Nước mắm, dưa cải, nem chua, mẻ, tương, giấm, rượu, bia, sữa chua, nước tương, kombucha: một phần rất lớn ẩm thực Việt Nam và thế giới dựa trên lên men. Đây là một trong những công nghệ chế biến lâu đời nhất của loài người, đồng thời cũng là nền tảng của những xu hướng mới nhất như lên men chính xác để sản xuất protein sữa không cần bò.

Lên men là gì?

Trong công nghệ thực phẩm, lên men là quá trình chuyển hóa nguyên liệu nhờ hoạt động của vi sinh vật (vi khuẩn, nấm men, nấm mốc) hoặc enzyme của chúng, tạo ra sản phẩm có tính chất mong muốn: axit, rượu, khí CO2, hương vị, cấu trúc mới. Trong hóa sinh, “lên men” có nghĩa hẹp hơn là quá trình trao đổi chất tạo năng lượng không cần oxy; tuy vậy trong ngành, thuật ngữ được dùng rộng cho cả các quá trình hiếu khí như lên men giấm.

Các kiểu lên men chính

Lên men lactic

Vi khuẩn lactic chuyển đường thành axit lactic, làm giảm pH và ức chế vi sinh vật gây hỏng, gây bệnh. Có hai kiểu: đồng hình (gần như chỉ tạo axit lactic) và dị hình (tạo axit lactic cùng ethanol, axit acetic, CO2, cho hương phức tạp hơn). Ví dụ: sữa chua, dưa cải, cà muối, kim chi, nem chua, mẻ.

Lên men rượu

Nấm men, chủ yếu Saccharomyces cerevisiae, chuyển đường thành ethanol và CO2 trong điều kiện thiếu oxy. Đây là cơ sở của bia, rượu vang, rượu gạo, và cũng là cơ chế làm nở bánh mì (CO2 giữ trong mạng gluten, ethanol bay hơi khi nướng).

Lên men acetic

Vi khuẩn acetic như Acetobacter, Gluconobacter oxy hóa ethanol thành axit acetic khi có oxy, tạo ra giấm. Kombucha là ví dụ kết hợp nấm men, vi khuẩn acetic và vi khuẩn lactic trong một màng cộng sinh.

Lên men bằng nấm mốc

Aspergillus oryzae được nuôi trên đậu nành, gạo, lúa mì tạo koji, nguồn enzyme protease và amylase mạnh để sản xuất nước tương, tương, miso, rượu sake. Rhizopus dùng làm tempeh; nấm mốc Penicillium tạo phô mai xanh, phô mai vỏ trắng.

Lên men khác

  • Lên men propionic: tạo lỗ và vị hạt dẻ trong phô mai Emmental.
  • Lên men kiềm: Bacillus subtilis thủy phân protein đậu nành tạo natto, tương lên men kiểu châu Phi; pH tăng do giải phóng amoniac.

Lên men trong thực phẩm Việt Nam

  • Nước mắm: cá cơm và muối (tỷ lệ cá/muối khoảng 3:1 đến 4:1) được ủ từ khoảng 12 tháng trở lên. Protein cá bị thủy phân chủ yếu nhờ enzyme sẵn có trong cá cùng vi khuẩn chịu mặn, tạo axit amin và peptide cho vị umami. Độ đạm (gam nitơ/lít) là chỉ tiêu chất lượng chính.
  • Dưa cải, cà pháo muối: lên men lactic tự nhiên trong nước muối khoảng 3–5%; vi khuẩn lactic có sẵn trên rau phát triển, pH giảm dần còn khoảng 3,5–4,0.
  • Nem chua: thịt heo sống, bì, muối, đường, tỏi, ớt, lá gói; vi khuẩn lactic làm chua và “chín” sản phẩm sau vài ngày. Vì thịt không qua gia nhiệt, tốc độ axit hóa là yếu tố an toàn then chốt.
  • Mẻ, tương bần, giấm gạo, rượu nếp, rượu cần: các sản phẩm lên men truyền thống dùng men giống tự nhiên hoặc truyền từ mẻ trước.

