Nghiên cứu sản xuất bia nồng độ cao sử dụng nguyên liệu thay thế là đại mạch và đường

BÙI THỊ THUÝ LÀNH BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM NGÀNH : CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT BIA NỒNG ĐỘ CAO SỬ DỤNG NGUYÊN LIỆU THAY THẾ LÀ ĐẠI MẠCH VÀ ĐƯỜNG BÙI THỊ THUÝ LÀNH 2005 - 2007 HÀ NỘI 2007 HÀ NỘI 2007 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT BIA NỒNG ĐỘ CAO SỬ DỤNG NGUYÊN LIỆU THAY THẾ LÀ ĐẠI MẠCH VÀ ĐƯỜNG NGÀNH : CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM MÃ SỐ:23.04.3898 BÙI THỊ THUÝ LÀNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : GS.TS NGUYỄN THỊ HIỀN HÀ NỘI 2007 Mở đầu Trong năm gần đây, với phát triển ngành công nghệ sinh học, công nghệ sản xuất bia có bước tiến nhảy vọt Nhiều cải tiến công nghệ áp dụng vào sản xuất bia nâng cao chất lượng sản phẩm, nâng cao hiệu sử dụng thiết bị mang lại hiệu kinh tế cao Sản xuất bia nồng độ cao nhiều năm qua nhiều nhà máy bia giới áp dụng phương tiện nhằm tối ưu hoá sản lượng nhà máy có Việc lên men dịch đường nồng độ chất khô ban đầu cao làm tăng hiệu sử dụng thiết bị nấu lên men tăng công suất nhà máy bia lên 15-25% mà không cần đầu từ thêm thiết bị nhân lực Hiện công nghệ sản xuất ứng dụng rộng rãi nhiều nước giới Mehico, nước Nam mỹ, Nam Phi,… Hơn nữa, với nhịp độ phát triển kinh tế nước, ngành sản xuất bia Việt Nam năm gần có bước phát triển nhanh chóng Malt đại mạch ngun liệu sản xuất bia Đến nước ta phải nhập gần 100% malt từ nước ngồi Chi phí ngoại tệ trung bình năm khoảng 50 triệu USD Chi phí tiếp tục tăng theo sản lượng bia năm tới Vì việc tăng cường sử dụng nguồn nguyên liệu thay mang lại hiệu kinh tế việc giảm nguồn chi phí ngoại tệ mà cịn giúp thêm số cơng nghệ mới, tạo sản phẩm giúp làm tăng sản lượng dây chuyền sản xuất bia, đáp ứng nhu cầu người tiêu dùng Việt nam, việc nghiên cứu sử dụng nguyên liệu thay malt đại mạch sản xuất bia quan tâm từ vài chục năm Viện nghiên cứu Rượu bia Nước giải khát, Viện Công nghệ thực phẩm, Trường Đại học Bách khoa Hà nội số đơn vị khác đạt nhiều kết tốt Việc dùng gạo làm nguyên liệu thay phần malt sản xuất bia sử dụng hầu hết nhà máy bia nước, với tỉ lệ thay khoảng 15-30% Tuy nhiên, việc thay với tỉ lệ cao dừng quy mơ thí nghiệm, chưa triển khai vào thực tế Việc sử dụng nguyên liệu thay đại mạch đường chưa ứng dụng rộng rãi Do đại mạch chưa qua trình ươm mầm, sấy nên giá giảm nhiều so với malt Vì việc sử dụng đại mạch làm nguyên liệu thay malt cần nghiên cứu đưa vào sản xuất Đường nguyên liệu thay malt sản xuất bia.Với ưu điểm lớn tạo dịch đường có nồng độ cao chất có vai trị pha lỗng nitơ giúp cho bia có độ bền cao Việc dùng đường sản xuất bia nước ta nhiều hạn chế, nguồn nguyên liệu sẵn có rẻ tiền Do đề tài: “Nghiên cứu sản xuất bia nồng độ cao sử dụng nguyên liệu thay đại mạch đường” tiến hành với nội dung sau: - Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến trình sản xuất dịch đường nồng độ cao - Nghiên cứu chọn chủng nấm men thích hợp cho lên men dịch đường nồng độ cao - Nghiên cứu xác định điều kiện tối ưu cho trình lên men dịch đường nồng độ cao - Đánh giá chất lượng bia thành phẩm PHẦN I : TỔNG QUAN 1.1 Tình hình sản xuất bia nồng độ cao giới Việt Nam 1.1.1 