Nghiên cứu Vi sinh vật sinh học cơ sở (Tập II - Tái bản lần thứ nhất): Phần 1

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:146

Thêm vào BST

Báo xấu

10
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Cuốn sách "Cơ sở sinh học vi sinh vật (Tập II)" đề cập nhiều kiến thức mới về công nghệ vi sinh và công nghệ sinh học, các quá trình lên men, quang hợp, cố định đạm, các quá trình thông tin di truyền ở vi sinh vật và những vấn đề chủ yếu của miễn dịch học... Sách được chia thành 2 phần, mời các bạn cùng tham khảo phần 1 cuốn sách.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu Vi sinh vật sinh học cơ sở (Tập II - Tái bản lần thứ nhất): Phần 1

NGUYỄN THÀNH ĐẠT ! ® § ĩ ỉ g ( E n ) Ị 3 p VI SINH VÂT NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC s ư PHẠM
GS. TS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Cơ s ở SINH HỌC VI SINH VẬT Tập II (Tái bản lần thứ nhớt) NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC SƯ PH Ạ M
THAY CHO LỜI MỞ ĐẦU TẬP II Tập I c u ố n Cơ sở sin h h ọ c vi sin h vậ t đã ra m ắt b ạn đ ọ c vớ i cá c chương: I - Vi sinh vật - bạn và th ù ở quanh ta II- T ế bào học vi sinh vật III- Đại cương về v iru t học IV - Dinh dưỡng và sinh trưởng p h át triể n của vi sinh v ật V - Trao đổi chất ở vi sinh vật N ội d u n g tập II gồm cá c chương: VI - Cốc quá trìn h lên men VII - Vi k h u ẩn quang hợp và cố định đạm VIII - Di tru y ền và biến dị ở vi sinh v ật IX- Đại cương vê' quá trìn h nhiễm k h u ẩn và miễn dịch. Cũng như cách viết trong tập I, ở tập II này trong mỗi chương cũng có ba phần: phần từ khóa, phần nội dung và p hần câu hỏi ôn tập. Nội dung tập II đề cập nhiều kiến thức mối về công nghệ vi sinh và công nghệ sinh học, các quá trìn h lên men, quang hợp, cố định đạm , các quá trìn h thông tin di truyền ở vi sinh v ật và những vấn đề chủ yếu của miễn dịch học... Nhiều thàn h tựu của Việt Nam và th ế giới được giới thiệu trong tập II, nhiều quy trìn h công nghệ đã được sơ đồ hóa, nhiều kiến thức so sán h đã được đưa vào bảng biểu. Trong phần câu hỏi ôn tập đã giới thiệu các câu hỏi truyền thống, câu hỏi suy luận và cả những bài tập nghiên cứu. Tuy nhiên, vì thời lượng có hạn, lại phải ưu tiê n cho các k iến thức có giảng dạy ở phổ thông, nên một số p h ần r ấ t hay n h ư n g không th ể 3
trìn h bày kĩ hơn được. Phương pháp trìn h bày tro n g tậ p I cũng như tập II cô gắng góp ph ần rè n luyện nghề làm thầy. K ênh chữ và k ên h hình thông n h ất, các kiến thức cơ bản, kiến thức quy lu ậ t đã được nh ấn m ạnh, khắc sâu trong cuôn sách này. Chúng tôi hv vọng cuốn sách giúp ích được cho bạn đọc và xin chân th à n h cảm ơn những góp ý xây dựng để lần tái bản sau được tố t hơn. T ác g iả 4
