Bài 19: Quá trình tổng hợp và phân giải ở vi sinh vật và ứng dụng

1. Rau, củ muối chua là sản phẩm của quá trình chuyển hoá nào? 2. Để có sản phẩm muối chua ngon thì cần lưu ý những yếu tố nào?

I. Quá trình tổng hợp vi sinh vật

- Quá trình tổng hợp hình thành các hợp chất (vật liệu) để xây dựng và duy trì các hoạt động của vi sinh vật, đồng thời cũng là quá trình tích luỹ năng lượng ở vi sinh vật.

1. Quang tổng hợp ở vi sinh vật và ứng dụng

- Một số vi sinh vật có khả năng tổng hợp chất hữu cơ từ chất vô cơ nhờ năng lượng ánh sáng.

- Quang tổng hợp ở vi sinh vật được chia thành hai nhóm:

• Quang hợp không thải O₂ - quang khử: vi khuẩn màu tía và màu lục.
• Quang hợp thải O₂: vi khuẩn lam và vi tảo.

- Quang tổng hợp ở vi sinh vật góp phần tạo ra hợp chất hữu cơ cho sinh giới, cung cấp O₂ cho con người và các sinh vật trên Trái Đất. Bên cạnh đó, con người đã sử dụng ví inh vật quang tổng hợp như tảo và vi khuẩn lam để sản xuất thực phẩm, dược phẩm, nhiên liệu.

2. Tổng hợp amino acid, protein và ứng dụng

- Phần lớn vi sinh vật có khả năng tự tổng hợp được các amino acid. Thông qua quá trình dịch mã, ribosome sẽ liên kết các amino acid để tổng hợp các phân tử protein. Một số protein tham gia hình thành cấu trúc tế bào vi sinh vật, phần lớn còn lại thực hiện chức năng xúc tác.

- Con người có thể ứng dụng vi sinh vật để sản xuất amino acid.

3. Tổng hợp polysaccharide, polyhydroxyalkanoate và ứng dụng

- Vi sinh vật tổng hợp các polysaccharide từ monosaccharide. Các polysaccharide được sử dụng làm nguyên liệu xây dựng tế bào hoặc chất dự trữ cho tế bào.

- Nhiều vi sinh vật như Bacillus cereus hay Cupriavidus necator có thể dự trữ carbon dưới dạng các hạt polyhydroxyalkanoate. Chúng là những polymer phân huỷ sinh học có thể sử dụng để thay thế nhựa hoá dầu.

4. Tổng hợp lipid và ứng dụng

- Lipid là thành phần tham gia xây dựng cấu trúc tế bào, đặc biệt là màng tế bào. Các vi sinh vật tổng hợp lipid từ nguyên liệu glycerol và acid béo.

- Một số vi sinh vật như nấm men hoặc vi tảo dự trữ carbon và năng lượng bằng cách tích luỹ  nhiều lipid trong tế bào.

→ Con người có thể nuôi chúng và thu lipid để sử dụng trong sản xuất dầu diesel sinh học.

5. Tổng hợp kháng sinh và ứng dụng

- Nhiều vi sinh vật có thể sinh tổng hợp kháng sinh để ức chế sự phát triển của các sinh vật khác. 

→ Có thể tuyển chọn và nuôi các vi sinh vật để sản xuất thuốc kháng sinh dùng trong chữa bệnh.

II. Quá trình phân giải ở vi sinh vật

Quá trình phân giải sẽ hình thành nguyên liệu và năng lượng cung cấp cho quá trình tổng hợp và các hoạt động của tế bào.

1. Phân giải protein và ứng dụng

- Vi sinh vật sinh tổng hợp protease để phân giải protein thành các amino acid. Các amino acid có thể được vi sinh vật sử dụng để tổng hợp các phân tử protein mới, khử amin chuyển hoá thành các hợp chất hữu cơ hoặc oxi hoá để giải phóng năng lượng.

- Con người ứng dụng khả năng sinh tổng hợp protease ngoại bào cao của vi sinh vật để phân giải protein trong đậu tương, cá thành các sản phẩm giàu amino acid như nước tương, nước mắm.

