Nấm lên men

Men trong bài viết này chỉ các loài vi sinh vật. Để biết thêm về các nghĩa khác, xem bài viết Men.

Men là các loài nấm đơn bào, với một số ít được dùng trong sản xuất bánh mì, đồ uống có cồn, và một số mẫu tế bào nhiên liệu thử nghiệm. Phần lớn men thuộc ngành Nấm túi (Ascomycota), nhưng cũng có một số thuộc ngành Nấm đảm (Basidiomycota). Một số loài như Candida albicans có thể gây bệnh (Candidiasis). Hơn 1.000 loài men đã được mô tả, với loài phổ biến nhất là Saccharomyces cerevisiae, được sử dụng trong sản xuất rượu, bánh mì và bia từ hàng nghìn năm.

Sinh lý học

Các loài men có thể là vi sinh vật yêu cầu oxy bắt buộc hoặc không yêu cầu oxy. Đến nay, chưa có loài men nào được biết đến là vi sinh vật kỵ khí bắt buộc. Trong điều kiện thiếu oxy, men sản xuất năng lượng bằng cách chuyển hóa cacbohyđrat thành carbon dioxide và ethanol (rượu) hoặc axít lactic. Trong quá trình sản xuất rượu bia, ethanol được thu lại, trong khi đó carbon dioxide làm cho bánh mì trở nên xốp, và phần lớn ethanol bị bay hơi.

Quá trình phân hủy glucose có thể được mô tả đơn giản như sau:

C₆H₁₂O₆ (glucose) → 2C₂H₅OH + 2CO₂

Ứng dụng trong công nghệ sinh học

Những đặc tính sinh lý hữu ích của men đã thúc đẩy việc áp dụng chúng trong công nghệ sinh học. Quá trình lên men đường bởi men là một trong những ứng dụng lâu đời và phổ biến nhất của công nghệ này. Men dùng trong bánh mì giúp sản xuất bánh mì, men bia dùng để làm bia, và men cũng được dùng trong sản xuất rượu vang. Hơn nữa, men là một trong những sinh vật mẫu phổ biến nhất trong nghiên cứu di truyền và sinh học tế bào.

Quá trình sinh sản

Men có thể sinh sản theo hai cách: vô tính thông qua mọc chồi và hữu tính qua việc hình thành nang bào tử. Trong sinh sản vô tính, chồi sẽ phát triển từ men mẹ khi điều kiện thuận lợi, và khi chồi trưởng thành đủ kích thước, nó sẽ tách ra khỏi men mẹ. Trong điều kiện dinh dưỡng kém, men có khả năng sinh sản hữu tính sẽ tạo ra nang bào tử. Những men không hoàn thành chu trình sinh sản hữu tính được phân loại trong chi Candida.

Ứng dụng

Những đặc tính sinh lý có lợi của nấm men đã dẫn đến việc ứng dụng chúng trong công nghệ sinh học. Quá trình lên men đường bằng nấm men là ứng dụng lâu đời và phổ biến nhất. Nhiều loại nấm men được sử dụng trong sản xuất thực phẩm như men làm bánh trong ngành sản xuất bánh mì, men bia trong quá trình làm bia, men trong sản xuất rượu vang và xylitol. Men gạo đỏ thực chất là một loại nấm mốc, Moncus purpureus. Nấm men còn là mẫu sinh vật quan trọng trong di truyền học và sinh học tế bào.

Đồ uống có cồn

Đồ uống có cồn là những thức uống chứa ethanol (C₂H₅OH), thường được sản xuất qua quá trình lên men – quá trình chuyển hóa carbohydrate bởi các loài nấm men trong điều kiện thiếu oxy. Các loại đồ uống như mật ong, rượu vang, bia, và rượu chưng cất đều sử dụng men trong các giai đoạn sản xuất. Đồ uống chưng cất chứa ethanol tinh chế qua chưng cất. Nguyên liệu thực vật chứa carbohydrate được lên men bởi men, tạo ra dung dịch ethanol loãng, từ đó các loại rượu mạnh như whisky và rum được chế biến qua chưng cất dung dịch ethanol loãng. Các thành phần khác ngoài ethanol như nước, este và các loại rượu khác góp phần tạo nên hương vị của đồ uống.

Sản xuất bánh

Nấm men, đặc biệt là S. cerevisiae, được sử dụng trong làm bánh như một chất tạo men, giúp chuyển hóa đường trong bột nhào thành khí carbon dioxide. Khí này làm bột nở ra khi tạo thành các túi khí. Khi bột được nướng, các túi khí 'đóng rắn' lại, tạo ra kết cấu mềm và xốp cho sản phẩm. Việc sử dụng khoai tây, nước luộc khoai tây, trứng hoặc đường trong bột nhào có thể làm tăng tốc độ phát triển của nấm men. Hầu hết men dùng trong làm bánh đều thuộc loại men được sử dụng trong lên men rượu, ngoài ra Saccharomyces exiguus (hay S. minor), một loại men hoang dã có trên thực vật, trái cây và ngũ cốc, cũng được sử dụng để làm bánh. Trong quá trình sản xuất bánh mì, nấm men ban đầu hoạt động hiếu khí, tạo ra carbon dioxide và nước. Khi oxy cạn kiệt, quá trình lên men bắt đầu, sinh ra ethanol như một sản phẩm phụ, nhưng sẽ bay hơi khi nướng.

