Bài giảng Vi sinh thực phẩm

Nội dung text: Bài giảng Vi sinh thực phẩm

1. BÀI GIẢNG MÔN HỌC VI SINH THỰC PHẨM Số đvht: 4 (3LT + 1TH) Phần Lý Thuyết Chương I: MỞ ĐẦU (2t) I.1. Giới thiệu môn vi sinh thực phẩm I.1.1. Một số khái niệm Vi sinh vật là tên gọi chung của những sinh vật có kích thước nhỏ bé mà mắt thường không nhìn thấy được, chỉ có thể quan sát chúng bằng kính hiển vi. Vi sinh vật gồm rất nhiều nhóm khác nhau: virus, vi khuẩn, nấm men, nấm mốc, protozoa, tảo Thực phẩm là những chất mà con người có thể nuốt và tiêu hoá được để cung cấp các chất dinh dưỡng và năng lượng cho quá trình sinh trưởng và phát triển của cơ thể. Thực phẩm bao gồm nhiều loại và tồn tại ở nhiều dạng khác nhau như: nước, thịt, cá, trứng, sữa, rau quả Thực phẩm có thể là các vật thể sống hoặc các sản phẩm đã qua chế biến từ các nguyên liệu ban đầu. Vi sinh vật học thực phẩm là một môn khoa học nghiên cứu về những hoạt động sinh lý của vi sinh vật có ảnh hưởng đến chất lượng của lương thực thực phẩm, tìm hiểu các quy luật phát triển của vi sinh vật trên thực phẩm để có những biện pháp ngăn ngừa tác động tiêu cực và phát huy tác động tích cực của chúng trong quá trình bảo quản và chế biến thực phẩm. Không phải tất cả các nhóm vi sinh vật đều được các nhà vi sinh thực phẩm quan tâm ngang nhau. I.1.2. Yêu cầu của môn vi sinh thực phẩm Sau khi học xong môn học này học viên phải hình thành được các năng lực cơ bản sau: a. Về kiến thức − Nhận thức được vai trò của vi sinh vật trong chế biến cũng như trong bảo quản thực phẩm. Cũng như tác hại của vi sinh vật khi chúng nhiễm vào thực phẩm − Nắm vững một số nhóm vi sinh vật chính có ý nghĩa trong sản xuất thực phẩm, cơ chế hoạt động của chúng, những ứng dụng chính trong sản xuất, chế biến và bảo quản thực phẩm. b. Về kỹ năng Biết liên hệ, vận dụng được vào thực tế sản xuất và cuộc sống trong chế biến và bảo quản thực phẩm. Có các kỹ năng cơ bản trong công tác kiểm nghiệm các chỉ tiêu vi sinh của thực phẩm. c. Về thái độ − Yêu thích môn vi sinh thực phẩm với mong muốn khám phá những đặc tính còn tiềm ẩn của thế giới vi sinh vật kỳ diệu ảnh hưởng lên thực phẩm. 1
2. − Có năng lực tự học, tự nghiên cứu để nâng cao hiểu biết và ứng dụng của vi sinh vật trong ngành thực phẩm. I.1.3. Nội dung môn học: Môn Vi sinh vật học thực phẩm gồm có 6 chương với các nội dung chính như sau: − Chương 1: Mở đầu (Giới thiệu tổng quan về môn học) − Chương 2: Các quá trình vi sinh quan trọng liên quan đến chế biến và bảo quản thực phẩm (Cung cấp những kiến thức cơ bản nhất về các hoạt động của vi sinh vật trong thực phẩm: các quá trình lên men kỵ khí, hiếu khí và thối rữa. Các ứng dụng quan trọng trong thực phẩm như lên men rượu, lên men lactic, acetic, ) − Chương 3: Ảnh hưởng của các yếu tố của thực phẩm đến sự phát triển của vi sinh vật và các phương pháp bảo quản (Phân tích sự ảnh hưởng của các yếu tố bên trong thực phẩm: pH, độ ẩm, hàm lượng oxy, thành phần hóa học của thực phẩm cũng như các yếu tố bên ngoài: nhiệt độ, độ ẩm không khí, nồng độ các chất khí, hệ vi sinh vật hiện diện trong thực phẩm ) − Chương 4: Hệ vi sinh vật thực phẩm (Giới thiệu hệ vi sinh vật trên các loại thực phẩm quan trọng: thịt, cá, trứng, sữa, nông sản, rau quả, bột bánh mì và các sản phẩm của chúng) − Chương 5: Vi sinh vật gây bệnh và ngộ độc thực phẩm (Giới thiệu các vi sinh vật gây nên các bệnh thường gặp như tả, lỵ, thương hàn, nhiệt thán, bruxella, lao, và các dạng ngộ độc do nấm, tảo, vi khuẩn) − Chương 6: Các phương pháp kiểm nghiệm vi sinh trong thực phẩm (Giới thiệu về các chỉ tiêu vi sinh trong kiểm nghiệm thực phẩm, các phản ứng sinh hóa của vi sinh vật, các phương pháp truyền thống và hiện đại thường được sử dụng trong công tác kiểm phẩm) I.1.4. Tài liệu tham khảo: 1. Lương Đức Phẩm – 2001 – Vi sinh vật học và an toàn vệ sinh thực phẩm – NXB Nông nghiệp – Hà Nội 2. Lê Xuân Phương – Vi sinh công nghiệp – NXB xây dựng. 3. Nguyễn Đức Lượng, Phạm Minh Tâm – Vệ sinh và an toàn thực phẩm – Đại học Kỹ thuật – Thành phố Hồ Chí Minh. 4. Trần Linh Thước – Phương pháp phân tích vi sinh vật trong nước, thực phẩm và mĩ phẩm – NXB Giáo Dục. I.2. Lịch sử phát triển ngành vi sinh thực phẩm Các quá trình hư hỏng thực phẩm và những phương pháp bảo quản và lên men thực phẩm đã được con người biết đến từ rất lâu, khi mà người ta chưa hiểu vi sinh vật là gì. Người ta đã biết nấu rượu, làm mắm, lên men sữa nhưng đây chỉ là những ứng dụng ngẫu nhiên. Mãi sau này khi mà Antoni Van Leeuwenhoek (1632-1723) chế tạo ra được kính hiển vi mới phát hiện ra được những vi sinh vật nhỏ bé mà lâu nay vẫn là điều bí ẩn đối với nhân loại. 2
3. Mãi đến năm 1800 thì mối liên quan giữ thực phẩm và vi sinh vật mới được phát hiện. Sau những khám phá của Pasteur và một số nhà vi sinh vật khác là thời kỳ phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp lên men. Ta có thể xem xét một số giai đoạn sau: Giai đoạn trước Pasteur (1860): phát hiện và ứng dụng một số quá trình lên men thực phẩm như: làm mắm, làm nước tương, muối chua rau quả, làm bánh mì Cuối giai đoạn này con người đã biết lên men hiếu khí để sản xuất giấm. Từ đó đã phát triển một bước lớn trong lĩnh vực nuôi cấy vi sinh vật và vệ sinh thực phẩm. Giai đoạn 1806-1900: phát hiện thêm quá trình lên men lactic và ứng dụng rộng rãi quá trình này vào đời sống thực tiễn. Phát triển nuôi cấy thu sinh khối bằng cách thổi không khí vào môi trường lỏng. Giai đoạn 1900-1920: công nghiệp sản xuất glyxerin, axeton, butanol phát triển mạnh mẽ. Giai đoạn 1920-1940: các thiết bị lên men được hoàn thiện dần. Phát hiện một số quá trình lên men khác như sản xuất sorboza, gluconic. Trong giai đoạn này người ta đã biết khử trùng không khí trước khi cung cấp cho các quá trình lên men hiếu khí. Giai đoạn 1940-1950: quá trình sản xuất kháng sinh được phát hiện, đặc biệt là quá trình sản xuất penicillin. Bên cạnh đó đã sản xuất được vitamin B12 và riboflavin. Giai đoạn 1950-1960: là giai đoạn hoàn thiện công nghệ sản xuất kháng sinh và bắt đầu công nghệ sản xuất axit amin và enzyme. Giai đoạn 1960 đến nay: là giai đoạn phát triển mạnh mẽ việc sản xuất axit amin, enzyme, đồng thời hoàn thiện toàn bộ thiết bị lên men. Quá trình lên men được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực thực phẩm, y học, nông nghiệp I.3. Tác động của vi sinh vật trong thực phẩm: I.3.1. Gây hư hỏng thực phẩm: Hệ vi sinh vật thực phẩm được phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau: - Thực phẩm bị nhiễm vi sinh vật từ môi trường bên ngoài, tay công nhân, dụng cụ, quá trình chuyên chở, bảo quản - Thực phẩm bị nhiễm vi sinh vật từ bản thân nguyên liệu. Do thực phẩm thường là những chất chứa nhiều nước, nhiều chất dinh dưỡng, vitamin và khoáng chất nên đây là môi trường thuận lợi cho nhiều loài vi sinh vật có hại phát triển. Mỗi loại thực phẩm thường có một hệ vi sinh vật riêng và hoạt động của chúng gây nên những biến đổi sinh hoá, cơ lý trong thực phẩm và làm giảm chất lượng hoặc hư hỏng thực phẩm. Ta phải nghiên cứu để hiểu thật rõ về hệ vi sinh vật thực phẩm và những biến đổi do chúng gây nên nhằm mục đích bảo quản thực phẩm trong thời gian dài nhất với số lượng và chất lượng hao hụt của thực phẩm là ít nhất. I.3.2. Thực phẩm mang vi sinh vật gây bệnh Khi chúng ta ăn phải các loại thực phẩm mang vi sinh vật gây bệnh hoặc độc tố của chúng sẽ gây ra nhiều bệnh cho cơ thể người là động vật có thể để lại 3
4. hậu quả nghiêm trọng thậm chí dẫn đến tử vong. Các bệnh thường gặp là thương hàn do vi khuẩn Salmonella, tả do Shigella, lao do Micobacterium, Ngoài ra còn có thể dẫn đến các triệu chứng ngộ độc nghiêm trọng nếu chúng ta ăn phải độc tố của vi khuẩn như độc tố botulin của vi khuẩn độc thịt Clostridium botulinum, độc tố của vi khuẩn tụ cầu vàng Staphylococcus aureus. I.3.3. Ứng dụng có lợi của vi sinh vật trong chế biến thực phẩm Trong thực tế đời sống hiện nay người ta đã biết lợi dụng những biến đổi có lợi của vi sinh vật để tạo ra những sản phẩm thực phẩm có chất lượng và phù hợp hơn cho nhu cầu dinh dưỡng ngày càng cao của con người. Như sử dụng sinh khối vi sinh vật làm nguồn thức ăn giàu dinh dưỡng, ứng dụng các quá trình lên men rộng rãi trong việc sản xuất các loại thực phẩm quan trọng như: rượu, bia, nước giải khát, bánh mì, nước mắm, mì chính, cũng như làm gia tăng giá trị dinh dưỡng của các loại thực phẩm như tempeh, natto được lên men từ đậu nành. Câu hỏi chương I: 1. Vi sinh vật thực phẩm là gì? Yêu cầu, nội dung của môn học? 2. Lịch sử phát triển của vi sinh vật thực phẩm? 3. Những tác động của vi sinh vật trong thực phẩm? 4
5. Chương II: CÁC QUÁ TRÌNH VI SINH QUAN TRỌNG LIÊN QUAN ĐẾN CHẾ BIẾN VÀ BẢO QUẢN THỰC PHẨM (11t) Trong quá trình sống của mình, vi sinh vật gây ra những quá trình hóa sinh làm ảnh hưởng lớn đến vòng tuần hoàn vật chất trong tự nhiên và những quá trình này được ứng dụng trong hàng loạt ngành sản xuất cũng như làm cơ sở khoa học để chọn các phương pháp bảo quản và chế biến thực phẩm. Những quá trình hóa sinh này chia thành hai loại: lên men và thối rữa. Lên men là quá trình chuyển hóa vật chất hữu cơ không chứa nitơ (hydrat cacbon, chất béo) dưới tác dụng của vi sinh vật. Thông qua quá trình này mà cung cấp nguyên vật liệu để tạo nên các cấu tử của tế bào. Lên men lại chia thành hai kiểu chính là: lên men kỵ khí và lên men hiếu khí. II.1. QUÁ TRÌNH LÊN MEN KỴ KHÍ Lên men kỵ khí do các vi sinh vật kỵ khí hoặc kỵ khí tùy tiện gây ra. II.1.1. Lên men rượu: Lên men rượu là quá trình phân giải đường thành rượu và khí cacbonic dưới tác dụng của vi sinh vật. Trong tất cả các quá trình chuyển hóa glucid do vi sinh vật gây ra, sự lên men rượu được ứng dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp, ứng dụng này đã có từ thời xưa sơ bộ để sản xuất rượu vang, bia và các nước uống giải khát lên men khác. II.1.1.1. Cơ chế của quá trình lên men rượu Phương trình tổng quát của quá trình này như sau: ↑ C6H12O6 + 2(P) + 2ADP = 2C2H5OH + 2CO2 + 2ATP (glucoza) (rượu etylic) Đường và các chất dinh dưỡng khác của môi trường lên men, trước tiên được hấp thụ trên bề mặt và sau đó khuếch tán qua màng bán thấm và vào bên trong tế bào nấm men, sự phân hủy đường thành rượu trong tế bào nấm men xảy ra bằng hàng loạt các phản ứng với sự tham gia rất phức tạp của nhiều loại enzyme 5
6. khác nhau, bước cuối cùng của quá trình lên men là sự chuyển hóa axit pyruvic thành rượu etylic và khí CO2. Phương trình tổng quát nêu ở trên chỉ cho thấy nguyên liệu đầu và sản phẩm chính còn thực ra quá trình lên men rất phức tạp qua nhiều giai đoạn và tạo thành nhiều sản phẩm phụ: glyxerin, aldehyt axetic, các axit xucsinic, axetic, lactic và xitric, các este và rượu bậc cao. Sự lên men thông thường: khi môi trường có pH từ 4 đến 5, nó chia thành từng thời kỳ khác nhau: Thời kỳ cảm ứng: - Lượng acetaldehyt (CH3CH=O) được tạo thành còn ít. + - Ion H được chuyển từ NADH2 đến glyxeraldehyt-3-photphat để tạo thành glyxerin 3-photphat. - Sau đó glyxerin 3-photphat bị mất gốc photphat để tạo thành glyxerin. + NADH2 NAD - P Glyxeracetaldehyt–3–photphat Glyxeryl–3–photphat Glyxeryl Thời kỳ tĩnh: - Khi lượng acetaldehyt (CH3CH=O) tạo thành đạt được một lượng nhất định, - Axetaldehyt bị khử tạo thành rượu etylic. Glyxerin chỉ được tạo thành từ thời kỳ cảm ứng do đó nó chỉ là sản phẩm phụ trong khi lên men trong môi trường axit. Phương trình tổng quát của quá trình này như sau: C6H12O6 + 2(P) + 2ADP = 2C2H5OH + 2CO2 + 2ATP Sự lên men trong điều kiện kiềm yếu: Nếu tiến hành kiềm hoá môi trường bằng Na2CO3, K2CO3 hay (NH4)2CO3 thì axetaldehyt vừa bị khử vừa bị oxi hoá, vì vậy chất nhận H2 từ NADH là glyxeraldehit 3-photphat và kết quả sẽ tạo thành glyxerin. Như vậy trong môi trường kiềm ta thu được glyxerin, axit axetic và rượu etylic. Phương trình tổng quát như sau: CH2OH 2C6H12O6 + H2O Æ CHOH + CH3COOH + C2H5OH + 2CO2 CH2OH (glucoza) (glyxerin) (axit acetic) Nếu thêm NaHSO3 vào môi trường thì nó sẽ kết hợp với axetaldehyt thành acetaldehitbisulfitnatri khó tan. Khi đó không có axetaldehyt làm chất nhận H2, vì vậy lúc này chất nhận H2 là Dioxyacetonphotphat. Kết quả là tạo thành glyxerin . 6
