công nghệ malt-bia

Sự khác nhau về công nghệ lên men: Tên gọi nấm men nổi hay nấm men chìm xuất phát từ quan sát quá trình lên men. Nấm men nổi nổi lên bề mặt dịch trong và cuối quá trình lên men chính, trong khid đó nấm men chìm lắng xuống đáy thiết bị khi kết thúc lên men chính. Nấm men chìm còn chia ra làm 2 loại tùy thuộc vào khà năng kết lắng của nó là nấm men bụi và nấm men kết bông. Nấm men bụi là loài nấm men phân ly mịn trong dịch lên men và lắng từ từ khi kết thúc lên men chính. Nấm men kết bông là loài nấm men có thẻ kết dính với nhau trong thời gian ngắn khi kết thúc lên men chính và tọa thành khối kết bông lớn nên lắng nhanh xuống đáy thiết bị. Còn loại nấm men nổi không có khả năng này. Nấm men chìm kết bông rất có ý nghĩa quan trọng trong thực tế sản xuất bia, làm cho bia nhanh trong nhưng khả năng lên men hết đường không bằng nấm men bụi và nấm men nổi. Ngoài ra nhiệt độ lên men của mỗi chủng cũng khác nhau. Nấm men chìm có thể lên men ở 4-12 0 C, nấm men nổi là 14-25 0 C. Hầu hết các các chủng nấm men đều nhạy cảm với môi trường có nồng độ axit cao, ví dụ như axit pyruvic giải phóng ra theo con đường EMP. Do vậy, trong quá trình tiến hóa, tự bản thân chúng đã hình thành mộ cơ chế “giải độc axit” bằng cách chuyển hóa axit pyruvic thành rượu etylic và CO 2 , rồi sau đó cả hai chất này đều được bài tiết ra khỏi tế bào nấm men. Kết quả của chuỗi phản ứng này là NADH được tạo thành trong quá trình glucolytic lại bị oxi hóa thành dạng NAD + , chất này sau đó lại xuất hiện trong quá trình chuyển hóa glucoza tiếp theo. Bằng cách này, nấm men có thể liên tục phát triển và chuyển hóa đường, phản ứng tạo thành rượu etylic có thể viết như sau: CH 3 COCOOH CO 2 + CH 3 CHO CH 3 CH 2 OH Axit pyruvic etanol Axit pyruvic còn đóng vai trò trung gian cho nhiều quá trình chuyển hóa các chất qua trọng khác như este, cacbonyl và các rượu bậc cao. Trong nhưng năm vừa qua, nhiều khái niệm về các giống khác nhau đã được sử dụng để phân loại nấm men một cách có hệ thống. Mặc dù đã thu được những ADH + H + Alcoholde-hydrogenaza Dehydrogenaza tiến bộ đáng kể, đặc biệt là có sự trợ giúp của sinh học phân tử nhưng còn xa mới đạt được một hệ thống phân loại hoàn thiện. Do vậy, cần thiết phải có một phương pháp xác định đáng tin cậy để phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau, trong đó có sự tuyển chọn các vi sinh vật thích hợp cho các quá trình lên men công nghiệp, như quá trình lên men bia… Tại các trung tâm lưu trữ nấm men, người ta qua tâm nhiều đến cấp độ chủng và đã có ít nhất 100 chủng nấm men khác nhau thuộc loại S.cerevisiae đã được xác định. Chúng bao gồm các chủng nấm men bia, rượu vang, rượu cồn và nếm men bánh mì…Khó khăn gặp phải khi tiến hành phân loại các giống nâm men bia là các nhà phân loại nấm men thường bỏ qua những điểm khác nhau rất nhỏ giữa các giống nấm men, những yếu tố mà theo họ là không qua trọng, nhưng thực tế đối với sản xuất chúng lại có tầm quan trọng rất lớn về mặt kỹ thuật. Hiện nay, nấm men bia có hai loài chính đó là nấm men chìm S.carlsbergensis và nấm men nổi S.cerevisiae ngoài các đặc điểm nêu trên, giữa chúng còn nhiều đặc điểm sinh hóa khác nhau dựa vào năng lực lên men đường disacarit melibioza của chúng. Ở loài S.carlsbergensis có chứa các gen MEL. Các gen này tạo ra enzyme ngoại bào là ∝ - galactosidaza ( melibiaza ) có khả năng chuyển hóa đường melibioza. Trong khi đó S.cerevisiae không chưa gen MEL do đó không chuyển hóa được đường melibioza. Cũng có thể dựa vào nhiệt độ phát triển để phân biệt sự khác nhau rõ rệt giữa chúng do nấm men nổi có thể phát triển ở 37 0 C, còn nấm men chìm lại không có khả năng phát triển ở nhiệt độ này. Raffinoza: Galactoza Glucoza + Fructoza Melibioza Invertaza S.cerevisiae (không có enzym melibioza) Raffinoza: Galactoza Glucoza – Fructoza Theo công nghệ sản xuất bia truyền thống, nấm men chìm thường lên men ở nhiệt độ từ 7 – 15 0 C. Khi kết thúc quá trình lên men chúng kết lắng xuống đáy thiết bị. Còn lên men nổi thực hiện ở điều kiện nhiệt độ từ 18 – 22 0 C, cuối quá trình lên men các tế bào nấm men kế thành chùm và bị hấp thụ vào các bọt khí CO 2 rồi nổi lên trên bề mặt dịch lên men. Như vậy đối với sản xuất bia bằng phương pháp lên men nổi, nấm men được tách khỏi bia bằng cách hớt bọt, còn ở lên men chìm thì xả cặn ở dưới đáy thiết bị lên men. Sự cần thiết của phát triển chủng giống trong sản xuát bia đi đôi với sự phát triển công nghệ sản xuất bia. Dưới đây là các đặc tính cơ bản mong muốn có đối với bất kỳ chủng nấm men nào dùng trong sản xuất bia: 1.Tốc độ lên men nhanh. 2.Sử dụng đường có hiệu quả, tạo độ cồn cao. 3. Có khả năng chịu cồn, áp suất thẩm thấu, oxy, nhiệt độ, và nồng độ CO 2 phù hợp với từng nhà máy. 4.Có khả năng kết bong hoặc kết lắng tốt. 5.Có khả năng sống sót cao cho mục đích tái sử dụng. 6. Sản phẩm tạo ra bao gồm các hợp chất hương và vị đặc trưng cho bia. 7. Đặc tính di truyền ổn định cao. Việc cải thiện chủng giống theo bất kỳ hoặc phần nào đó của các đặc tính trên đã được các nhà làm bia thực hiện thao phương pháp cổ truyền. Tuy nhiên, sự kiểm tra chặt chẽ hơn các tính trạng này bộc lộ 2 nhược điểm gây khó khăn cho chương trình nhân giống. Thứ nhất, nhiều trong số tính trạng trên là đa gen và trong nhiều trường hợp hóa sinh ( kỹ thuật gen) liên quan đến kiểu hiunhf cụ thể chưa được hiểu một cách đầy đủ. Thứ hai, các nhà máy bia có thể không phân tích được các thành phần của đặc tính cụ thể nào đó trong quá trình lên men hoặc trong bia thành phẩm. Tuy nhiên, với sự trợ giúp của một số enzyme sau, chương trình cải thiện chủng giống đạt tới mức hiện đại như ngày nay bao gồm các đặc tính bổ xung sau đây: 1. Amylaza (lên men tinh bột và dextrin). 2. Proteaza (nâng cao hàm lượng nitơ trong dịch đường). 3. β -Glucanaza (giúp cho bia lọc tốt hơn). 4. Axetalactat decacboxylaza (làm giảm diaxetyl trong bia). 5. Các loại enzyme khác: Xenlulaza, xenlobiaza, β -galactosidaza. QUÁ TRÌNH LÊN MEN BIA I.Mục đích: Theo định nghĩa của Paster lên men là “sự sống không có không khí”, lên men bia còn là một quá trình yếm khí và tỏa nhiệt dưới tác động của nấm men. Tồn tại nhiều dạng lên men khác nhau hiếu khí hoặc yếm khí. Quá trình sản xuất bia bao gồm duy nhất quá trình lên men rượu( ngoại trừ một số bia không cồn) từ nguồn cơ chất cacbonhydrat có khả năng lên men và cho ra các sản phẩm lên men là rượu (rượu etylic và rượu bậc cao), các axit, este và khí cacbonic. II.Các biến đổi sinh hóa trong quá trình lên men. Nấm men có thể phát triển cả ở điều kiện kị khí và hiếu khí. Ở điều kiện hiếu khí thì các tế bào được hô hấp, còn ở điều kiện kị khí thì lên men. Chỉ có phương thức lên men lên men được áp dụng