Quá trình lên men đang diễn ra : Các khủng hoảng bong bóng CO2 tạo thành một lớp bọt ở trên hỗn hợp lên men .
43-) vào phân tử ATP and chuyển hóa NAD+ thành NADH. Hai phân tử Pyruvate sau đó bị phá hủy thành hai phân tử Tổng quan quá trình lên men tạo thành etanol. Một phân tử Glucose tách thành hai phân tử Pyruvate ( 1 ). Năng lượng từ phản ứng tỏa nhiệt này được sử dụng để gắn những phân tử phosphat vô cơ ( PO ) vào phân tử ATP and chuyển hóa NAD + thành NADH. Hai phân tử Pyruvate sau đó bị tàn phá thành hai phân tử Aacetaldehyde và sản sinh ra CO2 như một mẫu sản phẩm thải ( 2 ). Phân tử Acetaldehyde sau đó được tái giảm thành etanol bằng cách sử dụng nguồn năng lượng và Hydro từ NADH ; trong quá trình này, NADH được oxy hóa thành NAD + để quá trình hoàn toàn có thể tái diễn ( 3 ) .
Lên men là quá trình nuôi cấy vi sinh vật để tạo ra sinh khối (tăng sinh) hoặc thúc đẩy vi sinh vật tạo ra sản phẩm trao đổi chất (các hợp chất sinh hóa), như chuyển đổi đường thành sản phẩm như: axit, khí hoặc rượu…của nấm men hoặc vi khuẩn, hoặc trong trường hợp lên men axit lactic trong tế bào cơ ở điều kiện thiếu khí oxy. Lên men cũng được sử dụng rộng rãi hơn trong sự tăng sinh khối của vi sinh vật trên môi trường sinh trưởng, sự tích lũy các sản phẩm trao đổi chất hữu ích cho con người trong quá trình nuôi cấy vi sinh vật. Nhà sinh vật học người Pháp Louis Pasteur được ghi nhớ như là người hiểu rõ sự lên men và nguyên nhân vi sinh vật của nó. Khoa học của sự lên men được biết như “zymology”
Quá trình lên men trong cơ thể diễn ra trong điều kiện thiếu oxy (khi chuỗi vận chuyển electron không thể diễn ra) và trở thành phương tiện chủ yếu của tế bào để sản xuất ATP (năng lượng). Nó chuyển NADH và pyruvate được sản sinh trong bước thủy phân Glucose thành NAD+ và những phân tử nhỏ hơn(xem ví dụ bên dưới). Khi có mặt của O2, NADH và pyruvate được dùng cho hô hấp; đó là sự oxy hóa phosphoryl hóa, nó sinh ra nhiều ATP hơn, vì lý do đó, các tế bào thường tránh quá trình lên men nếu có sự hiện diện của oxy. Ngoại lệ bao gồm VSV kỵ khí bắt buộc, nó không chịu được oxy.
Bước tiên phong, thủy phân glucose, chung cho toàn bộ những con đường lên men :
-
- C6H12O6 + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi → 2 CH3COCOO− + 2 NADH + 2 ATP + 2 H2O + 2H+
Pyruvate là CH3COCOO −. Pi là phosphate .Hai phân tử ADP và hai Pi được quy đổi thành 2 phân tử ATP và hai phân tử nước trải qua sự phosphoryl hóa mức độ cơ chất. Hai phân tử của NAD + được khử thành NADHTrong quá trình oxy hóa phósphoryl hóa, nguồn năng lượng cho sự tạo thành ATP được bắt nguồn từ gradient proton điện hóa được tạo ra qua màng ty thể trong ( hoặc, trong trường hợp vi trùng, màng tế nào ) trải qua chuỗi luân chuyển điện tử. Thủy phân glucoza quá trình phosphoryl hóa ở mức độ cơ chất ( ATP sinh ra trực tiếp từ phản ứng này )Quá trình lên men đã được con người sử dụng cho sản xuất thực phẩm hoặc nước giải khát ở thời kỳ đồ đá. Ví dụ, lên men được dùng để dữ gìn và bảo vệ trong quá trình lên men acid lactic được tìm thấy trong thực phẩm muối chua như thể dưa muối, kim chi và sữa chua, cũng như trong quá trình sản xuất thức uống có cồn như rượu và bia. Quá trình lên men thậm chí còn diễn ra trong dạ dày của động vật hoang dã, cũng như ruột người. Hội chứng xí nghiệp sản xuất bia là hội chứng y khoa hiếm gặp khi bao tử chứa nấm men bia, phân giải tinh bột thành cồn, thứ hoàn toàn có thể đi vào trong máu .
