Lên men rắn là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa và đặc điểm cơ bản của lên men rắn (SSF)

Lên men rắn (Solid‑State Fermentation – SSF) là kỹ thuật sinh học trong đó vi sinh vật – chủ yếu là nấm filamentous, nấm men hoặc vi khuẩn – phát triển trên nền chất rắn ẩm nhưng không có nước tự do, chẳng hạn như trấu, cám gạo, vỏ đậu phộng hoặc lõi ngô. Quá trình phản ánh điều kiện sống tự nhiên nhất của nhiều loài nấm, giúp tổng hợp mạnh các enzyme ngoại bào và các hợp chất thứ cấp như sắc tố, kháng sinh, acid hữu cơ và monacolin K :contentReference[oaicite:0]{index=0}.

SSF tận dụng phế phẩm nông-lâm công nghiệp (agro-industrial waste) làm chất nền, đáp ứng tiêu chí kinh tế tuần hoàn và đáp ứng nhu cầu bền vững. Việc không có nước tự do giúp hạn chế rủi ro ô nhiễm bởi các vi sinh vật tiêu hao và giảm đáng kể lượng nước thải so với phương pháp lên men lỏng (SmF) :contentReference[oaicite:1]{index=1}.

Đặc trưng cơ bản của SSF gồm: nền rắn chứa chất hữu cơ, độ ẩm đủ để vi sinh hoạt động nhưng không chảy tự do, quy trình thân thiện môi trường, chi phí đầu tư thấp, và sản phẩm ở dạng tập trung, thích hợp cho các quy trình downstream đơn giản :contentReference[oaicite:2]{index=2}.

Cấu trúc quy trình lên men rắn

Quy trình SSF chia thành ba giai đoạn chính theo mô hình "upstream – midstream – downstream":

1. Upstream: xử lý sơ bộ chất nền (cắt nhỏ, sấy, hấp tiệt trùng), điều chỉnh độ ẩm (35–55 %), pH thích hợp, sau đó tiêm chủng chủng vi sinh đạt chuẩn. Các nghiên cứu công nghiệp và học thuật đều nhấn mạnh vai trò của bước này quyết định ý nghĩa sinh học và hiệu suất sản xuất :contentReference[oaicite:3]{index=3}.
2. Midstream: ủ trong điều kiện kiểm soát nhiệt độ (thường 25–40 °C), độ ẩm, thông khí ổn định. Vi sinh vật sinh trưởng hình sợi xâm nhập khối chất nền, tiết enzyme phân giải ligno‑cellulose, tổng hợp sản phẩm mục tiêu như enzyme, kháng sinh, acid hữu cơ, sắc tố, protein hoặc peptide :contentReference[oaicite:4]{index=4}.
3. Downstream: sau thời gian lên men, thu lấy sản phẩm từ chất nền (hoặc dịch lọc), thực hiện chiết tách, tinh chế, làm khô hoặc phun sấy để thu được dạng bột hay dung dịch cô đặc. Phương pháp đơn giản như sàng lọc, ép, lọc trọng lực, sấy phun... đều đáp ứng yêu cầu ứng dụng công nghiệp :contentReference[oaicite:5]{index=5}.

So với SmF, quy trình SSF ít bước trung gian, nước thải thấp, thiết bị đơn giản, thuận lợi khi ứng dụng phế phẩm nông nghiệp – giúp tiết kiệm nhiên liệu, không gian và chi phí xử lý sau cùng.

Chất nền và vi sinh vật chủ lực

Chất nền SSF thường là phế phẩm từ nông nghiệp: trấu, cám gạo, vỏ đậu phộng, lõi ngô, vỏ cà phê, bã bia… chứa giàu carbon, cấu trúc xốp và khả năng giữ ẩm thích hợp cho vi sinh phát triển :contentReference[oaicite:6]{index=6}.

• Aspergillus oryzae: sản xuất enzyme như amylase, protease; ứng dụng trong ngành thực phẩm và công nghiệp xử lý sinh học :contentReference[oaicite:7]{index=7}.
• Bacillus subtilis: dùng trong lên men đậu nành (natto), sinh enzyme protease và amylase, thời gian lên men ngắn (~24 h) dưới ẩm độ 40–55 % :contentReference[oaicite:8]{index=8}.
• Monascus purpureus: nổi bật với khả năng sinh sắc tố đỏ tự nhiên và monacolin K (giảm cholesterol). Tối ưu pH ~5–5.5, ẩm ~40–45 % trên nền gạo hoặc trấu :contentReference[oaicite:9]{index=9}.

Sự lựa chọn phù hợp giữa chủng nguồn và loại chất nền có ảnh hưởng lớn đến năng suất và chất lượng sản phẩm. Ngoài chủng đơn, SSF còn sử dụng kết hợp nhiều vi sinh vật để tăng hiệu quả hoặc tạo sản phẩm đa thành phần.

Ưu điểm và hạn chế so với lên men lỏng (SmF)

SSF hấp dẫn nhờ chi phí thấp, tiết kiệm tài nguyên, phù hợp với việc tái chế phế liệu hữu cơ, phù hợp sản xuất enzyme, sắc tố, axit hữu cơ và hợp chất thứ cấp. Tuy nhiên, nó đòi hỏi kỹ thuật kiểm soát nghiêm ngặt để tránh nhiễm chéo, đảm bảo độ đồng đều và ổn định khi mở rộng quy mô :contentReference[oaicite:10]{index=10}.