trong sản xuất bia. Paster đã định nghĩa quá trình lên men là “ cuộc sống không có không khí” và đây là sự mô tả rất đúng cho quá trình lên men bia. Để quá trình diễn ra thì nấm men bia đòi hỏi môi trường dinh dưỡng. Dịch chiết malt có chứa tất cả các chất dinh dưỡng mà nấm men bia đòi hỏi. Việc thiếu hụt các chất dinh dưỡng này sẽ dẫn đến quá trình lên men mất cân bằng và không hoàn toàn. II.1 Quá trình lên men đường tạo rượu etylic, CO 2 Đường và các axit amin thấm qua màng tế bào nhờ các enzyme “permeaza” đó là những enzyme đặc hiệu với một đường hoặc một axit amin. Đường thấm vào màng tế bào theo thứ tự sau: glucoza, fructoza, saccaroza, maltoza. Khả năng sinh tổng hợp enzyme permeaza biến đổi tùy thuộc vào các chủng ở đó có sự khác nhau về điều kiện của quá trình lên men maltoza và nhất là lên men maltotrioza trong khi bảo quản ở nhiệt độ lạnh nhiều hoặc ít. Khi quá trình lên men bị ngừng, thường là do sự mất khả năng tổng hợp các enzyme permeaza của nấm men, đặc biết là đối với các đường (maltoza, maltotrioza), nhưng điều này cũng có thể do những nguyên nhân khác. Trong quá trình lên men các nấm men tiết ra các aminoaxit, các hợp chất peptit đó là những chất sẽ tạo nên chất lượng cảm quan của bia. Các loại đường có thể lên men được trong chiết malt là maltoza, maltotrioza và một ít đường saccaroza, glucoza, fructoza. Đường saccaroza được thủy phân bên ngoài tế bào nhờ enzym invectara thành glucoza và fructoza. Enzym này được định vị ngay trên màng tế bào và sẽ tiết vào môi trường khi có đường saccaroza. Glucoza và fructoza được chuyển vào tế bào để chuyển hóa. Đường maltoza và maltotrioza đi vào trong tế bào và được thủy phân thanafh đường glucoza ( hình vẽ). Enzym invertaza có tác dụng thủy phân đường saccaroza được định vị trong màng tế bào, tuy nhiên enzym này sẽ tiết vào trong môi trường khi có saccaroza ở trong đó. Trong quá trình lên men, nấm men thông qua các con đường trao đổi chất và năng lượng trong các diều kiện kỹ thuật thích hợp để chuyển các gluxit phân tử thấp (các đường, dextrin…) thành rượu etylic, CO 2 theo sơ đồ phản ứng: C 6 H 12 O 6 C 2 H 5 OH + CO 2 + H 2 O + Q (năng lượng) Đồng thời có các quá trình sinh hóa xảy ra do có sự xúc tác của các enzym được hình thành trong các quá trình lên men, một số sản phẩm phụ cũng được hình thành như các axit hữu cơ, các este, các rượu bậc cao, aldehyt, glyxerin…. Tất cả những biến đổi này đã dẫn đến sự thay đổi về chất lượng của các chất hòa tan có trong dịch đường lên men và biến dịch đường thành bia. Thành phần, chất lượng bia phụ thuộc vào thành phần dịch đường, loại nấm men và điều kiện lên men. Độ lên men (là mức độ chuyển hóa các đường thành etylic và CO 2 ) phụ thuộc vào nhiều yếu tố mà quan trọng hơn là cả thành phần các chất hòa tan trong dịch đường và điều kiện tiến hành lên men (nhiệt độ, pH…). Độ lên men cuối cùng là khả năng lên men được 100% chất chiết trong dịch lên men. Yêu cầu đối với sản xuất là không có sự chênh lệch quá lớn giữa độ lên men và độ lên men cuối cùng. Đó cũng là yếu tố quan trọng cho bia có độ bền sinh học cao. II.2 Quá trình hấp thụ axit amin Nấm men có thể không sử dụng axit amin mà sử dụng các nguồn nitơ khác (photphat và ammonium) nhưng điều này làm thay đổi các sản phẩm bậc hai của quá trình lên men. Điều này giải thích sự có mặt của diaxetyl. Nếu nấm