Quá trình lên men đóng vai trò quan trọng trong đời sống và sản xuất, đặc biệt ở các ngành thực phẩm, dược phẩm và công nghiệp. Đây là cơ chế chuyển hóa các hợp chất hữu cơ nhờ vi sinh vật, tạo ra nhiều sản phẩm giá trị. Trong bài viết này của MT, chúng ta sẽ cùng đi sâu hơn vào hoạt động lên men vi sinh, từ cơ chế, yếu tố ảnh hưởng đến các ứng dụng thực tiễn, giúp bạn nắm rõ toàn bộ nội dung cần thiết.
Lên men là gì?
Lên men là quá trình nuôi cấy và khai thác hoạt động của vi sinh vật nhằm tạo ra sinh khối hoặc thúc đẩy sự hình thành các sản phẩm trao đổi chất có giá trị. Trong quá trình này, các hợp chất hữu cơ, đặc biệt là đường được chuyển hóa thành acid, rượu hoặc khí nhờ sự tham gia của nấm men và vi khuẩn. Ví dụ điển hình là quá trình lên men acid lactic trong tế bào cơ khi thiếu oxy, hoặc quá trình nấm men chuyển hóa đường thành rượu và khí CO₂.
Trong công nghiệp, lên men được ứng dụng rộng rãi để sản xuất thực phẩm như sữa chua, phô mai, rượu vang và bia. Ngoài lĩnh vực thực phẩm, quá trình này còn đóng vai trò quan trọng trong việc nuôi cấy vi sinh vật nhằm thu sinh khối, enzyme, kháng sinh và nhiều hợp chất có lợi khác. Ngành khoa học nghiên cứu các quá trình lên men được gọi là zymology, phản ánh vai trò thiết yếu của lên men trong sinh học và sản xuất hiện đại.
Nguồn gốc và lịch sử của lên men
Khái niệm lên men đã xuất hiện từ rất sớm. Vào thế kỷ 17, Johan Baptist van Helmont nhận thấy cặn rượu vang có khả năng tiếp tục gây lên men, và ông gọi chúng là “fermentum”. Thuật ngữ “lên men” bắt nguồn từ tiếng Latin fervere, nghĩa là “làm chín”, mô tả hiện tượng biến đổi đường trong dịch chiết trái cây và ngũ cốc nhờ hoạt động của nấm men.
Đến năm 1836, nhà khoa học Theodore Schwann phát hiện quá trình lên men rượu thực chất là do sinh vật đơn bào, nấm men Saccharomyces thực hiện. Đây là một bước tiến quan trọng khi xác định được bản chất vi sinh của hiện tượng lên men.
Sau đó, năm 1854, Louis Pasteur tiếp tục chứng minh vai trò trung tâm của nấm men trong phản ứng lên men. Ông khẳng định nấm men sử dụng đường có trong nho để tạo ra rượu vang trong điều kiện kỵ khí và gọi hiện tượng này là “sự sống thiếu không khí”. Những phát hiện này đã đặt nền móng cho sinh học vi sinh và công nghệ lên men hiện đại, mở đường cho hàng loạt ứng dụng trong thực phẩm, dược phẩm và công nghiệp.
Cơ chế của quá trình lên men
Chuyển hóa lên men là một quá trình sinh hóa mà vi sinh vật chuyển hóa các hợp chất hữu cơ thành sản phẩm có giá trị dưới điều kiện thích hợp. Hiểu rõ cơ chế sẽ giúp kiểm soát sản xuất thực phẩm, đồ uống và các sản phẩm công nghiệp hiệu quả hơn. Các cơ chế chính bao gồm:
Điều kiện: Quá trình lên men chủ yếu diễn ra trong môi trường thiếu oxy (kỵ khí), nơi vi sinh vật không thể thực hiện hô hấp hiếu khí.
Nguyên liệu: Các loại đường như glucose, fructose, sucrose… là nguồn năng lượng chính, cung cấp chất nền cho vi sinh vật phát triển và tạo sản phẩm trao đổi chất.
Sản phẩm: Tùy thuộc vào loại vi sinh vật và điều kiện môi trường, hoạt động lên men vi sinh tạo ra các sản phẩm khác nhau:
- Lên men rượu: Nấm men chuyển đổi đường thành ethanol và khí CO₂.