Chương VI CÁC QUÁ TRÌNH LÊN MEN 1. TỪ KHÓA - Lên men (ferm entation): Theo nguyên ngữ học (étymologie) từ gốc là íềrvere có nghĩa làm sủi bọt, nghĩa của th u ậ t ngữ này đã được xác định trong nhiều công trìn h khoa học nổi tiếng: Van H elm ont (Hình thàn h CO-)). Cavendish (CO, chiếm 57% của đưòng lên men), Lavoisier, G ay-lussac (phương trìn h lên men rượu), C agniard (nấm m en là những cơ th ể sống), P arteu r (sự sống không cần không khí), Biichner (một quá trìn h lên men có th ể thực hiện không cần có m ặt của cơ thế sông). - Lên men là một quá trìn h biến đoi sinh học (biotransform atiorf) sử dụng các vi sinh vật. T h u ật ngữ này nói đến con đường chuyên hóa các chất phân giải các hợp chất hữu cơ nhờ tác động của các cđ th ể và tế bào để tạo th à n h năng lượng hóa học dưới dạng ATP không có ôxy phân tử tham gia. - C hất chuyến hóa sơ cấp (prim ary metabolite): Một ch ất chuyến hóa đượr tiế t ra trong pha sinh trưởng (đọc thêm ỏ từ khóa chương V). - C hát chuyển hóa thứ cấp (secondary metabolite): M ột ch ấ t chuyển hóa được tiết ra ỏ cuôi giai đoạn sinh trưởng cấp sô" và trong giai đoạn cân bàng động (xem thêm từ khóa chương V). - Vang (wine): M ột sản phẩm không chưng cất của qu á trìn h lên men níỢu từ dịch quá nhò nấm men. - Enzyme: m ột ch ấ t protein xúc tác thúc đẩy các p hản ứng hóa học. Đó là những protein xúc tác sinh học đối với các p h ản ứng hóa học trong tế bào. Theo ủy ban enzym của hội sinh hóa quốc tê th ì các enzym 5
được xếp th à n h 7 lớp, mỗi lớp chia th à n h các lớp phụ, mỗi lớp phụ lại chia th à n h các nhóm. Các lớp chủ yêu là: oxydoreductaza, tra n sfe ra z a . hydrolaza, lyaza, isom eraza, ligaza và sy n th e ta za. Mỗi d a n h từ chi một enzym th ấy có tên của cơ chất, của sản phẩm và tê n enzym thuộc về lớp nào. Ví dụ: L.M alate - NAD - oxydoreductaza hay L .a sp arta te - carbam yltransferaza. Các enzym cũng có thể được viết dưới dạng số trong b ảng p h ân loại chúng. - Chuyển hóa các chất (metabolism): toàn bộ các p h ản ứng sin h hóa trong tế bào - Tiệt trù n g (sterile): không có b ất kỳ cơ chê sông và virus. - Cơ th ể hiếu khí (aerobe) một loại vi sinh v ật có k h ả n ăn g sứ dụng 0;, trong hô hấp. - Cơ th ể kỵ khí (anaerobe): vi sinh vật không có k h ả n ăn g sử dụng 0 , trong hô hấp, hơn nữa ôxy phân tử gây hại hoặc d iệt chết chúng. - Cơ th ể hô hấp tùy nghi (Facultative): cơ th ể có th ể sông tro n g điểu kiện có hay không có ôxy phân tử. - Giông th u ầ n (pure culture): một quần th ê vi sin h v ật chỉ chứa một loại vi sinh vật. Q uần th ể này được sinh ra nhò sự sinh sản vô tín h từ tế bào ban đầu. ■ Công nghệ sinh học (Biotechnology): sử dụng n hững nguyên lí sinh học và công nghệ đê xử lí cơ chất nhờ các tác n h â n sin h học n h ằm sản xuất công nghiệp của cải vật chất nhu cầu của con người và cải tạo môi sinh. - Protein đơn bào (single - cell protein): loại protein tá ch ra từ tế bào vi sinh v ật dùng làm thực phẩm hay thức ăn bổ sung cho người và động vật. • Cơ thế hóa dưỡng vô cơ (chem olithotroph): vi sin h v ậ t có k h ả n ăng ôxy hóa các hợp ch ấ t vô cơ làm nguồn năng lượng. 6
