Lên men là quá trình nuôi cấy vi sinh vật để tạo ra sinh khối (tăng sinh) hoặc thúc đẩy vi sinh vật tạo ra sản phẩm trao đổi chất (các hợp chất sinh hóa), như chuyển đổi đường thành sản phẩm như: axit, khí hoặc rượu...của nấm men hoặc vi khuẩn, hoặc trong trường hợp lên men axit lactic trong tế bào cơ ở điều kiện thiếu khí oxy. Lên men cũng được sử dụng rộng rãi hơn trong sự tăng sinh khối của vi sinh vật trên môi trường sinh trưởng, sự tích lũy các sản phẩm trao đổi chất hữu ích cho con người trong quá trình nuôi cấy vi sinh vật. Nhà sinh vật học người Pháp Louis Pasteur được ghi nhớ như là người hiểu rõ sự lên men và nguyên nhân vi sinh vật của nó. Khoa học của sự lên men được biết như "zymology"
Quá trình lên men trong cơ thể diễn ra trong điều kiện thiếu oxy (khi chuỗi vận chuyển electron không thể diễn ra) và trở thành phương tiện chủ yếu của tế bào để sản xuất ATP (năng lượng). Nó chuyển NADH và pyruvate được sản sinh trong bước thủy phân Glucose thành NAD+ và những phân tử nhỏ hơn(xem ví dụ bên dưới). Khi có mặt của O2, NADH và pyruvate được dùng cho hô hấp; đó là sự oxy hóa phosphoryl hóa, nó sinh ra nhiều ATP hơn, vì lý do đó, các tế bào thường tránh quá trình lên men nếu có sự hiện diện của oxy. Ngoại lệ bao gồm VSV kỵ khí bắt buộc, nó không chịu được oxy.
Bước đầu tiên, thủy phân glucose, chung cho tất cả các con đường lên men:
- C6H12O6 + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi → 2 CH3COCOO− + 2 NADH + 2 ATP + 2 H2O + 2H+
Pyruvate là CH3COCOO−. Pi là phosphate.
Hai phân tử ADP và hai Pi được chuyển đổi thành 2 phân tử ATP và hai phân tử nước thông qua sự phosphoryl hóa mức độ cơ chất. Hai phân tử của NAD+ được khử thành NADH
Trong quá trình oxy hóa phósphoryl hóa, năng lượng cho sự tạo thành ATP được bắt nguồn từ gradient proton điện hóa được tạo ra qua màng ty thể trong (hoặc, trong trường hợp vi khuẩn, màng tế bào) thông qua chuỗi vận chuyển điện tử. Thủy phân glucozo quá trình phosphoryl hóa ở mức độ cơ chất (ATP sinh ra trực tiếp từ phản ứng này)
Quá trình lên men đã được con người sử dụng cho sản xuất thực phẩm hoặc nước giải khát ở thời kỳ đồ đá. Ví dụ, lên men được dùng để bảo quản trong quá trình lên men acid lactic được tìm thấy trong thực phẩm muối chua như là dưa muối, kim chi và sữa chua, cũng như trong quá trình sản xuất thức uống có cồn như rượu và bia. Quá trình lên men thậm chí diễn ra trong dạ dày của động vật, cũng như ruột người. Hội chứng nhà máy bia là hội chứng y khoa hiếm gặp khi bao tử chứa nấm men bia, phân giải tinh bột thành cồn, thứ có thể đi vào trong máu.
