Ứng dụng của enzyme protease trong sản xuất bia

Sử dụng enzyme trong sản xuất và đời sống là một vấn đề được các nhà khoa học và kỹ thuật chú ý từ lâu. Ngày nay, việc sử dụng này đã trở thành phổ biến ở nhiều nước và đã mang lại lợi ích kinh tế khá lớn

LỜI MỞ ĐẦU

Sử dụng enzyme trong sản xuất và đời sống là một vấn đề được các nhà khoa học và kỹ thuật chú ý từ lâu Ngày nay, việc sử dụng này đã trở thành phổ biến ở nhiều nước và đã mang lại lợi ích kinh tế khá lớn.

Enzyme là chất xúc tác sinh học không chỉ có ý nghĩa cho quá trình sinh trưởng, sinh sản của thực vật mà nó còn đóng vai trò rất quan trọng trong chế biến thực phẩm, trong y học, trong kỹ thuật phân tích, trong công nghệ gen và bảo vệ môi trường.

Enzyme protease là nhóm enzyme thủy phân protein được ứng dụng rộng rãi trong quá trình sản xuất nước mắm ngắn ngày, trong công nghiệp thuộc da, trong công nghiệp sữa và phomat Đặc biệt trong quá trình sản xuất bia, protease đóng vai trò rất quan trọng trong việc tăng nhanh quá trình sản xuất, tăng hiệu suất trích ly, thủy phân hoàn toàn các chất protein, làm giảm độ nhớt và làm triệt tiêu nguyên nhân làm đục bia

Ngày nay, bia là loại đồ uống không thể thiếu đối với cuộc sống của con người Bia là loại nước giải khát, có độ cồn thấp, giàu dinh dưỡng Ngoài việc cung cấp một lượng calori khá lớn, trong bia còn chứa một hệ enzyme phong phú, kích thích tiêu hoá cho cơ thể con người

Hiện nay, các nhà máy bia ở nước ta chưa chú ý tới việc sử dụng enzyme trong quá trình sản xuất Xuất phát từ những lý do trên em chọn đề tài “Ứng dụng của enzyme protease trong sản xuất bia” với mong muốn những ứng dụng của enzyme này sẽ được sử dụng rộng rãi trong việc sản xuất bia nói riêng.

Chương I TỔNG QUAN VỀ ENZYME PROTEASE

1 Tổng quan về enzyme Protease [2]

1.1 Giới thiệu chung

Protease là các enzyme xúc tác sự thủy phân liên kết peptit (CO-NH) trong phân tử protein và các cơ chất tương tự.

Nhiều Protease có khả năng liên kết este và vận chuyển acid amin.

Theo phân loại quốc tế các enzyme thuộc nhóm này chia thành 4 phân nhóm phụ:

- Aminopeptidase: xúc tác sự thủy phân liên kết peptit ở đầu nitơ của mạch polypeptit.

- Cacboxypeptidase: xúc tác sự thủy phân liên kết peptit ở đầu cacbon của mạch polypeptit Cả hai phân nhóm enzyme trên đều là các exo – peptidase.

- Dipeptidhydrolase: Xúc tác sự thủy phân các liên kết dipepit.

- Proteinase: Xúc tác sự thủy phân các liên kết peptid nội mạch.

Protease cần thiết cho các sinh vật sống, rất đa dạng về chức năng từ mức

độ tế bào, cơ quan đến cơ thể nên được phân bố rất rộng rãi trên nhiều đối tượng

từ vi sinh vật (vi khuẩn, nấm và virus) đến thực vật (đu đủ, dứa ) và động vật (gan, dạ dày bê ) [10] Trong cơ thể, các Protease đảm nhiệm nhiều chức nǎng sinh lý như: hoạt hóa zymogen, đông máu và phân hủy sợi fibrin của cục máu đông, giải phóng hormon và các peptid có hoạt tính sinh học từ các tiền chất, vận chuyển protein qua màng [3] Ngoài ra, các Protease có thể hoạt động như các yếu tố phát triển của cả tế bào ác tính và tế bào bình thường đó là tǎng sự phân chia tế bào, sinh tổng hợp ADN [2] So với Protease động vật và thực vật, Protease vi sinh vật có những đặc điểm khác biệt Trước hết hệ Protease vi sinh vật là một hệ thống rất phức tạp bao gồm nhiều enzyme rất giống nhau về cấu trúc, khối lượng và hình dạng phân tử nên rất khó tách ra dưới dạng tinh thể đồng nhất.

Cũng do là phức hệ gồm nhiều enzyme khác nhau nên Protease vi sinh vật thường có tính đặc hiệu rộng rãi cho sản phẩm thủy phân triệt để và đa dạng.

Hình 1.1 Phản ứng thủy phân liên kết peptide

1.2 Đặc điểm và tính chất của Protease vi sinh vật [5]

Các công trình nghiên cứu Protease vi sinh vật ngày càng nhiều Các kết quả nghiên cứu cho thấy ngay cả các Protease của cùng một loài vi sinh vật cũng

có thể khác nhau về nhiều tính chất Căn cứ vào cơ chất phản ứng, pH hoạt động thích hợp,… các nhà khoa học đã phân loại các Protease vi sinh vật thành bốn nhóm như sau: P-xerin, P-thiol, P-kim loại, P-acid.

có khả năng phân giải liên kết este

và liên kết amide của các dẫn xuất

acid của aa Ngược lại các Protease

kim loại, Protease acid thường

không có hoạt tính esterase của các

dẫn suất của aa Nhiều Protease

ngoại bào của vi sinh vật đã được

nghiên cứu tương đối kỹ về cấu tạo phân tử, một số tính chất hóa lý và cơ chế tác dụng Kết quả nghiên cứu cho thấy trọng lượng phân tử của các enzyme này tương đối bé, nhất là các P-xerin.

Có thể tóm tắt những đặc tính của các nhóm Proteinase này ở bảng 1.1

Hình 1.3 Cấu trúc tinh thể của Tripsin (1 Protease xerin tiêu biểu)

Hình 1.2 Cấu trúc không gian enzyme Protease

Bảng 1.1 Một số tính chất của Protease (P) vi sinh vật

Nhóm

TTHĐ

pH tối thích

P-Xerin Bac.subtilis

Bac.pumilus Str.griseus Str.fradiae Art hrobacter B22 Asp.oryzae

Asp.flavus Asp.sojae E.coli

P-tiol Streplococcus

Clostridium histoly-ticum

Indoaxeta-mit Ps.cloromer- curbenzoat

Losaccarilicis Bac Megaterium Psuedomonasaeruginoa Atreptomeces naraensis Asp Oryzae

Acremonium kiliense Clostridiumhisttolytium

EDTA++

fenantrolin

1,10octa-Kim loại hóa trị hai

Trung tính

P-Acid Asp.niger

Asp.Awamori Sailoi,penicillium Janthinellum Rhizopus chinensis Mucor pucillus Endothia parasilica

Dizoaxetil Dlnorlox- inmetil este

1.3 Cấu trúc trung tâm hoạt động (TTHĐ) của Protease [5]

Trong TTHĐ của Protease vi sinh vật ngoài gốc acid amin đặc trưng cho từng nhóm còn có một số gốc acid amin khác Các kết quả nghiên cứu chung về TTHĐ của một số Protease vi sinh vật cho phép rút ra một số nhận xét chung như sau:

- TTHĐ của Protease đủ lớn và bao gồm một số gốc aa và trong một số trường hợp còn có cả cofactơ kim loại

+ Các Protease kim loại có TTHĐ lớn hơn vào khoảng 210A, có thể phân biệt thành sáu phần dưới TTHĐ (subsite), mỗi phần dưới TTHĐ tương ứng với mỗi gốc aa trong phân tử cơ chất

+ Đối với các Protease acid, theo nhiều nghiên cứu cấu trúc TTHĐ của các tinh thể Protease acid của Phizopus chinenis và Endothia parasilica đã cho thấy phân tử các Protease này gồm có hai hạt, giữa chúng có khe hở vào khoảng

200A Khe hở này là phần xúc tác của các E, các gốc Asp-35 và Asp-215 xếp đối diện nhau trong khe ấy.

- Đối với các Protease không chứa cysteine, TTHĐ của chúng có tính mềm dẻo hơn vì cấu trúc không gian của chúng không được giữ vững bởi các cầu disulphide

Mặc dù TTHĐ của các Protease vi sinh vật có khác nhau nhưng các enzyme này đều xúc tác cho phản ứng thủy phân liên kết peptide theo cùng một

cơ chế chung như sau:

Trong đó: E: enzyme, S: cơ chất, enzyme - S: Phức chất enzym- cơ chất,

P1: Là sản phẩm đầu tiên của phản ứng, P2: Là sản phẩm thứ hai của phản ứng.

2 Nguồn thu nhận Protease [3]

Enzyme là protein được sinh vật tổng hợp trong tế bào và là chất tham gia xúc tác cho mọi phản ứng sinh học Chính vì thế, mọi sinh vật đều được xem là nguồn thu nhận để sản xuất enzyme Nhưng vẫn chủ yếu là ba nguồn chính: Động vật, thực vật và vi sinh vật.

Protease phân bố ở thực vật, động vật, vi sinh vật Tuy nhiên nguồn enzyme ở vi sinh vật phong phú nhất, có ở hầu hết các vi sinh vật như vi khuẩn, nấm mốc và xạ khuẩn… có thể nói vi sinh vật là nguồn nguyên liệu thích hợp nhất để sản xuất enzyme ở quy mô lớn dùng trong công nghệ và đời sống [3].

Enzyme Protease từ nguồn động vật và thực vật được loài người khai thác

và ứng dụng hàng ngàn năm để sản xuất và phục vụ trong cuộc sống Nhưng hiện nay lượng enzyme thu nhận từ thực vật và động vật được thay thế dần bằng enzyme vi sinh vật enzyme thu nhận từ các nguồn này thường rất khó và hiệu

E + S enzyme – S enzyme – S + P1 enzyme + P2

Hình 1.4 Cơ chế xúc tác TTHĐ Enzyme

quả kinh tế không cao Nguồn enzyme từ vi sinh vật dần dần thay thế enzyme từ động vật và thực vật do hàng loạt những ưu điểm về sinh lý vi sinh vật và về kỹ thuật sản xuất được liệt kê như sau:

 Vi sinh vật có khả năng chuyển hóa một khối lượng cơ chất lớn hơn khối lượng cơ thể chúng hàng ngàn lần sau một ngày đêm.

