Bài giảng công nghệ sản xuất rượu bia biên soạn trần ngọc điệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CỬU LONG -o0o - BÀI GIẢNG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT RƯỢU BIA BIÊN SOẠN: TRẦN NGỌC ĐIỆP Vĩnh Long – 2022 i ii MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH SÁCH HÌNH vii Chương 1: TỔNG QUAN VỀ RƯỢU, BIA 1.1 Khái niệm 1.2 Lịch sử Chương 2: NGUYÊN LIỆU TRONG LÊN MEN RƯỢU, BIA 2.1 Nước 2.1.1 Cơng dụng nước q trình sản xuất rượu bia 2.1.2 Tiêu chuẩn nước công nghiệp sản xuất rượu bia 2.1.3 Tiêu chuẩn nước nấu bia 10 2.2 Nguyên liệu chứa tinh bột 13 2.2.1 Đặc điểm 13 2.2.2 Thành phần nguyên liệu số hạt chứa tinh bột (tham khảo) 14 2.3 Vi sinh vật sản xuất rượu bia 15 2.4 Malt đại mạch 32 2.4.1 Mục đích q trình ngâm 33 2.4.2 Động học trình hút nước hạt 34 2.4.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình ngâm hạt 34 2.4.4 Các phương pháp ngâm hạt 37 2.4.5 Xác định mức độ ngâm, kích thước thiết bị ngâm lượng nước tiêu hao 37 2.4.6 Ươm mầm đại mạch 39 2.4.7 Sấy malt tươi 42 2.4 Xử lý malt sau sấy 43 iii 2.4.9 Đánh giá chất lượng malt 43 2.4.10 Sản lượng malt hao phí sản xuất 47 2.5 Hoa Houblon 48 2.5.1 Chất đắng 51 2.5.2 Tinh dầu thơm 55 2.5.3 Polyphenol 56 Chương 3: ĐƯỜNG HÓA TRONG SẢN XUẤT RƯỢU, BIA 57 3.1 Thế trình đường hóa 57 3.2 Hệ enzyme amylase q trình đường hóa 57 3.2.1 α-amylase (EC 3.2.1.1) 59 3.2.2 β-amylase (EC 3.2.1.2) 62 3.2.3 Glucoamylase (EC 3.2.1.3) 62 3.2.4 Pullulanase (EC 3.2.1.41) 64 3.2.5 Isoamylase (EC 3.2.1.68) 64 3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình đường hóa 65 3.3.1 Ảnh hưởng nồng độ enzyme 65 3.3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ 66 3.3.3 Ảnh hưởng nồng độ ion H+ 69 3.3.4 Ảnh hưởng chất sát trùng 70 3.3.5 Ảnh hưởng nồng độ rượu 71 3.3.6 Thời gian đường hóa 71 3.4 Q trình đường hóa tinh bột thành đường lên men 72 3.4.1 Nấu nguyên liệu 72 3.4.2 Các giai đoạn q trình đường hóa 75 3.4.3 Thủy phân protein (trong sản xuất bia) 78 3.5 Động học trình đường hóa 82 iv Chương 4: QUÁ TRÌNH LÊN MEN RƯỢU 86 4.1 Khái quát trình lên men 86 4.2 Cơ sở lý luận trình lên men rượu 87 4.2.1 Cơ chế trình lên men rượu 87 4.2.2 Động học trình lên men 88 4.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình lên men 91 4.4 Sản phẩm phụ trình lên men 97 4.5 Các phương pháp lên men 100 4.5.1 Phương pháp lên men gián đoạn 100 4.5.2 Phương pháp lên men bán liên tục (phương pháp chu kỳ) 102 4.5.3 Phương pháp lên men liên tục 104 4.6 Các tiêu công nghệ lên men rượu 108 4.6.1 Nồng độ dịch lên men 108 4.6.2 Độ acid 110 4.6.3 Nồng độ rượu 111 Chương 5: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIA 112 5.1 Kỹ thuật nấu 113 5.1.1 Xử lý nguyên liệu (malt, ngũ cốc) 114 5.1.2 Qúa trình thủy phân 115 5.1.3 Q trình đường hóa tinh bột thành đường lên men (chương 4) 115 5.1.4 Phương pháp nấu 115 5.1.5 Lọc nước nha nấu hoa houblon 117 5.1.6 Làm lạnh lắng 121 5.1.7 Bổ sung oxy cho dịch đường 123 5.2 Kỹ thuật lên men bia 123 v 5.2.1 Lên men 123 5.2.2 Lên