CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN THỰC PHẨM ƯƠM MẦM

Giảng viên: Trần Quyết Thắng Sinh viên thực hiện: Huỳnh Đăng Huy - 2005217934 Phan Thanh Nguyên - 2005212202

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 5, 2023

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

Hạt là trung tâm của cây với nhiệm vụ duy trì sự sống cho loài Hạt trước khi nảy mầm ta thường gọi là hạt giống Nhưng hạt giống không chỉ đơn thuần là hạt giống khi con người đã khám phá ra giá trị của hạt khi nó nảy mầm Đó là nguồn thực phẩm vô cùng dinh dưỡng và là nguồn nguyên liệu đặc biệt cho một số ngành sản xuất, nhất là công nghệ sản xuất bia và bánh kẹo Ngũ cốc nguyên chất, đậu, quả hạch và các loại hạt giống chính là nguồn acid béo quan trọng nhất của thiên nhiên, đó là chất béo rất cần thiết cho sự phát triển não của trẻ nhỏ, chúng chứa lượng lớn chất đạm, các loại vitamin, chất khoáng, pacifarin (cho hệ thống miễn dịch) và auxone (giúp thiết lập tế bào cho cơ thể và ngăn chặn sự lão hóa sớm) Còn malt đại mạch lại là nguồn nguyên liệu đặc biệt cho ngành công nghệ sản xuất gia.

Sự nảy mầm của hạt có thể xem là bắt dầu của quá trình sinh trưởng và phát triển Từ hạt đang ngủ nghỉ chuyển sang trạng thái này mầm là cả một quá trình biến dổi sâu sắc và nahnh chóng về sinh lý và hóa sinh xảy ra trong hạt Để biết rõ hơn về sự nảy mầm của hạt và các ứng dụng của hạt khi nảy mầm ta tìm hiểu về quá trình ươm mầm và các yếu tố liên quan đến quá trình này.

1 Cơ sở khoa học

Từ xưa đến nay, ngũ cốc luôn là nguồn lương thực quan trọng của con người Nhóm ngũ cốc đa dạng, bao gồm đại mạch, lúa mì, lúa mạch, lúa miến, lúa gạo, bắp Khi ngủ cốc nảy mầm, ta sẽ thu được sản phẩm malt Hiện nay trên thế giới, malt đại mạch là sản phẩm phổ biến nhất và được sản xuất nhiều nhất khi so sánh với các loại malt ngũ cốc khác.

Quy trình sản xuất malt gồm nhiều công đoạn: làm ướt hạt ngũ cốc, ươm mầm, sấy khô hạt và tách mầm Sau công đoạn ươm mầm, chúng ta sẽ thu được bán thành phẩm là malt xanh (green malt) Trong một số trường hợp, người ta sẽ dùng malt xanh làm nguyên liệu để sản xuất ra một số sản phẩm công nghiệp khác Tuy nhiên, do độ ẩm cao nên thời gian bảo quản malt xanh là rất ngắn Malt xanh thường được sử dụng ngay sau khi ươm mầm Nếu mah xanh được đem sấy đến độ ẩm 34% và tách bỏ mầm thì sẽ được gọi là malt thành phẩm Thời gian bảo quản malt thành phẩm có thể kéo dài đến 2 năm.

Hiện nay, người ta sản xuất ra rất nhiều loại malt từ đại mạch như malt vàng, malt đen, malt acid, malt protease, malt caramel Thành phần hóa học và mục đích sử dụng của các loại malt này rất khác nhau Trong quyển sách này, chúng tôi chỉ đề cập đến quá trình ươm mầm trong sản xuất malt vàng.

Ươm mầm là một công đoạn quan trọng trong công nghệ sản xuất malt Đây là một quá trình sinh học Cơ sở khoa học của quá

trình ươm mầm dựa trên sự trao đổi chất và sinh trưởng của các hạt hòa thảo Kết quả là làm xuất hiện lá mầm, rễ mầm và gây ra một số biến đổi về thành phần hóa học và cấu trúc bên trong hạt Tùy theo mục đích sử dụng malt mà các nhà sản xuất sẽ thay đổi các thông số công nghệ trong quá trình ươm mầm để có được những biến đổi cần thiết diễn ra bên trong hạt hòa thảo.

