tìm hiểu về hệ enzyme trong đại mạch

Các hợp chất chứa nitơ Tuy chiếm tỷ lệ thấp trong đại mạch nhưng vai trò của chúng đối với công nghệ sản xuất bia thì lại rất quan trọng vì ở chừng mực nào đó, chúng quyết định chất lượn

PHẦN 1

ĐẠI MẠCH

ĐẠI MẠCH

I Đặc tính thực vật

Đại mạch giống gieo trồng (Hordeum sativum-jessen) thuộc nhóm thực vật có hạt (Spermophyta), phân nhóm bí tử (An-giospermae), lớp một lá mầm (monocotyledonae), họ lúa mì (Gramineae).

Họ lúa mì bao gồm rất nhiều loại và nhiều chi Trong chi đại mạch, ngoài loại

được thuần chủng và đưa vào gieo trồng (Hordeum sativum), còn có nhiều loại đại mạch hoang dại khác như H.murinum, H.jubatum, H.bubosum, v.v.

Đại mạch gieo trồng là loại thực vật một năm Chúng được chia thành hai nhóm : đại mạch mùa đông (gieo hạt mùa đông, thu hoạch mùa hè) và đại mạch mùa xuân (gieo hạt mùa xuân, thu hoạch vào mùa thu) Chu kỳ sinh trưởng của đại mạch thông thường là 100 – 120 ngày Kết thúc quá trình, cây sẽ trổ hoa và kết hạt Hoa đại mạch nằm ở phầ trên cùng của cây, và kết thành bông Mỗi một bông bao gồm hai bộ phận : trục bông và gié Khác với cây lúa nuớc của ta, bông đại mạch chỉ có gié cấp một mà không có gié cấp hai

Gié của bông đại mạch thực chất là cuống hạt, được đính trực tiếp vào trục bông Tại mội mắt của trục bông có ba gié, trên mỗi gié có một hoa Số hoa biến thành hạt chắc trên gié quyết định hình dáng của bông đại mạch Thông thường thì số đó là một hoặc ba Nếu một hoa biến thành hạt (còn hai hoa kia bị điếc) thì bông đại mạch sẽ có hai hàng hạt – ta gọi là đại mạch hai hàng Nếu ba hoa biến thành hạt thì bông đại mạch có sáu hàng – ta gọi là đại mạch sáu hàng

a. Đại mạch hai hàng (H.distichum)

b Đại mạch đa hàng (H.polystichum ; H.vulgare)

II CẤU TẠO HẠT ĐẠI MẠCH

Hạt của đại mạch bao gồm ba bộ phận chính : vỏ, nội nhũ và phôi

a Vỏ:Những loại đại mạch không có lớp vỏ trấu bên ngoài thì không dùng được

cho công nghệ sản xuất bia

b Nội nhũ:Nội nhũ là phần lớn nhất đồng thời là phần giá trị nhất của hạt

Cấu trúc của nội nhũ hạt gồm các tế bào lớn có thành mỏng chứa đầy các hạt tinh bột, một ít protêin, xelluloza, chất béo, tro và đường

c Phôi: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

Vai trò to lớn của nó là ở chỗ: đây là trạm hoạt hoá và là nhà máy sản xuất enzim, mà nếu thiếu nó thì cơ sở lý thuyết của quá trình sản xuất malt coi như sụp đổ

III THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA ĐẠI MẠCH

a Nước:Thủy phân cao quá mức cho phép tạo điều kiện thuận lới cho vi sinh vật

phát triển

b Gluxit

• Tinh bột

Hơn một nửa khối lượng chất khô của đaiï mạch là tinh bột

Đối với công nghệ sản xuất malt và bia, tinh bột có hai chức năng : chức năng thứ nhất là nguồn thức ăn dự trữ cho phôi và chức năng thứ hai là nguồn cung cấp chất hòa tan cho dịch đường trước lúc lên men

Tinh bột được phân bố chủ yếu 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 quen gọi là “hạt tinh bột” Hạt tinh bột của đại mạch có hai kích cỡ : hạt to và hạt bé, còn loại hạt trung bình thì rất ít khi gặp trong tự nhiên

