mở đầu GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÊN MEN THỰC PHẨM 1. Khái niệm về lên men thực phẩm Lên men thực phẩm là một trong những phƣơng thức chế biến thực phẩm lâu đời nhất. Nhiều loại thực phẩm lên men và đồ uống có cồn đƣợc sản xuất nhờ hệ vi sinh vật có trong tự nhiên hoặc sử dụng giống khởi động đã đƣợc thuần chủng. Hiện nay, trên thế giới có khoảng 5.000 loại thực phẩm và đồ uống lên men.
Các loại thực phẩm và đồ uống lên men truyền thống có nhiều nhất ở Trung Quốc, Ấn Độ, châu Phi và các nƣớc Đông Nam Á. Ngƣời ta ƣớc tính rằng có khoảng 20 % trong số thực phẩm đƣợc tiêu thụ trên thế giới là thực phẩm lên men. Sự lên men thực phẩm chính là quá trình chế biến sinh học thực phẩm bằng cách sử dụng vi sinh vật và enzyme của chúng. Mục đích của quá trình chế biến này là tạo ra những sản phẩm với chất lƣợng mong muốn nhƣ sau: - Tăng sự hấp dẫn của sản phẩm nhƣ cấu trúc, mùi vị… - Tăng giá trị sử dụng nhƣ làm giảm thể tích, kéo dài thời gian bảo quản.
- Tăng tính chất chức năng nhƣ tính an toàn thực phẩm, chức năng probiotic, khả năng tiêu hóa. Về phƣơng diện sinh hóa, sản xuất lên men dựa trên cơ sở hóa sinh các quá trình trao đổi chất của vi sinh vật. Trong đó, các hợp chất hữu cơ, trƣớc hết là đƣờng bị biến đổi dƣới tác dụng xúc tác của enzyme vi sinh vật thành các sản phẩm tích tụ trong môi trƣờng. Tùy tác nhân vi sinh vật gây lên men và điều kiện lên men, sản phẩm tích tụ chiếm ƣu thế trong môi trƣờng có thể là: các dung môi, acid hữu cơ, kháng sinh, vitamin.
Sự lên men trong điều kiện không có sự tham gia của oxy phân tử gọi là lên men yếm khí (ví dụ: lên men rƣợu, lên men lactic, aceton, butanol. Trong quá trình này, chất nhận H cuối cùng là các hợp chất hữu cơ. Còn sự lên men trong điều kiện có oxy phân tử gọi là lên men hiếu khí (ví dụ: lên men acetic, citric. Định nghĩa của quá trình lên men thực phẩm khác nhau theo cách giải thích riêng của các nhà nghiên cứu thực phẩm.
Một số ví dụ đƣợc đƣa ra dƣới đây: - Thực phẩm lên men là những thực phẩm đƣợc lên men cho đến khi ít nhất một trong số các thành phần đã đƣợc chuyển hóa bởi vi sinh vật trong thời gian lên men. Kết quả là các sản phẩm cuối cùng thƣờng trải qua những thay đổi đáng kể về thành 9 phần hóa học cũng nhƣ một số tính chất khác so với ban đầu do những tác động của vi sinh vật và enzyme. - Thực phẩm lên men truyền thống (địa phƣơng) là những thực phẩm có những thay đổi về sinh hóa trong quá trình lên men dƣới tác dụng của vi sinh vật. Những thay đổi này góp phần làm tăng sự hấp dẫn cho thực phẩm thông qua việc tạo ra hƣơng vị, kết cấu thực phẩm cũng nhƣ kéo dài thời gian bảo quản thực phẩm thông qua quá trình lên men lactic, ethanol, kiềm, acetic.
Quá trình lên men thực phẩm còn có tác dụng làm tăng hàm lƣợng protein, acid béo thiết yếu, vitamin, amino acid thiết yếu; giảm thời gian nấu cũng nhƣ nhiên liệu. - Thực phẩm lên men là những thực phẩm đã chịu tác động của vi sinh vật hoặc enzyme dẫn đến những thay đổi sinh hóa mong muốn làm thay đổi thực phẩm một cách đáng kể và có thể đƣợc tiêu thụ trực tiếp. - Đối với dân tộc (chủng tộc), thực phẩm lên men đƣợc sản xuất bởi ngƣời dân tộc bằng kiến thức bản địa của họ. Nguồn nguyên liệu là thực vật hoặc động vật sẵn có tại địa phƣơng.