- Hỗn dưõng (Mixotrophic): một trạn g th á i dinh dưỡng trong đó một hợp chất vô cơ là nguồn năng lượng (chất cho điện tử) trong khi các hợp chất hữu cơ là nguồn cacbon. - Lên men lăctic đồng hình (F erm entation homolactic or ferm entation lactic sensu stricto) là loại lên men lăctic gây ra bởi các vi k huẩn thuộc họ lactobacteriaceae và một số vi sinh v ật khác. N hững vi k huẩn lên men lăctic đồng hình là vi kh uẩn gram dương, chịu nhiệt, vi hiếu khí (microaerophile). Phương trìn h tổng quát: glucoza + 2ADP + 2Pi -» 21actat + 2ATP Điều đáng lưu ý là lên men lăctic đồng hình không tạo bọt khí. Như vậy về lí thuyết đôi với 686 Kcal của một phân tử đường, th ì la cta t chứa 628 Kcal, phần còn lại ở trong 2ATP và khoảng 20 Kcal bị tỏa nhiệt. - Lên men lăctic dị hình (ferm entation heterolactic) là loại lên men lăctic phức tạp gây ra bởi Leuconostoc (chủ yếu), nhiều loại Lactobacillus, Escherichia, và một số vi sinh v ật khác nữa. P h ần lớn lên men lăctic dị hình có thể viết tổng q uát như sau: 2 glucoza + H.,0 + ADP + Pi — 2 lactat + axêtat + ethanol + 2COo + 2H.,. Lên men lăctic dị > hình sinh ra nhiều bọt khí, và chi hình th à n h được 1ATP đối với 1 phân tử glucoza được sử dụng. - Lên men rượu (Ferm entation alcoholic) là loại lên men gây ra bơi các nấm men Saccharomyces (chủ yểu) và một số vi sin h v ật khác. Phương trìn h tổng q u át do Gay - Lussac viết như sau: CcH^Oc -> 2C2H5OH + 2CO, + 33Kcal (trong đó 25 dưới dạng n h iệt và 8 dưới dạng năng lượng hóa học). - Axêtoine: Hợp chất axêtoine CH:j - CH (OH) - c (O) - CH. được hình thàn h trong một số quá trìn h lên men. Ví dụ trong quá trìn h lên men bia, rượu hợp ch ấ t tru n g gian axêtôlactat sẽ bị dicacboxyl do tác dụng của ôxy-hòa ta n đê tạo th à n h hợp ch ất độc đôi với hệ th ầ n kinh là diaxetyl (CH;j - c o - c o - CH3), hợp chất này bị khử trong quá trìn h lên men phụ đẽ biến th à n h chất không độc là axêtoine. - Abzyme là nhửng protein hoặc loại p hân tử khác m à tín h ch ấ t của 7
nó tương tự như tín h chất của enzym (khoảng 10 năm gần đây người ta p hát hiện m ột sô kháng thể có thể xúc tác các p h ản ứng giông n h ư các enzvm) (N .Sarvetnick, 1994). - Axêtal: sau khi cố định một phân tử nước, một ald ehyte chức n ăn g có thế kết hợp vói một hoặc hai phân tủ rượu đê h ình th à n h hoặc là ọ - R' ọ -R' II ¥ R- C - o - R’ axêtal hoặc hem iaxetal R - C - OM I ' I II II - Axetyl (nhóm acetyl; dẫn xuất của axit axetic CH.ịCO , nhóm này thường dược viết Ac. - A ldehyte (nhóm chức năng Aldehyte) nhóm chức n ăng hóa học bao Q II gồm nhóm cacbonyle m ang một nguyên tử hydrô R - c - II . - Angstrom (A ) đơn vị đo chiều dài bằng 10 '10m. - Aspergillus: N ấm mốc, giai đoạn sinh sản vô tín h được coi ở lớp nấm bất toàn, giai đoạn hữu tính chúng thuộc vê lớp n ấm túi (Ascomycetes), loại nấm r ấ t phổ biến ở đất, có vai trò q uan trọng trong công nghiệp sản x u ất các axit