2. Phân giải polysaccharide và ứng dụng

- Nhiều vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp enzyme ngoại bào như cellulase, amylase để phân giải các polysaccharide điển hình trong tự nhiên như cellulose, tinh bột thành các phân tử đường.

- Các phân tử đường được vi sinh vật sử dụng làm nguyên liệu xây dựng tế bào hoặc chuyển hoá tiếp để hình thành pyruvic acid. 

- Pyruvic acid có thể phân giải tiếp thành CO₂ và H₂O theo con đường hô hấp để thu năng lượng hoặc được chuyển hoá thành hợp chất hữu cơ.

- Những vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp cellulase mạnh thường được ứng dụng để phân huỷ xác thực vật thành phân bón hữu cơ nhằm làm giàu chất dinh dưỡng cho đất.

3. Lợi ích và tác hại của quá trình phân giải nhờ vi sinh vật

- Vi sinh vật có khả năng phân giải các hợp chất hữu cơ và chuyển hoá các hợp chất vô cơ, nhờ đó vòng tuần hoàn vật chất trong tự nhiên được khép kín.

- Con người có thể ứng dụng quá trình phân giải của vi sinh vật trong xử lí ô nhiễm môi trường, đồng thời kết hợp để tạo ra các sản phẩm hữu ích như hoá chất, nguyên liệu và nhiên liệu.

- Do khả năng phân giải của vi sinh vật tronh tự nhiên là đa dạng và ngẫu nhiên nên có thể gây hại cho con người. Vi sinh vật phân huỷ làm hư hỏng lương thực, thực phẩm và gây mất mĩ quan các vật dụng, đồ gỗ dùng xây dựng nhà cửa.

III. Một số sản phẩm lên men từ vi sinh vật

1. Lên men sữa chua

* Chuẩn bị

- Nguyên liệu: 1 lít sữa tươi có đường, sữa chua thành phẩm (1 hộp).

- Dụng cụ: bình chứa có thể tích 2 lít, cốc có nắp có thể tích 100 mL (12 cốc), bình đun nước, đũa thuỷ tinh, giấy quỳ.

* Tiến hành

- Bước 1: Đổ 1 lít sữa tươi ra bình chứa 2 lít.

- Bước 2: Bổ sung sữa chua thành phẩm vào hỗ hợp dịch sữa đã chuẩn bị ở bước 1, dùng đũa thuỷ tinh khuấy để sữa chua trộn đều.

- Bước 3: Chia đều hỗn hợp sữa vào các cốc sạch và đậy nắp.

- Bước 4: Ủ cốc sữa ở nhiệt độ 35 - 40 ^oC trong thời gian khoảng 8 - 12 giờ.

- Bước 5: Bảo quản các cốc sữa trong tủ lạnh ở nhiệt độ 4 - 6 ^oC và sử dụng trong 5 ngày.

- Bước 6: Quan sát màu sắc, trạng thái, xác định mùi vị, đo pH của hỗn hợp sữa ở bước 2 và sản phẩm sữa chua ở bước 5.

Ghi lại thông tin theo gợi ý như bảng sau đây:

* Báo cáo

- Viết báo cáo theo gợi ý sau đây, so sánh kết quả thu được với các nhóm khác.

- Thảo luận trả lời các câu hỏi sau:

• Giải thích được sự sai khác của các số liệu thu được, dựa trên số liệu đó để giải thích cơ chế đông tụ của sữa chua.
• Nêu các yếu tố chính ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm sữa chua và cách thức điều chỉnh các yếu tố đó để có sản phẩm sữa chua ngon.

2. Lên men dưa chua

* Chuẩn bị

- Nguyên liệu: rau bắp cải hoặc cải bẹ, muối, đường, hành lá, nước đun sôi để nguội.

- Dụng cụ: dao hoặc kéo, bình lên men (lọ sành, sứ hoặc thuỷ tinh), phên tre hoặc nứa, giấy quỳ.

* Tiến hành

- Bước 1: Rửa rau cải và hành bằng nước sạch, phơi héo rau cải.

- Bước 2: Cắt cải bẹ thành khúc khoảng 3 - 4 cm, nếu dùng cải bắp thì thái nhỏ khoảng 0,5 - 0,8 cm, cắt hành lá thành khúc 3 - 4 cm.

