VI KHUẨN LÊN MEN LACTIC VÀ ỨNG DỤNG TRONG SẢN XUẤT NEM CHUA

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN1.1.GIỚI THIỆU VỀ ACID LACTICAcid lactic, 2 hydroxypropionic acid (CH3CHOHCOOH) là acid tồn tại rộng rãi trong tự nhiên, được tìm thấy ở người, động vật, thực vật và vi sinh vật. Được phát hiện vào năm 1780 do nhà hóa học Thụy Điển Sheele ở trong sữa chua. Acid lactic được chấp nhận là sản phẩm của một quá trình lên men vào năm 1847. Hình 1.1.1.a. Cấu tạo và cấu trúc không gian của lactic acidTrong cấu tạo phân tử của acid lactic có một cacbon bất đối xứng nên chúng có hai đồng phân quang học: D acid lactic và L acid lactic. Hai đồng phân này có tính chất hóa lý giống nhau, chỉ khác nhau khả năng làm quay mặt phẳng phân cực ánh sáng, một sang phải và một sang trái. Do đó tính chất sinh học của chúng hoàn toàn khác nhau.Loại L acid lactic ở dạng tinh thể. Chúng có khả năng tan trong nước, tan trong cồn, eter, không tan trong CHCl3, nhiệt độ nóng chảy ở 280C. L acid lactic được ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm và dược phẩm. Hầu hết các sinh vật lên men lactic đồng hình đều tạo ra các dạng đồng phân quang học.Dạng D acid lactic là dạng tinh thể, tan trong nước và cồn. Nhiệt độ nóng chảy 280C. Hình 1.1.1.b. D acid lactic và L acid lacticNếu D acid lactic và L acid lactic có trong hỗn hợp theo tỉ lệ 5050 người ta gọi là hỗn hợp Raxemic. Trong quá trình lên men không khi nào có một hỗn hợp có tỉ lê lý tưởng này mà chỉ có được hỗn hợp này khi tiến hành tổng hợp hữu cơ.1.2.VI KHUẨN LACTICVi khuẩn lactic thuộc họ Lactobacillaceae. Các chủng vi khuẩn thuộc nhóm này có đặc điểm sinh thái khác nhau nhưng đặc tính sinh lý tương đối giống nhau. Tất cả đều có đặc điểm có đặc điểm chung là vi khuẩn Gram dương, không tạo bào tử, không di động, hô hấp tùy tiện ( kị khí và hiếu khí ) và không chứa các men hô hấp như xitoccrom và catalaza. Chúng thu nhận năng lượng nhờ quá trình phân giải hydrat cacbon và sinh ra axit lactic, sinh sản bằng hình thức phân đôi tế bào.Nhóm vi khuẩn lactic bao gồm nhiều giống khác nhau: Streptococcus, Pediococcus, Lactobacillus, Leuconostoc. Ngày nay người ta bổ sung vào nhóm vi khuẩn lactic những chủng vi khuẩn thuộc giống Bifidobacterium.1.2.1.Đặc điểm hình tháiTùy thuộc vào hình dạng tế bào mà người ta chia vi khuẩn lactic thành dạng hình cầu và hình que. Kích thước của chúng thay đổi tùy từng loài:•Giống Streptococcus có dạng hình tròn hoặc hình ovan, đường kính tế bào 0.51µm. Sau khi phân chia theo một phương chúng thường xếp riêng biệt, cặp đôi hoặc chuỗi ngắn. Không sinh trưởng ở 100C nhưng sinh trưởng ở 450C. Hình 1.2.1.a. Các vi khuẩn thuộc giống Streptococcus •Giống Leuconostoc có hình dạng hơi dài hoặc hình ovan, đường kính từ 0.50.8µm và chiều dài khoảng 1.6µm. trong một số điều kiện chúng cũng có dạng hơi tròn, chiều dài khoảng 13µm. Sau khi phân chia chúng thường sắp xếp thành chuỗi, không tạo thành đám tập trung. Hình 1.2.1.b. Các vi khuẩn thuộc giống Leuconostoc•Giống Lactobacillus có dạng hình que. Tùy vào điều kiện của môi trường sống mà hình dạng của chúng thay đổi từ hình que ngắn đến dài. Sắp xếp thành chuỗi hay đứng riêng lẽ. Sinh trưởng ở pH= 4,5, từ glucose sinh acid lactic L (+), D () và DL, … Hình 1.2.1.c. Các vi khuẩn thuộc giống Lactobacillus•Giống Pedoicoccus là những tứ cầu khuẩn hoặc song cầu khuẩn. Có hoạt tính thủy phân protein rất yếu. Chúng không sinh trưởng ở nồng độ NaCl 18%. Hình 1.2.1.d. Các vi khuẩn thuộc giống Pedoicoccus•Giống Bifidobacterium là những trực khuẩn, khi mới phân lập có thể phân nhánh dạng chữ Y, V và tập hợp thành khối. Sau nhiều lần cấy truyền chúng trở thành dạng trực khuẩn dạng thẳng hoặc hơi uốn cong. Hình 1.2.1.e. Các vi khuẩn thuộc giống Bifidobacterium1.2.2.