Trên giới Sản xuất bia ngành công nghiệp thực phẩm có bước phát triển nhanh chóng Tổng sản lượng bia toàn giới năm 1995 1.190 triệu hl đến năm 2003 đạt tới 1496, triệu hl Sản lượng bia giới tăng trưởng nhanh phân bố không đều, tập trung chủ yếu Châu Âu Châu Mỹ Trong năm gần Châu xếp hạng, đứng thứ ba sau Châu Âu Châu Mỹ sản lượng bia toàn giới Bia nồng độ cao sản xuất nhiều quốc gia giới Mỹ, Canada nấu lên men dịch đường 18-20oBx, Châu Mỹ, Châu úc việc lên men bia nồng độ cao phương pháp phổ biến Không nước có ngành cơng nghiệp bia phát triển lâu đời sản xuất bia nồng độ cao mà Châu áp dụng công nghệ để sản xuất bia Chosun Của Hàn Quốc Hohlot Trung Quốc [14] Sản xuất bia nồng độ cao áp dụng ngày nhiều giới, bia nồng độ cao có ưu điểm vượt hẳn bia nồng độ thường: - Tăng hiệu sử dụng thiết bị nấu, lên men, tăng sản lượng nhà máy từ 15-25% mà không cần đầu tư thêm thiết bị việc tăng nồng độ chất chiết Tiết kiệm nguồn đầu tư ban đầu - Giảm chi phí vận hành chi phí vận hành cho đơn vị sản phẩm điện nước, hơi, nhân công sản xuất bia nồng độ cao lại thu sản phẩm cao từ 25-30% - Với nhà máy lắp đặt, đầu tư ban đầu tất hệ thống nồi hơi, thiết bị, bơm, van chọn lưu lượng, thể tích nhỏ so với nhà máy bia thơng thường Các chi phí vận hành thiết bị phụ trợ thấp - Sản xuất bia nồng độ cao sử dụng nguyên liệu thay với tỷ lệ cao giảm lượng malt nhập ngoại, tiết kiệm ngoại tệ Không vậy, sản xuất theo phương pháp có linh động việc lựa chọn nguyên liệu thay loại siro khác nhau, tạo bia có vị riêng Trong q trình lên men bia nồng độ cao loại đường có khả lên men sử dụng vào trình tạo cồn nhiều tạo sinh khối nấm men hàm lượng cồn thu đơn vị cồn tăng lên - Sản xuất bia nồng độ cao giảm lượng phế thải phí cho q trình xử lý chất thải giảm, điều có ý nghĩa việc bảo vệ môi trường - Khi lên men bia nồng độ cao nâng cao hương vị bia thành phẩm tăng hàm lượng etyl axetat, giảm lượng diaxetyl môi trường dịch đường nồng độ cao áp suất thẩm thấu lớn, tỷ lệ tiếp giống cao hạn chế khả nhiễm khuẩn Vào cuối giai đoạn lên men lượng nấm men lơ lửng bia non nhiều nên thúc đẩy trình khử diaxetyl thành axetoin nhanh mà lượng diaxetyl bia thành phẩm thấp [8] 1.1.2 Tại Việt nam Ngành công nghiệp bia nước ta giai đoạn vừa qua đầu tư phát triển thành cơng nghiệp giữ vị trí quan trọng kinh tế quốc dân Mức độ tăng trưởng ngành sản xuất bia Việt Nam đạt từ 10 – 13% năm Năm 2003 sản lượng 1,3 tỷ lít bia, năm 2006 số vào khoảng 1,7 tỷ lít Hiện chiến cạnh tranh chất lượng tiêu thụ thị trường nội địa mạnh mẽ Vấn đề áp dụng biện pháp công nghệ kỹ thuật vào sản xuất bia làm giảm giá thành sản phẩm, đạt tiêu chuẩn chất lượng vấn đề nghiên cứu trọng tâm nhà nghiên cứu sản xuất Việt Nam sản lượng bia tăng nhanh công nghệ lên men bia nồng độ cao chưa phát triển Phần lớn nhà máy bia Việt Nam lên men dịch đường có nồng độ 10-12Bx, với tỷ lệ gạo làm nguyên liệu thay 30% sản xuất bia có độ cồn 5%v/v Như việc nghiên cứu sản xuất dịch đường cho lên men bia nồng độ cao không đáp ứng nhu cầu bia ngày tăng mà nâng cao tỷ lệ nguyên liệu thay thế, hiệu sử dụng thiết bị, tạo ổn định cho bia thành phẩm, đem lại hiệu kinh tế góp phần đa dạng hóa sản phẩm [1] Cùng với nhu cầu phát triển nhanh ngành, nhu cầu nguyên liệu cho sản xuất bia vấn đề quan trọng cần quan tâm giải - Về nguyên liệu chính: malt đại mạch, đến nước ta phải nhập 100%.