TIỂU LUẬN MÔN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIA Chuyên đề LÊN MEN BIA

Được sản xuất từ các nguyên liệu chính là đại mạch ươm mầm, hoa houblon và nước với một quy trình công nghệ khá đặc biệt, cho nên bia có tính chất cảm quan rất hấp dẫn đối với con người:

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM

NGUYỄN THỊ DIỄM THÚY 3005080415 NGUYỄN THỊ THÚY VI 3005080199

MỤC LỤC

TRANG

1.1 GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT BIA 3

1.2 CÔNG NGHỆ LÊN MEN BIA

1.2.1 CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA QUÁ TRÌNH LÊN MEN BIA 41.2.2 SINH TỔNG HỢP CÁC SẢN PHẨM CỦA QUÁ TRÌNH LÊN MEN BIA 41.2.2.1 SINH TỔNG HỢP CÁC SẢN PHẨM CHÍNH CỦA QUÁ TRÌNH LÊN MEN

1.2.3 HỆ ENZYME XÚC TÁC QUÁ TRÌNH LÊN MEN BIA VÀ NẤM MEN GIỐNG

1.2.3.1 HỆ ENZYME XÚC TÁC QUÁ TRÌNH LÊN MEN BIA 16

1.2.3.1.5 CACBOXYLAZA 171.2.3.2 NẤM MEN GIỐNG ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG QUÁ TRÌNH LÊN MEN BIA

17

2.4 CÁC QUÁ TRÌNH XẢY RA TRONG QUÁ TRÌNH LÊN MEN BIA 21

2.5.1.1 PHƯƠNG PHÁP LÊN MEN DỊCH ĐƯỜNG CÓ NỒNG ĐỘ CAO 252.5.1.2 LÊN MEN CHÌM, GIÁN ĐOẠN TRONG THIẾT BỊ HỞ 26

2.5.1.4 LÊN MEN LÊN MEN TRONG THIẾT BỊ KẾT HỢP VỚI THU HỒI CO2 28

2.5.2.2 PHƯƠNG PHÁP LÊN MEN LIÊN TỤC 302.5.2.3 LÊN MEN BẰNG PHƯƠNG PHÁP BÁN LIÊN TỤC 312.6 CÁC YẾU TÓ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH LÊN MEN 32

2.6.3 NỒNG ĐỘ CHẤT HÀO TAN CỦA DỊCH ĐƯỜNG HOUBLON HÓA 33

3.1.2 LÀM LẠNH VÀ THÔNG GIÓ MẶT MẶT BẰNG LÊN MEN 38

MỞ ĐẦU

Ngày nay cùng với tốc độ hóa đô thị và công nghiệp hóa của đất nước, nghành công nghệ thực phẩm đã và đang đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân Đóng vai trò chủ lực trong đó có lĩnh vực chế biến đồ uống

Bia – nói một cách tổng thể là một loại đồ uống chứa cồn được sản xuất bằng quá trình lên men của đường lơ lửng trong môi trường lỏng và nó không được chưng cất sau khi lên men

Bia là loại đồ uống có độ cồn thấp, giàu dinh dưỡng Ngoài việc cung cấp một lượng calori khá lớn, trong bia còn chứa một hệ enzim khá phong phú, đặc biệt là nhóm enzim kích thích tiêu hóa amylaza

Được sản xuất từ các nguyên liệu chính là đại mạch ươm mầm, hoa houblon và nước với một quy trình công nghệ khá đặc biệt, cho nên bia có tính chất cảm quan rất hấp dẫn đối với con người: hương thơm đặc trưng, vị đắng dịu, lớp bọt trắng mịn, với hàm lượng CO2 khá cao (4 – 5g/l) giúp con người giải khát một cách triệt

Để tạo ra được bia đạt chất lượng thu hút sự quan tâm của nhiều người thì quá trình lên men bia là một trong những nhân tố quan trọng Chất lượng của bia được xem như là kết quả từ các quá trình hoạt động của nấm men Vì thế, để có được bia chất lượng đáp ứng được nhu cầu người tiêu dùng thì đây cũng là vấn đề của nhiều nhà sản xuất kinh doanh cũng như những người học công nghệ Sau đây là phần tìm hiểu thông tin chi tiết về công nghệ sản xuất bia nói chung cũng như quá trình lên men bia nói riêng

Trong quá trình tìm hiểu và thu nhận thông tin chắc chắn sẽ không tránh khỏi được những sai sót Do đó, nhóm sinh viên chúng em mong nhận được những ý kiến đóng góp của Cô để có thể hoàn thiện đề tài tiểu luận về: “ lên men bia”

CHƯƠNG I: CÔNG NGHỆ LÊN MEN BIA

1.1 GIỚI THIỆU DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIA:

1.2 CÔNG NGHỆ LÊN MEN BIA:

1.2.1 CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA QUÁ TRÌNH LÊN MEN BIA:

Khi tiến hành lên men dịch đường houblon hóa,một lượng lớn cơ chất ,chủ yếu

là đường và dextrin bậc thấp bị nấm men hấp thụ để tạo thành rượu etylic, khí CO2

và các sản phẩm phụ Ngoài các gluxit bị tác động mạnh,các thành phần khác của dịch đường cũng chịu những sự thay đổi lớn Một phần trong đó bị nấm men đồng hoá và bị biến đổi thành những hợp chất khác nhau ,còn một số khác thì chuyển đổi thành trạng thái không hoà tan và bị tách ra ngoài dưới dạng kết lắng Tất cả những điều đó dẫn đến một sự thay đổi lớn về lượng và biến đổi sâu sắc về chất trong các cấu tử hợp thành chất hoà tan của dịch đường