2 Mục đích công nghệ và phạm vi thực hiện

Trong malt chứa nhiều loại enzyme khác nhau như amylase, protease, hemicellulase và một số loại enzyme khác, trong đó nhóm amylase có hoạt tính cao vượt trội hơn hẳn so với những enzyme còn lại Trước đây, người ta sử dụng malt

như là một chế phẩm enzyme trong ngành công nghiệp sản xuất ethanol và mạch nha từ các nguồn nguyên liệu tinh bột Cần lưu ý là ngoài enzyme, trong malt còn chứa một lượng lớn cơ chất tinh bột và protein Những thành phần này cũng góp phần làm tăng hàm lượng chất chiết trong dịch thủy phân, từ đó làm tăng hiệu suất thu hồi sản phẩm Một số cơ sở sản xuất chỉ sử dụng malt như là nguồn nguyên liệu duy nhất để sản xuất ethanol và mạch nha.

Hiện nay, các chế phẩm enzyme từ vi sinh vật xuất hiện ngày càng nhiều Hoạt tính enzyme trong các chế phẩm từ vi sinh vật thường cao hơn hẳn so với hoạt tính enzyme trong malt Do đó, các nhà sản xuất ít khi sử dụng malt như là một chế phẩm enzyme Trong ngành công nghiệp sản xuất ethanol và mạch nha từ tinh bột, người ta dùng các chế phẩm amylase từ vi sinh vật để thay thế malt xúc tác phản ứng thủy phân.

Tuy nhiên, malt đại mạch vẫn được xem là một nguyên liệu quan trọng trong sản xuất bia trên thế giới Tại một số địa phương, người ta vẫn tiếp tục sử dụng malt ngũ cốc làm nguyên liệu để sản xuất một số loại mạch nha truyền thống Malt vừa là nguồn cung cấp cơ chất vừa là nguồn cung cấp enzyme để thực hiện quá trình thủy phân cơ chất.

Quá trình ươm mầm ngũ cốc có hai mục đích công nghệ:

- Khai thác: trong quá trình ươm mầm, nhiều enzyme trong hạt ngũ cốc sẽ được hoạt hóa Ngoài ra, hạt cũng sẽ tổng hợp thêm một số enzyme mới để phục vụ cho quá trình sinh trưởng Trong sản xuất bia và mạch nha, chúng ta sẽ sử dụng nhóm enzyme thủy phân của malt để xúc tác cho những phản ứng thủy phân cơ chất

- Chuẩn bị: những cơ chất có phân tử lượng lớn như tinh bột, protein trong hạt ngũ cốc sẽ bị thủy phân một phần trong quá trình ươm mắm Nhờ đó, trong quá trình nấu dịch nha sản xuất bia hoặc trong sản xuất mạch nha, việc thủy phân cơ chất tinh bột trong malt sẽ trở nên dễ dàng hơn Như vậy, quá trình ươm mầm ngũ cốc được xem như là giai đoạn tiền xử lý cơ chất để chuẩn bị cho các quá trình chế biến malt tiếp theo.

3 Các biến đổi của nguyên liệu

Sinh học: trong quá trình ươm mầm ngũ cốc có hai biến đổi sinh học quan trọng là sự trao đổi chất và sự sinh trưởng của hạt.

+ Sự trao đổi chất: tùy thuộc vào điều kiện ươm mầm mà sự trao đổi năng lượng của hạt sẽ xảy ra theo hướng hô hấp hoặc lên men.

Khi oxy được cung cấp đầy đủ, hạt sẽ hô hấp Sản phẩm cuối của quá trình hô hấp từ đường là khí carbonic, nước và năng lượng Chúng ta cần phân biệt hai dạng năng lượng: năng lượng sinh học ATP sẽ được hạt sử dụng cho sự trao đổi chất của nó và năng lượng nhiệt sẽ được hạt thải ra bên ngoài môi trường trong quá trình ươm mầm

Nếu oxy không được cung cấp đầy đủ thì hạt sẽ lên men Theo Kalunhans và cộng sự (1992) thì sản phẩm cuối của quá trình lên men từ đường trong hạt đại mạch là ethanol, khí carbonic và năng lượng Cần lưu ý là năng lượng tạo ra trong điều kiện lên men thấp hơn nhiều so với điều kiện hô hấp Ngoài ra, khi hàm lượng ethanol tích lũy bên trong hạt lên đến 0,1% thì có thể gây ức chế sự sinh trưởng của hạt và ảnh hưởng xấu đến chất lượng malt thành phẩm