Lịch sử của việc lên men[sửa|sửa mã nguồn]
Khoảng 20.000 năm trước công nguyên ( TCN ), có sự đổi khác đáng kể về thời tiết và khí hậu, nhiệt độ của toàn cầu tăng lên một chút ít. Sự biến đổi này ảnh hưởng tác động rất lớn đến điều kiện kèm theo tự nhiên : khí hậu ấm cúng hơn làm những loại thực vật và động vật hoang dã tăng trưởng tốt hơn, đa dạng và phong phú hơn. Tập tính của con người cũng dần đổi khác, con người khởi đầu hình thức sống quần cư, tập trung chuyên sâu thành nhóm người. Từ săn bắn và hái lượm đã chuyển sang trồng trọt bằng cách thuần hóa những loại thực vật hoang dã. Các khu công trình khảo cổ cho thấy nông nghiệp sinh ra khoảng chừng 10.000 năm TCN hay trước đó một chút ít ở vùng Fertile Crescent ( Sừng Á Phi ) với việc canh tác một vài loại hạt thuộc nhóm ngũ cốc. Và đến khoảng chừng 9500 năm TCN, những nhà khảo cổ đã tìm thấy dấu vết của sự canh tác tám loại cây trông cơ bản ( gồm những loại hạt cốc, đậu và cây đay. Dựa vào 1 số ít nguồn tài liệu tương đối đúng chuẩn, người ta cho rằng con người ở khu vực này tò mò ra quá trình lên men rượu ( từ ngũ cốc ) trong khoảng chừng thời hạn sau đó một chút ítKhoảng 7000 năm TCN, nho khởi đầu được trồng, và sau đó, rượu vang khởi đầu được sản xuất. Bằng những kỹ thuật nghiên cứu và phân tích văn minh, người ta tìm thấy những dấu vết của rượu trên những bình bằng gốm có niên đại 7000 và 6500 năm TCN. Các nhà khảo cổ cũng tịm được một số ít dụng cụ mà họ cho là dùng để sản xuất rượu có niên đại 6000 đến 5000 năm TCN ở Georgia và Iran. Người ta cũng cho rằng khoảng chừng 5000 năm TCN, người ta mở màn biết sản xuất bia từ nấm men dựa trên nghiên cứu và phân tích những dấu vết trên những lọ bằng gốm ở Ai Cập .Các chứng cứ rõ ràng hơn được dựa vào những hình vẽ trên vách có niên đại 4500 năm TCN và người ta cũng tìm thấy những dấu vết của nho nghiền vào khoảng chừng thời hạn nàyKhoảng 7000 năm TCN, người ta đã thuần hóa được một số ít loài động vật hoang dã như chó, mèo, bò, cừu, dê, .. và cho nên vì thế người ta cũng sử dụng những loại sản phẩm từ chúng, đặc biệt quan trọng là sữa. Lên men sữa để sản xuất sữa chua ( lên men lactic ) Open ở Babylon vào khoảng chừng 3500 năm TCN .Bánh, một mẫu sản phẩm được làm từ bột ngũ cốc nghiền nhỏ, trộn với nước để hình thành bột nhào, định hình và sau đó đem nướng cũng đã Open từ rất lâu ( 10.000 – 8000 năm TCN ). Tuy vậy, việc sử dụng nấm men để lên men bột nhào chỉ mở màn khoảng chừng 3000 năm TCN. Người Ai Cập cũng khởi đầu sử dụng giấm trong khoảng chừng thời hạn này ,Trong khoảng chừng từ năm 200 TCN đến năm 200, thêm nhiều loại sản phẩm lên men sinh ra : rau muối chua, phô mai, tương và một số ít loại sản phẩm từ đậu nành như tempeh, miso, …
Đầu thế kỷ 17, Johan Baptist van Helmont quan sát thấy rằng cặn của rượu vang cũng có thể dùng để lên men rượu được và ông gọi chất cặn này là “fermentum”. Thuật ngữ này có xuất xứ La tinh, có thể là “fervere” nghĩa lá sôi, cũng có thể là “ferveo” nghĩa là sủi bọt (Vì khi lên men rượu, bề mặt của dịch lên men xuất hiện rất nhiều bọt như sôi). Ông cũng nhận xét rằng chất khí thoát ra trên bề mặt dịch lên men cũng chính là chất khí tạo ra khi đốt than.
