QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI CHẤT Ở VI SINH VẬT

QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI CHẤT Ở VI SINH VẬT KHÁI NIỆM CƠ BẢN - Trao đổi chất - Con đường trao đổi chất - Tiền tố - Quá trình trao đổi chất bao gồm: trao đổi năng lượng và trao đổi vật chất xây dựng tế bào Dị hóa (catabilism) Đồng hóa (anabolism) - Vật chất tế bào - Sản phẩm trao đổi chất (metabolite) Chất trao đổi bậc 1 (primary metabolite): Chất trao đổi bậc 2 (secondary metabolite): QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI NĂNG LƯỢNG Có 2 dạng trao đổi năng lượng: hô hấp và lên men HÔ HẤP (respiration): chuỗi hô hấp tham gia vào quá trình tổng hợp ATP - Thành phần của chuỗi hô hấp: Flavoprotein Protein Fe-S Ubiquinone (coenzyme Q) Cytochrome 43

- Phân loại: có 2 kiểu hô hấp Hô hấp hiếu khí (aerobic respiration) Hô hấp kỵ khí (anaerobic respiration) LÊN MEN (fermentation): chuỗi hô hấp không tham gia vào quá trình tổng hợp ATP Phân loại quá trình lên men - Lên men hiếu khí: do vsv hiếu khí gây ra (có sự tham gia của oxy) - Lên men kỵ khí: do vi sinh vật kỵ khí hay kị khí tùy tiện gây ra 44

LÊN MEN KỴ KHÍ 1. Quá trình lên men rượu - Bản chất: là quá trình phân hủy đường thành rượu và khí carbonic dưới tác dụng của vsv. - Phương trình phản ứng: - Hệ vsv: nấm men (enzyme zimaza): S. cerevisiae (16% cồn) và S. oviformis (19-22% cồn), vi khuẩn, nấm mốc (mucor) - Nguyên liệu: đường lactose chỉ lên men được dưới tác dụng của nấm men S. lactis, đường rafinose lên men được 1/3, tinh bột và cellulose không thể lên men được. Ngoài ra, nguyên liệu sản xuất rượu cồn thường là: ngũ cốc (lúa, ngô, khoai, sắn, lúa mì, lúa mạch, cao lương)..., rỉ đường... - Chú ý: nấm men nổi (S. cerevisiae), nấm men chìm (S. carlsbergensis hay S. uvarum). Theo Kreger-van-Rij,1984: chìm + nổi = S. cerevisiae - Thành tựu công nghệ mới: nấm men cố định (immobilized yeast cells) 2. Quá trình lên men lactic: - Bản chất: là quá trình chuyển hóa đường thành acid lactic nhờ vsv. Lên men lactic có 2 dạng: lên men đồng hình và lên men dị hình 45

- Phương trình phản ứng: Ngoài sản phẩm chính là acid lactic, chúng ta còn thu được các sản phẩm phụ như: acid succinic, acid lactic, acid acetic, rượu etylic, khí CO 2 và H 2. - Hệ vsv: vi khuẩn lactic (thường có dạng hình cầu, hình ovan và hình que), kích thước: 1-8μm, đứng riêng rẽ hoặc kết thành chuỗi. Vi khuẩn lên men lactic đồng hình (S. lactis, L. bulgaricus ), vi khuẩn lactic lên men dị hình (S. L. brevis, L. lycopersici ) - Nguyên liệu: vi khuẩn lactic lên men được mono và disaccharide (một số không sử dụng maltose); không lên men được tinh bột và các polysaccharide khác. 3. Quá trình lên men propionic: - Bản chất: quá trình phân hủy đường, acid lactic, muối lactate thành acid propionic, CO 2 và H 2 O dưới tác dụng của vsv - Phương trình phản ứng: 46

- Hệ vsv: nhờ nhóm vk propionic thuộc giống Propionibacterium (trực khuẩn hơi bị uốn cong, gram dương). - Nguyên liệu: ngoài cơ chất là đường và acid lactic, những vk còn lên Propionibacterium men được acid pyruvic, glycerine và một số chất khác. Chúng phân hủy aa, tách các acid béo ra thành dạng tự do làm cho thực phẩm ôi và có vị đắng. 4. Quá trình lên men butyric: - Bản chất: quá trình phân hủy đường thành acid butyric, CO 2 và H 2 O dưới tác dụng của vk butyric. Trong quá trình lên men còn xuất hiện tổ hợp các sản phẩm phụ: acetone, rượu butylic, ethanol, acid acetic. - Phương trình phản ứng: - Hệ vsv: vk butylic thuộc giống Clostridium (trực khuẩn lớn, chuyển động, sinh bào tử, kỵ khí bắt buộc) - Nguyên liệu: có thể lên men các loại đường, tinh bột, dextrin, pectin, glycerine và các muối lactate * Quá trình lên men này được dùng để sản xuất acid butyric từ khoai tây, bột nấu, bã tinh bột, đường (ester của butyric là các chất thơm: ester metylic có mùi táo, 47