7. Phương trình tổng quát của quá trình này như sau: CH2OH OH ↑ C6H12O6 + NaHSO3 Æ CHOH + CH3 - CH + CO2 CH2OH SO3Na↓ Trong thực tế người ta có thể thu được 40% glyxerin so với nguyên liệu ban đầu. Nếu trong môi trường lên men có các axit amin thì rượu bậc cao (propanol, izobutanol và izoamylic) được tạo thành do các axit amin bị khử amin. II.1.1.2.Vi sinh vật lên men rượu a. Nấm men Nấm men là tác nhân cơ bản gây nên quá trình lên men rượu, tuy nhiên không phải loài nào cũng lên men đường thành rượu được mà chỉ có một số loài có khả năng này. Trong sản xuất hiện nay người ta thường dùng một số loài thuộc họ Saccharomycesaceae. Theo đặc tính lên men người ta chia nấm men thành hai nhóm: nấm men lên men nổi và nấm men lên men chìm. Nấm men nổi: là những nấm men có cường lực lên men rất nhanh và mạnh. Nhiệt độ thích hợp cho nấm men này sinh trưởng từ 20 ÷ 28oC, có tốc độ lên men rất lớn, lượng đường tiêu thụ rất nhiều. Do sinh ra nhiều khí CO2 nên các tế bào nấm men ở dưới sẽ theo CO2 nổi lên trên bề mặt, vì vậy nấm men hoạt động mạnh hơn và lên men cả các phân tử đường trên bề mặt. Người ta thường sử dụng để sản xuất cồn và bánh mì. Tiêu biểu là loài Saccharomyces cerevisiae. Nấm men chìm: là những nấm men có cường lực lên men yếu, nhiệt độ o thích hợp từ 5 ÷ 10 C. Trong quá trình lên men lượng khí CO2 tạo ra ít và do nhiệt độ thấp nên nó được giữ lại trong dung dịch lên men. Nấm men tiếp xúc ít và sau khi lên men chúng tạo thành váng cặn dưới đáy thùng. Quá trình lên men chậm và xảy ra từ từ. Tiêu biểu là loài Saccharomyces ellipsoideus. Nấm men chìm thường dùng trong sản xuất bia, rượu vang, sâmpanh. b. Nấm mốc Nếu sản xuất rượu từ tinh bột thì chúng ta phải qua bước đường hoá tức là giai đoạn chuyển tinh bột thành đường. Ngày nay người ta thường sử dụng nấm mốc cho giai đoạn này. Nấm mốc cho enzyme amylase để chuyển tinh bột thành đường. Hiện nay người ta thường sử dụng một số loài nấm mốc sau: Aspergillus oryzae: là nấm mốc có màu vàng, bào tử hở. Đặc điểm của nó là có hệ enzyme amilase và protease. Được sử dụng rộng rãi trong sản xuất tương và nước chấm. Aspergillus usamii: là nấm mốc có màu xám trắng, rất giàu enzyme amylase. Được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp sản xuất rượu. 7
8. Aspergillus awamori: là nấm mốc có màu xám đen giàu enzyme amylase. Được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp sản xuất rượu. Mucor rouxii: thường có màu xám trắng, được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy rượu sản xuất theo phương pháp amilo. Khác với cả 3 loài trên phải nuôi cấy trên môi trường đặc, Mucor phát triển tốt trong môi trường lỏng và tạo nhiều enzyme amylase. c. Vi khuẩn: Một số vi khuẩn có khả năng lên men chuyển hóa đường thành rượu như: Sasina ventriculi, Zymononas mobylis, ngoài ra còn có vi khuẩn lactic dị hình, vi khuẩn đường ruột hay Clostridium cũng có khả năng lên men đường thành rượu etylic, butylic Tuy nhiên, trong công nghiệp thực phẩm người ta chủ yếu sử dụng nấm men trong lên men rượu. Trong sản xuất một số nhà máy sản xuất còn sử dụng vi khuẩn lactic để tạo pH môi trường thích hợp cho quá trình lên men rượu. Tức là sau khi đường hoá xong người ta cho vi khuẩn lactic vào môi trường, chúng sẽ phát triển và tạo lượng axit nhất định, độ axit này thích hợp nấm men phát triển và tiến hành lên men. Thường người ta sử dụng vi khuẩn Thermobacterium cereale và vi khuẩn Denbrue. II.1.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men rượu Nấm men đòi hỏi phải có những điều kiện nhất định mới có thể lên men. Trong sản xuất ngoài việc lựa chọn chủng nấm men còn phải nghiên cứu tạo điều kiện thích hợp nhất để đạt hiệu suất lên men cao. a. Nồng độ đường Tất cả nấm men chỉ có khả năng lên men các đường đơn giản như đường đơn (glucose, fructose) và đường đôi (maltose, saccarose) riêng đường lactose chỉ có nấm men Saccharomyces lactic sử dụng được. Nấm men hoàn toàn không có khả năng thủy phân các loại đường đa. Nồng độ đường thích hợp nhất cho quá trình lên men rượu từ 8 ÷ 20%. Khi nồng độ đường lớn hơn 30% sẽ ức chế quá trình lên men rượu. Tuỳ thuộc vào sản phẩm của quá trình lên men mà người ta sử dụng nồng độ đường thích hợp. Trong sản xuất cồn người ta sử dụng nồng độ đường từ 14 ÷ 20%, quá trình lên men xảy ra mạnh và hết lượng đường sau đó người ta chưng cất để thu cồn. Đối với việc sản xuất rượu vang người ta sử dụng nồng độ đường từ 16 ÷ 25% và dùng nấm men chìm, nên quá trình lên men chậm và sau khi lên men vẫn còn một lượng đường trong rượu vì vậy rượu vang thường có vị ngọt. Còn trong sản xuất bia thường dùng nồng độ đường từ 9 ÷ 12%. b. Oxy Nấm men là loại vi sinh vật hô hấp tùy tiện. Trong điều kiện hiếu khí với sự có mặt của oxy sẽ xảy ra phương trình phản ứng sau: C6H12O6 + 6O2Æ 6H2O+ 6CO2 + Q1 → gia tăng sinh khối Chỉ trong điều kiện yếm khí nó mới tiến hành lên men rượu theo phương trình: C6H12O6 Æ 2C2H5OH + 2CO2 + Q2 Vì vậy khi có mặt của oxy sẽ kiềm hãm quá trình lên men rượu. 8
9. Hiệu ứng Pasteur: là sự ức chế quá trình lên men rượu khi có mặt của oxy. Sự chuyển từ lên men sang hô hấp ngoài việc giảm hiệu suất tạo thành rượu và khí cacbonic còn giảm hiệu suất sử dụng đường. Vì vậy giai đoạn đầu của quá trình lên men cần thông khí vào môi trường để kích thích nấm men sinh trưởng tăng sinh khối sau đó không cần oxy nữa để tạo điều kiện kỵ khí cho quá trình lên men rượu đạt hiệu suất cao nhất. c. Độ rượu Rượu được tích tụ dần trong dịch lên men và chính nó lại là chất độc kìm hãm các nấm men. Nấm men chịu nồng độ cồn từ 8 ÷ 12%, từ 16 ÷ 18% đại đa số nấm men bị ức chế. Nếu nồng độ cồn quá cao sẽ ức chế tất cả các nấm men. Khả năng chịu cồn của nấm men là nồng độ cồn ức chế sự phát triển và hoạt động của nấm men sau 72 giờ nuôi cấy ở nhiệt độ 30oC. Tuỳ theo khả năng chịu được nồng độ cồn khác nhau mà người ta sản xuất ra các sản phẩm khác nhau. d. Độ pH Độ pH môi trường có ý nghĩa rất quan trọng trong quá trình lên men rượu. Tuỳ thuộc vào sản phẩm thu được mà người ta điều chỉnh pH môi trường cho thích hợp. − pH môi trường axit thì sản phẩm thu được là rượu etylic. − pH môi trường axit yếu thì sản phẩm thu được là rượu etylic và glyxerin. − pH môi trường kiềm yếu thì sản phẩm thu được là rượu etylic, axit axetic và glyxerin. Bình thường lên men rượu được thực hiện ở pH= 4 ÷ 4,5. Để axit hóa môi trường người ta thường dùng H2SO4 hoặc axit lactic để tạo pH thích hợp bằng cách cấy vi khuẩn lactic vào sau đó thanh trùng rồi mới cấy nấm men vào. e. Nhiệt độ Tuỳ thuộc vào nấm men nổi hay nấm men chìm mà điều chỉnh nhiệt độ môi trường cho thích hợp. Đối với nấm men nổi nhiệt độ thích hợp từ 20 ÷ 28oC, nấm men chìm nhiệt độ thích hợp từ 5 ÷ 10oC. Ngoài ra khi nhiệt độ từ 28 ÷ 30oC thì rượu bay hơi làm cho quá trình lên men xảy ra nhanh hơn. II.1.1.4. Ứng dụng a. Sản xuất rượu và cồn Sản xuất từ các nguyên liệu chứa tinh bột như gạo, sắn, ngô Người ta thuỷ phân tinh bột thành đường bằng axit, kiềm hay enzyme sau đó lên men đường thành rượu nhờ nấm men. Sản xuất từ nguyên liệu rỉ đường thường có từ 35 ÷ 40% là đường. Trước khi lên men phải pha loãng xuống từ 14 ÷ 20%. Người ta có thể sử dụng đường sữa là nước thải của công nghiệp sản xuất phomat. Nguyên liệu này chứa nhiều đường lactose nên phải dùng nấm men Saccharomyces lactis. Sản xuất từ nước thải nhà máy giấy, nguyên liệu này chứa nhiều cenlulose, hemi cenlulose, dextrin. Trước khi lên men phải thuỷ phân chúng thành đường. 9
10. Nếu đi từ nguyên liệu là tinh bột thì tuỳ theo cách sử dụng nấm mốc để thuỷ phân tinh bột thành đường mà phương pháp sản xuất rượu có thể chia làm 3 cách. Phương pháp Amylo: thuỷ phân tinh bột bằng enzyme amylase của nấm mốc Mucor hay Rhizopus. Sau 24h thuỷ phân thì cho nấm men vào, hai quá trình đường hoá và lên men rượu được diễn ra song song, sau 3 ngày nấm mốc sẽ bị chết vì nồng độ rượu tăng cao, sau 7 ngày thì quá trình lên men kết thúc. Phương pháp Mycos-Malt: nguyên liệu chứa bột được thuỷ phân bằng enzyme amylase của nấm mốc Aspergillus niger hay Aspergillus oryzea dưới dạng malt. Để sản xuất amylase của các loại nấm mốc này người ta sử dụng các nong, khay đựng cám, bổ sung thêm thức ăn vô cơ và axit hoá cho môi trường có pH từ 4 ÷ 5, độ ẩm khoảng 55%, nhiệt độ môi trường từ 28 ÷ 30oC, với độ ẩm môi trường là 100%. Sau 2 ngày nấm mốc phát triển rất mạnh và sinh bào tử, như vậy ta thu được chế phẩm mycos-malt từ nấm mốc. Malt này được dùng để thuỷ phân tinh bột với tỷ lệ 10%, thời gian thuỷ phân là 4 ÷ 6h. Sau đó đem tiệt trùng và cho nấm men vào, lên men trong vòng 48h rồi đem chưng cất. Như vậy phương pháp này sẽ rút ngắn được thời gian lên men. Phương pháp men thuốc bắc: men thuốc bắc là một chế phẩm có môi trường cơ bản là tinh bột, bài thuốc cái và men gốc (bao gồm hai hệ vi sinh vật cộng sinh với nhau). Quá trình sản xuất rượu theo phương pháp này được tóm tắt như sau: nguyên liệu tinh bột đem nấu chín Æ cấy men thuốc bắc Æ Đường hoá Æ rượu hoá Æ cất rượu. Rượu sản xuất theo phương pháp này có tính chất thủ công với qui mô hộ gia đình. Rượu sau khi chưng cất còn được gọi là rượu gạo có mùi vi thơm ngon nhưng độ tinh khiết không cao và còn lẫn nhiều tạp chất như aldehit nên thường làm cho người uống bị đau đầu. b. Sản xuất bia Bia là một loại thức uống giải khát thơm ngon, có độ rượu nhẹ từ 4 ÷ 5%, có vị đắng dễ chịu của hoa hublong. Nguyên liệu là malt đại mạch, cao hoa hublong và nước. Trong malt có sẵn enzyme amilase để thuỷ phân tinh bột thành đường cung cấp cho quá trình lên men. Người ta thường sử dụng nấm men Saccharomyces cerevisiae dạng biến chủng chuyên dụng để lên men bia. Quá trình lên men bia gồm hai giai đoạn: − Giai đoạn lên men chính: giai đoạn này thực hiện ở nhiệt độ cao, thường từ 8 ÷ 16oC. Dịch đường ban đầu có nồng độ từ 9 ÷ 12%, sau khi lên men thì còn khoảng 2 đến 3%. Nếu lên men cổ điển thì nhiệt độ từ 8 ÷ 10oC thì thời gian lên men lâu, lên men nhanh ở nhiệt độ từ 14 ÷ 16oC và sau 8 ngày nồng độ đường còn lại từ 2 ÷ 3%. − Giai đoạn lên men phụ: giai đoạn này thực hiện ở nhiệt độ từ 0 ÷ 5oC, phương pháp lên men cổ điển ở nhiệt độ từ 0 ÷ 1oC, phương pháp lên men 10
11. o nhanh ở nhiệt độ từ 3 ÷ 5 C. Ở nhiệt độ lạnh CO2 được giữ lại làm cho bia trong hơn. Sau khi dịch lên men “chín” đem lọc và bão hòa CO2. Sản phẩm thu được đem bán trực tiếp làm bia hơi đóng hoặc đóng chai, lon cần phải hấp Pasteur. c. Sản xuất rượu vang và sâmpanh Rượu vang theo nghĩa hẹp là từ dùng để chỉ rượu được lên men từ dịch ép của quả nho. Ngày nay rượu được lên men từ các dịch quả táo, dâu, mận, chuối cũng được gọi là rượu vang kèm theo tên của loại quả lấy nước ép. Các loại quả ngoài đường lấy từ dịch quả còn phải chứa các axit hữu cơ, các chất màu, chất thơm Vào mùa nho chín người ta hái nho, đem nghiền nát và cho nấm men vào, sau đó ủ ở nhiệt độ 25 ÷ 30oC, đường nho sẽ lên men thành rượu đồng thời các chất chát và sắc tố từ quả cũng trích ly vào dịch lên men tạo nên mùi, vị cho rượu vang. Nho có vỏ màu tím dùng làm vang đỏ, quả có vỏ màu xanh dùng làm vang trắng. Dịch chiết dùng NaHSO3 để xử lý các vi sinh vật tạp nhiễm. Nồng độ SO2 cho phép là 200ppm còn lại trong dịch sẽ ức chế các vi sinh vật khác nhưng không ức chế nấm men. Thường dùng nấm men Saccharomyces ellipsoideus là loài tiêu biểu cho nấm men chìm. Dùng chủng có khả năng chịu nồng độ đường cao, CO2 cao và kháng SO2 ở nồng độ 200ppm. Quá trình lên men gồm hai giai đoạn: Giai đoạn lên men chính: dùng dịch nước hoa quả để lên men thành rượu, độ rượu từ 12 ÷ 15%. Sau đó chuyển sang giai đoạn ủ làm cho protein, pectin, tanin lắng xuống làm cho rượu trong hơn. Giai đoạn lên men thứ cấp (giai đoạn ủ): từ 3 đến 4 tháng đối với rượu vang và hàng năm đối với sâmpanh. Trong giai đoạn ủ sẽ tích tụ CO2 và chất thơm. - Ủ thông thường: sẽ tạo ra rượu vang non sau đó ủ trong thùng gỗ sồi để tạo ra hương thơm đặc trưng. - Ủ chính trong thùng hay trong chai lượng CO2 cao tạo ra sâmpanh. Rượu vang trong dùng để sản xuất rượu mạnh bằng phương pháp chưng cất. d. Sản xuất bánh mì Sử dụng chủng nấm men nổi có khả năng sử dụng chất khô cao. Bột mì, đường, nấm men bánh mì và những thành phần khác trộn đều. Quá trình lên men bánh mì gồm quá trình lên men phụ (lên men lactic) và quá trình lên men chính (lên men rượu). Quá trình lên men tạo ra CO2 tích tụ thành các túi khí, khi nướng sẽ phồng lên tạo độ xốp cho bánh mì và các sản phẩm lên men như: rượu, ester, axit lactic sẽ tạo ra mùi thơm đặc trưng cho bánh mì. II.1.2. Lên men lactic II.1.2.1. Cơ chế lên men lactic Lên men lactic là quá trình chuyển hóa đường thành axit lactic nhờ vi sinh vật, điển hình là vi khuẩn lactic. Lên men lactic là một trong những loại hình lên 11
