Ứng dụng quá trình lên men Acid Lactic trong công nghệ thực phẩm

Lên men Acid Lactic là quá trình chuyển hóa hiếm khí đường nhờ vào hoạt động của các vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn Lactic. Được ứng dụng vào trong sản xuất và lên men sữa chua, phomat, rau quả muối chua,… vì vậy, để hiểu rõ hơn về quá trình lên men lactic trong thực phẩm, chúng ta cùng tìm hiểu thông tin dưới đây nhé!

Acid Lactic là gì?

Acid lactic hay acid sữa là một hợp chất hóa học đóng vai trò rất quan trọng trong nhiều quá trình sinh hóa và lần đầu được phân tách vào năm 1780 bởi nhà hóa học Thụy Điển Carl Wilhelm Scheele. Acid lactic là một acid cacboxylic với công thức hóa học C3H6O3. Nó có một nhóm hydroxyl đứng gần nhóm cacboxyl khiến nó là một acid alpha hydroxy (AHA). Trong dung dịch, nó có thể mất một proton từ nhóm acid, tạo ra ion lactate CH3CH(OH)COO−.

Khi vận động mạnh và cơ thể không cung cấp đủ oxy. Cơ thể sẽ thoái hóa glucose từ các tế bào để biến thành acid lactic. Quá trình này sinh ra 150kJ năng lượng.

Phương trình: C6H12O6 → 2C3H6O3 + 150kJ

Acid lactic là chất chính tạo ra cảm giác mỏi ở cơ bắp, đây là sản phẩm của oxy hoá.

Acid lactic được lên men từ sữa, còn có tên gọi sữa chua hay còn gọi là yaourt (hoặc yogurt). Công dụng là kích thích tiêu hóa, đẹp da. 

Trong dược phẩm, thường dùng acid lactic trong các sản phẩm dành cho người chán ăn, tiêu hóa kém.

Quá trình lên men Lactic

Lên men lactic là quá trình chuyển hóa yếm khí carbohydrate thành acid lactic nhờ hoạt động sống của vi sinh vật, điển hình là vi khuẩn lactic. Có hai kiểu lên men lactic chính là và lên men lactic đồng hình và lên men lactic dị hình.

Lên men lactic đồng hình: là quá trình lên men do vi khuẩn lactic đồng hình. Chúng có khả năng phân hủy đường theo con đường đơn giản tạo nên acid lactic. Lượng acid lactic hình thành chiếm 90 – 98% trong sản phẩm.

Cơ cế của quá trình lên men lactic đồng hình

Lên men lactic dị hình: là quá trình lên men do các vi khuẩn lactic dị hình, phân hủy đường thành acid lactic. Ngoài acid lactic tạo thành còn có hàng loạt sản phẩm khác nhau chiếm tỷ lệ khá cao như: acid acetic, ethanol, glycerin, CO2, H2O, một số chất thơm như diacetyl, ester.

Cơ chế chung của quá trình chuyển hóa đường sữa, do vi khuẩn lactic đồng hình và dị hình

Quá trình lên men lactic diễn ra trong tế bào chất của vi khuẩn. Đầu tiên, đường lactose sẽ được vi khuẩn lactic đưa vào bên trong tế bào nhờ những cơ chế vận chuyển đặc trưng của màng tế bào chất. Tiếp theo, lactose sẽ được thủy phân thành hai monosaccharide rồi đi vào các chu trình chuyển hóa khác nhau.

Đối với nhóm vi khuẩn lactic đồng hình như giống Lactococcus, các loài Streptococcus thermophilus, Lactobacillus bulgaricus, Lactobacillus helveticus, Lactobacillus lactis, … chu trình đường phân là con đường chính chuyển hóa glucose thành acid lactic.

Phương trình tổng quát lên men lactic đồng hình.

Các vi khuẩn lactic dị hình giống như Leuconostoc. Do chúng không có một số enzyme của chu trình đường phân. Chúng chuyển hóa glucose giai đoạn đầu theo chu trình pentose-phosphate và tạo ra sản phẩm trung gian là xylulose-5-phosphate. Chất này sẽ được chuyển hóa tiếp thành glyceraldehyde-3-phosphate. Sau đó, tiếp tục đi theo giai đoạn cuối của chu trình đường phân. Tạo thành acid pyruvic rồi acid lactic như trong quá trình lên men đồng hình.

Theo một con đường trao đổi chất khác, xylulose-5-phosphate sẽ được chuyển hóa thành acetyl-phosphate. Sau đó là thành ethanol. Trong quá trình lên men dị hình, các sản phẩm chuyển hóa chính thu được acid lactic, ethanol, CO,…

Lên men lactic là một quá trình trao đổi năng lượng các phân tử ATP được hình thành trong quá trình chuyển hóa cơ chất (lactose) sẽ được vi khuẩn giữ lại trong tế bào để phục vụ cho hoạt động trao đổi chất và sinh trưởng của vi sinh vật, ngược lại, các sản phẩm như acid lactic, ethanol và CO, sẽ được vi khuẩn “thải” vào môi trường lên men. Kết quả là hàm lượng acid lactic tích lũy trong môi trường lên men ngày càng tăng làm giảm pH môi trường và kéo theo những biến đổi hóa lý khác.

