Fermentation là gì? Các công bố khoa học về Fermentation

Định nghĩa Fermentation

Fermentation, hay còn gọi là quá trình lên men, là một chuỗi phản ứng sinh hóa được thực hiện bởi vi sinh vật hoặc tế bào động vật trong điều kiện yếm khí, nhằm thu năng lượng từ các phân tử hữu cơ – chủ yếu là đường đơn như glucose. Đây là một trong những phương thức chuyển hóa năng lượng cổ nhất, tồn tại trước khi oxy xuất hiện trong khí quyển, và vẫn còn đóng vai trò thiết yếu trong nhiều hệ sinh học hiện đại.

Fermentation không yêu cầu oxy làm chất nhận electron cuối cùng, thay vào đó các phân tử hữu cơ trung gian như pyruvate hoặc acetaldehyde đóng vai trò nhận electron để khép kín chu trình. Kết quả là các sản phẩm phụ như ethanol, axit lactic, axit acetic hoặc khí CO₂ được tạo ra cùng với một lượng ATP hạn chế.

Dựa vào sản phẩm tạo thành, fermentation có thể được phân loại như sau:

• Lên men lactic (Lactic acid fermentation): tạo axit lactic từ glucose.
• Lên men rượu (Alcoholic fermentation): tạo ethanol và CO₂.
• Lên men axetic: chuyển ethanol thành acid acetic.
• Lên men hỗn hợp: tạo nhiều loại axit hữu cơ và khí.

Cơ chế sinh hóa của quá trình Fermentation

Fermentation khởi đầu bằng quá trình glycolysis, nơi phân tử glucose được phân giải thành hai phân tử pyruvate. Quá trình này tạo ra 2 phân tử ATP và 2 phân tử NADH cho mỗi phân tử glucose. Trong điều kiện yếm khí, chuỗi chuyền electron không thể hoạt động, nên NADH cần được oxy hóa trở lại thành NAD⁺ để duy trì glycolysis. Đây chính là chức năng chính của fermentation.

Trong lên men rượu (do nấm men thực hiện), pyruvate được khử thành ethanol qua hai bước:

$C_6H_{12}O_6 \rightarrow 2C_2H_5OH + 2CO_2 + \text{năng lượng}$

Ở bước đầu tiên, pyruvate khử carboxyl tạo acetaldehyde và CO₂; sau đó acetaldehyde được khử thành ethanol, đồng thời NADH bị oxy hóa thành NAD⁺.

Ngược lại, trong lên men lactic (xảy ra trong vi khuẩn và tế bào cơ người), pyruvate được khử trực tiếp thành axit lactic:

$C_6H_{12}O_6 \rightarrow 2CH_3CH(OH)COOH$

Cả hai quá trình đều giúp tái sinh NAD⁺, cho phép glycolysis tiếp tục hoạt động và sản sinh năng lượng tối thiểu cần thiết cho tế bào.

Loại fermentation	Sản phẩm chính	Vi sinh vật thực hiện	Năng lượng sinh ra (ATP)
Lên men lactic	Axit lactic	Lactobacillus, tế bào cơ	2 ATP/glucose
Lên men rượu	Ethanol, CO₂	Saccharomyces cerevisiae	2 ATP/glucose
Lên men acetic	Axit acetic	Acetobacter	1–2 ATP/glucose

Các loại Fermentation chính

Mỗi loại fermentation được đặc trưng bởi enzym, con đường chuyển hóa và sản phẩm tạo thành khác nhau. Một số loại lên men chỉ tạo ra một sản phẩm (đồng nhất), trong khi các loại khác tạo ra nhiều sản phẩm đồng thời (hỗn hợp).

Các loại fermentation phổ biến:

1. Lên men lactic đồng nhất: chỉ tạo ra axit lactic, thường gặp ở Lactobacillus.
2. Lên men lactic hỗn hợp: tạo axit lactic, ethanol, CO₂ và axit succinic.
3. Lên men ethanol: do nấm men chuyển pyruvate thành ethanol, thường ứng dụng trong sản xuất rượu, bia.
4. Lên men axetic: oxy hóa ethanol thành acid acetic trong điều kiện bán hiếu khí, ứng dụng trong sản xuất giấm.

