Vi sinh ứng dụng trong thực phẩm

GIỚI THIỆU: Lĩnh vực vi sinh thực phẩm có thể được hiểu như là một ứng dụng về những nguyên tắc kiểm soát sự phát triển của VSV để tránh sự hư hỏng thực phẩm và những bệnh do thực phẩm truyền cho con người cũng như sự nhận thức rõ về các hoạt động của VSV để tạo ra các sản phẩm phục vụ nhu cầu con người. Một mặt quá trình hư hỏng thực phẩm do VSV mà không thể kiểm soát được làm giảm giá trị của sản phẩm, nhưng mặt khác, quá trình hư hỏng do VSV mà có thể kiểm soát được lại được sử dụng để sản xuất các sãn phẩm thực phẩm có giá trị. Nhiều phương pháp bảo quản thực phẩm đã được áp dụng để kéo dài thời gian sử dụng của sản phẩm thực phẩm. Một vài phương pháp bảo quản hiện đại bao gồm việc đóng hộp và đông lạnh có thể kéo dài vô định thời gian sử dụng sản phẩm. Việc làm tăng thởi gian sử dụng của sản phẩm vô cùng quan trọng bời vì ngày nay phần lớn dân số thế giới đều sống tại các trung tâm thành phố, điều này đòi hỏi việc bảo quản và quá trình vận chuyển kéo dài do thực phẩm chỉ được sản xuất theo mùa nhưng lại có nhu cầu quanh năm. Việc vận chuyển bằng đường thủy và sự phân phối thực phẩm đến người dân thành thị nơi cách xa khu vực sản xuất các sản phẩm nông nghiệp nên cần thiết phải kéo dài thời gian bảo quản thực phẩm vì điều này không giống như khu vực nông thôn nơi mà các sản phẩm được tiêu thụ nhanh chóng sau khi thu hoạch. Việc bảo quản thực phẩm đúng cách thì quan trọng đối với sức khỏe cộng đồng, điều này rất tốt trong việc đáp ứng những sản phẩm cần thiết cho nhu cầu dinh dưỡng của con người. Việc ứng dụng VSV để sản xuất các sản phẩm thực phẩm cũng quan trọng để đáp ứng nhu cầu thục phẩm của dân số thế giới đang ngày càng tăng. Những sản phẩm lên men vi sinh như phomat là một thành phần quan trọng trong chế độ ăn hằng ngày của nhiều người. Những đồ uống có gas như bia, sâmpanh cũng được tiêu thụ phổ biến. Nhiều sản phẩm được sản xuất theo phương pháp vi sinh được xem là thức ăn ngon, tăng thêm sự ngon miệng. Việc ứng dụng VSV để sản xuất protein đơn bào cung cấp nguồn thức ăn giàu protein giá rẻ quan trọng trong tương lai. Sự phát triển của ngành vi sinh thực phẩm mang lại những phương pháp quan trọng mà ở đó những hiểu biết cơ bản của chúng ta về những hoạt động của VSV được áp dụng để khắc phục vấn đề thiếu lương thực và viện trợ, giúp đỡ phát triển kinh tế ở những khu vực khác nhau trên thế giới. Vấn đề thách thức hiện nay đối với công nghệ thực phẩm là làm sao tăng sản lượng thực phẩm, kéo dài thời gian sử dụng và đáp ứng được những yêu cầu chung đối với thực phẩm đó là vừa đủ dinh dưỡng, an toàn vừa ngon miệng. II. CÁC CHỦNG VI SINH VẬT: 1. Nấm men: Nấm men, một loài nấm đơn bào có kích thước hiển vi quan trọng trong hoạt động lên men các hợp chất carbohydrate trên môi trường cơ chất khác nhau. Nhìn chung nấm men phổ biến trong tự nhiên, có mặt trong đất và trên các loài thực vật. Nhiều nấm men được nuôi cấy thuộc chủng Saccharomyces, chúng được xem như “nấm men bia” thuộc loài S.cerevisiae. Nấm men đã được sử dụng từ thời nguyên thủy để sản xuất bánh mì và rượu, tuy nhiên việc nuôi cấy và sử dụng nấm men