 Enzyme thu nhận từ vi sinh vật có hoạt tính cao

 Tốc độ sinh sản của vi sinh vật mạnh, trong thời gian ngắn có thể thu được lượng sinh khối vi sinh vật rất lớn, giúp trong một thời gian ngắn thu được một lượng enzyme nhiều hoặc lượng các sản phẩm trao đổi chất cao.

 Một đặc điểm riêng có của vi sinh vật đó là cơ thể nhỏ bé nên việc vận hành, kiểm soát thiết bị lên men trong quá trình sản xuất đơn giản hơn rất nhiều.

 Vi sinh vật là giới sinh vật thích hợp cho sản xuất theo quy mô công nghiệp: Trong sản xuất, quá trình sinh trưởng, phát triển và sinh tổng hợp enzyme của vi sinh vật hoàn toàn không phụ thuộc vào khí hậu bên ngoài Trong khi đó, sản xuất enzyme từ nguồn thực vật và động vật không thể đưa vào quy

mô công nghiệp được.

 Nguồn nguyên liệu dùng sản xuất enzyme theo quy mô công nghiệp rẽ tiền và dễ kiếm, không chỉ có ý nghĩa về mặt kinh tế mà còn có ý nghĩa rất lớn

về mặt môi trường sống vi sinh vật không đòi hỏi quá khắt khe những yếu tố dinh dưỡng của môi trường, nhất là những vi sinh vật tổng hợp enzyne Chính vì thế enzyme được sản xuất từ vi sinh vật thường rẻ tiền hơn enzyme từ các nguồn khác.

 Vi sinh vật có thể sinh tổng hợp cùng một lúc nhiều loại enzyme khác nhau [5].

 Nhiều vi sinh vật có khả năng tổng hợp mạnh Protease, các enzyme này

có thể ở trong tế bào hoặc được tiết vào môi trường nuôi cấy Một số Protease ngoại bào đã sản xuất quy mô công nghiệp và được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, trong nông nghiệp và trong y học.

 Nguồn vi sinh vật thu nhận enzyme Protease chủ yếu gồm: vi khuẩn, nấm mốc, xạ khuẩn.

3 Phương pháp thu nhận enzyme protease từ vi sinh vật

3.1 Tuyển chọn giống vi sinh vật cho enzyme Protease có hoạt lực cao

Để chọn giống vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp enzyme cao, người

ta có thể phân lập từ môi trường tự nhiên hoặc có thể dùng các tác nhân gây đột biến tác động lên bộ máy di truyền hoặc làm thay đổi đặc tính di truyền để tạo thành các biến chủng có khẳ năng tổng hợp đặc biệt hữu hiệu một loại enzyme nào đó, cao hơn hẳn chủng gốc ban đầu Có thể thông qua các phương pháp sau:

- Phương pháp gây đột biến

- Phương pháp biến nạp

- Phương pháp tiếp hợp gene

- Phương pháp tải.

3.2 Môi trường nuôi cấy vi sinh vật tổng hợp enzyme Protease

Để tổng hợp enzyme Protease cần phải chọn môi trường vì thành phần môi trường dinh dưỡng có ảnh hưởng trực tiếp đến sự sinh trưởng và tổng hợp enzyme của vi sinh vật.

Trong thành phần môi trường phải có đủ các chất đảm bảo được sự sinh trưởng bình thường của vi sinh vật và tổng hợp enzyme

Đặc biệt lưu ý là để tăng sự tổng hợp enzyme người ta thường dựa vào hiện tượng cảm ứng Vì nếu như trong thành phần môi trường có các chất cảm ứng thì chất đó hay sản phẩm phân giải của nó sẽ kìm hãm hoặc làm yếu tác dụng kìm toả của chất kìm hãm nhằm bảo đảm khả năng sinh tổng hợp enzyme

đã cho không bị cản trở Chất cảm ứng tổng hợp enzyme cho thêm vào môi trường nuôi thường là cơ chất tương ứng của enzyme cần tổng hợp

Thành phần chính của môi trường: C, N, H, O Ngoài ra các chất vô cơ:

Mn, Ca, P, S, Fe, K và các chất vi lượng khác.

fructoza→ sacaroza→ maltoza→ glucoza→ manit→ arabinoza→ galactoza.

Tinh bột là nguồn cacbon của nhiều chủng vi khuẩn sinh tổng hợp enzyme Protease

Ngoài ra, các bazơ purin như A (adenin), G (guanin) và các dẫn xuất của chúng, ARN và các sản phẩm thuỷ phân cũng làm tăng đáng kể sinh tổng hợp protease VSV.

3.2.3 Nguồn các nguyên tố khoáng và các yếu tố kích thích sinh trưởng [1]

- Muối khoáng rất cần thiết cho hoạt động vi sinh vật Ion Mg2+ có tác dụng sinh tổng hợp và ổn định các enzyme có hoạt tính ở nhiệt độ cao.

- Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đối với môi trường nuôi cấy

+Nhiệt độ nuôi cấy thông thường từ 25 - 300C Trị số pH ban đầu của môi trường (chủ yếu ở môi trường nước) cũng có thể gây ảnh hưởng nào đó đến sự tạo thành E, nhưng khi đó cũng cần tính đến khả năng biến đổi nhanh chóng chỉ

số đó bởi vi sinh vật.

+ Độ thông khí cũng rất cần thiết cho việc sinh tổng hợp enzyme Vì vậy

ở môi trường bề mặt người ta thường thêm chất xốp như trấu vào, còn ở môi trường bề sâu (môi trường dịch thể), thì người ta thường lắc (nếu enzyme cần lắc thì việc này cực kỳ quan trọng) Độ ẩm cũng rất quan trọng (chỉ có tác dụng ở nuôi cấy bề mặt), phụ thuộc vào thành phần môi trường bề mặt.

+ Khi lựa chọn môi trường cần chú ý đến cả thành phần định tính và định lượng sao cho quá trình sinh tổng hợp enzyme mong muốn là cao nhất.

3.3 Nuôi cấy thu nhận chế phẩm enzyme Protease bằng phương pháp bề mặt [3]

Là phương pháp tạo môi trường cho vi sinh vật phát triển trên bề mặt môi trường Có thể là môi trường lỏng hoặc đặc Phương pháp này rất thích hợp để nuôi cấy các loại nấm mốc do khả năng phát triển nhanh, mạnh, nên ít bị tạp nhiễm Khi nuôi nấm mốc phát triển bao phủ bề mặt hạt chất dinh dưỡng rắn, các khuẩn ty cũng phát triển đâm sâu vào lòng môi trường đã được tiệt trùng, làm ẩm Đối với một số mục đích đặc biệt, người ta nuôi vi sinh vật trực tiếp trên bề mặt hạt gạo (sản xuất tương), hạt đậu tương đã được nấu chín trộn hạt cốc còn sống (làm men thuốc bắc, men dân tộc, làm tương).

Người ta thường dùng cám mì, cám gạo, ngô mảnh… có chất phụ gia là trấu Cám, trấu, có bề mặt tiếp xúc lớn, tạo được độ xốp nhiều, không có những chất gây ảnh hưởng xấu đến sự phát triển của nấm mốc Tỉ lệ các chất phụ gia phải bảo đảm sao cho hàm lượng tinh bột trong khối nguyên liệu không được thấp hơn 20%, có thể bổ sung thêm nguồn nitơ vô cơ ((NH4)2SO4, (NH4)2CO), photpho, nitơ hữu cơ và các chất kích thích sinh trưởng như malt, nước chiết ngô, nước lọc bã rượu.

- Ưu, nhược điểm

+ Nồng độ enzyme tạo thành cao hơn nhiều lần so với dịch nuôi cấy chìm sau khi đã tách tế bào vi sinh vật Chế phẩm dễ dàng sấy khô mà không làm giảm đáng kể hoạt tính enzyme Chế phẩm khô, dễ bảo quản, vận chuyển, nghiền nhỏ hoặc sử dụng trực tiếp nếu không cần khâu tách và làm sạch enzyme.

+ Tốn ít năng lượng, thiết bị, dụng cụ nuôi cấy đơn giản dễ thực hiện và

dễ dàng xử lý khi bị nhiễm vi sinh vật lạ, có thể thực hiện qui mô gia đình, trang trại cũng như ở qui mô lớn đến 20 tấn/ngày.

+ Tuy nhiên phương pháp bề mặt có năng suất thấp, khó cơ khí hoá, tự động hoá, cần diện tích nuôi lớn, chất lượng chế phẩm ở các mẻ không đồng đều Ngoài ra phương pháp nuôi cấy bề mặt có một nhược điểm rất lớn là tốn nhiều diện tích Do vậy mà phương pháp này dần được thay thế bằng nuôi cấy chìm để nuôi cấy vi khuẩn.

3.4 Thu nhận enzyme (E)

3.4.1 Tách và làm sạch chế phẩm enzyme [3]

Enzyme thường chứa ở các tế bào sinh vật gọi là các enzyme nội bào (intracellular enzyme), nhưng nó cũng có thể được các sinh vật tiết ra môi trường sống Đó là các enzyme ngoại bào (extracellular enzyme) Enzyme vi sinh vật thường chiết là enzyme ngoại bào.

- Các phân tử enzyme nội bào không có khả năng đi qua màng của tế bào

và màng của các cấu tử của tế bào Do đó để có thể chiết rút các enzyme này, bước đầu tiên là phải phá vỡ cấu trúc của các tế bào có chứa enzyme và chuyển chúng vào dung dịch.

Có thể phá vỡ cấu trúc của các tế bào bằng các biện pháp cơ học như nghiền với bột thủy tinh hoặc cát thạch anh, làm đồng hóa bằng thiết bị đồng hóa (homogenizator) Muốn tách được các enzyme trong các cấu tử của tế bào, người ta còn phải dùng các yếu tố vật lý và hóa học khác nhau như sóng siêu

âm, dùng các dung môi hữu cơ như butanol, aceton, glycerin, ethyl acetate và chất detergent Các hóa chất có tác dụng tốt cho việc phá vỡ các cấu tử của tế bào vì trong các cơ quan này thường chứa mỡ.