- Lên men lactic: Vi khuẩn lactic biến đường thành axit lactic.
- Lên men acetic: Vi khuẩn acetic chuyển rượu ethanol thành axit acetic.
- Các loại lên men khác: Bao gồm lên men propionic, butyric… tạo ra các hợp chất chuyên biệt phục vụ thực phẩm và công nghiệp.
Quy trình và thành phần trong quá trình lên men
Quá trình lên men là một chuỗi hoạt động sinh học, trong đó vi sinh vật như nấm men và vi khuẩn trực tiếp chuyển hóa đường và các hợp chất hữu cơ thành sản phẩm giá trị như rượu, axit hay khí carbon dioxide. Để đạt hiệu quả cao, người thực hiện cần tuân thủ quy trình khoa học và kiểm soát chặt chẽ các yếu tố môi trường.
Bước 1: Chọn và chuẩn bị nguyên liệu
Chọn các nguồn giàu đường như trái cây (nho, táo), ngũ cốc (lúa mạch, gạo) hoặc sữa. Làm sạch nguyên liệu, sau đó nghiền hoặc xay nhuyễn để tạo điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật phát triển.
Bước 2: Cấy vi sinh vật
Lựa chọn chủng nấm men hoặc vi khuẩn phù hợp với sản phẩm mong muốn. Cấy vi sinh vật vào môi trường giàu chất dinh dưỡng, đảm bảo sinh trưởng và chuyển hóa hiệu quả.
Bước 3: Điều kiện lên men
Điều chỉnh các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ pH, độ ẩm và oxy. Vi sinh vật sẽ phân giải đường và các hợp chất hữu cơ, tạo ra sản phẩm cuối cùng như rượu, axit hoặc khí carbon dioxide.
Bước 4: Dừng quá trình và thu sản phẩm
Khi sản phẩm đạt yêu cầu, ngừng quá trình bằng cách làm lạnh hoặc tăng nhiệt độ. Tách sản phẩm khỏi bã và tiến hành các công đoạn tinh chế nếu cần, đảm bảo chất lượng và ổn định sản phẩm cuối cùng.
Ngoài ra, các thành phần quan trọng trong quá trình lên men gồm:
- Nguyên liệu: Nguồn carbon (glucose, fructose, sucrose), nguồn nitơ và các khoáng chất thiết yếu.
- Vi sinh vật: Nấm men và vi khuẩn theo từng ứng dụng.
- Môi trường lên men: Nước và chất dinh dưỡng hỗ trợ sinh trưởng.
- Yếu tố môi trường: Nhiệt độ, pH, độ ẩm và oxy được kiểm soát chính xác.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men
Quá trình lên men là một hiện tượng sinh học phức tạp, chịu tác động của nhiều yếu tố khác nhau. Nắm rõ những yếu tố này giúp tối ưu hóa hiệu quả lên men và đảm bảo sản phẩm đạt chất lượng cao. Các yếu tố quan trọng bao gồm:
- Vi sinh vật: Loại vi sinh vật quyết định sản phẩm tạo thành, số lượng ban đầu ảnh hưởng đến tốc độ và hiệu quả, hoạt tính của vi sinh vật phụ thuộc vào điều kiện môi trường và nguồn dinh dưỡng.
- Nguyên liệu: Thành phần hóa học như đường, protein, vitamin, khoáng chất ảnh hưởng đến tốc độ và sản phẩm, độ tinh khiết và kích thước hạt của nguyên liệu tác động đến khả năng tiếp xúc với vi sinh vật và kiểm soát quá trình.
- Điều kiện môi trường: Nhiệt độ, độ pH, độ ẩm, lượng oxy và áp suất đều ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và hoạt tính của vi sinh vật. Hầu hết quá trình lên men diễn ra trong điều kiện kỵ khí, nhưng một số vi sinh vật cần một lượng oxy nhỏ.
- Thời gian lên men: Thời gian và giai đoạn lên men quyết định chất lượng và số lượng sản phẩm, mỗi giai đoạn có đặc điểm sinh hóa riêng.