[1] Hàng năm ngành bia Việt Nam nhập trung bình 110.000115.000 malt với giá trung bình khoảng 40 triệu USD, dự đốn 2010 tới gần 60 triệu USD/năm để nhập malt, lượng ngoại tệ dùng nhập malt lớn Để khắc phục điều này, phải có kế hoạch trồng sản xuất malt đại mạch, đồng thời nghiên cứu sử dụng nguyên liệu thay sẵn có làm giảm chi phí giá thành sản phẩm Hiện nay, nước ta có nhà máy sản xuất malt nhà máy Đường Malt khu công nghiệp Tiên Sơn tỉnh Bắc Ninh (sản lượng không đáng kể), xây dựng nhà máy sản xuất malt tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu - Nguyên liệu thay thế: nước ta nước khí hậu nhiệt đới gió mùa, nên nguyên liệu có hàm lượng tinh bột cao sẵn có: gạo, ngơ, ngồi cịn có lúa mì, lúa mạch sản xuất thí điểm vài tỉnh nước Bên cạnh đường mía ngun liệu sẵn có rẻ tiền, nguyên liệu dùng để thay cho malt đại mạch hạt ngũ cốc Các loại nguyên liệu thay từ 10-50% so với malt đại mạch 1.2 Tình hình sử dụng nguyên liệu thay sản xuất bia Theo tài liệu Hiệp hội bia Châu Mỹ, nguyên liệu thay định nghĩa nguồn cacbonhydrat có thành phần tính chất phù hợp dùng để bổ sung thay nguyên liệu sản xuất bia malt đại mạch Xuất phát điểm việc sử dụng nguyên liệu thay châu Âu nhằm giảm lượng malt đưa vào sản xuất thuế sản xuất lúc đánh vào lượng malt Nguyên liệu thay lúc siro loại đường Sau chiến tranh giới lần thứ toàn giới bị thiếu malt trầm trọng nên tất châu lục phải sử dụng nguồn nguyên liệu khác thay ngô, gạo, đại mạch,… Sau thời gian dài sử dụng nghiên cứu ảnh hưởng loại nguyên liệu thay đến chất lượng bia, người ta rút số kết luận sau: - Việc sử dụng nguyên liệu thay sản xuất bia không làm ảnh hưởng đến chất lượng bia, ngược lại làm tăng độ bền bia trình bảo quản - Làm giảm độ màu bia - Cải thiện đặc tính bọt - Mang lại lợi ích kinh tế Một số nước sử dụng nguyên liệu thay với tỉ lệ cao Mỹ dùng nguyên liệu thay khơng có 16% gạo mà cịn dùng thêm hỗn hợp ngô 33% Anh dùng 20-25%, Nhật, Mỹ, SNG 40-50%, úc 30-40% [23] Việc sử dụng nghiên liệu thay tỉ lệ cao đòi hỏi phải bổ sung thêm enzim vào để hỗ trợ thêm cho enzim q trình chuyển hố ngũ cốc Có số cơng trình nghiên cứu sử dụng enzim trình nấu tạo hương, người ta nâng cao tỉ lệ nguyên liệu thay lên 80-90% mà bia đảm bảo chất lượng Ngồi việc sử dụng gạo, ngơ, sắn, đường, làm nguyên liệu thay Nigeria đa sử dụng hạt Sorghum với tỉ lệ 58%, ngô 40% với phối hợp hai loại enzim đường hoá, đạm hoá bia đạt chất lượng tốt Vấn đề sử dụng nguyên liệu thay sản xuất bia đặt cho nhà nghiên cứu từ nhiều năm Sự lựa chọn nguyên liệu thay tuỳ thuộc vào mức độ sẵn có nước, mục đích nhà sản xuất Trong nghiên cứu này, sử dụng nguyên liệu thay đại mạch đường 1.2.1 Đại mạch 1.2.1.1 Ưu nhược điểm việc sử dụng đại mạch làm nguyên liệu thay sản xuất bia Malt đại mạch nguyên liệu cho sản xuất bia Đại mạch sau lựa chọn đưa vào nảy mầm, sấy khô tạo malt Tuỳ theo yêu cầu công nghệ sản xuất bia, chất lượng bia mà người ta lựa chọn công nghệ sản xuất malt thích hợp Nói chung q trình sản xuất malt trình tiêu tốn lượng nhân công Do nhu cầu hạ giá thành sản phẩm mà nhà sản xuất bia Anh Ailen bắt đầu sử dụng