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 Tinh bột bao gồm hai polysaccharid hợp thành : amyloza và amylopectin

• Xelluloza

Xelluloza của đại mạch được phân bố chủ yếu ở lớp vỏ trấu và chiếm

khoảng20% chất khô của vỏ

Xelluloza không tan trong nước, hầu như không thay đổi về thành phần và cấu trúc trong suốt tiến trình công nghệ sản xuất bia

Xelluloza đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong quá trình lọc dịch đường vì lớp vỏ trấu là vật liệu tạo màng lọc phụ lý tưởng

• Hemixelluloza

Là thành phần chủ yếu tạo nên thành tế bào, hemixelluloza là một phức hệ bao

gồm pentozan, hexozan và axit uronic

• Các hợp chất pectin và các chất dạng keo

Các hợp chất pectin phân bố ở thành tế bào để tạo ra màng trung gian Trong các hợp chatá pectin chiếm nhiều nhất về khối lượng phải kể đến protopectin

• Saccharid thấp phân tử

Cấu tử chiếm nhiều nhất trong nhóm này là saccharoza, đạt tới 1,8% chất khô của hạt

c Các hợp chất chứa nitơ

Tuy chiếm tỷ lệ thấp trong đại mạch nhưng vai trò của chúng đối với công nghệ sản xuất bia thì lại rất quan trọng vì ở chừng mực nào đó, chúng quyết định chất lượng của sản phẩm cuối cùng

• Protid

Nếu hàm lượng cao quá, bia dễ bị đục, rất khó bảo quản Ngược lại 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

Sự thủy phân protit là một trong những quá trình quan trọng nhất trong công nghệ sản xuất malt và bia Khả năng tạo bọt và giữ bọt của bia cũng như độ bền keo của chúng (độ bền coloid) phụ thuộc trước hết vào mức độ thủy phân của protit Trong nhóm

protein, các đại diện tiêu biểu là levkozinedes-tin, hodein và glutelin Trong suốt quá

trình sản xuất malt và bia thì levkozin, edestin và một phần nhỏ của hodein hòa tan vào dịch đường và tồn tại trong bia, còn những cấu tử khác thì bị kết lắng và bị thải ra ngoài theo bã malt và cặn lắng

• Các hợp chất chứa nitơ phi protit

Các đại diện tiêu biểu của nhóm hợp chất này là : albumoza, pepton, peptid, polypeptid và axit amin

d Các hợp chất không chứa nitơ

Trong nhóm này bao gồm các hợp chất hữu cơ và vô cơ không chứa nitơ và khi được chiết ly bằng nước thì chúng hòa tan thành dung dịch Các đại diện tiêu biểu trong

nhóm này là : polyphenol, chất đắng, fitin, axit hữu cơ, vitamin và chất khoáng.

e Chất béo và lipoid

Tập trung chủ yếu ở phôi và lớp alơron

Thành phần chủ yếu của các loại dầu béo trong đại mạch là este của glyxerin với các axit béo bậc cao

PHẦN 2

CÁC ENZIM TRONG ĐẠI MẠCH NẨY MẦM

I DIỄN BIẾN QUÁ TRÌNH NẢY MẦM

Nảy mầm nhân tạo trong công nghiệp sản xuất bia và nảy mầm tự nhiên của hạt trong lòng đất có cùng nội dung công việc là làm cho hạt nảy mầm nhưng khác nhau về mục đích Sự thích nghi của tự nhiên là hạt nảy mầm trong lòng đất phải tạo được cây non khỏe có khả năng chống chịu cao để bảo toàn tính di truyền, còn nảy mầm nhân tạo, để đạt được mục đích là hoạt hóa và tích lũy enzym, con người buộc lòng phải chấp nhận sự nảy mầm của hạt – vì hậu quả của sự nẩy mầm là kéo theo hao tổn chất dinh dưỡng