Sau khi đã phá vỡ các cấu trúc của tế bào, enzyme được chiết bằng nước cất, bằng các dung dịch đệm thích hợp hoặc các dung dịch muối trung tính

+ Có một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chiết rút cần lưu ý Trước hết

đó là nhiệt độ Để tránh mất hoạt tính hoặc thậm chí vô hoạt, cần chiết rút và tiến hành kết tủa enzyme ở nhiệt độ thấp (từ 3 đến 50C) Các thao tác phải nhanh Một số chất điện ly làm tăng quá trình chiết rút enzyme như NaCl, ZnCl2, CaCl2 Tác dụng của chúng còn phụ thuộc vào phương pháp dùng khi chiết rút.

- Để loại bỏ muối khoáng và các loại đường là các tạp chất có phân tử lượng thấp, người ta thường dùng phương pháp thẩm tích (dialysis) đối nước hay đối các dung dịch đệm loãng hoặc bằng cách lọc qua gel sephadex.

- Để loại bỏ các protein tạp (protein cấu trúc, protein trơ) và các chất có phân tử lượng cao khác người ta hay dùng kết hợp các phương pháp khác nhau: phương pháp biến tích chọn lọc nhờ tác dụng của nhiệt độ hoặc pH của môi trường, phương pháp kết tủa phân đoạn bằng muối trung tính hoặc các dung môi hữu cơ, các phương pháp sắc ký (sắc ký hấp phụ, sắc ký trao đổi ion), điện di, phương pháp lọc gel.

- Mục đích yêu cầu: Các chế phẩm enzyme được sử dụng ở các dạng khác nhau theo mức độ tinh khiết (hoạt độ riêng) Trong một số trường hợp, canh trường nuôi cấy vi sinh vật có chứa enzyme được sử dụng trực tiếp dưới dạng thô không cần tách tạp chất nếu chúng không gây ảnh hưởng đáng kể đến sản phẩm và quy trình công nghệ sau này (Ví dụ: sản xuất rượu, nước chấm thực vật, da) Cũng có khi người ta cần sử dụng chế phẩm enzyme tinh khiết trong công nghiệp dệt, công nghiệp mạch nha, y học, nghiên cứu khoa học.

Enzyme nói chung rất dễ bị giảm hoạt tính dưới tác dụng của các tác nhân bên ngoài do đó khi tách và tinh chế enzyme để tránh sự biến hình protein ảnh

hưởng lớn đến hoạt tính enzyme cần tiến hành nhanh chóng ở nhiệt độ thấp, độ

pH thích hợp không có mặt các chất gây biến hình enzyme.

- Để trích ly enzyme ra khỏi tế bào trước hết cần phải phá vỡ thành tế bào, màng tế bào và những cấu trúc dưới tế bào bằng những phương pháp lý học hoặc hóa học

Đối với trường hợp enzyme còn nằm trong tế bào (E nội bào nuôi bằng phương pháp bề mặt) thì cần phải giải phóng enzyme bằng cách phá vỡ tế bào thu nhiều cách như:

+ Nghiền nhỏ, nghiền với cát, nghiền với vụn thủy tinh, nghiền bi.

+ Để tế bào tự phân hủy.

+ Dùng tác dụng của siêu âm hoặc tạo áp suất thẩm thấu cao, trích ly bằng muối, dung dịch muối trung tính, dung môi hữu cơ.

+ Kết tủa enzyme bằng các chất điện ly thích hợp.

- Thẩm tích [8]

Trong quá trình tinh sạch các enzyme để loại bỏ các phân tử hòa tan nhỏ không mong muốn khỏi dịch trích ly enzyme như amoni sulfat sau khi kết tủa, dùng một muối để khử hấp thụ enzyme trong sắc ký trao đổi ion, hoặc một phối

tử cạnh tranh dùng trong sắc ký ái lực… người ta thường dùng phương pháp thẩm tích Túi thẩm tích được cấu tạo bằng một màng bán thấm, chứa dịch chiết

E, được đặt vào trong một dung dịch đệm không được chứa chất hòa tan cần được loại bỏ Chất hòa tan khuếch tán ra khỏi màng cho đến khi nồng độ chất hòa tan trong túi và bên ngoài dịch đệm sẽ bằng nhau.

4 Quy trình thu nhận enzyme protease từ chủng nấm mốc Asp.oryzae [8],

[18]

4.1 Quy trình thu nhận

Hình 1.5 Quy trình thu nhận enzyme protease

Thu nhận sinh khối

Khoáng hỗn hợp

Nguyên liệu dinh dưỡng (bột bắp, cao nấm men, pepton)

Hấp thanh trùng Làm nguội đến 30 0 C Nước

Đỗ lên khay

Giống Asp.oryzae

Nuôi cấy ở nhiệt độ

phòng 0,5-2%

Dùng trong chăn nuôi Lọc

khiết

Sấy

4.2 Thuyết Minh Quy Trình và đề xuất thiết bị

4.2.1 Lý do chọn chủng nấm mốc Asp.oryzae

Asp oryzae là một loại nấm vi thể thuộc bộ Plectascales, lớp Ascomycetes Cơ thể sinh trưởng của nó là một hệ sợi bao gồm những sợi rất mảnh, chiều ngang 5 - 7µm, phân nhánh rất nhiều và có vách ngang , chia sợi thành nhiều bao tế bào (nấm đa bào).

Đặc điểm của giống Asp.oryzae giàu các enzyme thủy phân nội bào và ngoại bào (amylase, protease, pectinasa,…), ta rất hay gặp chúng ở các kho nguyên liệu, trong các thùng chứa đựng bột, gạo…đã hết nhưng không được rửa sạch, ở cặn bã bia, bã rượu, ở lỏi ngô, ở bã sắn… Chúng mọc và phát triển có khi thành lớp mốc, có màu sắc đen, vàng… Màu do các bào tử già có màu sắc Các bào tử này, dễ bị gió cuốn bay xa và rơi vào đâu khi gặp điều kiện thuận lợi

sẽ mọc thành mốc mới.

4.2.2 Kỹ thuyật nuôi cấy

Sau khi đã trộn giống, môi trường được trải đều ra các khay với chiều dài

2 - 3cm, rồi được đưa vào phòng nuôi cấy, đặt trên những giá đỡ Các giá đỡ này được thiết kế sao cho lượng không khí được lưu thông thường xuyên Phòng nuôi cấy phải có hệ thống điều chỉnh nhiệt độ và độ ẩm không khí Nhiệt độ thích hợp cho nấm sợi phát triển là 28 - 320C Nhiệt độ thấp quá hoặc cao quá đều ảnh hưởng không tốt cho nấm sợi phát triển.

Trong quá trình nuôi cấy, ta hoàn toàn không cần điều chỉnh pH Môi trường bán rắn là môi trường tĩnh nên sự thay đổi pH ở một vùng nào đó ít khi ảnh hưởng đến toàn bộ khối môi trường.

Thời gian nuôi nấm sợi thu nhận enzyme vào khoảng 36 - 60 giờ Điều này còn phụ thuộc vào chủng nấm mốc Asp.oryzae và điều kiện môi trường cũng như phụ thuộc vào điệu kiện nuôi cấy.

Quá trình phát triển của nấm mốc trong môi trường bán rắn khi nuôi bằng phương pháp bề mặt này trải qua các giai đoạn sau:

 Giai đoạn 1: Giai đoạn này kéo dài 10 - 14 giờ kể từ thời gian bắt đầu

nuôi cấy Enzyme mới bắt đầu đươc hình thành Trong giai đoạn này phải đặc biệt quan tâm đến chế độ nhiệt độ Tuyệt đối không được đưa nhiệt độ cao quá

300C vì thời kỳ đầu này giống rất mẫn cảm với nhiệt độ.

 Giai đoạn 2: Giai đoạn này kéo dài 14 - 18 giờ Enzyme protease được tổng hợp mạnh Lượng O2 trong không khí giảm và CO2 sẽ tăng dần, do đó trong giai đoạn này cần phải được thông khí mạnh và nhiệt độ cố gắng duy trì trong khoảng 29 - 300C là tốt nhất.

 Giai đoạn 3: Giai đoạn này kéo dài 10 - 20 giờ Quá trình trao đổi chất yếu dần, do đó mức độ giảm chất dinh dưỡng sẽ chậm lại Nhiệt độ của khối môi trường giảm, do đó làm giảm lượng không khí môi trường xuống 20 - 25 thể tích không khí/thể tích phòng nuôi cấy/ 1giờ Nhiệt dộ nuôi duy trì ở 300C, trong giai

đoạn này, bào tử được hình thành nhiều do đó lượng Enzyme protease tạo ra sẽ

giảm xuống Chính vì thế việc xác định thời điểm cần thiết để thu nhận enzym rất cần thiết.

 Nghiền mịn

Toàn bộ khối lượng enzyme thô protease được đem đi nghiền nhỏ Mục đích của qúa trình này là vừa phá vỡ thành tế bào vừa làm nhỏ các thành phần của chế phẩm thô Khi thành tế bào được phá vỡ, các enzyme nội bào chưa thoát

ra khỏi tế bào sẽ dễ dàng thoát khỏi tế bào Phần lớn enzyme protease ngoại bào khi được tổng hợp và thoát khỏi tế bào ngay lập tức thấm vào thành phần môi trường Khi ta nghiền nhỏ, enzyme thoát ra khỏi các thành phần này dễ dàng hơn.

Trong khi nghiền người ta thường sử dụng những chất trợ nghiền như cát thạch anh và bột thủy tinh Các chất này là những chất vô cơ không tham gia vào phản ứng và khả năng tăng mức độ ma sát trước khi sử dụng cát thạch anh

và bột thủy tinh phải được rửa sạch, sấy khô ở nhiệt độ lớn hơn 1000C để loại bỏ nước và tiêu diệt vi sinh vật.

 Trích ly

Sau khi nghiền mịn, người ta cho nước vào để trích ly enzyme protease Các loại enzyme thủy phân có khả năng tan trong nước nên người ta thường dùng nước như một dung môi hòa tan Cứ một phần chế phẩm enzyme thô, người ta cho 4 - 5 phần nước, khuấy nhẹ và sau đó lọc lấy dịch, phần bã thu riêng dùng làm thực phẩm gia súc (chú ý cần loại bỏ cát thạch anh và bột thủy tinh ra khỏi hỗn hợp bã rồi mới cho gia súc ăn).

Dịch thu nhận được vẫn ở dạng chế phẩm enzyme thô vì trong đó có chứa nước, các chất hòa tan khác từ khối môi trường nuôi cấy Việc tiếp theo là làm sao tách enzyme ra khỏi vật chất này.

