Nghiên cứu quá trình lên men bia nồng độ cao sử dụng nấm men cố định trên alginate

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN QUỐC HIỀN NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH LÊN MEN BIA NỒNG ĐỘ CAO SỬ DỤNG NẤM MEN CỐ ĐỊNH TRÊN ALGINATE LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH, 2012 -i- ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN QUỐC HIỀN NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH LÊN MEN BIA NỒNG ĐỘ CAO SỬ DỤNG NẤM MEN CỐ ĐỊNH TRÊN ALGINATE Chuyên ngành: Chế biến thực phẩm đồ uống Mã số chuyên ngành: 62 54 02 01 Phản biện độc lập 1: GS.TS Hoàng Đình Hòa Phản biện độc lập 2: TS Phan Thế Đồng Phản biện 1: PGS.TSKH Ngô Kế Sương Phản biện 2: PGS.TS Đồng Thị Thanh Thu Phản biện 3: TS Trần Bích Lam NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Lê Văn Việt Mẫn TS Hoàng Kim Anh - ii - LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu Những kết trình bày luận án chưa tác giả khác công bố Nghiên cứu sinh Trần Quốc Hiền - iii - LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới giảng viên hướng dẫn khoa học PGS TS Lê Văn Việt Mẫn TS Hoàng Kim Anh tận tình dẫn, giúp đỡ động viên em suốt thời gian thực luận án Tôi xin chân thành cám ơn người thân gia đình động viên tạo điều kiện cho thực luận án Xin chân thành cám ơn Thầy Ngô Đăng Nghĩa, Viện Công nghệ Sinh học Trường Đại học Thủy sản Nha Trang hỗ trợ phân tích tiêu hóa lý chế phẩm alginate; xin cảm ơn chuyên viên Phòng phân tích sắc ký, Trung tâm Hóa dầu, Khoa Kỹ thuật Hóa học, Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh hỗ trợ phân tích sắc ký ethanol số sản phẩm phụ có dịch lên men Đồng thời xin gửi lời cảm ơn tới chuyên viên Phòng thí nghiệm kính hiển vi điện tử, Viện Công nghệ Hóa học, Trung tâm KHTN & CN QG giúp đỡ nhiệt tình phần nghiên cứu thay đổi hình dạng nấm men tác động áp lực thẩm thấu nồng độ ethanol cao trình lên men Xin gửi lời cám ơn tới Quý thầy cô bạn Bộ môn Công nghệ thực phẩm, Trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh giúp đỡ ủng hộ suốt thời gian thực luận án NCS Trần Quốc Hiền - iv - TÓM TẮT LUẬN ÁN Lên men bia nồng độ cao kỹ thuật lên men dịch nha với nồng độ chất khô ban đầu cao (> 15oPt), sau pha loãng sản phẩm bia thu để đạt nồng độ ethanol theo giá trị mong muốn Sản xuất bia nồng độ cao với nấm men cố định gel alginate làm giảm khả tạp nhiễm vi sinh vật lạ; tăng mật độ tế bào đơn vị thể tích dịch lên men, tăng số lần tái sử dụng nấm men phương pháp lên men chu kỳ; tiết kiệm chi phí lượng, chi phí lao động; tăng suất thiết bị lên men; giảm bớt lượng nước cần sử dụng sản xuất Đối với phương pháp lên men chu kỳ, nồng độ dịch nha tăng từ 12 lên 28 Bx, thời gian lên men tăng theo Tuy nhiên thời gian lên men nấm men cố định thấp so với nấm men tự từ 26,2-46,2% Trong trình lên men, nấm men cố định sinh trưởng tốt có tỷ lệ tế bào sống cao nấm men tự Nhìn chung, hoạt tính lên men nấm men cố định tốt nấm men tự lên men bia nồng độ cao Đó chất mang alginate có khả bảo vệ tốt tế bào nấm men trước tác động stress áp lực thẩm thấu stress ethanol o Sự thay đổi mật độ nấm men nồng độ alginate hạt gel ảnh hưởng đến hoạt tính lên men nấm men cố định lên men dịch nha 24oBx từ malt