Vi sinh vật trong công nghệ lên men

VI SINH VẬT TRONG CÔNG NGHỆ LÊN MEN Ths. Bùi Hồng Quân 09.09.25.24.19/09.17.27.26.25 Email: buihongquan@hui.edu.vn Website: www.buihongquan.tk GBD giữ gìn màu xanh cho quê hương, xây dựng tương lai từ chất lượng cuộc sống SINH LÝ VI SINH VẬT Chia làm bốn giai đoạn: – Pha lag: làm quen môi trường, kéo dài hay ngắn tùy theo giống vi sinh vật – Pha log: vi sinh vật phát triển mạnh tăng sinh khối nhanh theo cấp số 2n – Pha cân bằng: nguồn dinh dưỡng bắt đầu cạn kiệt, số tế bào sinh ra bằng số tế bào chết đi – Pha suy vong: nguồn dinh dưỡng đã cạn kiệt, chất thải từ hoạt động sống của vi sinh vật tích tụ càng nhiều, số lượng tế bào chết nhiều hơn số lượng tế bào sống Trong công nghệ lên men chúng ta thường quan tâm đến pha lag và pha cân bằng. Pha lag càng ngắn thì quá trình lên men càng nhanh QUÁ TRÌNH LÊN MEN HAI PHA • Pha 1: là pha sinh trưởng, thu nhận sản phẩm bậc 1 – Sinh tổng hợp protein và xây dựng tế bào – Các tế bào trẻ sinh trưởng nhanh và tăng sinh khối – Bao gồm từ nhân giống và thời gian đầu quá trình lên men – Sản phẩm trao đổi chất không có hoặc bắt đầu tích tụ với số lượng nhỏ. Dấu hiệu chuyển qua pha thứ hai QUÁ TRÌNH LÊN MEN HAI PHA • Pha 2: tích tụ các sản phẩm trao đổi chất, các tế bào vi sinh vật trưởng thành, sinh khối phát triển chậm hoặc ngừng phát triển => thu nhận sản phẩm bậc hai – Bắt đầu giống vi sinh vật phát triển chậm lại – Các sản phẩm trao đổi chất tích tụ trong pha này – Môi trường dinh dưỡng còn ít hoặc bắt đầu cạn kiệt • Thời kỳ đầu pha 2: tích tụ nhiều sản phẩm trong môi trường • Thời kỳ cuối pha 2: – Sinh khối giảm do tế bào tự phân – Tích tụ sản phẩm bậc 2 ít – Một số sản phẩm lại trở thành nguồn dinh dưỡng của vi sinh vật (giống có thể đồng hóa trở lại sản phẩm) – Hiện tượng tế bào tự phân làm tăng độ nhớt dịch lên men – Quá trình lên men thu nhận sản phẩm bậc 2: kết thúc trước thời kỳ cuối của pha 2 QUÁ TRÌNH LÊN MEN HAI PHA Thu sản phẩm bậc 2: • Thu sản phẩm bậc 2 không nằm trong giai đoạn thu sinh khối mà phải đợi thời gian thoát ra môi trường => chậm hơn • Vi sinh vật luôn có quá trình tự phân => thoát ra ngoài môi trường. Muốn thu sản phẩm bậc 2 phải đợi qua giai đoạn vi sinh vật phát triển sinh khối cực đại • Chọn các điều kiện phát triển tối ưu của giống vi sinh vật trong pha 1 (nếu để thu sản phẩm bậc 2 thì càng cần nghiên cứu để rút ngắn giai đoạn này (pha log)) • Xác định những điều kiện chuyển tiếp từ pha 1 sang pha 2 => khảo sát biến động của quá trình lên men • Tìm những nguyên nhân làm giảm hàm lượng các sản phẩm được tạo thành sau khi đã đạt mức tối đa (tự phân, tạp nhiễm, đồng hóa ngược lại,) QUÁ TRÌNH LÊN MEN HAI PHA • Pha 1: – Môi trường nhân giống giàu các chất dinh dưỡng hơn môi trường lên men – Môi trường