ứng dụng enzyme trong sản xuất bia

Hiện nay, trong công nghệ sản xuất bia, người ta thường sử dụng enzymeamylase có trong mầm đại mạch để thủy phân tinh bột có trong mầm đại mạch.Ngoài ra, người ta còn sử dụng các enzyme

I. MỞ ĐẦU

Sử dụng enzyme trong sản xuất và đời sống là một vấn đề được các nhàkhoa học và kỹ thuật chú ý từ lâu Ngày nay, việc sử dụng này đã trở thành phổbiến 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 sinhtrưởng, sinh sản của thực vật mà nó còn đóng vai trò rất quan trọng trong chếbiến thực phẩm, trong y học, trong kỹ thuật phân tích, trong công nghệ gen vàbảo vệ môi trường

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

Hiện nay, trong công nghệ sản xuất bia, người ta thường sử dụng enzymeamylase có trong mầm đại mạch để thủy phân tinh bột có trong mầm đại mạch.Ngoài ra, người ta còn sử dụng các enzyme khác có trong mầm đại mạch đểthủy phân và chuyển hóa các chất không tan sang trạng thái tan như chuyểnprotein, cellulose… sang amino acid và glucose Lợi dụng quy luật sinh lý bìnhthường này của hạt, loài người đã biết can thiệp rất khoa học để quá trình trênđược tiến hành nhanh hơn, mạnh hơn và biết ngưng ở giai đoạn nhất định, phục

vụ cho mục đích của mình trong việc tạo ra sản phẩm là bia chứ không phải làcây lúa mạch như trong sản xuất nông nghiệp Tuy nhiên, xét về mặt kỹ thuậtthấy có một số thiếu sót cơ bản như lượng chất khô bị tiêu hao trong quá trìnhnảy mầm là rất lớn; quá trình này đòi hỏi thời gian cho sinh tổng hợp các loạienzyme và quá trình chuyển hóa vật chất ; … do đó , sử dụng enzyme từ vi sinhvật là hướng nghiên cứu và ứng dụng ở nhiều nước Việc ứng dụng enzyme từnguồn vi sinh vật vào sản xuất bia không phải là nhằm mục đích thay thế hoàntoàn amylase có trong hạt malt mà chỉ ứng dụng vào từng công đoạn nhất định

để hoàn thiện hơn trong quá trình sản xuất Tuy nhiên, các nhà máy bia ở nước

ta chưa chú ý tới việc sử dụng enzyme trong quá trình sản xuất Xuất pháttừnhững lý do trên nhóm em chọn đề tài “Ứng dụng của enzyme trong sản xuất

bia” với mong muốn những ứng dụng của enzyme sẽ được sử dụng rộng rãitrong việc sản xuất bia.

II. NỘI DUNG

II.1 Tình hình sản xuất và tiêu thụ bia hiện nay

II.1.1 Trên thế giới

Đối với các nước có nên công nghiệp phát triển, đời sống kinh tế cao thìcao thì bia được sử dụng như một loại nước giải khát thông dụng

Hiện nay trên thế giới có trên 25 nước sản xuất bia với sản lượng trên 100

tỉ lít/ năm trong đó: Mỹ, Đức mỗi nước sản xuất trên dưới 10 tỉ lít/ năm, TrungQuốc 7 tỉ lít/ năm

Lượng bia tiêu thụ tăng hầu như khắp càng vùng, ngoại trừ vùng ĐịaTrung Hải, đẩy lượng tiêu thụ trên toàn thế giới tăng theo Nhưng lượng tăngđáng kể nhất là Trung Quốc, Thái Lan, Philippin với tốc độ tăng đến 11,2%

Châu Á là một trong những khu vực lượng bia tiêu thụ đang tăng lênnhanh, các nhà nghiên cứu thị trường bia của thế giới nhận định rằng châu Áđang dần giữ vị trí đứng đầu về tiêu thụ bia trên thế giới

