LÊN MEN

Khi vắng mặt hô hấp hiếu khí hoặc kỵ khí N ADH không bị oxy hoá bởi chuỗi vận chuyển electron do thiếu chất nhận electron từ bên ngoài. Tuy nhiên, N ADH tạo thành trong con đường đường phân vẫn cần phải được oxy hoá trở lại thành N AD+. N ếu N AD+ không được tái tạo việc oxy hoá glyceraldehyde-3-phosphate sẽ không diễn ra và đường phân sẽ ngừng hoạt động. Vì vậy chức năng chủ yếu của lên men là tái sản N AD+ cho đường phân. Để khắc phục tình trạng trên nhiều vi sinh vật đã giảm hoặc làm ngừng hoạt tính của enzyme pyruvate dehydrogenase và sử dụng pyruvate hay một trong các chất dẫn xuất của pyruvate như chất nhận electron và hydro nhằm tái oxy hoá N ADH trong một quá trình lên men (Hình 17.9). Ở đây chỉ giới thiệu một số quá trình lên men thường gặp nhất. Trong lên men vi sinh vật cần chú ý hai điểm: 1) N ADH được oxy hoá thành N AD+ và 2) chất nhận electron thường là pyruvate hoặc một chất dẫn xuất từ pyruvate. Trong lên men cơ chất bị oxy hoá một phần, ATP chỉ được tạo thành bởi phosphoryl hoá ở mức độ cơ chất và O2 là không cần thiết. N hiều nấm và một số vi khuNn, tảo và động vật nguyên sinh lên men đường thành etanol và CO2 trong một quá trình gọi là lên men etylic. Pyruvate bị loại CO2 thành Acetaldehyd, sau đó Acetaldehyd bị khử thành etanol nhờ sự xúc tác của alcoholdehydrogenase với N ADH là chất cho electron (Hình 17.10, số 2). Quá trình lên men thứ hai gọi là lên men lactic còn gặp phổ biến hơn. Đây là sự khử Pyruvate thành lactat (Hình 17.10, số 1). Lên men lactic diễn ra ở vi khuNn (vi khuNn lactic, Bacillus), tảo (Chlorella), một số mốc nước, động vật nguyên sinh thậm chí ở cả cơ xương của động vật. Các vi sinh vật lên men lactic có thể được chia thành hai nhóm: nhóm lên men lactic đồng hình sử dụng con đường đường phân và trực tiếp khử hầu hết pyruvate thành lactat nhờ sự xúc tác của enzyme lactat dehydrogenase; nhóm lên men lactic dị hình tạo thành một lượng lớn các sản phNm không phải lactat, trong đó nhiều loài tạo thành lactat, etanol và CO2 qua con đường phosphorusketolase.

NADH từ đường phân được oxy hóa lại nhờ được dùng để khử pyruvate hay 1 chất dẫn xuất của pyruvate (X). K ế t quả là xuất hiện lactat hoặc sản phẩm khử Y. (Theo: Prescott và cs, 2005)

Lên men etylic và lên men lactic là hai quá trình lên men rất có ích cho con người. Lên men etylic do nấm men được dùng để sản xuất các loại đồ uống có chứa cồn; CO2 thoát ra từ quá trình lên men này có tác dụng làm nở bột mì. Mặc dù có thể gây hư hỏng thực phNm nhưng lên men lactic được dùng phổ biến để muối dưa, cà, sản xuất sữa chua, nem chua, ủ chua thức ăn cho gia súc. N hiều vi khuNn, đặc biệt là các cá thể trong họ Enterobacteriaceae có thể chuyển hoá Pyruvate thành acid formic và các sản phNm khác trong một quá trình đôi khi được gọi là lên men formic (Hình 17.10, số 5). N hờ formic - hydroliase (là phức hợp gồm ít nhất hai enzyme) acid formic có thể bị phân giải thành H2 và CO2:

HCOOH → CO2 + H2

Để cho đơn giản ở đây chỉ giới thiệu các quá trình lên men Pyruvate; trên thực t ế nhi ề u phân tử hữu cơ khác cũng có thể được lên men. Hầu h ế t các quá trình lên men này đã được đơn giản hóa bằng cách loại bỏ 1 hoặc nhi ề u bước và các chất trung gian. (Theo: Prescott và cs, 2005)

