Công nghệ vi sinh ứng dụng trong lên men nước uống từ hoa quả

Lên men nước uống từ hoa quả là quá trình sử dụng vi sinh vật hữu ích (chủ yếu nấm men và vi khuẩn lactic) để chuyển hóa đường tự nhiên trong hoa/trái cây thành các hợp chất có lợi như acid hữu cơ, CO₂, tạo hương thơm, vitamin và một lượng nhỏ ethanol (tùy theo yêu cầu từng sản phẩm). Sản phẩm lên men thường có mùi thơm, hương vị thơm ngon dễ uống nên được nhiều người ưa chuộng.

1. Vai trò của nước uống lên men từ hoa quả

Nước uống lên men từ hoa quả (nước trái cây lên men nhẹ, đồ uống probiotic, kombucha trái cây, …) có nhiều vai trò quan trọng về dinh dưỡng, sức khoẻ sinh lý, an toàn thực phẩm và giá trị kinh tế.

Về mặt dinh dưỡng, nước uống lên men làm tăng giá trị dinh dưỡng của hoa quả nhờ sự phân giải đường, pectin, …tạo vitamin, axit hữu cơ do hoạt động của vi sinh vật. Loại nước uống này tạo các khoáng chất, polyphenol dễ hấp thu và giảm đường tự do so với nước ép quả tươi nên làm tăng khả năng hấp thu (Marco et al., 2017).

Mặt khác, nước uống lên men là loại đồ uống có lợi cho sức khoẻ do chứa nhiều VSV có lợi (probiotics) giúp cân bằng hệ VSV đường ruột, hỗ trợ tiêu hoá, làm đẹp da (Li & Song, 2019), tăng cường miễn dịch, ức chế VSVgây hại và có tác dụng chống oxy hoá nhờ các chất có hoạt tính sinh học tốt như polyphenol, axit hữu cơ được hình thành trong quá trình lên men (Yuan et al., 2024).

Thêm vào đó, nước lên men thường có hương vị hấp dẫn, thơm ngon với vị chua dịu nhẹ, thơm tự nhiên, tạo cảm giác sảng khoái dễ uống nên có vai trò giải khát và cảm quan tốt hơn nước ép nguyên chất. Sản phẩm đồ uống lên men có pH thấp, các axit hữu cơ và ethanol nhẹ làm giảm nguy cơ nhiễm VSV gây bệnh, kéo dài thời gian bảo quản và không cần các chất bảo quản hoá học.

Việc sản xuất nước quả lên men còn giúp tận dụng các loại hoa quả dư thừa, nhất là giai đoạn chính vụ và xử lý quả chín nhanh, làm gia tăng giá trị nông sản, giảm lãng phí thực phẩm và tạo xu hướng phát triển các sản phẩm đồ uống chức năng có lợi cho sức khoẻ, cũng như đáp ứng nhu cầu mới lạ thị hiếu của người tiêu dùng. Chính vì thế, ứng dụng công nghệ lên men nước hoa quả có vai trò kinh tế và góp phần bảo vệ môi trường, đồng thời thúc đẩy sự phát triển của khoa học noí chung và công nghệ chế biến thực phẩm nói riêng.

Như vậy, nước uống lên men từ hoa quả giúp nâng cao giá trị dinh dưỡng, cải thiện sức khỏe tiêu hóa, tạo hương vị hấp dẫn, đảm bảo an toàn thực phẩm và tăng giá trị kinh tế cho nông sản.