 Kết tủa enzyme protease

Để làm việc trên người ta tiến hành kết tủa enzyme nhờ những tác nhân gây tủa Trong công nghệ tinh chế enzyme, người ta thường dùng cồn và sunfat amon Hai tác nhân kết tủa này dễ tìm kiếm và giá rẻ so với những tác nhân gây tủa khác.

Trong khi tiến hành kết tủa, người ta phải làm lạnh cả dung dịch enzyme thô và cả những tác nhân kết tủa để tránh làm mất hoạt tính enzyme Khi đổ chất làm kết tủa enzyme vào dung dịch enzyme thô phải hết sức từ từ để tránh hiện tượng biến tính.

Các enzyme sẽ được tạo kết tủa và lắng xuống đáy, tiến hành gạn và lọc thu nhận kết tủa ở dạng paste (độ ẩm lớn hơn 70% W).

Hình 1.6 Nồi hấp khử trùng

môi trường

Ở trạng thái này enzyme rất dễ bị biến tính vì còn nhiều nước để dễ bảo quản người ta sấy kết tủa enzyme protease ở 400C cho đến khi độ ẩm cuối cùng đạt 5 - 8% W (thiết bị sấy thường dùng là máy sấy phun sương).

Trong nhiều trường hợp chế phẩm enzyme protease ở dạng kết tủa vẫn hoàn toàn chưa sạch về mặt hóa học vì trong đó còn chứa một số enzyme ngoài enzyme ta quan tâm.

4.2.4 Đề xuất thiết bị

 Nồi hấp khử trùng môi trùng

Mục đích của quá trình thanh trùng là tiêu

diệt hoàn toàn vi sinh vật tạp nhiểm còn tại trong

môi trường dinh dưỡng, ngoài quá trình gia nhiệt

sẽ làm cho môi trường dinh dưỡng chuyển hóa vi

sinh vật dễ dàng đồng hóa chất dinh dưỡng trong

môi trường nuôi cấy.

Ta tiến hành thanh trùng trong thời gian

45 - 60 phút, áp suất 1at, nhiệt độ 118 – 1250C.

 Máy nghiền búa

Loại thiết bị này được dùng để nghiên cứu

các chủng nấm mốc.

Sản phẩm ban đầu có kích thước các tiểu phần nhỏ đến 50 mm qua đoạn ống ở trên nắp của thiết bị, được cho vào tâm rôto một cách liên tục, dưới tác động của lực ly tâm sản phẩm qua khoảng giữa các búa bị va đập nhiều lần và bị

vỡ ra.

Hình 1.7.Thiết bị nghiền búa

Bộ nạp liệu kiểu vít tải

chuyển pha rắn của canh

ngang vào cột nâng và

sau khi vắt thì thải ra

ngoài.

Nước dâng lên trong cột nạp liệu được bảo hòa liên tục và sau khi qua bộ lọc thì đưa ra ngoài Thời gian trích ly 40 - 60 phút ở 250C.

 Máy sấy phun sương

Hình 1.9 Máy sấy phun sương LPG Hình 1.10 Thiết bị sấy phun hình đáy bằng

Không khí đi qua bộ lọc và bộ gia nhiệt được đưa vào bộ phân phối không khí ở trên đỉnh thiết bị; khí nóng được đưa vào buồng sấy đều theo hình xoáy trôn ốc Nguyên liệu dạng lỏng từ máng nguyên liệu đi qua bộ lọc được bơm lên

bộ phun sương ở trên đỉnh của buồng sấy làm nguyên liệu trở thành dạng hạt sương cực nhỏ, khi tiếp xúc với khí nóng, lượng nước có trong nguyên liệu nhanh chóng bay hơi, nguyên liệu dạng lỏng được sấy khô thành thành phẩm

trong thời gian cực ngắn Thành phẩm được phần đáy của buồng sấy và bộ phân

li gió xoáy đùn ra ngoài, phần khí thừa còn lại được quạt gió hút và đẩy ra ngoài.

Hình 1.11 Sơ đồ thiết bị lọc chân không dạng thùng quay tác động liên tục

5 Tình hình nghiên cứu enzyme protease

5.1 Tình hình nghiên cứu enzyme trong nước

Hầu như mọi phản ứng hoá học trong cơ thể sống đều cần phải có vai trò xúc tác của enzyme - chất xúc tác sinh học Chính vì vậy, các nghiên cứu về enzyme đã thu hút sự quan tâm của các cán bộ hoá sinh học, sinh học thực nghiệm và nhiều nhà nghiên cứu ở các lĩnh vực liên quan khác Các nghiên cứu nhằm theo hướng tách, tinh sạch enzyme, tạo các chế phẩm có độ sạch khác nhau, nghiên cứu cấu trúc, mối liên quan giữa cấu trúc và hoạt tính sinh học của enayme, khả năng ứng dụng enzyme trong thực tế [3] Và gần đây nhất là những sáng tạo mới mẽ, mang tính ứng dụng lớn được sử dụng rộng rãi như:

+ Trần Quốc Hiền, Lê Văn Việt Mẫn, Trung tâm Công nghệ sau thu hoạch, Viện Nghiên cứu nuôi trồng thủy sản II, Trường Đại học Bách Khoa, Đại

học Quốc gia Hồ Chí Minh đã “Nghiên cứu thu nhận chế phẩm Protease từ ruột

cá Basa (pangasius bocourti)” thực hiện năm 2006 Nghiên cứu này khảo sát

quá trình trích ly và tinh sạch enzyme Protease từ ruột cá Basa (Pangasius bocourti) Dịch chiết protease kiềm thu được từ ruột có tổng hoạt tính cao nhất

là 15,79UI/gCKNT (chất khô nội tạng) trong điều kiện chiết: tỷ lệ mẫu/dung môi 1/1; pH 9,5; nhiệt độ 350C; thời gian chiết 10 phút [12].

+ Tối ưu một số điều kiện nuôi cấy chủng vi sinh vật biển Acinetobacter

sp QN6 sinh tổng hợp Protease được thực hiện của Quyền Đình Thi, Trần Thị

Quỳnh Anh, Nguyễn Thị Thảo (2007), viện CNSH đã chứng minh các điều kiện thuận lợi nhằm nuôi cấy với hiệu suất cao nhất đối với chủng vi sinh vật biển

Acinetobacter sp QN6 sinh tổng hợp Prơtease [13].

+ Phan Thị Bích Trâm, Dương Thị Hương Giang, Hà Thanh Toàn, Phạm Thị Ánh Hồng, Đại học Cần Thơ, Trường ĐHKH Tự nhiên, ĐH Quốc Gia TP

Hồ Chí Minh đã tiến hành “Tinh sạch và khảo sát đặc điểm của các Serine Protease từ Trùn Quế” ( 2007) Bước đầu khảo sát hệ enzyme Protease từ trùn quế (Perionyx excavatus) cho thấy phần lớn các protease trong dịch chiết

enzyme thô có thể tinh sạch sơ bộ bằng tủa phân đoạn với ammonium sulfat nồng độ trong khoảng 30-80% Nhiệt độ và pH tối ưu cho enzyme thô hoạt động trên cơ chất casein là 550C và pH trong khoảng kiềm 10 -12 [14],[4].

+ “Nghiên cứu ứng dụng Protease bacillus subtilis trong sản xuất bột đạm thủy phân từ cá Mối”, Vũ Ngọc Bội, trường Đại học thủy sản Nha Trang Qua nghiên cứu cho thấy protease B subtilis có thể thủy phân mạnh mẽ cơ thịt

cá mối và hoàn toàn có thể sử dụng enzyme này trong sản xuất bột đạm thủy

phân Khi bổ sung protease B subtilis với nồng độ enzyme 0,3% vào hỗn hợp cơ

thịt cá mối và thủy phân ở 500C.

+ Nghiên cứu ứng dụng Protease trong sản xuất Bia, thực hiện trong các

năm 1993 - 1994, Thực hiện: TS.Trương Thị Hòa và các công tác viên Viện

Công nghiệp thực phẩm Protease của Aps oryzae được dùng để thủy phân

protein trong hạt ngũ cốc, tạo điều kiện xử lý bia tốt hơn [5]

5.2 Vấn đề sản xuất enzyme Protease trên thế giới

Trong các Protease, các enzyme của hệ tiêu hóa được nghiên cứu sớm

hơn cả Năm 1857, Corvisart tách được tripxin từ dịch tụy, đó là Protease đầu tiên nhận được ở dạng chế phẩm Năm 1861 Brucke cũng đã tách được Pepxin

từ dịch dạ dày Chó ở dạng tương đối tinh khiết Ngoài các enzyme của hệ tiêu hóa, người ta cũng đã quan sát đầu tiên về các Protease trong máu [9].

Các Protease thực vật được phát hiện muộn hơn Năm 1879 Wurtz được xem là người đầu tiên tách được Protease thực vật Đến nay người ta đã nghiên cứu được khá đầy đủ về cấu trúc phân tử của nhiều Protease như: papain, tripxin, kimotripxin, subtilizin… [9].

Các Protease của vi sinh vật mới được chú ý nghiên cứu nhiều từ năm

1950, mặc dù từ năm 1918- 1919 Waksman đã phát hiện được khả năng phân giải Protein của Xạ khuẩn Trong hơn 10 năm nay số công trình nghiên cứu Protease vi sinh vật tăng lên đáng kể nhiều hơn các Protease của động và thực vật Những kết quả đạt được trong lĩnh vực này đã góp phần mở rộng quy mô sản xuất chế phẩm enzyme và ứng dụng enzyme trong thực tế [9].