Đặc điểm sinh lý, sinh hóaNhu cầu dinh dưỡng của vi khuẩn lacticCác loại vi khuẩn lactic khác nhau thì có nhu cầu dinh dưỡng khác nhau. Chúng không chỉ có nhu cầu về các nguồn cơ chất chứa các nguyên tố cở bản như cacbon, nitơ, photphat và lưu huỳnh mà còn có nhu cầu về một số chất cần thiết khác như vitamin, muối vô cơ…1.2.2.1.Nhu cầu dinh dưỡng carbonVi khuẩn lactic có thể sử dụng nhiều loại hydrat cacbon từ các monosaccarit ( glucoza, fructoza, manoza ), các disaccarit ( saccaroza, lactoza, maltoza ) cho đến các polysaccarit ( tinh bột, dextrin ).Chúng sử dụng nguồn cacbon này để cung cấp năng lượng, xây dựng cấu trúc tế bào và làm cơ chất cho quá trình lên men tổng hợp các acid hữu cơ. Vì vậy, đây là nguồn thức ăn có ý nghĩa hàng đầu đối với sự sống của các tế bào vi sinh vật. Nguồn carbon tốt nhất là các loại đường và ở mức độ nhỏ các loại đường chứa nhóm rượu, còn polysaccharide thì thực chất không thể lên men. Tốc độ lên men các loại mono, di và oligosaccharide khác nhau đến mức có thể dùng tiêu chuẩn này để có thể phân biệt giữa các loại.1.2.2.2.Nhu cầu dinh dưỡng nitơPhần lớn vi khuẩn lactic không thể sinh tổng hợp được các hợp chất chứa nitơ. Vì vậy để đảm bảo cho sự sinh trưởng và phát triển chúng phải sử dụng các nguồn nitơ có sẵn trong môi trường.Các nguồn nitơ vi khuẩn lactic có thể sử dụng như: cao thịt, cao nấm men, trypton, dịch thủy phân casein từ sữa, pepton,…Hiện nay cao nấm men là nguồn nitơ được sử dụng nhiều nhất và có hiệu quả nhất. tuy nhiên ở quy mô công nghiệp không thể sử dụng nguồn nitơ này vì rất tốn kém.1.2.2.3.Nhu cầu về VitaminVitamin đóng vai trò là các coenzyme trong quá trình trao đổi chất của tế bào, nên rất cần thiết cho hoạt động sống. Tuy nhiên, đa số các loài vi khuẩn lactic không có khả năng sinh tổng hợp vitamin. Vì vậy cần bổ sung vào môi trường các loại vitamin. Các chất chứa vitamin thường sử dụng như nước chiết từ khoai tây, ngô, cà rốt hay dịch tự phân nấm men…1.2.2.4.Nhu cầu các hợp chất hữu cơ khácNgoài các axit amin và vitamin, vi khuẩn lactic còn cần các hợp chất hữu cơ khác cho sự phát triển như các bazơ nitơ hay các axit hữu cơ.Một số axit hữu cơ có ảnh hưởng thuận lợi đến tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn lactic như axit xitric, axit oleic. Nên hiện nay người ta sử dụng các muối xitrat, dẫn xuất của axit oleic làm thành phần môi trường nuôi cấy, phân lập và bảo quả các chủng vi khuẩn lactic.Tương tự như hai axit hữu cơ trên, axit axetic cũng có những tác động quan trọng đến sự sinh trưởng của tế bào. Nên người ta thường sử dụng axit axetic dưới dạng các muối axetat để làm chất đệm cho môi trường khi nuôi cấy vi khuẩn lactic.1.2.2.5.Nhu cầu các muối vô cơ khácĐể đảm bảo cho sinh trưởng và phát triển đày đủ, vi khuẩn lactic rất cần các muối vô cơ. Nhằm cung cấp các nguyên tố khoáng như đồng, sắt, natri, kali, photpho, lưu huỳnh, magie đặc biệt là mangan, vì mangan giúp ngăn ngừa quá trình tự phân và ổn định cấu trúc tế bào.1.3.CƠ CHẾ LÊN MEN LACTICLên men là quá trình chuyển hóa đường thành acid lactic nhờ vi sinh vật, điển hình là vi khuẩn lactic. Lên men lactic là một trong những loại hình lên men phát triển nhất trong thiên nhiên. Người ta đã biết đến hiện tượng này từ lâu và đã ứng dụng rộng rãi để chế biến các loại thức ăn chua (sữa chua, dưa chua, nem chua, …) hay sản xuất acid lactic và các loại lactate. Kluyver chia vi khuẩn lactic thành hai nhóm dựa vào sản phẩm cuối của quá trình chuyển hóa glucose. Đó là hai kiểu lên men: đồng hình và dị hình:1.3.1.Lên men lactic đồng hình (diển hình)Trong trường hợp này acid pyruvic được hình thành theo sơ đồ Embden Mayerhorf Parnas (EMP). Sau đó, acid pyruvic sẽ tạo thành acid lactic dưới tác dụng của enzyme lactatdehydrogenase. Quá trình chuyển hóa