Quá trình lên men

Lên men là quá trình hóa học mà chất hữu cơ thay đổi thông qua sự hoạt động của enzyme. Trong hóa sinh, lên men thường được hiểu là việc chiết xuất năng lượng từ carbohydrate trong điều kiện thiếu oxy. Trong ngành chế biến thực phẩm, nó liên quan đến mọi quá trình mà hoạt động của vi sinh vật tạo ra những thay đổi mong muốn trong thực phẩm hoặc đồ uống. Ngành nghiên cứu này được gọi là men học (zymology).

Đối với vi sinh vật, lên men là phương pháp chính để tạo ra adenosine triphosphate (ATP) bằng cách phân hủy chất dinh dưỡng hữu cơ trong môi trường kị khí.

Lên men đã được con người sử dụng từ thời kỳ đồ đá mới để sản xuất thực phẩm và đồ uống. Ví dụ, lên men được áp dụng để bảo quản thực phẩm qua quá trình tạo acid lactic, như dưa chuột muối, nấm thủy sâm, kimchi, và sữa chua, cũng như trong sản xuất đồ uống có cồn như rượu vang và bia. Ngoài ra, quá trình lên men cũng xảy ra trong ống tiêu hóa của tất cả các loài động vật, bao gồm cả con người.

Lên men công nghiệp là thuật ngữ chung để chỉ việc áp dụng vi sinh vật trong sản xuất hóa chất, nhiên liệu sinh học, enzym, protein và dược phẩm trên quy mô lớn.

Định nghĩa và nguồn gốc từ ngữ

Dưới đây là một số định nghĩa về lên men, từ các khái niệm phổ biến cho đến các định nghĩa sâu hơn trong khoa học.

1. Phương pháp bảo quản thực phẩm bằng vi sinh vật (khái niệm thông dụng).
2. Quá trình lên men quy mô lớn, có hoặc không có không khí (định nghĩa phổ biến trong công nghiệp, gọi là lên men công nghiệp).
3. Quá trình sản xuất đồ uống có cồn hoặc chế phẩm sữa có acid (khái niệm thông dụng).
4. Quá trình trao đổi chất giải phóng năng lượng dưới điều kiện kị khí (định nghĩa hơi khoa học).
5. Quá trình trao đổi chất giải phóng năng lượng từ carbohydrate hoặc chất hữu cơ khác, không cần oxy hay hệ thống vận chuyển electron, với phân tử hữu cơ làm chất nhận electron cuối cùng (định nghĩa khoa học nhất).

Vai trò sinh học

Kết hợp với hô hấp hiếu khí, lên men là phương pháp chiết xuất năng lượng từ các phân tử. Đây là phương pháp duy nhất được áp dụng cho tất cả vi khuẩn và sinh vật nhân thực. Vì vậy, nó được coi là con đường trao đổi chất cổ xưa nhất, phù hợp với môi trường nguyên thủy – trước khi thực vật xuất hiện trên Trái Đất và trước khi có oxy trong khí quyển. Nick Lane chỉ trích quan điểm này vì lượng năng lượng giải phóng từ lên men là rất ít, không đủ để tạo ra nhiệt động lực học của hóa tiền sinh học. Các enzym tham gia vào lên men (được mã hóa bởi gen) không thể tồn tại trong môi trường hóa tiền sinh học. Ông cũng lưu ý rằng sự khác biệt giữa quá trình lên men ở cổ khuẩn và vi khuẩn cho thấy lên men có thể đã tiến hóa sau này, phát triển độc lập ở các dạng sống nguyên thủy.

Nấm men (một loại nấm) có mặt trong hầu hết các môi trường hỗ trợ vi sinh vật, từ vỏ trái cây đến hệ tiêu hóa của côn trùng và động vật có vú, đến các vùng biển sâu. Nấm men chuyển hóa (phân hủy) các phân tử giàu đường để sản xuất ethanol và carbon dioxide.

Cơ chế cơ bản của lên men vẫn tồn tại trong mọi tế bào của sinh vật bậc cao. Ở động vật có vú, quá trình lên men xảy ra trong thời gian hoạt động cường độ cao, khi nguồn cung cấp oxy bị hạn chế, dẫn đến việc tạo ra acid lactic. Ở động vật không xương sống, lên men còn tạo ra succinic và alanin.