ester etylic có mùi mận, ester amylic có mùi dứa ). Các ester này dùng trong sản xuất bánh kẹo và mỹ phẩm. 5. Quá trình lên men acetone-butanol: - Bản chất: quá trình chuyển hóa đường thành các sản phẩm như: acetone, butanol, ethanol, CO 2 và H 2 O; sản phẩm phụ là acid butyric. - Phương trình phản ứng: - Hệ vsv: Cl. acetobutylicum (lên men được tất cả hydrate carbon, trừ cellulose). Được ứng dụng trong sản xuất acetone và butanol. LÊN MEN HIẾU KHÍ 1. Lên men acetic - Bản chất: là quá trình oxy hóa rượu ethylic thành acid acetic do vsv - Phương trình phản ứng: 48

- Hệ vsv: giống Acetobacter (hiện nay người ta mô tả được 20 loài thuộc giống này): A. aceti, A. xillinum Vk acetic có đặc điểm là dễ thay đổi hình dạng: ở điều kiện bình thường có hình sợi dài và kết thành màng trên bề mặt cơ chất; ở điều kiện bất lợi thì lại phình to, phồng - Nguyên liệu: phương pháp thủ công (A. orleanense) VS quy mô công nghiệp (A. schuzenbachii và A. aceti). 2. Lên men citric - Bản chất: là quá trình oxy hóa đường thành acid citric dưới tác dụng của vsv (thường là nấm mốc A. niger) - Phương trình phản ứng: - Hệ vsv: nấm mốc A. niger - Nguyên liệu: rỉ đường (15%), bột sắn được đường hóa * Phương pháp nuôi cấy bề mặt VS phương pháp nuôi cấy bề sâu. 3. Phân hủy cellulose và pectin - Là quá trình phân hủy cellulose và pectin dưới tác dụng của những vsv có hoạt tính enzyme pectinase và cellulase (vd: nấm mốc, vi khuẩn) - Ưu: quá trình khoáng hóa xác thực vật - Nhược điểm: quá trình phá hủy thịt quả, mô thực vật - Ứng dụng: 49

4. Phân hủy lipid (chất béo) và (fatty acid) acid béo - Bản chất: thủy phân chất béo thành glycerine và acid béo tự do (enzyme lipase từ Aspergillus và Penicillum); enzyme lipoxygenase xúc tác quá trình peroxide của các acid béo. Glycerine: vsv chuyển hóa thành CO 2 và H 2 O Các peroxide: bị oxy hóa thành các sản phẩm trung gian như: oxide acid, aldehyde, cetone cuối cùng bị vsv chuyển hóa thành CO 2 và H 2 O 50

QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI GLUCID 1. DỊ HÓA GLUCID Cơ chất hexose Con đường đường phân (Glycolytic pathway) / EMP (Embden-Meyerhof-Parnas) 51

- Trong điều kiện có oxy: acid piruvic sẽ đi vào chu trình Kreb (chu trình tricarboxylic, acid citric), sản phẩm cuối cùng là H 2 O, CO 2 và ATP - Trong điều kiện không có oxy: xảy ra qt lên men 52

Cơ chất oligo-saccharide: được thủy phân để tạo thành hexose - Dưới tác dụng của enzyme sẽ tạo thành các monohexose. Ví dụ: maltose (enzyme maltase), lactose (enzyme lactase), saccharose (enzyme invertase), raffinose (enzyme invertase và melibiase) - Dùng enzyme thủy phân thành các mono hexose, sau đó hexose sẽ đi vào con đường EMP Cơ chất polisaccharide: được thủy phân để tạo thành các mono- và oligo- saccharide - Dưới tác dụng của enzyme sẽ tạo thành các mono và oligo. Ví dụ: tinh bột (enzyme amylase), hemicellulose (enzyme hemicellulase), cellulose (enzyme cellulase), pectine (enzyme pectinase), inuline (inulase) 2. ĐỒNG HÓA GLUCID - Tổng hợp glycogen từ glucose (nấm men) - Tổng hợp levan, dextran, cellulose... QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI PROTEIN 1. DỊ HÓA PROTEIN - Các phản ứng thủy phân protein bởi hệ enzyme protease. Vd: hệ enzyme trong ruột cá 53

Ứng dụng: sản xuất nước chấm lên men (nước mắm, nước tương), chao, phô mai 2. ĐỒNG HÓA PROTEIN Nguyên tắc: phản ứng trao đổi amin và deamin hóa Ứng dụng: sản xuất sinh khối giàu protein làm thức ăn gia súc QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI LIPID 1. DỊ HÓA LIPID - Các phản ứng thủy phân lipid bởi hệ enzyme lipase thành glycerine và acid béo - Phản ứng chuyển hóa acid béo thành ATP (chu trình Kreb) 2. ĐỒNG HÓA LIPID - Tổng hợp triglyceride từ glycerine và acid béo Ứng dụng: sản xuất acid béo (DHA) 54