Các sản phẩm nước uống lên men truyền thống trước đây vẫn được người dân tự làm ở quy mô gia đình có ưu điểm là có hương vị tự nhiên, phong phú với hệ vi sinh vật bản địa đa dạng, tạo mùi vị đặc trưng, khó tái tạo bằng công nghiệp, sản phẩm thường có hương mộc mạc, thơm nhẹ và đậm chất vùng miền, hầu như không sử dụng phụ gia với quy trình đơn giản, dễ làm mà vẫn gia tăng giá trị dinh dưỡng do vi sinh vật sinh ra vitamin B, acid hữu cơ, enzyme và có tác dụng dễ tiêu hóa hơn so với nước trái cây tươi. Tuy nhiên, các sản phẩm nước uống kiểu này thường khó kiểm soát chất lượng, hiệu suất lên men thấp, vi sinh vật tạp dễ xâm nhập làm cho sản phẩm dễ hư hỏng, nhiễm mốc hoặc lên men quá mức làm giảm hương vị, độ thơm ngon và khó giữ được hương vị ổn định giữa các mẻ, khó kiểm soát nồng độ cồn tạo thành; đồng thời có nguy cơ an toàn thực phẩm vì không kiểm soát được điều kiện lên men, vi sinh tạp nhiễm có thể sinh độc tố hoặc gây bệnh, thời gian lên men không ổn định do ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường, độ chín của trái cây và thành phần vi sinh tự nhiên; Không đạt các tiêu chuẩn HACCP, ISO 22000 khi không kiểm soát chặt (Avîrvarei et al., 2023). Vì thế, không thể mở rộng quy mô lớn và giữ chất lượng đồng đều.

Ứng dụng công nghệ vi sinh trong quá trình lên men nước uống từ hoa quả giúp rút ngắn thời gian lên men, đảm bảo chất lượng sản phẩm lên men, ổn định hương vị sản phẩm, tránh sự tạp nhiễm từ môi trường, đạt tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm theo quy định của Bộ Y tế. Sản phẩm lên men được tăng hương vị tự nhiên, tăng giá trị dinh dưỡng (vitamin B, acid hữu cơ), giảm đường, tạo vị chua thanh dễ uống và tăng thời hạn bảo quản nhờ pH thấp và hoạt tính kháng khuẩn của các giống vi sinh vật khởi động cho quá trình lên men. Nhờ đó, sản phẩm nước uống lên men thực sự thơm ngon vừa có lợi cho sức khoẻ, vừa hấp dẫn người tiêu dùng. Thêm vào đó, công nghệ vi sinh có thể áp dụng để sản xuất nước uống lên men quy mô công nghiệp với hệ thống thiết bị chuyên dụng, giúp tận dụng trái cây khi vào vụ thu hoạch có giá rẻ hoặc tận dụng hoa quả bị dập nát, tạo ra sản phẩm mới, làm đa dạng hóa thị trường đồ uống, quy trình lên men có thể tự động hóa với thời gian lên men nhanh chóng.

2. Cơ sở khoa học của việc lên men nước uống nhờ giống vi sinh vật khởi động

Việc sử dụng giống vi sinh vật khởi động trong lên men nước uống (nước trái cây lên men, kombucha, kefir, sữa chua uống, dịch chiết enzyme…) dựa trên các cơ sở khoa học bao gồm:

* Cơ sở vi sinh học

Giống VSV khởi động là tập hợp các vi sinh vật có lợi đã được tuyển chọn, có tính đặc hiệu, thường bao gồm: Nấm men (Saccharomyces, Candida, Kluyveromyces…), Vi khuẩn lactic (Lactobacillus, Lactococcus, Leuconostoc…), hay một số hệ có vi khuẩn acetic (Acetobacter – kombucha). Các vi sinh vật này có khả năng lên men, chịu được pH thấp và phát triển ổn định trong môi trường nước giàu đường. Chúng thường có hoạt tính probiotics có lợi cho sức khoẻ (Ranadheera, 2010).

Vi sinh vật khởi động có tính cạnh tranh cao, chiếm ưu thế sớm, giúp tiêu thụ chuyển hoá nhanh chất dinh dưỡng, ức chế vi sinh vật gây hại nhờ tạo acid hữu cơ làm giảm pH, ethanol, CO₂, sinh bacteriocin giúp quá trình lên men an toàn và có kiểm soát.