Trong quá trình lên men lactic, ngoài sản phẩm acid lactic (lên men đồng hình), chanol, CO2 (lên men dị hình), trong dịch lên men còn xuất hiện nhiều hợp chất hóa học mới khác. Chúng là những sản phẩm trung gian hoặc sản phẩm phụ của quá trình lên men. Hàm lượng của chúng trong dịch lên men thường rất thấp (vài ppm hoặc ít hơn). Một số hợp chất trong nhóm trên rất dễ bay hơi. Chúng đóng vai trò quan trọng trong việc góp phần hình thành nên mùi, vị đặc trưng cho những sản phẩm lên men lactic, đáng chú ý nhất là diacetyl và acetaldehyde.

Quá trình tổng hợp diacetyl liên quan đến sự chuyển hóa citrate

Ở giai đoạn đầu của quá trình lên men, diacetyl được tổng hợp. Hàm lượng diacety trong môi trường sẽ tăng dần rồi sau đó sẽ giảm dần vào giai đoạn cuối. Đặc biệt khi hàm lượng citrate giảm giảm dần. Một phần diacetyl sẽ được chuyển hóa thành acetoin và 2,3 butanediol, Acetaldehyde được tổng hợp từ các sản phẩm của quá trình chuyển hóa glucose và một số acid amin.

Nhiều loài vi khuẩn lactic có khả năng sinh tổng hợp acetaldehyde. Đây là hợp chất quan trọng quyết định đến mùi vị đặc trưng cho sản phẩm lên men như yogurt…

Tỷ lệ hàm lượng diacetylacetaldehyde ảnh hưởng lớn đến giá trị cảm quan của yogurt và bơ. Tỷ lệ này phụ thuộc vào thành phần các chủng vi sinh vật sử dụng trong tổ hợp giống và các thông số kỹ thuật của quá trình lên men như: nhiệt độ, pH đầu, lượng giống cây…

Sinh tổng hợp acetyldehyde ở một số vi khuẩn lactic ưa nhiệt 

Hình thái một số vi khuẩn lacticd

Tác nhân vi sinh vật trong quá trình lên men lactic là vi khuẩn lactic thuộc họ Lactobacillaceae. Chúng được xếp vào bốn nhóm: Streptococcus, Pedio OCC 48, Lactobaccillus, Leuconostoc. Đây là những trực khuẩn hoặc cầu khuẩn không tạo bảo tử. Chúng thường không chuyển động và hô hấp yếm khí tùy tiện. Phần lớn chúng vẫn phát triển bình thường. Hầu hết không có khả năng lên men tinh bột và các polysacharide khác. Sự phát triển của nó cần một số acid hay các hợp chất hữu cơ chứa nitơ khác.

Ứng dụng của quá trình lên men Acid Lactic trong công nghệ thực phẩm

AXIT LACTIC là một hợp chất hóa học đóng vai trò vô cùng quan trọng đối với sức khỏe con người vì nó giữ vai trò bảo vệ trạng thái cân bằng của vi sinh vật trong đường ruột. Ngoài ra, các vi khuẩn có lợi này còn giúp tăng cường sức khỏe đường ruột, cải thiện sức đề kháng, kéo dài tuổi thọ.

Quá trình lên men lactic được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm. Dùng sản xuất một số thực phẩm lên men: yogurt, phomat, bánh mì đen, acid lactic, muối chua rau quả, các sản phẩm mỹ phẩm và TPCN…

Có thể chia vô vàn các sản phẩm lên men hiện nay thành năm nhóm:

1. Sản phẩm đậu tương lên men
2. Sản phẩm cá lên men
3. Sản phẩm rau củ lên men
4. Cháo và bánh mì lên men
5. Đồ uống lên men.

Vi khuẩn axit lactic tham gia vào toàn bộ các quá trình lên men của năm nhóm sản phẩm này theo nhiều mức độ khác nhau, ảnh hưởng tích cực hoặc tiêu cực đến thành phẩm cuối cùng. Khi làm tương đậu và sốt đậu mà diễn ra tình trạng hóa chua là dấu hiệu của việc lên men hỏng và vì thế nên tránh tình trạng này, lý do lên men hỏng là do nhiễm nấm men không mong muốn. Trong trường hợp lên men cồn ngũ cốc truyền thống, vi khuẩn axit lactic trong giai đoạn lên men ban đầu cung cấp một môi trường thuận lợi cho việc lên men ở giai đoạn sau trong khi giải phóng cồn, theo đó đóng góp vào hương và vị đặc trưng của đồ uống đó. Khi lên men nguyên liệu sống có nguồn gốc rau củ, vi khuẩn axit lactic đóng vai trò chính và sản lượng axit tối ưu thay đổi theo loại sản phẩm.
 

Các ưu điểm của việc lên men thực phẩm có tính axit là:

• Duy trì thực phẩm chống lại được hư hỏng do vi sinh vật gây ra đồng thời chống lại sự phát triển của những độc tố thực phẩm,
• Ức chế khả năng truyền đi các vi sinh vật gây bệnh của thực phẩm,
• Có thể giúp bảo quản được thực phẩm giữa thời gian thu hoạch và thời gian tiêu thụ,
• Điều biến hương vị của các thành phần ban đầu và thường cải thiện giá trị dinh dưỡng.

Vi khuẩn axit lactic giữ nhiều vai trò quan trọng trong những thực phẩm lên men của châu Á, đặc biệt là trong những sản phẩm rau củ lên men không có nguồn gốc từ sữa.. chúng còn được dùng để bảo quản những nguyên vật liệu thực phẩm ăn được thông qua quá trình lên men các nguyên liệu sống như là bia/rượu gạo, bánh gạo và cá bằng cách giải phóng các axit hữu cơ để kiểm soát các vi sinh vật gây thối rữa và tạo mầm bệnh.