12. men phát triển nhất trong thiên nhiên, có hai kiểu lên men lactic chính là lên men đồng hình và lên men dị hình. a. Lên men lactic đồng hình (điển hình) Trong trường hợp này axit pyruvic được tạo thành theo sơ đồ Embden- Mayerhorf-Parnas (EMP). Sau đó axit pyruvic sẽ tạo thành axit lactic dưới tác dụng của enzyme lactatdehydrogenase. Lượng axit lactic tạo thành chiếm hơn 90%. Chỉ một lượng nhỏ pyruvat bị khử cacbon để tạo thành axit axetic, etanol, CO2 và axeton. Lượng sản phẩm phụ tạo thành phụ thuộc vào sự có mặt của oxy. b. 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 Embden – Mayerhorf – Parnas (aldolase và triozophotphatizomerase), vì vậy xilulose 5-photphat sẽ được tạo thành theo con đường pento-photphat (PP). Trong trường hợp này chỉ có 50% lượng đường tạo thành axit lactic, ngoài ra còn có các sản phẩm phụ khác như: axic axetic, etanol, CO2. Các sản phẩm phụ tương tác với nhau tạo thành ester có mùi thơm. Phương trình tổng quát: C6H12O6 Æ CH3CHOHCOOH+CH3COOH +C2H5OH+COOH(CH2)2COOH+CO2 Glucose axit lactic (40%) axit acetic etanol axit sucxinic 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 thì axit lactic thường chiếm 40% lượng đường đã được phân hủy, axit sucxinic 20%, rượu etylic chiếm 10%, axit axetic 10% và các loại khí gần 20%. II.1.2.2. Vi khuẩn lên men lactic a. Đặc điểm Vi khuẩn lên men lactic thuộc họ Lactobacterium. Đây là những trực khuẩn, cầu khuẩn không tạo bào tử và hầu hết không di động, hô hấp tuỳ tiện. Chúng có khả năng lên men nhiều loại đường đơn và đường đôi nhưng không có khả năng lên men các loại glucid phức tạp và tinh bột. Sự phát triển của nó cần có sự có mặt của peptone, axit amin hay muối amôn. Chúng có yêu cầu đặc biệt về chất dinh dưỡng là giàu vitamin, axit amin và khoáng chất. Quá trình lên men xảy 12
13. ra tốt nhất trong môi trường axit pH từ 5,5 ÷ 6, khi pH nhỏ hơn 5,5 quá trình lên men bị dừng lại. Nhiệt độ thích hợp cho quá trình lên men từ 15 ÷ 50oC. Tuy nhiên, mỗi loài có khoảng nhiệt độ thích hợp khác nhau, nếu nhiệt độ lớn hơn 80oC vi khuẩn lactic bị tiêu diệt hoàn toàn. b. Phân loại Người ta dựa vào quá trình lên men chia vi khuẩn lactic thành hai loại: vi khuẩn lactic lên men đồng hình và dị hình. Lên men đồng hình: + Lactobacterium casei: đây là những trực khuẩn rất ngắn gây chua sữa tự nhiên. Yếm khí tuỳ tiện, lên men tốt glucose, maltose, lactose tạo ra môi trường có từ 0,8 ÷ 1% axit lactic. Ở điều kiện bình thường gây chua sữa trong vòng 10 đến 12 giờ. Nguồn nitơ cho vi khuẩn này là peptone. Nhiệt độ tối thiểu cho chúng phát triển là 10oC, tối ưu là 35oC và tối đa là 45oC, chúng thuỷ phân cazein và gelatin rất yếu. + Streptococcus cremoris: thường tạo thành chuỗi dài, thường phát triển ở nhiệt độ thấp hơn Lactobacterium casei, tối ưu từ 25oC ÷ 30oC, lên men glucose, galactose. + Lactobacterium bulgaricus: đây là trực khuẩn rất dài, nhiệt độ phát triển tối ưu là 20oC, có khả năng lên men glucose, lactose. Có khả năng tạo độ axit cao (3,7% axit lactic). + Lactobacterium delbruckii: thường gặp trên hạt đại mạch, đây là trực khuẩn lớn. Trong quá trình phát triển của mình chúng có khả năng tạo thành sợi. Nhiệt độ tối ưu cho chúng phát triển từ 45 ÷ 50oC, khác với các loài khác chúng không có khả năng lên men đường lactose vì vậy chúng không được dùng trong chế biến sữa. + Lactobacterium cueumeris fermenti: thường tìm thấy chúng trong sữa ủ chua. Là trực khuẩn không chuyển động, thường tạo thành tế bào đơn và có khi tạo thành chuỗi. Thường chúng tạo thành chuỗi trong quá trình lên men. Khả năng tạo axit tối đa trong môi trường từ 0,9 ÷ 1,2%. Lên men dị hình: + Streptobacterium hassice fermentatae: thường thấy chúng trong các dịch lên men chua rau cải. Chúng tồn tại từng tế bào riêng biệt hoặc ghép thành từng đôi, hoặc chuỗi ngắn có khi ghép thành từng chuỗi dài hình sợi. Khi lên men rau cải chua tạo thành axit lactic, axit axetic, rượu etylic và CO2. Lên men đường saccarose tốt hơn lên men đường lactose. + Lactobacterium lycopersici: là trực khuẩn gram dương, sinh hơi, tế bào tạo thành chuỗi hay đơn, có khi ghép thành đôi một. Khi lên men chúng tạo thành axit lactic, rượu êtylic, axit axetic và CO2. Chúng có khả năng tạo bào tử, tế bào sinh dưỡng thường chết ở nhiệt độ 80oC. 13
14. II.1.2.3. Ứng dụng a. Sản xuất axit lactic Nguyên liệu dùng để sản xuất axit lactic là: rỉ mật, đường, tinh bột đã được đường hoá. Nồng độ đường sử dụng cho quá trình lên men lactic từ 8 đến 20%. Nếu nguyên liệu là rỉ mật phải làm trong để loại bỏ các hợp chất chứa nitơ. Quá trình lên men lactic xảy ra rất tốt trong môi trường axit, tuy nhiên vi khuẩn lactic không có khả năng chịu được nồng độ axit quá cao. Khi nồng độ axit quá cao sẽ ảnh hưởng đến sự phát triển của vi khuẩn, vì vậy cần phải điều chỉnh độ pH của môi trường từ 6,3 ÷ 6,5. Trong thực tế sản xuất người ta thường xuyên bổ sung vôi tôi hoặc cacbonat canxi để giữ pH của môi trường không thay đổi. Axit lactic thu được sẽ ở dạng muối canxilactat. Nhiệt độ tối ưu cho quá trình lên men lactic là 50oC, trong quá trình lên men lactic có nhiều vi khuẩn tham gia vì vậy sản phẩm thu được ngoài axit lactic còn có CO2 và một số sản phẩm phụ khác. Người ta sản xuất axit lactic theo cách lên men đồng hình sau đó tinh chế thành axit lactic tinh khiết để ứng dụng vào trong ngành công nghệ thực phẩm, thay thế axit citric trong sản xuất bánh kẹo, đồ hộp Trong công nghiệp nhẹ, axit lactic là dung môi cho công nghiệp sản xuất sơn, vecni, nhuộm và thuộc da. Trong công nghiệp rượu, axit lactic được dùng dưới dạng muối của canxi. b. Chế biến các sản phẩm sữa Trong sữa chứa đường, cazein và các loại muối khoáng khác nên là môi trường thuận lợi cho vi sinh vật phát triển. Trong sữa bình thường chứa khá nhiều vi sinh vật (khoảng 300 đến 400tb/1ml), vi sinh vật xâm nhập vào sữa bằng nhiều con đường khác nhau. Để sản xuất các sản phẩm sữa khác nhau người ta dùng các giống vi khuẩn lactic khác nhau. Ứng dụng vi sinh vật vào trong chế biến sữa được biết từ rất lâu. - Sản xuất sữa chua: nguyên tắc làm sữa chua là do sự phát triển của vi khuẩn lactic làm pH giảm mạnh, cazein trong sữa bị đông tụ. Sữa từ dạng lỏng chuyển sang dạng keo sệt và có mùi vị thơm ngon. Quá trình làm sữa chua người ta phải sử dụng hai chủng vi khuẩn lactic đồng hình và dị hình. Vi khuẩn lactic đồng hình lên men nhanh làm giảm pH, vi khuẩn lactic dị hình lên men chậm và tạo thành mùi thơm đặc trưng của sữa chua. - Sản xuất phomat: để sản xuất phomat người ta dùng enzyme đông kết thu cazein trong sữa, sau đó tiếp tục cho lên men với nồng độ muối loãng. Tuỳ loại phomat mà trong quá trình ủ chín người ta sử dụng các loài vi sinh vật khác nhau. Các loại vi sinh vật thường được sử dụng để làm chín phomat là: vi khuẩn propionic, nấm mốc c. Muối chua rau quả Muối chua rau quả nhằm hai mục đích cơ bản sau đây: bảo quản nguyên liệu và làm tăng giá trị dinh dưỡng, giá trị cảm quan của rau quả. Nguyên tắc để muối chua rau quả là tạo điều kiện để phát triển vi khuẩn lactic đồng thời hạn chế tác dụng của vi khuẩn gây thối rữa. 14
15. Hiện nay có rất nhiều sản phẩm rau quả muối chua được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam cũng như trên thế giới. Quá trình muối chua rau quả được tiến hành như sau: - Lựa chọn rau quả - Xử lý sơ bộ - Phơi nắng - Cho thêm đường, muối, nước - Lên men - Muối chua. Thông thường muối chua rau quả người ta sử dụng 3% lượng muối so với rau quả. Nếu nồng độ muối thấp thì rau quả dễ bị thối. Nếu nồng độ muối quá cao thì quá trình lên men chậm, sự tạo thành axit lactic giảm. Tác dụng của một số quá trình cơ bản trong muối chua rau quả. - Quá trình phơi nắng: làm giảm lượng nước có trong nguyên liệu. - Cho thêm muối, đường: tạo áp suất thẩm thấu, làm nguyên liệu dễ nén chặt, không bị nát và trở nên giòn. Làm tăng nhanh quá trình lên men. Nhiệt độ thích hợp cho quá trình lên men là 26 ÷ 35oC. Tuy nhiên, ở nhiệt độ này vi khuẩn butyric có thể phát triển mạnh nên trên thực tế người ta khống chế ở nhiệt độ trong khoảng 20 ÷ 25oC. Thông thường vi khuẩn lactic chịu được nhiệt độ thấp hơn so với vi khuẩn khác, vì vậy trong muối chua cần tăng nhanh độ axit để loại trừ khả năng nhiễm của một số loài vi sinh vật khác. d. Ủ chua thức ăn gia súc Từ lâu người ta đã biết sử dụng quá trình lên men lactic để ủ chua thức ăn gia súc. Phương pháp ủ chua thức ăn gia súc đặc biệt cần thiết đối với các trại chăn nuôi gia súc. Nguyên liệu dùng làm thức ăn cho gia súc nếu đem phơi khô sẽ làm giảm 50% giá trị của chúng. Nhưng nếu ta đem ủ chua thì chỉ giảm khoảng 10% giá trị. Đặc biệt bằng phương pháp ủ chua sẽ tăng nhiều chỉ số dinh dưỡng khác của thức ăn. Một trong những phương pháp phổ biến là ủ chua thức ăn thủ công. Các loại thức ăn gia súc là thực vật được băm nhỏ rồi cho vào vật chứa, cho thêm một ít nước vo gạo. Sau đó ủ kín 1 đến 2 ngày và cho gia súc ăn. Quá trình ủ chua thức ăn gia súc thường qua 3 giai đoạn sau: Giai đoạn 1: là giai đoạn phát triển hỗn hợp nhiều loài vi sinh vật khác nhau có trong thành phần của nguyên liệu, từ nước hoặc từ không khí. Giai đoạn 2: quá trình lên men lactic đồng hình xảy ra mạnh. Các loài vi khuẩn lactic chỉ phát triển trong điều kiện yếm khí, nếu có oxy vi khuẩn gây thối phát triển sẽ tạo thành mùi khó chịu và ảnh hưởng đến thức ăn ủ chua. Chất lượng khối ủ phụ thuộc rất nhiều vào sự phát triển của vi khuẩn lactic. Giai đoạn 3: khi ủ tới thời kỳ chín thì chính vi khuẩn lactic cũng bị tiêu diệt do lượng axit lactic tạo thành nhiều trong môi trường. Trong giai đoạn này nếu khối ủ không sạch mà bị lẫn đất cát, vi khuẩn butyric sẽ phát triển, gây cho khối ủ có vị đắng và mùi khó chịu. 15
16. Nhiệt độ thích hợp cho khối ủ là 25 ÷ 30oC. Hiện nay trong quá trình ủ chua người ta còn còn cho thêm muối với nồng độ từ 0,1 ÷ 0,5% so với nguyên liệu. Cho thêm muối để làm tăng khả năng trích ly các chất và tăng cường khả năng trao đổi chất của vi sinh vật. 1.3. Lên men propionic II.1.3. 1. Cơ chế lên men Lên men propionic là quá trình chuyển hoá axit lactic và muối lactate thành axit propionic dưới tác dụng của vi sinh vật. Ngoài axit propionic còn có các sản phẩm khác như: axit axetic, khí cacbonic và nước. Từ nguyên liệu đường: 3C6H12O6 Æ 4CH3CH2COOH + 2CH3COOH + 2CO2 + 2H2O + Q Glucose axit propionic axit axetic Từ axit lactic: 3CH3CHOHCOOHÆ 2CH3CH2COOH + CH3COOH + CO2 + H2O + Q Axit lactic axit propionic axit axetic Theo quá trình này thì tỉ lệ giữa hai loại axit propionic và axit acetic là 2:1 (Trong thực tế thu được là 1,5:1). II.1.3. 2. Vi sinh lên men propionic Chủ yếu là các vi khuẩn propionic, trong đó loài hoạt động nhất là Bacterium acidipropionic, chúng thường sống chung với vi khuẩn lactic trong sữa. Chúng được tìm thấy nhiều trong sữa, trong đất và trong khoang miệng một số động vật nhai lại, tham gia quá trình tạo axit hữu cơ trong đó. Là loài trực khuẩn Gram dương, không chuyển động, không tạo bào tử, hô hấp kỵ khí bắt buộc, nhiệt độ thích hợp từ 14 ÷ 35oC, pH thích hợp trung tính. Vi khuẩn này lên men dễ dàng axit lactic, muối lactate, đường thành axit propionic. Trong quá trình sống chúng cần bổ sung thêm nitơ hữu cơ phức tạp dưới dạng protein. II.1.3. 3. Ứng dụng a. Sản xuất phomat Dưới tác dụng của vi khuẩn Bacterium acidipropionic và vi khuẩn lactic người ta tiến hành sản xuất phomat gồm 4 giai đoạn sau đây. - Sản xuất phomat khối: cho men chua vào sữa chua đã thanh trùng Pasteur, khi đó sẽ có quá trình lên men và tích tụ một lượng axit latic khá lớn. Casein của sữa bị biến đổi thành paracazein lắng xuống và ta thu được phomat khối. - Tách đường: là giai đoạn tách sữa trong, đun nóng ở nhiệt độ từ 55 ÷ 58oC trong 30 phút để phá huỷ enzyme rồi đem ép khối phomat trong vòng 20 ÷ 24h ở nhiệt độ từ 25 ÷ 30oC, trong thời gian này quá trình lên men vẫn tiếp tục. - Muối phomat: phomat sau khi tách đường đem muối với dung dịch muối ăn 24% trong vài ngày. Khối phomat muối này được chuyển vào hầm lên men ở nhiệt độ 18 ÷ 20oC, độ ẩm 80 ÷ 90%. Trong khi ép tách sữa trong hầu như đường lactose không còn nên quá trình lên men lactic không xảy ra. Lúc này trong khối phomat vi khuẩn propionic bắt đầu hoạt động mạnh và chuyển axit lactic thành axit propionic và axit axetic, khí cacbonic. Hai axit này làm cho 16