đại mạch Khi tăng mật độ nấm men hạt gel từ 25x106-100x106tb/mL gel tổng số chu kỳ lên men thực giảm, thời gian lên men trung bình hàm lượng ethanol bia non tăng Tuy nhiên, tốc độ sinh tổng hợp ethanol giảm mạnh Khi nồng độ alginate hạt gel thay đổi khoảng 0,5-1,0% w/v, độ bền gel yếu, hạt gel bị dễ vỡ trình lên men Do đó, nồng độ alginate khoảng không thích hợp để cố định nấm men ứng dụng lên men bia nồng độ cao Khi nồng độ alginate hạt gel thay đổi từ 1,5-3,0%w/v, thời gian lên men trung bình chu kỳ giảm nhẹ hàm lượng ethanol trung bình bia non tốc độ sinh tổng hợp ethanol tăng từ 9,59 lên 10,22%v/v từ 0,47 lên 0,72g/L.h Việc tăng tỷ lệ giống cấy để lên men dịch nha 24oBx từ malt đại mạch giải pháp mang lại hiệu kinh tế cho trình lên men bia nồng độ cao sử dụng nấm men cố định gel alginate Giải pháp có rút ngắn thời gian lên men làm cho hàm lượng ethanol bia non giảm đáng kể so với mẫu đối chứng Điều lợi hệ số pha loãng thấp pha bia thành phẩm độ cồn 5%v/v Đối với giải pháp cung cấp oxy vào dịch nha, -v- thời gian sục không khí tăng từ đến 20 lên men thời gian lên men giảm 41,7%; nhiên, hàm lượng ethanol bia non giảm 9,5% Trong trình lên men bia nồng độ cao, thời gian sục khí thích hợp cho dịch nha sau cấy giống 12 giờ, hàm lượng oxy hòa tan dịch lên men suốt thời gian sục khí 7,5 ppm Khi lên men dịch nha 24oBx có 30% suyrup maltose, giải pháp bổ sung Tween 80 ergosterol ảnh hưởng đến hoạt tính lên men nấm men cố định gel alginate Từ kết quy hoạch thực nghiệm, hàm lượng Tween 80 ergosterol tối ưu cần bổ sung vào dịch nha 0,3%v/v 18mg/L Khi đó, thời gian lên men giảm 22,2% hàm lượng ethanol bia non không thay đổi so sánh với mẫu đối chứng Các tế bào nấm men tự nấm men cố định gel alginate chuyển hóa hấp thu loại đường dịch nha glucose, fructose, saccharose maltose lên men Việc cố định nấm men gel Caalginate làm cho tế bào sử dụng maltotrisoe từ lên men đầu tiên, nấm men tự bắt đầu sử dụng maltotriose sau lên men thứ 48 Ngoài ra, hiệu suất sinh tổng hợp ethanol tính theo đường lên men nấm men cố định thấp 8,3% so với nấm men tự Trong đó, hiệu suất sinh tổng hợp sản phẩm phụ khác bia glycerol, acid hữu rượu cao phân tử nấm men cố định thấp 39,1; 13,7 53,8% so với nấm men tự Việc gia tăng tỷ lệ giống cấy từ 1,0x107 tb/mL (mật độ giống cấy thông thường) lên 7,0x107 tb/mL (mật độ giống cấy cao) làm tăng tỷ lệ pha loãng phương pháp lên men liên tục lên 3,2 lần, từ làm tăng suất sử dụng thiết bị lên men Tuy nhiên, việc tăng tỷ lệ giống cấy làm giảm hàm lượng ethanol bia non nên làm giảm thể tích bia tạo thành sau pha loãng bia độ cồn 5% Ngoài ra, nấm men cố định với tỷ lệ giống cấy cao sử dụng liên tục 24 ngày; nấm men cố định tỷ lệ giống cấy thông thường sử dụng 44 ngày Việc tăng tỷ lệ giống cấy làm giảm hàm lượng sản phẩm phụ bia non, ngoại trừ diacetyl Tuy nhiên, hàm lượng acetaldehyde, rượu cao phân tử ethylacetate bia non sau pha loãng độ cồn 5% hai nghiệm thức 1,0x107 tb/mL 7,0x107 tb/mL nằm ngưỡng cho phép - vi - MỤC LỤC Trang TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN TÓM TẮT LUẬN ÁN i ii iii iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ ĐỊNH NGHĨA DANH MỤC CÁC BẢNG ix xi DANH MỤC CÁC HÌNH xiii MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tình hình phát triển ngành công nghiệp sản xuất bia Việt Nam 3 1.2 Nấm men bia cố định 1.2.1 Định nghĩa 1.2.2 Yêu cầu chất mang phương pháp cố định nấm men bia 1.2.3 Chất mang cố định nấm men 1.2.4 Phương pháp cố định nấm men 1.3 Lên men bia nồng độ cao 1.3.1 Định nghĩa 1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình lên men bia nồng độ cao 1.3.2.1 Ảnh hưởng nồng độ chất khô ban đầu dịch nha 1.3.2.2 Ảnh hưởng thành phần dinh dưỡng dịch nha 10 1.3.2.3 Ảnh hưởng mật độ nấm men gieo cấy ban đầu 10 1.3.2.4 Ảnh hưởng hàm lượng oxy dịch nha ban đầu 11 1.3.2.5 Ảnh hưởng nhiệt độ lên men 12 1.3.2.6 Ảnh hưởng nồng độ ethanol dịch lên men 13 1.4 Ứng dụng nấm men cố định trình lên men bia nồng độ cao 1.4.1 Tính chất sinh lý nấm men cố định 1.4.2 Khả sử dụng chất 1.4.3 Khả chịu đựng yếu tố bất lợi 1.4.4 Khả sinh tổng hợp sản phẩm trao đổi chất 13 13 14 14 15 - vii - 1.5 Chất mang alginate 1.5.1 Cấu trúc alginic acid 1.5.2 Khả tạo gel alginate 1.6 Tình hình nghiên cứu nước kỹ thuật lên men bia nồng độ cao sử dụng nấm men cố định gel alginate 1.6.1 Tình hình nghiên cứu nước 1.6.2 Tình hình nghiên cứu nước 1.7 Nội dung nghiên cứu luận án 16 17 17 19 CHƯƠNG NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 2.1 Nguyên liệu 2.2 Phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Thiết bị lên men 2.2.2 Phương pháp thực nghiệm 2.2.3 Bố trí thí nghiệm 2.2.4 Một số quy trình chuẩn bị nguyên liệu cho thí nghiệm 2.3 Phương pháp phân tích 2.4 Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm 2.5 Công thức tính toán 26 26 27 27 28 29 45 46 47 48 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 50 3.1 Ảnh hưởng việc cố định tế bào gel alginate đến hình thái khả lên men bia nồng độ cao nấm men cố định 3.1.1 So sánh hoạt tính lên men nấm men tự nấm men cố định nồng độ dịch nha thay đổi 3.1.2 Quan sát hình thái nấm men điều kiện stress áp lực thẩm thấu stress ethanol tăng cao 3.1.3 Xác định mật độ tế bào nồng độ alginate thích hợp 1mL gel để cố định nấm men ứng dụng trình lên men bia nồng độ cao 3.1.4 Quan sát hình thái hạt gel trình lên men bia nồng độ cao theo phương pháp chu kỳ 3.1.5 So sánh hoạt tính lên men nấm men cố định nấm men tự trình tái sử dụng để lên men bia nồng độ cao theo phương pháp chu kỳ 3.2 Nghiên cứu ứng dụng nấm men cố định để lên men dịch nha 24oBx từ malt đại mạch 3.2.1 Khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ giống cấy đến khả lên men 50 19 21 23 50 62 65 68 70 75 75 - viii - nấm men cố định 3.2.2 Đánh giá ảnh hưởng thời gian sục khí giai đoạn đầu trình lên men đến khả lên men nấm men cố định 3.3 Sử dụng nấm men cố định để lên men dịch nha có bổ sung liệu syrup maltose 3.3.1 Khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ liệu đến hoạt tính lên men nấm men cố định trình lên men bia nồng độ cao 3.3.2 Đánh giá ảnh hưởng phương pháp bổ sung Tween 80 vào dịch nha đến hoạt tính lên men nấm men cố định 3.3.3 Đánh giá ảnh hưởng phương pháp bổ sung ergosterol vào dịch nha đến hoạt tính lên men nấm men cố định 3.3.4 Đánh giá ảnh hưởng phương pháp bổ sung kết hợp Tween 80 ergosterol đến hoạt tính lên men nấm men cố định 3.3.5 Thiết lập phương trình cân vật chất trình lên