Lịch sử của việc lên men
Khoảng 20.000 năm trước công nguyên (TCN), có sự thay đổi đáng kể về thời tiết và khí hậu, nhiệt độ của trái đất tăng lên một ít. Sự biến đổi này ảnh hưởng rất lớn đến điều kiện tự nhiên: khí hậu ấm áp hơn làm các loại thực vật và động vật phát triển tốt hơn, phong phú hơn. Tập tính của con người cũng dần thay đổi, con người bắt đầu hình thức sống quần cư, tập trung thành nhóm người. Từ săn bắn và hái lượm đã chuyển sang trồng trọt bằng cách thuần hóa các loại thực vật hoang dã. Các công trình khảo cổ cho thấy nông nghiệp ra đời khoảng 10.000 năm TCN hay trước đó một ít ở vùng Fertile Crescent (Sừng Á Phi) với việc canh tác một vài loại hạt thuộc nhóm ngũ cốc. Và đến khoảng 9500 năm TCN, các nhà khảo cổ đã tìm thấy dấu vết của sự canh tác tám loại cây trông cơ bản (gồm các loại hạt cốc, đậu và cây đay. Dựa vào một số nguồn tài liệu tương đối chính xác, người ta cho rằng con người ở khu vực này khám phá ra quá trình lên men rượu (từ ngũ cốc) trong khoảng thời gian sau đó một ít
Khoảng 7000 năm TCN, nho bắt đầu được trồng, và sau đó, rượu vang bắt đầu được sản xuất. Bằng các kỹ thuật phân tích hiện đại, người ta tìm thấy các dấu vết của rượu trên các bình bằng gốm có niên đại 7000 và 6500 năm TCN. Các nhà khảo cổ cũng tịm được một số dụng cụ mà họ cho là dùng để sản xuất rượu có niên đại 6000 đến 5000 năm TCN ở Georgia và Iran. Người ta cũng cho rằng khoảng 5000 năm TCN, người ta bắt đầu biết sản xuất bia từ nấm men dựa trên phân tích các dấu vết trên các lọ bằng gốm ở Ai Cập.
Các chứng cứ rõ ràng hơn được dựa vào các hình vẽ trên vách có niên đại 4500 năm TCN và người ta cũng tìm thấy các dấu vết của nho nghiền vào khoảng thời gian này
Khoảng 7000 năm TCN, người ta đã thuần hóa được một số loài động vật như chó, mèo, bò, cừu, dê,.. và vì thế người ta cũng sử dụng các sản phẩm từ chúng, đặc biệt là sữa. Lên men sữa để sản xuất sữa chua (lên men lactic) xuất hiện ở Babylon vào khoảng 3500 năm TCN.
Bánh, một sản phẩm được làm từ bột ngũ cốc nghiền nhỏ, trộn với nước để hình thành bột nhào, định hình và sau đó đem nướng cũng đã xuất hiện từ rất lâu (10.000 – 8000 năm TCN). Tuy vậy, việc sử dụng nấm men để lên men bột nhào chỉ bắt đầu khoảng 3000 năm TCN. Người Ai Cập cũng bắt đầu sử dụng giấm trong khoảng thời gian này,
Trong khoảng từ năm 200 TCN đến năm 200, thêm nhiều sản phẩm lên men ra đời: rau muối chua, phô mai, tương và một số sản phẩm từ đậu nành như tempeh, miso,...
Đầu thế kỷ 17, Johan Baptist van Helmont quan sát thấy rằng cặn của rượu vang cũng có thể dùng để lên men rượu được và ông gọi chất cặn này là "fermentum". Thuật ngữ này có xuất xứ La tinh, có thể là "fervere" nghĩa lá sôi, cũng có thể là "ferveo" nghĩa là sủi bọt (Vì khi lên men rượu, bề mặt của dịch lên men xuất hiện rất nhiều bọt như sôi). Ông cũng nhận xét rằng chất khí thoát ra trên bề mặt dịch lên men cũng chính là chất khí tạo ra khi đốt than.
Vào đầu thế kỷ 17, một dụng cụ mới ra đời và tạo điều kiện cho sự phát triển mạnh mẽ của sinh học, đó là kính hiển vi quang học. Nhờ dụng cụ này ta có thể tìm hiểu cấu trúc của sinh vật một cách cặn kẽ hơn. Một trong những nhân vật có những đóng góp đáng kể trong lĩnh vực này là Antonie Philips van Leeuwenhoek. Ông là một người chuyên mài tinh chế các thấu kính dùng để chế tạo kính hiển vi và cũng là một người chế tạo kính hiển vi. Ông cũng có thói quen ghi chép những gì quan sát được và tìm cách giải thích chúng. Bằng cách này ông ta trở thành một nhà nghên cứu khoa học nghiệp dư. Tuy vậy các công trình này cũng rất có giá trị và được các nhà nghên cứu khác coi trọng và khối lượng cũng rất đáng kể (560 báo cáo được ghi nhận). Năm 1675, Leeuwenhoek, đã quan sát được vi sinh vật và các hoạt động của chúng.