17. phomat có vị chua và hăng đặc biệt, khí cabonic làm cho phomat xốp. Sự lên men kết thúc sau 2 ÷ 2,5 tháng. - Ủ chín phomat: sau khi muối phomat được chuyển vào các hầm lên men nhiệt độ 18 ÷ 22oC, độ ẩm 80 ÷ 90%. Trong thời gian này cazein tiếp tục được phân giải dưới tác dụng của men đông tụ và vi khuẩn lactic Lactobaterium casei, khi phomat chín thì có 2/3 cazein phân giải thành peptone, aminoaxit và một ít ammoniac. b. Sản xuất vitamin Ở thực vật hầu như không có vitamin B12 còn người và động vật tuy rất cần vitamin B12 nhưng lại không thể tự tổng hợp được. Chính vi khuẩn đường ruột đã tạo nên vitamin B12 và thỏa mãn phần lớn nhu cầu cho vật chủ. Một số vi khuẩn propionic cũng có khả năng tạo vitamin B12 như loài Bacterium acidipropionic. Lợi dụng khả năng này người ta thường điều chế vitamin B12 trong các nhà máy chế biến sữa. II.1.4. Lên men butyric Quá trình lên men butyric là quá trình phân giải yếm khí đường cho axit butyric và một số sản phẩm phụ dưới tác dụng của vi sinh vật. II.1.4.1. Cơ chế của quá trình lên men Xét về cơ chế phản ứng đây là một phản ứng sinh hoá phức tạp. Ngoài axit butyric còn có rượu etylic, rượu butylic, axeton, axit axetic Sau khi axit pyruvic được tạo thành, axit này bị loại cacboxy thành axetaldehit, cứ hai phân tử axetaldehit kết hợp tạo thành axetaldola và sau đó tạo thành axit butyric: C6H12O6 Æ 2CH3COCOOHÆ 2CH3CHO Æ CH3CHOHCH2CHO Glucose axit pyruvic axetaldehit axetaldola Æ CH3CH2CH2COOH Axit butyric Đặc điểm của quá trình này là H+ không chuyển đến cho chất nhận mà tạo thành H2, trong quá trình này có quá trình tổng hợp từ hợp chất hai cacbon thành hợp chất 4 cacbon. Quá trình lên men butyric phổ biến trong tự nhiên có thể gặp quá trình này ở đất bùn dưới đáy ao hồ, sông ngòi II.1.4.2. Vi sinh vật lên men butyric Chủ yếu là các vi khuẩn butyric, chúng rất phổ biến trong tự nhiên như đất, nước bẩn, sữa, phomat Chúng là trực khuẩn chuyển động do có tiên mao xung quanh, chúng có khả năng sinh bào tử, hô hấp yếm khí bắt buộc, nhiệt độ tối ưu là 30 ÷ 40oC, có khả năng lên men không chỉ đường đơn giản mà cả đường phức tạp như dextran, tinh bột. Khả năng dinh dưỡng nitơ của vi khuẩn này rất rộng, chúng có khả năng sử dụng protein, peptone, muối amôn, muối nitrat, một số còn sử dụng cả nitơ phân tử. Một số loài thường gặp: − Clostridium saccharobutyricum − Clostridium pasteurianum − Clostridium butyricum. 17
18. Đây là những loài có khả năng lên men đường thành axit butyric và rượu butylic được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. II.1.4.3. Ứng dụng để sản xuất axit butyric Axit butyric là một axit lỏng không màu, có vị hắc khó chịu. Trong tự nhiên thường tồn tại trong chất béo động vật, thực vật, nhất là trong bơ. Trong công nghiệp được dùng làm hương liệu ở dạng ester như butyrat metan có mùi táo, butyrat etan có mùi lê, butyrat amin có mùi dứa đây là những chất thơm dùng để sản xuất bánh kẹo, nước hoa, nước giải khát Nguyên liệu để sản xuất axit butyric là các loại đường bột như khoai tây, khoai lang Trong quá trình sản xuất axit butyric ta không cần đường hoá tinh bột trước vì vi khuẩn butyric có men amylase hoạt động mạnh, tuy nhiên để rút ngắn thời gian lên men người ta thuỷ phân sơ bộ bằng H2SO4 với nồng độ 0,4 ÷ 0,5% so với nguyên liệu. Sau đó trung hoà axit bằng CaCO3 hoặc Ca(OH)2, đồng thời cho CaCO3 dư để trung hoà axit butyric sinh ra. Cho vào môi trường khoảng 1÷1,5% bột đậu lạc để làm thức ăn Nitơ. Đun sôi dịch lên men, để nguội đến 40oC thì cho vi khuẩn butyric vào. Sự lên men kéo dài từ 8÷10 ngày ở nhiệt độ 40oC, trong khi lên men nên tạo pH hơi kiềm bằng cách cho CaCO3 dư. Sau khi lên men thu được axit butyric ở dạng muối canxibutyrat, đem đun sôi để kết tủa protein, lọc, cô đặc. Sau đó cho tác dụng với HCl, axit butyric tự do sẽ nổi lên trên, đem chiết và tinh chế. Ngoài tác dụng để sản xuất axit butyric, trong thực tế quá trình lên men butyric có nhiều mặt gây hại cho công nghiệp thực phẩm. Chúng cản trở sự hoạt động của nấm men, gây mùi khó chịu và cay trong sản phẩm sữa, làm hư hỏng đồ hộp rau quả và thịt cá. Trong thực tế muốn tiêu diệt vi khuẩn này rất khó vì nó có mặt ở bất kỳ nguyên liệu thực phẩm nào bào tử của nó lại rất bền. Vì vậy biện pháp đề phòng lây nhiễm vi khuẩn butyric tại các xưởng chế biến thực phẩm là rất quan trọng. II.1.5. Lên men acetone – butanol II.1.5. 1. Cơ chế lên men Sự lên men axeton-butanol là quá trình lên men phức tạp, thực hiện trong điều kiện yếm khí nghiêm ngặt. Quá trình này giống quá trình lên men butyric nhưng chỉ khác ở quá trình lên men butyric sản phẩm chủ yếu là axit butyric còn ở quá trình lên men axeton-butanol sản phẩm chủ yếu là axeton và butanol. 12C6H12O6 Æ CH3(CH2)3OH +4CH3COCH3 +CH3(CH2)2COOH +C2H5OH+ H2+ CO2 + H2O +Q (butanol) (axetone) (axit butyric) (etanol) Sự lên men axeton-butanol được chia làm hai giai đoạn: - Giai đoạn đầu là giai đoạn tích tụ axit, trong giai đoạn này vi khuẩn bắt đầu sinh sản rất mạnh, axit butyric tích tụ nhiều trong môi trường làm pH môi trường giảm xuống. - Giai đoạn hai là giai đoạn axeton-butanol, giai đoạn này axeton-butanol được tạo thành trong môi trường axit. Do pH giảm mạnh làm vi khuẩn chết nhiều và bắt đầu tích lũy cồn (butylic và etylic) trong môi trường. Càng về cuối, càng 18
19. thấy tạo thành nhiều sản phẩm khí, rượu butylic và axetone. Ngoài các sản phẩn trên hydro, khí cacbonic và một lượng nhỏ axit axetic cũng được tạo thành. Nếu như cho vào môi trường lên men axit axetic thì thấy hiệu suất của quá trình lên men tăng đến 72% so với lý thuyết. II.1.5. 2. Vi sinh vật lên men Vi khuẩn lên men axeton-butanol thuộc nhóm vi khuẩn butyric, chúng có khả năng lên men dịch tinh bột mà không cần qua giai đoạn đường hoá. Trong môi trường kiềm chúng tạo thành axit butyric dưới dạng muối butyrate, trong môi trường axit chúng tạo thành axeton và butanol. Các loài điển hình như: Clostridium acetobutylicum, Clostridium saccharobutylicum, Các vi khuẩn này hô hấp yếm khí, có hình dạng không ổn định mà thay đổi theo thành phần dinh dưỡng của môi trường và theo lứa tuổi, có khả năng sinh bào tử, có hệ enzyme amylase, di chuyển được nhờ tiêm mao. II.1.5. 3. Ứng dụng của sự lên men axeton - butanol Đây là hai sản phẩm có giá trị cao trong các ngành công nghiệp. Axeton được làm dung môi trong các ngành công nghiệp, đặc biệt là sản xuất thuốc nổ. Butanol dùng để sản xuất sơn các loại trong công nghiệp xe hơi, máy bay, điều chế butadien để sản xuất cao su tổng hợp Nguyên liệu để sản xuất axeton-butanol là đường và tinh bột, cần bổ sung thêm nitơ và photpho. Dịch lên men gồm nước và khoảng 8÷10% bột ngô, bột ngô thường có trung bình 70% là glucid, như vậy dịch lên men có khoảng 5÷6% glucid. Dịch sau khi lên men có khoảng 1,5% là butanol, đây là mức giới hạn vì các sản phẩm lên men đều rất độc chúng sẽ ức chế rất mạnh vi khuẩn. Dịch lên men sau khi thanh trùng được cấy vi khuẩn Clostridium acetobutylicum vào. Lên men tiến hành ở nhiệt độ từ 36÷38oC trong vòng 48÷72h. 19
20. II.2. QUÁ TRÌNH LÊN MEN HIẾU KHÍ II.2.1. Lên men acetic II.2.1.1. Cơ chế lên men axetic Để chuyển hoá thành axit axetic, rượu phải thẩm thấu qua thành tế bào. Ở đây sẽ xảy ra quá trình chuyển hoá rượu thành axit axetic rồi thẩm thấu ra ngoài môi trường bên ngoài. Quá trình chuyển hoá như sau: CH3CH2OH + O2Æ CH3CHO + H2O CH3CHO + H2O Æ CH3CH(OH)2 CH3CH(OH)2 + O2 Æ CH3COOH + H2O CH3CH2OH + O2 Æ CH3COOH + H2O + Q ATP cung cấp cho hoạt động sống của tế bào và thải ra ngoài dưới dạng nhiệt. Ngoài khả năng oxi hoá rượu etylic thành axit axetic, vi khuẩn axetic còn có khả năng oxi hoá một số rượu khác thành axit tương ứng. Ví dụ như: Propylic Æ axit propionic Butylic Æ axit butyric Glyxerin Æ dioxiaxeton Ngoài ra chúng có thể oxi hoá glucose thành axit gluconic. II.2.1.2. Vi khuẩn lên men axetic Hiện nay người ta biết đến hàng chục loài vi khuẩn axetic thuộc họ Acetobacter. Chúng có những đặc điểm chung sau đây: - Là những trực khuẩn gram âm, không sinh bào tử, hô hấp hiếu khí bắt buộc, xếp đôi hay tạo thành từng chuỗi, thường tạo thành lớp màng trên bề mặt, có loài có khả năng chuyển động và có loài không. - Có nhiều trong rau quả. - Nguồn dinh dưỡng cacbon: oxi hoá rượu etylic hay các rượu khác thành axit tương ứng. Có khả năng sử dụng glucose. - Nguồn dinh dưỡng nitơ: sử dụng muối amôn hay peptone. - Có hai ngưỡng pH: pH thích hợp từ 5,4 đến 6,8, pH thích ứng cho sự lên men từ 3,5 đến 4,5. Chúng gồm các loài sau đây: Acetobacter aceti: là trực khuẩn ngắn, không chuyển động và chúng có khả năng liên kết với nhau thành chuỗi dài. Chúng bắt màu vàng với iot và có khả năng chịu nồng độ cồn khá cao (11%) và tích tụ được 6% axit axetic. Nhiệt độ phát triển tối ưu của chúng là 35oC, nếu nhiệt độ lên quá 40oC sẽ xảy ra hiện tượng co tế bào và sẽ tạo ra hình quả lê. Thường thấy chúng phát triển trong bia. Acetobacter pasteurianum: là trực khuẩn ngắn, hình thái gần giống loài trên, chỉ khác là chúng bắt màu xanh thẫm với iot. Tạo thành khuẩn lạc hình nhăn nheo trên môi trường đặc. Có khả năng tích tụ 6,2% axit axetic. Acetobacter orleanense: là trực khuẩn không chuyển động, có kích thước trung bình. Khi tăng nhiệt độ chúng tạo thành tế bào hình dài hoặc hình sợi hoặc không tạo hình. Thường thấy chúng phát triển trong dịch nho loãng. Có khả năng tồn tại ở nồng độ cồn từ 11 ÷ 12% và tích luỹ axit axetic đến 9,5%. 20
21. Acetobacter xylinum: là trực khuẩn không chuyển động, bắt màu xanh với iot. Chỉ có thể chịu được và tích tụ tối đa 4 ÷ 5% axit axetic và sau đó chúng oxi hoá axit axetic tạo thành CO2 và H2O. Chúng được sử dụng trong ngành sản xuất nước uống lên men có ga. II.2.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men a. Nồng độ rượu Tuỳ thuộc vào từng loài, nồng độ rượu phù hợp cho quá trình lên men từ 6÷15%, thường trung bình là 13%. Khi hết rượu chúng oxi hoá axit axetic thành CO2 và H2O để cung cấp năng lượng cho quá trình sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn. Để tránh trường hợp này cần phải kiểm tra nồng độ rượu thường xuyên để dừng quá trình lên men khi nồng độ rượu còn 0,3÷0,5%. b. Nhiệt độ Tuỳ theo từng loài mà nhiệt độ tối ưu cho quá trình oxi hoá khác nhau. Trong sản xuất người ta thường dùng những loài vi khuẩn có nhiệt độ thích ứng cho quá trình oxi hoá rượu thành axit axetic từ 30÷34oC. c. Nồng độ axit Tuỳ thuộc từng loài, đa số quá trình lên men bị ức chế khi nồng độ axít đạt hơn 8% và khi nồng độ axit axetic từ 12÷14% thì quá trình lên men hoàn toàn bị ngừng hoạt động. d. Oxi Quá trình lên men axetic là quá trình oxi hoá không hoàn toàn vì vậy bắt buộc phải cung cấp vừa đủ lượng oxi để oxi hoá rượu thành axit axetic. Tránh trường hợp oxi hoá axit axetic thành CO2 và H2O nếu thừa oxi hoặc không oxi hoá hết rượu thành axit axetic nếu thiếu oxi. Trong thực tế sản xuất cần cung cấp 2,5m3 không khí khi oxi hoá 1 kg rượu khan thành axit axetic. Cần thông gió và vô trùng không khí khi cung cấp oxi cho quá trình lên men. e. Môi trường dinh dưỡng Nếu chỉ có rượu thì vi khuẩn axetic không thể sống được nên cần bổ sung một số chất dinh dưỡng khác. Trong 100 lít rượu 10% cồn cần 500g đường glucose hay tinh bột đã thuỷ phân, 25g superphotphat, 25g sunfat amôn, ngoài ra còn bổ sung thêm một số chất sinh trưởng khác. II.2.1.4. Ứng dụng a. Sản xuất giấm Sản xuất giấm hiện nay theo hai phương pháp cơ bản: Phương pháp lên men chậm Đây là phương pháp Orland hay phương pháp của Pháp và là phương pháp thủ công đã có từ lâu. Phương pháp này chủ yếu sản xuất từ rượu vang, nguyên liệu gồm khoảng 3÷4% rượu và từ 2÷3% axit axetic. Người ta cho axit axetic trước để tạo điều kiện cho vi khuẩn axetic phát triển, mặt khác ngăn ngừa bị nhiễm các loài vi khuẩn khác. Dịch sau khi được chuẩn bị xong được đổ vào các thùng bằng gỗ và để ngoài không khí. Sau một thời gian trên bề mặt sẽ tạo thành váng chứa nhiều axit 21
22. axetic. Vì thế quá trình oxi hoá chậm và chỉ kết thúc sau vài tuần. Sau khi kiểm tra nồng độ rượu còn từ 0,3÷0,5 thì lấy giấm ra và cho dịch mới vào. Không nên để quá lâu chất lượng giấm sẽ giảm nhanh do quá trình oxi hoá axit axetic thành CO2 và H2O. Bằng phương pháp này giấm thu được có nồng độ axit axetic từ 5 đến 6%. Nếu muốn bảo quản giấm được lâu phải thanh trùng. Phương pháp lên men nhanh Đây là phương pháp của Đức hay phương pháp công nghiệp. Thiết bị sản xuất là một thùng gỗ có chiều cao từ 2,5 đến 6m, đường kính từ 1,2 đến 3m. Nguyên tắc cơ bản của phương pháp này là làm tăng tiết diện tiếp xúc với không khí làm cho quá trình lên men xảy ra nhanh hơn. Dịch lên men vào Không khí ra Bộ phận phân phối môi trường Vật liệu xốp Bộ phận phân phối Không khí vào không khí Sản phẩm lấy ra Sản phẩm lên men Thùng thường là hình trụ, phía trên có một lỗ cho dịch môi trường vào và một lỗ cho không khí thoát ra. Dưới là một miếng gỗ có nhiều lỗ tròn để phân phối đều dịch môi trường. Phía dưới là những vật liệu xốp đã được thanh trùng. Dưới cùng là một tấm sàn có nhiều lỗ nhỏ cho dịch dấm thoát ra và phân phối đều không khí. Dịch được pha chế như sau: Trong 100 lít rượu 10% cồn cần 500g đường glucose hay tinh bột đã thuỷ phân, 25g superphotphat, 25g sunfat amon, 0,9g K2CO3, axit axetic 3kg. 22
