CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Tổng quan về nấm trà Kombucha 1. Giới thiệu Trà Kombucha hay còn gọi là trà thủy sâm, trà Mãn Châu là một loại thức uống bổ dưỡng và đã được chứng minh có nhiều công dụng với sức khỏe. Trà Kombucha có vị ngọt thanh, tính chua nhẹ, được thu nhận từ quá trình lên men dịch trà với đường và bổ sung một môi trường cộng sinh của vi khuẩn acetic và nấm men (Dufresne và Farnworth, 2000).
Sau thời gian lên men, Kombucha hình thành nên hai phần riêng biệt: phần nước phía dưới được sử dụng làm nước trà, phần nổi trên bề mặt được gọi là nấm trà (tea fungus, fungal mat) chứa hệ cộng sinh vi sinh vật và có thể được dùng cho mẻ lên men Kombucha tiếp theo (Greenwalt và cộng sự, 2000). Nấm trà Dung dịch trà lên men Hình 1.1: Thành phần nấm trà và chất lỏng lên men của trà Kombucha. 4 do an Khóa luận tốt nghiệp 1. Hệ vi sinh vật trong nấm trà Quá trình lên men dịch trà Kombucha được thực hiện bởi hệ vi sinh vật hiếu khí cộng sinh trên bề mặt (Asai, 1968).
Các loài vi khuẩn và nấm men này sử dụng đường để tạo ra các hợp chất sinh học cũng như hương thơm đặc trưng cho dịch trà Kombucha (Sievers và cộng sự, 1995). Những nghiên cứu về việc phân lập hệ cộng sinh Kombucha đã giúp xác định các loài vi sinh vật có trong lớp màng này. Các vi khuẩn sinh acetic acid và gluconic acid là những vi sinh vật chiếm ưu thế trong Kombucha (Jankovic và cộng sự, 1994). Trong đó, Acetobacter xylinum là loài có sinh khối lớn nhất.
Chúng không những sinh ra acid acetic và acid gluconic mà còn tạo ra cellulose ngoại bào từ các nguồn carbon như ethanol, glucose (Adams, 1985). Thành phần nấm men trong Kombucha thay đổi tùy thuộc vào nguồn gốc của nấm trà, trong đó phổ biến nhất là chủng Saccharomyces (Greenwalt và cộng sự, 2000).1 thể hiện các loài vi sinh vật có trong hệ cộng sinh Kombucha. 5 do an Khóa luận tốt nghiệp Bảng 1.1: Các loài vi sinh vật có trong hệ cộng sinh Kombucha. Loài Tài liệu tham khảo Vi khuẩn Acetobacter xylinum Roussin và cộng sự (1996) Acetobacter aceti Liu và cộng sự (1996) Acetobacter pasteurianus Liu và cộng sự (1996) Gluconobacter Liu và cộng sự (1996) Nấm men Brettanomyces bruxellensis Liu và cộng sự (1996) Brettanomyces intermedius Herrera và Calderon (1989) Candida famata Herrera và Calderon (1989) Mycotorula Jankovic và Stojanovic (1994) Pichia membranaefaciens Herrera và Calderon (1989) Saccharomyces cerevisiae subsp.
aceti Herrera và Calderon (1989) Saccharomyces cerevisiae subsp. cerevisiae Herrera và Calderon (1989), Roussin và cộng sự (1996) Schizosaccharomyces Jankovic và Stojanovic (1994) Torulaspora delbrueckii Herrera và Calderon (1989) Torulopsis Jankovic và Stojanovic (1994) Zygosaccharomyces bailii Liu và cộng sự (1996) Zygosaccharomyces rouzii Herrera và Calderon (1989) 1. Thành phần hóa học và tính chất vật lí của màng nấm a. Thành phần hóa học Thành phần hóa học và nồng độ của các chất có trong màng nấm Kombucha thay đổi tùy vào điều kiện của quá trình lên men như: xuất xứ giống nấm trà (Nguyen và cộng sự, 2015), nồng độ đường và dịch trà (Fu và cộng sự, 2014; Watawana và cộng sự, 2017), thời gian lên men (Chen và Liu, 2000) và nhiệt độ lên men (Jayabalan và cộng sự, 2008; Lončar và cộng sự, 6 do an Khóa luận tốt nghiệp 2006).