* Cơ sở sinh hóa

Trong quá trình lên men, VSV sử dụng đường làm cơ chất và chuyển hóa theo hướng có lợi tạo thành axit lactic, axit acetic, Ethanol (với hàm lượng thấp), khí CO₂, các enzyme, vitamin nhóm B và polyphenol dễ hấp thu theo phản ứng tổng quát:

Đường → Acid hữu cơ + CO₂ + Ethanol + hợp chất sinh học

          Vì thế, giống VSV khởi động sẽ tạo hương vị và cấu trúc cho nước uống lên men. Nước uống lên men thường có đặc tính cảm quan ổn định,  có vị chua dịu nhẹ do tạo thành axit hữu cơ, có mùi vị thơm ngon đặc trưng nhờ tạo các hợp chất thơm và sủi bọt nhẹ từ hình thành khí CO₂

* Cơ sở sinh lý – dinh dưỡng

Nước uống lên men làm tăng giá trị sinh học, nâng cao giá trị dinh dưỡng do sự phân giải các chất khó hấp thu, chuyển hoá tạo các vitamin (B1, B2, B6, B12*) và sinh các hợp chất có hoạt tính sinh học cao có lợi cho sức khoẻ của VSV khởi động. Hơn nữa, nước uống lên men có tác dụng hỗ trợ hệ tiêu hóa nhờ các VSV sống (probiotics) giúp cân bằng hệ vi sinh đường ruột, tăng cường miễn dịch niêm mạc ruột và giảm rối loạn tiêu hóa.

* Cơ sở an toàn thực phẩm

Các giống VSV khởi động được tuyển chọn đã phân loại định danh rõ ràng, không sinh độc tố. Quá trình lên men nhanh, ổn định làm pH giảm (thường <4,5) nên hạn chế vi khuẩn gây bệnh (E. coli, Salmonella…) xâm nhập vào. Do đó, nước uống lên men nhờ VSV khởi động có chất lượng đồng đều, hương vị thơm ngon và độ an toàn cao hơn so với lên men tự nhiên không kiểm soát.

3. Nhóm nấm men khởi động

Trong lên men nước uống từ hoa quả (rượu vang trái cây, cider, nước trái cây lên men nhẹ…), nấm men giữ vai trò chính trong việc chuyển hóa đường thành rượu ethanol, CO₂ và các hợp chất tạo hương trong điều kiện yếm khí, giúp giữ hương vị trái cây tự nhiên và tạo mùi vị đặc trưng của nước quả lên men (Li & Song, 2019).

Nấm men lên men nước uống là vi sinh vật nhân thực thuộc nhớm Eukaryota, đơn bào, ưa môi trường giàu đường và pH thấp, có khả năng chuyển hóa đường thành ethanol và CO₂, đồng thời tạo các hợp chất thơm, góp phần tạo hương vị, an toàn và ổn định cho nước uống lên men.

Quá trình lên men diễn ra theo 3 giai đoạn chính, đầu tiên là sự thuỷ phân nguyên liệu hoa quả thành đường nhờ enzyme của nấm men. Tiếp theo là quá trình đường phân diễn ra trong tế bào chất nấm men và giải phóng năng lượng: Glucose → 2 pyruvate + ATP + NADH. Cuối cùng là quá trình lên men rươu trong điều kiện yếm khí tạo thành ethanol, CO₂ và NAD⁺ : C₆H₁₂O₆ → 2 C₂H₅OH + 2 CO₂ + năng lượng và tạo các sản phẩm phụ có lợi khác như ester, axit hữu cơ, … giúp nước lên men có hương vị đặc trưng.

Giống nấm men thường được ứng dụng lên men đồ uống quan trọng nhất là nhóm Saccharomyces, phổ biến gồm các chủng Saccharomyces cerevisiae, S. boulardii, S. bayanus. Một số nhóm nấm men khác có tác dụng chịu nhiệt cao giúp lên men nhanh, tạo hương thơm, giảm độ cồn gắt giúp nước lên men tròn vị hơn, cải thiện về cảm quan và có hương vị đặc trưng riêng như  Kluyromyces marxianus, Torulaspora delbrueckii, Pichia spp., Hanseniaspora, Brettanomyces,  … (Tamang et al., 2016).