men sử dụng nấm men cố định nấm men tự 3.4 Bước đầu thử nghiệm sử dụng nấm men cố định lên men dịch nha có bổ sung liệu phương pháp lên men liên tục 3.5 So sánh phương án lên men bia nồng độ cao sử dụng nấm men cố định gel alginate 84 93 93 98 100 102 110 118 126 KẾT LUẬN 129 KIẾN NGHỊ DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ TÀI LIỆU THAM KHẢO 131 132 133 - ix - DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ ĐỊNH NGHĨA A CHỮ VIẾT TẮT - o - o - DEAE: Diethylaminoethyl - DCM (Delignified cellulose materials): Nguyên liệu cellulose tách lignin - EDTA: Ethylen diamin tetraacetic acid - FAN (Free amino nitrogen): Nitơ amin tự - SEM (Scanning electron microscope): Kính hiển vi điện tử quét - VDK: Vicinal diketones - YE (Yeast extract): Chất chiết nấm men - YPC (Yeast peptide complex): Hỗn hợp peptide trích ly từ nấm men - M/G: Tỷ lệ D-mannuronic acid/L-guluronic acid chế phẩm alginate Bx: Độ Brix Pt: Độ Plato B ĐỊNH NGHĨA - Độ Brix: đơn vị đo hàm lượng đường hòa tan dung dịch Một độ Brix tương ứng với gam saccharose hòa tan 100 gam dung dịch 20oC Theo lý thuyết, 1oBx tương đương với 1oPt tương đương với 1%w/w - Nấm men cố định: nấm men gắn chất mang nhốt chất mang có vị trí hoạt động bị giới hạn vùng không gian định bình lên men có khả trì hoạt tính trao đổi chất - Khả sinh trưởng thực nấm men hay số lượng tế bào nấm men sinh trưởng thực: hiệu số tổng số tế bào nấm men cực đại trình lên men bia số lượng tế bào nấm men gieo cấy ban đầu - 99 - Phụ lục 3.39: Mẫu dịch lên men 120 giờ, nấm men tự do, lần Phụ lục 5.40: Mẫu dịch lên men 120 giờ, nấm men tự do, lần - 100 - Phụ lục 5.41: Mẫu dịch lên men 132 giờ, nấm men tự do, lần Phụ lục 5.42: Mẫu dịch lên men 132 giờ, nấm men tự do, lần - 101 - Phụ lục 5.43: Mẫu dịch lên men 144 giờ, nấm men tự do, lần Phụ lục 5.44: Mẫu dịch lên men 144 giờ, nấm men tự do, lần - 102 - Phụ lục 5.45: Mẫu dịch lên men 156 giờ, nấm men tự do, lần Phụ lục 5.46: Mẫu dịch lên men 156 giờ, nấm men tự do, lần - 103 - Phụ lục 5.47: Mẫu dịch lên men 168 giờ, nấm men tự do, lần Phụ lục 5.48: Mẫu dịch lên men 168 giờ, nấm men tự do, lần - 104 - Phụ lục 5.49: Mẫu dịch lên men 180 giờ, nấm men tự do, lần Phụ lục 5.50: Mẫu dịch lên men 180 giờ, nấm men tự do, lần - 105 - PHỤ LỤC KẾT QUẢ PHÂN TÍCH TỪ CÁC TRUNG TÂM PHÂN TÍCH - 106 - - 107 - - 108 - - 109 - - 110 - - 111 - - 112 - - 113 - [...]... men, 115 cỏc acid amin trong dch nha, ru cao phõn t v acid hu c trong bia non khi lờn men bia nng cao s dng nm men c nh v nm men t do Bng 3.17: Lng c cht ó c nm men s dng hoc hm lng sn phm do 116 nm men sinh ra trong bia non trong quỏ trỡnh lờn men bia nng cao s dng nm men c nh trong gel alginate v nm men t do Bng 3.18: S mole c cht hoc sn phm tớnh theo 1 mole ng lờn men trong quỏ 116 trỡnh lờn men. .. lờn men ph trong phng phỏp lờn men bia truyn thng, lờn men bia khụng cn hoc bia cú cn thp, lờn men bia nng cao [9], [19], [20] Trong quỏ trỡnh lờn men bia, vic s dng nm men c nh cú nhng thun li nh: n nh hot tớnh lờn men ca nm men trong mt khong thi gian di [21], [22], [23]; tng mt t bo trong mt n v th tớch dch lờn men [24], [25]; s dng phng phỏp lờn men liờn tc [24], [25]; tng s ln tỏi s dng nm men. .. nõng cao nng sut v