đề tài các biến đổi hóa sinh trong quá trình sản xuất rượu nho

Các dạng rượu vang nổitiếng là kết quả của sự tương tác rất phức tạp giữa phát triển sinh hóa của nho,các phản ứng liên quan đến quá trình lên men, cùng với sự can thiệp của conngười tro

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG HÓA VÀ KHOA HỌC SỰ SỐNG

o0o

ĐỀ TÀI Các biến đổi hóa sinh trong quá trình

sản xuất rượu nho

Thực hiện : Hoàng Ngọc Linh - 20211483

Nguyễn Thùy Linh - 20211487 Nguyễn Khánh Linh – 20221222 Giảng viên hướng dẫn : TS.Đỗ Biên Cương

HÀ NỘI –2024

Mục lục

I Rượu vang là gì 3

II Nguyên liệu để sản xuất rượu vang nho 3

III Các quy trình sản xuất rượu vang nho 4

IV Các biến đổi sinh hóa trong sản xuất rượu vang nho 4

1 Lên men ethanol 4

2 Quá trình lên men malolactic 8

3 Quá trình lão hóa rượu 9

V Kết luận 11

VI Tài liệu tham khảo 11

I.Rượu vang là gì?

Rượu vang quả được chế biến từ nước quả, do lên men tự nhiên Để sản xuất rươu vang quả, người ta dùng các loại quả chín có hương vị đặc biệt như nho, dứa, dâu, Rượu vang có đặc điểm: độ cồn thấp, sản phẩm tự nhiên có nguồn gốc từ quả, có giá trị dinh dưỡng cao

Loại rượu vang phổ biến hiện nay trên thế giới và tại Việt Nam là rượu vang nho, một loại thức uống có cồn được lên men từ nho Sự cân bằng hóa học tự nhiên nho cho phép nho lên men không cần thêm các loại đường, axit, enzym, nước hoặc chất dinh dưỡng khác Men tiêu thụ đường trong nho và chuyển đổi chúng thành rượu và carbon dioxit Giống nho khác nhau và chủng nấm men khác nhau tạo thành các dạng khác nhau của rượu vang Các dạng rượu vang nổi tiếng là kết quả của sự tương tác rất phức tạp giữa phát triển sinh hóa của nho, các phản ứng liên quan đến quá trình lên men, cùng với sự can thiệp của con người trong quá trình tổng thể

II.Nguyên liệu để sản xuất rượu vang nho

Thứ nhất là nho- nguyên liệu chính

Nho có thành phần hóa học trung bình như sau:

- Nước: 70-80%

- Đường: 10 25% (trong đó chủ yếu là glucose, fructose và saccharose)

- Acid hữu cơ: 0,5 – 1,7% (chủ yếu là acid malic và factoric)

- Chất đạm: 0,1 - 0,9%

- Pectin: 0,1 - 0,3%

- Khoáng: 0,1 - 0,5%

-Chứa nhiều Vitamin C, B1, B2, PP và các chất thơm khác

Trên quả nho có rất nhiều loại nấm men có từ tự nhiên, là nhân tố chính tham gia vào quá trình sản xuất rượu vang lên men tự nhiên truyền thống và là đặc trưng của rượu vang nho

Thứ hai là nấm men, giúp chuyển đổi nguyên liệu thành phần cần thiết để tạo nên rượu vang thơm ngon

Ngoài ra còn thành phần phụ khác:

Nước: chiếm tỷ lệ lớn (80%) trong rượu vang thành phẩm

Đường saccharose: dùng để bổ sung vào môi trường lên men, nhằm điều chỉnh độ đường đến hàm lượng cần thiết cho quá trình lên men rượu vang Chất phụ gia: NaHSO3 hoặc SO2 giúp ức chế, tiêu diệt các vi khuẩn có hại, bentonit, tanin, đất sét trắng: Chất trợ lắng, giúp quá lắng tốt hơn, enzyme Pectinase: Làm trong và làm giảm độ nhớt cho sản phẩm