Sản phẩm và ứng dụng của lên men rắn

SSF tạo ra đa dạng sản phẩm có giá trị sinh học cao. Enzyme ngoại bào phổ biến gồm cellulase, xylanase, amylase, protease, lipase – ứng dụng trong công nghiệp giấy, dệt, thức ăn chăn nuôi và thực phẩm chức năng. Monacolin K do Monascus purpureus tổng hợp là chất giảm cholesterol tự nhiên đã được thương mại hóa.

Sắc tố như đỏ Monascus phục vụ nhu cầu chất nhuộm thực phẩm và dược phẩm an toàn. Acid hữu cơ (như lactic, acetic) và kháng sinh (bacitracin, penicillin) cũng dễ sinh tổng hợp. Với SSF, sản phẩm thường tập trung cao, độ tinh sạch tốt, thuận tiện cho quy trình downstream.

Công nghệ kiểm soát và giám sát quy trình

Độ ẩm, nhiệt độ và thông khí là yếu tố then chốt. Phân tích độ ẩm theo thời gian giúp duy trì khoảng 40–60 % phù hợp cho vi sinh sợi. Cảm biến độ ẩm và nhiệt độ được tích hợp trong các hệ phản ứng lồng xoắn hoặc bồn ủ có kiểm soát khí.

Thông khí giúp cung cấp O₂ đủ, đồng minh giảm CO₂ sinh ra. Hệ thống SSF bán tự động sử dụng dòng khí ngang hoặc xoáy để kiểm soát khí, kết hợp cảm biến để điều chỉnh lưu lượng, nhiệt độ tự động.

Thiết bị công nghiệp dạng tầng sàng, tầng giỏ, hay ủ trong silo thường tích hợp kiểm soát độ ẩm tự động, có hệ thống thu hơi (để thu acid), bộ lọc HEPA phòng ngừa nhiễm chéo – tạo điều kiện mở rộng quy mô theo hướng công nghiệp sạch.

Giá trị kinh tế và môi trường

SSF tận dụng phế phẩm nông nghiệp, giảm áp lực xử lý chất thải. Đầu tư thiết bị thấp, tiết kiệm năng lượng và diện tích. Nghiên cứu cho thấy năng suất enzyme/cannabinoid ở SSF gấp 2–5 lần SmF tương đương, với chi phí thấp hơn 30–50 %.

Ứng dụng SSF trong sản xuất thức ăn chăn nuôi (cải thiện protein, vitamin), biofuel (chuỗi ngắn acid béo) và dược liệu (tăng alkaloid, flavonoid…) mang lại giá trị gia tăng cho nông sản địa phương.

Thách thức trong công nghiệp hóa

Mở rộng quy mô dễ làm mất điều kiện ủ: phân bố ẩm, nhiệt ham, lượng khí không đồng nhất dẫn đến năng suất thay đổi. Các biện pháp như ủ tầng, đảo cơ chất và kiểm soát vi khí hậu giúp cải thiện nhưng tăng chi phí – trái ngược với mục tiêu chi phí thấp.

Khó kiểm soát nhiễm chéo từ nấm hoặc vi khuẩn không mong muốn. Tiệt trùng quy mô lớn phức tạp. Quá trình sấy khi thu sản phẩm dễ gây mất hoạt tính enzyme, sắc tố nhạy nhiệt cần máy sấy lạnh hoặc tốc độ thấp.

So sánh SSF với công nghệ vi sinh khác

Các ứng dụng nổi bật

• Thực phẩm truyền thống: nấm Tempeh, Natto, Sourdough sử dụng chất nền chứa chất rắn.
• Chăn nuôi: protein đơn bào và enzyme bổ trợ tiêu hóa trong thức ăn gia súc.
• Công nghiệp: enzyme cellulase/xylanase dùng trong dệt/xử lý giấy; sắc tố tự nhiên thay thế phẩm nhuộm hóa học.
• Dược phẩm: monacolin, peptid, alkaloid – nguyên liệu cho thuốc giảm mỡ máu, tiêu chảy, kháng khuẩn.

Xu hướng công nghệ và hướng nghiên cứu tương lai

Ứng dụng sinh học hệ thống (systems biology) và mô hình toán học để tối ưu vi sinh kết hợp nhiều chủng, cải thiện chuyển đổi carbon và điều khiển sản xuất sản phẩm cụ thể.

Việt hóa cảm biến IoT, AI hỗ trợ giám sát độ ẩm và nhiệt độ thời gian thực, phân tích dữ liệu lớn từ các lô hàng để điều chỉnh quy trình tối ưu hóa năng suất.

Kỹ thuật genetic editing – CRISPR/Cas9 – được ứng dụng để tối ưu hóa nấm filamentous như Aspergillus và Monascus sản sinh enzyme, vitamin, sắc tố hoặc peptide chống oxy hóa.

Mở rộng SSF sang xử lý sinh khối ligno‑cellulose phức tạp để tạo giá trị cho vật liệu sinh học (bio-based material) như bột cellulose tinh khiết, biochar, chất xơ thực phẩm – hỗ trợ mô hình nông nghiệp tuần hoàn.