Ta thấy rằng hàm lượng chất hoà tan trong bia là thấp hơn so với dịch đường houblon hóa Nguyên nhân của việc giảm này là từ ba lý do sau:

• Do nấm men tiêu tốn một phần để cung cấp năng lượng cho việc phát triển sinh khối

• Do một số sản phẩm tạo thành là hợp chất dễ bay hơi

• Do một phần bị kết lắng

Tổng lượng chất hoà tan đã bị tiêu hao trong thời gian lên men chính (kể cả phần tiêu hao do kết lắng) gọi là chất chiết đã lên men Khối lượng chất chiết đã lên men biểu thị bằng phần trăm so với lượng chất hoà tan ban đầu của dịch đường,gọi là mức độ lên men hay độ lên men Một phần chất hoà tan ban đầu của dịch đường houblôn hoá tồn tại trong bia như là một cấu tử hợp thành chất hoà tan của nó,gọi là chất chiết không lên men hay chất khô sót

Trong thành phần của chất hoà tan ban đầu của dịch đường nấm men có thể hấp thụ được một phần rất lớn, phần đó được gọi là chất chiết có khả năng lên men, phần còn lại nấm men không có khả năng hấp thụ gọi là chất chiết không lên men Khối lượng của chất chiết có khả năng lên men biểu thị bằng phần trăm theo lượng chất chiết ban đầu của dịch đường houblon hóa,gọi là độ lên men cuối cùng

Độ lên men và độ lên men cuối cùng của các loại bia khác nhau dao động trong những khoảng rất lớn Đây là những chỉ số cơ bản và đặc trưng cho chủng loại và

chất lượng của bia Những chỉ số này có thể điều chỉnh được thông qua việc điều khiển các quá trình hoá sinh ở giai đoạn sản xuất dịch đường.

Về lý thuyết thì toàn bộ lượng chất chiết có khả năng lên men,có thể sẽ được lên men hoàn toàn Lúc đó độ lên men sẽ có gía trị bằng độ lên men cuối cùng Nhưng trong thực tế sản xuất, không bao giờ độ lên men của một dịch đường lại

có thể đạt đến độ lên men cuối cùng của nó.Vấn đề ở đây là hoàn thiện chu trình lên men,xác định được các điều kiện ở mức tối ưu với mục đích cao nhất là giảm đến mức thấp nhất sự sai lệch giữa hai chỉ số độ lên men đó Và đây là một trong những tiền đề quan trọng nhất để thu nhận được các loại bia có độ bền sinh học cao

Ở những nhà máy sản xuất bia theo phuơng pháp cổ điển,quá trình lên men được thực hiện trong các thùng hoặc các bể dạng hở Trong điều kiện như vậy, không phụ thuộc là nhiệt độ cao hay thấp thì một lượng CO2 đáng kể cần thiết cho bia đã bị bay ra ngoài.Nghĩa là sau khi lên men chính hàm luợng CO2 ở trong bia non chưa đạt mức bão hoà cần thiết.Thực tế đó đã buộc các nhà công nghệ phải đình chỉ quá trình lên men chính khi mà trong dịch lên men đó (bia non) còn một lượng đáng kể các chất hoà tan,mà nấm men có thể hấp thụ được ở điều kiện đó để chuyển chúng sang một điều kiện khác: lên men trong các thùng kín ở nhiệt độ thấp hơn Đây chính là giai đoạn hai của quá trình lên men:lên men phụ Lên men phụ thực chất là quá trình lên men chính nhưng với tốc độ lên men thấp hơn nhiều

so với giai đoạn đầu

Bình thường thì hàm lượng CO2 ở trong bia thành phẩm phải đạt ít nhất là 0.35% khối lượng Con số này ở trong bia non sau khi lên men chính kết thúc là khoảng 0.15-0.2% Như luợng CO2 thiếu hụt đi ít nhất là 0.2% Để bù vào lượng

đó cần thiết phải lên men tiếp 0.4% cơ chất nhưng vì trong quá trình bơm chuyển bia non từ khu vực lên men chính sang mặt bằng lên men phụ một phần CO2 lại tiếp tục mất đi Do đó từ 0.4% lượng cơ chất chắc chắn là không đủ lượng CO2 cần

thiết Hơn nữa, mức độ lên men như trên đã nói là không bao giờ đạt đến độ lên mên cuối cùng Cho nên thời điểm đình chỉ quá trình lên men chính thích hợp nhất

là khi hàm lượng chất chiết trong dịch lên men giảm xuống còn khoảng 30-35% so với lượng chất chiết ban đầu có như vậy trong giai đoạn lên men phụ,một lượng cơ chất 1-1.2% tiếp tục bị lên men thì may ra bù đủ lượng CO2 cần có

1.2.2 SINH TỔNG HỢP CÁC SẢN PHẨM CỦA QUÁ TRÌNH LÊN

MEN BIA:

1.2.2.1 Sinh tổng hợp các sản phẩm chính (bậc 1)của quá trình lên

men bia: rượu etylic + CO2:

Quá trình lên men rượu bao gồm 11 giai đoạn (11 phản ứng):

 Phản ứng 1: Glucose được phosphoryl hóa ở C6 để cho sản phẩm glucose-6-P, nguồn phosphate là ATP

Phản ứng xảy ra được là do sự xúc tác của hexokinase với sự có mặt bắt buộc của Mg2+ Hexokinase không những xúc tác sự phosphoryl hóa glucose mà còn xúc tác sự phosphoryl hóa các hexose khác như fructose, manose

 Phản ứng 2: Chuyển hóa glucose-6-P thành fructose-6-P

Enzyme phosphohexose isomerase xúc tác sự chuyển hóa đồng phân glucose-6-P thành fructose-6-P, biến một aldose thành một ketose