- Bước 3: Trộn đều rau cải và hành rồi cho vào bình lên men, dùng phên nén chặt.

- Bước 4: Bổ sung dung dịch nước muối 3 % có chứa 0,5 - 1 % đường cho ngập rau khoảng 5 cm.

- Bước 5: Ủ ở nhiệt độ 35 - 40 ^oC trong 2 ngày thu được sản phẩm dưa chua.

- Bước 6: Thu thập số liệu.

• Quan sát màu sắc, trạng thái, xác định mùi vị, đo pH của dưa ở bước 4 và sản phẩm dưa chua.
• Ghi đặc điểm của dưa ở bước 4 và sản phẩm ở bước 5 theo gợi ý như bảng sau đây:

* Báo cáo

- Viết báo cáo theo gợi ý sau đây:

- Thảo luận trả lời các câu hỏi sau:

• Vi khuẩn lên men dưa chua có từ những nguồn nào? Người ta thường chủ động bổ sung vi khuẩn lactic trong quá trình muối dưa bằng cách nào?
• Dưa cái muối chua khi ăn được thì được gọi là dưa "chín", em hãy giải thích cơ chế gây ra sự "chín" của dưa.
• Nêu các yếu tố chính ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm dưa chua và cách thức điều chỉnh các yếu tố để có sản phẩm dưa chua ngon.

3. Lên men bánh mì

* Chuẩn bị

- Nguyên liệu: 250 g bột mì, 5 g men bánh mì, 160 mL nước đun sôi để nguội, 2 g muối, 16 g đường.

- Dụng cụ: dao nhỏ, thìa, khay inox ( 20 x 27 cm) phủ giấy nến, bình đựng nước, bát inox có đường kính miệng khoảng 30 cm, găng tay.

- Thiết bị: lò nướng hoặc tủ sấy.

* Tiến hành

- Bước 1: Trộn đều muối, men bánh mì và đường với 160 mL nước.

- Bước 2: Bổ sung dần dung dịch ở bước 1 với bát bột và dùng tay trộn đều cho đến khi bột mịn.

- Bước 3: Ủ nhiệt độ 28 - 30 ^oC trong khoảng 20 phút.

- Bước 4: Chia bột thành những phần nhỏ (khoảng 8 phần), tạo hình cho mỗi phần đó.

- Bước 5: Xếp bánh vào các khay và ủ ở nhiệt độ 28 - 30 ^oC trong khoảng 1 giờ.

- Bước 6: Dùng dao khía mặt bánh và nướng ở 160 ^oC trong khoảng 25 - 30 phút thu được sản phẩm.

- Bước 7:

• Quan sát màu sắc vỏ bánh, xác định mùi và vị của bánh mì.
• Ghi thông tin đặc điểm của bánh mì theo gợi ý như bảng sau đây:

​* Báo cáo

- Viết báo cáo theo gợi ý sau đây:

- Thảo luận trả lời các câu hỏi sau:

• Giải thích cơ chế làm cho bánh phồng lên khi ủ.
• Nêu các yếu tố chính ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm bánh mì và cách thức điều chỉnh các yếu tố đó để có sản phẩm bánh mì ngon.

1. Một số vi sinh vật có khả năng quang tổng hợp tạo ra chất hữu cơ và giải phóng O₂ vào khí quyển.

2. Vi sinh vật sinh tổng hợp các đại phân tử, ví dụ như protein, polysaccharide và lipid làm nguyên liệu xây dựng tế bào và dự trữ năng lượng cho tế bào. Con người có thể ứng dụng quá trình này để sản xuất protein, polymer sinh học hoặc dầu diesel sinh học.

3. Vi sinh vật có khả năng tổng hợp enzyme phân giải các đại phân tử như protein, polysaccharide. Con người ứng dụng các quá trình này để làm nước tương, nước mắm, lên men rượu, lên men lactic, xử lí rác thải,...

4. Vi sinh vật phân giải hợp chất hữu cơ và chuyển hoá các chất vô cơ giúp khép kín vòng tuần hoàn vật chất trong tự nhiên.