hữu cơ, các enzym. M ột sô’ loại có th ể sinh ra độc tô’ Aflatoxine. - H ấp tiệ t trù n g (Autoclave): một cách th a n h trù n g phôi hợp áp lực hơi nước và n h iệt độ đê th a n h trừ ng các môi trường lỏng. rắn . thường dùng dưới áp s u ấ t 0,5 - 1 atm trong 30 p h ú t (tức là k h oảng 110 - 120r,c trong 30 phút). - Tự tan (Autolyse): sự ta n của các tế bào do các enzym của ch ính tê bào thủy phân. - Tự dưỡng (Autotrophe) cơ the có th ê tông được các hợp ch ấ t hữu cơ cho mình từ các hợp ch ấ t vô cơ như anhvdride cacbonic, cacbonate hoặc bicacbonate. - Bactericide: chất (phân tử) diệt khuẩn. - Bacteriocine: các protein độc tô ngoại bào (exotoxine) được vi 8
k h u ẩn sinh ra. Các độc tố này tiêu diệt các vi k h u ẩn khác, nhưng không tiêu diệt các cơ thể nhân chuẩn (Eucaryote). Thông tin di tru y ền sinh protein độc tố này nằm ở các plasmide, khoảng m ột nửa số chủng E.coli mới phân lập có th ể sinh Colicines. Staphylococcus sinh Staphylococines, Pyocines do Pseudom onas sinh ra, M egacines chiết từ Bacillus, Pesticine từ P asteurella, Mycobacteriocine từ M ycobacterium. Ngày nay N isine và Microcine do Lactococcus sinh ra, được nghiên cứu để ung dụng trong sản x u ất fromages chống lại C lostridium butyricum . - Bacterioide: Một trạn g thái sống của vi kh u ẩn , thường th ấy bacterioide là những vi k h uan đang sông cộng sinh với một sô’ thực vật (ví dụ trong nô’t sần của cây họ Đậu). - Caseine: Nhóm protein tách ra từ sữa có m àu trắn g . Các a và p caseine là những polypeptid chứa một số axit am in kị nước. C húng được hình th à n h trên môi trường giầu ion calcium, còn caseineK là một glucoprotein có cấu trúc khác với các a và p caseine. - Chu trìn h x itra t hav chu trìn h Krebs, chu trìn h axit tricarboxylic (ATC) là chu trìn h chuyển hóa các chất m à qua đó 2 nguyên tử cacbon (nhóm ax etat được vận chuyển bởi CoA) được ôxy hóa hoàn toàn th à n h CO., và mỗi vòng của chu trìn h năng lương được giải phóng dưối dạng: 3NADH + H \ 1FADH, và 1ATP. Chu trìn h K rebs xảy ra ở m àng trong của ty thê (đối với Eukaryote) hoặc trên m àng t ế bào ch ấ t (đối với Prokaryote). - Dalton: đơn vị đo khối lượng phân tử hoặc tập hợp p hân tử. Một dalton bằng ph ần 12 của khối lượng nguyên tử cacbon 12 hay 1,66.10' ■7kg. Đơn vị này thường được kí hiệu là Da, người ta còn sử dụng bội số của dalton: Kilo D alton viết tắ t là Kda. Sô’ lượng 1 hợp ch ất cacbon có khôi lượng m Da hòa ta n trong 1 lít dung môi để th u được một p hân tử gram (mol), tức là m X 6,023.10“3 D alton của nguyên tử cacbon, hoặc m X 6,023.1023 xl,66.10'27 kg nguyên tử cacbon, hay mg. - D extrane: Polyside ph ân n hánh được h ình th à n h bơi chuỗi cấu tạo từ các đơn vị a glucoza liên kết bởi các môi 1-6, trê n n h ữ n g chuỗi này gắn các chuỗi ngắn hơn liên kết bởi các mạch 1-4. D ex tran e thường gặp 9