Vi khuẩn lên men đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuất methan ở các môi trường từ dạ cỏ của gia súc đến bể phân hủy nước thải và trầm tích nước ngọt. Chúng tạo ra hydro, carbon dioxide, format, acetat và acid carboxylic. Sau đó, nhóm vi sinh vật chuyển đổi carbon dioxide và acetat thành methan. Vi khuẩn acetogenic oxy hóa các acid, thu được nhiều acetat và hydro hoặc format hơn. Cuối cùng, methanogen (ở vực cổ khuẩn) chuyển đổi acetat thành methan.

Tổng quan sinh học

Lên men phản ứng với dạng hóa khử của nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) qua các chất nhận electron hữu cơ và nội sinh. Thông thường, acid pyruvic tạo ra từ đường phân là chất nhận electron. Phản ứng này tạo ra NAD được oxy hóa cùng với một sản phẩm hữu cơ, ví dụ như ethanol, acid lactic, và khí hydro (H₂), thường kèm theo cả carbon dioxide. Tuy nhiên, các hợp chất khác như acid butyric và aceton cũng có thể được tạo ra từ quá trình lên men. Sản phẩm của lên men được coi là chất thải vì chúng không thể tiếp tục được chuyển hóa trong điều kiện thiếu oxy.

Lên men chủ yếu xảy ra trong môi trường thiếu oxy. Trong điều kiện có O₂, NADH và pyruvate được sử dụng để sản xuất adenosine triphosphate (ATP) thông qua quá trình hô hấp. Đây được gọi là phosphoryl hóa oxy hóa, tạo ra nhiều ATP hơn so với chỉ đường phân. Do đó, lên men ít khi được sử dụng khi có oxy. Tuy nhiên, ngay cả trong điều kiện dồi dào oxy, một số chủng nấm men như Saccharomyces cerevisiae vẫn ưu tiên lên men hơn hô hấp hiếu khí nếu có đủ đường (hiện tượng được gọi là hiệu ứng Crabtree). Một số quá trình lên men yêu cầu môi trường kị khí.

Sản phẩm của quá trình lên men

Ethanol

Trong quá trình lên men ethanol, một phân tử glucose được chuyển hóa thành hai phân tử ethanol và hai phân tử carbon dioxide (CO₂). Quá trình này tạo ra carbon dioxide làm bột nở, tạo ra những bọt khí trong bột bánh mì. Ethanol là thành phần chính tạo cảm giác say trong các đồ uống có cồn như rượu vang, bia và rượu mạnh. Ngoài ra, ethanol cũng được sản xuất từ các nguyên liệu thô như mía, ngô và củ cải đường, sau đó được pha vào xăng. Một số loài cá, chẳng hạn như cá vàng và cá chép, sử dụng ethanol như nguồn năng lượng trong điều kiện thiếu oxy, cùng với quá trình lên men acid lactic.

Trước khi diễn ra quá trình lên men, một phân tử glucose được phân giải thành hai phân tử pyruvic qua quá trình đường phân. Năng lượng từ phản ứng này được sử dụng để liên kết phosphat vô cơ với ADP, chuyển đổi thành ATP, và đồng thời chuyển đổi NAD thành NADH. Pyruvic tiếp tục phân giải thành hai phân tử acetaldehyde và giải phóng hai phân tử carbon dioxide dưới dạng chất thải. Acetaldehyde sau đó được khử thành ethanol bằng cách sử dụng năng lượng và hydro từ NADH, trong khi NADH bị oxy hóa thành NAD để chu trình có thể tiếp tục. Các enzym pyruvic decarboxylase và alcohol dehydrogenase xúc tác cho phản ứng này.

Acid lactic

Lên men homolactic (chỉ tạo ra acid lactic) là loại hình lên men đơn giản nhất. Trong quá trình này, pyruvic từ đường phân trải qua phản ứng oxy hóa khử cơ bản để tạo thành acid lactic. Thông thường, một phân tử glucose (hoặc bất kỳ loại đường sáu-carbon nào) được chuyển hóa thành hai phân tử acid lactic:

C₆H₁₂O₆ → 2 CH₃CHOHCOOH

Quá trình này xảy ra ở cơ bắp động vật khi chúng cần năng lượng nhanh hơn lượng oxy mà máu có thể cung cấp. Nó cũng xuất hiện ở một số loại vi khuẩn như lactobacilli và một số chủng nấm. Những vi khuẩn này chuyển đổi lactose thành acid lactic trong sữa chua, tạo ra vị chua đặc trưng. Các vi khuẩn acid lactic có thể thực hiện lên men homolactic, trong đó sản phẩm chính là acid lactic, hoặc lên men heterolactic, trong đó một phần acid lactic được chuyển hóa thành ethanol và carbon dioxide (qua con đường phosphoketolase), acetat, hoặc các sản phẩm trao đổi chất khác.