Khi làm bánh mì, men được trộn với bột mì, muối và nước ấm hoặc sữa. Bột được nhào cho đến khi mịn, sau đó để bột nở ra, có thể nở gấp đôi. Bột được định hình thành ổ bánh mì và có thể được đánh bật lại sau một lần nở (gọi là ủ bột) rồi nướng. Thời gian ủ lâu hơn sẽ tạo ra hương vị tốt hơn, nhưng nếu để quá lâu từ đầu, men có thể không hoạt động tốt ở giai đoạn cuối.

Xử lý sinh học

Một số loài nấm men có tiềm năng ứng dụng trong xử lý sinh học. Ví dụ, Yarrowia lipolytica có khả năng phân hủy nước thải từ nhà máy dầu cọ, TNT (chất nổ) và các hydrocarbon khác như ankan, axit béo, chất béo và dầu. Loài này cũng có thể chịu được nồng độ muối và kim loại nặng cao, và đang được nghiên cứu như một chất hấp thụ sinh học cho kim loại nặng. Saccharomyces cerevisiae có khả năng xử lý các chất ô nhiễm độc hại như asen từ nước thải công nghiệp. Các bức tượng đồng cũng đã bị xuống cấp do một số loài nấm men. Các loại nấm men từ các mỏ vàng ở Brazil tích lũy sinh học các ion bạc tự do và phức hợp.

Đồ uống không chứa cồn

Một số loại đồ uống có ga ngọt có thể được sản xuất bằng các phương pháp tương tự như làm bia, với sự khác biệt là quá trình lên men được dừng lại sớm hơn, chỉ tạo ra một lượng nhỏ rượu và nhiều carbon dioxide, để lại một lượng đường dư đáng kể trong đồ uống.

Thực phẩm chức năng

Nấm men được sử dụng trong thực phẩm như một thành phần tạo vị umami, tương tự như cách sử dụng bột ngọt (MSG). Chúng thường chứa axit glutamic tự do. Ví dụ bao gồm:

• Chiết xuất từ nấm men, được tạo ra từ phần bên trong của nấm men và thường được sử dụng như phụ gia thực phẩm hoặc gia vị. Phương pháp phổ biến để sản xuất chiết xuất nấm men cho các sản phẩm như Vegemite và Marmite trên quy mô thương mại là tự phân hủy nhiệt, nghĩa là thêm muối vào huyền phù nấm men để tạo dung dịch ưu trương, khiến các tế bào co lại. Quá trình này kích hoạt tự phân giải, trong đó các enzym tiêu hóa của nấm men phá vỡ protein thành các hợp chất đơn giản hơn, dẫn đến sự tự hủy diệt. Các tế bào nấm men sắp chết sau đó được làm nóng để hoàn thành quá trình phân hủy, và vỏ trấu được loại bỏ. Dịch tự phân này được sử dụng trong các sản phẩm như Vegemite và Promite (Úc), Marmite (Vương quốc Anh), Marmite không liên quan (New Zealand), Vitam-R (Đức), và Cenovis (Thụy Sĩ).
• Men dinh dưỡng màu vàng, được làm từ các tế bào nấm men khô và đã khử hoạt tính, thường là S. cerevisiae. Thường có dạng vảy hoặc bột màu vàng, với hương vị hạt dẻ và umami, men dinh dưỡng là một sự thay thế thuần chay cho bột phô mai. Nó cũng được sử dụng phổ biến để phủ lên bỏng ngô, khoai tây nghiền, chiên, và trứng bác. Men dinh dưỡng có thể được tìm thấy dưới dạng mảnh hoặc bột vàng với kết cấu tương tự như bột ngô. Ở Úc, đôi khi nó được bán dưới tên 'miếng men mặn'.
• Cả hai loại thực phẩm lên men trên đều chứa nhiều vitamin B tổng hợp (ngoại trừ vitamin B₁₂ trừ khi được tăng cường), khiến chúng trở thành lựa chọn dinh dưỡng hấp dẫn cho người ăn chay. Các vitamin tương tự cũng có mặt trong một số sản phẩm lên men khác như kvass. Men dinh dưỡng đặc biệt có ít chất béo và natri tự nhiên, đồng thời cung cấp protein, vitamin, và các khoáng chất cần thiết cho sự phát triển. Nhiều nhãn hiệu men dinh dưỡng và chiết xuất nấm men, mặc dù không phải tất cả, đều được bổ sung vitamin B₁₂, do vi khuẩn sản xuất.