Theo nghiên cứu của Murugesan và cộng sự (2005), thành phần hóa học cơ bản của nấm trà Kombucha bao gồm: Bảng 1.2: Thành phần hóa học của màng nấm Kombucha (Murugesan và cộng sự, 2005).03 Các chất trích ly không chứa nitơ 63 0.03 Chất xơ không hòa tan trong acid 398 0.04 Chất xơ không hòa tan trong dung 461 0.02 dịch trung tính Hemicellulose 63 0.03 Năng lượng có thể chuyển hóa (MJ/kg 8.05 chất khô) Hệ vi sinh vật cộng sinh trong màng nấm trà bao gồm nấm men và vi khuẩn, bản thân chúng giúp cung cấp protein thô và các loại acid amin khác nhau; việc sử dụng các chủng vi sinh vật khác nhau sẽ kéo theo sự biến đổi về thành phần cũng như hàm lượng các amino acid có trong màng nấm (Martini và cộng sự, 1979). Hàm lượng chất xơ cao ứng với lượng cellulose do sự tổng hợp từ chủng vi khuẩn acid acetic (Acetobacter sp.) tương tác sinh học với nấm men (Hesseltine, 1965). Chất xơ là thành phần chiếm tỉ trọng lớn nhất trong màng nấm Kombucha bao gồm: xơ thô, các chất xơ không hòa tan trong acid, các chất xơ không hòa tan trong dung dịch trung tính,… (Murugesan và cộng sự, 2005) 7 do an Khóa luận tốt nghiệp b. Tính chất vật lí Các tính chất vật lí đặc trưng Kombucha chủ yếu đến từ thành phần cellulose vi khuẩn (BC).
Cellulose vi khuẩn (C6H10O5)n là một loại polymer dạng thẳng, không phân nhánh bao gồm các D-glucopynanose liên kết với nhau thông qua liên kết -1,4. Loại cellulose này được đánh giá cao hơn so với cellulose thực vật là nhờ vào các thuộc tính như: độ tinh khiết, mức độ polymer hóa, độ bền kéo, độ kết tinh, khả năng giữ nước cao hơn so với cellulose thực vật (Kalia, 2016; George và cộng sự, 2005; White và Brown, 1981).2: Vi khuẩn Gluconacetobacter hình thành các vi sợi cellulose. Cellulose vi khuẩn được cấu tạo từ các vi sợi mỏng hơn 100 lần so với vi sợi của cellulose thực vật (Chawla và cộng sự, 2009). Các vi sợi sẽ đan xen với nhau hình thành các bó cellulose dạng ruy băng có độ dày khoảng 3-4 nm, chiều rộng khoảng 70-130 nm, chiều dài khoảng 1-20 m (Brown và cộng sự, 1976; Zaar, 1977; Yamanaka và Sugiyama, 2000).
Chúng hình thành nên mạng lưới không gian ba chiều được duy trì bởi các liên kết hydro. Các sợi cellulose có khối lượng phân tử khoảng 142.3: Cấu trúc hóa học của cellulose vi khuẩn. Tùy vào môi trường lên men dạng tĩnh hay có khuấy đảo sẽ hình thành ra các loại cellulose có hình thái học khác nhau. Đối với môi trường tĩnh, cellulose sẽ hình thành một lớp màng mỏng nổi trên bề mặt của môi trường nuôi cấy.
Môi trường có khuấy đảo sẽ tạo ra nhiều 8 do an Khóa luận tốt nghiệp hình dạng khác nhau như hình cầu, hình bầu dục, hình chòm sao (stellate) hay dạng sợi tồn tại dưới dạng huyền phù phân tán trong môi trường lên men (Hestrin và Schramm, 1954; Dudman, 1960; Yoshinaga và cộng sự, 1997). Cellulose vi khuẩn là loại vật liệu có độ bền nhiệt cao khi có thể chịu được nhiệt độ tới 300 C. Ngoài ra, khi xử lý vật liệu này với dung dịch kiềm sẽ tăng khả năng chịu nhiệt lên đến khoảng 343-370 C. Không dừng lại ở đó, cellulose vi khuẩn không hòa tan trong hầu hết các loại dung môi trừ các acid đậm đặc như acid sulfuric, acid hydrochloric, acid nitric hoặc dung dịch NaOH 8.