được trình bày như sau:Lượng acid lactic tạo thành chiếm hơn 90%. Chỉ một lượng nhỏ pyruvat bị khử cacbon để tạo thành acid acetic, atanol, CO2 và aceton. Lượng sản phẩm phụ tạo thành phụ thuộc vào sự có mặt của oxy.1.3.2.Lên men lactic dị hình (không điển hình)Xảy ra trong trường hợp vi khuẩn lactic không có các enzyme cơ bản của sơ đồ EMP (aldolase và triozophotphatizomerase), vì vậy xilulose 5 photphat sẽ được tạo thành theo con đường pento photphat (PP). Quá trình chuyển hóa được trình bày như sau:Trong trường hợp này, chỉ có 50% lượng đường tạo thành acid lactic, ngoài ra còn có các sản phẩm phụ khác như: acid acetic, etanol, CO2. Các sản phẩm phụ tương tác với nhau tạo thành ester có mùi thơm.Lượng sản phẩm phụ tạo thành hoàn toàn phụ thuộc vào giống vi sinh vật, vào môi trường dinh dưỡng và điều kiện ngoại cảnh. Nói chung là acid lactic thường chiếm 40% lượng đường đã được phân hủy, acid sucxinic chiếm 20%, rượu etilic chiếm 10%, acid acetic chiếm 10% và các loại khí gần 20%.1.4.VI SINH VẬT TRONG LÊN MEN LACTICVi khuẩn lactic có thể được phân lập từ các cây trồng trên thế giới bao gồm trái cây và rau. Các loài Lactobacillus còn tìm thấy ở dạ dày, ruột non, ruột già và âm đạo.Vi khuẩn lactic là vi khuẩn gram dương, không sinh bào tử, tỉ lệ G+C thấp, cầu khuẩn hay hình que. Chúng sản xuất ra acid lactic như là sản phẩm lên men chính. Chúng không có enzyme catalase mặc dù catalase giả có thể được tìm thấy trong những trường hợp rất hiếm vì vậy không phân giải oxy già. Các thành viên của nhóm này thiếu cytochrome. Tất cả các vi khuẩn lactic phát triển trong điều kiện kị khí. Tuy nhiên, không giống như những vi khuẩn kị khí, hầu hết các vi khuẩn lactic không nhảy cảm với oxi và có thể phát triển tốt trong điều kiện có mặt oxi cũng như không có mặt oxi. Vì thế chúng là vi khuẩn kị khí tuỳ ý.Sự phân chia vi khuẩn lacticdựa vào các sản phẩm của quá trình trao đổi chất carbohydrate, các loài Lactobacillus có thể phân chia thành 3 nhóm:•Nhóm I: Lên men đồng hình bắt buộc có fructose1,6diphosphate aldolase (FDP aldolase) nhưng không có phosphoketolase. Chúng lên men được hexose để tạo acid lactic nhưng không lên men được pentose.•Nhóm II: Lên men dị hình tuỳ ý (có FDP aldolase và cảm ứng phosphoketolase. Tuy nhiên, hexose là lên men đồng hình và pentose được chuyển thành acid lactic và ethanol hoặc acid acetic.•Nhóm III: Lên men dị hình bắt buộc, có phosphoketolase nhưng không có FDP aldolase, quá trình trao đổi chất cả hexose và pentose lên men dị hình.Bảng. Phân loại LactobacillusĐặc điểmNhóm INhóm II Nhóm IIILên men pentoseTạo CO2 từ glucoseTạo CO2 từ gluconateSự hiện diện FDP aldolaseSự hiện diện phosphoketolaseMột vài đại diện+L. acidophilusL. delbrueckiiL. helveticusL. salivarius++a++bL. caseiL. curvatusL. plantarumL. sake+++a+L. brevisL. buchneriL. fermentumL. reuteria: Khi lên menb: Cảm ứng khi có pentoseMột đặc điểm quan trọng dùng để phân biệt các giống vi khuẩn acid lactic là sự lên men glucose dưới các điều kiện chuẩn như: nồng độ glucose và các yếu tố tăng trưởng (các tiền chất acid amin, vitamin và acid nucleic) thì không giới hạn và giới hạn sử dụng oxi. Dưới những điều kiện này, vi khuẩn acid lactic có thể phân thành hai nhóm: lên men lactic đồng hình thì chuyển hầu hết lượng glucose để tạo thành acid lactic và lên men lactic dị hình thì glucose lên men tạo thành acid lactic, ethanol, acid acetic và CO2. Thật ra việc kiểm tra sản phẩm khí từ glucose sẽ phân biệt được giữa hai nhóm này.1.5.MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA VI KHUẨN LACTICNhờ khả năng tạo ra axit lactic từ các nguồn cacbon hdrat khác nhau mà các chủng vi khuẩn lactic đã được ứng dụng trong nhiều ngành sản xuất và chế biến.1.5.1.Những ứng dụng trong công nghệ thực phẩm