4. Nhóm vi khuẩn lactic khởi động

Trong lên men nước uống từ hoa quả (nước trái cây lên men nhẹ, kombucha, đồ uống probiotic, giấm trái cây, …), vi khuẩn lactic và vi khuẩn acetic giữ vai trò tạo acid, ổn định pH, tạo hương vị và tăng an toàn sinh học làm cho nước lên men có vị chua dịu nhẹ, tạo polychaccharite có lợi, có hương thơm và chuyển hoá chất hữu cơ,…

Nhóm vi khuẩn lactic (LAB) thuộc Gram (+), không sinh bào tử, có hoạt tính probiotic, có khả năng lên men đường tạo acid lactic, chịu pH thấp (3–4) và có lợi cho hệ tiêu hóa.  Vi khuẩn lactic  lên men nước hoa quả bằng cách chuyển hóa đường hòa tan thành acid lactic, làm giảm pH, tạo vị chua dịu, ổn định và an toàn cho nước uống (Tamang et al., 2016).

Vi khuẩn LAB lên men nước uống theo 2 cơ chế chính là lên men lactic đồng hình chủ yếu theo con đường đường phân tạo axit lactic: C₆H₁₂O₆ → 2 C₃H₆O₃ + năng lượng. Một số loài LAB có thể lên men lactic dị hình tạo thêm sản phẩm khác như ethanol, axit acetic ngoài axit lactic theo chu trình chu trình pentose phosphate: C₆H₁₂O₆ → C₃H₆O₃ + C₂H₅OH + CO₂, do đó tạo gas tự nhiên, vị chua dịu và hương phong phú hơn.

Nhóm LAB quan trọng nhất trong lên men đồ uống thuộc nhóm Lactobacillus, chủ yếu gồm Lactobacillus plantarum, L. casei, … Bên cạnh đó, một số giống thuộc nhóm Leuconostoc, Oenococcus, Lactococcus, … có khả năng lên men chuyển hoá đường nhanh, tạo hương vị dịu nhẹ, giúp ổn định pH, kiểm soát độ chua, … thường được phối hợp sử dụng.

Ngoài ra, nhóm vi khuẩn acetic cũng được ứng dụng để lên men nước uống hoa quả gồm có Acetobacter, Gluconobacter, Komagataeibacter có khả năng tạo ethanol, axit hữu cơ nhẹ, giảm vị gắt, … được kết hợp sử dụng trong lên men nước trái cây, Kombucha, giấm hoa quả, Scoby…

5. Quy trình công nghệ lên men nước uống hoa quả

Để lên men nước uống từ hoa quả tự nhiên, trong quy trình thực hiện cần có công đoạn xử lý nguyên liệu, chuẩn bị dịch hoa quả lên men, thông thường bao gồm phân loại, rửa, loại bỏ phần hoa quả hỏng; rồi nghiền, ép và lọc. Sau đó, điều chỉnh độ pH (3,5-4,5) và độ đường (10-25^o Brix) cho phù hợp tuỳ từng công nghệ lên men, rồi thanh trùng nhẹ (65–75°C trong 15–30 giây) để loại bỏ vi sinh vật tạp nhiễm vào. Một số quy trình công nghệ có sự bổ sung thêm enzyme như pectinase giúp tăng khả năng chiết xuất dịch quả hay cellulase hoặc amylase giúp cải thiện độ trong của dịch lên men và giải phóng đường lên men.