 Phản ứng 3: Phosphoryl hóa fructose-6-P thành fructose1,6 biphosphate

 Phản ứng 4: Phân cắt Fructose 1,6 biphosphate

Fructose1,6 biphosphate bị phân cách thành 2 phân tử triozophosphat cụ thể

là aldehit 3 – phosphoglyxerinic và phosphodioxyaxeton Phản ứng này được sự xác tác của enzim aldolase

 Phản ứng 5: Chuyển hóa nội phân tử triose phosphate

Chỉ một trong hai triose phosphate là aldose: 3-P glyceraldehyde tham gia tiếp vào quá trình đường phân Nhưng dihydroxyaceton-P có thể được chuyển hóa thành 3-P glyceraldehyde nhờ triose phosphate isomerase

 Phản ứng 6: Oxy hóa 3-P glyceraldehyde thành 1,3 biphosphoglycerate

Xúc tác cho phản ứng này là enzyme 3-P glyceraldehyde dehydrogenase, có coenzyme NAD+, trong trung tâm hoạt động có nhóm –SH

 Phản ứng 7: Trong phản ứng này gốc phosphate cao năng của 1,3

biphosphoglycerate chuyển cho ADP để tạo ATP ( oxy hóa phosphoryl hóa mức

cơ chất) và 3P glycerate

 Phản ứng 8 : Chuyển hóa 3P glycerate thành 2P glycerate

(chuyển gốc P nội phân tử) nhờ enzyme phosphoglycerate mutase cần Mg2+

cho hoạt động của nó Đây là phản ứng thuận nghịch:

 Phản ứng 9: 2P glycerate bị loại nước để tạo thành phosphoenolpyruvate là

phản ứng thuận nghịch được xúc tác bởi enzyme enolase

 Phản ứng 10: Chuyển nhóm phosphate từ phosphoenolpyruvate đến ADP,

phản ứng được xúc tác bởi pyruvat kinase, để tạo ATP và pyruvate

Pyruvat kinase bị kìm hãm bởi ATP, khi nồng độ ATP cao thì nó gây kìm hãm

dị không gian Ở động vật có xương sống pyruvat kinase có ít nhất 3 isozyme, hơi khác nhau trong phân bố ở các mô và trong việc đáp ứng đối với những chất điều hòa (modulator)

 Phản ứng 11: Chuyển hóa pyruvat thành rượu etylic:

Trong bước 1, pyruvate bị khử cacboxyl-hóa vốn được xúc tác bởi enzyme pyruvate decarboxylase, enzyme này cần Mg2+ và có coenzyme là TPP Bước 2, acetaldehyde bị khử thành ethanol với NADH+H+ được tạo ra từ sự oxy hóa khử 3P glyceraldehyde

1.2.2.2Sinh tổng hợp các sản phẩm bậc hai (sản phẩm phụ):

Ngoài 2 sản phẩm chính là rượu etylic và khí cacbonic, trong quá trình lên men chính còn tao ra nhiều sản phẩm bậc hai hay còn gọi là sản phẩm phụ Những sản phẩm này đều có vai trò quan trọng trong việc hình thành hương và vị của bia, mặc dù vai trò đó có thể là tích cực và cũng có thể là tiêu cực Một số trong những sản phẩm bậc hai này là sản phẩm trung gian của quá trình chuyển hóa đường thành rượu, còn một số khác là kết quả của những biến đổi hóa sinh phức tạp của những cấu tử khác trong dịch đường khi chúng tham gia vào quá trình trao đổi năng lượng trong tế bào nấm men

1.2.2.2.1 Glyxerin:

Nếu gọi glyxerin là sản phẩm bậc hai của quá trình lên men thì điều đó là hoàn toàn đúng Nhưng nếu nói rằng glyxerin là sản phẩm chính thứ ba của quá trình trên thì cũng không sai Ta hãy nhớ lại ở sơ đồEmbden-Meyerhor Ở phản ứng thứ

tư, sau khi tạo thành phosphodioxyaxeton, phản ứng có thể sẽ tiến triển theo chiều hướng khác nếu các yếu tố bên ngoài thay đổi Từ hợp chất này dưới sự xúc tác của coenzim NAD+ sẽ tạo ra thành α -glyxerophosphat Sau đó với sự có mặt của photphataza,glyxerin và axit phosphoric được tạo thành Theo Pasteur thì lượng glyxein trong quá trình lên men có thể tích tụ đến 3 g/l.

Glyxerin là một cấu tử rất quý đối với bia, vì nó làm mềm vị và làm tăng thêm

độ đậm đà cho sản phẩm Glyxerin cũng có thể thu nhận được bằng con đường đề amin của axit glutamic

1.2.2.2.2 Rượu bậc cao:

Ở trong bia chứa các loại rượu bậc cao như: propylic izopropylic, butylic, izobutylic, amylic, izoamylic, và nhiều loại khác Khối lượng của chúng dao động trong khoảng rộng từ 20 đến 95 mg/l nhưng thông thường là khoảng 50 đến 60 mg/l Ở điều kiện lên men nổi hàm lượng rượu bậc cao lớn hơn lên men chìm do lên men ở nhiệt độ cao hơn Trong các loại rượu bậc cao thì hàm lượng izoamylic cao nhất

Từng loại rượu bậc cao đều tạo cho bia có hương, vị riêng biệt nhưng nhìn chung đó không phải là đặc trưng của bia mà chúng tạo cho khứu giác những cảm giác khó chiụ Nói tóm lại các loại rượu bậc cao gây ảnh hưỏng tiêu cực đến chất lượng cảm quan của bia

Cơ chế tạo thành rượu bậc cao đến hiện nay chưa được giải thích thỏa đáng do

đó ta không đề cập đến nhiều

1.2.2.2.3 Acid hữu cơ:

Axit hữu cơ là sản phẩm bậc hai thường trực của quá trình lên men rượu và quá trình trao đổi sinh dưỡng nitơ trong tế bào nấm men Chúng cũng là sản phẩm của

sự đồng lên men do vi khuẩn gây ra khi dịch đường houblon hoá bị nhiễm

Axit lactic và axit xitric được tạo thành từ axit piruvic Trong trường hợp này axit piruvic không bị decacbonxyl mà là bị khử thành axit lactic Hàm lượng trung

bình của chúng trong bia là khoảng 150-200mg/l Nếu dịch lên men bị nhiễm khuẩn lactic thì hàm lượng của chúng tăng vọt lên rất nhiều lần.