Năm 1836, Theodore Schwann, đã khám phá ra nguyên nhân của lên men rượu là do sinh vật đơn bào sử dụng đường, mà ông gọi tên là nấm đường (Saccharomyces). Sau đó, Charles Caignard de Latour xác định loại sinh vật đơn bào này là nấm men, sử dụng đường để sinh ra rượu và CO2, sinh sản bằng cách nẩy chồi.
Năm 1854, Louis Pasteur, tìm ra mối liên hệ giữa lên men và nấm men. Ông kết luận rằng loại vi sinh vật này đã sử dụng cơ chất là đường có sẵn trong nho để chuyển hóa thành rượu và trong điều kiện kỵ khí. Từ đó thuật ngữ fermentation còn có một nghĩa khác là sự hô hấp trong điều kiện kỵ khí. Pasteur cũng nhận thấy rằng nếu sau khi đã lên men đạt yêu cầu, ta đun nóng thì rượu vang sẽ bảo quản được lâu hơn nhiều. Kỹ thuật xử lý nhiệt này sau đó được mang tên ông: pasteurization (thanh trùng).
Công nghệ sinh học đã bắt đầu với ngành sản xuất bia. Vào thời đó, Đức là một quốc gia tiêu thụ rất nhiều bia. Sản xuất loại thức uống có cồn này là một ngành có lợi nhuận lớn, mặt khác thuể đánh trên mặt hàng này cũng đóng góp phần không nhỏ vào ngân sách nhà nước. Điều này đã thúc đẩy các nghiên cứu có chiều sâu về quá trình lên men bia và tìm cách ứng dụng vào công nghiêp. Trung tâm nghiên cứu nổi tiếng nhất về lĩnh vực này là Carlsberg Institute đã tìm ra nhiều quy trình rất đặc biệt để nấu bia.
Năm 1897, Eduard Buchner đã khám phá ra nguyên nhân sâu xa hơn của sự lên men. Bằng cách dùng các chất chiết từ nấm men, ông đã tạo ra sự chuyển hóa từ đường ra rượu mà không cần sử dụng đến nấm men. Ông đi đến kết luận là sự chuyển hóa này có bản chất hóa học mà không phải là sinh học. Buchner cũng khám phá ra rằng chất do nấm men tiết ra để chuyển đường thành rượu có bản chất là protein và ông gọi đó là "zymase" và từ đó tiếp vĩ ngữ "ase" được dùng để chỉ enzyme.
Trong thế chiến thứ nhất, do chiến tranh và sự cấm vận mà sự cung cấp các nhu yếu phẩm cho con người cũng như nguyên liệu cho công nghiệp bị giảm sút. Các nhà khoa học đã tham gia để giải quyết vấn đề này và công nghệ sinh học bắt đầu phát triển mạnh. Đức đã sử dụng sinh khối từ quá trình lên men để thay thế 60% thức ăn gia súc mà trước đó họ phải nhập khẩu, sản xuất axit lactic, aceton, butanol,... Năm 1917 James Currie khám phá ra rằng một số chủng nấm mốc Aspergillus niger có khả năng tạo axit citric rất tốt và ngay lập tức công ty Pfizer đã sản xuất axit này ở quy mô công nghiệp bằng phương pháp nuôi cấy bề mặt.
Năm 1919, thuật ngữ công nghệ sinh học, "biotechnology", bắt đầu được sử dụng bởi Károly Ereky trong tác phẩm "Biotechnologie der Fleisch-, Fett-, und Milcherzeugung im landwirtschaftlichen Grossbetriebe: für naturwissenschaftlich gebildete Landwirte verfasst" (Công nghệ sinh học trong sản xuất thịt, chất béo và sữa tại các trang trại quy mô lớn).