Dịch lên men sẽ được tiếp giống nấm men hoặc LAB với tỷ lệ thích hợp và điều chỉnh điều kiện lên men: Nhiệt độ lên men từ 18-38^oC, lên men tĩnh yếm khí hoặc cấp khí, thời gian lên men 24-72h hoặc lâu hơn theo từng yêu cầu công nghệ. Ví dụ lên men Kombucha trái cây thường trong điều kiện có oxy, còn nước quả khác trong điều kiện yếm khí. Sau lên men có thể cần điều chỉnh hương vị, thanh trùng (ở nhiệt độ 60-75^oC) nếu cần thiết, với sản phẩm chứa probiotic thì không thanh trùng để bảo tồn mật độ vi sinh vật probiotic.

Sơ đồ quy trình lên men nước uống hoa quả

Trong quá trình lên men cần chú ý kiểm soát điều kiện lên men để đảm bảo chất lượng sản phẩm lên men nhờ sử dụng các cảm biến đo pH, độ Brix, CO₂, mật độ vi sinh vật lên men, vi sinh vật tạp nhiễm, …, tiến hành lên men liên tục hay theo mẻ nhằm tăng hiệu suất lên men và thu hồi sản phẩm.

Các sản phẩm lên men từ nước hoa quả gồm có một số loại chính gồm có: 1) đồ uống ít cồn (độ cồn <5%) như nước táo, dứa, xoài, na, thanh long lên men hoặc nước quả có cồn (độ cồn 6-8%) dạng tương tự rượu vang nhẹ; 2) đồ uống probiotic chứa lợi khuẩn, tốt cho tiêu hoá dạng nước trái cây lên men chứa Lactobacillus, … như nước táo, chanh, nhãn, … lên men; 3) đồ uống Kombucha trái cây là sự kết hợp trà – Scoby - dịch trái cây tạo hương vị khá đặc sắc có lợi cho sức khoẻ và 4) đồ uống sparking tự nhiên có CO₂ tự sinh từ nấm men tạo độ gas nhẹ tự nhiên.

Mẫu thử một số loại nước hoa quả lên men

Đây là nghiên cứu tổng quan năm 2025 của tác giả PGS.TS. Nguyễn Thị Minh thuộc Nhóm nghiên cứu mạnh Công nghệ sinh học Môi trường và Nông nghiệp Nhóm nghiên cứu xin trân trọng cảm ơn Học viện Nông nghiệp Việt Nam đã hỗ trợ để nhóm thực hiện và hoàn thành bài tổng quan này.

Tài liệu tham khảo chính

Avîrvarei, A. C., et al. (2023). Fruit-based fermented beverages: Contamination sources and emerging technologies. Foods, 12(4), 838. https://doi.org/10.3390/foods12040838

Li, M., & Song, H. (2019). Physicochemical characteristics of natural fruit and vegetable fermentation broth. Science Discovery, 7(4), 99–104.

https://doi.org/10.11648/j.sd.20190704.14

Marco, M. L., et al. (2017). Health benefits of fermented foods: Microbiota and beyond. Current Opinion in Biotechnology, 44, 94–102.

https://doi.org/10.1016/j.copbio.2016.11.010

Tamang, J. P., Watanabe, K., & Holzapfel, W. H. (2016). Review: Diversity of microorganisms in global fermented foods and beverages. Frontiers in Microbiology, 7, 377. https://doi.org/10.3389/fmicb.2016.00377

Ranadheera, R. D. C. S., Janak K. Vidanarachchi, Ramon Silva Rocha, Adriano G. Cruz, Said Ajlouni (2017). Probiotic delivery through fermentation: Dairy vs non-dairy beverages. Fermentation, 3 (4), 67.

https://doi.org/10.3390/fermentation3040067

Yu-Han Yuan, Dong-Dong Mu, Li Guo, Xue-Feng Wu, Xiang-Song Chen, Xing-Jiang Li (2024). From flavor to function: A review of fermented fruit drinks, their microbial profiles and health benefits. Food research International Vol. 196 (9), 115095.

PGS.TS. Nguyễn Thị Minh, ThS. Lê Minh Nguyệt

Nhóm nghiên cứu mạnh Công nghệ sinh học Môi trường và Nông nghiệp