Xem mẫu
- 11
- 12
2.4. Nhu cầu dinh dưỡng của vi khuẩn lactic và các yếu tố ảnh hưởng đến quá
trình lên men
2.4.1. Nhu cầu dinh dưỡng của vi khuẩn lactic
Vi khuẩn lactic có nhu cầu về dinh dƣỡng rất phức tạp, không một đại diện nào
thuộc nhóm này có thể phát triển đƣợc chỉ có chứa glucose và NH 4+. Đa số trong
chúng cần hàng loạt vitamin (lactoflavin, tiamin, acid pantotenic, acid nicotinic, acid
folic, biotin) và các acid amin. Vì thế ngƣời ta thƣờng nuôi cấy chúng trên các môi
trƣờng phức tạp chứa một số lƣợng tƣơng đối lớn cao nấm men, dịch cà chua hoặc
thậm chí máu. Một số loài vi khuẩn lactic có những nhu cầu về yếu tố tăng trƣởng
chính xác hơn động vật hữu nhũ [25].
2.4.1.1. Nhu cầu dinh dưỡng carbon
Vi khuẩn lactic có thể sử dụng đƣợc nhiều carbohydrate nhƣ glucose, fructose,
maltose, saccharose…các nguồn carbon này dùng để cung cấp năng lƣợng và tham gia
vào hầu hết các cấu trúc của tế bào. Vì vậy đây là nguồn thức ăn có ý nghĩa hàng đầu
đối với sự sống của tế bào vi sinh vật [13]. Nguồn carbon tốt nhất là các loại đƣờng và
ở mức độ nhỏ các đƣờng chứa nhóm rƣợu, còn polysaccharide thì thực chất không thể
lên men. Tốc độ lên men các loại mono-, di- và oligosaccharide khác nhau đến mức có
thể dùng tiêu chuẩn này để có thể phân biệt giữa các loài [2].
2.4.1.2. Nhu cầu dinh dưỡng nitơ
Đa số vi khuẩn lactic không có khả năng sinh tổng hợp đƣợc các hợp chất hữu cơ
phức tạp có chứa nitơ, chỉ có một số loài có khả năng sinh tổng hợp các hợp chất nitơ hữu
cơ từ nguồn vô cơ. Vì vậy, để đảm bảo sự phát triển của mình, vi khuẩn lactic phải sử dụng
nguồn nitơ có sẵn trong môi trƣờng. Tuy nhiên, để sinh trƣởng và phát triển bình thƣờng thì
ngoài nitơ dƣới dạng hỗn hợp các acid amin, vi khuẩn lactic còn cần những cơ chất hữu cơ
phức tạp có chứa nitơ nhƣ: cao thịt, cao nấm men, pepton, casein…[13].
Bảng 2.3 Các acid amin cần thiết cho vi khuẩn lactic [34]
L-Alanine Glycine L-Proline
D-Alanine L-Histidine L-Serine
L-Arginine L-Isoleucine L-Threonine
L-Acid aspartic L-Leucine L-Tryptophan
L-Cysteine L-Lysine L-Tyrosine
L-Acid glutamic L-Phenylalanine L-Valine
- 13
2.4.1.3. Nhu cầu về vitamin
Vi khuẩn lactic rất cần vitamin cho sự phát triển và các vitamin này đóng vai trò là
coenzym trong quá trình trao đổi chất của chúng. Rất ít vi khuẩn lactic có khả năng sinh tổng
hợp đƣợc vitamin, phần lớn chúng cần nhiều loại vitamin nhƣ: riboflavin, tiamin, biotin.