Trong CNTP, người ta sử dụng Protease để sản xuất phomat từ sữa (Mohanty et al.,1999), xản xuất bánh từ bột mì (Hozova et al., 2003) hay chế biến các sản phẩm giàu protein từ đậu tương (Ghazi et al., 2003; Ma et al., 2004); trong công nghiệp thuộc da, Protease được dùng để thủy phân một số thành phần phi collagen của da và loại bỏ các protein phi fibrin như albumin, globulin (Gupta, Rammani, 2006); trong chất tẩy rửa, Protease là một trong những thành phần quan trọng của tất cả các loại chất tẩy rửa, từ các chất tẩy rửa dùng trong gia đình đến những chất làm sạch kính hoặc răng giả, kem đánh răng (Rao et al., 1998) Trong những năm gần đây, giá trị thương mại của các enzyme

công nghiệp trên toàn thế giới đạt khoảng 1 tỷ USD, trong đó chủ yếu là các enzyme thủy phân (75%), và Protease là một trong ba nhóm enzyme lớn nhất sử dụng trong công nghiệp (60%) (Rao et al., 1998) [11]

Từ năm 1950 trở lại đây trên thế giới có hàng loạt Protease động vật, thực vật và vi sinh vật được tách chiết nghiên cứu Thời gian gần đây các nhà khoa học trên thế giới tập trung nghiên cứu về Protease vi sinh vật và đã đạt nhiều thành tựu to lớn về lĩnh vực này (Protease từ vi sinh vật chiếm tới 40% tổng doanh thu của enzyme toàn thế giới (Godfrey west, 1996) [13]) Hiện nay, số lượng các enzyme được sản xuất hàng năm trên thế giới, ở các nước phát triển nhất là châu Âu, Mỹ và Nhật Bản vào khoảng 300.000 tấn với doanh thu từ sản xuất enzyme ước tính vào khoảng 500 triệu USD Trong đó khoảng 600 tấn Protease tinh khiết được sản xuất từ vi sinh vật bao gồm khoảng 500 tấn từ vi khuẩn và 100 tấn từ nấm mốc Những nước có công nghệ sản xuất và ứng dụng Protease tiên tiến trên thế giới là: Đan Mạch, Nhật Bản, Mỹ, Anh, Pháp, Hà Lan, Trung Quốc, Đức, Áo Các nước này đã đầu tư thích đáng cho công tác nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng Protease từ VSV Chính vì thế nhịp độ sản xuất Protease ở quy mô công nghiệp tại các nước phát triển hàng năm tăng vào khoảng 5% - 10% Ngày nay người ta có thể sản xuất các enzyme cố định trên các chất mang không tan cho phép có thể tái sử dụng enzyme nhiều lần Vì vậy

mà việc ứng dụng Protease ngày càng gia tăng[4], [1].

Enzyme tinh khiết trong công nghiệp dệt, công nghiệp mạch nha, y học, nghiên cứu khoa học.

Chương 2 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT BỊ

I Đối tượng nghiên cứu

1.Giới thiệu nguyên liệu [6]

Nguyên liệu chính dùng để sản xuất bia là malt đại mạch, hoa houblon, nước và sử dụng nguyên liệu thay thế là ngô, gạo.

1.1 Malt đại mạch

1.1.1 Vai trò của malt trong sản xuất bia

Trong công nghiệp sản xuất bia malt là nguồn nguyên liệu chủ yếu được dùng để sản xuất bia vì vậy nó có vai trò rất quan trọng trong công nghiệp sản xuất bia Thành phần của malt là những nhân tố quyết định đến chất lượng của bia thành phẩm sau này, chúng giúp cho bia có hương vị đặc trưng, có vị đắng dịu hài hòa tạo cảm giác thú vị cho người sử dụng.

Trong thành phần của malt có chứa một lượng Enzyme khá phong phú Trong những điều kiện thuận lợi về nhiệt độ, pH thì các Enzyme này hoạt động mạnh phân cắt các hợp chất hữu cơ có phân tử lớn thành những hợp chất có phân tử lượng thấp Mặc khác trong thành phần của malt có chứa nhiều tinh bột, các đường đơn, protein, các sắc tố tạo màu, mùi, vị làm cho bia có hương vị đặc trưng.

Malt đại mạch vừa là tác nhân đường hoá, vừa là nguyên liệu đặc trưng dùng sản xuất bia, bia sản xuất từ malt đại mạch có mùi vị và tính chất công nghệ hơn hẳn so với bia được sản xuất từ malt của các loại hạt hoà thảo khác.

Một số đặc tính của malt

Malt là một loại ngũ cốc được sản xuất từ lúa đại mạch Malt đại mạch gieo trồng là loại thực vật xếp vào họ hordeum gồm: hordeum sativum, hordeum murium, hordeum jubatum…

Tùy theo mục đích sử dụng mà malt đại mạch được chia thành 2 nhóm: đại mạch mùa đông (gieo hạt mùa đông, thu hoạch mùa hè) và đại mạch mùa xuân (gieo hạt mùa xuân, thu hoạch mùa thu) Thường chu kỳ sinh trưởng của đại mạch 100 – 120 ngày.

Trong công nghiệp thì người ta thường dùng dại mạch để chế biến bia là giống đại mạch 2 hàng (hordeum distichum) Dấu hiệu đặc trưng của đại mạch

Trong nông nghiệp người ta dùng đại mạch làm thức ăn gia súc chăn nuôi hoặc hai hàng là hình dáng rất cân đối tùy thuộc vào tư thế và đặc điểm của bông.

Đại mạch hai hàng được chia thành ba nhóm nhỏ: đại mạch bông cúi, bông đứng và bông xòe Đại mạch bông cúi có đặc điểm là trục bông rất dẻo, gié của hạt dài, sau khi trổ hoa và làm đòng thì bông bắt đầu cúi xuống Đại mạch bông đứng có đặc điểm là cây to cứng, bông dày hạt Loại này được trồng nhiều

ở một số nước Tây Âu Đại mạch bông xòe thì có gié rất ngắn, có hạt dường như được tính vuông góc với trục bông chủ yếu trồng nhiều ở Anh, Ailen và Bắc Mỹ chế biến thức ăn cho gia súc, gia cầm,…thường dùng đại mạch đa hàng (hordeum polystychum).

Giống đại mạch đa hàng này được chia làm hai nhóm: đại mạch bốn hàng (H.hexatichum) và đại mạch sáu hàng (H tetratichum) thông thường giống đại mạch bốn hàng cũng được dùng để sản xuất bia nhưng không được phổ biến.

Hình 1.12 Đại mạch hai hàng

Hình 1.13 Đại mạch nhiều hàng

1.1.2 Thành phần cấu tạo của malt

Hạt của malt đại mạch có ba bộ phận chính: vỏ, nội nhũ và phôi.

 Vỏ

Vỏ hạt chiếm tỉ lệ khá lớn nhưng không có giá trị dinh dưỡng Đối với công nghệ sản xuất bia vỏ hạt gây ảnh hưởng hai mặt: mặt bất lợi là trong vỏ có chứa các chất màu,các chất đắng và các chất chát nếu các chất này hòa tan vào dịch đường sẽ làm giảm chất lượng của sản phẩm Mặt lợi của lớp vỏ là đóng vai trò xây dựng màng lọc trong quá trình tách bả khỏi khối cháo.

Vỏ hạt đại mạch từ ngoài vào trong chia làm ba lớp: vỏ trấu, vỏ quả, vỏ hạt Phần này chiếm từ 8 - 15% trọng lượng hạt.

Vỏ trấu là cấu tử chiếm nhiều nhất trọng lượng của vỏ, nó được hình thành từ đài hoa Đài hoa dưới hình thành nên vỏ trấu phía ngoài (phía lưng) và kết thúc bằng sợi râu, còn đài hoa hình thành nên vỏ trấu phía trong (phía bụng) của hạt…Đài hoa là công cụ để bảo vệ các cơ quan bên trong của hạt trong quá trình hình thành và chuyển hóa của nó.

Thành phần hóa học của vỏ trấu chủ yếu là xellulose kết chặt lại nhờ chất khoáng và linhin Dưới lớp vỏ trấu là lớp vỏ quả được cấu tạo từ lớp tế bào, cứ một lớp xếp ngang thì tiếp đến là một lớp xếp dọc Với cấu trúc như vậy lớp vỏ quả sẽ rất dai và bền vững.

Dưới lớp vỏ quả là lớp vỏ hạt bai gồm hai lớp tế bào, tế bào của lớp ngoài

có thành rất dày, lớp trong thì trong suốt Lớp vỏ hạt có vai trò như một màng bán thấm: chỉ cho nước thấm vào bên trong hạt đồng thời giữ các chất hòa tan trong hạt không cho thấm ra ngoài.

Lớp vỏ quả và lớp vỏ hạt liên kết chặt với nhau, mối liên kết đó chắt hơn rất nhiều so với sự liên kết giữa chúng với lớp vỏ trấu.

 Nội nhũ hạt:

Nội nhũ hạt là thành phần lớn nhất đồng thời là phần có giá trị nhất của hạt, chiếm từ 45 – 68% trọng lượng hạt Phần này của hạt đại mạch giữ vai trò quyết định đến chất lượng của đại mạch trong sản xuất bia Ngoài cùng của nội nhũ tiếp giáp với lớp vỏ hạt là lớp aloron Lớp aloron này rất giàu protein, chất béo, đường xelluloza, pentoza, vitamin và chất tro Dưới lớp aloran mới đến phần nội nhũ thật của hạt.

Cấu trúc của nội nhũ gồm các tế bào lớn có thành mỏng chứa đầy các hạt tinh bột, một ít protein, xelluloza, chất béo, tro và đường Các hạt tinh bột trong nội nhũ malt có dạng hình tròn có kích thước rất lớn 20 - 30 mm hoặc rất bé từ

2 – 10 mm có rất ít những hạt có kích thước trung bình, trọng lượng riêng của hạt tinh bột khá cao 1,5 – 1,6 vì vậy chúng lắng xuống nhanh, tinh bột không tan trong nước kể cả những dung môi hữu cơ trung tính, có nhiệt độ hồ hóa là 75 –

800C.

Ngoài thành phần là tinh bột còn có chứa một số tạp chất khác như nito 0,5 – 1,5%; tro 0,2 – 0,7%; axit béo 0,6%.

Cấu tạo tinh bột gồm hai dạng polysacharide: amylo và amypectin.

- Amylo: chiếm từ 17 -24% trọng lượng tinh bột là một polyme ở dạng xoắn – thẳng gồm 60 – 600 gốc glucoza được nối với nhau qua cầu oxy & - 1,4 glucozit.

- Amylopectin: chiếm từ 76 – 83% trọng lượng tinh bột, là một polyme ở dạng xoắn –nhánh gồm khoảng 2000 gốc glucoza được nối với nhau qua cầu oxy - 1,4 glucozit ở mạch chính và - 1,6 glucozit ở mạch nhánh  - 1,4 glucozit ở mạch chính và - 1,6 glucozit ở mạch nhánh  - 1,4 glucozit ở mạch chính và - 1,6 glucozit ở mạch nhánh.

Tinh bột sẽ chịu tác động xúc tác của hệ enzyme amylaza, hiệu quả xúc tác này sẽ tùy thuộc vào nhiệt độ và pH.