23. Dịch được đổ từ trên xuống và chảy đều trên các màng xốp đã cấy sẵn vi sinh vật. Ở đây sẽ xảy ra quá trình oxy hoá rượu thành axit axetic nhờ oxi không khí đi từ dưới lên. Có thể tiến hành lên men lại bằng cách cho dịch giấm thu được qua màng xốp nhiều lần để nồng độ rượu còn khoảng 0,3 đến 0,5% là được. Dịch giấm thu được thường có nồng độ khoảng 9% axit axetic, sau đó đem lọc và thanh trùng. b. Một số ứng dụng khác của vi khuẩn axetic Ngoài khả năng chuyển hoá cồn thành axit axetic, một số vi khuẩn axetic còn có khả năng oxy hoá một số chất khác. Một số sản phẩm quan trọng như: axit gluconic, sorbose II.2.2. Lên men citric II.2.2. 1. Cơ chế lên men Trong quá trình này glucose được chuyển hoá thành axit pyruvic theo con đường EMP (Embden-Mayerhof-Parnas), sau đó axit pyruvic tiếp tục chuyển hoá thành axit citric. Phương trình tổng quát của quá trình này như sau: 2C6H12O6 + 3O2 → 6C6H8O7 + 4H2O Glucose Axit citric Có nhiều loài nấm mốc có khả năng oxy hóa gluxit thành axit citric như Rhizopus, Aspergillus, Penicillium. Trong đó quan trọng nhất là Aspergillus niger. II.2.2. 3. Các yếu tố ảnh hưởng a. Môi trường dinh dưỡng Nấm mốc cần đường, tinh bột và các muối vô cơ. Môi trường lên men axit citric không phải là môi trường phát triển bình thường của Aspergillus niger. Trong điều kiện thường nấm mốc chỉ phát triển sinh khối tạo ra rất ít axit citric. Trong trường hợp môi trường nhiều cabon và ít nitơ (lượng đường 4 ÷ 20%, nitơ 0.07%, ngoài ra còn bổ sung thêm nguyên tố khoáng như P, Fe, Zn ) thì quá trình tổng hợp axit citric xảy ra mạnh. b. pH môi trường pH thích hợp cho Aspergillus niger tạo thành axit citric từ 3 ÷ 4, tùy thuộc vào chủng nấm mốc sử dụng. Ta có thể axit hoá môi trường bằng HCl, pH môi trường phụ thuộc vào nguồn nitơ. Nếu sử dụng NH4NO3 thì pH thích hợp là 3, nếu sử dụng NH4Cl thì pH thích hợp là 4. Trong quá trình lên men do sự tạo thành axit citric nên pH giảm mạnh, vì vậy cần phải điều chỉnh pH của môi trường cho thích hợp. c. Sự thoáng khí Quá trình oxi hoá cần một lượng lớn oxy, vì vậy cần phải cung cấp không khí cho quá trình lên men bằng cách thông thoáng khí môi trường. Ngoài ra sự thông thoáng khí còn giảm lượng khí cacbonic trong môi trường. Trong thực tế sản xuất người ta thường thổi không khí vô trùng vào dịch lên men. 23
24. d. Nhiệt độ: Nhiệt độ thích hợp cho quá trình lên men tạo axit citric là 31 – 37oC. Thấp hơn thì tạo axit gluconic, cao hơn thì việc tạo axit citric bị kìm hãm. Thời gian lên men khoảng 7 – 10 ngày. II.2.2. 4. Ứng dụng sản xuất axit citric Trong quá trình sản xuất axit citric người ta sử dụng nấm mốc Aspergillus niger. Hiện nay người ta sử dụng hai phương pháp sau: Phương pháp lên men trên bề mặt (lên men nổi) Nấm là một hệ sợi vì vậy người ta sử dụng các khay có diện tích lớn và dịch lên men khoảng 8 ÷ 12cm. Nấm mốc sẽ phát triển trên bề mặt môi trường. Phương pháp này đơn giản, hiệu suất cao nhưng do dễ bị nhiễm các vi sinh vật khác nên ít được sử dụng. Phương pháp lên men chìm Dùng những thiết bị để giữ nấm mốc trên cơ chất ở giữa dịch lên men và có hệ thống thông khí oxy vô trùng. Dùng phương pháp này hiệu suất lớn, thời gian nhanh và tạo ra axit citric với nồng độ cao. Mỗi phương pháp lên men có hai kiểu lên men Lên men thay thế: dùng hai loại môi trường, đầu tiên dùng môi trường phù hợp cho sự phát triển sinh khối của nấm mốc sau đó thay môi trường này bằng dịch lên men. Lên men không thay thế: chỉ dùng một loại môi trường trong suốt quá trình lên men. Quá trình sản xuất axit citric bằng con đường vi sinh vật gồm 3 giai đoạn: - Chuẩn bị dịch lên men. - Lên men. - Xử lý dịch lên men để thu axit citric. Trong ngành công nghiệp sản xuất axit citric hiện nay người ta sử dụng phương pháp lên men bề mặt có thay thế. Theo phương pháp này quá trình lên men được tiến hành trong 3 phân xưởng chính: - Phân xưởng bào tử: nuôi cấy Aspergillus niger để thu bào tử, bào tử thu được ở dạng huyền phù trong dịch nước để chuyển vào dịch lên men. - Phân xưởng lên men: gồm một số phòng đóng kín trong đó có những chậu dẹt. Bào tử nấm mốc được phát triển trên bề mặt thức ăn dinh dưỡng trong những chậu này ở nhiệt độ 34oC, sau khoảng 2 ngày màng mốc được tạo thành. Thay dung dịch thức ăn bằng dịch lên men, giữ ở nhiệt độ 32oC trong 4 ngày. - Phân xưởng hoá học: dung dich đã lên men là hỗn hợp các axit, đường chưa bị lên men và các tạp chất hữu cơ. Dựa vào độ hoà tan khác nhau của các muối tạo thành để tách muối canxicitric. 24
25. II.2.3. Phân hủy hiếu khí cenlulose & pectin a. Cơ chế Phân hủy cenlulose và các chất pectin ở điều kiện hiếu khí dưới tác dụng của những vi sinh vật có hoạt tính enzyme pectinase và cenlulase. Đầu tiên, chúng thủy phân những chất này thành đường và axit, sau đó oxy hóa tiếp thành những sản phẩm thủy phân. b. Vi sinh vật phân giải cenlulose và pectin Những nấm khác nhau, một số vi khuẩn và xạ khuẩn có khả năng này. Trong số vi khuẩn ta thấy vi khuẩn nhầy Mixococcus Hutchínonii có khả năng phân giải hiếu khí cenlulose mạnh mẽ. Nó có dạng hình que, dài 4÷6µm, đường kính 0,3÷0,4µm nó phát triển tốt trên môi trường chỉ có cenlulose, không thể sử dụng được các nguồn glucid khác, hơn nữa còn bị ức chế sinh trưởng. Ngoài ra còn có một số xạ khuẩn và một số nấm cũng oxy hóa được cenlulose như: Tricoderma. c. Ứng dụng Phân hủy hiếu khí cenlulose rất phổ biến trong tự nhiên và có một ý nghĩa rất lớn trong quá trình khoáng hóa xác thực vật. Kết quả là cenlulose và các chất hữu cơ trong đất bị vi sinh vật phân hủy tạo thành chất mùn – chất có màu thẫm – làm dự trữ dinh dưỡng cho cây trồng. Vi sinh vật phân giải cenlulose – pectin có thể làm giảm chất lượng đáng kể các nguồn nguyên liệu thực phẩm là thực vật (rau quả). Thủy phân các chất pectin dẫn tới làm tơi thịt quả và rau cho tới khi các mô bị rã rời (xuất hiện “thối mục ẩm”) còn thủy phân cenlulose – dẫn tới phá hỏng thành tế bào của thịt quả và làm cho vi sinh vật lọt vào bên trong các tổ chức mô thực vật. II.2.4. Phân hủy chất béo và axit béo a. Cơ chế Chất béo là hỗn hợp các este của glyxerin và các axit béo bậc cao. Dưới tác dụng của các tác nhân vật lý – hóa học của môi trường bên ngoài, cũng như của vi sinh vật, chất béo có thể có những thay đổi đáng kể. Tác động của vi sinh vật bắt đầu là sự thủy phân chất béo thành glyxerin và axit béo tự do. Quá trình này xảy ra dưới tác dụng xúc tác của enzyme lipaza. Axit béo tích tụ trong cơ chất, vì vậy kèm theo là giảm chất lượng của chất béo, thể hiện ở chỗ làm thay đổi “chỉ số axit” – hàm lượng các axit béo tự do. Sản phẩm thủy phân lại tiếp tục bị chuyển hóa. Glyxerin được nhiều vi sinh vật sử dụng và có thể bị oxy hóa hoàn toàn tới CO2 và H2O. Các axit béo bị phân hủy chậm hơn, trước hết là các axit béo không bão hòa bị oxy hóa dần dần. Một số vi sinh vật, ngoài enzyme lipaza còn có enzyme oxy hóa lipoxygenaza – xúc tác quá trình peoxyt của axit béo được tạo thành. Các peoxyt này dễ dàng bị oxy hóa tiếp theo để tạo thành những sản phẩm trung gian – oxy axit, aldehyt, xeton và làm cho chất béo có những mùi vị khó chịu. Những sản phẩm trung gian của quá trình oxy hóa chất béo và axit béo lần lượt được vi sinh vật sử dụng trong trao đổi chất của chúng và cuối cùng tạo thành CO2 và H2O. 25
26. b. Vi sinh vật phân hủy chất béo và axit béo Vi sinh vật phân hủy chất béo và axit béo mạnh mẽ nhất là Pseudomonas fluorescens là các trực khuẩn nhỏ, không sinh bào tử có tạo sắc tố màu xanh nhạt. Ngoài ra còn có các vi khuẩn: Micrococcus, Chromobacterium, Prodigioscens; nhiều loài nấm, xạ khuẩn và một số nấm men. Trong số nấm có hoạt tính này ta thấy đáng chú ý là Oidium lactis, Clasdosporium hebarium, nhiều loài thuộc Aspergilus và Penicillium. c.Ứng dụng Phân hủy chất béo do vi sinh vật trong điều kiện tự nhiên (ở đất và nước) xảy ra thường xuyên và có ý nghĩa rất lớn trong vòng tuần hoàn vật chất nói chung. Trong bảo quản dầu mỡ dài ngày ở điều kiện không cho phép vi sinh vật phát triển thì sự làm hỏng chất béo có thể là do tác động của ánh sang hoặc oxy không khí. Trong quá trình lên men hiếu khí còn có lên men axit amin, lên men các chất kháng sinh, enzyme và nhiều dạng lên men khác. Các axit amin ngày nay được sản xuất nhờ vi sinh vật là axit glutamic và lizin. Các vi sinh vật dùng ở đây chủ yếu là vi khuẩn thuộc các giống Micrococcus, Brevibacterium và Corynerbacterium. Các vi khuẩn này oxy hóa đường thành axit glutamic hoặc lizin và một số sản phẩm phụ. Nguyên liệu chủ yếu là đường glucoza, saccaroza, rỉ đường, dịch đường thủy phân từ tinh bột cũng có giống lên men được axetat, rượu etylic, dầu hỏa hoặc parafin. Các công đoạn của quá trình lên men các chất kháng sinh, vitamin, enzyme về đại thể giống như lên men axit amin. 26
27. II.3. QUÁ TRÌNH THỐI RỮA Thối rữa là quá trình phân hủy các chất protein dưới tác dụng của vi sinh vật. Protein là hợp chất hữu cơ phức tạp nhất, có mặt trong tất cả các cơ thể sống. Nó cũng có nhiều trong xác các sinh vật, trong các loại thức ăn và nhiều loại vật liệu hàng hóa công nghiệp khác. Quá trình này rất quan trọng trong vòng tuần hoàn vật chất. Quá trình này được tiến hành thường xuyên trong tự nhiên, đất, nước, trong cả điều kiện yếm khí và hiếu khí. Sản phẩm thối rữa có thể làm ô nhiễm môi trường sống và các vi sinh vật gây thối là nguyên nhân làm hỏng thực phẩm giàu protein. II.3.1.Cơ chế Quá trình phân giải protein dưới tác dụng của enzyme phân giải có trong tế bào vi sinh vật có có thể chia ra làm 3 giai đoạn: Giai đoạn 1: Bắt đầu giai đoạn này là sự thuỷ phân do enzyme protease ngoại bào. Quá trình này chỉ xảy ra đối với các vi sinh vật có enzyme ngoại bào, còn các vi sinh vật không có enzyme ngoại bào chúng không có khả năng này. Quá trình thuỷ phân xảy ra từ từ và chúng tạo thành các sản phẩm trung gian khác nhau. Các axit amin là sản phẩm cuối cùng của giai đoạn này. +H2O +H2O +H2O Protid Æ peptone Æ polypeptit Æ axit amin Đối với các nucleoprotid sẽ bị phân huỷ thành axit nucleotic và protid đơn giản. Sau đó protid bị phân huỷ như sơ đồ trên, còn axit nucleotic bị phân huỷ thành axit photphoric, pentose và hỗn hợp các bazơ nitơ. Giai đoạn 2: Các axit amin sau khi được tạo thành do quá trình thủy phân trên sẽ khuếch tán vào trong tế bào vi sinh vật và được phân hủy tiếp bằng cách khử nhóm amin hoặc khử nhóm cacboxyl hoặc đồng thời khử cả hai nhóm để tạo thành NH3, CO2 và các hợp chất hữu cơ tương ứng. Quá trình khử amin có thể xảy ra theo nhiều cách khác nhau: Khử amin bằng thuỷ phân có kèm theo decacboxyl hoá hoặc không: R CH COOH R CH COOH +H2O + NH3 NH2 OH R CH COOH + NH + CO +H2O R CH2 OH 3 2 NH2 27
28. Khử amin do do oxi hoá có kèm theo decacboxyl hoá hoặc không: R CH COOH R C COOH + ½ O2 +NH3 NH2 O R CH COOH + ½ O2 R COOH + NH3 +CO2 NH2 Khử amin do vi khuẩn yếm khí có kèm theo decacboxyl hoá hoặc không: R CH COOH + + 2 H R CH2 COOH + NH3 NH2 R CH COOH + + 2 H R CH3 +NH3+CO2 NH2 Khử amin do mất NH3 trực tiếp (Khử amin nội phân tử) R CH CH COOH R CH CH COOH +NH3 H NH2 Trong bốn dạng trên, khử amin bằng cách oxy hóa là dạng phổ biến hơn cả. Đó là con đường tạo thành các xetoaxit, chất trung gian quan trọng của quá trình trao đổi chất. Từ các phản ứng trên ta thấy rằng ngoài NH3 còn tạo thành nhiều phân tử axit, rượu, oxyaxit, cetoaxit Tuỳ theo gốc R của axit amin các axit thường được tạo thành là axit formic, axit axetic, axit propionic, axit butyric. Các rượu được tạo thành là propiolic, butylic, amylic, izoamylic Trong protein ngoài monoaminoaxit còn có các diaminoaxit, chúng bị phân huỷ để tạo thành diamin: NH2(CH2)4CHNH2COOH Æ NH2(CH2)5NH2 + CO2 Lizin Æ Cadaverin Cadaverin là chất rất độc, còn có tên là chất độc xác chết. Khi phân huỷ protid có chứa lưu huỳnh tạo thành H2S: HSCH2CHNH2COOH Æ CH3CHNH2COOH + H2S Xistein 28
29. Nhiều trường hợp tạo thành dẫn xuất của H2S là các mercaptan có mùi tanh và hôi thối với một lượng rất nhỏ. Khi phân huỷ các amin thơm (có vòng bezen) sẽ tạo thành các sản phẩm đặc trưng của quá trình thối rữa. Khi phân huỷ phenilalamin ta được axit benzoic, tirozin Æ crezol, trytophan Æ indol và scatol. Indol và scatol có mùi hôi thối rất khó chịu (mùi phân) và có khả năng gây độc. Giai đoạn 3: Các chất hữu cơ được hình thành do quá trình phân giải sơ bộ aminoaxit sẽ tiếp tục chuyển hoá, sự chuyển hoá này tuỳ thuộc vào loài vi sinh vật và tuỳ thuộc vào điều kiện môi trường mà rất khác nhau. − Trong điều kiện hiếu khí các chất này được oxi hoá và có thể được vô cơ hoá hoàn toàn. Sản phẩm cuối cùng là: NH3, CO2, H2O, H2S, H3PO4. − Trong điều kiệm yếm khí các sản phẩm không được oxi hoá hoàn toàn, trong môi trường sẽ tích tụ các axit hữu cơ, rượu, amin, trong đó có nhiều chất độc và gây mùi hôi thối. Ta có thể tóm tắt quá trình phân giải protein như sau: Protein Æ Peptone Æ polypeptit Æ axit amin Æ NH3 H2, CO2 ← Axit béo Phenol, Indol, Scatol, Amin, Mecaptan, H2S, CO2 CO2, H2O ← Metan II.3.2.Vi sinh vật gây ra quá trình phân giải Tham gia quá trình phân giải protein có nhiều loài vi sinh vật có kiểu hô hấp khác nhau. Ta có thể xem xét đại diện một số loài như sau: Vi sinh vật hiếu khí Bacillus mycoides (trực khuẩn đất): đây là trực khuẩn có kích thước không lớn lắm, có bào tử hình bầu dục, trên môi trường đặc chúng tạo thành khuẩn lạc giống như khuẩn ty thể của nấm. Bacillus subtilis: phân bố rộng rãi trong thiên nhiên, phân huỷ protid rất mạnh mẽ. Là trực khuẩn hai đầu tròn, khi tạo thành bào tử có hình bầu dục hoặc hình dài. Chúng có thể tồn tại riêng biệt từng tế bào hay liên kết với nhau thành chuỗi. Chúng thường phát triển trên xác thực vật rơm rạ nên còn có tên là trực khuẩn cỏ khô. Bacillus mensentericus: là những trực khuẩn chuyển động có tiên mao xung quanh, tạo bào tử hình bầu dục, tế bào có thể tạo thành chuỗi. Chúng có hoạt lực protease khá cao, bào tử chịu nhiệt độ cao, có thể tìm thấy chúng trong đồ hộp o đã qua tiệt trùng ở 120 C. Khi phân giải protid chứa S chúng tạo thành H2S. 29
