LÊN MEN: LỊCH SỬ, QUY TRÌNH, CÁC LOẠI, VÍ DỤ - SINH HỌC - 2025

Quá trình lên men là một quá trình hóa học trong đó một hoặc nhiều hợp chất hữu cơ bị phân hủy thành các hợp chất đơn giản hơn trong điều kiện không có oxy (kỵ khí). Nó được thực hiện bởi nhiều loại tế bào để tạo ra năng lượng dưới dạng ATP.

Ngày nay, các sinh vật có khả năng “lên men” các phân tử trong điều kiện không có oxy là rất quan trọng ở cấp độ công nghiệp, vì chúng được khai thác để sản xuất etanol, axit lactic và các sản phẩm thương mại khác được sử dụng để làm rượu, bia, pho mát và sữa chua. , Vân vân.

Bánh mì và bia, hai sản phẩm của quá trình lên men rượu của nấm men (Hình ảnh của PublicDomainImages tại www.pixabay.com)

Từ lên men bắt nguồn từ từ tiếng Latinh fervere, có nghĩa là "đun sôi" và được đặt ra để ám chỉ sự sủi bọt được quan sát thấy trong đồ uống lên men đầu tiên, rất giống với sự sôi của một chất lỏng nóng.

Ngày nay, như Gay-Lussac đề xuất vào năm 1810, nó là thuật ngữ chung dùng để chỉ sự phân hủy kỵ khí của glucose hoặc các chất dinh dưỡng hữu cơ khác để tạo ra năng lượng dưới dạng ATP.

Vì những sinh vật đầu tiên xuất hiện trên trái đất có thể sống trong bầu không khí không có oxy, nên sự phân hủy kỵ khí của glucose có lẽ là cách trao đổi chất lâu đời nhất trong số các sinh vật sống để lấy năng lượng từ các phân tử hữu cơ.

Lịch sử lên men

Kiến thức của con người về hiện tượng lên men, có lẽ cũng như nông nghiệp, từ hàng ngàn năm nay, con người đã thúc đẩy việc chuyển đổi nước ép nho ngọt nghiền thành rượu sủi bọt hoặc chuyển bột mì thành bánh mì. .

Tuy nhiên, đối với những xã hội đầu tiên, việc biến đổi những nguyên tố "cơ bản" này thành thực phẩm lên men được coi là một loại sự kiện "bí ẩn" hay "kỳ diệu", vì người ta không biết điều gì đã gây ra nó.

Sự tiến bộ của tư tưởng khoa học và việc phát minh ra kính hiển vi đầu tiên, chắc chắn đã đặt ra một tiền lệ quan trọng trong lĩnh vực vi sinh vật học và cùng với nó, cho phép giải đáp được “bí ẩn” đang lên men.

Thí nghiệm Lavoisier và Gay-Lussac

Chân dung đồ họa của Antoine Lavoisier (Nguồn: H. Rousseau (nhà thiết kế đồ họa), E.Thomas (thợ khắc) Augustin Challamel, Desire Lacroix Via Wikimedia Commons)

Lavoisier, một nhà khoa học người Pháp, vào cuối những năm 1700 đã chỉ ra rằng trong quá trình chuyển hóa đường thành rượu và carbon dioxide (xảy ra trong quá trình sản xuất rượu vang), trọng lượng của chất nền được tiêu thụ bằng trọng lượng của sản phẩm. tổng hợp.

Sau đó, vào năm 1810, Gay-Lussac đã tóm tắt những tuyên bố này trong phản ứng hóa học sau:

C6H12O6 (glucozơ) → 2CO2 (cacbon đioxit) + 2C2H6O (etanol)

Tuy nhiên, trong nhiều năm, người ta đã lập luận rằng những thay đổi hóa học quan sát được trong quá trình lên men là sản phẩm của các dao động phân tử phát ra từ việc phân hủy vật chất, tức là bởi các tế bào chết.

Nói một cách đơn giản hơn: tất cả các nhà nghiên cứu đều tin rằng quá trình lên men là một tác động phụ dẫn đến cái chết của một số sinh vật và không phải là một quá trình cần thiết đối với một sinh vật sống.

Men hoạt động

Louis Pasteur trong phòng thí nghiệm của mình. Qua Wikimedia Commons

Sau đó, Louis Pasteur, vào năm 1857, đánh dấu sự ra đời của hóa học vi sinh khi ông liên kết quá trình lên men với vi sinh vật như nấm men, từ đó thuật ngữ này liên quan đến ý tưởng về sự tồn tại của các tế bào sống, với việc sản xuất khí. và một số hợp chất hữu cơ.