C₆H₁₂O₆ → CH₃CHOHCOOH + C₂H₅OH + CO₂

Khi lactose được lên men (như trong sữa chua và pho mát), trước tiên nó sẽ được chuyển hóa thành glucose và galactose, hai loại đường sáu-carbon có cùng công thức nguyên tử.

C₁₂H₂₂O₁₁ + H₂O → 2 C₆H₁₂O₆

Ý nghĩa rộng hơn

Trong lĩnh vực thực phẩm và công nghiệp, bất kỳ thay đổi hóa học nào do vi sinh vật thực hiện trong môi trường kín đều có thể được gọi là 'lên men'. Dưới đây là một số ví dụ không hoàn toàn theo nghĩa hóa sinh nhưng vẫn được xem là lên men theo cách hiểu rộng hơn:

Lên men còn có thể được sử dụng để cung cấp nguồn protein thay thế. Quá trình này thường biến đổi các thực phẩm giàu protein có sẵn, bao gồm cả thực phẩm gốc thực vật như đậu nành, thành các sản phẩm có hương vị phong phú hơn như tempeh và tofu lên men.

Các phương pháp 'lên men' hiện đại tạo ra protein tái tổ hợp giúp sản xuất các sản phẩm thay thế thịt, sữa, pho mát và trứng. Một số ví dụ bao gồm:

• Sản xuất myoglobin tái tổ hợp cho thịt giả (Motif Foodworks)
• Sản xuất leghemoglobin tái tổ hợp cho thịt giả (Impossible Foods)
• Sản xuất nước sữa tái tổ hợp cho chế phẩm sữa thay thế (Perfect Day)
• Sản xuất lòng trắng trứng tái tổ hợp (EVERY)

Các protein heme như myoglobin và hemoglobin mang lại cho thịt những đặc điểm về kết cấu, hương vị, màu sắc và mùi thơm. Các thành phần myoglobin và leghemoglobin có thể được sử dụng để tái tạo những đặc tính này, dù nguồn gốc của chúng là từ thực vật chứ không phải từ thịt.

Trong công nghiệp, lên men có thể được sử dụng để sản xuất enzyme, khi vi sinh vật tạo ra và tiết ra các protein có hoạt tính xúc tác. Sự tiến bộ trong quy trình lên men, kỹ thuật tạo giống vi sinh vật và công nghệ gen tái tổ hợp đã cho phép thương mại hóa nhiều loại enzyme. Những enzyme này được áp dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, chẳng hạn như thực phẩm (loại bỏ lactose, hương vị pho mát), đồ uống (xử lý nước trái cây), làm bánh (làm mềm bánh mì, nhào bột bánh), thức ăn cho động vật, chất tẩy rửa (loại bỏ vết bẩn protein, tinh bột và lipid), dệt may, chăm sóc cá nhân và ngành công nghiệp giấy-bột giấy.

Lịch sử ứng dụng của lên men

Việc sử dụng lên men, đặc biệt là trong chế biến đồ uống, đã có từ thời kỳ đồ đá mới và được ghi nhận từ năm 7000 đến 6600 trước Công Nguyên ở Giả Hồ, Trung Quốc, năm 5000 trước Công Nguyên ở Ấn Độ, Ayurveda nhắc đến nhiều loại rượu thuốc, năm 6000 trước Công Nguyên ở Gruzia, năm 3150 trước Công Nguyên ở Ai Cập cổ đại, năm 3000 trước Công Nguyên ở Babylon, năm 2000 trước Công Nguyên ở Mexico tiền Tây Ban Nha, và năm 1500 trước Công Nguyên ở Sudan. Thực phẩm lên men còn mang ý nghĩa tôn giáo trong Do Thái giáo và Cơ đốc giáo. Thần Baltic Rugutis được tôn thờ như là tác nhân gây lên men. Trong giả kim thuật, lên men ('sự thối rữa') được coi là biểu tượng của Ma Kết ♑︎.