Một sản phẩm thương trực khác trong nhóm axit hữu cơ là axit susinic Nó được tạo thành do quá trình deamin axit glutamic hoặc qua phản ứng chuyển amin Trong trường hợp thứ nhất, chất nhận hydro là aldehit triozoglyxerinic, vì lẽ đó, song song với việc tạo thành axit susinic ta còn nhận được glyxerin Phương trình tổng hợp của các quá trình trên được biểu diễn như sau:

C6H12O6 + COOH.CH2.CHNH2.COOH + 2H2O = HOOC.CH2.CH2.COOH + 2C3H8O3 + NH3 + CO2.

Ở trường hợp thứ hai, axit glutamic bị deamin đến axit xetoglutaric, còn axit piruvic thì được amin hoá đến alanin Axit xetoglutanic bị decacbonxyl, và aldehit thu được tham gia ngay vào phản ứng oxy hoá - khử với axetadehit Kết quả của dãy quá trình này là ta nhận được axit susinic và etanol:

COOH.CH2.CH2CO.COOH + CH3CHNH2.COOH

COOH.CH2CH2CO.COOH -CO 2 COOH.CH2.CH2.CHO

COOH.CH2.CH2.CHO + CH3CHO = COOH.CH2.CH2.COOH + C2H5OH.

Hàm lượng của axit susinic ở trong bia khoảng 60-70 mg/l

Trong quá trình lên men chính, ngoài những axit trên đây còn tạo thành một số axit bay hơi khác, chủ yếu là axit axetic và axit fomic Axit axetic nhận được bằng con đường phân hoá axetaldehit Trong trường hợp này nó bị oxy hoá thành axit axetic, còn hydro của nước thì liên kết với phân tử aldehit thứ hai để tạo thành etanol Hàm lượng trung bình của axit axetic ở trong bia là khoảng 80-100mg/l còn axit fomic đến 30 mg/l

1.2.2.2.4 Ester và aldehid:

Este là sản phẩm bậc hai không thường trực của quá trình lên men chính Nó không phải là sản phẩm tạo thành từ hoạt động sống của tế bào nấm men mà là kết

quả của sự tương tác giữa các sản phẩm bậc hai thường trực: este hoá các axit bay hơi và không bay hơi với các loại rượu khác nhau Chiếm khối lương nhiều nhất trong khối este là atyl axetat (15-20 mg/l ) chứa ít nhất là izoetyl formiat (0,8 – 1 mg/l ), còn izoamin axetat thì chỉ có vết Tổng lượng của chúng trong bia dao động trong khoảng 30-80 mg/l Với rượu etylic, axit cacbonic có thể tham gia phản ứng để tạo thành các este mono và dietyncacbonat không bền vững

Este có ý nghĩa quan trọng trong việc hình thành vòng thơm của bia Tuy không phải là sản phẩm bậc hai thường trực nhưng chúng được tạo thành chủ yếu

ở giai đoạn lên men chính.Theo số liệu của các tác giả người Mỹ thì hàm lượng của etylaxetat sau lên men chính là 18,6% mg/l, còn trong bia thành phẩm là 25mg/l Ở điều kiện len men nổi lượng este tạo thành nhiều hơn so với lên men chìm Trong cùng một điều kiện, nấm men nổi tạo ra nhiều este hơn nấm men chìm

Aldehid là sản phẩm bậc hai thường trực của quá trình trao đổi chất nấm men,

và cũng có thể được tạo thành qua con đường oxy hoá các loài rượu Chiếm nhiều nhất trong bia thì có axetaldehid, hàm lượng của nó, là 5-7 gm/l Tổng lượng andehid trong bia dao động từ 9 đến 10 mg/l Ở điều kịên yếm khí,lượng andehid tạo ra ít hơn so với ở điều kiện hiếu khí

Ở mức độ vừa phải (10-15 mg/l), andehid làm tăng hương cho bia, nhưng nếu cao quá thì vai trò của nó lại trở thành tiêu cực

Trong giai đoạn lên men phụ hàm lượng andehid của bia giảm đi rất nhiều

1.2.2.2.5 Axetoin, diaxetyl và 2,3 – butandiol:

Ba hợp chất này thu nhận đươc ở chủ yếu giai đoạn lên men chính và là do kết quả của các quá trình hoạt động sống của tế bào nấm men Chúng là sản phẩm bậc hai thường trực của các quá trình lên men yếm khí và hiếu khí Trong ba hợp chất này thì nguy hiểm nhất đến hương và vị của bia là diaxetyl Diaxetyl không màu đến vàng nhạt, có mùi hôi cực mạnh và vị đắng gắt rất khó chịu, tác động rất mạnh

đến hệ thần kinh con người Chỉ số chất lượng N0 1cho tất cả các loại bia được bán

ra thị trường được Công ước bia châu Âu quy định là “hàm lượng diaxetyl không được vượt quá 0,2 mg/l”