30. Bacillus cereus: là trực khuẩn thường tồn tại từng tế bào riêng lẻ. Tế bào có không bào và chuyển động. Có khả năng tạo bào tử hình oval hay hình elip. Thường thấy chúng ở đất, nước, cây. Chúng phát triển tốt ở nhiệt độ từ 37 - 48oC. Pseudomonas fluorescens: là trực khuẩn tạo bào tử, di động được nhờ chùm tiêm mao ở đầu, khi phân giải protein tạo sắc tố màu vàng lục. Cromobacterium prodigiosum: là trực khuẩn không sinh bào tử, có thể hình thành sắc tố màu đỏ, khuẩn lạc của vi khuẩn này trông giống vết máu. Vi sinh vật hô hấp tuỳ tiện Proteus vulgaris: là trực khuẩn nhỏ, không tạo bào tử, có tiêm mao, và chuyển động rất mạnh. Chúng có khả năng thay đổi hình dạng và kích thước trên môi trường thức ăn khác nhau. Thường gặp chúng ở đường ruột người và động vật, trong nước, trong đất. Phát triển tốt ở nhiệt độ từ 25 đến 37oC, có hoạt lực protease rất cao. Khi phân giải protid tạo thành indol và H2S làm thay đổi pH của môi trường. Bacterium coli: còn gọi là vi khuẩn đại tràng, chúng luôn luôn có trong ruột người và động vật, rồi đi vào nước, đất và phân. Chúng là trực khuẩn ngắn chuyển động được và không tạo bào tử. Không có có khả năng phân giải protein mà chỉ phân giải được các sản phẩm thuỷ phân protein.` Vi sinh vật yếm khí Bacillus putrificum: là trực khuẩn nhỏ, có bào tử tương đối lớn ở một đầu, không có khả năng lên men glucid, khi phân giải protein tạo nhiều khí. Thường gặp trong đất, trong miệng, trong ruột người và động vật, có khi chúng tồn tại trong đồ hộp. Chúng thường tạo thành chuỗi hoặc từng tế bào riêng lẻ. Nhiệt độ phát triển tối ưu là 37oC, bào tử chịu nhiệt độ cao. Clostridium sporogenes (Bacillus sporogenes): là trực khuẩn lớn, thường tạo thành chuỗi, có khả năng chuyển động và tạo bào tử hình oval, nhiệt độ phát triển tối ưu là 37oC. Khác với loài trên, chúng có khả năng lên men glucid, khi phân giải protein tạo thành nhiều H2S. Ngoài các loài vi khuẩn trên ra còn thấy một vài loài xạ khuẩn, nấm mốc tham gia phân huỷ protid như: Penicillium, Aspergillus, Mucor, Trichoderma cũng có khả năng phân giải protein mạnh mẽ. Vi sinh vật thối rữa đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong vòng tuần hoàn vật chất trong tự nhiên. Chúng phân hủy các chất protein có trong xác động thực vật và khoáng hóa các hợp chất này để tạo thành amoniac, làm giàu cho đất, cung cấp nguồn nitơ dinh dưỡng cho cây trồng. Song, dưới tác dụng của vi sinh vật gây thối các loại thực phẩm thịt, cá và các sản phẩm từ thịt, cá, trứng, sữa cũng như các sản phẩm giàu protein khác bị hư hỏng. Một trong những chỉ tiêu của sự hư hỏng là có mặt các sản phẩm của quá trình phân hủy protein (hàm lượng cao các amin, NH3, H2S và các acid béo). 30
31. Tài liệu tham khảo chương II: 1. Vi sinh vật công nghiệp – Lê Xuân Phương – NXB Xây Dựng 2. Công nghệ vi sinh – Lương Đức Phẩm – NXB Nông nghiệp 3. Vi sinh vật học và vệ sinh an toàn thực phẩm – Lương Đức Phẩm – NXB Nông nghiệp 4. Hóa học thực phẩm – Lê Ngọc Tú – NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội. Câu hỏi ôn tập chương II: 1. Thế nào là quá trình lên men? Lên men kỵ khí, hiếu khí? 2. Lên men rượu: cơ chế, tác nhân vi sinh vật, các nhân tố ảnh hưởng và các ứng dụng trong công nghệ sản xuất rượu cồn, bia, rượu vang và sâm panh? 3. Lên men lactic: cơ chế, tác nhân vi sinh vật, các ứng dụng trong sản xuất axit lactic, các sản phẩm sữa, muối chua rau quả và thức ăn gia súc? 4. Lên men propionic: cơ chế, tác nhân vi sinh vật, ứng dụng trong công nghệ sản xuất phomat? 5. Lên men butyric và lên men acetone – butanol? 31
32. Chương III: ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ CỦA THỰC PHẨM ĐẾN SỰ PHÁT TRIỂN CỦA VI SINH VẬT (5t) Nguyên liệu trong sản xuất, thực phẩm chủ yếu là động vật và thực vật. Đặc tính vật lý và hóa học của động vật và thực vật dùng làm nguyên liệu thực phẩm hay là sản phẩm thực phẩm có ảnh hưởng rất lớn đến sự phát triển của vi sinh vật khi chúng có mặt trong thực phẩm. Các ảnh hưởng này có thể theo chiều hướng có lợi, có thể có chiều hướng có hại đối với vi sinh vật. Các yếu tố gây ảnh hưởng tới vi sinh vật được chia làm 2 nhóm: − Nhóm các yếu tố nội sinh − Nhóm các yếu tố ngoại sinh III.1. Nhóm các yếu tố nội sinh Là những yếu tố thuộc về bản chất của thực phẩm, các yếu tố này nằm trong mô bào của thực vật và động vật mà ta sử dụng làm nguyên liệu chế biến thực phẩm. Các yếu tố đó bao gồm: 1. pH 2. Độ ẩm 3. Oxy 4. Hàm lượng chất dinh dưỡng hay thành phần hóa học III.1.1. Ảnh hưởng của pH trong thực phẩm Tác động pH của nguyên liệu lên tế bào vi sinh vật chủ yếu vào hai hướng: − Tác động lên hoạt tính enzyme trên thành tế bào của vi sinh vật − Tác động lên tính thấm của màng tế bào của vi sinh vật. Mỗi loài vi sinh vật có một khoảng pH nhất định để phát triển và sinh sản. Ở khoảng pH này, các loài vi sinh vật có các giới hạn pHcực tiểu, pHtối thích và pHcực đại. Dựa vào nhu cầu của vi sinh vật đối với pH người ta chia vi sinh vật thành ba nhóm: − Nhóm ưa axit pHtối thích = 3 − Nhóm ưa trung tính pHtối thích = 7 − Nhóm ưa kiềm pHtối thích = 9 - 10 32
33. Bảng III.1. khoảng pH phát triển của một số loài vi sinh vật thực phẩm pH 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Nấm mốc Nấm men Vi khuẩn lactic Staphylococcus aureus E.coli Y. enterocolitica C. botulinum Bacillus cereus V. parahaemolyricus Campylobacter sp Vibrio sp (nguồn: Jemes M.Jay, 1997) Tên vi sinh vật pHcực tiểu pHtối thích pHcực đại Thiobaccillus thiooxidant 0,5 2,0 – 2,8 4,0 – 6,0 Bacillus acidocaldarius 2,0 4,0 6,0 Lactobacilus acidophilus 4,0 5,2 6,8 Staphylococcus aureus 4,2 7,0 – 7,5 9,3 Echerichia coli 4,4 6,0 – 7,0 9,0 Clostridium sporogenes 5,0 – 5,8 6,0 – 7,6 8,5 – 9,0 Erwinia caratovora 5,6 7,1 9,3 Pseudomonas aeruginosa 5,6 6,6 – 7,0 8,0 Nấm mốc 1,2 1,7 – 7,7 9,2 – 11,1 Saccharomyces cerevisiae 4 5,8 6,8 pH ảnh hưởng như thế nào đến tế bào vi sinh vật? Ở hầu hết vi sinh vật pH ở bên trong tế bào được duy trì ở pH gần bằng 7, ở pH này tế bào thực hiện trao đổi chất tốt nhất. Màng tế bào chất không thấm ion H+ và ion OH-, ngoài ra tế bào còn có cơ chế bơm ion H+ ra ngoài tế bào khi ion này vượt quá giới hạn. − Khi tế bào bị đặt trong môi trường có pH bên ngoài đạt gần giá trị pHtối thích ion H+ và ion OH- không thể xâm nhập qua màng tế bào và không làm ảnh hưởng đến pH bên trong tế bào chất. − Khi tế bào được đặt trong môi trường có pH cực cao (quá axit hay quá kiềm), màng tế bào sẽ bị tổn thương, khi đó ion H+ và ion OH- từ môi trường ngoài có thể rò rỉ vào bên trong tế bào, hậu quả là enzyme và axit nucleic sẽ bị biến tính dẫn đến tế bào sẽ chết. 33
34. Axit hữu cơ yếu có những tác dụng khác với axit vô cơ. Axit hữu cơ yếu bị phân ly như sau: RCOOH RCOO- + H+ Độ phân ly của axit hữu cơ còn tùy thuộc vào pH môi trường. Trong dung dịch axit, có nồng độ ion H+ cao hơn, cân bằng phản ứng sẽ thiên vể dạng không phân ly. Tỷ lệ % của axit yếu được phân ly ở một giá trị pH đặc biệt là giá trị pK. Giá trị pH mà ở đó 50% axit bị phân ly là pKa. Axit không phân ly hòa tan trong lipit và chúng có thể khuyếch tán qua màng tế bào nơi mà các ion không thể đi qua. Điều này có nghĩa là môi trường càng axit thì càng có nhiều axit không phân ly và chúng có thể đi vào bên trong màng tế bào chất nơi đây trong điều kiện trung tính hay axit nhẹ của tế bào, các phân tử không phân ly sẽ phân ly trở thành các ion RCOO- và H+. Tế bào khi ấy sẽ bơm ion H+ ra ngoài khi ion này vượt quá giới hạn. Nhưng cuối cùng điều này trở nên không hiệu quả, pH bên trong tế bào giảm, hoạt động của enzyme và axit nucleic trong tế bào bị ảnh hưởng, tế bào sẽ chết. Ảnh hưởng của axit yếu lên tế bào vi khuẩn là phụ thuộc vào môi trường. Ở nồng độ ức chế sự tăng trưởng, gây chết của tế bào, chúng sẽ có hiệu quả kém hơn khi nhiệt độ môi trường thấp hơn. Ảnh hưởng kháng khuẩn của acid hữu cơ được xếp theo thứ tự sau đây: Axit Propionic > axit axetic > axit citric >axit phosphoric > axit hydrochloric pH của các loại thực phẩm khác nhau thì khác nhau. Hầu hết tính axit của thực phẩm thay đổi từ rất axit cho đến gần trung tính. Thực phẩm hiếm khi có phản ứng kiềm, trứng gia cẩm thuộc một trong số ít thực phẩm có tính kiềm. Sau đây là pH của một số thực phẩm thông dụng: Thực phẩm pH Chanh 2,2 – 2,4 Dâu 3,1 -3,9 Cà chua 3,9 – 4,6 Chuối 4,5 – 4,7 Cà rốt 5 – 6 Khoai tây 5,3 -5,6 Thịt 5,4 – 6,9 Rau diếp 6,0 Sữa 6,3 -6,6 Lòng trắng trứng 8,6 – 8,9 Các axit hữu cơ yếu như axit malic, axit citric và axit tartaric thường có sẵn trong thực phẩm là các loại trái cây. Ở một số loại trái cây như dâu và chanh thì độ pH thấp của chúng giới hạn được sự phát triển của vi sinh vật như nấm mốc và nấm men. Hoạt động của các vi sinh vật thường sẽ làm cho độ pH của thực phẩm thay đổi. Thí dụ: − Streptococi và Lactobacili sẽ sản xuất ra axit lactic làm cho sữa bị chua 34
35. − Các loại vi khuẩn Gram âm hình que như Pseudomonas spp sẽ làm cho thịt bị hư hỏng và có tính kiềm lí do chúng sử dụng các axit amin như nguồn cacbon dẫn tới việc sản sinh ra chất amôn. − Một vài loại thực phẩm có chứa một lượng khá cao chất duy trì pH (dung dịch đệm), chất này sẽ ngăn cản sự thay đổi pH. Ví dụ như thịt sẽ có một lượng chất khá cao chất duy trì pH trái lại rau cải thì không có. Ứng dụng của ảnh hưởng của pH trong chế biến và bảo quản thực phẩm: - Thêm vi khuẩn lactic vào dung dịch lên men, làm hạ thấp pH môi trường tạo điều kiện thuận lợi cho nấm men phát triển và tiến hành lên men rượu trong công nghệ sản xuất rượu cồn. - Ứng dụng trong chế biến: tiến hành muối chua rau quả. - Trong sản xuất thực phẩm ngâm dấm, dầm dấm để hạ thấp pH môi trường, ức chế sự phát triển của vi khuẩn gây thối và các loại vi sinh vật gây hư hỏng thực phẩm, làm tăng thời gian bảo quản của sản phẩm. III.1.2. Ảnh hưởng của độ ẩm trong thực phẩm Một trong những phương pháp bảo quản thực phẩm cổ điển nhất của loài người là phương pháp sấy khô thực phẩm. Sấy khô thực phẩm là biện pháp tách nước (chủ yếu nước ở dạng tự do) ra khỏi nguyên liệu thực phẩm và thực phẩm, tạo ra trạng thái môi trường bất lợi cho vi sinh vật. Mọi hoạt động sống của vi sinh vật đều liên quan đến nước, tỉ lệ của nước trong tế bào vi sinh vật khá cao: vi khuẩn: 75 – 85%, nấm men: 78 – 82%, nấm mốc: 84 – 90%. Phần nước có thể tham gia vào các hoạt động trao đổi chất của vi sinh vật được gọi là nước tự do. Nước liên kết là phần nước liên kết với các chất hữu cơ cao phân tử trong tế bào ( protein, lipit, hydratcacbon, ). Nước liên kết mất khả năng hòa tan và lưu động. Vi sinh vật cần nước ở trạng thái tự do, do đó nếu thiếu nước sẽ xảy ra hiện tượng loại nước ra khỏi tế bào làm cho tế bào bị co nguyên sinh và có thể sẽ chết. Sức đề kháng của vi sinh vật đối với trạng thái khô hạn là khác nhau: - Sức đề kháng của xạ khuẩn > vi khuẩn > nấm mốc - Sức đề kháng của bào tử > tế bào sinh dưỡng Hoạt độ nước của thực phẩm: aw Nhu cầu về nước của vi sinh vật được biểu thị một các định lượng bằng hoạt độ của nước (water activity) viết tắt là aw. Hoạt độ của nước được xác định là tỉ lệ áp suất hơi nước của thực phẩm và áp suất hơi nước nguyên chất trong cùng một nhiệt độ. Áp lực bốc hơi của một chất hoặc dung dịch Hoạt độ của nước aw = Áp lực bốc hơi nước tinh khiết ở cùng nhiệt độ Nước nguyên chất có aw = 1, nước biển aw = 0,98, máu người: aw = 0,995; cá muối: aw = 0,75. Để vi sinh vật có thể tồn tại và phát triển thì aw ở trong khoảng 0,93 – 0,99. 35
