Vi khuẩn lactic là nhóm vi khuẩn phổ biến trong tự nhiên và quan trọng nhất trong sữa, phân giải protein kém, được ứng dụng rất nhiều trong việc chế biến các loại thức ăn như sữa chua, muối chua rau quả, thịt chua, nem chua
Vi khuẩn lactic có trên các loại rau, trái cây và trong hệ thống đường ruột của động vật. Nhiệt độ sinh trưởng tối ưu dao động trong khoảng 25-47oC. Các vi khuẩn lactic được xếp vào họ lactobacter teriaceac. Mặc dù các vi khuẩn này không đồng nhất về mặt hình thái nhưng về sinh lý chúng tương đối đồng nhất. Tất cả đều có đặc điểm chung là vi khuẩn gram (+), không tạo bào tử. Trừ Sporolactobacillus inunilus, hầu hết không có khả năng chuyển động. Chúng thu nhận năng lượng nhờ phân giải các hợp chất cacbonhydrat và bài tiết axit lactic ra môi trường. Vi khuẩn lactic là nhóm lên men bắt buộc không chứa các xitocrom và enzym catalaza. Tuy nhiên chúng có thể sinh trưởng và phát triển khi có mặt của oxy không khí. Mặc dù thuộc nhóm kỵ khí nhưng cũng thuộc nhóm hiếu khí. Nhu cầu về dinh dưỡng của vi khuẩn lactic rất phức tạp, không có một loài nào có thể phát triển thuần khiết trên môi trường chứa glucoza và ion NH4+
. Đa số chúng cần hàng loạt các vitamin và axit amin. Vì thế người ta thường nuôi cấy chúng trên các môi trường phức tạp chứa một lượng cao nấm men, dịch cà chua hoặc thậm chí cả máu. Nhìn chung các vi khuẩn lactic là nhóm khó nuôi, dễ giảm hoạt lực.[2]
2.4.2. Lịch sử quá trình lên men lactic
Theo nhiều nghiên cứu thì lịch sử lên men lactic có thể được hình thành từ trước khi sự xuất hiện cuộc sống loài người trên mặt đất (Buchta, 1983). Trong quá trình tồn tại và phát triển, con người đã sử dụng các đặc tính bảo quản và chế biến thực phẩm của vi khuẩn lactic trong sinh hoạt hằng ngày. Năm 1975, các nhà khảo cổ đã phát hiện các lát bánh mì hóa thạch có niên đại vào khoảng năm 3560 đến 3548 trước công nguyên tại vùng hồ Biel, Thụy Sỹ dựa trên căn cứ về cấu trúc, kích cỡ, sự phân bố, người ta đã thấy sự miêu tả quá trình lên men từ bột mì. Ngày nay, mặc dù đã trải qua hàng nghìn năm nhưng các loại bánh mì làm theo kiểu này vẫn còn tồn tại và phát triển tại Châu Âu, bắc Mỹ (Cherl- Ho Lee, 1991). Từ lâu đời nay các hạt ngũ cốc lên men được sử dụng như một thói quen truyền thống ở các nước châu phi và ấn độ (Souane, 1991). H.J. Nisen và các cộng sự năm 1990 đã cho rằng
một số sách cổ trên khoảng 300 năm trước công nguyên ở vùng Uruk, Warka (Irac) có chứa những thông tin về các sản phẩm lên men. Hiện nay, nhiều gia đình có kinh nghiệm áp dụng các phương thức lên men tự nhiên các chất hữu cơ động thực vật bằng các vi khuẩn sinh axit latic để sản xuất các sản phẩm thực phẩm.