- Các chất ức chế: Chất kháng sinh, chất độc từ nguyên liệu hoặc môi trường, cũng như sản phẩm tạo ra trong hoạt động lên men có thể ức chế hoạt động của vi sinh vật, làm giảm hiệu suất sản xuất.
Các phương pháp lên men phổ biến
Quá trình lên men là một trong những công nghệ sinh học lâu đời và vẫn giữ vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp thực phẩm, đồ uống và dược phẩm hiện đại. Nhờ khả năng chuyển hóa nguyên liệu tự nhiên thành các sản phẩm có giá trị dinh dưỡng cao, hương vị đặc trưng và thời gian bảo quản lâu, các phương pháp lên men ngày càng được hoàn thiện và áp dụng rộng rãi.
Lên men ethanol (lên men rượu)
Lên men ethanol là phương pháp phổ biến nhất, sử dụng nấm men Saccharomyces cerevisiae để chuyển hóa đường (glucose, fructose, sucrose) thành ethanol và CO₂. Quá trình lên men rượu được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất bia, rượu vang, rượu mạnh và nhiên liệu sinh học ethanol.
- Ưu điểm: Hiệu suất chuyển hóa cao, sản phẩm có giá trị kinh tế lớn, dễ kiểm soát ở quy mô công nghiệp.
- Nhược điểm: Tạo ra lượng nhiệt lớn, nấm men dễ bị ức chế khi nồng độ ethanol vượt 12–15%, cần thiết bị loại bỏ CO₂ và kiểm soát nghiêm ngặt để tránh nhiễm khuẩn.
Lên men lactic
Phản ứng lên men lactic diễn ra nhờ vi khuẩn lactic (Lactobacillus, Streptococcus, Leuconostoc…) chuyển hóa đường (đặc biệt là lactose trong sữa) thành axit lactic, giúp giảm mạnh độ pH môi trường. Phương pháp này là nền tảng để sản xuất sữa chua, phô mai, dưa muối, cải chua, kim chi và nhiều sản phẩm lên men truyền thống của Việt Nam.
- Ưu điểm: Tăng thời gian bảo quản tự nhiên, cải thiện hương vị, tạo lợi khuẩn probiotic tốt cho sức khỏe đường ruột, không cần thiết bị phức tạp.
- Nhược điểm: Thời gian lên men khá lâu (vài ngày đến vài tuần), dễ bị nhiễm tạp nếu không kiểm soát vệ sinh và nhiệt độ chặt chẽ.
Lên men acetic
Lên men acetic là giai đoạn tiếp theo của lên men rượu, khi vi khuẩn acetic (Acetobacter, Gluconobacter) oxy hóa ethanol thành axit acetic, tạo nên giấm ăn. Quá trình này đòi hỏi phải cung cấp đủ oxy.
- Ưu điểm: Sản phẩm có tính kháng khuẩn mạnh, được dùng làm gia vị và chất bảo quản tự nhiên.
- Nhược điểm: Cần thời gian dài (tháng), hiệu suất thấp nếu thiếu oxy, mùi axit acetic nồng dễ ảnh hưởng đến môi trường sản xuất.
Lên men propionic
Vi khuẩn propionic (Propionibacterium freudenreichii) thực hiện quá trình lên men hỗn hợp, tạo ra axit propionic, axit acetic và đặc biệt là CO₂ – nguyên nhân hình thành các lỗ mắt đặc trưng trong phô mai Thụy Sĩ (Emmental, Gruyère).
- Ưu điểm: Tạo hương vị hạt rang đặc biệt và kết cấu đẹp cho phô mai cao cấp.
- Nhược điểm: Thời gian lên men rất lâu (thường vài tháng), yêu cầu kiểm soát nghiêm ngặt nhiệt độ và độ ẩm, chi phí sản xuất cao.
Lên men butyric
Quá trình lên men butyric do vi khuẩn kỵ khí Clostridium butyricum và một số loài khác thực hiện, chuyển hóa đường hoặc tinh bột thành axit butyric và khí H₂. Phương pháp này từng được dùng trong sản xuất bơ truyền thống và một số hóa chất công nghiệp.
- Ưu điểm: Tạo hương bơ tự nhiên đặc trưng.