Năm 1928, Alexander Fleming khám phá rằng các chất tiết ra từ mốc Penicillium có khả năng tiêu diệt một số vi sinh vật gây bệnh rất hiệu quả. Đến 1940, peniniciline, chất kháng sinh đầu tiên được sản xuất ở quy mô công nghiệp bằng phương pháp lên men và được ứng dụng rất hiệu quả trong y học. Điều này mở ra hướng ứng dụng lên men để sản xuất các loại kháng sinh và hàng loạt các chất khác như steroid, vitamin
Năm 1957, bột ngọt (monosodium glutamat) được Ajinomoto đưa vào sản xuất ở quy mô lớn bằng phương pháp lên men.
Từ những năm 1960, cùng với sự phát triển của sinh học phân tử, của kỹ thuật gen, người ta có thể tạo ra các chủng vi sinh vật có những tính chất công nghệ tốt, thì kỹ thuật lên men càng phát triển mạnh, ứng dụng của lên men được mở rộng và sản phẩm của lên men trở nên rất đa dạng.
Từ nguyên
Thuật ngữ lên men trong các ngôn ngữ châu Âu có gốc từ tiếng La Tinh "fervere", có nghĩa là "làm chín", dùng để diễn tả hoạt động của nấm men trong dịch chiết trái cây hay dịch đường hóa ngũ cốc. Louis Pasteur đã gọi sự lên men là "sự sống thiếu không khí" ("kị khí", "thiếu ôxi"). Tuy nhiên, thuật ngữ lên men đến nay được hiểu là tất cả các quá trình biến đổi do vi sinh vật thực hiện trong điều kiện yếm khí (thiếu oxi) hay hiếu khí.
Quá trình lên men
Quy mô phòng thí nghiệm
Ở quy mô phòng thí nghiệm, lên men là quá trình nhằm mục đích khảo sát chất lượng vi sinh vật thực hiện quá trình lên men. Bao gồm các công đoạn:
Nuôi cấy chủng vi sinh vật
Bao gồm phân lập, tạo dòng để tạo ra nguồn giống chính xác và cần thiết về số lượng phục vụ cho quá trình lên men.
Tạo môi trường dinh dưỡng
Dựa theo sự đặc hiệu về nhu cầu dinh dưỡng của bản thân vi sinh vật, người ta tạo ra các môi trường nuôi cấy trong các dụng cụ chứa. Bước này đóng góp nguồn dinh dưỡng sống còn cho chủng vi sinh vật lên men (lên men lấy sản phẩm), đồng thời là bước chuẩn bị để loại bỏ các phế phẩm cần được lên men (lên men loại phế phẩm).
Thanh trùng
Khử những vi sinh vật vốn đang tồn tại trong môi trường, nhằm tối ưu hóa điều kiện sống cho vi sinh vật giống. Vì những vi sinh vật ngoại lai có thể cạnh tranh nguồn dinh dưỡng, tạo sản phẩm phụ hoặc tạo sản phẩm trao đổi chất gây ức chế giống lên men.
Lên men
Nuôi ủ giống trong môi trường trong điều kiện đặt sẵn về pH, nhiệt độ, độ ẩm, thời gian, hàm lượng oxy... Đôi khi cần bổ sung phụ gia lên men. Quá trình lên men là chờ đợi vi sinh vật sử dụng môi trường để trao đổi chất. Qua quá trình trao đổi chất, vi sinh vật phát triển về số lượng và kích thước, đồng thời tiết ra các sản phẩm trao đổi chất. Dựa vào điều kiện sống của giống và mục đích lên men mà người ta tối ưu quá trình lên men theo những cách khác nhau, như lên men lỏng, lên men rắn, lên men mẻ, lên men liên tục, lên men bán liên tục...
Thu sản phẩm
- Đối với lên men lấy sản phẩm: thu sản phẩm là các dịch tiết trao đổi chất của vi sinh vật, hoặc chính sinh khối của vi sinh vật đó
- Đối với lên men khử phế phẩm: không có sản phẩm lên men. Quá trình lên men nhằm mục đích loại bỏ phế phẩm, ví dụ như lên men Penicillium pinophilum để loại bỏ thành phần lignin trong rác thải thành phần gỗ.