III.Các quy trình sản xuất rượu vang nho

IV Các biến đổi sinh hóa trong sản xuất rượu vang nho

1 Lên men ethanol

Quá trình lên men quả nho và sản xuất rượu vang chất lượng cao là một quá trình sinh hóa phức tạp liên quan đến sự tương tác của các enzyme với nhiều loài

vi sinh vật khác nhau, nhưng chủ yếu là nấm men và vi khuẩn axit lactic Nấm men chiếm ưu thế trong rượu vang và thực hiện quá trình lên men rượu, trong khi vi khuẩn axit lactic chịu trách nhiệm lên men malolactic

Thực chất của quá trình lên men là các quá trình oxy hóa-khử sinh học để thu năng lượng và các hợp chất trung gian

Lên men rượu ethanol là một quá trình sinh hóa phức tạp, chuyển đường thành rượu ethanol, CO2 và một số sản phẩm phụ khác có sự tham gia của nấm men hoặc một số loại vi sinh vật khác Trong quá trình lên men, ngoài các sản phẩm trên còn giải phóng năng lượng (113,4Kj/glucose) Trong tất cảcác quá trình chuyển hóa glucid do vi sinh vật gây ra, sự lên men rượu được ứng dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp, ứng dụng này đã có từ thời xưa sơ bộ để sản xuất rượu vang, bia và các nước uống giải khát lên men khác

Tác nhân lên men: Ethanol là một loại sản phẩm lên men đường phổ biến của nhiều nhóm vi sinh vật Trong đó, tác nhân chủ yếu là nấm men, đặc biệt là các nòi của loài Saccharomyces cerevisiae Sacchromyces cerevisiae: còn gọi là nấm men bánh mì hay nấm men bia rượu chúng có thể lên men 95% glucose theo con đường lên men kỵ khí; còn khi hiếu khí bằng con đường đường phân, chúng chỉ sử dụng được 70% glucose pH thích hợp 4,5÷5 S.cerevisiae có thể sử dụng các loại đường glucose, galactose, maltose, saccharose, không đồng hóa trức tiếp được lactose và nitrat Có thể tích lũy 6÷12% rượu trong môi trường lên men

Đường trong nước ép nho chủ yếu là Glucose và Fructose được chuyển thành ethanol, carbon dioxit và các sản phẩm phụ bởi men theo phản ứng:

C6H12O6 ® C2H5OH + CO2 + Sản phẩm phụ

Cơ chế của quá trình lên men rượu: Quá trình lên men được thực hiện trong điều kiện kỵ khí tạo ra lượng rượu tối đa Men S.cerevisiae tiêu hóa đường bằng cách thực hiện chuỗi phản ứng gồm glycolysis, chu trình axit citric (chu trình krebs), chuỗi truyền electron, cuối cùng tạo ra ethanol

Glucose

ATP

ADP Glucose-6-phosphate

Phosphoglucose isomerase

Fructose-6-phosphate

ATP ADP Frutose-1,6-bisphosphate

Aldolase

Dihydroxyacetone

phosphate

(DHAP)

Glyceraldehyde 3-phosphate (GAP)

Hexokinase

Triose phosphate isomerase Phospho fructokinase

ADP

Phosphoglycerate kinase ATP

Glyceraldehyde 3- phosphate dehydrogenase

Pi, NAD + NADH+H + 1,3-Bisphosphoglycerate

H 2 0 Phosphenolpyruvate 2-Phosphoglycerate

Enolase Phosphoglycerate mutase

Pyruvate

Pyruvate

decarboxylase

Acetaldehyde

Ethanol

NADH+H + NAD +

Sơ đồ đường phân và lên men trong tế bào nấm men

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men rượu

a Nồng độ đường

Trong lên men rượu, đường là cơ chất để nấm men sử dụng và chuyển hóa thành rượu ethanol, CO và một số sản phẩm phụ Nấm men chỉ có khả năng lên men2