 Phôi

Phôi là cơ quan sống, hô hấp của hạt Phôi thường chiếm 2,5 – 5% trọng lượng hạt Trong phôi có từ 37 - 50% chất khô là thành phần nito, khoảng 7% chất béo, 5 – 6% đường saccaroza, 7 – 7,5% pentoza, 6 – 6,5% chất tro và một ít thành phần khác.

Vai trò của phôi có tầm quan trọng đặc biệt không những đối với sự sống lưu truyền của cây mà ngay cả trong công nghiệp sản xuất bia Quá trình chế biến hạt đại mạch để trở thành hạt malt được đặt nền tảng trên sự nảy mầm của hạt, tức là sự phát triển của phôi.

Trong giai đoạn này quá trình sinh học chủ yếu xảy ra là sự hoạt hóa và tích lũy hoạt lực của enzyme trong hạt Nhờ quá trình này mà một chất dinh dưỡng cao phân tử bị phân cắt thành sản phẩm thấp phân tử Một phần các chất thấp phân tử này được chuyển về phôi để nuôi cây non, phần còn lại tồn tại trong hạt để sau này biến thành chất hòa tan của dịch đường.

Phôi nằm ở phía dưới gần đế của hạt bao gồm phôi lá , phôi rễ và nằm giữa chúng là phôi thân Tiếp giáp giữa phôi và nội nhũ là lớp ngù Ngù là một lớp màng bán thấm: nó chỉ cho phép các chất hòa tan từ nội nhũ thấm qua để chuyển về phôi và nước từ phía phôi đi vào nội nhũ.

1.1.3 Thành phần hoá học của malt

Thành phần hóa học của malt đại mạch rất phức tạp Nó phụ thuộc vào giống đại mạch, điều kiện đất đai, khí hậu, kĩ thuật canh tác và điều kiện bảo quản.Thành phần hóa học của malt là nhân tố quyết định chất lượng của đại mạch để xem xét loại đại mạch đó có đủ tiêu chuẩn để sản xuất bia hay không.

 Nước

Thủy phần của đại mạch có ảnh hưởng lớn đến quá trình vận chuyển và bảo quản hạt Hàm ẩm cao sẽ kích thích quá trình hô hấp và tự bốc nóng của hạt Hai quá trình này là nhân tố quan trọng làm hao tổn chất khô Thủy phần cao quá mức cho phép tạo điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật phát triển.

Đặc biệt nguy hiểm là các loại vi khuẩn hoại sinh gây thối rữa cho hạt Đại mạch có thủy phần cao sẽ làm tăng chi phí vận tải một cách vô ích Người ta xác định được hàm ẩm của đại mạch tăng 1% thì hiệu suất thu hồi chiết giảm 0.76%, hàm ẩm tối đa cho phép của đại mạch khi đưa vào bảo quản là 13%.

Polysaccaride là hợp phần chiếm nhiều nhất trong thành phần gluxit của hạt đại mạch Chúng bao gồm tinh bột, xelluloza, hemixelluloza, pentoza, amylan và các hợp chất hợp kẹo Ba cấu từ có ý nghĩa quan trọng nhất trong công nghệ sản xuất bia.

- Thứ nhất nó là nguồn thức ăn dự trữ cho phôi.

- Thứ hai nó là nguồn cung cấp hoà tan cho dịch đường trước lúc lên men Tinh bột được phân bố ở nội nhũ và một phần rất ít ở phôi Chúng tồn tại dưới dạng những khối lập thể, có kích thước khá bé ta gọi là hạt tinh bột.

Hạt tinh bột của đại mạch có hai kích cỡ: hạt to và hạt bé.

- Hạt to là hạt có kích thước đường kính khoảng 20 - 30 um, dạng hình cầu hoặc hình ovan.

- Hạt loại bé có dạng hình cầu hay hình que, kích thước khoảng 2 - 10um Tinh bột của hạt đại mạch có tỷ trọng 1.5 - 1.6, nhiệt lượng riêng là 0.27 kcal/kg, dễ kết lắng trong nước, quay mặt phẳng của ánh sáng phân cực sang bên phải có giới hạn góc quay là 201.5 - 204.30

Tinh bột không tan trong nước lạnh và các dung môi hữu cơ trung tính,khi tiếp xúc với nước thì tinh bột sẽ hút nước và trương nở.

Tính chất hồ hóa của tinh bột có ý nghĩa rất lớn trong công nghệ sản xuất bia vì tinh bột đã qua hồ hóa sẽ được đường hóa nhanh hơn và triệt để hơn.

Tinh bột gồm hai polysaccharide hợp thành: amyloza và amylopectin:

- Amyloza: chiếm từ 17 - 24% bao gồm từ 60 - 600 gốc glucoza liên kết với nhau qua cầu oxi và đến 1.4 - glucozit và tạo mạch thẳng: phía đầu là cực kín còn đầu kia là cực aldehit.

Mạch amylose được xoắn theo vòng và có cấu trúc không gian giống một chiếc lò xo Khi tiếp xúc với dung dịch ion thì chúng bị hấp thu vào khoảng không của chiếc lò xo này và tạo phức chức phản quang màu xanh Khi cấu trúc

lò xo này bị phá vỡ thì tính chất này cũng không còn.

Amyloza có dạng tinh thể có phân tử lượng khoảng 10.000 - 100.000 đơn

vị, dễ hòa tan trong nước nóng để tạo thành dung dịch không bền vững với độ nhớt khá thấp Dưới tác dụng của enzyme amyloza mạch amyloza này sẽ bị phân cách thành các đường đơn giản maltoza và glucoza.

- Amylopectin: chiếm khoảng 76- 83% được tạo nên bởi khoảng 2.000 gốc đường glucoza, xếp thành một trục chính, trên đó có nhiều mạch nhánh Tại những điểm phân nhánh các gốc đường glucoza liên kết với nhau qua cầu nối oxi – 1.6 - glucozit, còn các điểm khác thì mối nối liên kết là oxi - 1.4 glucozit.

Amylopectin là chất vô định hình với khối lượng phân tử từ 400.000 – 1.000.000 đơn vị Nó không hòa tan trong nước nóng mà chỉ tạo thành hồ với tác dụng của dung dịch ion thì amylopectin chuyển thành màu tím.

Trong mối trương giàu nước tinh bột bị thủy phân bởi hệ enzim amylaza

để tạo thành đường dextrin, đường kép mantoza, một lượng ít glucoza và một số

oligozaccharide này cùng với các dextrin bậc thấp hòa tan bền vững vào nước để trở thành chất hòa tan của dung dịch đường trước lúc lên men.

Xenllucoza đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong quá trình lọc dịch đường vì lớp vỏ trấu là vật liệu tạo màng lọc phụ rất hữu hiệu góp phần lọc trong bia hơn.

Quá trình phá vỡ thành tế bào bởi enzyme sitaza đóng vai trò quan trọng ở giai đoạn ươm mầm vì đây là bước đột phá để các enzyme khác xâm nhập vào bên trong tế bào.

Sự tồn tại của hợp chất pectin và các chất dạng keo trong dung dịch đường mang tính chất hai mặt: Mặt bất lợi gây cho dung dịch có độ nhớt cao nên khó lọc, mặt có lợi tạo cho bia có vị đậm đà, tăng khả năng tạo bọt và giữ bọt của sản phẩm.

 Saccharide thấp phân tử

Saccharide chủ yếu là một số đường đơn và đường kép, cấu tử chiếm nhiều nhất là saccharoza tới 1,8% chất khô của hạt Loại đường này phân bố ở phôi chiếm đến 5,5% trọng lượng của bộ phận này.

Lượng glucoza và fructoza trong hạt đại mạch là không đáng kể, tổng lượng đường ngược khoảng 0,3 - 0,4% trong đó trọng lượng glucoza cao hơn một ít so với fructoza.

Các loại đường đơn trong hạt đại mạch không nhiều nhưng có vai trò quan trọng đối với sự phát triển của phôi đặc biệt ở giai đoạn đầu của quá trình ươm mầm.

1.3.3 Các hợp chất chứa nitơ

Hàm lượng các hợp chất chứa nitơ tuy chiếm tỷ lệ thấp trong đại mạch khoảng 9 - 10% so với lượng chất khô của hạt nhưng nó có vai trò rất quan trọng trong công nghệ sản xuất bia vì nó ở chừng mực nào đó chúng quyết định chất lượng của sản phẩm cuối cùng.

Phần lớn các hợp chất này tồn tại dưới dạng cao phân tử chúng được gọi

là protit, còn một phần rất nhỏ tồn tại dưới dạng phân tử thấp, dễ hòa tan, có các tính chất khác với nhóm cao phân tử.

 Protit

Protit là chỉ số quan trọng thứ hai sau tinh bột để đánh giá xem lô hạt đó

có đủ tiêu chuẩn để sản xuất bia hay không Nếu hàm lượng cao quá bia dễ bị đục, rất khó bảo quản, nếu quá thấp quá trình lên men sẽ không triệt để, bia kém bọt, vị kém đậm đà và kéo theo nhiều chỉ số non yếu khác Hàm lượng protit tốt nhất cho sản xuất bia là 8 - 10%.

Protit phân bố chủ yếu ở lớp vỏ alơron và phôi, một phần nhỏ ở tế bào xung quanh nội nhũ Sự thủy phân protit là một trong những quá trình quan trọng nhất trong công nghệ sản xuất malt và bia vì các sản phẩm của quá trình này đều đóng vai trò nhất định, đặc biệt là sản phẩm tạo thành do quá trình tương tác giữa sản phẩm thủy phân của các hợp phần trong nội nhũ như melanoid-một hỗn hợp vàng óng, có vị ngọt và thơm dịu, là nhân tố quyết định hương và vị của bia đen.

Khả năng tạo bọt và giữ bọt cũng như độ bền keo của chúng phụ thuộc vào mức độ thủy phân của protit và tỉ lệ các cấu tử sản phẩm tạo thành trong quá trình thủy phân.

Protit trong đại mạch được chia thành hai nhóm: protit đơn giản hay gọi là protein và protit phức tạp còn gọi là proteid Các đại diện tiêu biểu của protein là levkozin, edestin, hodein và glutein Còn proteid là những hợp chất được tạo thành từ một phân tử có bản chất prtein và một khác có bản chất phi protein đại diện là nucleoproteid, lipoproteid, glucoproteid và phosphoproteid Đặc điểm của proteid là kém hòa tan không bền vững gây ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của sản phẩm do đó cần loại bỏ tối đa cấu tử này khỏi dịch đường là cần thiết nhưng cũng rất khó khăn.

