Chương 1. Khái quát về lên men thực phẩm Chương 2. Công nghệ sản xuất thực phẩm lên men từ ngũ cốc Chương 3. Công nghệ sản xuất thực phẩm lên men từ rau quả Chương 4.
Công nghệ sản xuất thực phẩm lên men từ thịt, cá Chương 5. Công nghệ sản xuất thực phẩm lên men từ sữa Chương 6. Công nghệ sản xuất thức uống lên men Chương 7. Công nghệ sản xuất một số thực phẩm lên men khác Để hoàn thiện giáo trình này chúng tôi đã nhận đƣợc hợp tác, giúp đỡ, đóng góp ý kiến của Dự án KHCNNN – Bộ NN&PTNT; Ban Giám Hiệu và các thầy cô giáo Trƣờng Cao đẳng Lƣơng thực Thực phẩm; các Giáo sƣ, Phó giáo sƣ, các Nhà khoa học, các cơ sở sản xuất kinh doanh, các cán bộ kỹ thuật, chúng tôi xin gửi lời cảm ơn tất cả sự giúp đỡ quí báu đó.
Trong quá trình biên soạn giáo trình, không tránh khỏi thiếu sót. Chúng tôi mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp của ngƣời học, ngƣời dạy và bạn đọc, để tiếp tục hoàn chỉnh cho lần biên soạn sau đƣợc tốt hơn. NHÓM TÁC GIẢ 6 DANH MỤC CHỮ VÀ KÝ HIỆU VIẾT TẮT ADY (Active dry yeast): Men khô hoạt hóa Ala: Alanine Arg: Arginine Asn: Asparagine Asp: Aspatic acid ATP: Adenosin triphosphat Cys: Cysteine DE: Chỉ số đƣơng lƣợng dextrose EMP: Embden-Meyerhof-Parnas GDL: Glucono delta-lacton Glu: Glutamine Gly: Glycine HADY (High activity dry yeast): Men khô hoạt lực cao His: Histidine IADY (Instant Active Dry Yeast): Men khô hoạt động ngay Ile: Isoleucine Leu: Leucine Lys: Lysine Met: Methionine MSG: Monosodium glutamate Phe: Phenylalanine Pro: Proline Ser: Serine SKL/1ml: Số khuẩn lạc/1ml TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam Thr: Threonine Trp: Tryptophan Tyr: Tyrosine Val: Valine VSV: Vi sinh vật 7 Chƣơng 1. KHÁI QUÁT VỀ LÊN MEN THƢ̣C PHẨM Trong những thập niên 1960 và 1970, công nghệ lên men đã phát triển thành một ngành công nghiệp lớn trên thế giới.
Trong công nghệ thực phẩm, quá trình lên men đƣợc ứng dụng để sản xuất ra nhiều loại thực phẩm phổ biến nhƣ: rƣợu, bia, nƣớc giải khát, yoghurt, phomat, mì chính, nƣớc mắm, các sản phẩm lên men truyền thống, … Thực phẩm lên men đƣợc sản xuất, không những làm phong phú, đa dạng sản phẩm mà còn mang đến cho con ngƣời nhiều lợi ích quí báu. Chƣơng này tóm tắt một cách khái quát về công nghệ lên men và các quá trình lên men chủ yếu trong chế biến thực phẩm, chẳng hạn nhƣ: lên men ethanol, lên men lactic, lên men propionic, lên men acetic, lên men butyric,… Với những nội dung đó, giúp cho ngƣời học dễ dàng liên kết những kiến thức cơ bản của công nghệ lên men, với những kiến thức chuyên ngành về công nghệ sản xuất các sản phẩm thực phẩm bằng phƣơng pháp lên men (đƣợc trình bày ở các chƣơng sau). GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÊN MEN Thuật ngữ fermentation (lên men) từ tiếng Latinh fervere có nghĩa là làm chín, dùng để diễn tả hoạt động của nấm men trong dịch chiết trái cây hay dịch đƣờng hóa ngũ cốc.Pasteur đã gọi sự lên men là sự sống thiếu không khí. Tuy nhiên, thuật ngữ lên men đến nay đƣợc hiểu là tất cả các quá trình biến đổi do vi sinh vật (VSV) thực hiện trong điều kiện yếm khí hay hiếu khí.