Sau đó, vào năm 1920, người ta phát hiện ra rằng trong điều kiện thiếu oxy, một số chất chiết xuất từ ​​cơ của động vật có vú xúc tác sự hình thành lactate từ glucose, và nhiều hợp chất được tạo ra trong quá trình lên men ngũ cốc cũng được tạo ra bởi các tế bào cơ.

Nhờ khám phá này, quá trình lên men được khái quát như một hình thức sử dụng glucose chứ không phải là một quá trình dành riêng cho nấm men và vi khuẩn.

Nhiều nghiên cứu sau này đã tinh chỉnh đáng kể kiến ​​thức liên quan đến hiện tượng lên men, vì các tuyến trao đổi chất và các enzym liên quan đã được làm sáng tỏ, cho phép khai thác chúng cho các mục đích công nghiệp khác nhau.

Quy trình lên men chung

Như chúng ta đã nói, quá trình lên men là một quá trình hóa học liên quan đến sự biến đổi yếm khí (không có oxy) của một cơ chất hữu cơ thành các hợp chất hữu cơ đơn giản hơn, mà không thể chuyển hóa “xuôi dòng” bởi các hệ thống enzym mà không có sự can thiệp của oxy.

Nó được thực hiện bởi các enzym khác nhau và thường được quan sát thấy ở vi sinh vật như nấm mốc, nấm men hoặc vi khuẩn, chúng tạo ra một loạt các sản phẩm thứ cấp mà con người đã sử dụng cho mục đích thương mại trong nhiều thế kỷ.

Trong các phản ứng hóa học diễn ra trong quá trình lên men, các enzym (protein có khả năng thúc đẩy các phản ứng hóa học khác nhau) thủy phân các chất nền của chúng và phân hủy hoặc “tiêu hóa” chúng, tạo ra các phân tử đơn giản hơn và các chất dinh dưỡng dễ đồng hóa hơn, nói về mặt chuyển hóa.

Điều đáng nói là quá trình lên men không phải là quá trình dành riêng cho vi sinh vật, vì nó có thể xảy ra ở một số tế bào động vật (như tế bào cơ chẳng hạn) và trong một số tế bào thực vật trong những điều kiện nhất định.

Chất nền nào có thể lên men được?

Khi bắt đầu nghiên cứu khoa học liên quan đến quá trình lên men, người ta cho rằng các phân tử cần thiết cho quá trình này là carbohydrate.

Tuy nhiên, người ta sớm hiểu rằng nhiều axit hữu cơ (bao gồm cả axit amin), protein, chất béo và các hợp chất khác là chất nền có thể lên men cho các loại vi sinh vật khác nhau, vì chúng có thể hoạt động như một nguồn thức ăn và năng lượng cho chúng.

Điều quan trọng cần làm rõ là quá trình trao đổi chất kỵ khí không mang lại cùng một lượng năng lượng như quá trình chuyển hóa hiếu khí, vì các chất nền nói chung không thể bị ôxy hóa hoàn toàn, vì vậy không phải tất cả năng lượng có thể được chiết xuất từ ​​chúng.

Do đó, các vi sinh vật kỵ khí có xu hướng tiêu thụ lượng cơ chất lớn hơn nhiều để chiết xuất năng lượng tương tự mà một vi sinh vật tương tự sẽ chiết xuất trong điều kiện hiếu khí (khi có oxy).

Lên men là gì?

Khi quá trình hô hấp không thể xảy ra, do không có chất nhận electron bên ngoài hoặc do một số khiếm khuyết trong chuỗi hô hấp tế bào, lên men là con đường dị hóa được sử dụng để sản xuất năng lượng từ glucose hoặc các nguồn carbon khác.

Trong trường hợp của glucose, ví dụ, quá trình oxy hóa một phần của nó được thực hiện thông qua con đường đường phân, qua đó pyruvate, ATP và NADH được tạo ra (các sản phẩm này thay đổi tùy theo cơ chất năng lượng).

Trong điều kiện hiếu khí, pyruvate tiếp tục bị oxy hóa khi đi vào chu trình Krebs và các sản phẩm của chu trình này đi vào chuỗi vận chuyển điện tử. NAD + cũng được tái tạo trong quá trình này, điều này cho phép duy trì tính liên tục của con đường đường phân.

