Quá trình lên men là gì?
Lên men là quá trình trao đổi chất tạo ra năng lượng sử dụng hợp chất hữu cơ làm chất nhận điện tử cuối cùng. Các sinh vật thu được năng lượng cần thiết để cung cấp năng lượng cho hoạt động sinh học từ sự sắp xếp lại năng lượng liên kết hóa học, chuyển động của proton hoặc chuyển động của electron.
Trong trường hợp lên men đường, năng lượng ánh sáng mà thực vật thu được trong quá trình quang hợp và được sử dụng để tạo ra đường được thu lại trong quá trình dị hóa phân hủy đường để tạo ra phân tử năng lượng cao adenosine triphosphate (ATP).
Năng lượng liên kết phosphate cuối cùng được giải phóng trong quá trình thủy phân ATP có thể được kết hợp với các phản ứng bất lợi về mặt năng lượng để thúc đẩy các phản ứng đó, tạo ra adenosine diphosphate (ADP) trong quá trình này, cùng với sản phẩm hoặc chất chuyển hóa mong muốn. ATP đóng vai trò là nguồn năng lượng chính được sử dụng cho hoạt động sinh học bên trong tế bào.
Trong hô hấp, một hợp chất vô cơ được sử dụng làm chất nhận điện tử cuối cùng. Hợp chất được sử dụng phổ biến nhất là oxy phân tử, trong quá trình truyền điện tử hô hấp, oxy được chuyển thành nước.
Trong trường hợp này, năng lượng được thu thập từ chuyển động của các electron từ trạng thái năng lượng cao sang trạng thái năng lượng thấp hơn bằng cách sử dụng một loạt các enzyme và cofactors chứa trong ty thể của tế bào.
Vi khuẩn có thể sử dụng các hợp chất vô cơ khác làm chất nhận điện tử cuối cùng. ATP cũng được tạo ra từ quá trình này. Cuối cùng, năng lượng có thể được tạo ra từ chuyển động của proton từ vùng có nồng độ cao (pH thấp) đến vùng có nồng độ thấp hơn (pH cao) qua màng tạo ra cái gọi là “lực đẩy proton”.
Năng lượng được giải phóng trong chuyển động proton có lợi về mặt năng lượng cũng có thể được thu thập để tạo ra ATP. Vi khuẩn axit lactic có trong rượu vang có thể sử dụng chế độ tổng hợp ATP này. Quá trình sản xuất etanol từ đường nho bằng nấm men là quá trình lên men trong đó chất trung gian, acetaldehyde, đóng vai trò là chất nhận điện tử cuối cùng, bị khử thành rượu hai cacbon, etanol.
Quá trình lên men rượu vang
Nước ép nho chứa nguồn chất nền phong phú có nguồn gốc từ quá trình quang hợp của thực vật. Các chất nền đường chính trong nho là hai hexose, glucose và fructose, nhưng các hexose và pentose khác cũng có thể được hình thành.
Quá trình lên men đường nho chủ yếu được thực hiện bởi nấm men Saccharomyces. Thông qua quá trình đường phân, hexose 6 carbon bị phân hủy thành 2 phân tử pyruvate 3 carbon. Vì quá trình này tạo ra các electron dư thừa, nên tế bào phải loại bỏ các electron đó bằng cách chuyển chúng sang một phân tử khác thông qua một quá trình không tiêu thụ năng lượng.
Xem thêm: 5 bước của quy trình sản xuất rượu vang
Trong trường hợp lên men rượu, tế bào nấm men khử carboxyl pyruvate tạo ra acetaldehyde, để tạo ra chất nhận electron. Acetaldehyde có ái lực cao với electron, bị khử thành etanol. Do đó, một phân tử đường 6 carbon tạo ra 2 phân tử carbon dioxide và 2 phân tử hợp chất etanol 2 carbon.
Mục tiêu của quá trình lên men rượu là chuyển hóa toàn bộ lượng đường có sẵn thành etanol và carbon dioxide và không để lại lượng đường dư trong rượu. Có một số yếu tố quyết định Saccharomyces có thể sử dụng hoàn toàn glucose và fructose có sẵn hay không. Việc tiêu thụ đủ đường đòi hỏi một quần thể khỏe mạnh về mặt chuyển hóa với số lượng tế bào đủ cao để duy trì tốc độ chuyển đổi chất nền. Việc tiêu thụ đường cũng đòi hỏi các điều kiện, hóa học, vật lý và sinh học, cho phép hoạt động trao đổi chất tiếp tục.
Mục tiêu của quản lý quá trình lên men là duy trì các điều kiện trao đổi chất cho phép và quần thể tế bào khỏe mạnh để cho phép chuyển đổi đường hoàn toàn. Một mục tiêu phù hợp là khả năng kiểm soát các hoạt động trao đổi chất khác của nấm men để tạo ra hương vị mong muốn trong rượu vang.
Tối ưu quá trình lên men rượu vang
Lên men rượu vang là một quá trình vi sinh. Loại lên men xảy ra phụ thuộc vào một số yếu tố chính: sự hiện diện và các loại chất dinh dưỡng, không có điều kiện ức chế và điều kiện hóa học và môi trường cho phép. Các hoạt động quản lý lên men thành công cung cấp đủ nhưng không quá nhiều chất dinh dưỡng, sử dụng các điều kiện lên men có lợi cho sự phát triển và sự thống trị của quần thể Saccharomyces lớn và giảm thiểu căng thẳng cho các quần thể đó.