Vào năm 1920, Công ty Men Fleischmann bắt đầu quảng bá bánh men qua chiến dịch 'Men cho sức khỏe'. Ban đầu, họ nhấn mạnh men như một nguồn vitamin tốt cho da và tiêu hóa. Sau đó, quảng cáo của họ tuyên bố nhiều lợi ích sức khỏe hơn và đã bị Ủy ban Thương mại Liên bang chỉ trích vì gây hiểu lầm. Sự phổ biến của bánh men kéo dài cho đến cuối những năm 1930.

Nấm men vi sinh

Một số sản phẩm bổ sung nấm men vi sinh sử dụng S. boulardii để duy trì và phục hồi hệ vi sinh vật tự nhiên trong đường tiêu hóa. S. boulardii đã được chứng minh là làm giảm triệu chứng tiêu chảy cấp tính, giảm nguy cơ nhiễm trùng do Clostridium difficile (thường gọi là C. difficile hoặc C. diff), giảm nhu động ruột trong hội chứng ruột kích thích tiêu chảy chiếm ưu thế, và giảm tỷ lệ mắc tiêu chảy liên quan đến

kháng sinh, du lịch và HIV/AIDS.

Nghiên cứu khoa học

Một số loài nấm men, đặc biệt là S. cerevisiae và S. pombe, đã được áp dụng rộng rãi trong di truyền học và sinh học tế bào nhờ vào cấu trúc tế bào nhân thực đơn giản của chúng. Chúng đóng vai trò như mô hình lý tưởng cho nghiên cứu các quá trình cơ bản của tế bào ở các sinh vật nhân chuẩn, bao gồm con người, như chu kỳ tế bào, sao chép DNA, tái tổ hợp, phân chia tế bào và trao đổi chất. Ngoài ra, nấm men dễ dàng thao tác và nuôi cấy trong phòng thí nghiệm, điều này đã giúp phát triển các kỹ thuật chuẩn như lai nấm men, phân tích mảng di truyền tổng hợp và phân tích tứ diện. Nhiều protein quan trọng trong sinh học con người lần đầu tiên được phát hiện qua nghiên cứu các đồng hình của chúng trong nấm men, bao gồm các protein chu kỳ tế bào, protein tín hiệu và enzyme xử lý protein.

Vào ngày 24 tháng 4 năm 1996, S. cerevisiae được công nhận là sinh vật nhân chuẩn đầu tiên có bộ gen hoàn chỉnh được giải trình tự, bao gồm 12 triệu cặp cơ sở, như một phần của Dự án Bộ gen. Đây là sinh vật phức tạp nhất được giải trình tự gen vào thời điểm đó, với dự án kéo dài bảy năm và sự tham gia của hơn 100 phòng thí nghiệm. Loài nấm men thứ hai có bộ gen được giải trình tự là Schizosaccharomyces pombe, vào năm 2002. Bộ gen của nó, gồm 13,8 triệu cặp cơ sở, là bộ gen của sinh vật nhân chuẩn thứ sáu được giải trình tự. Tính đến năm 2014, hơn 50 loài nấm men đã hoàn thành giải trình tự và công bố bộ gen của chúng.

Nhà máy sinh học biến đổi gen

Nhiều loài nấm men đã được biến đổi gen để sản xuất hiệu quả các loại thuốc khác nhau, một phương pháp được gọi là kỹ thuật trao đổi chất. S. cerevisiae dễ dàng biến đổi gen nhờ vào hiểu biết rõ về sinh lý, trao đổi chất và di truyền học của nó, và có thể hoạt động trong các điều kiện công nghiệp khắc nghiệt. Nấm men biến đổi gen có khả năng sản xuất nhiều loại hóa chất khác nhau, bao gồm phenolics, isoprenoids, alkaloids và polyketide. Khoảng 20% các dược phẩm sinh học được sản xuất từ S. cerevisiae, bao gồm insulin, vắc-xin phòng viêm gan và albumin huyết thanh người.

Môi trường phát triển

Nhiều loài nấm men có thể được phân lập từ những môi trường giàu đường như trái cây và quả mọng (như nho, táo, đào) hoặc các dịch tiết thực vật (như nhựa cây). Một số loài nấm men cũng sống cùng côn trùng hoặc dưới đất.

Môi trường phổ biến để nuôi cấy nấm men bao gồm PDA (Thạch khoai tây dextrose) và PDB (Nước luộc khoai tây dextrose). Nước luộc khoai tây được tạo ra bằng cách hấp khoai tây cắt nhỏ với nước trong 5 - 10 phút và sau đó lọc lấy nước luộc. Dextrose (glucose) sau đó được thêm vào với tỷ lệ 10 g/L và môi trường được khử trùng bằng cách hấp lại.

• Nấm
• Men dinh dưỡng
• Saccharomyces
• Brettanomyces
• Men bia
• Lên men

Chú thích

• Thông tin về nấm men trên Wikispecies