Trong giai đoạn đầu của quá trình nảy mầm nhân tạo, trong hạt đại mạch xảy

ra các quá trình hóa sinh, hóa lý, sinh lý giống như khi hạt nảy mầm trong điều kiện tự nhiên Những điều kiện thuận lợi được con người tạo ra như nhiệt độ môi trường, độ ẩm của hạt, độ ẩm tương đối của không khí, sự cung cấp đầy đủ oxy, sự giải thoát triệt để lượng khí cacbonic tạo thành sẽ bảo đảm một cách chắc chắn cho phôi phát triển nhanh Bộ phận đầu tiên của phôi phát triển là mầm rễ Khi rễ dài và khỏe, vỏ nứt thì rễ chui ra ngoài còn lá mầm và thân mầm thì phát triển dưới vỏ Để đảm bảo sự phát triển liên tục của mầm thì nó phải được tiếp nhận chất dinh dưỡng Nguồn dinh dưỡng này đượclấy từ nội nhũ Ơû đây chúng tồn tại dưới dạng cao phân tử Hệ enzym thủy phân đã được hoạt hóa sẽ phân cắt các hợp chất này thành những sản phẩm thấp phân tử dễ hòa tan; hệ enzim thủy phân hoạt động quan trọng nhất trong

giai đoạn này là sitaza (thủy phân hemixelluloza – phá vỡ thành tế bào), α – amylaza,

β – amylaza (thủy phân tinh bột thành đường glucoza, maltoza và dextrin), amylophosphataza (cắt H3PO4 khỏi phân tử amylopeactin làm cho phân tử của chúng

“mềm ra”) và proteaza (thủy phân protein thành axit amin, peptid, albumoza, pepton,

…) Một phần sản phẩm này được vận chuyển vầ phôi để cung cấp cho cây non sinh trưởng (thực tế là chỉ có rễ chứ cây thì chưa có hình hài) phần còn lại được dự trữ ở nội nhũ Khi quá trình ươm mầm kết thúc, hàm lượng các chất dự trữ thấp phân tử này đạt tới 15-17% (trong đại mạch khô chỉ có khoảng 3-4%) so với chất khô

II HỆ ENZIM TRONG ĐẠI MẠCH NẨY MẦM

1.Hydrolaza (nhóm enzim thủy phân)

Phụ thuộc vào cơ chất bị thủy phân, các enzim xúc tác được chia thành các

phân nhóm : cacbohydraza, proteaza và esteraza.

a.Cacbohydraza(thủy phân gluxit)

Nhóm enzim này thủy phân gluxit cao phân tử thành các sản phẩm thấp phân

tử hơn Trong nhóm này có hai phân nhóm nhỏ : polyaza và hexozidaza Hexozidaza

là những enzim tham gia xúc tác thủy phân disaccharid, trisaccharid và một số glucozid khác, còn polyaza là những enzim thủy phân gluxit cao phân tử.chúng bao

gồm : diastaza (amylase) và sitaza.

Diastaza

Diastaza phân cắt tinh bột thành các sản phẩm dạng đường và dextrin Đây là nhóm enzim quan trọng nhất trong công nghệ sản xuất bia Diastaza bao gồm hai enzim : α – amylaza và β- amylaza

Enzym α - amylaza phân cắt tinh bột thành glucoza và dextrin Trong kĩ thuật sản

xuất bia, quá trình này được gọi là quá trình dịch hóa Trong đại mạch khô, không

chứa α – amylaza hoạt tính Chúng chỉ được hoạt hóa ở giai đoạn ngâm và ươm mầm Là enzim chịu nhiệt nhưng α-amylaza lại kém chịu chua Nhiệt độ tối ưu của nó là

700C còn pH là 5.7

Emzim 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 enzim này hoạt động là 630C còn pH là 4.7

Sitaza

Sitaza bao gồm hai enzim : sitoclactaza và sitolitaza Enzim đầu thủy phân

hemixelluloza thành các sản phẩm trung gian, còn enzim sau thủy phân các sản phẩm

trung gian thành sản phẩm cuối cùng là pentoza và hexoza Nhờ có quá trình phân cắt này, thành tế bào mới bị phá hũy, tạo điều kiện thuận lợi cho các enzim khác xâm

nhập vào và nâng cao hoạt lực Cũng do thành tế bào bị phá vỡ mà đến lúc sấy thì hạt trở thành xốp Trong kĩ thuật sản xuất malt, hiện tượng này ảnh hưởng trực tiếp đấn mức độ nhuyễn của bán thành phẩm