Nếu xem axit piruvic là điểm xuất phát thì diễn biến tạo thành ba hợp chất này

có thể biễu diễn như sau:

CH3 –CO –COOH decacboxyl hoá CH3 –CHO + CO2

Axit piruvic Axetaldehid

CH3 –CHO + CH3 –CHO CH3 –CO –CHOH –CH3

1.2.2.2.6 Hydro sunfua (SH 2) và mercaptan:

Nguồn gốc tạo thành các hợp chất này là các hợp chất chứa gốc sunfat,sunfit

và các amin chứa lưu huỳnh ở trong dịch đường Ở thời điềm lên men chính và đặc biệt là ở giai đoạn lên men phụ và tàng trữ bia non, điều kiện tạo ra khá thuận lợi cho quá trình khử các nhóm disunfit (-S-S-) thành các nhóm sunfơhidryl (-SH) Khi đó là cơ hội cho sự tao thành các sản phẩm bậc hai không thường trực nói trên

Hydro sunfua và mercaptan là những hợp chất đặc biệt có hại đối với hình thơm và vị của bia Theo số liệu của nhiều chuyên gia thì hàm lượng của chúng có

thể lên tới 0,5-0,9 mg/l Nếu dịch đường houblon háo chứa nhiều cặn, hàm lượng của chúng có thể cao hơn Hiện tượng tự phân của nấm men cũng là một nguyên nhân làm tăng các hợp chất này.

1.2.3 HỆ ENZYME XÚC TÁC QUÁ TRÌNH LÊN MEN BIA VÀ NẤM MEN GIỐNG ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG QUÁ TRÌNH LÊN MEN BIA:

1.2.3.1 Hệ ezyme xúc tác quá trình lên men bia:

Tế bào nấm men chứa một tập hợp enzyme rất phong phú và đa dạng Ngoài những enzyme điều khiển quá trình hô hấp của tế bào và cơ chế phosphoryl hóa, quá trình lên men còn được hoạt hóa bởi một tập hợp gồm nhiều enzim khác

Các phản ứng xảy ra trong dãy quá trình chuyển hóa của lên men rượu được xúc tác bởi 12 enzim khác nhau với sự tham gia của 2 coenzim (acid 2,3 – diphosphoglyxerinic và phat), hai cofactor hữu cơ (ATP/ADP và NAD/ NADH),

và hai chất hoạt hóa vô cơ (Mg2+ và K+)

1.2.3.1.1 Aldolaza:

Aldolaza được phát hiện vào năm 1934 Thoạt đầu nó được gọi là zimoherxaza Enzym này xúc tác phản ứng thuận nghịch bẽ gãy phân tử fructozo-1,6-diphosphat thành phosphodioxyaxeton và phosphoglyxeradehid

1.2.3.1.2 Triozophosphatdehydrogenaza:

Enzym này xúc tác sự chuyễn hóa của andehid 3-phosphoglyxerinic thành axit 1,3-diphosphoglyxernic Phản ứng chỉ xảy ra trong môi trường có sự hiện diện của NAD+ và phosphat vô cơ

1.2.3.1.3 Phosphoglyxeromutaza:

Enzym này xúc tác phản ứng đồng phân hóa 3-phosphoglyxerat thành phosphoglyxerat Trong trường hợp này nhất thiết coenzym phải là 2,3-diphosphoglyxerinic

2-1.2.3.1.4 Enolaza:

Là enzym có vai trò quan trọng trong quá trình chuyển hóa đường thành rượu etylic Nó xúc tác quá trình dehydrat hóa thuận nghịch của axit 2-phosphoglyxerinic thành axit 2-phosphoenolpiruvic Ở phản ứng này mối liên kết phosphat cao năng được hình thành Phản ứng này là phản ứng thuận nghịch và nó xảy ra trong khi năng lượng tự do không hề thay đổi Theo Lipman thì khi thủy phân mối liên kết phosphate của acid 2 – phosphoglyxerinic, năng lượng được giải phóng là 125,57 J trong khi thủy phân liên kết phosphate của acid 2 – phosphoenolpirunic thì năng lượng tỏa ra là 48,19 J.

1.2.3.1.5 Cacboxylaza:

Enzym này được phân bố khá phổ biến trong tế bào thực vật và tế bào nấm men Với sự có mặt của Mg2+ enzym này sẽ xúc tác quá trình phân rã của α -ketoaxit thành aldehid và khí cacbonic Phản ứng quan trọng nhất của enzym cacboxylaza xúc tác là phản ứng decacboxyl của axit piruvic để tạo thành axetaldehid và CO2 trong chuỗi phản ứng lên men rượu

1.2.3.2 Nấm men giống được sử dụng trong quá trình lên men bia:

1.2.3.2.1 Chất lượng của nấm men sản xuất:

Để bảo đảm cho quá trình lên men được tiến triển bình thường và bia có chất lượng thì nấm men phải đủ các yêu cầu sau:

• Có tốc độ sinh trưởng và phát triển vừa phải

• Có khả năng lên men nhanh chóng nhiều loại đường khác nhau

• Có khả năng kết tụ tốt vào cuối thời kì lên men chính

• Có khả năng giữ được các đặc tính sinh lý, sinh hóa qua nhiều thế hệ

• Có khả năng chống chọi tốt với những điều kiện bất lợi của môi trường

• Cho bia có hương vị tốt, ít các sản phẩm phụ không mong muốn, nhất là diaxetyl

1.2.3.2.2 Các chủng nấm men bia thường sử dụng:

Nấm men thuộc nhóm cơ thể đơn bào, chúng phân bố rộng rãi trong thiên nhiên, đặc biệt chúng có nhiều ở vùng đất trồng nho và các nơi trồng hoa quả Nhiều loài nấm men có khả năng lên men rượu Từ lâu người ta đã biết sử dụng nấm men để sản xuất rượu bia Nấm men sinh sôi nhanh, tế bào lại chứa nhiều vitamin, acid amin không thay thế, hàm lượng protein chiếm tới 50% trọng lượng khô của tế bào, nên nhiều loại nấm men còn được sử dụng để sản xuất protein Ngoài ra nấm men còn được sử dụng trong công nghệ sản xuất bánh mì Tuy nhiên, cũng có nhiều loại nấm men có hại, gây bệnh cho người và gia súc, làm hư hỏng lương thực, thực phẩm