trên quy mô lớn dựa vào nền tảng khoa học lại được thực hiện bởi nhà vi sinh vật học người Pháp Louis Pasteur vào thế kỉ 19. Ngày nay, nấm men được sử dụng trên quy mô công nghiệp trong hầu hết các quá trình lên men, trong y học, được xem như nguồn hỗn hợp vitamin B và thiamin ngoài ra, nó còn là nhân tố trong quá trình sản xuất các loại kháng sinh, hormone steroid, làm thức ăn gia súc và công nghiệp thực phẩm. Nấm men thuần chủng phát triển trên môi trường dinh dưỡng gồm đường, nguồn nitơ, khoáng chất và nước. Sản phẩm cuối cùng có thể ở dạng tế bào nấm men khô hay nấm men được trộn với tinh bột tạo thành dạng bánh. Khi một mẻ men dùng để làm bánh mì, sản xuất dược phẩm hay thực phẩm đã hoàn tất thì môi trường mà trong đó nấm men phát triển được loại bỏ. Tuy nhiên trong quá trình sản xuất rượu, bia, cồn y học và cồn công nghiệp, thì môi trường lên men chính là sản phẩm được thu nhận và nấm men bị loại bỏ hoặc dùng làm thức ăn gia súc. 2. Vi khuẩn: Vi khuẩn là sinh vật đơn bào chỉ nhìn thấy được dưới kính hiển vi. Vi khuẩn tồn tại xung quanh và trong chính chúng ta. Vi khuẩn được cho rằng có nguồn gốc từ Trái đất nguyên thủy và tồn tại cho đến ngày nay. Nhiều loài đã thay đổi và không còn khả năng tồn tại trong môi trường khắc nghiệt thuở ban đầu của Trái đất. Tuy nhiên nhiều loài khác không thay đổi nhiều. Ngày nay, nhiều loài vi khuẩn có khả năng phát triển ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi của nước, 100oC(212oF). Những vi khuẩn này sống sâu dưới đáy đại dương hay trong lòng đất. Một số khác không thể tiếp xúc với khí oxy và có thể sống trong môi trường không oxy- ví dụ như trong ruột chúng ta, hay ở trong bùn của các đẩm lầy, bãi lầy. Những loài khác vẫn có khả năng chống lại sự bức xạ. Vi khuẩn là một loài thực sự phi thường trong việc thích nghi với môi trường sống khắc nghiệt cùng với khả năng tồn tại và phát triển mạnh của chúng ở những nơi được xem là không tồn tại sự sống. Bất cứ đâu có sự sống thì sẽ có sự tồn tại của vi khuẩn. Ngành công nghiệp sữa cung cấp những ví dụ đầu tiên về lợi ích cũng như sự có hại của vi khuẩn. Trước khi phương pháp thanh trùng Pasteur được đưa ra vào cuối những năm 1800, các sản phẩm sữa chứa lượng lớn VK chính là nguyên nhân gây bệnh lao phổi và bệnh tim mạch. Nhưng kể từ đó, sự điều chỉnh trong công nghiệp sữa đã làm giảm đi rất nhiều nguy cơ nhiễm độc từ các sản phẩm chế biến từ sữa. 3. Nấm mốc: Sự phát triển có dạng sợi của mốc, fuzzy trên cơ chất hữu cơ là do một số ít loài thuộc nấm mốc. Nấm mốc và nấm mildew được sử dụng thay thế nhau thường xuyên mặc dù mốc thường được dùng để chỉ sự phát triển của các loại nấm có màu đen, xanh, và đỏ còn mildew dùng để chỉ mốc trắng. Mốc đen, Asp.niger là một trong số những loài mốc chỉ quan sát được dưới kính hiển vi, các bào tử mốc bám vào bề mặt ẩm ướt của các chất hữu cơ để nảy mầm. Nó trải rộng khắp bề mặt, hình thành hệ sợi nấm mà hệ sợi này được tạo nên từ sự đan xen thành mạng lưới của những sợi tơ nhỏ. Hệ sợi này tạo ra những đám tơ khác có dạng như rễ gọi là rễ giả, đâm xuyên qua vật chất hữu cơ, tiết enzyme, hút nước đồng thời phân giải đường