cht lng bia Trong nhúm k thut mi c ỏp dng gia tng nng sut sn xut bia thỡ k thut lờn men bia nng cao ngy cng tr nờn ph bin [4], [5] Thnh cụng ca k thut lờn men bia nng cao ph thuc vo kh nng ca nm men bia chu c 2 kiu stress: stress ỏp lc thm thu do nng cht khụ tng cao trong dch nha ban u v stress ethanol do nng ethanol tng cao trong dch lờn men Hin nay, vic sn xut bia nng cao. .. lờn men bia nng cao s dng nm men c nh v nm men t do Bng 3.19: Hiu sut (%) tng hp sinh khi v sn phm tớnh theo ng lờn men 117 trong quỏ trỡnh lờn men bia nng cao s dng nm men c nh v nm men t do Bng 3.20: nh hng ca t l ging cy n kh nng lờn men liờn tc ca nm men 121 c nh trong gel alginate Bng 3.21: Nng ca mt s sn phm trong bia non (mg/l) khi s dng nm men c nh v mt ging cy thay i (dung dch bia non... dng k thut lờn men bia nng cao vi hm lng cht khụ thp hn nhiu so vi th gii v cha s dng nm men c nh trong quy trỡnh sn xut bia nng cao Da trờn nhng phõn tớch v nhu cu th trng, tỡnh hỡnh nghiờn cu v sn xut bia trong nc, cng nh nh hng phỏt trin ca ngnh bia trong nhng nm ti, chỳng tụi thc hin ti nghiờn cu quỏ trỡnh lờn men bia nng cao s dng nm men c nh trong gel alginate nhm mc ớch nõng cao nng sut sn... ca nm men; do ú, thi gian lờn men b kộo di v lờn men thp Ngoi ra, lờn men bia nng cao cũn lm thay i hm lng cỏc sn phm trao i cht ca nm men nh ester, ru cao phõn t v diacetyl trong bia Vic b sung cỏc ngun dinh dng khỏc nhau vo dch nha, gia tng mt ging cy, cp oxy y ti thi im phự hp v kim soỏt nhit lờn men l nhng gii phỏp ó c s dng lm tng hiu qu ca quỏ trỡnh lờn men bia nng cao 1.4 ng dng nm men. .. trong bia non (mg/L) khi s dng nm 109 men c nh trong lờn men bia nng cao vi s b sung thnh phn Tween 80 v ergosertol (dung dch bia non c pha loóng vi hm lng ethanol l 5%v/v) Bng 3.15: Thnh phn acid amin trong dch nha (mg/100g) v trong bia non (mg/100g)114 c lờn men bi nm men c nh trong gel alginate v nm men t do (Dch nha 24oBx, t l th liu syrup maltose l 30%) Bng 3.16: T l thnh phn nguyờn t ca nm men bia, ... nha 24oBx vi t l th liu syrup maltose 30%w/w, s dng nm men c nh trong gel alginate) Hỡnh 3.35: S thay i hm lng cỏc ng lờn men trong quỏ trỡnh lờn men bia 110 nng cao khi s dng nm men t do (Dch nha 24oBx, t l th liu syrup maltose l 30%) Hỡnh 3.36: S thay i hm lng cỏc ng lờn men trong quỏ trỡnh lờn men bia 110 nng cao khi s dng nm men c nh trong gel alginate (Dch nha 24oBx, t l th liu syrup maltose l... 1,0x107 tb/mL gel Ht gel (ỉ3,5mm dy 0,3mm); lờn men tnh [36] 1,0x107 tb/mL gel Ht gel (ỉ3,5mm dy 0,3mm); lờn men tnh [100] 6 9 PVA -9- 1.3 Lờn men bia nng cao 1.3.1 nh ngha Lờn men bia nng cao l k thut lờn men dch nha vi nng cht khụ ban u rt cao (>15oPt), sau ú pha loóng sn phm bia thu c t nng ethanol theo giỏ tr mong mun [6], [101] Sn xut bia nng cao s cú mt s im thun li liờn quan n quy trỡnh... s dng nm men c nh v nm men t do vi nng dch nha thay i t 12-28oBx Bng 3.3: Mt t bo nm men trong 1mL gel nh hng n hot tớnh lờn men 65 ca nm men c nh vi dch nha 24oBx (Thi gian kho sỏt l 150 ngy) Bng 3.4: nh hng ca nng alginate trong 1mL gel alginate- nm men n kh 66 nng lờn men ca nm men c nh vi dch nha 24oBx Bng 3.5: Thi gian lờn men v hm lng ethanol cú trong bia non theo phng phỏp 71 lờn men chu k