Bảng 2.4 Các vitamin và các yếu tố có liên quan đến sự phát triển của vi khuẩn lactic [34]
Yếu tố phát triển Các sinh vật đại diện mà đòi các hợp chất cho sự
phát triển
p-Acid aminobenzoic Lactobacillus plantarum
Lactobacillus arabinosus
Biotin Lactobacillus plantarum
Leuconostoc mesenteroides
Streptococcus faecalis
Acid folic (Acid pteroylglutamic) Lactobacillus casei
Streptococcus faecalis
Acid folinic (acid leucovorin, 5-Formyl- Leuconostoc citrovorum
5,6,7,8-tetrahydropteroylglutamic)
Acid lipoic (Acid thioctic, yếu tố thay thế Lactobacillus casei
acetat, protogen) Streptococcus lactis
Acid nicotinic Lactobacillus arabinosus
Leuconostoc mesenteroides
Streptococcus faecalis
Acid pantothenic Lactobacillus casei
Leuconostoc mesenteroides
Streptococcus faecalis
Pantetheine hoặc pantethine Lactobacillus acidophilus
Lactobacillus bulgaricus
Riboflavin Lactobacillus casei
Streptococcus lactis
Thiamine Lactobacillus fermenti
Streptococcus lactis
Pyridoxal Lactobacillus casei
Pyridoxamin Streptococcus faecalis
Pyridoxamin phosphat Lactobacillus acidophilus
Lactobacillus delbrueckii
Lactobacillus lactis
Vitamin B12 Lactobacillus lactis
Lactobacillus leichmannii
- 14
2.4.1.4. Nhu cầu về các chất hữu cơ
Ngoài các nguồn dinh dƣỡng trên, vi khuẩn lactic còn có nhu cầu rất lớn về các
hợp chất hữu cơ khác cần cho sự phát triển của chúng nhƣ purine, pyrimidine. Acid
hữu cơ nhƣ acid acetic và nhiều acid hữu cơ không bay hơi khác. Tween 80 là một dẫn
xuất của acid oleic, là một loại acid hữu cơ quan trọng có ảnh hƣởng đến sự sinh
trƣởng của hầu hết các loại vi khuẩn lactic. Ngoài ra các acid béo cũng ảnh hƣởng lên
sinh trƣởng của các vi khuẩn lactic nhƣng cơ chế còn chƣa đƣợc biết rõ [2].
2.4.1.5. Nhu cầu các muối vô cơ
Để đảm bảo cho sự sinh trƣởng và phát triển, vi khuẩn lactic cần rất nhiều các
hợp chất vô cơ. Phosphat là loại muối quan trọng nhất mà các vi khuẩn lactic yêu cầu.
Các muối amôn không thể đƣợc dùng làm nguồn nitơ duy nhất song hình nhƣ chúng
gây một ảnh hƣởng nhất định lên sự chuyển hóa một số acid amin. Đối với
Lactobacillus thì Mn2+, Fe2+, Mg2+ có tác dụng tích cực lên sự phát triển và sinh ra
acid lactic [13]. Sự vắng mặt glucose thì Mg2+ không ảnh hƣởng đến sự ổn định của
Lactobacillus delbrueckii nhƣng khi có glucose thì nó làm ổn định quá trình thủy phân
(Rees và Pirt, 1979). Cơ chế của sự ổn định này chƣa đƣợc xác định, nhƣng tất cả các
các trình tự thủy phân của kinase xem Mg2+ nhƣ là đồng nhân tố. Sự đòi hỏi Mg2+ bởi
Lactobacillus delbrueckii không thể thay thế bằng Mn2+ [23].
2.4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men
Trong nghiên cứu vi khuẩn lactic thì thƣờng sử dụng môi trƣờng: MRS (de Man,
Rogosa and Sharpe), môi trƣờng cà chua, môi trƣờng cao nấm men, môi trƣờng rau
cải, môi trƣờng cà chua - Tween 80, môi trƣờng nấm men - glucose, môi trƣờng nhũ
thanh, môi trƣờng sữa. Tùy theo từng loại và thành phần môi trƣờng mà áp dụng
phƣơng pháp xử lý cho thích hợp. Thiết bị lên men dùng để lên men trong phòng thí
nghiệm là bình erlen hoặc fermentor cỡ nhỏ có gắn các thiết bị kiểm soát các thông số
có liên quan. Dù ta sử dụng môi trƣờng, thiết bị lên men nào cũng phải đảm bảo điều
kiện vô trùng, công đoạn này quyết định hiệu quả của quá trình lên men.