- Nhược điểm: Axit butyric có mùi khó chịu (mùi ôi), dễ gây hỏng thực phẩm nếu không kiểm soát, hiện nay ít được ứng dụng trong thực phẩm mà chủ yếu trong công nghiệp hóa chất.
Ngoài các phương pháp trên, lên men sinh học còn dựa trên các phương pháp khác:
- Lên men citric: Dùng nấm mốc Aspergillus niger chuyển hóa đường thành axit citric, ứng dụng chủ yếu trong công nghiệp thực phẩm và dược phẩm.
- Lên men glutamate: Vi khuẩn Corynebacterium glutamicum sản xuất axit glutamic, nguyên liệu chính để làm bột ngọt (MSG).
- Lên men sản xuất vitamin: Sản xuất vitamin B12 (Propionibacterium, Pseudomonas), riboflavin (B2), vitamin C (hỗ trợ quy trình tổng hợp),… phục vụ ngành thực phẩm bổ sung và dược phẩm.
Ứng dụng quá trình lên men
Quá trình lên men mang lại giá trị đa dạng nhờ khả năng chuyển hóa nguyên liệu thành các sản phẩm có ích, không chỉ trong ẩm thực mà còn trong công nghiệp, dược phẩm và nông nghiệp. Cụ thể các ứng dụng như sau:
- Trong ngành thực phẩm: Hoạt động lên men vi sinh được ứng dụng rộng rãi để tạo ra nhiều sản phẩm đa dạng. Lên men rượu giúp sản xuất rượu vang, bia và rượu mạnh. Lên men lactic tạo ra sữa chua, phô mai và bơ. Men bánh mì giúp bánh nở, trong khi lên men lactic cũng tạo vị chua đặc trưng cho dưa muối, kim chi. Ngoài ra, quá trình này còn được dùng để sản xuất tương miso, nước tương, tương ớt và xúc xích.
- Trong ngành dược phẩm: Vi sinh vật trong quá trình lên men tạo ra kháng sinh (penicillin, cephalosporin), vitamin (B12, C), enzyme phục vụ công nghiệp và thực phẩm, cũng như một số loại vaccine.
- Trong ngành công nghiệp: Quá trình lên men sản xuất ethanol sinh học từ ngũ cốc, xử lý nước thải và chất thải hữu cơ, đồng thời sản xuất hóa chất quan trọng như axit citric, axit glutamic, axit lactic.
- Trong nông nghiệp: Lên men được sử dụng để sản xuất phân bón hữu cơ giàu vi sinh vật, cũng như một số loại thuốc trừ sâu sinh học, giúp cải thiện năng suất và chất lượng cây trồng theo hướng bền vững.
Quá trình lên men đóng vai trò then chốt trong sản xuất thực phẩm, đồ uống, dược phẩm và các sản phẩm công nghiệp, giúp chuyển hóa nguyên liệu thành các sản phẩm giá trị nhờ hoạt động của vi sinh vật.
Sau khi hiểu rõ vai trò và ứng dụng của quá trình lên men, việc lựa chọn đúng thiết bị công nghệ sinh học là yếu tố quyết định hiệu quả sản xuất. MT cung cấp đa dạng thiết bị lên men hiện đại, đáp ứng nhiều quy mô và lĩnh vực khác nhau, từ nghiên cứu đến sản xuất công nghiệp. Bên cạnh đó, hệ thống nuôi cấy Bioreactor và máy lên men vi sinh fermenter cho phép kiểm soát chính xác các điều kiện nuôi cấy, giúp duy trì độ ổn định và đồng nhất của sản phẩm. Để hoàn thiện quy trình sản xuất, MT còn cung cấp các thiết bị hỗ trợ như housing lọc, lọc tiếp tuyến và bơm ly tâm GEA, góp phần nâng cao độ tin cậy và hiệu suất vận hành của toàn bộ hệ thống.
Hãy liên hệ MT để được tư vấn chi tiết.
- Địa chỉ: TK40/10 Đường Trần Hưng Đạo, Phường Cầu Ông Lãnh, TP. Hồ Chí Minh, Việt Nam
- Hotline: 0767 067 567
- Email: infor@mtenequip.com