Các khám phá mang tính khoa học về lên men lactic được khởi đầu dựa trên những đặc điểm về hóa học và tính khác biệt của axit lactic từ các loại sữa lên men đã được Carl Whilhelm Scheele (1780) thực hiện ở Thụy Điển Louis Pasteur (1957) có hai bài viết về phương pháp lên men axit lactic phủ nhận học thuyết tự sinh và chứng minh các vi khuẩn là nguyên nhân gây ra quá trình lên men. Năm 1890 Wilhelm Strorch và Herman Weimann là người đầu tiên tách được vi khuẩn lactic từ sữa lên men tự nhiên và đã tạo ra phương pháp nuôi cấy sạch dùng cho công nghiệp chế biến sữa. [5]
2.4.3. Bản chất và cơ chế quá trình lên men lactic 2.4.3.1. Bản chất quá trình lên men
Lên men là quá trình quan trọng nhất trong sản xuất sữa chua. Đó là quá trình lên men lactic:
C12H22O11 + H2O → C6H12O6 + C6H12O6 Lactoza Glucoza Fructoza C6H12O6 → CH3-CO-COOH
Glucoza axit pyruvic
CH3-CO-COOH → CH3-CHOH-COOH axit pyruvic men lactodehydrogenaza axit lactic
Lên men là một quá trình oxy hóa khử xảy ra trong cơ thể sinh vật nhằm cung cấp năng lượng và các hợp chất trung gian cho tế bào vi sinh vật, bởi lẽ cơ thể sống luôn cần năng lượng mà năng lượng đó tàng trữ dưới dạng ATP.
Các phản ứng hóa sinh trong quá trình lên men là phản ứng tách và vận chuyển hydro ở dạng (H+ +e) dưới tác dụng của enzym dehydrogenaza. Trong quá trình đó hydro được tách ra khỏi cơ chất chuyển đến tiếp nhận cuối cùng là chất hữu cơ. Hợp chất hữu cơ đó được khử tạo thành sản phẩm lên men rồi tích tụ lại trong môi trường dinh dưỡng. Tùy theo sản phẩm tích lũy nào chiếm ưu thế mà ta có lên men lactic, lên men rượu...[2]
2.4.3.2. Cơ chế quá trình lên men
Lên men lactic là quá trình chuyển hóa gluxit thành axit lactic nhờ hoạt động của các vi khuẩn lactic. Tùy theo đặc điểm lên men của vi khuẩn latic mà người ta chia thành hai kiểu lên men: lên men lactic đồng hình và lên men lactic dị hình.
Trong lên men lactic đồng hình thì sản phẩm chỉ là axit lactic. Các vi khuẩn lactic lên men đồng hình có thể kể đến là Streptococus, Strepto Cremoris,
Lactobacterium Bulgaricus, Lacidophilus, L.delbruclkii, L.cucumerisfermentati.
Còn trong lên men lactic dị hình thì sản phẩm cuối cùng khá đa dạng bao gồm:
axit lactic, axetal, axit sucsinic, các este, diaxetyl, CO2, H2... Các vi khuẩn lên men lactic dị hình gồm có Es.Cherichia Coli và nhiều vi khuẩn trong giống Leuconostoc và giống phụ Beta bacterium.
Các vi khuẩn lên men đồng hình thì thiếu enzym phosphoketolaza là một enzym tồn tại trong các vi khuẩn lên men dị hình. Mặt khác, các vi khuẩn lên men dị hình lại thiếu enzym aldolaza có tác dụng phân cắt hợp chất fructoza-1,6 diphosphat trong lên men đồng hình.[2]
2.4.4. Vi khuẩn sử dụng trong quá trình lên men sữa chua
Trong sản xuất sữa chua thường dùng các chủng vi khuẩn lactic là Streptococus Salivarus Thermophilus, Lactobacillus delbrueckii Bulgaricus, Lactobacillus acidophilus, Bifidobacteria. Trong quá trình lên men sữa chua có hình thành các hợp chất bay hơi tạo hương vị đặc trưng của sữa chua như axetaldehyd, axeton, diaxetyl. Trong sữa chua có các hợp chất axetaldehyt và diaxetyl sinh ra bởi các vi khuẩn trong khi axeton sinh ra bởi các hợp chất lipit.