2.4.2.1. Thành phần môi trường nuôi cấy
Vi khuẩn lactic thuộc loại vi sinh vật dị dƣỡng. Nguồn năng lƣợng cần thiết cho
hoạt động sống và phát triển của chúng là nguồn năng lƣợng do trao đổi chất với môi
trƣờng bên ngoài. Để duy trì sự sống, điều hòa các quá trình chuyển hóa trong tế bào,
chúng cần sử dụng nguồn glucid có trong môi trƣờng dinh dƣỡng làm nguồn carbon
- 15
(chủ yếu là đƣờng lactose), nguồn nitơ (pepton, acid amin), vitamin, muối khoáng và
các nguyên tố vi lƣợng. Vì vậy, ta cần bổ sung các nguồn dinh dƣỡng trên với liều
lƣợng thích hợp nhất giúp vi khuẩn lactic phát triển tốt, nâng cao hiệu suất lên men.
2.4.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ
Nhiệt độ là một trong những nhân tố quan trọng nhất ảnh hƣởng tới sinh trƣởng.
Nhiệt độ càng cao thì sự lên men càng manh.
2.4.2.3. Ảnh hưởng của pH môi trường
Mỗi loài vi sinh vật thích hợp với một giới hạn pH nhất định của môi trƣờng nuôi
cấy. Với vi khuẩn lên men lactic đồng hình, pH môi trƣờng thƣờng không ảnh hƣởng
đến các sản phẩm đặc trƣng của quá trình lên men, còn đối với vi khuẩn lactic dị hình,
pH môi trƣờng có ảnh hƣởng đến việc tạo thành các sản phẩm lên men. Khi pH môi
trƣờng cao thì sản phẩm tạo ra chủ yếu là acid lactic, còn khi pH môi trƣờng thấp thì
ngoài acid lactic còn có thêm acid acetic và nhiều sản phẩm phụ khác.
Acid mới tạo thành phải đƣợc trung hòa liên tục. Để lên men nhanh và trọn vẹn,
phạm vi pH tối ƣu phải nằm giữa 5,5 và 6,0. Lên men bị ức chế mạnh ở pH = 5 và sẽ
dừng lại ở các pH dƣới 5 [2]. Khi acid lactic đƣợc hình thành và nồng độ tăng dần
trong quá trình lên men thì pH sẽ giảm và nồng độ acid lactic đạt khoảng 2,2% sẽ ức
chế vi khuẩn lactic [15].
2.4.2.4. Ảnh hưởng của nồng độ acid
Acid là sản phẩm chính của quá trình lên men lactic do hoạt động sống của vi
khuẩn lactic tạo nên. Các vi khuẩn này chịu đƣợc acid, tuy nhiên với lƣợng acid tích
lũy trong môi trƣờng ngày càng một nhiều sẽ ức chế chúng. Để giúp vi khuẩn lactic
phát triển bình thƣờng không bị chính sản phẩm do hoạt động của chúng tạo ra ức chế,
ngƣời ta cho vào môi trƣờng các chất đệm thích hợp với một lƣợng đủ để trung hòa
lƣợng acid sinh ra thông thƣờng chất đệm này là CaCO3.
2.4.2.5. Vi sinh vật tạp nhiễm trong quá trình lên men
Trong quá trình lên men tạo sinh khối thƣờng dựa trên cơ sở nuôi cấy một chủng
thuần khiết, vì vậy việc đảm bảo cho tất cả các quá trình nuôi cấy từ giữ giống trong
ống nghiệm, nhân giống trong bình erlen…đều phải đảm bảo vô trùng tuyệt đối.
Hệ vi sinh vật tạp mhiễm, thƣờng ảnh hƣởng xấu đến quá trình lên men ở những
mức độ khác nhau có thể phá hủy các tế bào giống hoặc phá vỡ tế bào quá trình trao
đổi chất cần thiết cho sự tạo thành các sản phẩm lên men.
- 16
2.5. Ứng dụng của vi khuẩn lactic và acid lactic
Vi khuẩn lactic và acid lactic ngày càng đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh
vực khác nhau nhƣ trong bảo quản và chế biến thực phẩm, y học, môi trƣờng, mỹ
phẩm.v.v. Nhƣng nhiều nhất là trong chế biến bảo quản thực phẩm…
2.5.1. Trong bảo quản và chế biến thực phẩm [17] [19]
Vi khuẩn lactic đƣợc sử dụng để lên men thu nhận acid lactic. Acid lactic sản
xuất công nghiệp đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Do vị chua dễ chịu và có đặc
tính bảo quản, một lƣợng lớn acid lactic đƣợc sử dụng trong công nghiệp thực phẩm.