Trong khi sản xuất bia ở châu Âu có xu hướng giảm, thì châu Á, trước kia

có mức tiêu thụ bia trên đầu người thấp thì đến nay tăng bình quân 6,5%/ năm.Thái Lan có mức tăng bình quân cao nhất 26,5%/ năm, tiếp theo là philippin22,2%/ năm, Malaysia 21,7%/ năm, Indonexia 17,7%/ năm Đấy là những nước

có tốc độ tăng nhanh trong khu vực

Thị trường bia Nhật Bản chiếm 66% thị trường bia khu vực với 30,9 tỉUSD Năm 1939 sản lượng bia ở Nhật Bản là 30 triệu lít và mức tiêu thụ đầungười tương đương ở Việt Nam hiện nay, năm 1960 sản lượng bia vượt quá 100triệu lít, đến năm 1991 mức tiêu thụ bình quân đầu người là 55,6 lít/ người/ năm.Lượng bia tiêu thụ trong năm 2004 đã đạt trên 6500 triệu lít

Công nghiệp bia của Trung Quốc phát triển là nguyên nhân chủ yếu thúcđẩy sự tăng trưởng của ngành bia châu Á Từ năm 1980-1990 sản lượng bia tăng

từ 69,8 triệu lít lên 1230 triệu lít, tức tăng 17 lần Thời kỳ từ 1981-1987 mứctăng trưởng trên 20% Đến năm 2004, tổng lượng bia tiêu thụ ở Trung Quốc là

28640 triệu lít, xếp thứ hạng đầu tiên trên thế giới

Tổng lượng bia tiêu thụ của các nước khu vực châu Á trong năm 2004 đạt

43147 triệu lít, tăng 11,2% so với năm 2003

II.1.2 Tại Việt Nam

Bia được đưa vào Việt Nam từ năm 1890 cùng với sự có mặt của nhà máybia Sài Gòn và nhà máy bia Hà Nội, như vậy ngành bia Việt Nam có lịch sử trên

100 năm

Hiện nay nhu cầu của thị trường, chỉ trong một thời gian ngắn, ngành sảnxuất bia có những bước phát triển mạnh mẽ thông qua việc đầu tư và mở rộngcác nhà máy bia đã có từ trước và xây dựng các nhà máy bia mới thuộc Trungương và địa phương quản lý, các nhà máy lien doanh với các hãng nước ngoài.Công nghiệp bia phát triển kéo theo sự phát triển của các ngành sản xuất khác

Ngành bia là một trong những ngành có mức thuế TTĐB cao lên hàngnăm nộp vào ngân sách nhà nước một lượng đáng kể

+ Tình hình sản xuất bia trong nước

Năm năm trở lại đây, do tác động của nhiều yếu tố như tốc độ tăng trưởngGDP, tốc độ tăng dân số, tốc độ đô thị hóa, tốc độ đầu tư… mà ngành côngnghiệp bia đã phát triển với tốc độ cao Chẳng hạn như năm 2003, sản lượng biađạt 1290 triệu lít, tăng 20,7% so với năm 2002, đạt 79% so với công suất thiết

kế, tiêu thụ bình quân đầu người đạt 16 lít/ năm, nộp ngân sách nhà nướckhoảng 3650 tỷ đồng

+ Về số lượng cơ sở sản xuất

Số lượng cơ sở sản xuất giảm xuống so với những năm cuối thập niên

1990, đến năm 2003 chỉ còn 326 cơ sở sản xuất so với 469 cơ sở tính từ năm

1998 Điều này là do yêu cầu về chất lượng bia, về mức độ vệ sinh an toàn thựcphẩm ngày càng cao, đồng thời do sự xuất hiện của nhiều doanh nghiệp bia lớn

có thiết bị hiện đại, thiết bị tiên tiến nên có sự cạnh tranh gay gắt,nhiều cơ sở sảnxuất quy mô nhỏ, chất lượng thấp không đủ khả năng cạnh tranh đã phá sảnhoặc chuyển sang sản xuất sản phẩm khác Trong các cơ sở sản xuất bia đó, cóSabeco chiếm sản xuất trên 200 triệu lít/ năm, Habeco năng suất hơn 100 triệulít/ năm, 15 nhà mayys bia có năng suất trên 15 triệu lít/ năm và khoảng 165 cơ

sở sản xuất có năng lực dưới 1 triệu lít/ năm

Hai tổng công ty Bia- Rượu-Nước giải khát Hà Nội và Sài Gòn là 2 đơn

vị đóng góp tích cực và giữ vai trò chủ đạo trong ngành bia Theo báo cáo củacác tỉnh thành phố trực thuộc trung ương và của hai tổng công ty, riêng năm