Vào đầu thế kỷ 17, một dụng cụ mới sinh ra và tạo điều kiện kèm theo cho sự tăng trưởng mạnh mẽ của sinh học, đó là kính hiển vi quang học. Nhờ dụng cụ này ta hoàn toàn có thể tìm hiểu và khám phá cấu trúc của sinh vật một cách cặn kẽ hơn. Một trong những nhân vật có những góp phần đáng kể trong nghành này là Antonie Philips van Leeuwenhoek. Ông là một người chuyên mài tinh chế những thấu kính dùng để sản xuất kính hiển vi và cũng là một người sản xuất kính hiển vi. Ông cũng có thói quen ghi chép những gì quan sát được và tìm cách lý giải chúng. Bằng cách này ông ta trở thành một nhà nghên cứu khoa học nghiệp dư. Tuy vậy những khu công trình này cũng rất có giá trị và được những nhà nghên cứu khác coi trọng và khối lượng cũng rất đáng kể ( 560 báo cáo giải trình được ghi nhận ). Năm 1675, Leeuwenhoek, đã quan sát được vi sinh vật và những hoạt động giải trí của chúng .Năm 1836, Theodore Schwann, đã tò mò ra nguyên do của lên men rượu là do sinh vật đơn bào sử dụng đường, mà ông gọi tên là nấm đường ( Saccharomyces ). Sau đó, Charles Caignard de Latour xác lập loại sinh vật đơn bào này là nấm men, sử dụng đường để sinh ra rượu và CO2, sinh sản bằng cách nẩy chồi .Năm 1854, Louis Pasteur, tìm ra mối liên hệ giữa lên men và nấm men. Ông Kết luận rằng loại vi sinh vật này đã sử dụng cơ chất là đường có sẵn trong nho để chuyển hóa thành rượu và trong điều kiện kèm theo kỵ khí. Từ đó thuật ngữ fermentation còn có một nghĩa khác là sự hô hấp trong điều kiện kèm theo kỵ khí. Pasteur cũng nhận thấy rằng nếu sau khi đã lên men đạt nhu yếu, ta đun nóng thì rượu vang sẽ dữ gìn và bảo vệ được lâu hơn nhiều. Kỹ thuật giải quyết và xử lý nhiệt này sau đó được mang tên ông : pasteurization ( thanh trùng ) .Công nghệ sinh học đã mở màn với ngành sản xuất bia. Vào thời đó, Đức là một vương quốc tiêu thụ rất nhiều bia. Sản xuất loại thức uống có cồn này là một ngành có doanh thu lớn, mặt khác thuể đánh trên loại sản phẩm này cũng đóng góp thêm phần không nhỏ vào ngân sách nhà nước. Điều này đã thôi thúc những điều tra và nghiên cứu có chiều sâu về quá trình lên men bia và tìm cách ứng dụng vào công nghiêp. Trung tâm điều tra và nghiên cứu nổi tiếng nhất về nghành này là Carlsberg Institute đã tìm ra nhiều quá trình rất đặc biệt quan trọng để nấu bia .
Năm 1897, Eduard Buchner đã khám phá ra nguyên nhân sâu xa hơn của sự lên men. Bằng cách dùng các chất chiết từ nấm men, ông đã tạo ra sự chuyển hóa từ đường ra rượu mà không cần sử dụng đến nấm men. Ông đi đến kết luận là sự chuyển hóa này có bản chất hóa học mà không phải là sinh học. Buchner cũng khám phá ra rằng chất do nấm men tiết ra để chuyển đường thành rượu có bản chất là protein và ông gọi đó là “zymase” và từ đó tiếp vĩ ngữ “ase” được dùng để chỉ enzyme.
Trong thế chiến thứ nhất, do chiến tranh và sự cấm vận mà sự cung cấp các nhu yếu phẩm cho con người cũng như nguyên liệu cho công nghiệp bị giảm sút. Các nhà khoa học đã tham gia để giải quyết vấn đề này và công nghệ sinh học bắt đầu phát triển mạnh. Đức đã sử dụng sinh khối từ quá trình lên men để thay thế 60% thức ăn gia súc mà trước đó họ phải nhập khẩu, sản xuất axit lactic, aceton, butanol,… Năm 1917 James Currie khám phá ra rằng một số chủng nấm mốc Aspergillus niger có khả năng tạo axit citric rất tốt và ngay lập tức công ty Pfizer đã sản xuất axit này ở quy mô công nghiệp bằng phương pháp nuôi cấy bề mặt.
Năm 1919, thuật ngữ công nghệ sinh học, “biotechnology”, bắt đầu được sử dụng bởi Károly Ereky trong tác phẩm “Biotechnologie der Fleisch-, Fett-, und Milcherzeugung im landwirtschaftlichen Grossbetriebe: für naturwissenschaftlich gebildete Landwirte verfasst” (Công nghệ sinh học trong sản xuất thịt, chất béo và sữa tại các trang trại quy mô lớn).