đường thành rượu trong khoảng nồng độ thích hợp từ 10 ÷ 18% Khi nồng độ đường lớn hơn 30% sẽ ức chế nấm men và khả năng lên men rượu giảm, nồng

độ đường thấp quá cũng làm giảm năng lực lên men Đối với việc sản xuất rượu vang người ta sử dụng nồng độ đường từ 16 ÷ 25% và dùng nấm men chìm, nên quá trình lên men chậm và sau khi lên men vẫn còn một lượng đường trong rượu

vì vậy rượu vang thường có vị ngọt

Đường trong nước ép nho chủ yếu là Glucose và Fructose được chuyển thành

Alochol dehydrogenase

CO2

Pyruvate +

kinase

ADP+H +

3-Phosphoglycerate

ATP

7 ethanol, carbon dioxit và các sản phẩm phụ bởi nấm men theo phản ứng:

C6H12O6 C2H5OH + CO2 + Sản phẩm phụ

b Oxy

Nấm men là loại vi sinh vật hô hấp tùy tiện Trong điều kiện hiếu khí với sự có mặt của oxy sẽ xảy ra phương trình phản ứng sau:

C6H12O6+ 6O2 6H2O+ 6CO2+ Q1 (gia tăng sinh khốí)

Chỉ trong điều kiện yếm khí nó mới tiến hành lên men rượu theo phương trình: C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 + Q2

Vì vậy khi có mặt của oxy sẽ kiềm hãm quá trình lên men rượu

Hiệu ứng Pasteur: là sự ức chế quá trình lên men rượu khi có mặt của oxy Sự chuyển từ lên men sang hô hấp ngoài việc giảm hiệu suất tạo thành rượu và khí cacbonic còn giảm hiệu suất sử dụng đường Vì vậy giai đoạn đầu của quá trình lên men cần thông khí vào môi trường để kích thích nấm men sinh trưởng tăng sinh khối sau đó không cần oxy nữa để tạo điều kiện kỵ khí cho quá trình lên men rượu đạt hiệu suất cao nhất

c Nồng độ rượu

Trong quá trình lên men rượu, nồng độ rượu tăng dần sẽ gây ức chế không chỉ cho các hoạt động sống của nấm men mà còn kìm hãm hoạt động của nhiều loại enzym chuyển hóa đường thành rượu, khả năng sống sót của nấm men phụ thuộc vào nhiệt độ và nồng độ rượu có trong dịch lên men

d pH

pH ảnh hưởng rất lớn đến quá trình lên men, mỗi loại nấm men phát triển tốt ở một pH nhất định gọi là pH tối thích, nấm men trong sản xuất rượu vang có thể phát triển trong môi trường có chỉ số pH từ 2 ÷ 8 nhưng thích hợp nhất là 4 ÷ 5,0 Vi khuẩn bắt đầu phát triển ở pH= 4,2 và cao hơn, khi pH < 4,2 chỉ có nấm men phát triển

Bình thường lên men rượu được thực hiện ở pH= 4,0 ÷ 5,0 Để axit hóa môi trường người ta thường dùng H2SO4 hoặc axit lactic để tạo pH thích hợp bằng cách cấy vi khuẩn lactic vào sau đó thanh trùng rồi mới cấy nấm men vào

e Nhiệt độ

Nhiệt độ có ảnh hưởng trực tiếp đến sự sinh sản và phát triển của nấm men và chất lượng của sản phẩm Nấm men có thể tồn tại và phát triển ở nhiệt độ từ 5÷450C, nhưng nhiệt độ phù hợp nhất cho sự sinh sản và phát triển của nấm men

là 28÷ 32 C Nhiệt độ càng thấp thì nấm men sinh sản càng chậm, thời gian lên0

men bị kéo dài hơn, tuy nhiên lại hạn chế được sự nhiễm khuẩn và ngược lại, nhiệt độ càng cao (vượt quá 38 C) thì nấm men sinh sản nhanh hơn, thời gian0

lên men ngắn hơn, nhưng khả năng nhiễm khuẩn sẽ rất cao

2 Quá trình lên men malolactic

Quá trình lên men malolactic được thực hiện bởi vi khuẩn lactic như O.oeni, ngay sau quá trình lên men rượu bởi nấm men S cerevisiae

Lên men malolactic (MLF), đây là quá trình vi khuẩn axit lactic (LAB) biến axit L-malic thành axit L-lactic

Trong sản xuất rượu vang, dịch nho thường chứa hàm lượng axit malic khá cao,

sự tồn tại axit malic trong rượu vang sẽ làm cho vị chua của sản phẩm thường rất gắt, khó uống, do vậy để làm giảm dộ chua cảu sản phẩm, trong công nghệ sản xuất rượu vang nho cần phải tiến hành chuyển hóa axit malic (chua cấn) thành axit lactic (chua dịu nhẹ hơn) Cùng với việc khử axit, nó cũng có thể làm thay đổi các đặc tính hóa học và cảm quan của rượu vang, tăng tính ổn định sinh học và giảm độ axit liên quan đến việc tăng độ pH

Một hoặc nhiều loài LAB, chủ yếu là Oenococcus, Lactobacillus, Pediococcus

và Leuconostoc thường chịu trách nhiệm gây ra MLF Oenococcus oeni là loài LAB phổ biến nhất có liên quan đến MLF vì nó có thể thích nghi với các điều kiện rượu đầy thách thức như ethanol cao, độ pH thấp, hàm lượng SO cao và2

nhiệt độ thấp

Enzyme xúc tác chuyển hóa trong lên men malolactic chỉ có trong vi khuẩn lactic Trong lên men malolactic, quá trình chuyển hóa malic acid thành lactic acid thông qua sự decarboxylic của malic acid một cách trực tiếp không cần qua các hợp chất trung gian

Sự lên men malolactic xảy ra ở pH<3,5 (tiêu biểu là chủng Oenococcus oeni) ít khi tạo ra mùi không mong muốn Các mùi không mong muốn như mùi bơ, phomat hoặc mùi sữa th ờngƣ xuất hiện khi sự lên men malolactic bởi các chủng Pediococci, Lactobacilli ở pH>3,5

Các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình lên men malolactic

a Nhiệt độ

Thường nhiệt độ quá trình lên men malolactic diễn ra ở 20C-25C khi nồng độ ethanol từ 10-14% Nhiệt độ cao sẽ ức chế vi khuẩn lactic ethanol Một số ít chủng lên men lactic ở nhiệt độ 15 C, dưới 15 C lên men malolactic rất khó xảy0 0

ra

b Hàm lượng cồn

Ethanol có tác động mạnh đến tới sự phát triển và hoạt động trao đổi chất của vi khuẩn lactic Hàm lượng ethanol cao làm giảm sự phát triển tối ưu của vi khuẩn lactic Khi nồng độ ethanol > 10% thì quá trinhg lên men malolactic bị ức chế mạnh mẽ Tuy nhiên vi khuẩn Lactobacillus, Pediococcus thì có khả năng chịu được nồng độ ethanol 12-14%, do vậy khả năng lên men malolactic vẫn xảy ra

c Hàm lượng SO2

Trong công nghệ sản xuất thường dùng SO để ức chế một số loại enzyme của2

phản ứng oxy hóa khử, ức chế sự phát triển của một số loại vi khuẩn lactic hay

vi khuẩn axetic bất lợi Tuy nhiên các nghiên cứu cho thấy rằng hoạt tính lên men malolactic giảm 13% ở nồng độ SO <20mg/l và bị ức chế hoàn toàn ở hàm2

lượng SO 110mg/l.2

d Độ pH

Độ pH thấp không chỉ làm chậm tốc độ mà còn có xu h ớngƣ trì hoãn sự bắt đầu của quá trình lên men malolactic Khi pH < 3,5, O oeni là loài chủ yếu gây ra lên men malolactic Trong khi pH > 3,5, các chủng Pediococcus và Lactobacillus spp phát triển mạnh

