Hô hấp là quá trình các sinh vật sử dụng để khai thác năng lượng lưu trữ trong các hợp chất hữu cơ như đường. Quá trình này sử dụng oxy và thải ra carbon dioxide cùng nước. Đây là cách động vật lấy năng lượng từ thức ăn và cũng là cách thực vật lấy năng lượng từ đường mà chúng tạo ra trong quá trình quang hợp.
Hô hấp bao gồm một chuỗi phản ứng phân hủy các phân tử hữu cơ lớn hơn như đường, axit béo và axit amin từ protein. Ở các sinh vật nhân chuẩn, phần của chuỗi phản ứng sử dụng oxy diễn ra bên trong một bào quan chuyên biệt gọi là ty thể. Nhờ liên kết năng lượng cao giữa hai nguyên tử oxy trong phân tử oxy, hô hấp là một cách rất hiệu quả để lấy năng lượng từ các phân tử hữu cơ.
Khi không có oxy, nhiều sinh vật chuyển sang quá trình lên men. Tuy nhiên, vì lên men không thể sử dụng liên kết năng lượng cao trong oxy, nó tạo ra ít năng lượng hơn nhiều trên mỗi phân tử đường so với hô hấp. Trong hô hấp, sản phẩm thải là carbon dioxide và nước. Trong lên men, các sinh vật khác nhau tạo ra các sản phẩm thải khác nhau, thường là axit lactic và ethanol.
Chúng ta quen thuộc với quá trình lên men của vi khuẩn và nấm men trong ngữ cảnh cà phê hoặc ủ bia. Nhiều loài vi khuẩn, chẳng hạn như Lactobacillus, tạo ra axit lactic trong quá trình lên men. Axit lactic là nguyên nhân gây vị chua trong sữa chua.
Axit lactic cũng là sản phẩm phụ của quá trình lên men ở động vật và một số loài vi khuẩn. Quá trình trao đổi chất tương tự diễn ra trong các tế bào cơ của động vật, ví dụ như trong lúc tập thể dục gắng sức. Axit lactic có thể tích tụ trong các tế bào cơ khi không nhận đủ oxy từ máu, gây cảm giác “đau cơ” sau khi tập luyện.
Ethanol là sản phẩm cuối cùng của quá trình lên men bởi nấm men và một số loài vi khuẩn.
Lên men hiếu khí và Lên men kỵ khí
Theo định nghĩa sinh học chặt chẽ, lên men không sử dụng oxy và vì thế được coi là một quá trình kỵ khí. Tuy nhiên, một số quá trình được gọi là lên men lại xảy ra khi có oxy.
Thuật ngữ “lên men hiếu khí” đôi khi được dùng để chỉ các quá trình lên men diễn ra ngay cả khi có mặt oxy. Hầu hết các loại nấm men sẽ chuyển sang hô hấp thay vì lên men khi có oxy, nhưng một số, chẳng hạn như Saccharomyces cerevisiae (nấm men dùng trong ủ bia), vẫn tiếp tục lên men khi có oxy nếu có đủ đường. Khả năng này được cho là đã tiến hóa để ethanol, một chất độc, giảm sự cạnh tranh từ vi khuẩn, và có lẽ còn được phát triển thêm nhờ quá trình thuần hóa. Dù không sử dụng oxy, quá trình này vẫn có thể được coi là kỵ khí, dù tên gọi có thể gây nhầm lẫn.
Ngoài ra, thuật ngữ “lên men” đôi khi được dùng theo nghĩa rộng hơn để mô tả bất kỳ quá trình trao đổi chất nào do vi sinh vật thực hiện trên thực phẩm hoặc trong các bể phản ứng sinh học. Ví dụ, sản xuất giấm (axit acetic), đôi khi gọi là “lên men oxy hóa”, cần oxy. Trong quá trình này, vi khuẩn như Acetobacter chuyển đổi ethanol thành axit acetic, sử dụng oxy trong quá trình. Loại quá trình này xảy ra trong nhiều quá trình “lên men tự nhiên,” như trong kombucha, và cả trong các bể lên men cà phê tiếp xúc với oxy.
Trong ngữ cảnh cà phê, thuật ngữ “lên men” thường chỉ quá trình trao đổi chất tổng quát này. Trong một bể lên men điển hình, nhiều chủng vi khuẩn và nấm men sẽ thực hiện cả quá trình lên men lẫn hô hấp, cùng với nhiều hoạt động trao đổi chất khác.
Sự khác biệt trong cách sử dụng thuật ngữ “lên men” này giải thích phần nào sự nhầm lẫn trong việc gọi tên đúng các phương pháp lên men kỵ khí và hiếu khí trong cà phê. Để rõ ràng, chúng tôi ưu tiên sử dụng các thuật ngữ cụ thể để mô tả các quá trình lên men được kiểm soát nhằm loại bỏ oxy, chẳng hạn như “lên men trong túi.”