ỏ nhiều loại vi khuẩn. D extrane th ì được dùng làm châ” trơ tro n g sãc kí t lọc trên gel. - D extrine: Polysaccharide th u được nhò thủy p h ân tin h bột. - E ster: Hợp chất hóa học có được do loại bỏ m ột p h â n tử nưốc giữa ọ ¥ nhóm chức năng axit và chức năng rượu R - c - o - CH2 - R'. N guyên tủ ôxy của phân tử nưốc bị loại bỏ đi vào nhóm chức n àn g axit. - Ether: hợp chất hóa học có được do loại bỏ một p hân tử nước giữa 2 nhóm rượu R-CH,-0-CH2-R’. Môì liên k ết ở đây gọi là liên k ết ether. - Đơn vị khối lượng nguyên tử (Unite de m asse atom ique: um a): là phần 12 của khối lượng nguyên tử cacbon 12 hay l,6 6 1 x l0 '27kg. - Um a cũng được định nghĩa tương tự như Dalton, nhưng U m a chỉ được áp dụng đôi với các hợp chất đă được xác định hoàn toàn về hóa học. - U ltraviolet: Một ph ần của phố ánh sáng có độ d ài sóng k h o ản g 380 và vài phần chục của nm (nanom etre). Tia X là tia điện từ trườ ng có độ dài sóng khoảng từ 10 đến 50nm. 2. LẺN MEN ETHYLIC 2.1. Khái niệm Lên men rượu là m ột quá trìn h sinh hóa phức tạ p cần có sự th am gia của nâm m en hoặc một sô vi sinh vật khác. T rong qu á tr ìn h lên men rượu, đường được biến dổi th à n h rượu êthylic và c o , . Q uá trìn h lên men rượu kèm theo sự hình th àn h các sản phẩm , đồng thời giải phóng năng lượng (117,6 kJ). So với sự phân giải kị k h í các ax it h ữ u cơ khác th ì lên men rượu trả i qua quá trìn h phức tạp hơn nhò sự xúc tác của hàng loạt các hệ enzym khác nhau. Trong p h ản ứng lên m en, đường được chia cắt th à n h các hợp chất có m ạch cacbon đơn giản hơn. Lên m en rượu là quá trìn h vi sinh học đã được con người sử dụng từ thòi xưa. nhưng bản ch ấ t hóa học của nó đên nay mới được d ần dần sán g tỏ. 10
2.2. Tác nhân của quá trình lên men ethylic Tác n h ân chính của quá trìn h lên men rượu là các loài nấm Saccharom yces (viết tắ t là S). Đây là tên nấm m en theo nghĩa hẹp. Còn nấm men theo nghĩa rộng là nhóm nấm có cơ th ể đơn bào hoặc tập hợp đơn bào, n h ân chuẩn, hiển vi, chúng có th ể thuộc vê' 3 lớp nấm : N ấm tú i (Ascomycetes), Nấm đảm (Basidiomycetes) và Nấm b ất toàn (D euterom ycetes hay Fungi imperfecti). Các loài nấm men Saccharom yces có tế bào hình ôvan, Kích thước khoảng 3-10 X 5-12(.im. T rong công nghệ sinh học người ta có th ể tuyển chọn các chủng nấm men có kích thưóc lớn, đa bội và hoạt tính sinh học r ấ t cao. Nấm men Saccharomyces sinh sản vô tính theo cách nẩy chồi, có k hả n ăng hình th à n h bào tử trong điều kiện n h ất định, thường 1-4 bào tử. sống kỵ khí không bắt buộc. C húng có khả năng phân giải kỵ khí các loại đưòng khác nhau, có thể sử dụng nhiều nguồn nitơ vô cơ và hữu cơ, nhưng không có khả năng đồng hóa n itra t (đối với S.cerevisiae). Trong hình VI-1 nêu lên các hình thức sinh sản vô tín h của nấm men, hình VI-2 nêu lên một sô dạng hình th á i tê bào nấm men và sự hình th àn h hệ sợi giả, sự hình thàn h hệ sợi ở nấm men thường th ấy sau 4-5 ngày nuôi cấy trên môi trường Thạch-dextro (PDA) khoai tây. 11