Hexozidaza

Hexozidaza là nhóm enzim tham gia phân cắt các loại đường kép và đường bội ba

thành các đường đơn Có ý nghĩa hơn cả trong sản xuất bia là các enzim maltaza ( α – glucozidaza ) và sac – charaza ( β – fructozidaza ).

b.Proteaza

Các enzim ở nhóm này thủy phân protein thành các sản phẩm trung gian và sau đó một số trong các hợp chất này tiếp tục bị phân cắt đến sản phẩm cuối cùng là axit amin và amoniac NH3

Proteinaza

Nhóm enzim này thủy phân protein thành albumoza và pep – ton Sau đó chúng tiếp

tục bị phân cắt thành peptid và polypep-tid

Proteinaza được phân bố chủ yếu ở lớp alơron và ở phôi Trong đại mạch chín

chúng nằm ở trạng thái liên kết Ơû giai đoạn ngâm hạt và ươm mầm, hoạt lực của chúng tăng 3 – 5 lần

Độ chua thích hợp cho nhóm enzim này hoạt động là ở pH = 4.6 – 5.0 còn nhiệt độ

là 50 0 C trong điều kiện sản xuất, lượng albumoza và pepton được tạo ra nhiều nhất ở

nhiệt độ 580C

Peptidaza

Peptidaza bao gồm hai enzim : dipeptidaza và polypeptidaza Chúng tác động lên

phân tử của các dipeptid và polypeptid để phân cắt chúng thành axit amin

Hoạt lực của nhóm này trong đại mạch khô là không đáng kể Đến giai đoạn ngâm và ươm mầm, chúng tăng lên 2 – 3 lần

Peptidaza hoạt động mạnh nhất ở pH = 7.5 và nhiệt độ 50 – 52 0 C nếu hạ pH xuống

dưới 5, nhóm enzim này trở thành vô hoạt

Amidaza

Chức năng chính của enzim amidaza là cắt nhóm amin khỏi axit amin để tạo thành

axit hữu cơ và giải phóng NH 3 chúng cũng có thể phá vỡ mối liên kết peptid (-CO –

NH - ) của các amid để phá hũy chúng

c.Esteraza

Nhóm enzim này phân cắt mối liên kết este giữa các hợp chất hữu cơ khác nhau,

hoặc giữa các hợp chất hữu cơ và vô cơ Nhóm này được chia thành hai nhóm nhỏ :

lipaza và phos-phataza.

Lipaza

Chúng phá vỡ liên kết este giữa rượu đơn hoặc đa chức với các axit béo bậc cao

Enzim này dược phân bố chủ yếu ở phôi và lớp alơron Trong quá trình ươm mầm, hoạt lực của chúng tăng rất nhanh nhưng đến giai đoạn sấy malt thì chúng bị phá hũy Nhiệt độ tối ưu cho hoạt động của lipaza là 350C, còn pH là 5

Amilophosphataza

Enzim này tham gia hỗ trợ quá trình thủy phân tinh bột Chúng cắt mối liên kết este

của axit phosphoric trong phân tử amilopectin Nhờ có quá trình này, tinh bột được hồ

hóa một cách dễ dàng hơn Nhiệt độ tối ưu của enzim này là 700C, còn pH là 5.6

Fitaza

Enzim này phá vỡ mối liên kết este giữa axit phosphoric với inozit, tức là chúng

tham gia thủy phân fitin Quá trình này đóng một vai trò rất quan trọng trong công nghệ sàn xuất bia, vì H3PO4 được giải phóng sẽ làm tăng độ chua tác dụng và tăng cường lực đệm của dịch đường

2 Decmolaza (enzim oxy hóa – khử )

Nhóm enzim decmolaza xúc tác phản ứng oxy hóa – khử của quá trình hô hấp và phân giải yếm khí gluxit ( thực chất là quá trình lên mem rượu ), nghĩa là chúng tham gia trực tiếp vào quá trình trao đổi chất của tế bào Nhóm enzim này đóng vai trò

quyết định trong việc hoạt hóa và phát triển của phôi ở giai đoạn ươm mầm.