Độ pH ảnh h ởngƣ lớn đến quá trình chuyển hóa của vi khuẩn lactic Độ pH càng cao, sự lên men đ ờng càng tăng Tương tự, sự tổng hợp acetic acid tăng và sựƣ sản xuất diacetyl giảm khi pH tăng Sự khử carboxyl của malic acid thích hợp ở

pH thấp Trong khi đó, sự phân hủy tartric acid tăng lên khi pH>3,5 do các giá trị pH này phù hợp cho sự phát triển của các chủng L brevis và L plantarum

3 Quá trình lão hóa rượu

Rượu vang làm từ nho đen hoặc hồng thường là những loại rượu phải trải qua quá trình lão hóa vì chúng rất giàu anthocyanin và các hợp chất phenolic khác Lão hóa rượu vang là một quá trình được sử dụng để bảo quản rượu vang nhưng cũng để tăng cường các đặc tính của rượu Quá trình lão hóa rượu vang có thể được chia thành hai giai đoạn: lão hóa oxy hóa và lão hóa khử

Quá trình lão hóa oxy hóa theo truyền thống diễn ra trong thùng trong khi giai đoạn khử xảy ra trong chai Thùng rượu tham gia trực tiếp vào những thay đổi

về thành phần của rượu do sự chuyển giao oxy, các hợp chất phenolic và thơm

từ gỗ sang rượu

Trong lão hóa khử, môi trường ít oxy là chìa khóa Chai rượu vang thường được đậy kín để giảm thiểu tiếp xúc với không khí và oxi hóa Mặc dù môi trường trong chai là ít oxy, nhưng một số oxy hóa nhẹ vẫn có thể xảy ra, đặc biệt là khi chai được mở ra và rót lại Lão hóa khử giúp tạo ra các hương vị phức tạp, mềm mại hơn, và giảm độ cứng của tannin, làm cho rượu trở nên tròn trịa và dễ uống hơn

Các phản ứng liên quan nhất diễn ra trong quá trình lão hóa là:

Oxy hóa ethanol: Etanol trong rượu vang có thể trải qua phản ứng oxy hóa, tạo ra các hợp chất như aldehyde và acid, ảnh hưởng đến hương vị và mùi của rượu

Oxy hóa các hợp chất phenolic: Các hợp chất phenolic, như tannin và anthocyanin, có thể trải qua quá trình oxy hóa, tạo ra các hợp chất mới và ảnh hưởng đến màu sắc và hương vị

Tương tác với gỗ: Nếu rượu được lưu trữ trong thùng gỗ, các chất từ gỗ như lignin, hemicellulose, và các hợp chất khác có thể tương tác với rượu, tạo ra các hương vị gỗ, vanillin, và các hợp chất phức tạp.

Polymer hóa tannin: Các tannin thường có trong vỏ nho và trong gỗ sồi, tannin quyết định đến vị chát và cấu trúc của rượu Vị chát này thường được

mô tả như một cảm giác đắng nhẹ hoặc một cảm giác cay và khô trong miệng sau khi uống Trải qua quá trình polymer hóa trong quá trình lão hóa, điều này làm thay đổi cấu trúc tannin dẫn đến góp phần làm mềm chất se trong quá trình lão hóa rượu vang đỏ

Sau đây là một vài yếu tố ảnh hưởng:

a Loại rượu:

Rượu vang đỏ thường có thể lão hóa lâu dài hơn so với rượu vang trắng Rượu nho đỏ thường được ủ trong thùng gỗ lâu dài để tăng cường hương vị và màu sắc, và quá trình này có thể kéo dài từ vài tháng đến nhiều năm