Trong sản xuất sữa chua ta thường gặp các chủng vi khuẩn lactic quan trọng sau:
2.4.4.1. Chủng Streptococcus Thermophilus
Đối với chủng này môi trường dung dịch và nhiệt độ có ảnh hưởng rất lớn đến hình thái của chúng. Trong sữa ở nhiệt độ 45oC, nó tạo thành những chuỗi ngắn, còn ở những nơi tự nhiên với nhiệt độ 30oC, nó ở dạng cầu đôi. Nó có thể tạo thành những chuỗi dài ở nồng độ axit cao trong sữa.
Streptococcus Thermophilus thuộc nhóm vi khuẩn lên men đồng hình sản xuất axit lactic từ đường với hàm lượng từ 85-98% và một lượng nhỏ các sản phẩm phụ khác. Vi khuẩn này thể hiện hoạt tính phân giải protein rất yếu trong sữa. Vi khuẩn
này có thể phát triển tốt ở nhiệt độ 50oC và sinh sản tốt nhất ở 37-40oC. Đây là vi khuẩn lactic chịu nhiệt độ lên men điển hình, có thể chịu được đến nhiệt độ đun nóng 65oC trong 30 phút nhưng chỉ phát triển được trong môi trường có độ axit thấp hơn L.bulgaricus.[5]
2.4.4.2. Chủng lactobacillus Bulgaricus và L.acidophillus
Đây là hai loài vi khuẩn được sử dụng phổ biến trong sản xuất sữa chua.
L.Bulgaricus là một loại vi khuẩn lên men sữa điển hình được phân lập từ sữa chua.
Chúng phát triển tốt nhất ở 45-50oC trong môi trường có độ axit cao. L.Bulgaricus là một vi khuẩn lên men điển hình được phân lập từ sữa chua. Còn L.acidophilus là vi khuẩn lactic đường ruột. Các chủng không có khả năng sử dụng raffinoza và stachyoza. L.Bulgaricus thuộc nhóm vi khuẩn lên men đồng hình sản xuất 1,7% D- axit lactic trong sữa. Còn L.acidophilus sản xuất từ 0,3-1,9% D-axit lactic.
Khối lượng nhỏ các sản phẩm phụ tạo thành các hợp chất thơm chủ yếu là các axetaldehyt do enzym Threonin tạo thành axetaldehyt và glyxerin. Các sản phẩm phụ tiếp theo có thể là: axeton butanol-2 và một lượng nhỏ axetoin. Các axit béo quan trọng nhất là các axit axetic, propionic, butyric, isovaleric caproic.
L.Bulgaricus thể hiện hoạt tính phân giải protein trung bình trong sữa dẫn đến sự tích lũy các axit amin tự do cao. Khi sử dụng hỗn hợp các chủng có S.Thermophilus thì sự giảm hàm lượng đường saccaroza thành hexoza như fructoza thì nhanh chóng hơn môi trường chỉ có một chủng S.Thermophilus. Điều này thể hiện vai trò gián tiếp của L.Bulgaricus.[5]
2.4.4.3. Chủng Bifidobacterium.ssp
Các vi khuẩn Bifidobacterium không thuộc nhóm Clostridium của các vi khuẩn Gram dương giống như các vi khuẩn lactic khác. Tế bào vi khuẩn này có dạng hình que, hơi cong, có phân nhánh, không điển hình. Mặc dù vậy người ta vẫn xem chúng như là các vi khuẩn lactic vì có khả năng tạo ra phần lớn các vi khuẩn trong quá trình lên men.