1. Vi khuẩn acid lactic (Streptococcus, Lactobacillus, Bacillus)

2. Nấm men, Zymomonas

3. Vi khuẩn acid propionic (Propionibacterium)

4. Enterobacter, Serratia, Bacillus

5. Vi khuẩn đường ruột (Escherichia, Enterobacter, Salmonella, Proteus).

6. Clostridium

Có hai loại lên men formic. Lên men acid hỗn hợp cho sản phNm là etanol và một hỗn hợp các acid đặc biệt là acetic, lactic, succinic và formic (bảng 17.2).N ếu formic hydroliase có mặt acid formic sẽ bị phân giải thành H2 và CO2. Dạng lên men này gặp ở Escherichia, Salmonella, Proteus và một số chi khác. Lên men butandiol đặc trưng ở các chi Enterobacter, Serratia, Erwinia và một số loài của Bacillus (Hình 17.10, số 4). Pyruvate được chuyển hoá thành acetoin, sau đó acetoin bị khử thành 2,3-butandiol với

N ADH. Một lượng lớn etanol cũng được tạo thành cùng với những lượng nhỏ các acid gặp trong lên men acid hỗn hợp.

Lên men formic rất có ích trong việc xác định các cá thể của họ Enterobacteriaceae. Các vi khuNn lên men butandiol có thể được phân biệt với các vi khuNn lên men acid hỗn hợp ở ba điểm sau:

1. Thử nghiệm (test) Voges-Proskauer là một phương pháp so màu dùng phát hiện tiền chất acetoin của butandiol (Hình 17.10). Thử nghiệm này chỉ dương tính với các vi khuNn lên men butandiol.

2. Các vi khuNn lên men acid hỗn hợp tạo thành các sản phNm acid nhiều hơn 4 lần các sản phNm trung tính, trong khi các vi khuNn lên men butandiol tạo thành các sản phNm trung tính là chủ yếu. Do đó các vi khuNn lên men acid hỗn hợp acid hoá rất rõ rệt môi trường nuôi cấy. Đây là cơ sở của thử nghiệm đỏ metil (methyl red). Thử nghiệm là dương tính chỉ với lên men acid hỗn hợp vì pH giảm xuống dưới 4,4 và màu của chất chỉ thị chuyển từ vàng sang đỏ.

3. CO2 và H2 xuất hiện đẳng lượng do hoạt tính của formic-hydroliase trong lên men acid hỗn hợp. Các vi khuNn lên men butandiol tạo thành dư thừa CO2 và tỉ lệ CO2/H2 xấp xỉ 5:1. Các vi khuNn lên men formic đôi khi tạo thành ATP trong việc tái oxy hoá N ADH.

Chúng sử dụng Acetyl-CoA để tổng hợp Acetyl-phosphate sau đó nhóm phosphate này được chuyển đến ADP.

Acetyl-CoA + Pi → CoA.SH + Acetyl-P

Acetyl-P + ADP → Acetat + ATP

Các vi sinh vật tiến hành các quá trình lên men khác với các quá trình nói trên. Động vật nguyên sinh và nấm thường lên men đường thành lactat, etanol, glycerol, succinat, format, acetat, butandiol và các sản phNm bổ sung.

Alanin bị oxy hóa thành acetat và glixin được dùng để oxy hóa lại NADH sản ra trong sự phân giải alanin. Lên men cũng tạo thành ATP. (Theo: Prescott và cs, 2005)

Các chất không phải đường cũng được lên men bởi vi sinh vật. Chẳng hạn, một số loài của chi Clostridium thường lên men các hỗn hợp acid amin. Các clostridia phân giải protein như các vi khuNn gây bệnh. C. sporogenes và C. botulinum thực hiện phản ứng

Stickland trong đó một acid amin bị oxy hoá trong khi một acid amin thứ hai tác dụng như chất nhận electron. Phản ứng Stickland điển hình là phản ứng trong đó alanin bị oxy hoá và glixin bị khử để tạo thành acetat, CO2 và N H3. ATP được sản ra từ Acetyl-P nhờ

phosphoryl hoá ở mức độ cơ chất và kiểu lên men này rất thích hợp cho các vi khuNn khi sinh trưởng trong môi trường kỵ khí giàu protein. Phản ứng Stickland được dùng để oxy

hoá một số acid amin như: alanin, leucin, isoleucin, valin, phenylalanin, tryptophan và histamin. Các acid amin khác như glicin, glutamate, threonine, arginin và cả alanin cũng

được vi khuNn lên men nhưng theo cơ chế khác. N goài đường và acid amin các acid hữu cơ như acetat, lactat, propionat và citrat cũng được lên men. Một số quá trình lên men nói

trên có ý nghĩa rất quan trọng trong thực tế chẳng hạn citrat có thể được chuyển thànhdiacetyl tạo cho sữa lên men hương vị thơm ngon.