men phụ 130 5.3 Hoàn thiện sản phẩm 133 5.3.1 Làm bia 133 5.3.2 Chiết bia 136 5.3.3 Thanh trùng 137 TÀI LIỆU THAM KHẢO 138 vi DANH SÁCH HÌNH Hình 1: Bia vàng Hình 2: Bia Hà Lan Bia Châu Á Hình 3: Tế bào nấm men công nghệ sản xuất bia 20 Hình 4: Đại mạch hàng đại mạch nhiều hàng 32 Hình 5: Quy trình cơng nghệ sản xuất malt đại mạch 33 Hình 6: Hoa houblon 49 Hình 7: Cơng thức cấu tạo α – acid đắng β – acid đắng 52 Hình 8: Cơ chế xúc tác phản ứng thủy phân tinh bột enzyme amylase 59 Hình 9: Đồ thị biểu diễn phụ thuộc tốc độ phản ứng vào nồng độ enzyme 66 Hình 10: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng nhiệt độ đến tốc độ phản ứng enzyme 69 Hình 11: Đồ thị biểu diễn thay đổi nồng độ đường lên men theo thời kỳ trình lên men 91 Hình 12: Sơ đồ hệ thống lên men theo phương pháp bán liên tục (pp chu kỳ) 102 Hình 13: Sơ đồ hệ thống thiết bị lên men liên tục dịch đường hóa từ tinh bột 105 Hình 14 : Quy trình cơng nghệ sản xuất bia cơng ty bia Sài Gịn 113 Hình 15: Bồn lên men 130 Hình 16: Hệ thống lọc khung 134 Hình 17: Hệ thống chiết bia 136 vii DANH SÁCH BẢNG Bảng 1: Thành phần nguyên liệu số hạt chứa tinh bột 14 Bảng 2: Tốc độ hút nước phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ nước ngâm 35 Bảng 3: Hoạt lực enzyme sitaza tăng lên nhiều lần giai đoạn ươm mầm 40 Bảng 4: Hoạt lực tối đa enzyme amylase phụ thuộc vào nhiệt độ thời gian ươm 41 Bảng 5: Các dạng hao phí chất khơ q trình malt hóa đại mạch 48 Bảng 6: Enzyme amylase có nguồn gốc khác có nhiệt độ pH tối thích khác 60 Bảng 7: Bảng mối quan hệ nhiệt độ pH trình đường hóa 70 Bảng 8: Ảnh hưởng nồng độ rượu đến hiệu q trình đường hóa 71 Bảng 9: Ảnh hưởng nhiệt độ pH dịch cháo đến sản phẩm tạo thành 81 Bảng 10: Ảnh hưởng nhiệt độ thời gian đường hóa đến hàm lượng pha sản phẩm chứa nitơ 82 Bảng 11: Các thông số kỹ thuật dây chuyền lên men 107 Bảng 12: Sự liên quan độ acid, pH hoạt tính enzyme amylase 110 viii Chương 1: TỔNG QUAN VỀ RƯỢU, BIA 1.1 Khái niệm Bia loại nước uống chứa cồn sản xuất q trình lên men đường lơ lửng mơi trường lỏng khơng chưng cất sau lên men Nói cách khác, bia loại nước giải khát có độ cồn thấp, bọt mịn xốp có hương vị đặc trưng hoa houblon Đặc biệt CO2 hịa tan bia có tác dụng giải nhiệt nhanh hỗ trợ cho q trình tiêu hóa, ngồi bia chứa lượng vitamin phong phú (chủ yếu vitamin nhóm B vitamin B1, B2, PP…) Nhờ ưu điểm này, bia sử dụng rộng rãi hầu giới với sản lượng ngày tăng, nước ta bia trở thành loại đồ uống quen thuộc với sản lượng ngày tăng trở thành ngành công nghiệp mũi nhọn ngành công nghiệp nước ta Quá trình sản xuất bia gọi nấu bia Do thành phần sử dụng để sản xuất bia có khác biệt tùy theo khu vực, đặc trưng bia hương vị màu sắc thay đổi khác có khái niệm loại bia hay có phân loại khác (Bùi Ái, 2000) 1.2 Lịch sử Ở nước ta, nghề nấu rượu thủ cơng có từ ngàn xưa chưa có tài liệu cho biết điểm khởi đầu + Nồng độ sản phẩm sản phẩm bậc hai tạo thành trình lên men a Chất lượng nấm men sản xuất - Tốc độ mức độ lên men - Hàm lượng sản phẩm bậc hai tạo