Lên men tự nhiên và lên men dùng chủng khởi động

Lên men tự nhiên dựa vào vi sinh vật có sẵn trong nguyên liệu và môi trường, hoặc kỹ thuật “cấy truyền” từ mẻ trước. Ưu điểm là hương vị đặc trưng, nhưng chất lượng dao động và khó kiểm soát an toàn. Chủng khởi động (starter culture) là chế phẩm vi sinh vật đã chọn lọc, cấy với mật độ cao, giúp quá trình nhanh, ổn định, chuẩn hóa được hương vị và giảm rủi ro. Sữa chua, phô mai, bia, rượu vang công nghiệp hiện đều dùng chủng khởi động; xu hướng mới là phát triển chủng khởi động riêng cho sản phẩm truyền thống như nem chua, dưa muối.

Lợi ích của lên men

  • Bảo quản: axit, ethanol, bacteriocin ức chế vi sinh vật gây hỏng.
  • Hương vị và cấu trúc: tạo vị chua, umami, hương phức hợp; làm mềm, tạo bọt khí.
  • Dinh dưỡng và tiêu hóa: thủy phân một phần protein, tinh bột, lactose; một số vi sinh vật tổng hợp vitamin nhóm B.
  • Giảm chất kháng dinh dưỡng: phytate, chất ức chế trypsin trong đậu, ngũ cốc giảm sau lên men.

Rủi ro và kiểm soát

  • Axit hóa chậm: giai đoạn đầu khi pH còn cao, vi khuẩn gây bệnh như Salmonella, Staphylococcus aureus, E. coli có thể phát triển. Cần nguyên liệu sạch, đủ muối và đường, nhiệt độ phù hợp, theo dõi pH để đạt mức axit an toàn nhanh.
  • Amin sinh học: histamine hình thành từ histidine do vi khuẩn khi cá không được bảo quản lạnh tốt trước khi ủ, là chỉ tiêu quan trọng của nước mắm và sản phẩm thủy sản lên men.
  • Methanol trong rượu thủ công, đặc biệt rượu từ nguyên liệu nhiều pectin hoặc pha chế trái phép; ethyl carbamate trong một số đồ uống có cồn.
  • Độc tố vi nấm khi nấm mốc lạ phát triển trên nguyên liệu hoặc sản phẩm.
  • Nhiễm tạp: nấm men váng, vi khuẩn gây nhớt làm hỏng sản phẩm.

Lên men công nghiệp và lên men chính xác

Ngoài thực phẩm lên men truyền thống, lên men trong bồn phản ứng sinh học được dùng để sản xuất axit citric, bột ngọt (glutamate), xanthan gum, vitamin, enzyme, chủng probiotic. Bồn lên men có thể vận hành theo mẻ, mẻ có bổ sung (fed-batch) hoặc liên tục, với kiểm soát chặt nhiệt độ, pH, oxy hòa tan, khuấy trộn.

Lên men chính xác (precision fermentation) dùng vi sinh vật đã được lập trình di truyền để sản xuất một phân tử cụ thể như protein whey, casein, lòng trắng trứng, heme, hay chất tạo ngọt. Đây là hướng đi của nhiều công ty thực phẩm mới nhằm giảm phụ thuộc vào chăn nuôi.

Thông số cần theo dõi khi lên men

  • pH và độ axit chuẩn độ theo thời gian.
  • Nhiệt độ ủ.
  • Nồng độ muối, đường ban đầu.
  • Chỉ tiêu cảm quan, vi sinh cuối quá trình.
  • Với đồ uống có cồn: nồng độ đường (°Brix) giảm dần, nồng độ ethanol tăng.

Câu hỏi thường gặp

Thực phẩm lên men có phải luôn chứa probiotic? Không. Nhiều sản phẩm đã qua gia nhiệt sau lên men (bánh mì, nước tương thanh trùng, bia thanh trùng) nên vi sinh vật không còn sống. Và kể cả còn sống, chúng chỉ được gọi là probiotic khi có bằng chứng lợi ích sức khỏe với đúng chủng.

Vì sao dưa muối bị nhớt hoặc khú? Thường do muối quá nhạt, nhiệt độ cao, nguyên liệu không ngập trong nước muối hoặc nhiễm vi sinh vật gây nhớt; axit hóa chậm tạo cơ hội cho vi sinh vật không mong muốn phát triển.

Thuật ngữ liên quan

Đọc thêm: Ngành Công Nghệ Thực Phẩm Là Gì? Tổng Quan A-Z