và tinh bột. Những đám tơ khác của hệ sợi gọi là hệ túi bào tử, hệ này sau đó sẽ hướng lên hình thành các túi bào tử, các túi bào tử này tạo ra màu đặc trưng cho mỗi loài mốc. Đến khi chín, túi bào tử vỡ ra, các bào tử theo gió phân tán khắp nơi để tái sinh sản. 4. Tảo Tảo, một nhóm đa dạng các sinh vật dạng thực vật đơn giản. Giống như thực vật, hầu hết tảo sử dụng năng lượng ánh sáng mặt trời để làm nguồn thức ăn cho chúng, quá trình này gọi là quá trình quang hợp. Tuy nhiên, tảo không có rễ, lá và các cơ quan khác điển hình của một thực vật thực sự. Tảo là sinh vật quang hợp quang trọng trên Trái Đất. Chúng thu nhận nhiều năng lượng ánh sáng mặt trời và tạo ra nhiều oxy hơn (một sản phẩm phụ của quá trình quang hợp) hơn hầu hết các thực vật. Tảo tạo thành cơ sở của hầu hết mạng lưới thức ăn dưới nước, mà mạng lưới này đáp ứng cho 1 lượng lớn động vật. Tảo rất đa dạng về kích thước và phát triển ở đa dạng môi trường. Vi tảo, được gọi là phytoplankton lơ lửng hoặc chìm sâu trong các hồ và đại dương. Phytoplankton nhỏ đến mức 1000 cá thể có thể tập trung đủ trên 1 đầu ghim. Thể lớn nhất của tảo là tảo biển, loài tảo biển này dài 100m (300ft) từ dưới đại dương lên đến bề mặt nước. Mặc dù hầu hết các loài tảo đều phát triển trong môi trường nước ngọt hay nước biển, chúng còn phát triển trên đất, cây và ở các loài động vật, và đồng thời cả bên dưới và phía trong các tảng đá xốp, như là sa thạch và đá vôi. Tảo chịu được 1 khoảng nhiệt độ rộng và có thể tìm thấy sự phát triển của chúng ở các suối nước nóng, ở các bờ tuyết, hoặc sâu dưới lớp băng tuyết. Tảo còn thiết lập mối quan hệ cộng sinh tương tác có lợi với các sinh vật khác. Ví dụ, tảo sống với nấm hình thành các địa y – cây non hoặc sự phát triển của nhánh cây mà từ đó hình thành nên các tảng đá cuội, vách đá, và thân cây. Tảo gọi là zooxanthellae sống bên trong các tế bào của việc rặng san hô. Trong mọi trường hợp, tảo cung cấp oxy và các hợp chất dinh dưỡng cho những sinh vật sống cộng sinh với chúng, và ngược lại chúng nhận được sự bảo vệ và các chất dinh dưỡng đơn giản. Sự sắp xếp này cho phép các loài cộng sinh có thể sống sót trong những điều kiện mà các điều kiện này chúng không thể chịu đựng một mình. Trong khi hầu hết tảo tự tạo nguồn thức ăn cho chúng thông qua quá trình quang hợp, một vài loại tảo không có khả năng quang hợp. Các loài tảo dùng thức ăn từ các nguồn bên ngoài bằng việc hút các chất dinh dưỡng đơn giản thong qua màng tế bào. Để hút nhiều hợp chất dinh dưỡng, tảo thiếu những thành lưới có khả năng nhận chìm thức ăn ít và tiêu hoá chúng. Một vài loài tảo được biết đến như dinoflagellates, kéo dài 1 ống cung cấp thức ăn gọi là cuống, để mút thức ăn. Các loài dinoflagellates khác sử dụng các kết cấu như một cái móc đặc biệt để bẫy thức ăn của chúng. Nhiều loài tảo là loài ký sinh, sống trong hoặc trên một sinh vật khác mà từ đó chúng có thể lấy thức ăn. Vài loài tảo đỏ ký sinh trên một loài tảo đỏ khác, và dinoflagellates ký sinh sống trong ruột của các sinh vật biển như là loài giáp xác và loài chân đốt. VI SINH ỨNG DỤNG TRONG THỰC PHẨM 1. Bột ngọt: Monosodium glutamate còn được