Ngoài năng lượng dưới dạng ATP được tạo ra thông qua quá trình lên men, nấm men cần các chất dinh dưỡng thích hợp để xây dựng các tế bào mới và duy trì hoạt động trao đổi chất. Các chất dinh dưỡng đa lượng là những nguyên tố cần thiết với số lượng tương đối lớn vì chúng tạo thành các khối xây dựng của vật liệu tế bào: cacbon cho lipid tế bào, sterol, polysaccharides, axit nucleic, protein, co-factor và chất chuyển hóa; nitơ cho axit nucleic, protein, cofactor và chất chuyển hóa; phosphate cho axit nucleic, protein, cofactor và chất chuyển hóa; và lưu huỳnh cho protein, cofactor và chất chuyển hóa. Sự thiếu hụt bất kỳ thành phần dinh dưỡng nào trong số này sẽ dẫn đến giảm khả năng tạo ra tế bào hoặc sinh khối mới. Sinh khối được hình thành có thể khỏe mạnh về mặt trao đổi chất nhưng ít tế bào hơn có nghĩa là tốc độ lên men tổng thể chậm hơn.
Các tế bào cũng cần các nguyên tố vi lượng, các thành phần cần thiết để tạo điều kiện cho các phản ứng được xúc tác bởi enzyme. Khoáng chất và vitamin là các nguyên tố vi lượng. Việc hạn chế một hoặc nhiều thành phần này có thể ngăn cản các phản ứng của tế bào xảy ra và nếu đủ nghiêm trọng, cũng sẽ hạn chế sự phát triển. Nếu thành phần không cần thiết cho sự phát triển nhưng cần thiết cho quá trình lên men, sinh khối tối đa có thể được hình thành với tốc độ dị hóa đường giảm trên mỗi tế bào. Ví dụ, kẽm là một đồng yếu tố của rượu dehydrogenase, enzyme cần thiết để chuyển các electron được tạo ra trong quá trình dị hóa đường thành acetaldehyde, tạo thành etanol. Nếu không có đủ kẽm, các electron có thể tích tụ và sau đó sẽ ức chế quá trình lên men tiếp theo. Tế bào là một thực thể năng động, cần cân bằng các hoạt động trao đổi chất với hai ưu tiên sinh học song song: tạo ra các tế bào mới thông qua quá trình phân chia tế bào và sự sống còn. Cả hai đều có tác dụng bảo tồn kiểu gen của sinh vật đó.
Ngoài dinh dưỡng hợp lý, căng thẳng cũng có thể hạn chế sự phân chia tế bào, quá trình trao đổi chất của tế bào hoặc cả hai. Các tác nhân gây căng thẳng có thể là sinh học (như hạn chế chất dinh dưỡng hoặc tích tụ các sản phẩm trung gian hoặc cuối cùng độc hại) hoặc phi sinh học (pH thấp, nhiệt độ cực đoan, thẩm thấu cực đoan). Trong trường hợp rượu vang, căng thẳng sản xuất có thể phát sinh từ các hoạt động trao đổi chất của các vi sinh vật khác có mặt trước hoặc trong quá trình lên men. Ngoài ra, khi etanol tăng lên, khả năng chịu đựng các tác nhân gây căng thẳng khác, chẳng hạn như pH thấp và nhiệt độ, sẽ giảm xuống. Tương tự như vậy, sự hiện diện của một tác nhân gây căng thẳng khác, chẳng hạn như sốc nhiệt độ, có thể làm giảm khả năng chịu đựng etanol của tế bào.
Trong trường hợp điển hình, và đặc biệt là đối với quá trình lên men thực vật bản địa, hệ thực vật của nho cũng như của nhà máy rượu có thể có tác động đáng kể đến quá trình lên men và tiến trình của nó. Hệ thực vật nho có thể là những cư dân bình thường: tức là các thành viên của màng sinh học phủ lên nho.· Hoặc chúng có thể là tạm thời và trên nho do lắng đọng đất, bụi hoặc côn trùng truyền bệnh. Bất kể nguồn gốc của chúng là gì, những vi khuẩn này có thể cạnh tranh với Saccharomyces để lấy chất dinh dưỡng, làm cạn kiệt chất dinh dưỡng trong nước ép hoặc tạo ra các sản phẩm cuối cùng có thể gây ức chế.
Do đó, quản lý quá trình lên men là một quá trình phức tạp để đảm bảo có đủ chất dinh dưỡng, giảm thiểu khả năng ức chế của các sinh vật không phải Saccharomyces , duy trì nhiệt độ thích hợp để đảm bảo khả năng chịu đựng etanol liên tục, sử dụng thuốc kháng khuẩn một cách khôn ngoan, chẳng hạn như sulfit và lựa chọn phương pháp tiêm chủng phù hợp cho rượu vang. Điều quan trọng nữa là phải hiểu các yếu tố trước khi bắt đầu quá trình lên men có thể ảnh hưởng đến tiến trình lên men đó như thế nào.
Xem thêm
(Theo UCDAVIS)