nhân giống có hàm lượng đường thấp hơn môi trường lên men • Pha 2: – Thành phần môi trường ảnh hưởng đến sự chuyển tiếp từ pha 1 sang pha 2 – Thay đổi thành phần môi trường dinh dưỡng: thay đổi hoạt lực và hình thái của giống – Thay đổi hình thái: tính chất tế bào QUÁ TRÌNH LÊN MEN HAI PHA • Phải biết sản phẩm cần thu sinh ra ở giai đoạn nào của quá trình nuôi cấy • Tìm ra trạng thái sinh lý của vi sinh vật cho năng suất tạo sản phẩm đạt cao nhất và duy trì nó trong thời gian dài • Nhiều trường hợp đặt ra là vi sinh vật đạt trạng thái sinh trưởng phát triển tối ưu không đồng thời cho ra sản phẩm với hiệu suất cao VAI TRÒ CỦA GIỐNG VI SINH VẬT • Giống đóng vai trò quyết định: –Năng suất sinh học => giảm chi phí cho qúa trình sản xuất –Chất lượng sản phẩm lên men –Vốn đầu tư cho sản xuất –Giá thành sản phẩm YÊU CẦU VỀ GIỐNG • Cho sản phẩm có số lượng và chất lượng cao hơn các sản phẩm phụ khác • Năng suất sinh học cao • Sử dụng các nguyên liệu rẻ tiền, dễ kiếm, hoặc phối hợp với các nguồn phế liệu, phế thải công nghiệp thực phẩm • Sản phẩm dễ thu nhận và tinh sạch • Tính ổn định của giống • Tính thích nghi trong điều kiện lên men công nghiệp • Tính cạnh tranh và ức chế, sinh sản và phát triển mạnh • Tốc độ trao đổi chất mạnh PHÂN LẬP GIỐNG – PHÂN LẬP TỰ NHIÊN • Tự nhiên là nguồn vô tận để thu nhận các giống vi sinh vật • Nguyên tắc cơ bản: cơ chất nào thì có mặt vi sinh vật phân hủy cơ chất đó • Năng suất sinh học không cao • Chưa thích nghi sản xuất quy mô công nghiệp TIẾN HÀNH PHÂN LẬP • Xác định vị trí phân lập giống • Môi trường tập trung: để loại dần các vi sinh vật không mong muốn • Môi trường đặc hiệu: chỉ cho phép vi sinh vật cần phân lập phát triển • Định danh giống cần phân lập PHÂN LẬP GIỐNG TRONG NHÀ MÁY • Dễ thích nghi trong điều kiện sản xuất • Cho năng suất và chất lượng sản phẩm sinh học cao • Trong nước thải, chất thải có mật độ vi sinh vật cần quan tâm nhất • Phân lập tương tự trong tự nhiên HOẠT HÓA GIỐNG • Môi trường bồi dưỡng • Sàng lọc giống • Rút gọn pha lag • Chiếu tia tử ngoại, laser => không gây đột biến => kích hoạt giống. Ví dụ: nấm TUYỂN CHỌN • Nguyên tắc: ở đâu có cơ chất thì ở đó có vi sinh vật phân giải cơ chất đó • Tự nhiên: có hệ gen ổn định • Nhà máy: phòng thí nghiệm nhà máy, thùng lên men, nước thải, chất thải • Ngân hàng giống vi sinh vật • Ví dụ: – Phân lập giống Bifidobacteria để ứng dụng trong sản xuất chế phẩm probiotic – Phân lập giống Lactococcus lactis để ứng dụng trong sản xuất chế phẩm Bacteriocin – Phân lập giống Bacillus subtilis để ứng dụng trong sản xuất probiotic NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG GIỐNG • Thay đổi đặc tính di truyền: – Phương pháp di truyền cổ điển – Lai • Ưu điểm: dễ thực hiện • Nhược điểm: giới hạn trong loài – Phương pháp tạo tế bào trần – Gây đột biến • Ưu điểm: phá vỡ giới hạn loài • Nhược điểm: không định hướng • Phương pháp hiện đại – Phương pháp chuyển gen – Phương pháp tạo dòng HUẤN LUYỆN THÍCH NGHI • Nguyên tắc: tất cả các vi sinh vật có khả năng thích nghi cao • Huấn luyện thích nghi với điều kiện sản xuất công nghiệp • Tiếp cận với năng suất sinh học cao nhất của nó trong tự nhiên, những yếu tố ảnh hưởng như: nhiệt độ, pH, enzyme, • Bắt nó phải thay đổi quá trình trao đổi chất • Huấn luyện thích nghi để nâng cao chất lượg giống • Thay đổi các yếu tố tạo ra tính thích nghi • Tính thích nghi chỉ biểu hiện khi các yếu tố tác động đến tính thích nghi đó tồn tại (vì tính thích nghi không di truyền) • Ví dụ: nâng cao biểu hiện gen amylase NGUYÊN LÝ SINH TỔNG HỢP THỪA Ở VI SINH VẬT • Quá trình trao đổi chất tuân theo nguyên tắc kinh tế và hài hòa: không tổng hợp những chất quá thừa so với nhu cầu phát triển • Cơ chế sinh tổng hợp thừa (siêu tổng hợp): cấu trúc không gian của enzyme và cơ chế di truyền Những nguyên tắc điều hòa trao đổi chất • Điều hòa hoạt tính enzyme nhờ sự ức chế quá trình tổng hợp của chính nó • A ---> B ---> C ---> X • (b) (c) • Enzyme (a): thay đổi cấu hình không gian khi có mặt sản phẩm cuối -> giảm bớt hoạt tính xúc tác • (a) có khả năng gắn với A • Nếu X dư thừa => bao vây trung tâm dị lập thể => trung tâm xúc tác bị biến đổi => (a) không thể gắn với A mà chỉ gắn với X => (a) không có hiệu lực chuyển A thành B => chuỗi sinh tổng hợp X bị gián đoạn => X giảm NGUYÊN LÝ SINH TỔNG HỢP THỪA Ở VI SINH VẬT • Vị trí các axít amin trong cấu trúc enzyme: – Sự sai lệch thứ tự sắp xếp hay số lượng các axít amin nằm trong các trung tâm hoạt động – Sự thay đổi axít amin trong trung tâm kiềm chế -> mất khả năng kết hợp với chất kiềm chế NHỮNG PHƯƠNG PHÁP GIỮ GIỐNG THUẦN CHỦNG VÀ ỔN ĐỊNH HOẠT TÍNH SINH HỌC Trên môi trường agar: – Phổ biến, đơn giản, tiện lợi – Thời gian giữ giống ngắn – Dễ mất hoạt tính di truyền ban đầu của giống – Tốn nhiều công sức – Dễ nhiễm bacteriophage, mất nước NHỮNG PHƯƠNG PHÁP GIỮ GIỐNG THUẦN CHỦNG VÀ ỔN ĐỊNH HOẠT TÍNH SINH HỌC • Dưới lớp dầu khoáng – Phủ lên môi trường agar đã có vi sinh vật một lớp dầu khoáng – Thời gian bảo quản là 12 tháng • Trên cát, đất – Giữ vi sinh vật có bào tử • Silicagen và hạt ngũ cốc – Tương tự NHỮNG PHƯƠNG PHÁP GIỮ GIỐNG THUẦN CHỦNG VÀ ỔN ĐỊNH HOẠT TÍNH SINH HỌC • Giấy lọc – Bảo quản vi sinh vật có bào tử trong nhiều năm – Thời gian ngắn hơn so với giữ giống trên cát, đất, ngũ cốc • Gelatin • Phương pháp lạnh sâu – Sự phát triển của vi sinh vật bị ức chế ở nhiệt độ lạnh sâu NHỮNG PHƯƠNG PHÁP GIỮ GIỐNG THUẦN CHỦNG VÀ ỔN ĐỊNH HOẠT TÍNH SINH HỌC • Phương pháp đông khô – Có 3 giai đoạn: – Lạnh đông (tiền đông khô) – Sấy chính – Sấy phụ