Khi không có oxy, tức là trong quá trình yếm khí, pyruvate có nguồn gốc từ các phản ứng oxy hóa (hoặc các hợp chất hữu cơ tạo thành khác) sẽ bị khử. Sự giảm này cho phép tái tạo NAD +, một sự kiện cơ bản cho quá trình lên men.

Quá trình khử pyruvate (hoặc sản phẩm oxy hóa khác) đánh dấu sự khởi đầu của quá trình tổng hợp các chất thải, có thể là rượu, khí hoặc axit hữu cơ, được bài tiết ra môi trường ngoại bào.

Năng lượng được tạo ra là bao nhiêu?

Trong khi quá trình oxy hóa hoàn toàn một mol glucose thành carbon dioxide (CO2) và nước trong điều kiện hiếu khí tạo ra 38 mol ATP, thì quá trình lên men tạo ra từ 1 đến 3 mol ATP cho mỗi mol glucose được tiêu thụ.

Các loại lên men

Có nhiều kiểu lên men khác nhau, nhiều lần được xác định không chỉ bởi các sản phẩm cuối cùng của quá trình, mà còn bởi các chất nền năng lượng được sử dụng làm “nhiên liệu”. Nhiều trong số này sẽ được định nghĩa đặc biệt trong bối cảnh công nghiệp.

Lưu ý với người đọc, có lẽ nên xem lại một số khía cạnh của quá trình chuyển hóa năng lượng trước, đặc biệt là liên quan đến quá trình dị hóa carbohydrate (đường phân), chu trình Krebs và chuỗi vận chuyển electron (hô hấp), để hiểu chủ đề này với độ sâu lớn hơn.

Có thể kể đến 5 kiểu lên men:

- Lên men rượu

- Lên men lactic hoặc axit lactic

- Lên men propionic

- Lên men butyric

- Lên men hỗn hợp axit

Lên men có cồn

Khi đề cập đến kiểu lên men này, người ta thường hiểu rằng nó liên quan đến sản xuất etanol (CH3CH2OH hoặc C2H6O), là một loại rượu (ví dụ như đồ uống có cồn như rượu và bia) .

Nói một cách công nghiệp, vi sinh vật chính được con người khai thác để lấy đồ uống có cồn là loại nấm giống nấm men thuộc loài Saccharomyces cerevisiae.

Lên men có cồn (Nguồn: Tác giả của phiên bản gốc là Người dùng: Norro. / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0) qua Wikimedia Commons)

Nấm men thực chất là những sinh vật hiếu khí có thể phát triển như những vi khuẩn kỵ khí dễ nuôi, nghĩa là, nếu có điều kiện, chúng sẽ thay đổi quá trình trao đổi chất và thích nghi với sự thiếu oxy để sống.

Như chúng ta đã thảo luận ở phần trước, hiệu suất năng lượng trong điều kiện kỵ khí thấp hơn nhiều so với điều kiện hiếu khí, do đó tốc độ tăng trưởng chậm hơn.

Quá trình lên men rượu liên quan đến việc chuyển hóa pyruvate thành etanol, diễn ra trong một quá trình gồm hai bước: đầu tiên là chuyển hóa pyruvate thành acetaldehyde và sau đó từ acetaldehyde thành etanol.

Phản ứng đầu tiên, phản ứng chuyển hóa pyruvate thành acetaldehyde, là phản ứng khử cacboxyl trong đó một phân tử CO2 được giải phóng cho mỗi phân tử pyruvate và được xúc tác bởi enzyme pyruvate decarboxylase, cần một đồng yếu tố được gọi là thiamine pyrophosphate hoặc TPP.

Do đó, acetaldehyde được tạo ra bị khử thành etanol nhờ enzym alcohol dehydrogenase, enzym này sử dụng một phân tử NADH2 làm đồng yếu tố cho mỗi phân tử acetaldehyde, giải phóng etanol và NAD +.

NAD + có thể được tái sử dụng để khử glyceraldehyde 3-phosphate ở một trong các bước của con đường đường phân, cho phép tiếp tục tổng hợp ATP.

Ở cấp độ công nghiệp, các chủng S. cerevisiae khác nhau được khai thác cho các mục đích khác nhau, vì một số được “chuyên biệt” để sản xuất rượu, bia, bánh mì, v.v., đó là lý do tại sao chúng có thể có một số khác biệt về trao đổi chất đặc biệt.