Một số vi sinh vật có thể thực hiện lên men hỗn hợp như Escherichia coli, tạo nhiều loại axit hữu cơ cùng lúc. Khả năng điều hướng con đường chuyển hóa của chúng mở ra nhiều tiềm năng trong công nghệ sinh học.

Xem thêm tại NCBI – Microbial Fermentation.

Vai trò sinh học của Fermentation

Fermentation đóng vai trò thiết yếu trong sinh học, đặc biệt là trong môi trường thiếu oxy hoặc trong các sinh vật kỵ khí. Ở người, khi cơ hoạt động mạnh và nhu cầu năng lượng vượt quá khả năng cung cấp oxy, tế bào chuyển sang lên men lactic để tiếp tục sản sinh ATP nhanh chóng. Tuy nhiên, điều này dẫn đến tích tụ axit lactic gây mỏi cơ.

Một số hệ sinh vật sống hoàn toàn bằng fermentation, ví dụ như vi khuẩn kỵ khí bắt buộc. Chúng cư trú trong ruột người, rễ cây hoặc môi trường không có oxy. Tại ruột già, lên men các chất xơ chưa tiêu hóa tạo ra axit béo chuỗi ngắn (SCFA), đóng vai trò dinh dưỡng cho tế bào biểu mô ruột và điều hòa miễn dịch.

Fermentation còn giúp cân bằng hệ vi sinh vật, ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn gây bệnh nhờ vào môi trường acid hóa. Đó là lý do tại sao các vi sinh vật sinh axit như Bifidobacteria hay Lactobacillus thường được bổ sung vào thực phẩm chức năng như probiotics.

Dưới đây là một số lợi ích sinh học của fermentation:

• Tái tạo NAD⁺ giúp duy trì quá trình glycolysis
• Sản sinh ATP trong môi trường thiếu oxy
• Bảo vệ vật chủ khỏi vi sinh vật gây hại
• Tạo sản phẩm chuyển hóa có lợi như SCFA, vitamin nhóm B

Ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm

Fermentation là nền tảng trong sản xuất thực phẩm truyền thống và hiện đại. Quá trình này không chỉ giúp bảo quản thực phẩm mà còn cải thiện hương vị, tăng giá trị dinh dưỡng và tạo ra các sản phẩm đặc trưng về mặt cảm quan như mùi, vị, cấu trúc.

Lên men trong thực phẩm thường sử dụng các chủng vi sinh vật chọn lọc như Lactobacillus, Streptococcus thermophilus, Saccharomyces cerevisiae. Chúng chuyển hóa đường, protein hoặc lipid thành các sản phẩm thứ cấp như acid hữu cơ, rượu, CO₂ và enzym tự nhiên.

Một số ứng dụng điển hình:

• Sữa chua, phô mai: sử dụng lên men lactic để đông tụ protein và tạo vị chua nhẹ.
• Bia, rượu vang: sử dụng lên men ethanol để tạo ra cồn và hương vị đặc trưng.
• Nước tương, miso, kimchi, dưa cải: lên men hỗn hợp từ nấm, vi khuẩn và men, giúp tạo vị umami và tăng độ bền thực phẩm.
• Làm bánh mì: men rượu sinh CO₂ giúp tạo độ nở và kết cấu mềm.

Lên men còn góp phần vào việc phân giải các chất chống dinh dưỡng như acid phytic, làm tăng khả năng hấp thu khoáng chất như sắt và kẽm.

Nguồn tham khảo: Frontiers in Nutrition – Fermented Foods and Health.

Fermentation trong công nghệ sinh học

Trong công nghiệp sinh học, fermentation được sử dụng để sản xuất khối lượng lớn các sản phẩm sinh học có giá trị kinh tế cao. Đây là một trong những công nghệ trụ cột trong lĩnh vực công nghệ sinh học truyền thống và hiện đại, với ứng dụng từ dược phẩm, thực phẩm đến năng lượng sinh học.

Một số sản phẩm quan trọng được sản xuất bằng fermentation:

Loại sản phẩm	Ví dụ	Vi sinh vật
Kháng sinh	Penicillin, streptomycin	Penicillium, Streptomyces
Vitamin	B2, B12	Propionibacterium, Aspergillus
Amino acid	Lysine, glutamate	Corynebacterium glutamicum
Enzyme công nghiệp	Amylase, protease	Bacillus subtilis, Aspergillus niger

Những quá trình này được thực hiện trong các bioreactor quy mô công nghiệp với khả năng kiểm soát chính xác các điều kiện môi trường như pH, nhiệt độ, tốc độ khuấy, và lượng oxy.