2003, doanh thu của ngành Bia Rượu Nước giải khát đạt 16497 tỷ đồng, nộp

ngân sách nhà nước 5000 tỷ đồng, tạo điều kiện việc làm và thu nhập ổn đinhcho trên 20000 lao động sản lượng bia tiêu thụ toàn quốc đạt 1290 triệu lít,78,8% công suất thiết kế trong đó Habeco và Sabeco đạt 472,28 triệu lít ( chiếm36,61% toàn ngành bia) Hai tổng công ty đã phát huy hết năng suất, phải giacông tại một số địa phương nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của ngườitiêu dùng

+ Về thương hiệu bia

Những thương hiệu bia sản xuất tại việt nam đang chiếm ưu thế, đứng vứng trênthị trường và có khả năng tiếp tục phát triển mạnh trong quá trình hội nhập, đólà: Sài Gòn, Sài Gòn special, 333, Hà Nội, Heineken, Tiger, Halida… Lượng biathuộc các thương hiệu này đạt 713,8 triệu lít chiếm 55,24% thị phần tiêu thụ.Mảng thị trường bia cao cấp cũng đã xuất hiện một số loại bia nhập khẩu và cácnhà máy bia tươi ( tại Hà Nội, cũng như thành phố Hồ Chí Minh có trên 10 nhàhàng bia tươi) với sản lượng nhỏ nhưng đang ngày càng được ưa chuộng

+ Về trình độ công nghệ và thiết bị:

Các nhà máy bia có công suất trên 100 triệu lít/ năm đều có hệ thống thiết

bị hiện đại, tieentieens nhập khẩu từ các nước có nền công nghiệp sản xuất bia

phát triển như: Đức, Đan Mạch… Các nhà máy bia có công suất trên 20 triệu lít/năm cho đến nay đã đầu tư chiều sâu, đổi mới thiết bị, tiếp thu trình độ côngnghệ tiên tiến vào sản xuất

+ Về nguyên liệu cho ngành bia

Năm 2003, kim ngạch nhập khẩu nguyên liệu cho ngành sản xuất bia( chủ yếu là malt và hoa houblon) khoảng 76 triệu Usd Tổng công ty Habeco đãthử thử nghiệm trồng cây đại mạch ở một số nơi nhưng chưa có kết quả do sựkhông phù hợp về thổ nhưỡng và khí hậu hiện tại, đã có một nhà máy sản xuấtmalt đại mạch với công suất trên 50000 tấn/ năm và có khả năng mở rộng nên

100000 tấn/ năm

Bã malt

Xử lý nguyên liệu Nghiền nguyên liệu Nấu nguyên liệu Lọc tách bã malt Houblon hóa Lắng trong và làm lạnh

Lên men chính Lên men phụ và tàng trữ bia non

Lọc trong bia

Ổn định bia sau khi lọc

Chiết chai Thanh trùng Bia thành phẩm

Bã hoa

II.1.3: Quy trình sản xuất bia

Nguyên liệu

Men giống

II.2 Enzyme dùng trong sản xuất bia

II.2.1 Enzyme - amylase

a) Cấu tạo:

Enzyme α-Amylase là proteincó phân tử lượng thấp, thường nằm trongkhoảng50.000 đến 60.000 Dal Có một số trường hợp đặc biệt như α-Amylase từ

loài vi khuẩn Bacillus macerans có phân tử lượng lên đến 130.000 Dal Đến nay

người ta đã biết rất rõ cácchuỗi acid amin của 18 loại α-Amylase nhưng chỉ có 2

loại α-Amylase là taka-Amylase từ Apergillus orysee và α-Amylase của tụy lợn

được nghiên cứu kỹ về hình thể không gian cấutrúc bậc 3 Mới đây các nghiêncứu về tính đồng nhất của chuỗi mạch acid amin và về vùng kịnước cho thấy cácchuỗi mạch acid amin của tất cả các Enzyme α-Amylase đều có cấu trúc bậc 3tương tự nhau

Cấu trúc không gian của α-Amylase

b Cơ chế tác dụng:

Amylase từ các nguồn khác nhau có nhiều điềm rất giống nhau Amylase có khả năng phân cắt các liên kết α-1,4-glucoside nằm ở phía bên trongphân tử cơ chất ( tinh bộthoặc glycogen ) một cách ngẫu nhiên, không theo mộttrật tự nào cả α-Amylase không chỉthủy phân hồ tinh bột mà nó thủy phân cảhạt tinh bột nguyên song với tốc độ rất chậm