Một số enzim trong nhóm decmolaza còn tham gia vào phản ứng oxy hóa – khử các hợp chất polyphenol, protein và các hợp chất khác Và bằng cách đó chúng đã gây ảnh hưởng gián tiếp đến các chỉ số chất lượng của dịch đường và bia thành phẩm

Đại diện tiêu biểu trong nhóm enzim này là dehydraza, oxydaza và catalaza.

PHẦN 3

ỨNG DỤNG CỦA CÁC ENZIM TRONG MALT

1- ENZIM AMYLASE TRONG MALT

Amylase được thu nhận từ malt với số lượng nhiều nhất Malt có thể dùng để chế biến các loại thực phẩm có chất lượng cao như bột dinh dưỡng cho trẻ em, các loại đồ uống tổng hợp cho người già và phụ nữ có thai Dùng làm tác nhân dịch hóa trong công nghệ sản xuất rượu cồn từ tinh bột, làm tác nhân đường hóa trong sản xuất kẹo mạch nha, … nhưng có lẽ công dụng lớn nhất của malt là dùng để sản xuất các loại đồ uống có độ cồn thấp

2- ỨNG DỤNG MALT TRONG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIA

Trong công nghệ sản xuất bia, người ta thường sử dụng enzim amylase có trong mầm đại mạch để thủy phân tinh bột có trong mầm đại mạch Ngoài ra, người ta còn sử dụng các enzym khác có trong mầm đại mạch để thủy phân và chuyển hóa các chất không tan sang trạng thái tan như chuyển protein, cellulose,… sang amino acid và glucose Các quá trình công nghệ này đã được thực hiện hàng ngàn năm nay ở nhiều nước trên thế giới So với các loại enzym amylase từ các nguồn khác, amylase từ thóc đại mạch đã nảy mầm được sử dụng với số lượng nhiều nhất hiện nay

Malt trong công nghiệp sản xuất bia được chia thành hai loại : malt vàng và nalt đen Malt vàng dùng để sản xuất các loại bia vàng (đến thời điểm 1997 ở Việt Nam tất cả các nhà máy chỉ sản xuất bia vàng, chưa sản xuất bia đen) và malt đen dùng để sản xuất các loại bia đen

Đặc điểm nổi bật của malt vàng là có màu vàng sáng, có vị ngọt nhẹ nhàng và hương thơm dịu, đặc trưng của malt Tính chất quan trọng nhất của bia sản xuất từ malt vàng là vị đắng dịu, hương thơm ngát nhưng rất nhẹ nhàng Hai tính chất càm

quang này của bia vàng do hoa houblon quyết định.

Đặc điểm nổi bật của malt đen là có màu sẫm, hương và vị ngọt đậm Bia sản

xuất từ malt đen có độ nhớt cao, hương và vị mang hương, vị của malt và do

melanoid quyết định (chứ không phải do houblon quyết định như ở bia vàng).

Đối với malt vàng quá trình ươm mầm có thể kết thúc khi 75% số hạt có độ dài gấp 1,5 lần chiều dài của hạt còn lá mầm : 2/3 – ¾ Đối với malt đen, chiều dài của rễ dài gấp 2 lần, còn lá mầm bằng ¾ - 1 lần chiều dài của hạt

Trong công nghiệp sản xuất bia, các loại chế phẩm enzim của nấm sợi (ta quen gọi là nấm mốc) được sử dụng rộng rãi nhất Với điều kiện nuôi cấy thích hợp, nấm sợi Aspergillus oryzae có khả năng sinh tổng hợp một lượng lớn amylaza, proteaza, một ít maltaza và invertaza Khi ta bổ sung chế phẩm enzim của các chủng nấm sợi này sẽ bào đảm một cách chắc chắn mức độ thủy phân triệt để các hợp chất cao phân tử của cơ chất

SƠ ĐỒ QUY TRÌNH SẢN XUẤT BIA