Acid lactic đƣợc sử dụng nhƣ là một chất gia vị đối với các loại đồ uống nhẹ, tinh dầu,
dịch quả, mứt, sirô. Ngoài ra, acid lactic còn đƣợc dùng để acid hóa rƣợu vang và hoa
quả nghèo acid, acid hóa dịch đƣờng hóa trong công nghiệp sản xuất rƣợu mạnh và để
sản xuất bột chua trong ngành bánh mì.
- Ứng dụng để sản xuất dƣa chua
Quá trình muối chua rau, quả chính là quá trình hoạt động sống của vi khuẩn
lactic và vi khuẩn acetic. Trong quá trình phát triển của chúng, trong rau quả, khi lên
men sẽ tạo ra acid lactic và acid acetic cùng một số loạt acid hữu cơ khác. Các acid
hữu cơ này làm giảm pH của dịch, chống lại hiện tƣợng gây thối rau, quả. Mặt khác
nhờ có lƣợng acid hữu cơ đƣợc tạo thành sẽ làm tăng hƣơng vị của khối ủ chua rau,
quả là quá trình vừa mang ý nghĩa chế biến vừa mang ý nghĩa bảo quản [9].
- Ứng dụng để làm chua quả
Trƣớc đây, ngƣời ta thƣờng sử dụng acid acetic để ngâm chua quả. Sau này
ngƣời ta sử dụng acid lactic để ngâm chua quả. Phƣơng pháp thay thế này tỏ ra hiệu
quả vì chúng ít làm thay đổi màu tự nhiên của quả và vẫn đảm bảo chất lƣợng quả
ngâm chua.
- Ứng dụng trong sản xuất tƣơng
Sản xuất tƣơng theo phƣơng pháp của miền Bắc (Việt Nam) có giai đoạn ngả
nƣớc đậu sau khi rang. Quá trình ngả nƣớc đậu xảy ra nhiều phản ứng sinh hóa khác
nhau, trong đó có quá trình lên men lactic tạo pH thích hợp cho sản phẩm và làm tăng
hƣơng vị cho sản phẩm.
- 17
- Ứng dụng trong sản xuất đậu phụ
Trong sản xuất đậu phụ có giai đoạn kết tủa protein của đậu. Phƣơng pháp truyền
thống thƣờng làm là dùng nƣớc chua (chứa vi khuẩn lactic) để tạo kết tủa (nhờ pH
giảm đến điểm đẳng điện của protein đậu nành).
- Ứng dụng để sản xuất các sản phẩm lên men từ sữa
Trong sản xuất các loại sữa chua đều có sử dụng quá trình lên men lactic. Nhờ có
quá trình chuyển hóa đƣờng thành acid lactic mà casein đƣợc kết tủa và tạo cho sản
phẩm hƣơng vị đặc trƣng. Hippocrates, ngƣời đƣợc xem là cha đẻ của ngành y đã cho
rằng “Whey”, loại nƣớc xuất hiện khi tách bơ ra khỏi sữa chính là một dạng huyết
thanh của sữa. Trong “Whey” chiếm khoảng 4,5% đƣờng sữa. Trong ruột chất đƣờng
này biến thành acid lactic, một chất hỗ trợ cho loại vi khuẩn lành mạnh trong ruột phát
triển [28].
- Ứng dụng để ủ thức ăn gia súc
Về nguyên tắc, ủ các loại cỏ và lá cây làm thực phẩm gia súc cũng giống nhƣ
công nghệ sản xuất dƣa chua. Quá trình lên men lactic xảy ra làm gia tăng giá trị dinh
dƣỡng và khả năng bảo quản cỏ, lá cây cho gia súc.
2.5.2. Trong y học
- Ứng dụng vi khuẩn lactic để chữa bệnh đƣờng ruột
Thực ra việc ứng dụng này đã đƣợc Việt Nam ứng dụng từ lâu. Khi ngƣời ta bị
tiêu chảy, thầy thuốc khuyên hàng ngày uống 1 - 2 chén nƣớc dƣa chua. Phƣơng pháp
này tỏ ra rất hiệu nghiệm trong điều kiện ngành dƣợc chƣa phát triển.