gọi là glutamat natri và MSG, là một loại muối natri của axit amin không thay thế - axit glutamic. Nó được xem như là một chất phụ gia thực phẩm và được dùng phổ biến để tăng mùi vị thực phẩm. MSG được sản xuất bởi quá trình lên men nguồn carbohydrat. Những loài vi khuẩn được sử dụng là Brevibacterium, Arthrobacter, Microbacterium và Corynebacterium. Phương pháp này có thể sản xuất với năng suất 100g/l. Từ 1909 cho đến giữa những năm 1960, MSG được sản xuất bởi sự thủy phân gluten của lúa mì, trong đó chứa khoảng 25% a. glutamic. A. glutamic là một trong những aa hòa tan hoàn toàn, vì vậy quá trình tinh sạch nó cũng rất dễ dàng. Rỉ đường ¬ nguyên liệu đường ↓ Môi trường lên men ¬ bổ sung dinh dưỡng ↓ Thanh trùng → để nguội khoảng 30-500C → tiến hành lên men →bổ sung VK → lọc → dung dịch a.glutamic → cho NaOH → dung dịch muối glutamat Na → cô đặc → kết tinh → sấy khô → tinh thể glutamate Na 2. Protein đơn bào (SCP) Việc sử dụng vsv để E trao đổi S trong sản phẩm thứ ăn, vsv có thể phát triển như nguồn của SCP, chúng có tên như vậy bởi vì vsv là những sv đơn bào giàu pr. Những vsv phát triển nhanh chóng và tạo ra số lượng lớn, thu lượng protein lớn. Những pr được tạo ra từ vsv mang tất cả những tính chất của a.a. các loại vsv như nấm mốc và tảo là nh7ng4 nguồn tiềm năng cho việc sản xuất lượng lớn SCP. Tảo Scenedesmus và Spirulina , ví dụ như được nuôi cấy trong ao nước ấm chúng sử dụng như là nguồn dinh dưỡng. Sản phẩm của SCP từ tảo thỉ thuận lợi hơn vì những vsv này có thể tận dụng năng lượng mặt trời, làm giảm 1 lượng lớn nguồn nguyên liệu đốt từ thiên nhiên để sản xuất SCP. Hiện nay 1 vài loại tảo được thu hoạch như là nguồn thực phẩm Việc nghiên cứu về khái niệm của sản phẩm SCP đã được bắt đầu từ những năm 1960 bởi những công ty dầu khí khi khoáng sản có giá thành chưa cao và khi nó được biết đến như là chất để thu hút hoạt động thuộc nền kinh tế phát triển SCP. Tổ chức lớn Imperial Chemical Works ở Anh đã sản xuất ra Pruteen. Sản phẩm SCP của Methylophilus, 1 loài vk sinh trưởng trong phức hợp C1. Quả thực , quá trình được mô tả nhiều nhất cho sản phẩm SCP đều tin vào sự sinh trưởng của vsv trong phức hợp C1. Hãng Methylophilus phát triển treên lĩnh vực rượu methanol thu được từ methane và thu được tế bào, đem ly tâm, sấy và bán ở dạng viên tròn nhỏ hoặc thành những hạt nhỏ. Vì giá dầu tăng mạnh, những nguồn dầu hydrocarbons thì không được quan tâm đến nhiều như chất đầu cho sản phẩm SCP. Những sản phẩm đơn giản không thể làm cho nền kinh tế cạnh trang với sản phẩm từ đậu nành và thực phẩm từ cá. Tương lai nguồn methanol ít hơn, có thể được chuyển hóa từ cellulose, có thể khơi dậy khả năng cho sản phẩm có tầm quan trọng của SCP. Những nấm men có những khả năng tối ưu cho sự phát triển như nguồn thương mại của SCP. Nấm men gốc SCP có chứa lượng vitamin cao. Nấm men có nhiều loại khác nhau, bao gồm những giống thuộc loài Saccharomyces, Candida và Torulopsis có thể sinh trưởng trong rác thải, chất tái chế thành nguồn có ích cho thực phẩm. Sự sinh trưởng của nấm men trong rác thải thực hiện 2 chức năng: sự di chuyển của những chất thừa và tọa ra sản