Trao đổi chất gồm hai quá trình: dị hóa và đồng hóa Trong quá trình dị hóa, hạt sẽ sử dụng những chất dự trữ, phân giải chúng thành những chất trung gian và năng lượng ATP Cồn trong quá trình đồng hóa, hạt sẽ sử dụng các hợp chất trung gian và năng lượng ATP do dị hóa cung cấp để tổng hợp những hợp chất mới và những cơ quan mới cho hạt

+ Sự sinh trưởng: sự sinh trưởng của hạt được thể hiện qua sự phát triển của rễ mầm và lá mầm Tùy theo mục đích sử dụng, người ta sẽ kết thúc quá trình ươm mầm dựa trên chiều dài của rễ mầm và lá mầm.

Hóa sinh: trong quá trình ươm mầm hạt đại mạch, các chất kích thích sinh trưởng như acid gibberillic và gibberillin A được tạo thành bên trong hạt Từ đó, nhiều nhóm enzyme trong hạt được hoạt hóa và sinh tổng hợp Trong giai đoạn tiếp theo, các enzyme này sẽ tham gia xúc tác phản ứng chuyển hóa các cơ chất trong hạt và làm thay đổi thành phần hóa học và độ xốp của hạt

+ β-amylase: người ta cũng tìm thấy sự có mặt của β -amylase trong hạt đại mạch chưa qua ươm mầm Theo Narsiss (1980) thì enzyme này tồn tại trong hạt ở dạng tự do và dạng liên kết với các phân tử protein qua cầu disulfide Trong quá trình ươm mầm, các phân tử Barylane ở dang liên kết sẽ được giải phóng và hoạt hóa Bị amylase xúc tác phản ứng thủy phân liên kết a,1-4 glycoside của phân tử tinh bột từ đầu không khử, tạo sản phẩm maltose Đường maltose sẽ tiếp tục bị phân giải bởi hệ enzyme khác để tạo ra năng lượng sinh học phục vụ cho quá trình trao đổi chất của hạt

+ α-amylase: Narsiss (1980) cho rằng a-amylase không có trong hạt đại mạch chưa qua ươm mầm Enzyme này chỉ xuất hiện trong quá trình ươm mầm hạt Trong hạt đại mạch nảy mầm, 7% amylase được tìm thấy trong phôi và 93% còn lại là ở nội nhũ, α -amylase xúc tác phản ứng thủy phân liên kết α,1-4 glycoside tại vị trí ở giữa mạch phân tử tinh bột Nhờ đó mà cấu trúc hạt tinh bột trong malt trở nên xốp hơn so với trong hạt ngũ cốc chưa qua ươm mầm Thực tế cho thấy do tinh bột đã được thủy phân sơ bộ trong quá trình ươm mầm bởi α -amylase nên quá trình hồ hóa, dịch hóa và đường hóa tinh bột trong malt sẽ xảy ra dễ dàng và nhanh hơn so với tinh bột trong hạt ngũ cốc chưa qua ươm mầm,

+ Protease: người ta tìm thấy nhiều loại protease khác nhau trong hạt đang nảy mầm Chúng được chia thành hai nhóm: endoenzyme và exoenzyme

Các endoproteuse trong hạt đại mạch gồm có sulfhydryl protein (có nhóm –SH trong tâm hoạt động) và metallo-protease (có chứa ion kim loại tại tâm hoạt động) Chúng xúc tác thủy phân liên kết peptide tại vị trí giữa mạch phân tử protein Giá trị pH tối ưu của nhóm endoprotease trong malt đại mạch rất khác biệt nhau và dao động từ 5,4 đến 8,5

Các eoprotease trong hạt đại mạch gồm có carboxypeptidase, aminopeptidase và dipeptidase Hai enzyme dầu xúc tác phản ứng thủy phân liên kết tại vị trí đầu mạch carboxyl và amino của phân tử protein để giải phóng ra các acid amin tự do Dipeptidase thủy phân dipeptide