Lên men lactic hoặc axit lactic

Loại lên men này có thể được chia thành hai: đồng nhất và lên men dị hình. Việc đầu tiên liên quan đến việc sản xuất axit lactic như là sản phẩm lên men duy nhất của quá trình khử pyruvate glycolytic và lần thứ hai liên quan đến việc sản xuất axit lactic và etanol.

- Lên men đồng nhất

Pyruvate được tạo ra bởi con đường đường phân được chuyển đổi trực tiếp thành axit lactic nhờ hoạt động của enzym dehydrogenase axit lactic. Trong phản ứng này, như trong phản ứng thứ hai của quá trình lên men rượu, một phân tử NAD + được tái sinh để oxy hóa glyceraldehyde 3-phosphate trong quá trình đường phân.

Đối với mỗi phân tử glucose được tiêu thụ, khi đó, hai phân tử pyruvate được tạo ra, do đó, kết quả của quá trình lên men lactic tương ứng với hai phân tử axit lactic trên mỗi phân tử glucose (và hai phân tử NAD +).

Kiểu lên men này rất phổ biến ở một số loại vi khuẩn được gọi là vi khuẩn axit lactic và là kiểu lên men đơn giản nhất tồn tại.

Axit lactic cũng có thể được sản xuất bởi một số tế bào cơ, vì pyruvate, thông qua hoạt động của lactate dehydrogenase (sử dụng NADH2), được chuyển đổi thành axit lactic.

- Lên men dị ứng

Trong kiểu lên men này, hai phân tử pyruvate có nguồn gốc từ quá trình đường phân không được sử dụng để tổng hợp axit lactic. Thay vào đó, đối với mỗi phân tử glucose, một pyruvate chuyển thành axit lactic và pyruvate còn lại chuyển thành ethanol hoặc axit axetic và CO2.

Vi khuẩn chuyển hóa glucose theo cách này được gọi là vi khuẩn lactic dị hình.

Chúng không tạo ra pyruvate thông qua toàn bộ con đường đường phân mà thay vào đó sử dụng một phần của con đường pentose phosphate để tạo ra glyceraldehyde 3-phosphate, sau đó được chuyển hóa thành pyruvate bởi các enzym đường phân.

Một cách ngắn gọn, những vi khuẩn này "cắt" xylulose 5-phosphate (tổng hợp từ glucose) thành glyceraldehyde 3-phosphate và acetyl phosphate bằng cách sử dụng enzyme pentose phosphate ketolase liên kết với TPP, tạo ra glyceraldehyde 3-phosphate (GAP) và acetyl phosphate.

GAP đi vào con đường đường phân và được chuyển thành pyruvate, sau đó được chuyển thành axit lactic nhờ một enzym lactate dehydrogenase, trong khi acetyl phosphate có thể được khử thành axit axetic hoặc etanol.

Vi khuẩn lactic rất quan trọng đối với con người, vì chúng được sử dụng để sản xuất các dẫn xuất sữa lên men khác nhau, trong đó nổi bật là sữa chua.

Chúng cũng chịu trách nhiệm cho các loại thực phẩm lên men khác như bắp cải lên men hoặc "dưa cải bắp", dưa chua và ô liu lên men.

- Lên men propionic

Điều này được thực hiện bởi vi khuẩn propionibacteria, có khả năng tạo ra axit propionic (CH3-CH2-COOH) và sống trong dạ cỏ của động vật ăn cỏ.

Đây là một kiểu lên men trong đó vi khuẩn sử dụng đường phân glucose để tạo ra pyruvate. Pyruvate này được carboxyl hóa thành oxaloacetate, sau đó được khử theo hai bước thành succinate, sử dụng các phản ứng ngược của chu trình Krebs.

Sau đó, succinat được chuyển thành succinyl-CoA và lần lượt chất này thành metyl malonyl-CoA bởi enzym metyl malonyl mutase, xúc tác sự sắp xếp lại trong phân tử của succinyl-CoA. Sau đó metyl malonyl-CoA được khử cacboxyl để tạo ra propionyl-CoA.

Propionyl-CoA này tạo ra axit propionic thông qua phản ứng chuyển CoA-succinate, được xúc tác bởi CoA-transferase. Vi khuẩn lactic và vi khuẩn propionibacteria được sử dụng để sản xuất pho mát Thụy Sĩ, vì axit propionic tạo cho nó một hương vị đặc biệt.