c? Ơ o» Nâv ch'öi ờ l cực < a cO Này chồi ờ nhicu cực Bào tử Iren ciiốns Hình VI-lế Hinh thúc sinh sàn sinh đưõng ỏ một số nòm men (Kreger Van Rij. 1984) . Sự hìn h th à n h bào tử vô tín h ỏ nấm men thường th ấ y như bào tử dây (Chlamydospore) ỏ Candida albicans, M etschnikow ia, T richosporon hay Cryptococcus, bào tử bắn (Ballistospore) ở các loài của Sporobolomyces. Các nấm m en Saccharom yces thuộc lớp Ascom ycetes h ìn h th à n h bào tử hữu tính trong các túi. Nấm men có th ể đơn tả n (homothallic) hoặc dị tả n (heterothallic). ớ trạn g thái đơn bội (haplophase) hoặc (và) lưõng bội (diphophase). Các tú i có thê dược hình th à n h theo các cách k h ác n h au .tro n g trường hợp nấm m en đơn tả n th ì trạ n g th á i đơn bội ưu thế, quá trìn h 12
hợp tế bào ch ấ t (Plasmogamie), hợp nhân (Caryogamie) và giảm nhiễm xẩy ra ở hợp tử, đây là tế bào do hợp n h ấ t 2 tế bào dinh dưỡng, trạn g thái lưSng bội chỉ còn ở hợp tử. H ình thức lưỡng bội hóa (diploiđisation) thô sơ n h ấ t diễn ra giữa tê bào mẹ và tế bào đầm chồi của nó: đây là trưòng hợp th ấy ỏ các nấm m en Schwanniomyces, Torulaspora, Debaryom yces, W ingea và một sô' loài của Pichia và H an sen u la (Kreger Van Rij,1984). S .c e r e v is ia e S .c e r e v is ia c .tr o p ic a lis 0 O s / 2 'Ị £ c o ' • S i c .m o g ii c .p in u s H 's p o r a ( c e l lu l e s a p i c u l é e s ) y % 4 ^ 'Ẩt % /D T rig o n o p s is ( c e llu le s tria n g u la ir e s ) S c h iz o s a c c h a ro m y c e s .S f i # ' e , À ỒB. C .t r o p i c a l is c p in t o l o p e s i i Hình VI-2: Hỉnh dang một sỏ’ nấm men. tế b à o và sọi 13
S .c e r e v i s i a e Pichia farinosa Schizo. octosporus < ? « < > ữ> Hansenula saturnus H a n s e n ia s p o r a M e ts c n n iK o w ia (spores avec anneau de Saturne) ( s p o r e e n c h a p e a u ) (s p o r e e n a ig u ille ) Hình VI-3: Túi và b à o tủ túi ỏ một sỏ’ nấm men (Theo Kreger Van Rij. 1984) Sự lưõng bội hóa có th ể thực hiện giữa 2 tế bào độc lập b ằn g cách hợp n h ấ t trực tiếp như ỏ Schizosaccharom yces hoặc gián tiếp qu a ông tiếp hợp như ỏ Zygosaccharomyces, D ebaryom yces, W ingea, Torulaspora. Trong hình VI-3 nêu lên một sô dạng tú i và bào tử tú i của một số giống nấm men. Từ trước đến nay đã có nhiều khóa phân loại nấm men, n h ư n g khóa hay dùng n h ấ t là của Lodder (1970) và của K reger V an Rij (1984). Theo Lodder (1970) nấm men được chia th à n h 39 giống và 349 loài, bao gồm: các giống nấm men hình th à n h tú i (22 giông), các giông nấm men giả thuộc bộ U stilaginales, thuộc họ Sporobolom ycetaceae và các giống nấm men không sinh bào tử như C andida, Crypto coccus, Rhodotorula, Torulopsis, Trichosporon.v.v... Theo K reger V an Rij (1984) th ì nấm men thuộc về 3 lớp (bảng V I-1) gồm 7 họ (bảng VI-2) và 60 giống (bảng VI-3) gồm 500 loài. 14