Tác nhân gây lên men từ tự nhiên hoặc bổ sung giống khởi động của các vi sinh vật chức năng cùng với cơ chất. Sản phẩm lên men này đƣợc sử dụng để bổ sung vào thức ăn của họ phù hợp với văn hóa và xã hội của ngƣời tiêu dùng. Thực phẩm và đồ uống lên men có thể phân loại dựa theo sản phẩm cuối cùng gồm: - Nhóm thực phẩm có vị acid (Acidic in taste). - Nhóm thực phẩm có bản chất kiềm (Alkaline in nature).
- Nhóm thực phẩm có cồn (Alcoholic). Thực phẩm lên men cũng có thể đƣợc phân nhóm dựa vào: - Hình thức lên men: Lên men bề mặt (lên men bán rắn (semi-solid)) và lên men chìm (lên men trong môi trƣờng lỏng). - Sử dụng vi sinh vật: Lên men tự nhiên (sử dụng vi sinh vật trong tự nhiên) và lên men có kiểm soát (sử dụng vi sinh vật đã thuần chủng có thể 1 loài hoặc kết hợp nhiều loài). - Cơ chất sử dụng để lên men nhƣ rau quả, củ, đậu nành, ngũ cốc, sữa, cá, thịt… Dựa vào vi sinh vật gây lên men, trong sản xuất, ngƣời ta phân biệt 3 nhóm lên men cơ bản: - Lên men ứng dụng nấm men nhƣ trong sản xuất rƣợu, glycerol, bia, rƣợu vang, lên men trong sản xuất bánh mỳ.
- Lên men ứng dụng vi khuẩn nhƣ trong acetone, butanol, acid acetic, lactic, butyric. 10 - Lên men ứng dụng nấm mốc nhƣ trong sản xuất acid citric, gluconic, fumaric, penicilin, streptomycin. Bản chất của các quá trình lên men CO2 Chu trình Hexosose Pentoso P Amino acid Acid béo Glycerine Hexoso P Oxaloacetic acid Glycerophosphate Acetoglutaric acid Trioso P Fumaric acid (Từ alanine) CO2 Chu trình Ethanol Krebs Acetyl CoA Pyruvic acid pyruvic Lactate CO2 CO2 Lên men O2 yếm khí 2H FN CoQ Cyt b Cyt c1 Cyt c Cyt a Cyt a3 H2O Sơ đồ 1. Mối tƣơng quan của các đƣờng hƣớng chuyển hoá cơ chất lên men Về bản chất, lên men là quá trình oxy hoá khử sinh học đƣợc tiến hành do hoạt động sống của vi sinh vật dƣới sự xúc tác của enzyme nhằm cung cấp năng lƣợng và các hợp chất trung gian cần thiết cho chúng.
Sơ đồ tóm tắt chuyển hóa của các hợp chất trong tế bào vi sinh vật đƣợc thể hiện trên Sơ đồ 1. Cũng nhƣ trong quá trình oxy hoá khử sinh học ở mọi cơ thể khác, các mạch phản ứng của sự đƣờng phân, chu trình Krebs, chu trình Pentosophosphate là những phản ứng hoá sinh cơ bản nhất của các quá trình lên men ở tế bào vi sinh vật. Khác với các quá trình hô hấp, trong quá trình lên men, hydro (gồm e- và H+) tách khỏi cơ chất đƣợc chuyển tới chất nhận cuối cùng là các hợp chất hữu cơ khác nhau tạo thành các sản phẩm tích tụ trong môi trƣờng. Cơ chế cụ thể cho các quá trình lên men khác nhau sẽ đƣợc trình bày chi tiết ở chƣơng sau.
11 Năng lƣợng giải phóng ra từ sự phân giải các hợp chất hữu cơ trong quá trình sản xuất lên men tuy không nhiều, song đó chính là nguồn năng lƣợng đáp ứng nhu cầu về năng lƣợng cần cho hoạt động sống của vi sinh vật trong các quá trình lên men tƣơng ứng. Điều kiện của các quá trình lên men và tác nhân gây lên men Điều kiện chi tiết cho các quá trình lên men khác nhau là không giống nhau và sẽ đƣợc trình bày một cách cụ thể trong các chƣơng sau. Phần này chỉ trình bày các điều kiện chung nhất cho tất cả các quá trình lên men. Các điều kiện này bao gồm: thành phần môi trƣờng, tác nhân vi sinh vật và các tác nhân khác (nhiệt độ, pH, nồng độ oxy, độ ẩm…).