phẩm nhiều protein cần thiết giàu dinh dưỡng. Ở U.S.S.R có 1 nền sản xuất thương mại lớn của Canada về nấm men protein từ than bùn hydrolyzed. Khoảng 1.1 triệu tấn nấm men protein mỗi năm được sản xuất nhanh chóng mở rộng neền công nghiệp SoViet để nhằm giảm bớt sự phụ thuộc của Soviet vào việc nhập khẩu lương thực. SCP thì được sản xuất chủ yếu ở thức ă gia súc, có những vấn đề về việc sử dụng SCP làm thực phẩm ăn kiêng ở người vì tập trung lượng a.nucleic cao từ 6-11%. Kết quả này có thể làm tăng nồng độ huyết thanh, a.uric gây ra bệnh sỏi thận hoặc bệnh gut có thể gây phản ứng phụ và ảnh hưởng đến đường tiêu hóa như là bệnh tiêu chảy và nôn mửa. Những con gà và 1 vài động vật khác, dù thế nào đi chăng nữa có thể phát triển SCP hơn nữa trong nguyên liệu thực vật giúp tạo ra cho thế giới những thực phẩm cần thiết. Những nghiên cứu vẫn đang cố gắng tìm ra những vsv thích hợp và tạo điều kiện cho nền sản xuất sản phẩm SCP mà có thể đưa trực tiếp đến con người. 3. Bánh mì: Mặc dù con người đã biết làm bánh mì cách đây hàng ngàn năm, nhưng vẫn không biết nguồn gốc từ đâu. Trong suốt thời kỳ đồ đá, những bộ lạc du mục có thể làm 1 miếng dày tử hạt dại và nướng nó trên những hòn đá nóng từ lửa trại của họ. Khoảng 10.000 năm trước những bộ lạc du mục đã định cư và bắt đầu trồng trọt lương thực, xung quang eikon và emmer, tổ tiên biết trồng lúa mì. Quang hồ 600BC thuộc Thụy Sỹ những người cư ngụ đã cải tiến công thức nấu ăn trên miếng bánh hạt dại bằng cách đập nát hạt để làn bánh. Ngành khảo cổ học đã chứng minh rằng những nấm men bánh mì đã phát triển ở AiCập khoảng 4000 năm trước. Những người AiCập tin rằng trước hết phảixay lúa mạch thành bột Những tiến bộ của công nghệ được tiếp tục nâng cao thành những kỷ thuật làm bánh mì, trong đó việc sử dụng bã chứa nấm men trong quá trình ủ như là 1 tác nhân làm men bánh,những bánh men thì phụ thuộc vào nấm men hoang dại và khối bột nhào lần đầu và đến thế kỷ thứ 3 BC, nấm men được sản xuất thương mại hóa ở Ai Cập Khoảng giữa 700-130BC, những người dân thuộc địa HyLạp hăng hái làm bánh. Họ đã lọc bột để loại bỏ chất bẩn, bánh được hong khô và có thêm mật ong, mè và dịch trái cây, phát minh ra lò bằng đá để nướng bánh. Thế kỷ thứ 2AD thời LaMã, những cái bánh được tạo ra dưới những loại khác nhau và những người LaMã đã giới thiệu bánh của họ trên khắp khu đất mà họ đã chiếm được. Trong suốt nửa đầu thới Trung Niên khoảng TK5-TK10, điều kiện chính trị đã làm cho nền thương mại giữa các nước suy yếu. Những vụ mùa lúa mì sinh trưởng vào mùa nóng thời tiế khô hạn giá trị lương phẩm kém hơn những đất nước thuộc vùng có khí hậu lạnh , ẩm ướt như ở Bắc Âu. Bánh ở Miền Bắc được làm theo lúa, mạch đen, yến mạch, lúa mạch và theo kinh nghiệm truyền thống. Ngày nay những loại bánh mì này vẫn còn truyền lại ở 1 vài vùng của Bắc Âu. những người dân Mỹ làm bánh tại nhà từ bột bắp, đặt chúng trong lò nướng. Lúa mì để làm bánh có giá trị khinhững người di cư Mỹ được di tản về miền Tây đến nơi thoáng đãng có khí hậu thích hợp cho nông trại lúa mì và thành lập tổ chức nhà máy chế biến nghiền hạt. Những băng chuyền có khả năng phân