Nấm men dùng trong sản xuất bia thường là các chủng thuộc giống Saccharomyces, chúng có khả năng hấp thụ các chất dinh dưỡng trong môi trường nước mạch nha như các loại đường hoà tan, các hợp chất nitơ (các acid amin, peptit), vitamin và các nguyên tố vi lượng…qua màng tế bào Sau đó, hàng loạt các phản ứng sinh hóa mà đặc trưng là quá trình trao đổi chất để chuyển hoá các chất này thành những dạng cần thiết cho quá trình phát triển và lên men của nấm men được tiến hành

Dựa vào đặc tính công nghệ ta phân làm hai loại: nấm men nổi và nấm men chìm giữa chúng có sự khác nhau cơ bản sau:

• Về đặc tính hình thái:

Nấm men chìm: Hầu hết các tế bào khi quan sát thì nảy chội đứng riêng lẻ

hoặc cặp đôi Hình dạng chủ yếu là hình cầu

Nấm men nổi: tế bào nấm men mẹ và con sau nảy chồi thường dính lại với

nhau tạo thành như chuỗi các tế bào nấm men, hình dạng chủ yếu là hình cầu hoặc ovan có kích thước là 7-10 Micromet

• Về đặc tính sinh lí:

Sự khác nhau giữa nấm men nổi và nấm men chìm là khả năng lên men các loại đường trisacarit, ví dụ raffinoza Trong nấm men chìm có enzym có thể sử dụng hoàn toàn đường raffinoza trong khi đó nấm men nổi chỉ sử dụng được 1/3 đường sacaroza.

Ngoài ra chúng còn khác nhau về khả năng hô hấp, khả năng trao đổi chất khi lên men và khả năng hình thành bào tử Quá trình trao đổi chất của nấm men chìm chủ yếu xảy ra trong quá trình lên men, còn của nấm men nổi xảy ra mạnh trong quá trình hô hấp, vì vậy sinh khối nấm men nổi thu được nhiều hơn nấm men chìm

Nấm men chìm có nồng độ enzym thấp hơn nấm men nổi Khả năng tạo bào tử của nấm men chìm lâu hơn và hạn chế hơn nấm men nổi

• 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 khi đó nấm men chìm lắng xuống đáy thiết bị khi kết thúc lên men chính.Nấm men chìm còn chia ra 2 loại tuỳ thuộc khả 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 thể kết dính với nhau trong thời gian ngắn khi kết thúc lên men chính

và tạo thành khối kết bông lớn nên lắng nhanh xuống đáy thiết bị Còn loài 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 4 - 120C, nấm men nổi là 14 - 250C

1.2.3.2.3 Quá trình chuẩn bị giống:

Phương pháp nuôi cấy nấm men giống thuần khiết:

Nấm men giống thuần khiết được nuôi cấy qua 2 giai đoạn : Giai đoạn nuôi cấy trong phòng thí nghiệm và nuôi cấy sản xuất

Nấm men thuần khiết là nấm men thu nhận từ một tế bào Trong phòng thí nghiệm, để đảm bảo men giống người ta nuôi cấy nó trong môi trường dịch đường 10% và bảo quản ở nhiệt độ 2 ÷ 4 0C Sau thời gian 1÷2 tháng phải cấy chuyền 1 lần

Ðể đưa men giống vào sản xuất, trước hết phải nuôi cấy trong phòng thí nghiệm cho đến 5 ÷10lít Sau đó nhân giống trong các thiết bị chuyên dụng đặt trong phòng bên cạnh phân xưởng lên men Mỗi lần nhân giống , thể tích men giống tăng từ 3 ÷ 5 lần

Men thuần khiết thường phải tuyển chọn và bắt đầu nuôi cấy ở 250C Trong phòng thí nghiệm nó sinh sản ở nhiệt độ 18 ÷ 200C Khi đưa vào nuôi cấy sản xuất thì cho nó phát triển ở 12 ÷ 150C và tiếp tục giảm đến 6 ÷ 100C rồi đưa vào thiết bị lên men Quá trình thực hiện như vậy gọi là sinh sản ở điều kiện bán sản xuất, bao gồm các bước thực hiện:

• Dịch đường làm môi trường cho nấm men sinh sản phải được tiệt trùng và làm lạnh tại chỗ đến 6-100C

• Quá trình sinh sản của nấm men được tiến hành trong một hoặc nhiều thiết

bị của hệ thống Để đảm bảo sự phát triển mạnh của nấm men, ở tất cả các thiết bị sinh sản này,theo định kỳ phải được sục khí vô trùng vào canh trường

• Tuyệt đối không để dịch lên men tiếp xúc với không khí chưa tiệt trùng.Việc tiệt trùng môi trùng nhân giống được thực hiện ở áp suất thường hoặc áp suất dư trong thời gian 30 phút Đồng thời với quá trình làm nguội, dịch đường được bão hoà oxy bằng không khí vô trùng Thời gian sinh sản của nấm men được kéo dài hết một thế hệ ở điều kiện bán sản xuất là 6-8 ngày đêm

 Phương pháp xử lí sữa men:

Lượng sinh khối thu được sau lên men chính (sữa men) nhiều gấp 5 đến 8 lần lượng nấm men giống ban đầu Hầu hết lượng sinh khối này còn rất bẩn vì trong

đó có nhiều tạp chất kết lắng cùng nên việc xử lí sũa men trải qua nhiều giai đoạn:

• Tận thu lượng bia non trong sữa men bằng cách lọc bằng máy ép khung bản

• Rây nấm men để tách các tạp chất có kích thước lớn

• Rửa nấm men để tách hết tế bào chết và cặn mịn

• Sát trùng để diệt các vi sinh vật lạ

• Bảo quản nấm men sạch dùng để lên men các mẻ sau hoặc sử dụng vào các mục đích khác

CHƯƠNG II: KỸ THUẬT LÊN MEN BIA

2.1 ĐỊNH NGHĨA “LÊN MEN BIA”:

“Lên men bia” là quá trình chuyển hóa dịch đường houblon hóa thành bia dưới tác động của nấm men thông qua hoạt động sống của chúng

2.2 MỤC ĐÍCH “LÊN MEN BIA”:

Nhờ tác động của các enzyme trong nấm men chuyển các chất có trong dịch lên men thành rượu, CO2 cùng với những sản phẩm khác góp phần tạo mùi, vị đặc trưng cho bia

2.3 YÊU CẦU CỦA DỊCH LÊN MEN BIA:

• Đảm bảo hàm lượng chất khô cần thiết cho từng phương pháp lên men cụ thể

• Đạt độ trong tốt

• Enzyme đã được vô hoạt hoàn toàn

• Đảm bảo đủ hàm lượng các chất đắng, chất thơm, tannin… của hoa houblon trong thành phần

2.4 CÁC QUÁ TRÌNH XẢY RA TRONG QUÁ TRÌNH “LÊN MEN BIA”:

Lên men bia là một quá trình phức tạp và dẫn tới nhiều biến đổi sâu sắc trong dịch đường Quá trình lên men bia chia ra làm 2 giai đoạn: lên men chính và lên men phụ Các quá trình cơ bản xảy ra trong lên men là:

2.4.1 Qúa trình sinh lí:

Quá trình này được thể hiện bằng sự sinh sản của nấm men và nó chỉ xảy ra trong thời kì đầu của quá trình lên men chính Lúc đó, trong dịch lên men xảy ra đồng thời sự sinh sản của nấm men và sự lên men Nhưng trong điều kiện lên men bình thường sự sinh sản của nấm men kết thúc xa trước khi lên men chính xong

2.4.2 Quá trình sinh hóa:

Quá trình sinh hóa cơ bản trong lên men là sự chuyển các đường thành rượu và CO2 Phần lớn các chất chiết được trong dịch lên men là hydratcaron, trong đó chứa: fructoza 1-3%, glucoza 3-8%, saccaroza 2-6%, maltoza 38-50%, mantotrioza 11-19%, mantotetraoza 2-6%, dextrin 14-22% Như vậy phần lớn chất chiết (75%) là đường lên men được Phần không lên men được chủ yếu là dextrin, protein và chất khoáng

Sự chuyển hóa đường thành rượu và CO2 xảy ra chủ yếu trong thời kì lên men chính, còn trong lên men phụ nó diễn ra chậm chạp với một hàm lượng đường nhỏ Ngoài rượu và CO2, trong quá trình lên men còn tạo ra nhiều sản phẩm phụ Những sản phẩm phụ này đều có vai trò quan trọng trong việc hình thành hương

và vị của bia Vai trò đó có thể là tích cực mà cũng có thể là tiêu cực

2.4.3.Quá trình hóa lí:

Sự thay đổi độ chua và năng lực đệm: trong giai đoạn lên men chính có sự thay đổi lớn về độ chua định phân Sở dĩ có sự tăng đó là do sự tạo thành CO2 và một

số các axit hữu cơ trong quá trình lên men

Tuy nhiên sự giảm mạnh về pH (từ trên 5,5 giảm xuống còn dưới 4,5) không thể giải thích bằng sự tạo thành các axit hữu cơ vì chúng được sinh ra với hàm

lượng ít và khả năng phân li yếu Hiện tượng này chỉ giải thích bằng sự phá vỡ hệ thống đệm trong dung dịch đường Khả năng đệm của dịch đường được hình thành

và ổn định là nhờ các muối phôtphat bậc 1 và bậc 2 (chúng ổn định pH trong khoảng 5,67-7,07) Trong thời kì lên men, một phần muối photphat bị nấm men hấp thụ, do đó năng lực đệm của hệ thống này giảm đi một cách nhanh chóng Thay thế vào đó là hệ thống "photphat bậc 1, bicacbonat, axit cacbonic tự do" Song song với nó, trong bia non lại được hình thành hệ thống đệm thứ hai "axit hữu cơ, muối của axit hữu cơ" Cả hai hệ thống này dều tạo ra lực đệm ở khoảng pH=4,27-5,67 và trong quá trình lên men khả năng đó của chúng được gia tăng

Sự thay đổi thế oxi hóa - khử và cường độ màu: trong giai đoạn lên men chính, thế oxi hóa - khử của hệ thống cũng bị biến đổi đáng kể Sở dĩ như vậy vì trong quá trình lên men chính hàm lượng oxi chứa trong dịch lên men giảm dần và có sự tạo thành các chất có tính khử

Cường độ màu của dịch đường trong những ngày lên men cũng bị giảm đáng

kể Nguyên nhân là do các hợp chất polyphenol dễ bị oxi hóa bị khử và sau đó bị kết lắng