Khái niệm lên men (fermentation) có thể đƣợc hiểu theo các nghĩ a khác nhau: - Trong lĩ nh vƣ̣c vi sinh vật học : trƣớc đây lên men đƣợc hiểu là quá trình sinh tổng hợp năng lƣợng (ATP) ở tế bào sinh vật từ các hợp chất hữu cơ trong điều kiện không có oxy. Gần đây , ngƣời ta cho rằng lên men là quá trì nh sinh tổng hợp năng lƣợng ở tế bào không có sƣ̣ tham gia của chuỗi hô hấp. Trên cơ sở đó , một vài quá trình sinh tổng hợp ATP diễn ra trong điều kiện kỵ khí vì có sự tham gia của chuỗi hô hấp nhƣ chuỗi hô hấp nitrate, hô hấp sulfate ở vi khuẩn Pseudomonas, Desulfovibrio… - Trong lĩ nh vƣ̣c công nghệ vi sinh vật (VSV): lên men đƣợc hiểu là quá trì nh chuyển hóa cơ chất của các tế bào VSV kèm theo sƣ̣ phát triển sinh khối và tổng hợ p các sản phẩm trao đổi chất. Tƣ̀ đó , ta có các khái niệm nhƣ lên men hiếu khí nếu nhƣ quá trình nuôi cấy VSV diễn ra trong điều kiện có oxy , và lên men kỵ khí nếu nhƣ quá trình nuôi cấy VSV diễn ra trong điều kiện không có o xy.
- Lên men cũng đƣợc hiểu là sự chuyển hóa carbohydrate và một vài hợp chất hữu cơ khác thành những hợp chất mới dƣới tác dụng của enzyme do vi sinh vật tạo ra. Nhƣ vậy, tác nhân chính của quá trình lên men là các tế bào vi sinh vật, hoặc có thể là enzyme của chúng đã đƣợc chế tạo thành các dạng chế phẩm. Vi sinh vật sử dụng một số con đƣờng trao đổi chất, để chuyển hoá glucose và các đƣờng khác thành sản phẩm trung gian là acid pyruvic. Trong các chu trình chuyển hóa, chu trình Embden-Meyerhof-Parnas (EMP) và đặc biệt là chu trình Krebs có vai trò trọng tâm.
Vì những chu trình này đáp ứng đƣợc các yêu cầu về nguồn năng lƣợng, nguồn carbon và nguồn các chất hữu cơ là những yếu tố rất cần thiết để duy trì các hoạt động sống của tế bào. Acid pyruvic chính là sản phẩm trung gian quan trọng nhất trong quá trình hô hấp hiếu khí cũng nhƣ yếm khí. Sau đó hai quá trình đi theo hai hƣớng khác nhau: - Trong điều kiện hiếu khí, acid pyruvic tiếp tục bị oxy hóa thành CO2 và H2O, ở 8 đây O2 đóng vai trò chất nhận H2 cuối cùng. - Trong điều kiện kỵ khí, acid pyruvic có thể là chất nhận H2 cuối cùng và chuyển thành những hợp chất hữu cơ, là sản phẩm của sự lên men rƣợu, các acid hữu cơ.
CÁC QUÁ TRÌNH LÊN MEN TRONG SẢN XUẤT THỰC PHẨM 2. Quá trình lên men ethanol Lên men ethanol là quá trình phân giải yếm khí đƣờng thành ethanol dƣới tác dụng của VSV. Cơ chế của quá trình lên men ethanol đƣợc mô tả trên hình 1. Cơ chế của quá trình lên men ethanol Phƣơng trình phản ứng tổng quát của quá trình lên men ethanol đƣợc trình bày nhƣ sau: C6H12O6 + 2ADP + 2H3PO4 = 2C2H5OH + 2CO2 + 2ATP + 2H2O Đƣờng cùng với chất dinh dƣỡng khác của môi trƣờng lên men, trƣớc tiên đƣợc hấp thụ trên bề mặt và sau đó khuếch tán qua màng tế bào và vào bên trong tế bào nấm men, sự phân hủy đƣờng thành ethanol trong tế bào nấm men xảy ra hàng loạt các phản ứng với sự tham gia của nhiều loại enzyme khác nhau, bƣớc cuối cùng của quá trình lên men là sự chuyển hóa acid pyruvic thành ethanol và CO2.
Sự chuyển hóa đƣờng hexose thành ethanol và khí CO2 diễn ra trong tế bào chất của nấm men. Đây là quá trình trao đổi năng lƣợng của nấm men trong điều kiện kỵ khí, ethanol và CO2 tạo ra trong tế bào sẽ đƣợc nấm men “thải” vào môi trƣờng lên men. Trong điều kiện hiếu khí, quá trình lên men bị ức chế, khi đó hydro tách ra đƣợc chuyển qua chuỗi hô hấp tới oxy và acid pyruvic, sản phẩm của quá trình đƣờng phân sẽ tiếp tục bị oxy hóa qua nhiều bƣớc trong chu trình Krebs, các cặp hydro tách ra đƣợc chuyển tới oxy. Quá trình này liên hợp với quá trình tạo ATP.