- Lên men butyric

Lên men butyric. Nguồn: Bellwasthow / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Nó được thực hiện bởi vi khuẩn hình thành bào tử là vi khuẩn kỵ khí bắt buộc và thường thuộc giống Clostridium. Tùy thuộc vào loài, những vi khuẩn này cũng có thể tạo ra butanol, axit axetic, etanol, isopropanol và axeton (cacbon điôxít luôn là một sản phẩm).

Những vi khuẩn này phân hủy glucose thông qua con đường đường phân và tạo ra pyruvate, được khử carboxyl hóa để tạo thành acetyl-CoA.

Ở một số vi khuẩn, hai phân tử acetyl-CoA được ngưng tụ bởi một enzym thiolase, tạo ra acetoacetyl-CoA và giải phóng một CoA. Acetoacetyl-CoA được khử hydro bởi enzym β-hydroxybutyryl-CoA dehydrogenase để tạo thành P-hydroxybutyryl-CoA.

Sản phẩm cuối cùng này tạo ra Crotonil-CoA thông qua hoạt động của enzyme crotonase. Crotonyl-CoA lại bị khử bởi một dehydrogenase butyryl-CoA liên kết với FADH2, tạo ra butyryl-CoA.

Cuối cùng, butyryl-CoA được chuyển thành axit butyric bằng cách loại bỏ phần CoA và thêm một phân tử nước. Trong điều kiện kiềm (pH cao), một số vi khuẩn có thể chuyển axit butyric thành n-butanol

- Lên men hỗn hợp axit

Nó phổ biến ở vi khuẩn được gọi là Enterobacteriaceae, có thể phát triển có hoặc không có oxy. Nó được gọi là "axit hỗn hợp" vì các loại axit hữu cơ khác nhau và các hợp chất trung tính được tạo ra do quá trình lên men.

Sơ đồ tóm tắt về quá trình lên men axit hỗn hợp (Nguồn: Người tải lên ban đầu là NicolasGrandjean tại Wikipedia tiếng Pháp. / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/) qua Wikimedia Commons)

Tùy thuộc vào loài có thể tạo ra axit fomic, axit axetic, axit succinic, axit lactic, etanol, CO2, butanediol, v.v.

Nó còn thường được gọi là quá trình lên men axit formic, vì trong điều kiện kỵ khí, một số vi khuẩn có thể tạo thành axit formic và acetyl-CoA từ pyruvate nhờ tác động của enzyme formic acid-pyruvate lyase.

Ví dụ về các quá trình trong đó có quá trình lên men

Có rất nhiều ví dụ về quá trình lên men và các sản phẩm của chúng. Một số ví dụ này có thể bao gồm:

Sữa chua, một sản phẩm lên men (Hình ảnh của Imo Flow tại www.pixabay.com)

- Salami (thịt lên men), được sản xuất bằng quá trình lên men lactic của vi khuẩn axit lactic

- Sữa chua (sữa lên men), cũng được sản xuất bởi vi khuẩn axit lactic

- Phô mai (sữa lên men), được sản xuất bởi vi khuẩn axit lactic và vi khuẩn propionibacteria thông qua quá trình lên men lactic và propionic

Phô mai, sản phẩm của quá trình lên men vi khuẩn axit lactic và vi khuẩn propionibacteria (Ảnh của lipefontes0 tại www.pixabay.com)

- Bánh mì (lên men gluten từ bột mì), được sản xuất bởi nấm men thông qua quá trình lên men rượu

- Rượu và bia (lên men đường trong nước nho và đường trong ngũ cốc), do nấm men tạo ra thông qua quá trình lên men rượu

- Cà phê và ca cao (lên men đường có trong màng nhầy của quả), do vi khuẩn lactic và nấm men tạo ra bằng quá trình lên men lactic và rượu.

Người giới thiệu

1. Ciani, M., Comitini, F., & Mannazzu, I. (2013). Lên men.
2. Junker, B. (2000). Lên men. Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology.
3. Fruton, J. (2006). Lên men: quá trình sống hay quá trình hóa học ?. Brill.
4. Doelle, HW (1975). Lên men. Sự trao đổi chất của vi khuẩn, 559-692.
5. Nelson, DL, Lehninger, AL, & Cox, MM (2008). Các nguyên tắc của Lehninger về hóa sinh. Macmillan.
6. Barnett, JA (2003). Khởi đầu của vi sinh và hóa sinh: đóng góp của nghiên cứu nấm men. Vi sinh, 149 (3), 557-567.