phối hạt, bột và giảm bớt chi phí. Bánh mì được làm với men tự nhiên hoặc men của lần nhào bột sau, cho đến 1868 thì men thương phẩm được đóng gói và bán ra có giá trị ở thị trường. Vào TK 20, nền công nghiệp và công nghệ phát triển đã tạo ra quy trình tinh chế bột làm cho giá tiêu thụ rẻ hơn. Bột trắng là 1 loại thực phẩm dành cho tầng lớp thượng lưu cũng được thay thế bằng bột lúa mì với giá rẻ hơn, nhiều sản phẩm sản xuất từ bột. Từ trước Tk 20,bột trắng không có nhiều dinh dưỡng khi mà vitamin và khoáng chất bị mất đi trong suốt quá trình tinh chế và điều kiện thiếu vitamin càng trở nên trầm trọng hơn. Bánh mì trắng bị thay thế bằng bánh mì lúa mạch với sư ưu chuộng của quần chúng. Bệnh phù thũng xảy ra là kết quả từ việc thiếu thiamine và bệnh pellagra nguyên nhân do chế độ ăn kiêng không đầy đủ các dưỡng chất vitamin niacin đã làm tăng thảm họa. Chính phủ nhiều nước bao gồm nước Mỹ đã bắt đầu bắt buộc có những nhu cầu dự phòng về vitamin và khoáng chất. Những chương trình này khá thành công, những ca bệnh phù thũng hoặc pellagra bây giờ rất hiếm gặp ở các nước công nghiệp Vào TK21, những người tiêu dùng ở Canada và Mỹ bắt đầu quan tâm đến những giá trị khác nhau và những loại bánh có lợi cho sức khỏe hơn. Để đáp ứng lại những nhu cầu này, những siêu thị bắt đầu cho ra nhiều loại hơn không chỉ bánh mì trắng và bánh mì lúa mạch Bánh mì được làm từ nhiều loại hạt khác nhau và không chuyển hóa chất béo, chúng được sản xuất khi dầu polyunsaturated được tạo thành hydrogenated. Bánh mì được làm từ bột mì hữu cơ cũng được ưu chuộng và những dãy hàng làm sạch lò nướng miễn phí, những loại bánh mì khác bắt đầu mở ra thị trường ở phía bên kia lục địa Bắc Mỹ. Bánh mì được làm với bột mì, nước, men muối với độ dinh dưỡng cao. Chứa ít chất béo vá 1 số chất dinh dưỡng quan trọng như protein, carbonhydrate,fiber,sắt, Ca hơn hết là vitamin niacin, thiamine, riboflavin chúng là dẫn xuất thứ cấp từ mầm và cám của lúa mì. Cám là thành phần đặc biệt trong khẩu phẩn ăn kiêng, những phần phế liệu của thực vật đu7ọc tin rằng có 1 hình thức khác để tạo ra sản phẩm có lợi cho sức khỏe. Thường mầm và cám được chuyển hóa trong quá trình làm bột mì giảm bớt giá trị truyền thống của bột. Để bù vào sự tiêu hao chất dinh dưỡng, bánh mì thương mại được sản xuất thêm vào khoáng chất và bổ sung vitamin. Chính phủ nhiều quốc gia bắt buộc những công ty sản xuất thực phẩm liên quan đến sức khỏe phải có những tiêu chuẩn bổ sung dinh dưỡng riêng biệt. Ở Mỹ, thực phẩm và thuốc Administration, yêu cầu bánh mì cần được bổ sung những chất đặt biệt chứa 1 lượng thiamine, riboflavin, niacin, and iron, bột mì ở Mỹ thì luôn được củng cố với việc thêm lượng Ca và P. Việc làm bánh mì nấm men yêu cầu 5 bước cơ bản: trộn, nhào, sự nổi lên của bột, tạo hình và nướng bánh. Bột thì đu7ọc trộn với men, thành phần lỏng thường là sữa và nước và những thành phụ như muối, đường và cắt ngắn bột. Khi bột trở nên quá dày cho quá trình khuấy thì nó được nhào bởi sự ép nén lặp lại nhiều lần, bọc lại và đảo nó để phát triển và hình thành chất nhão thứ mà làm cho bột nổi lên. Nhào bột cho lên men đến khi nó nổi gấ