Người ta thấy rằng một số phân tử protein trong scutellum và trong lớp aleurone sẽ bị thủy phân trước Sau đó, một số phân tử protein trong nội nhũ mới bị thủy phân Sự thủy phân protein bởi hệ protease trong quá trình ươm mầm giữ một vai trò quan trọng trong quá trình trao đổi chất của hạt Sản phẩm thủy phân là các acid amin, peptide mạch ngắn, polypeptide Phần lớn các acid amin mà được hạt sử dụng để tổng hợp các cơ quan mới như rễ mầm và lá mầm Một số các acid amin chưa được sử dụng, các peptide và polypeptide sẽ ở lại trong malt Chính vì thế mà hàm lượng nitơ amin tự do trong malt luôn cao hơn so với trong hạt ngũ cốc ban đầu

+ β -glucanase: hoạt tính β -glucanase tăng lên trong quá trình ươm mầm Có hai nhóm enzyme chính là endo-1,3-β -D-glucanase và endo 1,4-β -D-glucanase Chúng xúc tác thủy phân liên kết β ,1-3 glycoside và β,1-4 glycoside tại vị trí giữa mạch phân tử β -glucan

Các hạt tinh bột trong ngũ cốc nằm tập trung ở nội nhũ Mỗi hạt tinh bột được bao bọc bởi một lớp màng với thành phần chủ yếu là cellulose và hemicellulose (β -glucan) Các hạt tinh bột được kết dính với nhau nhờ protein Như vậy, hoạt động của nhóm B- glucanase giữ vai trò quan trọng trong việc phá vỡ lớp màng bao xung quanh các hạt tinh bột, giúp giải phóng các phân tử tinh bột để tinh bột tiếp xúc với

α-amylase dễ dàng hơn, nhờ đó mà quá trình thủy phân tinh bột mới xảy ra Theo Moll (1991) thì trong quá trình sấy malt, có khoảng 50 - 60% lượng enzyme β -glucanase bị vô hoạt bất thuận nghịch

+ Phosphatase: enzyme này xúc tác phản ứng giải phóng phosphate ra khỏi các hợp chất hữu cơ trong hạt đại mạch

+ Các enzyme khác trong quá trình ươm mầm, người ta thấy xuất hiện nhiều loại enzyme khác trong hạt đại mạch như invertase, maltase, lipase, catalase, peroxydase, polyphenoloxidase Chúng cùng tham gia xúc tác các phản ứng trong quá trình dị hóa và đồng hóa hạt ngũ cốc Tuy nhiên, hầu hết các enzyme này sẽ bị vô hoạt trong quá trình sấy malt.

Vật lý: nhiều biến đổi vật lý xảy ra trong quá trình ươm mầm ngũ cốc Điển hình là sự xuất hiện những cơ quan mới như rễ mầm và lá mềm đã làm cho hình dạng của

hạt thay đổi Cấu trúc của hạt trở nên xốp hơn, tỷ trọng hạt thay đổi đôi chút do có sự phân giải và chuyển hóa các thành phần cơ chất bên trong hạt Ngoài ra, nhiệt độ của khối hạt trong quá trình ươm mầm sẽ gia tăng do hiện tượng tỏa nhiệt trong quá trình trao đổi chất của hạt

Cần lưu ý là những thay đổi về độ xốp của hạt sẽ tạo nên những ảnh hưởng có lợi trong quá trình chế biến malt để tạo ra các sản phẩm khác Ví dụ như khi sản xuất bia và mạch nha từ malt thì quá trình nghiền và thủy phân cơ chất trong malt sẽ diễn ra dễ dàng hơn

Hóa lý: biến đổi hóa lý quan trọng trong quá trình ươm mầm là sự bốc hơi nước do sự trao đổi năng lượng làm tăng nhiệt độ của khối hạt Nếu độ ẩm của khối hạt bị giảm đi quá mức thì sẽ làm chậm tốc độ của các phản ứng thủy phân và sinh tổng hợp các cơ quan mới như rễ mầm và lá mầm Các nhà sản xuất cần ổn định độ ẩm của khối hạt trong quá trình ươm mầm

4 Các yếu tố ảnh hưởng

Nguyên liệu: Các loại ngũ cốc như đại mạch, lúa mạch, lúa gạo,… có thành phần hóa học khác nhau Do đó, quá trình ươm mầm các nguyên liệu nói trên trong cùng một điều kiện thì chất lượng malt thành phẩm sẽ khác nhau.