thành, hàm lượng sản phẩm bậc hai thấp bia có chất lượng cao - Tốc độ khả kết lắng - Mức độ thối hóa - Khả chống chịu bị công b Lượng nấm men gieo cấy ban đầu - Thời gian để thiết lập mối cân động quần thể nấm men với chất: phụ thuộc vào lượng nấm men ban đầu - Lượng tế bào nảy chồi - Thời gian lên men - Hàm lượng sản phẩm bậc hai tỷ số tương quan chúng (ví dụ: lượng tế bào nấm men đầu 10 x 10 lượng diexetyl tạo 0,45 mg/l, lượng tế bào nấm men ban đầu 20 x 10 lượng diexetyl tạo 0,32 mg/l, tương tự diaxetyl, aldehyde rượu bậc cao giảm) c Nồng độ chất hịa tan dịch đường houblon hóa 124 Từ 11 – 12%, cường độ sinh sản phát triển tế bào nấm men tỷ lệ tuyến tính với nồng độ chất hịa tan, hàm lượng nitơ Theo Rubner, từ 2,5 – 12% khơng ảnh hưởng đến tốc độ lên men Khi nồng độ tăng đến 15 – 20% giảm 2% cường độ lên men giảm đáng kể d Nhiệt độ dịch lên men Khi nhiệt độ lên men cao thì: + Thời gian lên men nhanh + Mật độ tối đa đạt cao so với nhiệt độ thấp + Lên men triệt để hàm lượng sản phẩm bậc hai, đặc biệt diaxetyl aldehyde tạo nhiều + Lượng sinh khối tạo nhiều hơn, lượng tế bào chết tăng làm suy giảm đặc tính cơng nghệ nhanh + Tỷ số cấu tử bia không cân đối, chất lượng bia giảm e Áp suất bề mặt - Xác định mức độ bão hịa CO2 bia, ức chế q trình lên men (đặc biệt giai đoạn logarit) làm ảnh hưởng tới lượng sinh khối tạo thành Khi áp suất bề mặt – kg/cm2 đình trình lên men, 125 lên men áp suất bề mặt thiết bị lên men nên trì nhỏ kg/cm2 - Ảnh hưởng tới trạng thái sinh lý, áp suất cao nấm men chống già - Khi q trình lên men gần kết thúc nên tăng áp suất bề mặt vì: hạn chế q trình oxy hóa tăng độ bền bia f Hàm lượng oxy Cần thiết cho phát triển sinh khối tế bào nấm men Hàm lượng oxy ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ sinh sản tế bào nấm men lượng sinh khối tạo thành Lượng oxy hịa tan dịch đường houblon hóa khoảng 6,7 – 7mg/l g Cường độ khuấy đảo dịch lên men Thúc đẩy trình lên men, rút ngắn thời gian lên men sản phẩm chứa nhiều sản phẩm bậc hai làm ảnh hưởng đến hương vị bia h Nồng độ sản phẩm lên men Nồng độ rượu etylic tao thành ảnh hưởng đến trình lên men sau: - 2% khả nảy chồi tế bào nấm men giảm 126 - > 5% khả nảy chồi tế bào nấm men chấm dứt - >12% đình hồn tồn q trình lên men Khả chịu cồn chủng nấm men khác khác 5.2.1.2 Hấp thụ dinh dưỡng nấm men - Hấp thụ cacbon - Hấp thụ nitỏ 5.2.1.3 Sinh tổng hợp sản phẩm bậc hai (sản phẩm phụ) a Glycerin Là cấu tử quý bia, làm dịu vị làm tăng thêm độ đậm đà cho sản phẩm b Rượu bậc cao Gồm có: propylic, izopropylic, izobutylic, amylic, izoamylic nhiều loại khác Tùy theo phương pháp lên men mà hàm lượng rượu bậc cao khác Rượu bậc cao ảnh hưởng xấu đến giá trị cảm quan bia c Acid hữu 127 Gây vi khuẩn (khi dịch đường houblon hóa bị nhiễm) Do q trìn diamin acid glutamin qua phản ứng chuyển amin d Ester aldehyde Ester tạo thành tương tác sản phẩm bậc hai thường trực, ester hóa acid bay không bay với loại rượu khác Ester hình thành vịng thơm bia, hình thành chủ yếu giai đoạn lên men (18,6mg/l), bia