Tùy điều kiện môi trƣờng, sự lên men rƣợu có thể tiến hành theo các kiểu khác nhau. Bên cạnh ethanol và khí CO2, tế bào nấm men còn tổng hợp và “thải” vào dịch hàng trăm sản phẩm phụ và sản phẩm trung gian khác trong quá trình lên men. Những hợp chất này đƣợc tìm thấy trong dịch lên men với hàm lƣợng rất nhỏ, chẳng hạn nhƣ: glycerol cùng các rƣợu bậc cao, aldehyde, acid hữu cơ và ester. Tác nhân VSV của quá trình lên men rƣợu là: nấm men, nấm mốc và vi khuẩn.
Trong đó tác nhân cơ bản là nấm men Saccharomyces cerevisiae - Nấm men: Nấm men là tác nhân cơ bản gây nên quá trình lên men rƣợu, tuy 9 nhiên không phải loài nào cũng lên men đƣờng thành rƣợu đƣợc mà chỉ có một số loài cá khả năng này. Trong sản xuất hiện nay ngƣời ta thƣờng dùng một số loài thuộc họ Saccharomyces cerevisiae. Theo đặc tính lên men ngƣời ta chia nấm men thành hai nhóm: nấm men nổi và nấm men chìm. Nấm men nổi: là những nấm men có cƣờng lực lên men rất nhanh và mạnh.
Nhiệt độ thích hợp cho nấm men sinh trƣởng từ 20÷280C, tốc độ lên men rất lớn, lƣợng đƣờng tiêu thụ nhiều. Do sinh ra nhiều khí CO2 nên các tế bào nấm men ở dƣới sẽ theo CO2 nổi lên bề mặt, vì vậy nấm men hoạt động mạnh hơn và lên men cả các phân tử đƣờng trên bề mặt. Ngƣời ta thƣờng sử dụng để sản xuất ethanol và bánh mì. Tiêu biểu là loài Saccharomyces cerevisiae Nấm men chìm: là những nấm men có cƣờng lực lên men yếu.
Nhiệt độ thích hợp cho nấm men sinh trƣởng từ 5÷100C. Trong quá trình lên men lƣợng khí CO2 tạo ra ít và do nhiệt độ thấp nên nó đƣợc giữ lại trong dung dịch lên men. Sau khi lên men chúng tạo thành cặn dƣới đáy thùng. Quá trình lên men chậm và xảy ra từ từ.
Tiêu biểu là loài Saccharomyces ellipsoideus. Nấm men chìm thƣờng dùng trong sản xuất bia, rƣợu vang, champagne. - Nấm mốc: Nếu sản xuất ethanol từ tinh bột thì phải qua bƣớc đƣờng hóa tức là giai đoạn chuyển tinh bột thành đƣờng. Ngƣời ta thƣờng sử dụng nấm mốc cho giai đoạn này, các loài phổ biến là Aspergillus oryzae, Aspergillus usamii, Aspergillus awamori, Mucor rouxii.
- Vi khuẩn: Một số vi khuẩn có khả năng lên men chuyển hóa đƣờng thành ethanol nhƣ Sasina ventriculi, Zymononas mobylis, ngoài ra còn có vi khuẩn lactic dị hình, vi khuẩn đƣờng ruột hay Clostridium cũng có khả năng lên men đƣờng thành ethanol, butyric. Tuy nhiên trong công nghiệp thực phẩm chủ yếu sử dụng nấm men trong lên men ethanol. Quá trình lên men ethanol đƣợc ứng dụng trong sản xuất ethanol, sản xuất bia, sản xuất rƣợu vang, sản xuất nƣớc giải khát lên men có cồn. Quá trình lên men lactic Lên men lactic là quá trình chuyển hóa yếm khí carbohydrate thành acid lactic nhờ hoạt động sống của VSV, điển hình là vi khuẩn lactic.
Có hai kiểu lên men lactic chính là và lên men lactic đồng hình và lên men lactic dị hình. - Lên men lactic đồng hình: là quá trình lên men do vi khuẩn lactic đồng hình, có khả năng phân hủy đƣờng theo con đƣờng đơn giản tạo nên acid lactic. Lƣợng acid lactic hình thành chiếm 90÷98% trong sản phẩm. Cơ chế của quá trình lên men lactic đồng hình đƣợc trình bày ở hình 1.