36. Mặt khác aw liên quan rất chặt chẽ với nồng độ muối, đường cũng như các chất hòa tan khác trong thực phẩm. Ví dụ: Thịt tươi chứa 75% là nước nhưng hoạt độ nước là 0,98. Protein cơ và mỡ là một khối rắn, chúng không tan trong nước, có ảnh hưởng bề mặt thấp và vì vậy chúng không tham gia vào các hoạt động của nước. Những chất tan được trong nước (glucose, aminoacid, muối khoáng, vitamin) hiện diện với lượng quá nhỏ trong thịt, làm cho độ hoạt động của nước trong thịt tươi rất cao. Thực phẩm có thể có thành phần muối thấp nhưng thường thì không có hoạt độ nước thấp. Ví dụ: Bơ mặn, nước trong nhũ tương dầu, có thành phần muối 2 – 3%, theo tính toán phải có hoạt độ nước aw khoảng 0,993 – 0,989. Tuy nhiên, muối phân cực vì vậy chỉ tan được trong nước làm cho nồng độ muối trong pha này lên đến 18% làm cho hoạt độ nước thực tế có liên quan đến sự phát triển của vi sinh vật ở pha này là 0,86. Nồng độ muối trong thực phẩm 3 - 5% làm chậm sự phát triển của vi sinh vật, 10 - 12% hầu như tất cả hoạt động sống của vi sinh vật ngừng lại. Tuy nhiên một số vi sinh vật có thể sinh trưởng được trong nồng độ muối cao hơn. Một số vi sinh vật có thể phát triển trong môi trường có aw rất thấp, người ta gọi chúng là các vi sinh vật chịu áp (osmophiles). Ví dụ: Saccharomyces rouxii: aw=0,85 Saccharomyces bailii: aw=0,80 Penicillium: aw=0,80 Haloacterium = Halococcus: aw = 0,75 (vi sinh vật ưa mặn) Xeromyces bisporus: aw = 0,70 (vi sinh vật ưa khô). Sự giảm aw ảnh hưởng gì đến đường cong sinh trưởng? − Làm chậm tốc độ sinh trưởng − Làm kéo dài pha lag − Làm giảm sinh khối, kích thước tế bào ở pha ổn định − Làm tế bào chết nhanh hơn ở pha suy vong aw và sự bảo quản thực phẩm: Việc giảm aw trong thực phẩm là một trong những phương pháp bảo quản thực phẩm quan trọng và lâu đời nhất. Làm giảm hoạt tính nước trong thực phẩm ảnh hưởng đến sự phát triển của vài loại vi sinh vật hiện diện trong nguyên liệu thô hay xâm nhập vào trong suốt quá trình chế biến gây hư hỏng hay ngộ độc thực phẩm. Chất hút ẩm là chất có thể tan được trong nước được cho thêm vào thực phẩm để làm giảm aw. Mặc dù giống như chất bảo quản nhưng chất hút ẩm không hấp thu vào cơ thể con người và vì vậy chúng không có giá trị dinh dưỡng. Ví dụ sorbitol được thêm vào như một chất hút ẩm để phòng bệnh đái đường hay làm giảm độ ngọt của mứt dẻo. Các phương pháp bảo quản có liên quan đến aw của thực phẩm là: − Sấy khô, phơi khô để làm giảm độ ẩm nguyên liệu. Có thể sấy thực phẩm bằng ánh sáng mặt trời, máy sấy khô, máy làm đông khô. 36
37. − Thêm muối: nồng độ muối trong sản phẩm 3 – 5% làm chậm sự phát triển của vi sinh vật. Đa số vi sinh vật gây thối bị ức chế ở nồng độ muối 10 – 12%. Muối thịt: 30% muối, dưa chuột muối: 15% muối, cá: 20% muối. − Thêm đường, khi ướp đường để bảo quản thực phẩm thì cần nồng độ cao hơn muối, khoảng 60 - 70% mới có thể hạn chế được hoạt động của vi sinh vật. Tuy nhiên vẫn có một số nấm mốc vẫn phát triển được ở nồng độ đường 70 – 80%. Chúng có thể gây hư hỏng mật, mứt. Nồng độ đường cao chỉ sử dụng trong sản xuất kẹo, mứt. Nhưng trong sản xuất hoa quả đồ hộp, độ đường thường chỉ từ 20 – 30%. Để bảo quản tốt thường phải khử trùng sản phẩm ở nhiệt độ thích hợp sau khi đã đóng trong hộp kín. − Sấy thăng hoa là phương pháp sấy hiện đại làm giảm độ ẩm của nguyên liệu mà không ảnh hưởng nhiều đến chất lượng thực phẩm. − Đông lạnh: tinh thể hóa nước tự do trong thực phẩm làm cho vi sinh vật không thể hấp thụ. III.1.3. Ảnh hưởng của oxy Sự phản ứng của vi sinh vật đối với oxy: Các vi sinh vật sẽ thay đổi nhu cầu và phản ứng của chúng đối với oxy và khi có sự hiện diện của oxy trong môi trường. Môi trường có sự hiện diện của oxy là môi trường hiếu khí, không có oxy là môi trường kỵ khí. Các nhóm vi sinh vật sau được phân lập theo từng loại đối với sự hiện diện của oxy trong môi trường: − Vi sinh vật hiếu khí bắt buộc: những vi sinh vật này cần oxy. Hầu hết các loại nấm, tảo, nhiểu loại vi khuẩn, nguyên sinh động vật thuộc nhóm này. Các loài hiếu khí bắt buộc quan trọng được tìm thấy trong thực phẩm là: Pseudomonas fluorescens, nấm mốc Penicillium spp và một số loại nấm men: Pichita spp. − Hiếu khí bắt buộc có giới hạn: giống như hiếu khí bắt buộc sinh vật cần oxy cho sự sống nhưng không thể phát triển ở nồng độ oxy là 20%. Ví dụ như Campylobacter spp sẽ phát triển ở nồng độ oxy từ 1 – 10%, tối thích là 6%, nồng độ oxy trên 10% thì nó không thể sống được. − Vi sinh vật kỵ khí tùy ý: những vi sinh vật này có thể phát triển được trên môi trường có hoặc không có oxy. Năng lượng và chất hữu cơ trung gian được giải phóng ít hơn so với sinh vật hô hấp hiếu khí. Một loài vi sinh vật được biết đến nhiều nhất là nấm men Saccharomyces cerevisiae, khi có oxy chúng sẽ phân giải glucose tạo ra ATP, khi không có oxy chúng sẽ sản xuất rượu ethanol. Nhiều vi khuẩn và nấm men quan trọng trong thực phẩm thuộc loại này. − Vi sinh vật kỵ khí bắt buộc: các vi sinh vật loại này sẽ chỉ phát triển trong môi trường không có oxy và giải phóng năng lượng qua con đường lên men. Oxy là chất độc và sẽ làm cho vi sinh vật chết đi. Một vài loài vi 37
38. khuẩn và nguyên sinh động vật thuộc nhóm này, loại quan trọng trong thực phẩm là Clostribium như C. botulinum − Aetolerant: là loại vi sinh vật kỵ khí bắt buộc có thể chịu đựng được một lượng oxy nhất định trong môi trường. Vi khuẩn gây ngộ độc thực phẩm Clostribium perfingens là thuộc loại này. − Vi sinh vật độc lập với oxy: hầu hết vi khuẩn lên men lactic có thể phát triển trong môi trường có hay không có oxy nhưng vẫn sản xuất ra một lượng chất trung gian và năng lượng, và vì vậy chúng được gọi là độc lập với oxy. Đôi khi, vi khuẩn lên men lactic được xem là kỵ khí bắt buộc hay hiếu khí bắt buộc có giới hạn. Thế oxy hóa khử của thực phẩm: Các chất oxy hóa và các chất khử tạo thành thế oxy hóa khử trong môi trường. Thực tế thế oxy hóa khử của thực phẩm phụ thuộc một số nhân tố sau: − Nồng độ oxy trong thực phẩm − Cấu trúc thực phẩm ảnh hưởng đến khả năng xuyên qua thực phẩm của oxy môi trường. − Nồng độ và loại chất biến đổi trong thực phẩm chống lại những thay đổi của sự oxy hóa khử trong thực phẩm − Cách thực phẩm được chế biến − pH của thực phẩm, pH giảm một đơn vị thì điện thế oxy hóa khử tăng 58mV. Bề mặt thực phẩm rắn tiếp xúc với không khí sẽ có thế oxy hóa khử lớn (giá trị dương), trái lại phía bên trong thực phẩm có thế oxy hóa khử nhỏ (giá trị âm). Ví dụ thịt để lâu bề mặt tiếp xúc với không khí bị oxy hóa khử ở điện thế 200mV trái lại bên trong thịt bị oxy hóa khử ở điện thể -150mV. Quá trình chế biến có thể biến đổi thế oxy hóa khử của thực phẩm. Việc băm nhỏ thịt làm gia tăng diện tích bề mặt tiếp xúc làm gia tăng sự oxy hóa khử. Ví dụ: thịt bò băm nhỏ thế oxy hóa khử hoàn toàn ở điện thế 200mV so với bên trong thịt thế oxy hóa khử ở điện thế -150 đến -200mV. Đóng gói có thể ngăn chặn oxy và duy trì sự oxy hóa khử thấp vốn có trong thực phẩm hoặc sản phẩm bởi sự phát triển của vi sinh vật trong môi trường kín. Trường hợp đóng gói bên trong vẫn có thể có khí do sự tích lũy CO2 sinh ra từ sự trao đổi chất của vi sinh vật. Sự phát triển của vi sinh vật trong thực phẩm có liên quan tới thế oxy hóa khử. Vi sinh vật rất nhạy cảm với thế oxy hóa khử trong môi trường mà chúng đang phát triển. Bề mặt của thực phẩm tiếp xúc với không khí sẽ giúp cho sự phát triển của vi sinh vật hiếu khí bắt buộc vi sinh vật kỵ khí tùy ý hoặc vi sinh vật độc lập với không khí. Nấm mốc nói chung chỉ mọc trên bề mặt thực phẩm tiếp xúc với oxy khí quyển, ngoại trừ Rhizopus spp sẽ mọc ở nơi nồng độ oxy thấp nhưng sẽ không hình thành bào tử nếu không tiếp xúc với không khí. Thế oxy hóa khử còn làm thay đổi chiều hướng của các quá trình hóa sinh của vi sinh vật, nhất là loài kỵ khí tùy tiện. Thí dụ: nấm men rượu ở 38
39. môi trường không có oxy tiến hành lên men rượu, trong môi trường có đủ oxy lại tiến hành quá trình oxy hóa và tăng sinh khối. Ứng dụng ảnh hưởng của ảnh hưởng của oxy cũng như thế oxy hóa khử của thực phẩm đối với vi sinh vật mà người ta có những phương pháp chế biến và bảo quản phù hợp. Để phòng tránh những vi sinh vật hiếu khí người ta thường dùng phương pháp bao gói, bao gói chân không và đóng hộp sản phẩm. III.1.4. Ảnh hưởng của thành phần hóa học của thực phẩm Thành phần hóa học của thực phẩm có ảnh hưởng đến sự phát triển của các nhóm vi sinh vật. Ảnh hưởng của các chất dinh dưỡng trong thực phẩm: Để phát triển bình thường vi sinh vật cần một số yếu tố dinh dưỡng trong thực phẩm như: nước, nguồn năng lượng, nguồn nitơ, vitamin và muối khoáng, Vi sinh vật có sự ưa thích khác nhau đối với các loại thực phẩm khác nhau. Nấm mốc có nhu cầu dinh dưỡng ít nhất, tiếp đó là nấm men, vi khuẩn gram âm, sau cùng là vi khuẩn gram dương. Từ những yếu tố trên người ta phân loại thực phẩm ra làm 2 loại: Vi sinh vật thích (thực phẩm dễ hư): đạm ở hàm lượng cao, ít axit, đường và chất béo ở hàm lượng thấp, nước. Vi sinh vật kỵ (thực phẩm khó hư): đường, muối, mỡ chiếm tỷ lệ cao, cồn, hóa chất diệt khuẩn (thuốc trừ sâu, kháng sinh ở dạng dư lượng). Nói tóm lại là các thực phẩm quá ngọt, quá mặn, quá chua, quá khô. Ví dụ: − Thực phẩm giàu đạm (thịt cá tươi) có aw = 0,99 thường bị hư hỏng bởi vi khuẩn − Thực phẩm giàu vitamin, đạm là môi trường tốt cho các vi khuẩn gây bệnh, vi khuẩn lactic. − Thực phẩm giàu đường bột có aw = 0,8 thường bị hư hỏng bởi nấm mốc. Dựa vào đặc tính dinh dưỡng của từng loại thực phẩm mà ta có các phương pháp bảo quản thích hợp. Ảnh hưởng của các chất ức chế trong thực phẩm Các chất độc hóa học có khả năng tiêu diệt hoặc ức chế hoạt động của các vi sinh vật. Chúng có ý nghĩa rất lớn trong công nghiệp thực phẩm. Các chất hóa học này có 2 nguồn gốc: − Có thể có sẵn một cách tự nhiên trong thực phẩm, thí dụ: tannin, acid hữu cơ trong trái cây còn xanh, chất lyzozym trong lòng trắng trứng, kháng thể có trong sữa non, chất HCN có trong khoai mì, chất kháng khuẩn hay là các sản phẩm trao đổi chất của vi sinh vật − Có thể do con người chủ ý hay vô tình cho vào trong thực phẩm: chất bảo quản thực phẩm, chất bảo vệ thực vật, các kim loại nặng Cơ chế tác dụng của chúng lên vi sinh vật nói chung không đồng nhất, phụ thuộc vào bản chất hóa học của chất đó cũng như từng loại vi sinh vật. 39
40. − Ester, alcol, dung dịch kiềm yếu có tác dụng làm tan chất lipoit có trong thành phần tế bào. − Muối kim loại nặng, kiềm, axit, phormalin làm đông tụ protein, làm thay đổi thành phần nguyên sinh chất của tế bào vi sinh vật. − Axit nitric, clo, bột clo, kali permanganate các chất hữu cơ oxy hóa mạnh có khả năng phá hủy hẳn tế bào vi sinh vật, còn các chất khác như glyxeryl, nồng độ muối, nồng độ đường cao gây áp suất thẩm thấu. Ứng dụng: trong bảo quản thực phẩm người ta thường bổ sung vào thực phẩm các hóa chất sau: - Chất hóa học vô cơ: gồm chủ yếu các axit vô cơ và muối của chúng, chất kiềm và các muối kiềm, kim loại, halogen, peroxit và các khí. Các loại axit vô cơ và các muối của chúng thường dùng gồm có: NaCl (muối ăn), hypoclorit, nitrat, nitrit, sunfit và axit sunfuric, axit boric và borat, - Các chất hóa học hữu cơ gồm có các axit hữu cơ và các muối của chúng: axit citric, axit lactic, axit axetic, axit benzoic (natri benzoate), axit salixilic và salixilat, axit socbic, các loại đường như glucoza, saccaroza, các loại cồn như cồn etylic, propylenglycol, kháng sinh tố như oreomyxin (clotetraxiclin), teramyxin (oxytetraxyclin), cloromyxetin (cloramphenicol), khói củi và gia vị Ví dụ: - Nitrat, nitrit được dùng để bảo quản thịt, cố định màu đỏ cho thịt trong sản xuất lạp xưởng mà người ta ưa thích, chúng có thể có tác dụng kiềm chế vi khuẩn trong dung dịch axit, đặc biệt đối với vi khuẩn yếm khí. - Axit benzoic được dùng dưới dạng natri benzoate để bảo quản nước ép quả chua làm ngừng sự lên men. Axit benzoic là chất sát trùng mạnh đối với nấm men và nấm mốc và có tác dụng yếu đối với vi khuẩn. - Axit sorbic được dùng để kiềm chế nấm trong bánh mì và phomat. - Dùng khói củi để hun thực phẩm thịt, cá vừa để thêm mùi vị mong muốn vừa để bảo quản hay hỗ trợ bảo quản. Do khói củi chứa một lượng lớn các hợp chất bay hơi có tác dụng ức chế vi khuẩn và diệt khuẩn gồm có formon và các andehyt khác, các axit hữu cơ, cồn, - Gia vị không có tác dụng ức chế vi khuẩn ở liều lượng thường dùng trong thực phẩm nhưng có thể hỗ trợ các chất và tác nhân sát trùng khác trong việc ức chế sự phát triển của vi sinh vật trong thực phẩm. Các gia vị thường sử dụng là: húng lìu (gồm 4 loại gia vị là quế chi, đinh hương, hồi hương và thảo quả) để làm lạp xưởng, ngoài ra còn có bột ngọt (natri glutamate), tỏi, hành Ngoài ra các yếu tố trên ra thì cấu trúc vật lý của thực phẩm cũng như trạng thái sinh lý của thực phẩm cũng có ảnh hưởng rất lớn đến sự phát triển của vi sinh vật gây hư hỏng thực phẩm. Cấu trúc vật lý của thực phẩm như trạng thái cứng mềm, vỏ dày, mỏng cũng là một yếu tố quan trọng trong việc bảo quản chống lại các vi sinh vật gây hại mà các nhà chế biến bảo quản cần quan tâm. 40