Bàng VI-1 Phân loqi nấm m en theo c á c lốp Acomycetes Hemiascomycetes Endomycetales Sperniophthoraceae Saccharomycetaceae Basidioraycetes U stilaginales Filobasidiaceae Nấm men hình thành teliospores Tremellales Sirobasidiaceae Tremellaceae Deuteromycetes Blastomycetes Crytococcaceae Sporobolomycetaceae Bỏng VI-2 Phân loại nấm m en sinh b à o tú túi Spermophthoraceae Coccidiascus Metschnikovvia Nematospora Saccharomycetaceae Schizosaccharomycetoideae Schizosaccharomyces Nadsonioideae Hanseniaspora Nadsonia Saccharomycodes Wickerhamia Upomycetoideae Lipomyces Saccharomycetoideae Ambrosiozyma Pachysolen Arthroascus Pachyticospora Citeromyces Pichia Clavispora Saccharomyces 15
Cyniclomyces Saccharomycopsis Debaryomyces Sehwaniomyces Dekkera Sporopachydemia Guilliemondella Stephanoascus H ansenula Torulaspora Issatchenkia \Vickerhamieiia Kluvveromyces Wingea Lodderomyces Zvgosacchoromyces Bóng VI-3 Phôn loại nam men sinh b ão tú đàm Filobasidiaceae Chionosphaera Filobasicliella Filobasidium Nấm men hình thành teliospores Leucosporidium Rhođospoiidium SporidioDolus Sirobasidiaceae Fibulobasidiuni Sirobasidium Tremellaceae Holteraannia Tremella Bàng VI-4 Phân loai nâm m en b â t toàn Cryptococcaceae Aciculoconidium Rhodotorula Brettanomyces Sarcinosporon Candida Schizoblastosporion Cryptococus 16
Sterigmatomyces Kloeckera Svmpodiomyces Malassezia Trichosporon Oosporidium Trigonopsis Phaffia Sporobolomycetacae Bullera Sporobolomyces Đế sản x u ất rượu công nghiệp, người ta cần tuyển chọn nấm men Saccharomyces theo các tiêu chuẩn sau: Đặc điểm tốt Đặc điểm không tốt Đặc điểm lưu ý khác - Tạo được nhiều rượu - Sản sinh H2S - Chống chịu với S 0 2 - Chịu được nồng độ rượu - Hình thành axit bay hơi - Các yếu tố hủy diệt cao - Sản sinh S 0 2 (Facteur Killer) - Hình thành các ester - Tạo bọt - Phân giải axit malic. - Sản xuất glyxerol - Sinh quá nhiều rượu bậc - Thích nghi với nhiệt độ cao (quá cao hoặc thấp) - Hình thành các hợp chất - ít đòi hỏi các yếu tố dinh kết hợp với H2S dưỡng Các loài thường dùng trong lên men 1'U'ỢU là: 1- Saccharom yces cerevisiae (Hansen) còn gọi là nấm m en b ánh mỳ, nấm men bia rượu. Chúng có thè lên m en 95% đường glucoza theo con đường đường p h ân kỵ khí, khi hiếu khí cũng b ằng con đường này chúng sử dụng được 70% glucoza. H oạt tín h lên men cực đại ở pH 4,5-5. N ấm m en nổi làm bán h mỳ có khả năng lên men n h an h , n ấm chìm lên men chậm hơn như ng không tạo bọt khí. S.cerevisiae có th ể sử dụng nhiều loại đường: glucoza, galactoza, m altoza, saccharoza, nhưng không đồng hóa trực tiếp được lactoza và không đồng hóa n itra t (M .Bugnicourk, 1995). Chúng có thể tích lũy trong môi trường lên men 6-12% rượu, thường dùng sản x u ất bia đen (Ale, Porte). DẠI H Ọ C T H Ấ I N G U Y Ê N 17 Y'V • ễ,1 C I vr V P . í f ■? ' 2- C S SH V SV - T2 ‘í i. ìty W