Cần chú ý hoạt tính enzyme, đặc biệt là hoạt tính amylase thu được trong quá trình ươm mầm đại mạch thưòng cao hơn hẳn khi so với các loại ngũ cốc khác Hạt tinh bột trong đại mạch có cấu trúc khá xốp Nhiệt độ hồ hóa của tinh bột đại mạch là 57-65℃ và thấp hơn so với nhiệt độ hồ hóa của các loại ngũ cốc khác Do đó, trong quá trình ươm mầm đại mạch, phần tinh bột trong nội nhũ dễ bi amylase tán công hơn, cấu trúc nội nhũ bị biến đổi nhiểu hơn Các nhà công nghệ cho rằng đây là giai đoạn tiển thủy phân cơ chất để giúp cho quá trình thủy phân tinh bột malt dại mạch trong sản xuất bia và mạch nha diễn ra nhanh và triệt để hơn.

Lúa gạo là loại ngũ cốc phổ biến nhất ở nước ta Các nghiên cứu trước đây cho thấy hoạt tính amylase trong malt lúa gạo thấp hơn nhiều so với malt đại mạch Ngoài ra, hạt tinh bột gạo có kích thước nhỏ và độ xốp kém nên khó bị amylase "tấn công” trong quá trìnhmåm hạt Nhiệt dđô hồ hóa của tinh bột gao rất cao (61-78°C)

D6 là lý do vì sao hiện nay người ta không sử dụng malt lúa gạo trong sản xuất bia và mach nha.

Nhiệt độ: Nhiệt độ ảnh hưởng lớn đến tốc độ và mức độ biến đổi của các quá trình sinh học và hóa sinh Nếu thực hiện quá trình - Nhiệt độ: Nhiệt độ ảnh hưởng lớn đến tốc độ vàm mức độ biến ươm mầm ở 10-15°C thì chất lương malt dai mạch thu được rất tốt nhưng thời gian ươm mầm kéo dài, làm tăng chi phí năng lượng vàm giảm năng suất sử dụng các thiết bị ươm mầm Ngược lại, nếu ươm mầm ở nhiệt độ phòng (25-30°C) thì hệ vi sinh vật trong hat phát triển rất mạnh và có thể gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng cúa malt thành phẩm Hiện nay, nhiệt độ ươm mầm khuyến cáo trong sản xuất malt vàng thường dao động trong khoảng 14-16°C Tùy theo thành phần hóa học và tính chất vật lý của nguyên liêu mà mỗi nhà máy sẽ xác định giá trị nhiệt độ ươm mầm phù hợp.

Theo Narsiss (1980), nhiêt đô ươm mầm dai mach trong những ngày đầu tiên có thể lên đến 17-18°C Khi đó mầm sẽ phát triên nhanh và quá trình sinh tổng hơp enzyme trong hạt cũng được thúc đây Tuy nhiên, trong những ngày tiếp theo cân giảm nhiệt độ ươm mầm về 10-13°C để ức chế sư phát triển của mầm, hạn chế sự tôn thất chất khô bên trong hạt Ở nhiệt độ này, các enzyme sẽ tiếp tục thủy phân một phần cơ chất của hạt để hoàn tất giai đoạn tiển xử lý cơ chất, chuẩn bị cho quá trình thúy phân nguyên liệu trong sản xuất bia và mạch nha.

Độ ẩm của hạt: Các biến đổi sinh học bên trong hạt sẽ diễn ra mạnh mẽ khi độ ấm của hạt xấp xĩ 30% Tuy nhiên, để sự náy mầm xảy ra đồng đểu trong khối hạt, đổng thời để quá trình hoạt hóa và sinh tổng hợp enzyme trong hạt diễn ra tốt thì độ âm của hạt phải dao động trong khoảng 44-48% (Kalunhans, 1994) Cần chú ý là trong quá trình ươm mấm, nước vừa là dung môi giúp xây ra các phản ứng hóa sinh bên trong hạt, vừa là một chất tham gia phản ứng thủy phân.

Sự thoáng khí: Như chúng ta đã biết, trong điểu kiện có oxy thì hạt sẽ hô hấp hiếu khí và sinh tổng hợp ra nhiểu năng lượng sinh học Nhờ đó mà lá mầm và rễ mầm sẽ phát triển nhanh, đồng thời sự hoạt hóa và sinh tổng hợp enzyme cũng được tăng cường Còn trong điều kiện không có oxy, hạt sẽ sinh tổng hợp năng lượng theo