men sử dụng các axit amin của nhóm A thì nó sẽ không sử dụng valin của nhón B. Các axit amin được sử dụng theo sự xắp xếp ở bảng sau: Bảng Các axit amin nấm men sử dụng Nhóm A Nhóm B Nhóm C Nhóm D Arginin Histidin Alanin Prolin Asparagin Isoloxin Glyxin Axit aspartic Loxin Phenylalanin Axit glutamic Methionin Tryptophan Glytamin Valin Tryosin Lysin Serin Threonine Nấm men bắt đầu hoạt động bằng việc sử dụng các axit amin của nhóm A mà không sử dụng các axit amin của nhóm B. Các axit amin của nhóm C và D không sử dụng trong quá trình lên men chìm cũng như trong nên men nổi, ngoại trừ khi lên men trong thùng sâu ở đó có sử dụng các axit amin của nhóm C, các axit amin của nhóm D thì rất ít được sử dụng. Các axit amin trong dịch đường được chuyển hóa theo 2 cách (hình vẽ). Ban đầu các axit amin này được đưa vào trong tế bào và tham gia trực tiếp tạo thành protein của nấm men. Sau đó nhóm amin được chuyển thành một enzyme (transaminaza) và sự duy trì bộ khung cacbon được tiết ra hay được sử dụng để tạo thành NAD + . Ở trường hợp sau axit oxo được tạo thành bởi sự cacboxyl hóa. Chuyển amin được decacboxyl hóa để tạo thành CO 2 và một aldehyt. Sau đó aldehyt này được khử thành rượu. Rượu này được tạo thành từ rượu bậc cao ( có nhiều nguyên tử cacbon hơn etylic) hay rượu-fusel ( bởi vì chúng được tìm thấy trong phần dầu fusel của các sản phẩm cất). Các loại rượu bậc cao là các hợp chất tạo hương quan trọng. Một phần các chất chứa Nitơ trong dịch đường được nấm men tiêu thụ, một phần kết tủa và lắng xuống đáy thùng lên men hay nổi lên bề mặt, do vậy mà dẫn đến chỗ giảm hàm lượng Nitơ trong dịch đường. Mặt khác, trong quá trình lên men từ các tế bào nấm men lại tách ra một lượng các chất chứa nitơ và đi vào thành phần của dich đường. Khoảng 50% nitơ của dịch đường bị nấm men tiêu thụ, đồng thời lúc đó từ nấm men lại tách ra khoảng 16-17% nitơ. Hàm lượng các chất chưa nitơ trong dịch đường thường từ 60 – 70 mg/100ml tính theo protein. Khi lên men phụ và tàng trữ hàm lượng này hạ xuống đến 50 – 55 mg/100ml. Trong quá trình lên men chính, ta thấy có sự gia tăng đáng kể độ axit của dịch đường, nguyên nhân chính là sự tạo thành H 2 CO 3 và một số axit hữu cơ khác. Một nguyên nhân khác gây sự giảm pH là sự biến đổi các muối photphat trong dịch đường do quá trình trao đổi chất của nấm men. II.3 Sự chuyển hóa chất béo Sinh tổng hợp các tế bào nấm men mới trong quá trình lên men đòi hỏi sự tổng hợp các lipit. Những đại phân tử này chủ yếu được tìm thấy là các thành phần quan trọng của màng tế bào. Cả các chất béo bão hòa và không bão hòa. Thông thường với các màng tế bào của sinh vật nhân chuẩn, nấm men có chứa các sterol (chủ yếu ergosterol). Quá trình tổng hợp các chất béo và sterol cần thiết bắt đầu với các axctyl coenzyme A để tạo thành các phân tử và các sterol không bão hòa đòi hỏi một bước oxy hóa; quá trình oxy hóa này đạt được nhờ có oxy phân tử, tạo thành nước. Oxy phân tử này trong dịch đường hóa malt được sử dụng cho mục đích này. Các loại nấm men khác nhau đòi hỏi lượng oxy khác nhau mà nhu cầu về oxy được thay thế trong các quá trình lên men bởi việc cung cấp các axit béo và các sterol không bão hòa vào môi trường lên men. Sự thiếu hụt oxy sẽ dẫn đến quá trình lên men nghèo nàn và có thể dẫn đến việc tăng mức axetyl coenzyme A trong các tế bào. Điều này sẽ dẫn đến việc tăng hàm lượng este trong bia, làm ảnh hưởng đáng kể đến hương. Do đó việc cung cấp đủ lượng oxy ban đầy vào dịch đường chuyển vào lên men là rất quan trọng trong việc đảm bảo cho môi trường lên men thích hợp. II.4 Sự tạo thành các sản phẩm phụ Ngoài những sản phẩm chính được tạo thành khi lên men chính như rượu etylic và CO 2 ,còn có một số chất khác cũng được hình thành và chúng đóng vai tròn quan trọng trong quá trình hình thành mùi vị của bia… Rất nhiều các hợp chất bay hơi được nấm men sinh ra làm cho bia có mùi thơm và cũng ảnh hưởng đến độ bền bọt. Tất cả các hợp chất dễ bay hơi của bia đều được sinh ra trong quá trình lên men, trừ một lượng nhỏ các tinh dầu của hoa houblon và chất thơm của malt tạo ra từ các phản ứng melanoidine trong quá trình đun sôi dịch đường. Người ta chia các hợp chất dễ bay hơi sinh ra từ quá trình lên men làm năm loại: Các rượu bậc cao, các axit dễ bay hơi, các este, các aldehyt, các hợp chất sulfua. Các hợp chất này đã được nghiên cứu nhiều trong những năm gần đây bằng phương pháp sắc ký khí. II.4.1 Các rượu bậc cao Các rượu bậc cao là những thành phần chính của dầu fusel. Ngoài ra trong dầu fusel còn có axit dễ bay hơi, este và các aldehyt. Khối lượng và thành phần rượu bậc cao phụ thuộc vào thành phần dịch đường, chủng nấm men và nhiệt độ. Trong bia có các rượu như propylic, izopropylic, butylic, izobutylic, amylic, izoamylic và một số loại rượu khác. Hàm lượng các rượu này thay đổi trong những giới hạn khá rộng (20 – 95 mg/l) nhưng thường là từ 50 – 60 mg/l. Khi lên men ở điều kiện nhiệt độ cao thì hàm lượng này tăng lên. Hàm lượng izoamin chiếm phần chủ yếu trong các rượu bậc cao. Theo số liệu của Enebo thì trong bia của Thụy Điển sản xuất hàm lượng izoamylic và amylic trung bình là 44mg/l. Trong các loại bia của Mỹ hàm lượng izoamylic lên đến 58 mg/l. Nếu cả amylic thì hàm lượng này chiếm tới 77mg/l, các loại rượu bậc cao khác chỉ chiếm từ một vài mg/l. Mỗi loại rượu bậc cao đều gây cho bia có những mùi vị khác nhau, nhưng nói chung chúng đều cho bia có mùi vị khó chịu. Phần lớn các rượu bậc cao đều được tạo thành trong quá trình lên men chính, lúc đầu mạn và về sau yếu dần. Trong quá trình lên men phụ hàm lượng này tăng lên không đáng kể. Sự hình thành các rượu bậc cao là kết quả của các quá trình sinh hóa, trước đây theo thuyết của Ehrlich thì nguồn gốc chủ yếu của các rượu bậc cao là aminoaxit, ngày nay thuyết này đã được chứng minh càng rõ hơn. Quá trình này có thẻ biểu diễn như sau: [...]... photphodiocxyxeton Ngoài ra, glyxerin còn hình thành khi đề amin hóa axit glutamic Trong bia hàm lượng glyxerin có từ 1,5 – 3,0 g/l Bảng Một số rượu bậc cao chủ yếu hình thành trong quá trình lên men Rượu bậc cao Công thức Nồng độ (mg/l) Ngưỡng nhận biết (mg/l) Propanol CH3CH2CH2OH 40 -10 Isobutanol CH3CHCH2OH 15 -10 50 . Sự khác nhau về công nghệ lên men: Tên gọi nấm men nổi hay nấm men chìm xuất phát từ quan sát quá trình lên men đích khác nhau, trong đó có sự tuyển chọn các vi sinh vật thích hợp cho các quá trình lên men công nghiệp, như quá trình lên men bia… Tại các trung tâm lưu trữ nấm men, người ta qua tâm nhiều. Invertaza S.cerevisiae (không có enzym melibioza) Raffinoza: Galactoza Glucoza – Fructoza Theo công nghệ sản xuất bia truyền thống, nấm men chìm thường lên men ở nhiệt độ từ 7 – 15 0 C. Khi