Dựa vào hiệu quả sử dụng vi khuẩn lactic trong việc chữa trị tiêu chảy, Pháp đã
sản xuất và đƣa ra thị trƣờng từ hàng chục năm nay một sản phẩm mang tên là
Biolactyl. Sản phẩm này chuyên trị tiêu chảy bằng nhiều vi khuẩn lactic.
- Ứng dụng acid lactic theo phƣơng pháp chữa vi lƣợng đồng cân (homeopathy)
Trong quá trình vận động của cơ thể, mô cơ hoạt động mạnh và trong một thời
gian dài sẽ gây hiện tƣợng mệt mỏi. Hiện tƣợng mệt mỏi này xuất hiện do các phản
ứng sinh hóa xảy ra trong mô cơ, tạo acid lactic.
Các thầy thuốc đã tạo ra một vị thuốc bao gồm acid lactic kết hợp với cây kim sa
có khả năng giúp cơ thể không còn mệt mỏi và có khả năng làm việc và hoạt động liên
tục trong thời gian dài.
- 18
- Ứng dụng acid lactic trong phẫu thuật chỉnh hình
Trong phẫu thuật chỉnh hình, ngƣời ta thƣờng sử dụng loại vật liệu có tên là
purasorb. Purasorb là một hợp chất cao phân tử đƣợc sản xuất từ acid lactic. Thành
phần của purasorb bao gồm: lactides, glycolide, polylactides, polyglycolide,
lactide/glycolide copolyme. Purasorb đƣợc sử dụng nhƣ những định ghim, gắn phần
xƣơng lại với nhau; khi xƣơng định hình, purasorb sẽ tự tiêu hủy [9]. Một loại thanh
dẫn có thể mang 20 lớp thuốc khác nhau vừa đƣợc các chuyên gia Singapore sáng chế.
Đây là loại thanh dẫn tự tiêu đầu tiên trên thế giới giúp ngƣời bệnh tim mau chóng
bình phục đồng thời giảm thiểu nguy cơ nhiễm trùng và phát bệnh trở lại. Các nhà phát
minh thuộc Đại học Công nghệ Nanyang cho rằng, với loại thanh dẫn này, bác sĩ có
thể kết hợp nhiều loại thuốc phù hợp với từng loại bệnh trạng của từng ngƣời để tăng
hiệu quả điều trị. Khi đƣợc đƣa vào cơ thể, thanh dẫn sẽ nhả thuốc vào từng thời điểm
khác nhau kéo dài trong nhiều tháng. Khi hết thuốc nó sẽ tự hủy hoàn toàn. Thanh dẫn
đƣợc chế tạo bằng PLA và PLGA, khi vào cơ thể sẽ chuyển hóa thành acid lactic và có
thể hấp thụ vào máu. Không chỉ đƣợc sử dụng trong động mạch vành tim, loại thanh
dẫn tự hủy này có thể đƣợc cấy trong não, phôi, đƣờng niệu ho ặc bất kì cơ quan nào bị
nghẽn mạch máu. Đƣợc biết, các loại thanh dẫn hiện nay đều làm bằng kim loại và chỉ
mang đƣợc một loại thuốc duy nhất, có thể gây tụ huyết khối và làm mạch máu tắc
nghẽn trở lại [26].
- Ứng dụng acid lactic trong nha khoa [9], [22]
Trong nha khoa có hai chế phẩm đƣợc sử dụng nhiều đó là Puramex và puracal.
Puramex bao gồm các thành phần sau: amulinium lactat, Fe-lactat (đƣợc sử dụng để
điều trị thiếu máu), Mg-lactat, Mn-lactat, Zn-lactat còn puracal chỉ có lactat canxi. Các
chế phẩm này thƣờng làm răng khỏe hơn.
- Ứng dụng để sản xuất vật liệu sinh học (Biomaterials)
Các nhà khoa học đang nghiên cứu tạo ra những vật liệu sinh học dùng trong y
học bằng các copolyme của acid lactic. Các copolyme này có tính năng rất giống
những bộ khung xƣơng động vật. Hƣớng này đang đƣợc nghiên cứu và ngƣời ta hy
vọng trong tƣơng lai nó sẽ đƣợc ứng dụng nhiều.