Bifidobacteria không phát triển trong môi trường sữa bò do ttrong sữa bò thiếu các yếu tố sinh trưởng cần thiết như N-axetyl-D-glucozamin. Qua việc tìm hiểu về đặc điểm sinh trưởng và phát triển của các vi khuẩn có khả năng lên men tạo sữa chua ta thấy việc phối hợp một số chủng vi khuẩn sẽ góp phần làm tăng khả năng lên men của sữa chua.[5]
2.4.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men lactic
Quá trình lên men lactic chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố. Trong những yếu tố đó có thể kể đến như: giống vi sinh vật, môi trường lên men và điều kiện lên men (số lượng giống, nhiệt độ và thời gian lên men). Ngoài ra quá trình lên men còn chịu ảnh hưởng của các yếu tố khác như việc cung cấp oxy và sự khuấy trộn...[3]
2.4.5.1. Giống vi sinh vật
Trong quá trình lên men các sản phẩm từ sữa, người ta sử dụng tổ hợp vi sinh vật gồm nhiều loại khác nhau. Khi đó mối tương tác sinh học giữa các loài sẽ mang lại những tác động có lợi cho quá trình sinh trưởng và trao đổi chất của tổ hợp giống.[2]
2.4.5.2. Môi trường lên men
Môi trường lên men với cơ chất đầy đủ, theo tỉ lệ tối ưu sẽ giúp cho quá trình lên men diễn ra nhanh và sản phẩm lên men đạt chất lượng tốt. Sữa chứa đầy đủ các nguyên tố cơ bản, khoáng và các yếu tố sinh trưởng cần thiết, được xem là môi trường hoàn hảo cho quá trình trao đổi chất của vi sinh vật.
Hai chỉ tiêu hóa lý quan trọng nhất của môi trường lỏng ảnh hưởng đến quá trình lên men là hàm lượng chất khô và pH.
Khi hàm lượng các chất hòa tan trong môi trường quá cao, màng tế bào vi sinh vật không thể duy trì sự cân bằng áp lực thẩm thấu được nữa, tế bào chất có thể bị co lại, tế bào bị biến dạng và hoạt tính trao đổi chất của vi sinh vật giảm đi. Do đó, để quá trình lên men diễn ra nhanh và chất lượng sản phẩm tốt, ứng với mỗi loại vi sinh vật, ta cần xác định hàm lượng chất khô tối ưu cho môi trường trước khi lên men.
Hoạt tính trao đổi và sinh trưởng của vi sinh vật phụ thuộc vào pH môi trường do pH ảnh hưởng đến hoạt tính các enzyme trong tế bào và cơ chế vận chuyển các chất của màng tế bào chất. Mỗi loài vi sinh vật sẽ có một khoảng pH tối thích tương ứng. Nhìn chung các vi sinh vật sử dụng trong các sản phẩm lên men thì khoảng pH tối ưu nằm trong vùng axit hoặc axit yếu (pH=4-6).[2]
2.4.5.3. Điều kiện lên men
Lượng giống cấy: nếu lượng giống cấy quá ít, thời gian lên men sẽ kéo dài.
Các vi sinh vật tạp nhiễm trong quá trình lên men dễ phát triển và có thể gây hư hỏng sản phẩm. Ngược lại, nếu giống cấy quá nhiều, thời gian lên men được rút
ngắn, tuy nhiên lượng sản phẩm phụ tạo thành sẽ thay đổi gây ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Hơn nữa việc tăng lượng giống sẽ làm tăng chi phí cho quá trình sản xuất.
Nhiệt độ: Trong công nghiệp sản xuất các sản phẩm lên men từ sữa thường sử dụng tổ hợp vi sinh vật và nhiệt độ tối ưu cho sự sinh trưởng của mỗi loài khác nhau. Do đó, ứng với từng quá trình lên men và tổ hợp vi sinh vật sử dụng người ta xác định nhiệt độ lên men tối ưu bằng thực nghiệm. Thông thường khi nhiệt độ lên men quá thấp, quá trình lên men sẽ kéo dài. Nhưng nếu nhiệt độ lên men quá cao hoạt tính trao đổi chất của vi sinh vật giảm và những hợp chất tạo hương dễ thất thoát hơn.
Thời gian lên men: tùy thuộc vào sản phẩm và hoạt tính loài vi sinh vật sử dụng. Trong sản xuất, người ta xác định thời điểm kết thúc quá trình lên men và ủ chín sản phẩm thông qua việc lấy mẫu đánh giá kiểm tra một số chỉ tiêu hóa lí và cảm quan.[2]