 Các hợp chất chứa nitơ và phi protit

Các đại diện tiêu biểu của nhóm này là albumoza, penton, pentid, polypentid và acid amin.

- Albumoza và penton có vai trò rất lớn trong việc tạo và giử bọt, đồng thời làm tăng thêm vị đậm đà của bia, nhưng ở hàm lượng cao sẽ làm giảm độ bền của keo của bia gây đục bia.

- Peptid là hỗn hợp nhiều hợp chất mà phân tử của chúng cũng được tạo thành từ các gốc acid amin nhưng ít hơn nhiều so với albumoza và penton Căn

cứ vào số gốc acid amin hợp thành, chúng được chia ra: di-, tri- và polypeptid chúng dễ dàng hòa tan vào dịch đường tạo thành dung dịch bền vững tồn tại trong bia như một thành phần dinh dưỡng.

- Acid amin tự do tồn tại trong đại mạch với một lượng không nhiều khoảng 0.1% so với lượng chất khô của hạt Tuy chiếm tỉ lệ nhỏ nhưng vai trò của nó trong công nghệ sản xuất bia lại rất lớn: là nguồn cung cấp chất nitơ cho nấm men, là tác nhân chính tạo melanoid, tham gia tạo bọt và tồn tại trong bia như một thành phần dinh dưỡng quan trọng.

1.3.4 Các hợp chất không chứa nitơ

Bao gồm các hợp chất hữu cơ và vô cơ không chứa nitơ, chúng hòa tan thành dung dịch khi chiết ly bằng nước các đại diện tiêu biểu polyphenol, chất đắng, fitin, acid hữu cơ, vitamin và chất khoáng.

 Polyphenol và chất đắng

Polyphenol tập trung chủ yếu ở lớp vỏ hạt đại mạch, phần lớn là những hợp chất hòa tan được và tồn tại trong bia đều là những dẫn xuất của catechin thuộc nhóm flavonid Những hợp chất này dễ dàng kết hợp protit cao phân tử để tạo phức chất dễ kết lắng, làm tăng độ bền keo của sản phẩm Tuy nhiên sự hòa tan của polyphenol vào dịch đường lại là nhân tố làm xấu đi hương vị của bia.

Chất chát và chất đắng trong đại mạch thuộc nhóm lipoid là nhân tố chính gây ra vị đắng khó chịu cho bia Hầu hết các chất đắng, chất chát, polyphenol và các chất màu của hạt được phân bố chủ yếu ở lớp vỏ, muốn loại trừ chúng thì ngâm hạt trong môi trường kiềm nhẹ.

 Fitin

Fitin là muối đồng thời là của canxi và magie với acid inozitphosphoric

C6H6O6(H2PO3)6 Chúng tập trung chủ yếu ở lớp vỏ và chiếm 0,9% chất khô của

vỏ Khi bị thủy phân sẽ tạo thành inozit C6H6(OH)6 và acid phosphoric Hợp chất cuối cùng này là nguồn cung cấp phospho cho nấm men, đồng thời làm tăng độ chua tác dụng của dịch cháo ở giai đoạn đường hóa.

 Vitamin

Trong đại mạch có nhiều loại Vitamin B1, B2, B6, C, tiền vitamin A, E, acid pantotenic, biotin, acid pholievic và nhiều dẫn xuất vitamin khác Mặc dù chiếm tỷ lệ ít nhưng chúng có vai trò rất quan trọng trong công nghệ sản xuất malt vì chúng là nhân tố điều hòa sinh trưởng của mầm.

 Chất khoáng

Các chất khoáng trong đại mạch đóng vai trò quan trọng trong quá trình sản xuất malt và bia đặc biệt là phospho vì nó đóng vai trò chủ yếu trong việc hình thành hệ thống đệm của dịch đường.

1.3.5 Chất béo và lipid

Hàm lượng chất béo và lipoid trong hạt đại mạch giao động trong khoảng 2,5 - 3% lượng chất khô của hạt Chúng tập trung chủ yếu ở phôi và lớp alơron Chúng là những dầu béo màu vàng - cà phê nhạt, có mùi thơm rất nhẹ và dễ chịu Thành phần chủ yếu của các loại dầu béo.

Thành phần chủ yếu của các loại chất béo trong đại mạch là este của glyxerin với các acid béo bậc cao Ở giai đoạn ươm mầm một phần chất béo và lipoid bị thủy phân bởi enzyme lipaza, một số sản phẩm thủy phân được chuyển đến phôi để nuôi cây non, số còn lại tồn tại trong dịch đường hoặc bị thải ra ngoài theo bã malt.

Chất béo và lipoid tồn tại trong bia sẽ làm giảm độ bền keo của sản phẩm.

1.3.6 Enzyme

Enzyme là những hợp chất hữu cơ có hoạt tính sinh học rất cao, có cấu tạo phân tử rất phức tạp và giữ vai trò đặc biệt trong công nghệ sản xuất bia Trong hạt đại mạch có chứa một lượng enzyme khá phong phú, chúng được xếp vào hai nhóm: nhóm enzyme thủy phân và nhóm enzyme oxi hóa khử.

 Nhóm enzyme thủy phân (Hydrolaza)

 Cacbohydraza

Nhóm enzyme này thủy phân các glucoxit cao phân tử thành các sản phẩm thấp phân tử hơn Trong nhóm này có chia nhóm nhỏ là polyaza và hexozidaza.

- Hexozidaza là những enzyme tham gia xúc tác thủy phân disacharide, trisacharide và một số glucozid khác thành các đường đơn.

- Polyaza là những enzyme thủy phân gluxit cao phân tử amylaza (diastaza) và sitaza.

+Amylaza phân cắt tinh bột thành các sản phẩm dạng đường và dextrin Amylaza bao gồm hai enzyme là  - amylaza và β - amylaza.

* Enzim  - amylaza phân cắt các tinh bột thành glucoza và dextrin làm cho độ nhớt của dịch cháo nhanh chóng giảm xuống, chúng chỉ được hoạt hóa trong giai đoạn ngâm và ươm mầm Là enzyme chịu nhiệt tốt nhất, nhiệt độ tối thích là 700C, pH=5,7.

* Enzim β - amylaza tác động trực tiếp lên mạch amyloza, mạch nhánh và hai đầu mạch chính của amylopectin Sản phẩm của quá trình phân cắt này là đường maltoza và dextrin Nhiệt độ thích hợp cho enzyme hoạt động là 630C,

pH = 4.7.

+ Sitaza gồm hai enzyme sitolactaza và sitolitaza Enzyme đầu thủy phân hemixelluloza thành các sản phẩm trung gian, còn enzyme sau thủy phân các sản phẩm trung gian thành các sản phẩm cuối cùng là pentoza và hexoza Nhờ có quá trình phân cách này mà tế bào mới bị phá hủy tạo điều kiện thuận lợi cho các enzyme khác xâm nhập vào và nâng cao hoạt lực.

 Proteaza

Thủy phân các sản phẩm trung gian và một số trong các chất này tiếp tục

bị phân cách đến các sản phẩm cuối cùng là acid amin và amoniac NH3.

Proteinaza thúy phân thành albumoza và pepton, chúng tiếp tục bị phân cắt thành peptit, polypeptid Enzyme hoạt động tốt ở pH = 4.6 - 5.0 và nhiệt độ là

500C

Peptidaza gồm hai enzyme dipeptidaza và polypeptidaza, chúng tác động lên dipeptid và polypeptid để phân cắt chúng thành acid amin Enzyme này hoạt động mạnh nhất ở pH = 7.5 và nhiệt độ là 50 - 520C Nếu pH < 5 enzyme này trở thành vô hoạt.

Amidaza cắt nhóm amin khỏi acid amin để tạo thành acid hữu cơ và giải phóng NH3 Chúng có thể phá vỡ liên kết peptid (- CO-NH-) của các amin để phá hủy chúng.

 Esteraza

Enzyme này phân cắt mối liên kết este giữa các hợp chất hữu cơ khác nhau hoặc các hợp chất hữu cơ và vô cơ Chúng chia làm hai nhóm: lipaza và phospataza.

- Lipaza phá vỡ liên kết este giữa rượu đơn hoặc đa chức với các acid bậc cao Enzyme này được phân bố chủ yếu ở phôi và lớp alơron, nhiệt độ tối ưu cho hoạt động là 350C, pH = 5.

- Amilophosphataza tham gia hỗ trợ thủy phân tinh bột, chúng cắt mối liên kết este của acid phosphoric trong phân tử amylopectin nhờ vậy mà tinh bột được hồ hóa một cách dễ dàng Nhiệt độ tối ưu là 700C, pH = 5,6.

- Fitaza có chức năng phá vỡ liên kết este giữa acid phosphoric với inozit, tức là chúng tham gia thủy phân fitin Quá trình này đóng vai trò quan trọng vì H3PO4được giải phóng sẽ làm tăng độ chua tác dụng và tăng cường lực đệm của dịch đường.

 Nhóm enzyme oxy hóa khử (Decmolaza)

Nhóm enzyme này xúc tác phản ứng oxy hóa khử của quá trình hô hấp và phân giải yếm khí gluxit, nghĩa là chúng tham gia trực tiếp vào quá trình trao đổi chất của tế bào.

Nhóm enzyme này đóng vai trò quyết định trong việc hoạt hóa và phát triển của phôi ở giai đoạn ươm mầm.

Một số enzyme khác trong nhóm này còn tham gia vào phản ứng oxy hóa khử các hợp chất poliphenol, protein và các hợp chất khác vì vậy chúng đã gây ảnh hưởng gián tiếp đến các chỉ số chất lượng của dịch đường và bia thành phẩm tiêu biểu là dehidraza, oxydaza và catalaza.

1.3.7 Yêu cầu về chất lượng

Malt dùng để sản xuất bia phải đảm bảo các yêu cầu sau:

- Sạch, có mùi thơm đặc trưng, có vị ngọt, màu vàng sáng đồng đều Không được có mùi vị lạ, không mốc, không hôi khói.

- Kích thước hạt malt phải đồng đều: hạt trên sàng 2,8 mm và chiếm 94%, hạt dưới sàng 2,2 mm không quá 0,5%.

- Khối lượng riêng của malt: 520 ÷ 600 g/l

- Độ ẩm của malt không quá 6%

- Malt có thời gian đường hoá 10 ÷ 35 phút, hoạt lực amylaza là 100 ÷

300 đơn vị

Malt sau khi nhập từ nước ngoài về được bảo quản trong kho với thời gian

dự trử sản xuất khoảng một tháng.