- Ứng dụng trong sản xuất các loại sữa và bột giàu canxi
Ngƣời ta thƣờng bổ sung lactat canxi vào thành phần sữa bột dinh dƣỡng, bánh
ngọt, bánh nƣớng để tăng lƣợng canxi cho cơ thể [9]. Thiếu calci lại ảnh hƣởng đến
- 19
hoạt động của cơ tim, tới sự tạo huyết và đông máu, là nguyên nhân của bệnh còi
xƣơng ở trẻ em và giòn xƣơng xốp xƣơng ở ngƣời già [27].
2.5.3. Trong môi trường
Các phòng thí nghiệm đang nghiên cứu loại chất dẻo mới thay thế cho chất dẻo
củ khó phân hủy. Chất dẻo mới này là một loại polyme đƣợc gọi là poly acid lactic
(PLA). Đó là sản phẩm tạo ra từ phản ứng trùng hợp acid lactic. Ngƣời ta hy vọng
trong tƣơng lai nó sẽ thay thế chất dẻo đƣợc sản xuất từ dầu mỏ vì tính chất dễ phân
hủy của nó có ý nghĩa rất lớn trong bảo vệ môi trƣờng [9].
2.5.4. Trong mỹ phẩm [9][22]
Các loại lactat kim loại (chẳng hạng nhƣ lactat natri) đƣợc sử dụng trong thành
phần của một số mỹ phẩm chăm sóc da nhƣ punosal và của hãng mỹ phẩm Punac. Mỹ
phẩm này có tác dụng chống lại các vi sinh vật có trên bề mặt da, làm ẩm và làm sáng
da [9].
2.6. Sản xuất acid lactic
2.6.1. Mật rỉ đường [1], [8], [12]
Là phế liệu chứa nhiều đƣờng không kết tinh trong sản xuất đƣờng từ mía hoặc
củ cải đƣờng. Thông thƣờng tỉ lệ rỉ đƣờng trong sản xuất đƣờng mía chiếm khoảng 3 –
5 % trọng lƣợng mía. Tùy thuộc vào giống mía, điều kiện trồng trọt, công nghệ sản xuất
đƣờng.v.v.
Thành phần rỉ đƣờng dao động nhƣ sau: Nƣớc chiếm 15 – 20 %; chất khô chiếm
80 – 85 %. Trong chất khô có 60 % là đƣờng (40 % là đƣờng saccharose và 20 % là
fructose và glucose) và 40 % chất khô còn lại là chất không phải là đƣờng (phi đƣờng).
Trong thành phần phi đƣờng có khoảng 30 – 32 % hợp chất hữu cơ và 6 – 10 % hợp
chất vô cơ. Trong hợp chất vô cơ, theo Mắc-Dinit, gồm có K2O: 3,5 %; Fe2O3: 0,2 %;
MgO: 0,1 %; sulfat: 1,6 %; CaO: 1,5 %; SiO2: 0,5 %; P2O5: 0,5 %; Clorit: 0,4 %.
Trong những hợp chất hữu cơ gồm có hợp chất có chứa nitơ và không chứa nitơ
ở dạng amin nhƣ: acid aspactic, acid glutamic, leuxin, isoleuxin [2].
Ngoài ra trong rỉ đƣờng có một số vitamin (tính theo μ/g mật rỉ đƣờng ) nhƣ sau:
- 20
Bảng 2.5 Thành phần vitamin trong rỉ đƣờng
Các vitamin Số lƣợng (μg/g)
Thiamin 8,3
Riboflavin 2,5
Acid nicotinic 21,0
Acid folic 0,038
Pyridoxin 6,5
Biotin 12,0
Acid pantotenic 21,4
2.6.2. Qui trình sản xuất acid lactic [14]
Mật rỉ
Xử lý
Lên men
Vi khuẩn
Trung hòa
CaCO3
Lactat canxi
H2SO4
Lọc
Dung dịch
acid lactic
Cô đặc
Kết tinh
Acid lactic
tinh thể
nguon tai.lieu . vn