Năm 1928, Alexander Fleming khám phá rằng các chất tiết ra từ mốc Penicillium có khả năng tiêu diệt một số vi sinh vật gây bệnh rất hiệu quả. Đến 1940, peniniciline, chất kháng sinh đầu tiên được sản xuất ở quy mô công nghiệp bằng phương pháp lên men và được ứng dụng rất hiệu quả trong y học. Điều này mở ra hướng ứng dụng lên men để sản xuất các loại kháng sinh và hàng loạt các chất khác như steroid, vitamin
Năm 1957, bột ngọt ( monosodium glutamat ) được Ajinomoto đưa vào sản xuất ở quy mô lớn bằng giải pháp lên men .Từ những năm 1960, cùng với sự tăng trưởng của sinh học phân tử, của kỹ thuật gen, người ta hoàn toàn có thể tạo ra những chủng vi sinh vật có những đặc thù công nghệ tiên tiến tốt, thì kỹ thuật lên men càng tăng trưởng mạnh, ứng dụng của lên men được lan rộng ra và loại sản phẩm của lên men trở nên rất phong phú .
Thuật ngữ lên men trong các ngôn ngữ châu Âu có gốc từ tiếng La Tinh “fervere“, có nghĩa là “làm chín“, dùng để diễn tả hoạt động của nấm men trong dịch chiết trái cây hay dịch đường hóa ngũ cốc. Louis Pasteur đã gọi sự lên men là “sự sống thiếu không khí” (“kị khí”, “thiếu ôxi”). Tuy nhiên, thuật ngữ lên men đến nay được hiểu là tất cả các quá trình biến đổi do vi sinh vật thực hiện trong điều kiện yếm khí (thiếu oxi) hay hiếu khí.
Quá trình lên men[sửa|sửa mã nguồn]
Quy mô phòng thí nghiệm[sửa|sửa mã nguồn]
Ở quy mô phòng thí nghiệm, lên men là quá trình nhằm mục đích mục tiêu khảo sát chất lượng vi sinh vật thực thi quá trình lên men. Bao gồm những quy trình :
Nuôi cấy chủng vi sinh vật[sửa|sửa mã nguồn]
Bao gồm phân lập, tạo dòng để tạo ra nguồn giống đúng mực và thiết yếu về số lượng Giao hàng cho quá trình lên men .
Tạo môi trường dinh dưỡng[sửa|sửa mã nguồn]
Dựa theo sự đặc hiệu về nhu yếu dinh dưỡng của bản thân vi sinh vật, người ta tạo ra những môi trường nuôi cấy trong những dụng cụ chứa. Bước này góp phần nguồn dinh dưỡng sống còn cho chủng vi sinh vật lên men ( lên men lấy loại sản phẩm ), đồng thời là bước chuẩn bị sẵn sàng để vô hiệu những phế phẩm cần được lên men ( lên men loại phế phẩm ) .
Khử những vi sinh vật vốn đang sống sót trong môi trường, nhằm mục đích tối ưu hóa điều kiện kèm theo sống cho vi sinh vật giống. Vì những vi sinh vật ngoại lai hoàn toàn có thể cạnh tranh đối đầu nguồn dinh dưỡng, tạo loại sản phẩm phụ hoặc tạo mẫu sản phẩm trao đổi chất gây ức chế giống lên men .
Nuôi ủ giống trong môi trường trong điều kiện kèm theo đặt sẵn về pH, nhiệt độ, nhiệt độ, thời hạn, hàm lượng oxy … Đôi khi cần bổ trợ phụ gia lên men. Quá trình lên men là chờ đón vi sinh vật sử dụng môi trường để trao đổi chất. Qua quá trình trao đổi chất, vi sinh vật tăng trưởng về số lượng và kích cỡ, đồng thời tiết ra những loại sản phẩm trao đổi chất. Dựa vào điều kiện kèm theo sống của giống và mục tiêu lên men mà người ta tối ưu quá trình lên men theo những cách khác nhau, như lên men lỏng, lên men rắn, lên men mẻ, lên men liên tục, lên men bán liên tục …
Thu sản phẩm
[sửa|sửa mã nguồn]
– Đối với lên men lấy mẫu sản phẩm : thu mẫu sản phẩm là những dịch tiết trao đổi chất của vi sinh vật, hoặc chính sinh khối của vi sinh vật đó
– Đối với lên men khử phế phẩm: không có sản phẩm lên men. Quá trình lên men nhằm mục đích loại bỏ phế phẩm, ví dụ như lên men Penicillium pinophilum để loại bỏ thành phần lignin trong rác thải thành phần gỗ.
- ^ Stryer, Lubert (1995). Biochemistry. New York – Basingstoke: W. H. Freeman and Company. ISBN 978-0716720096.