α-Quá trình thủy phân tinh bột bởi α-Amylase là quá trình đa giai đoạn:+ Ở giai đoạn đầu ( giai đoạn dextrin hóa ): Chỉ một số phân tử cơ chất bịthủy phân tạo thành một lượng lớn dextrin phân tử thấp (α-dextrin ), độ nhớt của

hồ tinh bột giảm nhanh( các amylose và amylopectin đều bị dịch hóa nhanh )

+ Sang giai đoạn 2 ( giai đoạn đường hóa ): Các dextrin phân tử thấp tạothành bị thủy phân tiếp tục tạo ra các tetra-trimaltose không cho màu với iodine.Các chất này bị thủy phân rất chậm bởi α-Amylase cho tới disaccharide vàmonosaccharide Dưới tác dụng của α-Amylase, amylose bị phân giải khá nhanhthành oligosaccharide gồm 6 - 7 gốc glucose ( vìvậy, người ta cho rằng α-Amylase luôn phân cắt amylose thành từng đoạn 6 - 7 gốcglucopiranose 1 )

+ Sau đó, các poliglucose này bị phân cắt tiếp tục tạo nên các mạchpolyglucosecolagen cứ ngắn dần và bị phân giải chậm đến maltotetrose,maltotriose và maltose Qua mộtthời gian tác dụng dài, sản phẩm thủy phân củaamylose chứa 13% glucose và 87% maltose.Tác dụng của α-Amylase lênamylopectin cũng xảy ra tương tự nhưng vì không phân cắt được liên kết α-1,6-glycoside ở chỗ mạch nhánh trong phân tử amylopectin nên dù có chịu tác dụnglâu thì sản phẩm cuối cùng, ngoài các đường nói trên ( 72% maltose và 19%glucose ) còn códextrin phân tử thấp và isomaltose 8%

Tóm lại, dưới tác dụng của α-Amylase, tinh bột có thể chuyển thànhmaltotetrose,maltose, glucose và dextrin phân tử thấp Tuy nhiên, thông thườngα-Amylase chỉ thủy phântinh bột chủ yếu thành dextrin phân tử thấp không chomàu với Iodine và một ít maltose Khảnăng dextrin hóa cao của α-Amylase làtính chất đặc trưng của nó Vì vậy, người ta thường gọi loại Amylase này làAmylase dextrin hóa hay Amylase dịch hóa

4 ngày trong giai đoạn nảy mầm thì hoạt lực đạt tới mức cực đại vào ngày thứ 7.

* Phương pháp thu từ malt đại mạch

* Phương pháp thu nhận từ Vi sinh vật:

- Sự tổng hợp enzyme amylase không những phụ thuộc vào tính chất ditruyền của vi sinh vật mà còn phụ thuộc vào việc tuyển chọn các điều kiện nuôicấy đặc hiệu, ngoài ra các điều kiện lý hóa trong quá trình nuôi cấy cũng đóngvai trò quan trọng

- Những yếu tố ảnh hưởng: thành phần môi trường, tính chất cơ lý củamôi trường, độ tiệt trùng, độ ẩm ban đầu, độ thoáng khí nhiệt độ và pH môitrường

- Có hai phương pháp nuôi Vi sinh vật:

+ Nuôi vsv tạo α -amylase bằng phương pháp bề mặt

+ Nuôi vsv tạo α -amylase bằng phương pháp bề sâu

- Quy trình công nghệ sản xuất α –amylase từ Asp.oryzase

Quy trinh công nghệ.

Phương pháp thu nhận từ động vật: 98% tụy tạng được cấu tạo từ tế bàongoại bào tiết hoặc là tế bào tuyến Các tế bào này tiết enzyme tiêu hóa vàotrong tế bào

d Ứng dụng trong sản xuất bia

Trong công nghệ sản xuất bia truyền thống các nước phương Tây chủ yếu

sử dụng enzim α –amylase của malt để thủy phân tinh bột trong malt , sau đó

đến giai đoạn rượu hóa bởi nấm men Saccharomyces Cơ sở khoa học của việc

sử dụng malt là khi đại mạc chuyển từ trạng thái hạt sang trạng thái nảy mầm,enzyme α –amylase sẽ được tổng hợp và enzyme này sẽ thủy phân tinh bột cótrong hạt tạo ra năng lượng và vật chất cho sự nảy mầm

Enzyme α –amylase tác động vào giai đoạn đường hóa biến đổi tinh bộtthành các dextrin và maltose Qúa trình nảy mầm xảy ra trong giai đoạn nấu biaTrong quá trình này malt sau khi được nghiền sẽ hòa tan chung với nước theomột tỷ lệ thích hợp dưới tác dụng của các enzyme ở nhiệt độ nhất định sẽ đượcđường hóa trong nồi nấu malt

Trong giai đoạn lên men tiếp theo, các chát đường , dextrin có phân tửthấp sẽ được chuyển hóa thành rượu etylic, C02 và một số sản phẩm phụ kháctạo thành bia theo yêu cầu kỹ thuật và chất lượng sản phẩm.