Ứng dụng của nấm trà Ngoài khả năng tạo ra loại thức uống giải khát tốt cho sức khỏe, màng nấm Kombucha với bản chất cellulose vi khuẩn đã được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau (Ullah và cộng sự, 2016). Trong phần tổng hợp này chúng tôi tập trung giới thiệu về các ứng dụng của BC trong thực phẩm vì FDA đã công nhận BC là một loại xơ ăn được và đã được “công nhận an toàn” từ năm 1992 (Ullah và cộng sự, 2016). Các ứng dụng phổ biến nhất của BC trong thực phẩm hiện nay có thể kể đến như: ➢ Món tráng miệng Một trong những ứng dụng nổi bật của BC là sản xuất món tráng miệng của người Philippines được gọi là nata de coco (tại Việt Nam được gọi là thạch dừa) (Chawla và cộng sự, 2009). Món ăn này được tạo thành thông qua quá trình lên men nước dừa với chủng Acetobacter xylinum để tạo thành BC, sau đó BC được cắt thành viên nhỏ và ngâm trong dịch syrup.
Nata de coco đã trở thành món ăn được yêu thích không chỉ ở Philippines mà còn ở nhiều nước trên thế giới. ➢ Phụ gia thực phẩm BC có thể được sử dụng trong công nghiệp thực phẩm để làm chất tạo gel, chất làm dày, chất ổn định,… (Shi và cộng sự, 2014). Một số sản phẩm đã được ứng dụng thành phần này và ghi nhận các kết quả khả quan như sau: - Với vai trò là một chất ổn định, BC giúp duy trì độ ẩm của sản phẩm kem trong vòng một tháng bảo quản. Bên cạnh đó, hình dạng của sản phẩm vẫn giữ nguyên sau khi lấy ra khỏi 9 do an Khóa luận tốt nghiệp tủ đông sau 60 phút khi so sánh với sản phẩm kem không bổ sung BC (Shi và cộng sự, 2014).
- Đậu phụ là sản phẩm có cấu trúc dễ hỏng. Để cải thiện vấn đề trên, Okiyama và Yamanaka (1993) đã bổ sung BC vào đậu phụ với tỉ lệ 0.3 %, kết quả cho thấy rằng độ bền gel của sản phẩm đã tăng lên đáng kể. Tuy nhiên việc bổ sung BC lại làm giảm độ mịn vốn có của đậu phụ và cần thêm nhiều cải tiến hơn nữa để có thể đạt tới chất lượng như mong muốn. - Khi thêm BC vào các loại thức uống từ cacao, chúng giúp ngăn việc hình thành các kết tủa của cacao nhờ vào mạng lưới không gian ba chiều của chúng.
Ngoài ra, quá trình bổ sung này còn giúp tăng khả năng ổn định nhiệt của cacao: sau quá trình tiệt trùng, độ nhớt của sản phẩm không bị thay đổi (Okiyama và Yamanaka, 1993). ➢ Cố định enzyme và tế bào vi sinh vật Với nhu cầu sản xuất thực phẩm và chế phẩm sinh học ngày càng lớn thì việc sử dụng các kĩ thuật hiện đại như cố định enzyme và tế bào vi sinh vật trở nên vô cùng quan trọng. Việc sử dụng BC được đánh giá là có nhiều ưu điểm hơn so với các loại chất mang khác dựa trên các thuộc tính hóa học, vật lý nổi trội và đặc biệt là tính thân thiện đối với thực phẩm. Nguyen và Tran (2014) đã sử dụng cellulose vi khuẩn để cố định Corynebacterium glutamicum nhằm mục đích sản xuất lysine.
Kết quả cố định cho thấy hiệu suất tạo thành lysine của tế bào cố định đạt 0.h cao hơn so với sử dụng tế bào tự do. Bên cạnh đó khả năng tái sử dụng tế bào cố định là 8 lần mà vẫn duy trì được 95% hiệu suất ban đầu. Khorasani và Shojaosadati (2016) đã nghiên cứu việc bảo vệ lợi khuẩn Bacillius coagulans vào một hệ chất mang bao gồm cellulose vi khuẩn dạng nano, pectin và chiết xuất từ Schizophyllum commune. Kết quả cho thấy đây là một hệ thống tiềm năng để bảo vệ lợi khuẩn ở nhiều khoảng nhiệt độ khác nhau (-20 tới 4 °C).
Bên cạnh đó khi tiến hành xử lý bằng phương pháp sấy vi sóng thì tỉ lệ sống của vi khuẩn đạt tới 99. Celullose vi khuẩn cũng được sử dụng để cố định một số enzyme phục vụ cho công nghệ thực phẩm.