Thành phần của môi trường Thành phần cơ bản của môi trƣờng lên men là: 3. Carbohydrate Carbohydrate là nguồn dinh dƣỡng quan trọng của vi sinh vật, đóng vai trò chủ chốt trong sự tạo năng lƣợng cho tế bào vi sinh vật. Ngoài ra, nó còn là nguồn cung cấp vật liệu tạo nên các thành viên của tế bào. Trong môi trƣờng lên men, carbohydrate thƣờng đƣợc sử dụng dƣới dạng dịch chiết có đƣờng, mật rỉ hoặc các nguyên liệu và bã thải chứa đƣờng, tinh bột.
Các vật liệu chứa tinh bột thƣờng đƣợc thủy phân thành đƣờng trƣớc khi lên men. Phosphate vô cơ Phosphate vô cơ đóng vai trò quan trọng trong sự trao đổi năng lƣợng. Trong lên men, các muối phosphate vô cơ đƣợc dùng phổ biến là (NH4)3PO4 và K3PO4. Nitơ Nitơ tham gia quá trình tạo protein và nhiều chất có đặc tính sinh học khác của tế bào vi sinh vật.
Trong môi trƣờng lên men, nitơ thƣờng đƣợc dùng dƣới dạng muối nitrat và các hợp chất amoni hoặc một số chất có nguồn gốc vi sinh vật. Vitamin và nguyên tố vi lượng Vitamin và nguyên tố vi lƣợng là các chất sinh trƣởng cần cho hoạt động sống của vi sinh vật. Chúng thƣờng đƣợc sử dụng với lƣợng rất ít nhƣng tác dụng của chúng rất lớn và đa dạng đối sự sống bình thƣờng của vi sinh vật. Tác nhân vi sinh vật gây lên men Vi sinh vật là tác nhân quan trọng đối với quá trình lên men.
Tế bào vi sinh vật có khả năng tổng hợp phức hệ gồm nhiều enzyme khác nhau tùy loại vi sinh vật. Vì vậy, 12 trong sản xuất lên men cần chú trọng chọn chủng vi sinh vật thích hợp cho việc sản xuất từng loại sản phẩm. Yêu cầu chung là chủng vi sinh vật đƣợc sử dụng phải có hoạt lực lớn, ổn định, có khả năng chống chịu cao với sự tạp nhiễm và điều kiện không thích hợp của môi trƣờng. Tác nhân khác Các tác nhân nhƣ độ ẩm, nhiệt độ, độ thoáng khí, thời gian nuôi, pH,.
có ảnh hƣởng lớn tới vi sinh vật và các quá trình trao đổi chất của chúng. Mỗi vi sinh vật sinh trƣởng thích hợp, ở một khoảng pH và nhiệt độ, độ ẩm nhất định. Do đó, tùy đặc tính sinh lý, sinh hòa của vi sinh vật và tùy yêu cầu của sự lên men, cần tạo điều kiện môi trƣờng thích hợp cho từng quá trình lên men. Tuy vậy, điều kiện tối ƣu cho sự sinh trƣởng của từng vi sinh vật có thể không trùng với điều kiện tối ƣu cho từng loại sản phẩm lên men.
Vì vậy, trong từng công nghệ sản xuất lên men, chúng ta cần phải thiết kế công nghệ nhân giống và công nghệ lên men tạo sản phẩm một cách riêng biệt. CÂU HỎI ÔN TẬP Câu 1. Cơ sở phân loại lên men trong thực phẩm. Cơ chế chuyển hóa tổng quát các cơ chất trong tế bào các tác nhân gây lên men.
Điều kiện chung của các quá trình lên men và tác nhân gây lên men. Vai trò của quá trình lên men trong bảo quản và chế biến thực phẩm. 13 PHẦN 1 KỸ THUẬT SẢN XUẤT RƢỢU VANG VÀ MỘT SỐ RƢỢU CAO ĐỘ CHƢƠNG 1 THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA NHO VÀ RƢỢU VANG 1.