41. Ví dụ − Trái cây có vỏ cứng (táo, sầu riêng, dừa, ) lâu hư do vi sinh vật hơn trái cây có vỏ quả mềm (cà chua, nho, dâu, ) − Thịt gia súc lâu hư hơn thịt cá do cấu trúc sợi cơ và hàm lượng nước trong cá cao hơn − Giáp xác có vỏ cứng thịt lâu hư hơn, thịt tôm phần thân lâu hư trừ phần đầu dễ hư do có nội tạng ở đầu và vỏ ở phần đầu lỏng lẻo hơn. − Cá thân tròn mau ươn hơn cá thân dẹt − Cá có vảy lâu ươn hơn cá không vảy Ảnh hưởng của trạng thái sinh lý của động vật: Thịt gia súc, thịt cá bị stress trước khi giết mổ mau hư hơn lý do là do lượng glycogen bị tiêu hao nhiều, hàm lượng axit lactic sinh ra ít hơn hiện tượng co cứng cơ kéo dài ngắn hơn, pH axit của thịt, cá không hạ thấp làm cho thực phẩm dễ bị vi sinh vật tấn công. Gia súc, gia cầm, nhịn đói trước khi bị giết có thịt chất lượng hơn vì thế bảo quản được lâu hơn. Lí do nội tạng không còn thức ăn nên ít vi sinh vật hơn, khi giết mổ hạn chế được một phần vi sinh vật trong nội tạng nhiễm vào cơ thịt (trường hợp bị vỡ ruột). III.2. Nhóm các yếu tố ngoại sinh Nhóm các yếu tố bên ngoài nguyên liệu và sản phẩm thực phẩm bao gồm tất cả các yếu tố môi trường không phải nằm trong nguyên liệu và sản phẩm mà là bên ngoài có ảnh hưởng đến sự phát triển của vi sinh vật. Các yếu tố đó bao gồm: − Nhiệt độ bảo quản thực phẩm − Độ ẩm môi trường liên quan − Ánh sáng − Sự có mặt của các loại khí − Sự có mặt và sự hoạt động của các vi sinh vật khác III.2.1. Nhiệt độ môi trường Mỗi một vi sinh vật có khả năng phát triển trong một khoảng nhiệt độ nhất định. Ngoài khoảng nhiệt độ đó ra vi sinh vật sẽ bị ức chế. Theo mức độ chịu nhiệt của chúng mà người ta có một số khái niệm như sau: - Nhiệt độ tối ưu: là nhiệt độ ở đó vi sinh vật phát triển thuận lợi nhất - Nhiệt độ tối thiểu: nhiệt độ thấp nhất mà vi sinh vật vẫn tồn tại và phát triển nhưng rất yếu. - Nhiệt độ tối đa: là nhiệt độ giới hạn tối đa, nếu quá giới hạn đó thì vi sinh vật sẽ bị tiêu diệt. Theo quan hệ của vi sinh vật với nhiệt độ người ta phân vi sinh vật ra làm ba nhóm: − Nhóm ưa nóng (thermophiles) có thể tìm thấy ở bất cứ nơi nào có nhiệt độ cao: suối nước nóng, nước ở cửa biển nơi nhiệt độ có thể lên tới 100oC. Một vài thermophiles quan trọng trong thực phẩm như: Bacillus 41
42. stearothermophilus, Clostridium thermosaccharoliticum, là vi khuẩn gây hư hỏng thực phẩm đóng hộp ở nhiệt độ cao. − Nhóm ưa ấm (Mesophiles) Đại diện là vi khuẩn, nấm men và nấm mốc. Hầu hết vi sinh vật gây bệnh và ngộ độc thực phẩm là mesophile. Ví dụ: Samonella, Staphylococcus, Clostridium, − Nhóm ưa lạnh (Psychrophiles). Trong nhóm ưa lạnh lại được chia thành hai nhóm nhỏ là nhóm ưa lạnh bắt buộc (obligate psychrophiles) và nhóm ưa lạnh không bắt buộc (facultative psychrophiles). o Nhóm ưa lạnh bắt buộc có mặt ở vùng Bắc và Nam cực và những vùng đất quanh năm lạnh giá. o Nhóm ưa lạnh không bắt buộc (tùy ý) có khả năng phát triển ở nhiệt độ thấp và nhiệt độ tương đối cao. Nhiệt độ thấp nhất mà vi khuẩn có thể phát triển bình thường là -12oC, tối ưu là 25 -30oC, tối đa là 30 - 42oC. Chúng gồm một số vi khuẩn, nấm men và nấm mốc. Đây là nhóm gây hư hỏng thực phẩm đóng hộp ở nhiệt độ đông lạnh, hoặc thực phẩm trong tủ lạnh (từ -1 – 5 hoặc 7oC). Ví dụ: Yersinia enterocolitica, Listeria monocytogenes, Clostridium botulinum E Bảng VI.3. phân loại vi sinh vật theo ảnh hưởng của nhiệt độ o o o Stt Nhóm vi sinh vật Ttối thiểu C Ttối thích C Ttối đa C 1 Ưa nóng 40 – 45 55 - 85 >100 2 Ưa ấm 5 -15 30 – 40 40 – 47 3 Ưa lạnh 3.1 Ưa lạnh bắt buộc -5 – 5 12 -15 15-20 3.2 Ưa lạnh không bắt buộc -5 – 5 25 – 30 30 -35 Nhiệt độ thường gây cho vi sinh vật những chiều hướng sau: - Đối với nhiệt độ thấp thường không gây chết vi sinh vật ngay mà nó tác động lên khả năng chuyển hóa các hợp chất, làm ức chế hoạt động của enzyme làm thay đổi khả năng trao đổi chất của chúng, vì thế làm cho vi sinh vật mất khả năng phát triển và sinh sản. Nhiều trường hợp vi sinh vật sẽ chết. Khả năng gây chết của chúng hết sức từ từ chứ không đột ngột như nhiệt độ cao. Dựa vào đặc tính này người ta tiến hành cất giữ thực phẩm ở nhiệt độ thấp như làm lạnh, ướp lạnh, ướp đông. - Đối với nhiệt độ cao: thường gây chết vi sinh vật một cách nhanh chóng. Đa số vi sinh vật chết ở nhiệt độ 60 – 80oC. Một số chết ở nhiệt độ cao hơn. Đặc biệt bào tử của vi sinh vật có thể tồn tại ở nhiệt độ lớn hơn 100oC. Nhiệt độ cao thường gây biến tính protit, làm hệ enzyme lập tức không hoạt động được, vi sinh vật dễ dàng bị tiêu diệt. Lợi dụng đặc điểm này người ta tiến hành các phương pháp sấy khô thực phẩm, phương pháp thanh trùng như thanh trùng Pasteur, tiệt trùng Tyndal, đun sôi, khử trùng đồ hộp ở nhiệt độ cao áp suất cao 42
43. III.2.2. Ảnh hưởng của độ ẩm không khí Độ ẩm không khí có ảnh hưởng đến hoạt độ của nước aw trong thực phẩm theo định luật Raoult. Vì vậy độ ẩm không khí có ảnh hưởng đến sự phát triển của các hệ vi sinh vật trên thực phẩm. aw x 100 = EHR% Hơi nước trong không khí và nước hoạt động trong thực phẩm có khuynh hướng di chuyển qua lại để đạt đến sự cân bằng trên. Ví dụ: Thịt tươi có aw= 0,99 để trong môi trường có không khí khô hanh có EHR= 80%, bề mặt thịt khô hạn sẽ hạn chế sự phát triển của vi khuẩn, nhưng tạo điều kiện tốt cho nấm mốc phát triển. Đường được sấy khô có aw< 0,6 nhưng để trong điều kiện không khí bão hòa hơi nước có EHR= 90%, đường sẽ hút nước trong không khí và bị chảy, tạo điều kiện cho nấm men phát triển. Tương tự, ngũ cốc được sấy khô nhưng bảo quản trong điều kiện kho chứa ẩm ướt thì dễ phát sinh nấm mốc. Lợi dụng đặc điểm này người ta tiến hành những phương pháp sấy khô, phơi khô để làm giảm độ ẩm nguyên liệu, độ ẩm không khí để hạn chế sự phát triển của vi sinh vật hay để những vật liệu cần bảo quản ở điều kiện khô ráo cho vi sinh vật ít phá hoại. III.2.3. Ảnh hưởng của ánh sáng Ánh sáng mặt trời có tác dụng trực tiếp đối với đại đa số vi sinh vật (trừ vi sinh vật quang tổng hợp phát triển tốt ngoài ánh sáng). Ánh sáng trực tiếp tiêu diệt vi sinh vật sau vài phút hay vài giờ. Ánh sáng khuếch tán ức chế một số vi sinh vật, nó chỉ gây chết khi tác dụng kéo dài. Các loài vi sinh vật khác nhau chịu tác dụng của ánh sáng khác nhau. Vi khuẩn gây bệnh nhạy cảm với ánh sáng: trực khuẩn lao chết sau 20 – 30 phút ngoài ánh sáng. Phần có tác dụng mạnh với vi sinh vật là tia tử ngoại. Tất cả các tia tử ngoại có bước sóng 2000 – 3000 Ao đều có tác dụng sát trùng, nhưng có hiệu quả nhất là bước sóng 2650 – 2660 Ao. Tia tử ngoại có tác dụng làm phân hủy một số chất hữu cơ trong tế bào, làm đông tụ protit, làm mất hoạt tính enzyme phá hủy tế bào vi sinh vật. Tuy nhiên với một lượng nào đó tia này có thể tác dụng lên bộ gen làm ảnh hưởng đến tính di truyền và gây biến đổi. Bào tử của vi khuẩn, nấm cũng bị tiêu diệt bởi tia tử ngoại nhưng sức chịu đựng của bào tử cao hơn. Muốn tiêu diệt bào tử phải tăng liều lượng lên gấp 4 – 5 lần so với thể sinh dưỡng. Tia hồng ngoại ít có tác dụng với vi sinh vật, chỉ làm tăng nhiệt độ môi trường và thường dùng để sấy khô sản phẩm. Từ lâu nhân dân đã biết dùng ánh sáng mặt trời để khử trùng thực phẩm, đồ dùng bằng cách đem phơi ngoài nắng và mở cửa cho ánh sáng lọt vào nhà. Ngày nay người ta thường sử dụng đèn tử ngoại để khử trùng không khí, thanh trùng thực phẩm, nước uống, bao bì, thiết bị, Ngoài ra, vi sóng cũng được dùng để thanh trùng thực phẩm trong công nghệ đồ hộp các loại thực phẩm hoa quả (vi sóng có thể đi qua thủy tinh nhưng không thể đi qua kim loại). 43
44. III.2.4. Ảnh hưởng của siêu âm Siêu âm được tạo thành do những dao động có tần số cao trên 200000 dao động/giây (héc), siêu âm tác dụng mạnh lên tế bào vi sinh vật. Nhiều vi sinh vật bị chết chỉ sau khi bị tác dụng của siêu âm trong 1 phút. Siêu âm gây nên những chấn động trong dung dịch làm vi sinh vật bị ép và va chạm mạnh có thể làm vỡ vỏ tế bào đồng thời tạo nên trong môi trường những chất độc đối với vi sinh vật như H2O2, nitơ oxit. Siêu âm còn tạo nên những bọt khí hòa tan trong nguyên sinh chất và môi trường làm ảnh hưởng lớn đến hoạt động của vi sinh vật. Hiện nay người ta đã ứng dụng ảnh hưởng này của siêu âm trong thanh trùng nước uống, rượu, nước giải khát III.2.5. Thành phần khí quyển Thực phẩm được bảo quản trong môi trường chân không sẽ ức chế sự phát triển của nấm mốc và các vi sinh vật hiếu khí bắt buộc. Đã có nhiều nghiên cứu về việc kết hợp giữa tồn trữ lạnh rau quả với việc điều chỉnh không khí trong phòng tồn trữ. Sự kiểm soát này bao gồm sự điều chỉnh đơn thuần nồng độ oxy, và khí trong không khí hoặc có thể bao gồm sự bổ sung hoặc bớt lại khí CO2 hay O2 hoặc bổ sung thêm ozone. Kiểm soát khí (CA: control atmosphere) biểu hiện sự thay đổi của nhiều loại khí khác với nồng độ không khí bình thường. Thông thường điều này được thực hiện bằng cách tăng nồng độ CO2 hay giảm nồng độ O2. Một thuật ngữ liên hệ đến sự thay đổi thành phần khí trong không khí (MA: modify atmosphere). Phương pháp MAP (modify atmosphere packing) là phương pháp đóng gói thực phẩm trong bao PE có chứa thành phần hỗn hợp các khí (CO2+ N2+O2) hạn chế sự phát triển của vi sinh vật hiếu khí, nấm mốc. III.2.5. Ảnh hưởng qua lại của hệ vi sinh vật hiện diện trong thực phẩm Thực phẩm tươi thường bị nhiễm một hỗn hợp các vi sinh vật bao gồm cả vi sinh vật tự nhiên có nguồn gốc động vật hay thực vật và kể cả sự lây nhiễm từ môi trường. Trong khi phát triển ở thực phẩm, các loài vi sinh vật không chỉ tác động với nhau theo kiểu cộng sinh mà còn theo kiểu cạnh tranh, hiện tượng này luôn xảy ra, đan chéo vào nhau tạo ra một bức tranh sinh thái phong phú và còn được gọi là hiện tượng giao thoa vi sinh vật. Ứng dụng trong công nghệ thực phẩm: − Vi khuẩn lactic sản sinh ra acid lactic trong sữa ngăn chặn sự phát triển của các vi khuẩn gây hư hỏng sữa và gây bệnh − Nấm men hiện diện trong hạt Kefir sẽ cung cấp vitamin B kích thích sự tăng trưởng của vi khuẩn lactic − Vi sinh vật có thể cho thấy sự tương tác hỗ trợ khi có sự kích thích phát triển qua lại và hiệu quả của hoạt động chung của 2 vi sinh vật được tăng cường. Điều này xảy ra trong việc lên men yoghourt trong đó sự tương tác giữa Streptococcus salivarius spp thermophilus và Lactobacillus delbreukii spp bulgaricus. 44
45. III.3. Tác động qua lại của các yếu tố trong thực phẩm: Trong thực phẩm các yếu tố không tác động độc lập lên vi sinh vật. Chúng luôn luôn tương tác lẫn nhau. Điều này làm tăng hiệu quả ức chế vi sinh vật của các yếu tố giới hạn (tối thiểu và tối đa). Các nhân tố ảnh hưởng đến sự tăng trưởng của vi sinh vật như độ ẩm, nhiệt độ, pH, thế oxy hóa khử, có tác động hỗ trợ nhau. Ví dụ 1: dòng vi khuẩn Clostridium botolinum phân giải protein, có thể phát triển trong môi trường có chứa NaCl lên tới 10%, trong điều kiện thực phẩm có pH tối ưu là 7,2 và nhiệt độ tối ưu là 35oC. Nếu giảm pH xuống còn 5,2 thì nồng độ NaCl tối đa chỉ còn 5%. Ví dụ 2: hoạt độ nước tối thiểu của vi khuẩn Staphylococcus aureus là 0,86 trong điều kiện hiếu khí, nhưng trong điều kiện kỵ khí là 0,90. Mỗi một tham số của yếu tố thực phẩm thay đổi xa giá trị tối ưu sẽ trở thành một rào cản làm chậm sự phát triển của vi sinh vật và gia tăng thời gian bảo quản thực phẩm. Vì vậy sự kết hợp của các rào cản sẽ thật sự ngăn chặn tốc độ phát triển của vi sinh vật và kéo dài thời gian bảo quản của thực phẩm hơn nhưng không làm thay đổi nhiều các tính chất hóa lý khi phải xử lý nhiệt hay ướp muối với nồng độ quá cao. Khái niệm rào cản là rất quan trọng đối với hệ thống bảo quản được sử dụng trong thực phẩm, sự tác động qua lại của các tham số tăng trưởng sẽ có liên quan đến sự chậm đi hoặc ngăn ngừa sự hư hỏng và sự phát triển của vi sinh vật gây ngộ độc thực phẩm. Hệ thống bảo quản có sử dụng chất hóa học thì sự ảnh hưởng qua lại sẽ liên quan đến: chất bảo quản, pH, aw, nhiệt độ. Để xác định liệu một loài vi sinh vật có đặc biệt phát triển hay không. Chất bảo quản sẽ trở thành 1 rào cản được tăng cường đối với sự phát triển của bất cứ sinh vật nào hiện diện trong thực phẩm. Tài liệu tham khảo: 1. Lương Đức Phẩm – Vi sinh vật học và vệ sinh an toàn thực phẩm – NXB Nông nghiệp Hà Nội. 2. M. R. ADAMS , M. O. MOSS - Microbiology of food Câu hỏi ôn tập chương III: 1. Thế nào là các nhân tố nội sinh, ngoại sinh? 2. Ảnh hưởng của các nhân tố nội sinh lên vi sinh vật? ứng dụng của chúng trong chế biển và bảo quản thực phẩm? 3. Ảnh hưởng của các nhân tố nội sinh lên vi sinh vật? ứng dụng của chúng trong chế biến và bảo quản thực phẩm? 4. Rào cản là gì? Tác dộng qua lại của các yếu tố trong thực phẩm và ứng dụng của chúng trong chế biến và bảo quản thực phẩm? 45