Fermentation và năng lượng tái tạo

Fermentation đóng vai trò quan trọng trong sản xuất nhiên liệu sinh học như bioethanol và biobutanol từ sinh khối thực vật. Các carbohydrate phức tạp trong ngô, mía đường, rơm rạ hoặc cellulose được thủy phân thành đường đơn, sau đó được lên men để tạo nhiên liệu sinh học.

Quy trình tổng quát sản xuất bioethanol:

1. Thủy phân sinh khối thành glucose
2. Lên men glucose thành ethanol
3. Chưng cất để thu ethanol tinh khiết

Phản ứng chính:

$C_6H_{12}O_6 \rightarrow 2C_2H_5OH + 2CO_2$

Sử dụng fermentation trong năng lượng tái tạo góp phần giảm phát thải khí nhà kính và tận dụng phụ phẩm nông nghiệp hiệu quả.

Xem thêm: U.S. Department of Energy – Ethanol Basics

Kiểm soát và tối ưu hóa quá trình Fermentation

Để tối ưu hóa sản lượng và chất lượng sản phẩm từ fermentation, các yếu tố môi trường cần được kiểm soát nghiêm ngặt. Những yếu tố chính bao gồm:

• Nhiệt độ: ảnh hưởng đến hoạt động enzym
• pH: quyết định tính ổn định của vi sinh vật
• Nồng độ chất nền (glucose, peptone)
• Tốc độ khuấy, oxy hòa tan (đối với fermentation hiếu khí)

Các mô hình fermentation thường dùng trong công nghiệp:

1. Batch fermentation: cho nguyên liệu vào một lần, quy trình kín.
2. Fed-batch: bổ sung chất nền theo từng giai đoạn, kiểm soát tốt hơn.
3. Continuous fermentation: dòng vào/ra liên tục, duy trì trạng thái ổn định lâu dài.

Việc ứng dụng cảm biến sinh học, tự động hóa và trí tuệ nhân tạo đang giúp kiểm soát quá trình lên men chính xác và hiệu quả hơn bao giờ hết.

Tiềm năng và xu hướng nghiên cứu

Fermentation đang bước vào giai đoạn mới với sự hỗ trợ của công nghệ sinh học hiện đại và kỹ thuật gene. Các vi sinh vật được chỉnh sửa gen có thể tạo ra sản phẩm không có trong tự nhiên, tối ưu con đường chuyển hóa, giảm chất thải và tăng hiệu suất.

Xu hướng nghiên cứu hiện nay bao gồm:

• Thiết kế vi sinh vật bằng công nghệ CRISPR
• Sử dụng sinh vật không điển hình như Clostridium, Zymomonas
• Kết hợp fermentation với công nghệ vật liệu và AI trong mô phỏng sinh trưởng
• Phát triển sản phẩm thực phẩm mới như thịt nuôi cấy, sữa không bò

Fermentation không chỉ là công cụ sản xuất, mà còn là nền tảng cho nhiều giải pháp bền vững trong y học, nông nghiệp và môi trường.

Tài liệu tham khảo

1. Madigan, M.T., Bender, K.S., Buckley, D.H., et al. (2017). Brock Biology of Microorganisms, 15th ed. Pearson.
2. Stanbury, P.F., Whitaker, A., & Hall, S.J. (2016). Principles of Fermentation Technology. Elsevier.
3. Choi, J., & Lee, S.Y. (2013). Fermentation process development for the production of biofuels and chemicals. Current Opinion in Biotechnology, 24(3), 405–413.
4. Marco, M.L., et al. (2017). Health benefits of fermented foods: microbiota and beyond. Current Opinion in Biotechnology, 44, 94–102.
5. U.S. Department of Energy. (2020). Ethanol Basics. https://www.energy.gov/eere/bioenergy/ethanol
6. NCBI. (2014). Microbial fermentation. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4013123/
7. Frontiers in Nutrition. (2021). Fermented Foods and Health. https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fsnut.2021.637542/full