thành phẩm 25mg/l Aldehyde sản phẩm trường trực trình trao đổi chất nấm men, với lượng nhỏ aldehyde làm tăng thêm hương vị cho bia, với lượng lớn làm gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng bia Lượng aldehyde giảm nhiều giai đoạn lên men phụ e Acetoin, diaxetyl 2,3 butandiol Ba hợp chất tạo hoạt động sống tế bào nấm men giai đoạn lên men Trong đó, diaxetyl gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng bia, có mùi mạnh, vị đắng khó chịu tác động đến hệ thần kinh người Diaxetyl tạo thành lên men từ 0,35 – 0,55mg/l chúng bị khử thời gian tàng trữ, thời gian cần thiết cho q trình khử tuần 128 f Hydro sunfua (SH2) mercaptan Tạo thành hợp chất chứa gốc sunfat, sunfit amin có chứa lưu huỳnh dịch đường Do tượng tự phân nấm men Là hợp chất có hại tới mùi thơm vị bia 5.2.1.4 Các trình biến đổi khác a Sự thay đổi độ chua lực đệm - Độ chua gia tăng tạo thành CO2 acid hữu trình lên men (pH = 5,5 – 5,6 giảm xuống 4,4 – 4,5) Phá vỡ lực đệm hệ thống phosphate (pH = 5,57 – 7,07) tạo thành hệ đệm acid hữu muối chúng (pH = 4,27 – 5,67) b Sự thay đổi oxy hóa khử cường độ màu Thay đổi oxy hóa khử giảm lượng oxy hòa tan dịch đường Cường độ màu giảm hợp chất polyphenol dễ oxy hóa bị khử sau bị kết lắng lại c Sự kết mảng tế bào nấm men Là trình tế bào nấm men hấp phụ dính với thành mảng do: - Vỏ tế bào nấm men tiết niêm dịch 129 - Thay đổi điện tích tĩnh điện d Sự tạo bọt CO2 tạo thành trình lên men liên kết với chất hoạt động bề mặt như: protein, chất đắng, polyphenol để tạo thành bọt Hình 15: Bồn lên men 5.2.2 Lên men phụ 5.2.2.1 Diễn biến trình giai đoạn lên men phụ tàng trữ Các trình hóa sinh, hóa lý, sinh lý diễn tương tự giai đoạn lên men chậm nhiệt độ giai đoạn từ – 1oC 130 Là q trình chuyển hóa tiếp tục lên men chính: chuyển hóa hết đường có khả lên men bia non Là trình khử diaxetyl, làm giảm hàm lượng aldehyde, hàm lượng rượu bậc cao, phản ứng tạo ester Thực chất q trình lão hóa bia non để tăng chất lượng cảm quan sản phẩm Thời gian tồn trữ nhiệt độ môi trường hai yếu tố quan trọng đặc biệt ảnh hưởng đến chất lượng độ bền keo sản phẩm Khả hòa tan CO2 phụ thuộc vào nhiệt độ áp suất bề mặt Dựa vào định luật Henry P k= c Trong đó: k: số phụ thuộc vào nhiệt độ bia p: áp suất CO2 bề mặt bia c: nồng độ CO2 hòa tan vào bia - Sự lắng cặn + Tế bào nấm men + Các hạt cặn mịn khác 131 Ở giai đoạn đầu * Quá trình lên men tiếp diễn với tốc độ bé, khí CO2 tạo thành có chiều hướng sủi ngược lên bề mặt * Nhiệt độ bia chưa đồng nhất, phía ngồi thành thiết bị nhiệt độ từ – 1oC, nhiệt độ bên cịn cao từ – 10oC nên vãn xảy tượng đối lưu nhiệt Ở giai đoạn sau: * Nấm men kết lắng, hợp chất protein – polyphenol tủa, thời gian kéo dài tốc độ làm bia nhanh Kiểm tra trình lên men phụ, bổ sung: - Chất hấp phụ - Chất kết lắng - Chất chống oxy hóa 5.2.2.2 Thành phần bia sau lên men phụ - Bia sau lên men chính, tế bào nấm men tiêu thụ hết đường lên men, cịn lại đường maltotrioza - Để giúp cho hương vị tốt cho bia tế bào nấm men lắng xuống đáy thiết bị bị loại