đại mạch vào sản xuất bia năm 1940 Tỷ lệ chất chiết dịch đường từ đại mạch lúc dùng khơng vượt q 20% Qua q trình sản xuất, nhà làm bia rút ưu nhược điểm việc sử dụng đại mạch làm nguyên liệu thay sau: Ưu điểm: • Nguồn cung cấp chất chiết rẻ malt, giảm giá thành sản phẩm • Cải thiện thời gian bảo quản bia • Tăng khả bền bọt bia Nhược điểm: • Độ nhớt dịch đường cao • Tốc độ lọc dịch đường chậm • Gây khó khăn cho q trình lọc bia Việc giảm giá thành sản phẩm cách sử dụng đại mạch làm nguyên liệu thay cho malt đại mạch lúc khó định lượng cách xác cần có quy trình đặc biệt để chuyển thành dạng cốm phải nghiền nguyên liệu thô cách phù hợp dao động nguồn cung cấp loại nguyên liệu thay khác (gạo, ngô, lúa miến,…) Năm 1971 Maule Greeshields so sánh giá dịch chiết từ dạng chế biến đại mạch sau: Bảng1.1 So sánh tương đối giá chất chiết từ dạng đại mạch malt [17] Nguyên liệu Giá so sánh tương đối Malt đại mạch 100 Đại mạch thô 75 Đại mạch dạng vảy cốm 85 Đại mạch dạng ép nổ 88 Đại mạch thô + enzim 82 Qua bảng cho thấy sử dụng đại mạch làm nguyên liệu thay malt giảm đáng kể giá thành sản phẩm việc sử dụng đại mạch làm nguyên liệu thay dạng phụ thuộc vào nguồn lượng sẵn có nơi Ví dụ, nhà máy bia có nguồn cung cấp tốt phù 96 5.6 pH 5.2 4.8 pH 4.4 3.6 Thoi gian LM (ngay) mat te bao (trieu tb/ml) Hình 3.13 Sự thay đổi pH thời gian LM 120 100 80 60 Mat te bao 40 20 Thoi gian LM (ngay) Hình 3.14 Sự thay đổi mật độ tế bào LM Khi tiến hành lên men lượng lớn chất, chủ yếu đường dextrin bậc thấp bị nấm men hấp thụ để tạo thành rượu CO2, sinh số sản phẩm phụ hợp chất dễ bay hơi, rượu bậc cao, este, phần khác chuyển thành trạng thái khơng hồ tan lắng xuống Tất yếu tố ảnh hưởng đến trình hoạt động nấm men 97 Giai đoạn đầu q trình lên men thời gian nấm men thích nghi mơi trường mới, dịch lên men có biến đổi mạnh nồng độ chất khô, pH mật độ tế bào Ngày thứ 2,3 thời gian nấm men phát triển nhanh số lượng đạt cực đại 96,7 triệu tế bào/ml, khoảng thời gian nấm men sử dụng nhiều đường tạo nhiều cồn khí CO2, làm pH giảm mạnh từ 5,0 xuống 4,6 Giai đoạn tiếp theo, nấm men chủ yếu sử dụng đường làm chất, sản phẩm cịn tạo sản phẩm phụ axit lactic, a.succinic axit dễ bay khác nguyên nhân gây tượng giảm pH Từ ngày thứ trở đi, trình lên men kết thúc mật độ tế bào nấm men giảm mạnh, từ 88 triệu tb/ml xuống khoảng 32 triệu tb/ml kết thúc q trình lên men giai đoạn pH giảm nhẹ, đến cuối trình lên men pH gần không đổi 3.5 Đánh giá chất lượng bia thành phẩm phịng thí nghiệm Sau tiến hành nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến trình sản xuất bia nồng độ cao, chúng tơi tiến hành nấu lên men thí nghiệm Điều kiện lên men: - Dịch đường 14oBx với cấu nguyên liệu là: 50%malt +25% mạch + 25% đường kính - Mẫu đối chứng (ĐC) có tỉ lệ 70% malt + 30% gạo - Chủng giống nấm men RIB4 - Tỉ lệ tiếp giống : 25 triệu tb/ml - Nhiệt độ lên men chính: 12oC - Nhiệt độ lên men phụ : 2oC - Thời gian lên men chính: ngày - Thời gian lên men phụ: 16 ngày 98 Q trình xử lý nước pha lỗng tiến hành sau: nước sau xử lý sơ bộ, tiến hành khử trùng loại khí cách đun sơi với thời gian 15 phút, sau làm lạnh cho vào thùng chứa để tiếp tục loại khí cách đuổi khí, dùng CO2 đẩy vào đuổi khơng khí hàm lượng oxy