2. S.ellipsoïdes đâm chồi liên tục nên hình th à n h hệ sợi giả, nấm men của rượu vang nho, được coi là một loài gần với S.C erevisiae, chúng có khả năng hình th à n h đến 17-18% rượu. 3. S.carlsbergensis, nấm m en này cũng có tên gọi là S.U varum (theo the Y east, A taxonomie study 11,1970), đây là loại nấm m en chìm, thường dùng đế sản x u ất loại bia vàng (Lager, Pilsner). C húng chỉ lên men được 81%đường của dịch, hình th à n h sinh khôi ở đáy bình, lên men hoàn toàn raffinoza. Ngoài ra, rượu còn được sinh ra bởi vi khu ẩn , như Zym om onas (đường phân theo con đường C hristian -W arburg), một trong sả n phẩm phức tạp của C lostridium kỵ khí, người ta cũng có th ể th u được rượu từ môi trường nuôi cấy của một sô nấm mốc. như Pénicillium , A spergìllus. Mucor, Kluyveromyces... 2.3. Cơ chê’ hóa học của quá trình lên men rượu Phương trìn h tống quát của quá trìn h lên men rượu có th ê viẽt là: Cg ,2O g -> 2C2H3OH + 2 C 0 2 + 113.4 kj H Theo C H .B arthom enf (1986) nếu đi từ 100 p hần đường saccharoza, chúng ta sẽ th u được 105,4 phần đường tự do sau khi th ủ y p h ân và được phân ra như sau: - Rượu ethanol trong dịch: 51,11 p hần - Dioxvt cacbon sủi bọt: 49,32 p hần • Glvxerol (glyxerin): 3.16 p hần - Axit xuccinic: 0.7 phần - Các hợp ch ấ t khác: 1.0 phần Hay theo M .L arpent-G ourgaud và cộng sự (1992) th ì tỷ lệ các sản phẩm về li thuyết là: ethanol - 48.4%; CO.-46.6%:glyxerol -3,3%: axit xuecinic-0,6%: sinh khối tế bào 1.2% so với glucoza được sử dụng. Ngày nay. người ta coi hiệu su ấ t hình th à n h eth an o l tro n g điều kiện kỵ khí là 60-62 lit ethanol đôi với 100 kg đường được sử dụng. T ấ t 18
nhiên đối vối những chủng tuyển chọn trong công nghệ sinh học th ì hiệu su ấ t có thê cao hơn. - Phương trìn h của giai đoạn cuối cùng là: CH3CHO + NADH + H+ -> CH3CH2OH + NAD+ T h ật ra phẳn ứng của quá trìn h lên men rượu r ấ t phức tạp, qua hơn 10 phương trìn h phản ứng khác nhau với sự tham gia của nhiều hệ enzym xúc tác, k ết quả cuối cùng cho ta rượu ethylic, C 0 2 và một số sản phẩm khác. Neiberg đã bổ sung bisuníìt vào môi trường lên men, lượng rượu giảm đi để chứng m inh rằng acetaldehyt là ch ấ t n hận hydrô từ NADH. H*(NAD-H2) để biến th à n h rượu: Như chúng ta biết, nấm men là cơ thể hiếu khí, chúng hô hấp như cơ thê hiếu khí bậc cao, khi môi trường h ết ôxy p hân tử (ôxy hòa tan trong dịch lên men) chúng mới tiến h àn h lên men, tức là chuyên sang hô hấp kỵ khí lên men, ở đây th u ậ t ngữ hô hấp được mở rộng. Trong điều kiện lên men rượu, các đường đơn glucoza, fructoza sẽ được phân giải theo con đường EMP (fructozodiphosphat) và chu trìn h axit tricacboxylic (ATC) lúc đầu được thực hiện, tiếp theo đó là chuỗi hô hấp hoạt động, nấm men th u được nhiều năng lượng, sinh khối dịch lên men tăng. Môi trường sẽ dần dần chuyến sang kỵ k hí (yếm khí), nấm men chuyển sang lên men, do đó sản phẩm của quá trìn h sẽ là ethanol. C 0 2 sinh khối, các axit hữu cơ và sản phẩm phụ như glyxêrin. 19
Hình VI-4. Mối liên q uan giũa hố h âp hiếu khi và yếm khi trong q u á trinh lên m en ruọu. bia. 20