Rượu trắng thường được sản xuất để uống trẻ và thường không cần lão hóa lâu dài Tuy nhiên, một số nhà sản xuất chọn lão hóa rượu vang trắng trong thùng gỗ hoặc trên bã còn để phát triển hương vị

b Điều kiện lưu trữ:

Nhiệt độ lưu trữ có ảnh hưởng đến tốc độ lão hóa Lưu trữ ở nhiệt độ ổn định và mát mẻ thường tạo điều kiện tốt hơn cho lão hóa

Ánh sáng có thể gây hại cho rượu vang, vì vậy lưu trữ trong điều kiện tối giản ánh sáng là quan trọng

Sử dụng thùng gỗ từ loại cây gỗ nào cũng ảnh hưởng đến lão hóa Thùng gỗ sồi thường được sử dụng và có thể cung cấp một sự tương tác phức tạp với rượu

Một nghiên cứu quan sát quá trình ủ rượu bằng các loại gỗ khác nhau cho thấy

gỗ ảnh hưởng đến 41 mùi thơm của rượu, 11 trong số đó chỉ phụ thuộc vào loại

gỗ được sử dụng Điều này là do một loạt các quá trình diễn ra trong giai đoạn oxy hóa: oxy hóa rượu vang và axit amin, hình thành vi sinh vật ethyl phenol, quá trình hấp phụ và ngưng tụ acetaldehyde với polyphenol Rượu vang thường được ủ ở thùng gỗ làm bằng gỗ sồi Thùng cho phép lượng oxy rất thấp đi qua, một quá trình được gọi là oxy hóa Đồng thời, một số phản ứng hóa học diễn ra bên trong nó, cùng với việc chuyển các hợp chất phenolic (PC) khác nhau từ gỗ sang rượu và ngược lại

Thời gian lão hóa của rượu nho có thể kéo dài từ vài tháng đến nhiều thập kỷ Nói chung, rượu vang ủ trong thùng có hương vị đậm đà và se, khi bảo quản trong chai sẽ chuyển sang hương vị trái cây hơn, nhẹ nhàng hơn do rượu tiếp tục

bị oxy hóa nhẹ

V.Kết luận:

Các biến đổi trên là một phần của quá trình phức tạp trong sản xuất rượu vang

Sự hiểu biết và kiểm soát kỹ thuật trong từng giai đoạn là quan trọng để tạo ra sản phẩm chất lượng cao.Trong quá trình sản xuất, có nhiều công đoạn và yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng cuối cùng Các quá trình lên men là biến đổi sinh hóa trung tâm trong sản xuất rượu vang

Quá trình chính tạo ra hàm lượng cồn cho rượu và hình thành một số tiền chất cho các quá trình chuyển hóa thứ cấp để tạo nên hương vị riêng cho các loại rượu từ các loại nho khác nhau

Quá trình phụ là quá trình chuyển hóa lượng sót sau quá trình lên men chính và các chuyển hóa thứ cấp, lên men malolactic để hình thành các hợp chất thơm cho rượu Đồng thời, đây cũng là quá trình để loại bỏ, chuyển hóa các hợp chất không mong muốn để đảm bảo mức độ an toàn với sức khỏe người sử dụng và tạo ra hương vị cân bằng cho sản phẩm rượu Từ đó có thể phân loại được rượu theo đặc tính của hương thơm tạo thành

VI.Tài liệu tham khảo

1. Morata, A (Ed.) (2018) Red wine technology Academic Press

2. Nardi,T., & Bordiga, M (2017) Fermentation Process

Post-Fermentation and-Distillation Technology CRC Press, 1-40

3. Henick-Kling, T H O M A S (1993) Malolactic fermentation Wine microbiology and biotechnology, 289-326

4. Fu,J.,Wang, L., Sun, J., Ju, N., & Jin, G (2022) Malolactic Fermentation: New Approaches to Old Problems Microorganisms 10, (12), 2363