1.2 Nguyên liệu thay thế đại mạch

1.2.1 Giới thiệu chung về nguyên liệu thay thế

Hình 1.14 Nguyên liệu thay thế

Ngoài đại mạch là nguyên liệu chủ yếu được dùng trong sản xuất thì trong công nghiệp sản xuất bia người ta còn đưa ra một số nguyên liệu khác để thay thế.

Mục đích:

- Giảm giá thành sản phẩm.

- Cải thiện một vài tính chất của sản phẩm.

- Tạo ra chủng loại bia có mức độ phẩm chất khác nhau.

- Đáp ứng yêu cầu đơn đặt hàng của người tiêu dùng.

Các loại nguyên liệu thay thế có thể được chia làm hai nhóm: nhóm dạng hạt và nhóm dạng đường.

Nhóm dạng hạt thường là các hạt thường loại cốc dùng để thay thế malt đại mạch chủ yếu là gạo, ngô, tiểu mạch…Các loại hạt này thường đưa vào chế biến cùng với bột malt dưới dang bột nghiền mịn.

Nhóm dạng đường thường là đường saccharoza và glucoza Đường saccharoza có nhiều trong mía và củ cải đường, lượng saccharoza đưa vào thay thế không quá 20% so với lượng chất khô đã được trích ly từ malt vào dịch đường Hai loại đường này đưa vào sử dụng ở dạng hạt tinh luyện Còn đường glucoza (đường thủy phân) thu nhận bằng cách thủy phân tinh bột khoai tây hoặc tinh bột ngô bằng acid sau đó trung hòa ,lọc, cô chân không đến 77 - 84% chất khô Lượng đường thủy phân thường dùng là 10 - 15%.

1.2.2 Vai trò của nguyên liệu thay thế

Thực tế hiện nay thì có nhiều nhà máy bia sử dụng nguyên liệu thay thế là gạo điển hình là nhà máy bia Tân Hiệp Phát với tỷ lệ malt/gạo là 8/2.Gạo được coi là thế liệu hàng đầu trong sản xuất bia do hàm lượng gluxit và protein khá cao, khả năng chuyển hóa thành chất hòa tan tốt (có thể đạt đến 90% chất khô).

1.2.3 Đặc tính của nguyên liệu thay thế

Cũng giống như malt đại mạch hạt khác bao gồm các bộ phận : Vỏ trấu,

vỏ hạt, vỏ quả, lớp alơron, nội nhủ và phôi Trong thành phần chất khô của gạo thì tinh bột chiếm 75% protein 8% , chất béo 1- 1,5%, xenluloza 0,5- 0,8%, chất khoáng 1- 1,2%

Qua thành phần của gạo ta thấy hàm lượng tinh bột cao, protein ở mức vừa phải còn chất béo và xenluloza ở giới hạn thấp vì vậy có thể nói gạo là một loại nguyên liệu thay thế khá lý tưởng cho việc sản xuất bia với lượng gạo thay thế đến 20% hoàn toàn có thể sản xuất được các loại bia có chất lượng hảo hạng.

1.2.4 Yêu cầu chất lượng của nguyên liệu thay thế

Màu sắc đồng nhất Không có hạt mốc,không có mùi lạ.

1.3.1 Vai trò của nước trong công nghệ sản xuất bia

Nước có vai trò quan trọng nó ảnh

hưởng đến chất lượng của bia đặc biệt là

hương vị của thành phẩm Với một tỷ lệ

lớn 77- 90% trong bia thành phẩm, nước

được xem là một trong những nguyên liệu

chính để sản xuất bia vì hàm lượng các

chất hòa tan trong dung dịch đường trước

lúc lên men là 10 – 13% trọng lượng đối

với bia vàng và 16 –22% ở bia đen.

Hình 1.15 Nước

1.3.2 Nước sử dụng trong nhà máy bia

 Nước dùng để ngâm đại mạch

Yêu cầu quan trọng nhất đối với nước dùng để ngâm đại mạch là không chứa nhiều tạp chất hữu cơ và vi sinh vật Mặc dù khi đại mạch đưa vào thùng ngâm không được sạch lắm song vi sinh vật trong nước gây tác dụng xấu đối với dại mạch nhanh hơn nhất là trong thời gian hạt bắt đầu trương nở.

Ảnh hưởng của thành phần các muối trong nước đối với quá trình ngâm đại mạch qua hai chiều hướng: hòa tan các chất trong vỏ hạt và sau đó các muối hòa tan ngấm vào bên trong hạt Muối trong nước ảnh hưởng đến những quá trình bên trong thời kì bắt đầu này mầm Qua đó cho thấy ảnh hưởng của muối

đến quá trình ngâm hạt rất phức tạp Do đó nước dùng để ngâm đại mạch phải là nước mềm với môi trường acid yếu (pH = 6 – 7) riêng trong bước rửa hạt nên dùng nước có độ cứng tạm thời cao.

Nếu nước có nhiều sắt và mangan nên loại bỏ bớt trước khi ngâm vì nó ảnh hưởng xấu trực tiếp đến hạt Để rửa hạt tốt hơn và sát trùng nhiều trường hợp người ta cho thêm Ca(OH)2 vào nước ngâm.

 Nước dùng để sản xuất dịch đường

Thành phần và tính chất của nước ảnh hưởng đến mùi vị và một vài tính chất của bia Các biacacbonat và cacbonat trong nước sẽ hòa tan những chất đắng trong vỏ malt tạo vị đắng khó chịu cho dịch đường và bia đặc biệt là NaCO3 và NaHCO3 Tất cả bicacbonat và cacbonat có trong nước dùng để chế biến dịch đường đều làm kém chất lượng của thành phẩm vì chúng có ảnh hưởng xấu đến các quá trình hồ hóa và đường hóa.

 Nước dùng để rửa men và thiết bị

Giống như nước dùng để ngâm đại mạch, nước dùng để rửa men và thiết

bị đòi hỏi phải sạch không chứa nhiều tạp chất hữu cơ và vi sinh vật Đặc biệt các vi sinh vật và vi khuẩn có ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình sản xuất bia, nên phải dùng thường xuyên kiểm tra bằng kính hiển vi, nếu lượng này nhiều quá phải sát trùng nước.

Nước dùng để rửa thiết bị không được chứa NH3 các nitrit, nên dùng nước

có độ cứng thấp đến độ cứng trung bình Các cơ sở làm bia thường dùng hơi nước trực tiếp để gia nhiệt phải đảm bảo hơi nước đạt chất lượng thực phẩm.

1.3.3 Yêu cầu chất lượng của nước đối với công nghệ sản xuất bia

Nước dùng trong lên men nói chung phải đạt tiêu chuẩn dùng cho nước uống, không có mùi vị lạ, không màu, trong suốt, đặc biệt không cho phép có mùi amoniac, vết của kim loại nặng (thủy ngân, bari…).

Độ cứng tạm thời 0.72 mg/l

Bảng 1.2 Một số chỉ tiêu chất lượng

1.4 Hoa houblon

Hình 1.16 Hoa houblon

1.4.1 Vai trò

Hoa houblon là nguyên liệu không thể thiếu được trong sản xuất bia Làm cho bia có vị đắng dễ chịu, hương thơm đặc trưng, làm tăng khả năng tạo và giữ bọt, làm tăng độ bền keo và ổn định thành phần sinh học của sản phẩm.

Trong sản xuất bia người ta sử dụng hoa cái chưa thụ phấn vì hoa đã thụ phấn sẽ tạo hạt làm giảm chất lượng bia Hoa được sử dụng dưới nhiều dạng khác nhau: dạng hoa nguyên cánh, hoa viên, cao hoa,… Tuy nhiên, không sử dụng 100% cao hoa vì sẽ làm cho mùi, vị của bia bị giảm sút.

Nhà máy sử dụng hoa houblon ở dạng hoa nguyên và dạng viên Sử dụng hoa nguyên có ưu điểm là bảo toàn được chất lượng, nhưng đồng thời cũng có nhược điểm là giá thành cao, khó bảo quản

- Các chất tanin của hoa houblon là các polyphenol, dễ hoà tan trong nước, dễ bị oxi hoá nên nó bảo vệ nhựa hoa houblon Trong quá trình nấu bia, hầu hết tanin của hoa houblon liên kết với protein của malt, do đó hàm lượng polyphenol ở trong bia chủ yếu là của malt và chỉ khoảng 10÷20% là polyphenol của hoa.

- Tinh dầu hoa houblon là một hỗn hợp phức tạp của các hyđratcacbon và nhiều hợp chất chứa oxi dạng tecpen Tinh dầu hoa houblon không hoà tan trong nước nhưng dễ bay theo hơi nước Trong quá trình sản xuất khoảng 98% lượng tinh dầu bị bay hơi, chỉ tồn tại khoảng 2% để tạo hương thơm cho bia Trong quá trình bảo quản, tinh dầu sẽ dần mất đi do bay hơi và bị oxi hoá Do đó không dùng hoa cũ để sản xuất bia vì các sản phẩm chuyển hoá của tinh dầu nếu đưa vào bia sẽ làm giảm chất lượng bia.

 Chủng loại nấm men trong sản xuất bia.

Trải qua quá trình sàng lọc và phân lập rất kỹ lưỡng qua hàng trăm năm, một loại nấm men được lựa chọn để chuyên dùng trong sản xuất bia: đó là chủng

1.5.2 Lựa chọn chủng nấm men trong sản xuất bia

Việc lựa chọn chủng nấm men trong sản xuất bia là việc hết sức quan trọng góp phần quyết định chất lượng của sản phẩm Dưới đây là các đặc tính cơ bản mong muốn có đối với bất kì chủng nấm men nào dùng trong sản xuất bia:

 Tốc độ len men nhanh.

 Sử dụng đường có hiệu quả, tạo độ cồn cao.

 Có khả năng chịu cồn, áp suất thẩm thấu, oxy, nhiệt độ và nồng độ CO2phù hợp với từng nhà máy.

 Có khả năng kết lắng tốt.

 Có khả năng sống sót cao cho khả năng tái sử dụng.

 Sản phẩm tạo ra bao gồm các hợp chất hương và vị đặc trưng cho bia.

 Đặc tính di truyền ổn định cao.

II Thiết bị trong sản xuất bia.

1 Thiết bị.