II.2.2 Enzyme - amylase

a) Tính chất vật lý:

- Chỉ có trong malt, kém bền ở nhiệt độ cao, bị vô hoạt hoàn toàn ở 70◦C

- Kém bền khi có Ca2+

- Bị kìm hãm bởi Cu2+, Hg2+, urease, iodoacetamide, iodine, ôzon…

- pH tối thích trong dung dịch tinh bột thuần khiết là 4,6 còn trong dung dịch nấu(khôngsôi) là 5,6

- Nhiệt độ tối thích trong dung dịch tinh bột thuần khiết là 40 – 50 ◦C còn trongdịch nấu tinh bột là 60 – 65 ◦C

b) Cấu tạo:

- Enzyme β- amylase là một albumin

- Tâm xúc tác của nó chứa nhóm– SH và – COOH cùng với vòng imizadol củacác gốc histidin

- Là một enzyme ngoại phân( exoenzyme), có ái lực với các liên kết glycodise các đầu không khử của một mạch liên kết – 1,4 glycodise

1,4-c) Nguồn gốc:

- Chỉ phổ biến ở giới thực vật, đặc biệt có ở hạt nảy mầm (malt)

- Trong vi khuẩn thì không có

- Còn trong nấm sợi( nấm mốc) thì cho đến nay vẫn chưa chứng minh hoàn toànd) Tác dụng trong quá trình sản xuất bia:

- Chủ yếu trong giai đoạn đường hóa: biến đổi tinh bột thành các dextrin vàmaltose

- Cơ chế:

+ Enzyme β- amylase xúc tác sự thủy phân các liên kết 1,4 – glucan trongtinh bột, glycopen và saccharide, phân cắt tuần tự từng nhóm maltose từ đầukhông khử của mạch Maltose được hình thành do sự xúc tác của β – amylase.

+ Hầu như không thủy phân hạt tinh bột nguyên mà chỉ thủy phân tinh bột

Nếu có cả α và β – amylase cùng đồng thời tác dụng lên tinh bột thìtinh bột bị phân hủy đến 95%

II.2.3 enzyme glucoamylase

a.Cấu tạo hóa học enzym glucoamylase

- Enzym glucoamylase có mã số EC: 3.2.1.Tên khoa học: glucan glucohydrolase Ngoài ra enzym glucoamylase còn có các tên gọi khác như:amyloglucosidase γ – amylase; lysosomal α – glucosidase; acid maltase; exo-1,4-α-glucoside; glucose amylase; γ -1.4 -glucan glucohydrolase

1,4-α-Glucoamylase I và glucoamylase II Cả hai dạng glucoamylase đều lànhững chuổi glyco – protein, trong phân tử có chứa D – gluco, D – maltose, D –galactose, thành phần carbonhydrate trong phân tử glucoamylase I chiếmkhoảng 18%, còn với phân tử glucoamylase II là 10%

- Phân tử carbonhydrate tham gia trong thành phần cấu tạo enzyme glucoamylaseđóng vai trò giúp ổn định cấu trúc enzyme Ngoài ra chúng còn giúp tạo liên kếtvới cơ chất là các phân tử polysaccharide giúp cho vùng xúc tác trên enzym gầnvới cơ chất hơn, do đó quá trình thủy phân của enzyme thuận lợi hơn.Thànhphần acid amine tham gia tạo thành chuổi polypeptid trong phân tửglucoamylase cũng khác nhau khi enzyme glucoamylase được thu nhận từ cácnguồn khác nhau.Số lượng acid amine tham gia vào chuổi polypeptid cấu tạo

nên phân tử glucoamylase thu nhận từ nấm mốc Aspergillus niger và

Aspergillus awamori khoảng 650 – 700 acid amin Các acid amin chính tham gia