Sự hòa tan CO2 và tạo bọt: CO2 sinh ra trong quá trình lên men sẽ được hòa tan vào bia Trong bia non chứa 0,2% CO2 Trong quá trình lên men phụ nó sẽ được bổ sung và bảo đảm cho hàm lượng CO2 có trong bia thành phẩm không nhỏ hơn 0,3%

Ở giai đoạn đầu của quá trình lên men, lượng CO2 tạo ra chưa nhiều, lại ở nhiệt

độ thấp cho nên chúng hòa tan hết vào dịch lên men Ở giai đoạn sau của quá trình lượng CO2 tạo ra nhiều hơn và trong dịch lên men đã hòa tan một lượng đáng kể, cho nên CO2 tạo thành lúc này sẽ thoát ra ngoài dưới dạng những bong bóng nhỏ li

ti Trên bề mặt của những bong bóng này hình thành một lớp có sức căng bề mặt của các chất như protein, polyphenol Chính do có lớp sức căng bề mặt này mà bong bóng khí CO2 không thể giải thoát mà chúng bị liên kết hấp thụ lại với nhau

để tạo thành bọt.

Sự kết màng của các tế bào nấm men: hiện tượng này xảy ra suốt thời kì lên men chính, nhưng đặc biệt nhiều là ở những ngày cuối cùng, khi mà lượng CO2 tạo ra đã ít đi và một phần khá lớn các loại cặn đã kết tủa xuống đáy thùng lên men Khi kết tủa, các tế bào nấm men sẽ kéo theo sự kết tủa của một số các chất khác nên làm cho bia trở nên trong hơn

2.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP LÊN MEN BIA:

2.5.1 Phương pháp lên men cổ điển:

Lên men cổ điển là những quá trình lên men, qua đó người ta thu được những sản phẩm có phân tử lượng nhỏ hơn phân tử lượng của các chất khởi thủy trong nguyên liệu, đồng thời những sản phẩm thu được có thể tạo ra nằng phương pháp hóa học Thực chất của quá trình lên men cổ điển là những phản ứng dị hóa

 Đặc trưng của phương pháp:

Lên men chính và lên men phụ được thực hiện trong hai thiết bị riêng biệt Các thiết bị được đặt trong hầm lạnh

 Thực hiện:

• Lên men chính: Dịch lên men sau khi làm lạnh được chuyển

vào thùng lên men Dịch men giống được chuyển vào thùng lên men theo luồng dịch đường với tỉ lệ men giống 0,5 lít men giống đặc /100 lít dịch lên men nhằm tạo điều kiện cho nấm men tiếp xúc tốt với môi trường và nhanh bước vào gian đoạn lên men đầu Nhiệt độ lên men chính là 8-100C, không tạo áp suất dư.(với hệ

số chứa đầy là φ =0.8-0.85) CO2 sinh ra trong quá trình lên men sẽ hòa tan vào bia non một phần Ðộ hoà tan của CO2 vào bia non sẽ tăng khi nhiệt độ giảm, do đó để đảm bảo lượng CO2 hòa tan trong bia nhiều thì nhiệt độ thời kỳ cuối của quá trình lên men còn khoảng 50C, hàm lượng CO2 trong bia non phải đạt 0,2%

Thời gian lên men chính phụ thuộc vào nồng độ dịch lên men đầu tiên và nhiệt

độ lên men Thời gian lên men chính khoảng 8÷9 ngày đêm Lên men chính được xem là kết thúc khi trong 12h tốc độ lên men chỉ đạt khoảng 0.15-0.2%

• Lên men phụ: Quá trình lên men phụ được tiến hành trong các thùng kín

đặt trong phòng lạnh từ 1÷20C Nhiệt độ lên men phụ khoảng 0,5÷20C, áp suất dư 0,3÷0.7 at Trong quá trình lên men phụ cần theo dõi áp suất trong thiết bị lên men, mức độ trong của bia, nhiệt độ trong phân xưởng

Bia non được chuyển vào từ đáy thiết bị nhằm giảm sự tạo bọt và giảm mất mát CO2 với hệ số chứa đầy là φ = 0.95-0.98% Ðầu tiên có thể cho bia chảy nhanh nhưng về sau do có sự tạo bọt nên cho bia chảy gián đoạn Khi bia non đã đầy thùng bắt đầu thải không khí trên bề mặt bia non Ðể đảm bảo bia thành phẩm

có chất lượng như nhau về màu sắc, mùi vị cũng như thành phần hóa học thì bia non từ một thùng lên men chính có thể chuyển vào nhiều thùng lên men phụ Quá trình chuyển bia non vào thiết bị lên men phụ có thể tiến hành từ từ và kéo dài 1÷2 ngày đêm Tuy nhiên sau 2 ngày đêm thì thùng lên men phụ cần phải chứa đầy bia non nếu không thì dễ bị nhiễm vi sinh vật và sự bão hòa CO2 khó do sự bốc hơi của nó Khi bia chứa đầy thùng thì đóng van điều chỉnh áp suất, tiến hành thải không khí trên bề mặt bia và nâng áp suất đạt theo yêu cầu

Quá trình nâng cao áp suất kéo dài 1÷3 ngày kể từ lúc chuyển xong bia non vào Nếu nâng áp suất quá nhanh thì không khí trên bề mặt bia non sẽ hòa tan vào bia và oxy trong không khí sẽ gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng bia thành phẩm

2.5.1.1 Phương pháp lên men dịch đường có nồng độ cao:

 Nguyên lý thực hiện lên men dịch đường có nồng độ cao:

Sản xuất bia ở nồng độ cao là quá trình lên men dịch đường có nồng độ chất khô cao hơn mức thông thường (10 –120Bx) Bia đã được sản xuất với nồng độ cao sau đó được pha loãng với nước vô trùng đã khử oxy đến khi đạt được hàm