bỏ 132 - Trong giai đoạn lên men phụ diacetyl chuyển thành acetoin, acid hữu rượu thành ester giúp ổn định thành phẩm làm tăng tính cảm quan sản phẩm 5.3 Hồn thiện sản phẩm Sau thời gian dài ủ nhiệt độ thấp, thành phần hóa học tính chất cảm quan bia định hình Tuy nhiên, để trở thành hàng hóa thương mại, bia cần xử lý qua công đoạn sau: Làm để tăng thêm giá trị cảm quan, ổn định thành phần học, làm tăng độ bền sinh học độ bền keo bia Bổ sung thêm CO2 cho đạt hàm lượng cần thiết nhằm làm tăng chất lượng cảm quan, chống oxy hóa, chống kết lắng mơi trường tốt để bảo quản bia Chiết bia vào chai, vào block, vào lon để dễ vận chuyển bảo quản Thanh trùng để diệt nấm men để nâng cao độ bền sinh học cho bia 5.3.1 Làm bia - Mục địch: làm bia loại bỏ phần tử gây đục cho bia nhằm mục đích tăng thời gian bảo quản cho bia chúng lưu hành thị trường - Phương pháp làm trong: làm bia dựa vào hai phương pháp lọc ly tâm 133 > Lọc: Hình 146: Hệ thống lọc khung Nguyên tắc: - Giữ chặt lực học hạt có kích thước lớn kích thước lỗ hổng vật liệu lọc - Hấp phụ hạt có kích thước bé hơn, chí hạt hòa tan dạng keo hạt hòa tan phân tử Vật liệu lọc: + Khối lọc: làm xơ trộn vơi bột amin ép chặt thành bánh + Tấm lọc: sợi cellulose dệt ép thành + Bột diatomit Ưu, nhược điểm phương pháp lọc: 134  Ưu điểm: làm cho bia sáng lấp lánh, tăng giá trị cảm quan sản phẩm  Nhược điểm: làm giảm nồng độ chất hòa tan bia, làm giảm hàm lượng CO2, làm giảm khả tạo bọt  Ly tâm: Nguyên tắc: dựa vào tính chất học để tách hạt phân tán khỏi pha lỏng Ưu, nhược điểm phương pháp ly tâm:  Ưu điểm: thành phần tính chất bia sau ly tâm thay đổi không đáng kể  Nhược điểm: sau ly tâm nhiệt độ bia tăng lên, có tính khử yếu so với bia lọc khả đục lạnh cao so với bia lọc 135 5.3.2 Chiết bia Hình 157: Hệ thống chiết bia 136 5.3.3 Thanh trùng Trong bia thành phẩm ln chứa tế bào cịn sống bao gồm nấm men số vi sinh vật ngoại lai vi khuẩn acetic, sợi nấm Do phải trùng bia để tiêu diệt vi sinh vật Thời gian trùng bia phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ, thông thường để trùng bia (đối với dạng bia chai) người ta giữ khoảng 15 phút nhiệt độ 62 – 63oC 137 TÀI LIỆU THAM KHẢO Bùi Ái (2000), Công nghệ lên men ứng dụng công nghệ thực phẩm, Nhà xuất Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh Hồng Đình Hịa (1998), Cơng nghệ sản xuất malt bia, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội Lương Đức Phẩm (2006), Nấm men công nghiệp, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội Lý Nguyễn Bình (1997), Bài giảng kỹ thuật lên men, Trường Đại học Cần Thơ Nguyễn Công Hà, Lê Nguyễn Đoan Duy Bùi Thị Quỳnh Hoa (2014), Công nghệ sản xuất rượu, bia nước giải khát, Nhà xuất Đại học Cần Thơ Nguyễn Đình Thưởng Nguyễn Thanh Hằng (2005), Công nghệ sản xuất kiểm tra cồn etylic, Nhà xuất khoa học Kỹ thuật Nguyễn Đức Lượng (2004), Công nghệ vi sinh vật (tập 1) Cơ sở vi sinh vật Công nghiệp, Nhà xuất Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh Tài liệu cơng ty bia Sài Gịn – Vĩnh Long 138