin

Tuy nhiên tùy theo điều kiện nó có khả năng biến đổi phenyl axetic axit và 1 số tiền chất khác thành benzyl penicilin và các đồng phân của penicilin

Sự ức chế tổng hợp thuốc kháng sinh đôi khi cũng được sử dụng trong quá trình sản xuất.

VD: Trong quá trình nuôi cấy Streptomyces aureofaciens nếu ức chế phản ứng gắn Cl thì sẽ tạo ra tetracilin ngược lại sẽ tạo ra chlorotetracylin

c) Tạo kháng sinh bằng phương pháp đột biến tổng hợp

Bản chất của phương pháp là sử dụng các dạng đột biến để định hướng tổng hợp thuốc kháng sinh mong muốn

VD: Bình thường chủng Norcadia meditaranei tổng hợp khoảng 20 loại thuốc kháng sinh rifamicin khác nhau. Nhưng nếu bổ sung barbital vào môi trường nuôi cấy thì phổ kháng sinh được tổng hợp sẽ thay đổi khi đó do phản ứng acyl hóa bị ức chế chủng đột biến sẽ tạo ra rifamicin SV làm tiền chất của rifamicin V

Ngoài ra nó còn là chất khởi điểm để tổng hợp hàng loạt rifamicin khác

b) Cải biến thuốc kháng sinh nhờ VSV

G - penicilium - axit là sản phẩm thủy phân penicilin do enzym penicilin acylaza xúc tác. Nó là tiền tố rất có giá trị để tiến hành bán tổng hợp ra nhiều loại penicilin khác nhau

Trong sản xuất công nghiệp 6 - APA người ta thường sử dụng chủng đột biến có hoạt tính penicilin acylaza cao hay sử dụng enzum nói trên ở dạng cố định. Từ 6 - APA người ta có thể sản xuất được >4000 penicilin bán tổng hợp khác nhau

Trong thực tiễn y học có hiện tượng gây bệnh làm quen với thuốc khá nhanh ( nhờn thuốc). Nguyên nhân căn bản là chúng có những cơ chế thích nghi cho phép cải biến và làm mất hoạt tính của thuốc kháng sinh. Do đó trên cơ sở các loại thuốc kháng sinh đã bị nhờn người ta phải luôn luôn tìn cách tạo ra các loại thuốc kháng sinh mới đặc hiệu hơn

VSV có khả năng đóng vai trò là xúc tác trong công nghiệp sản xuất thuốc steroit. Đây là nhóm thuốc có giá trị sử dụng cao và rất khó tổng hợp bằng con đường hóa học.

Điển hình là trường hợp tổng hợp cortisone bằng con đường hóa học gồm 27 phản ứng: trong đó có những phản ứng rất khó thực hiện. Nhờ phân lập được chủng Rhizopus nigricans xúc tác rất đặc hiệu phản ứng gắn nguyên tử O vào vị trí 11anpha của vòng progesterone nhờ đó cho phép giảm quá trình công nghệ sản xuất cortisone xuống còn 11 phản ứng nên hạ giá thành sản phẩm từ 200 usd còn 6usd/g

Phần 7: Probitic và prebiotic

A: Probiotic

I) Định nghĩa: là các dạng thực phẩm hay các dạng chế phẩm để ăn uống, có chứa VSV sống, có khả năng góp phần cải thiện chất lượng hay duy trì trạng thái cần bằng hệ VSV có lợi trong đường ruột. Qua đó giúp cho con người (đảm bảo cho con người ) ở trạng thái khỏe mạnh.

Đại diện điển hình của nhóm VSV có lợi này là phần lớn các vi khuẩn lactic thuộc giống Lactobacillus, Streptococus lactic... với 1 số nâm men như Sac..boulardii và một số vi khuẩn.

II) Yêu cầu đối với các VSV tham gia vào chế phẩm probiotic

+ VSV sống và không độc

+ VSV phải chịu áp suất của dạ dày và ruột non ( PH thấp) và chịu được các axit mật và có PH tối thích ở vùng kiềm ( do ở đại tràng có PH trung tính hoặc hơi kiềm)

Có khả năng bám dính lại ở đại tràng (khu hệ tiêu hóa)

VD: Sữa chua là 1 chế phẩm probiotic

B) Prebiotic

I) Định nghĩa: là nhóm cấu tử chức năng sử dụng trong sản xuất thực phẩm hay sản phẩm ăn uống với mục đích chính để cung cấp thức ăn cho hệ VSV có lợi trong đường tiêu hóa, đặc biệt là hệ VSV có lợi khu trứ trong đại tràng

II) Yêu cầu đối với Prebiotic

+ Là chất không độc đối với con người và động vật

+ Chịu được PH thấp của dạ dày và ruột non, không bị phân hủy bởi các axit mật

+ PH tối thích phải trung tính hay hơi kiềm

Như vậy việc duy trì cân bằng sinh thái để ngăn chặn sự phát triển của các VSV có hại qua đó góp phần phát triển sức đề kháng cho cơ thể chủ. Tránh bị táo bón, béo phì, kiểm soát tốt hơn quá trình lão hóa và giảm nguy cơ gây xơ vữa động mạch

III) Một số chế phẩm Prebiotic trên thị trường

Khoa học đã xác định được cấu tử chức năng có hiệu quả Prebiotic. Điển hình là các loại đường chức năng: Oligosaccarit

VD: Galacto oligosacharit ( GOS)

Mano ------------------ ( MOS)

Fructo ------------------ ( FOS)

Rafino ------------------ ( ROS)

Một số nghiên cứu liên quan đến tổng hợp cũng như vai trò chức năng của các loại đường trên đã được công bố và người ta phát hiện được vai trò của phản ứng Fransgalactosyl hóa trong việc hoàn thàh GOS từ vai trò của phản ứng thủy phân Mannan để tạo ra MOS hay hiệu quả cảm ứng phát triển tốt của FOS đối với vi khuẩn Lacto bacillus trong đại tràng

VD: Cơ chế của việc tạo ra GOS là

E: thường là B - Galactooxydaza hay B Glucosidaza

Lac: đường lactoza

Glu: glucoza (được giải phóng)

E- Gal : phức E - galactoza

Mối liên kết E-gal dễ dàng bị chuyển hóa bởi các chất ái nhân (Nu) như đường Glucoza, galactoza để tạo ra Oligosaccarit hơn với H2O để tạo ra Galactoza

Hiệu suất của phản ứng tổng hợp Oligosaccait phụ thuộc nhiều vào điều kiện phản ứng như nhiệt độ, PH, và thời gian phản ứng.