Vào năm 1837, Charles Cagniard de la Tour, Theodor Schwann và Friedrich Traugott Kützing đã độc lập công bố kết quả nghiên cứu của họ bằng kính hiển vi, cho thấy nấm men là sinh vật sống sinh sản bằng cách mọc chồi. Schwann đã đun sôi nước nho để diệt nấm men và phát hiện ra rằng không có quá trình lên men nào xảy ra cho đến khi nấm men mới được thêm vào. Tuy nhiên, nhiều nhà hóa học, bao gồm cả Antoine Lavoisier, tiếp tục coi lên men là phản ứng hóa học đơn giản và bác bỏ ý tưởng rằng sinh vật sống có liên quan. Quan điểm này đã bị chỉ trích trong một ấn phẩm không tên của Justus von Liebig và Friedrich Wöhler.

Bước ngoặt đến khi Louis Pasteur (1822–1895) tái thực hiện các thí nghiệm của Schwann vào những năm 1850 và 1860, chứng minh rằng lên men do sinh vật sống gây ra. Năm 1857, Pasteur xác nhận rằng lên men acid lactic được sinh vật sống thực hiện. Năm 1860, ông chứng minh rằng vi khuẩn là nguyên nhân gây chua trong sữa - một hiện tượng trước đó được coi là thay đổi hóa học đơn thuần. Công trình của ông đã xác định vai trò của vi sinh vật trong việc làm hỏng thực phẩm và dẫn đến việc phát triển quy trình thanh trùng.

Năm 1877, để cải thiện ngành chế biến bia ở Pháp, Pasteur đã công bố bài báo nổi tiếng về lên men mang tên 'Etudes sur la Bière' - dịch sang tiếng Anh là 'Studies on fermentation' - 'Nghiên cứu về lên men' vào năm 1879. Ông định nghĩa (dù chưa hoàn chỉnh) lên men là 'Sự sống thiếu khí', nhưng đã chỉ ra chính xác cách từng loại vi sinh vật gây ra từng loại lên men và sản phẩm cuối cùng cụ thể.

Mặc dù việc phát hiện ra rằng lên men được gây ra bởi hoạt động của vi sinh vật là một bước tiến quan trọng, điều này vẫn không giải thích được bản chất cốt lõi của lên men; hoặc không chứng minh rằng vi sinh vật là nguyên nhân duy nhất. Nhiều nhà khoa học, bao gồm cả Pasteur, đã không thành công trong việc chiết tách enzym lên men từ nấm men.

Sự đột phá xảy ra vào năm 1897 khi nhà hóa học Đức Eduard Buechner nghiền nát nấm men, lấy nước từ chúng, và ngạc nhiên khi phát hiện rằng dung dịch 'chết' này vẫn có khả năng lên men dung dịch đường, sản sinh ra carbon dioxide và rượu như nấm men sống.

Phát hiện của Buechner được coi là khởi đầu của ngành hóa sinh. 'Lên men không tổ chức' hoạt động tương tự như lên men có tổ chức. Kể từ đó, thuật ngữ enzym đã được áp dụng cho mọi dạng lên men. Các nhà khoa học hiểu rằng lên men là do enzym tiết ra từ vi sinh vật. Năm 1907, Buechner được trao giải Nobel Hóa học cho công trình của mình.

Những tiến bộ trong công nghệ vi sinh vật học và lên men vẫn tiếp tục cho đến ngày nay. Ví dụ, vào những năm 1930, các nhà khoa học phát hiện rằng vi sinh vật có thể được đột biến qua xử lý vật lý và hóa học để cải thiện năng suất, phát triển nhanh hơn, cần ít oxy hơn và có thể sử dụng môi trường đậm đặc hơn. Việc chọn lọc và lai tạo chủng cũng đã phát triển, ảnh hưởng đến hầu hết các quá trình lên men thực phẩm hiện đại.

Chú thích

Các liên kết bên ngoài

• Nghiên cứu của Louis Pasteur – Pasteur Brewing (lưu trữ ngày 24 tháng 6 năm 2010)
• Nguyên lý hóa học của quá trình lên men và hô hấp (lưu trữ ngày 17 tháng 9 năm 2008)