Biến đổi sinh hóa trong sản xuất bia

Các sản phẩm thủy phân tinh bột hình thành trong quá trình đường hóa và sự liên quan đến hoạt động của nấm men...17... Do các thành phần sử dụng để sản xuất bia cókhác biệt tùy theo từng

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM

TP.HCM KHOA: CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

ĐỀ TÀI:

TÌM HIỂU BIẾN ĐỔI SINH HÓA

TRONG SẢN XUẤT BIA

MÔN: HÓA SINH HỌC THỰC PHẨM GVHD: TRẦN THỊ MINH HÀ

SINH VIÊN THỰC HIỆN: NHÓM 10

11/11/2017

Danh sách thành viên nhóm 10

3 Vương Trịnh Minh Thảo 2022150201

4 Đặng Nguyễn Hiếu Sang 2022150067

5 Nguyễn Phạm Khánh Vui 2022150110

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 5

I GIỚI THIỆU VỀ BIA 6

1 Tổng quan về bia 6

2 Quy trình công nghệ sản xuất bia 6

a Nguyên liệu 6

b Quy trình công nghệ 7

II MỤC ĐÍCH CỦA QUÁ TRÌNH NẤU BIA 8

III VAI TRÒ CỦA CÁC ENZYME TRONG SẢN XUẤT BIA 9

1 Thay thế malt bằng enzyme 9

2 Phân loại enzyme 12

a Nhóm enzyme thủy phân (Hydrolaza) 12

b Nhóm enzymee oxy hóa khử (Decmolaza) 13

IV QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN TINH BỘT 16

1 Các biến đổi của tinh bột trong quá trình nấu dưới tác dụng của enzyme 16

2 Quá trình đường hóa tinh bột (hay quá trình thủy phân tinh bột) 16

a Sự hồ hóa 16

b Sự dịch hóa 17

c Sự đường hóa 17

3 Các sản phẩm thủy phân tinh bột hình thành trong quá trình đường hóa và sự liên quan đến hoạt động của nấm men 17

4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân tinh bột trong quá trình đường hóa

là rất quan trọng 18

V QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN PROTEIN 20

1 Thủy phân protein 20

2 Hệ enzyme và đặc điểm của quá trình thủy phân protein 20

3 Các yếu tố ảnh hưởng đến cơ cấu sản phẩm thủy phân protein 22

VI KẾT LUẬN 25

TÀI LIỆU THAM KHẢO 26

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay nghành công nghệ thực phẩm đã và đang đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân trong đó có lĩnh vực chế biến đồ uống 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 khi ta uống Để tạo ra được bia đạt chất lượng thu hút sự quan tâm của nhiều người thì quá trình sản xuất bia cần phải được thực hiện trên một quy trình hoàn thiện Chất lượng của bia được xem như là kết quả từ các quá trình hoạt động của nấm men trong giai đoạn lên men bia Sau đây là phần tìm hiểu thông tin chi tiết về công nghệ sản xuất bia nói chung cũng như các biển đổi hóa sinh trong sản xuất bia nói riêng

I GIỚI THIỆU VỀ BIA

1 Tổng quan về bia

Bia là một loại nước uống chứa cồn được sản xuất bằng quá trình lên men của đường lơ lửng trong mơi trường lỏng và nó không được chưng cất sau khi lên men Nói một cách khác, bia là loại nước giải khát có độ cồn thấp, bọt mịn xốp và có hương vị đặc trưng của

hoa houblon Đặc biệt CO2 hòa tan trong bia có tác dụng giải nhiệt nhanh, hỗ trợ cho quátrình tiêu hóa, ngồi ra trong bia còn chứa một lượng vitamin khá phong phú (chủ yếu làvitamin nhóm B như vitamin B1, B2, PP .) Nhờ những ưu điểm này, bia được sử dụngrộng rãi ở hầu hết các nước trên thế giới với sản lượng ngày càng tăng Đối với nước tabia đã trở thành loại đồ uống quen thuộc với sản lượng ngày càng tăng và đã trở ngànhcông nghiệp mũi nhọn trong ngành công nghiệp nước ta

Quá trình sản xuất bia được gọi là nấu bia Do các thành phần sử dụng để sản xuất bia cókhác biệt tùy theo từng khu vực, các đặc trưng của bia như hương vị và màu sắc cũngthay đổi rất khác nhau và do đó có khái niệm loại bia hay các sự phân loại khác

2 Quy trình công nghệ sản xuất bia

a Nguyên liệu

- Malt: Bằng cách ngâm hạt lúa mạch vào trong nước, cho phép chúng nảy mầm đếnmột giai đoạn nhất định và sau đó làm khô hạt nảy mầm trong các lò sấy để thu hạt ngũcốc đã mạch nha hóa (malt) Mục tiêu chủ yếu của quy trình này giúp hoạt hóa, tích lũy

về khối lượng và hoạt lực của enzyme trong đại mạch Hệ enzyme này giúp chuyển hóatinh bột trong hạt thành đường hòa tan bền vững vào nước tham gia vào quá trình lênmen Thời gian và nhiệt độ sấy khác nhau được áp dụng để tạo ra các màu malt khácnhau từ một loại ngũ cốc Các loại mạch nha sẫm màu hơn sẽ sản xuất ra bia sẫm màuhơn

- Hoa Houblon: Hoa houblon được con người biết đến và đưa vào sử dụng khoảng

3000 năn TCN Đây là thành phần rất quan trọng và không thể thay thế được trong quytrình sản xuất bia, giúp mang lại hương thơm rất đặc trưng, làm tăng khả năng tạo và giữbọt, làm tăng độ bền keo và ổn định thành phần sinh học của sản phẩm Cây hoa bia đượctrồng bởi nông dân trên khắp thế giới với nhiều giống khác nhau, nhưng nó chỉ sử dụngtrong sản xuất bia là chủ yếu Hoa Houblon có thể được đem dùng ở dạng tươi, nhưng đểbảo quản lâu và dễ vận chuyển, houblon được sấy khô và chế biến để gia tăng thời gianbảo quản và sử dụng

- Nước: Do thành phần chính của bia là nước nên nguồn nước và các đặc trưng của

nó có ảnh hưởng rất quan trọng tới các đặc trưng của bia Nhiều loại bia chịu ảnh hưởng

hoặc thậm chí được xác định theo đặc trưng của nước trong khu vực sản xuất bia Mặc dùảnh hưởng của nó cũng như là tác động tương hỗ của các loại khoáng chất hòa tan trongnước được sử dụng trong sản xuất bia là khá phức tạp, nhưng theo quy tắc chung thì nướcmềm là phù hợp cho sản xuất các loại bia sáng màu Do đó, để đảm bảo sự ổn định vểchất lượng và mùi vị của sản phẩm, nước cần được xử lí trước khi tham gia vào quá trìnhsản xuất bia nhằm đạt được các tiêu chí chất lượng nhất định.

- Men bia: men bia là các vi sinh vật có tác dụng lên men đường các giống men bia

cụ thể được lựa chọn để sản xuất các loại bia khác nhau Men bia sẽ chuyển hóa đườngthu được từ hạt ngũ cốc và tạo ra cồn và cacborn đioxit (CO2)

là chất chiết hay dịch hỗn hợp sau khi đường hóa được gọi là dịch hèm vì nó bao gồm cả

bã malt cùng các chất không hòa tan khác

Về mặt kinh tế, hàm lượng của chất chiết thu càng cao càng tốt, giá trị này đánh giá hiệusuất thu hồi và tổn thất của nhà máy Bên cạnh đó, chất lượng của chất chiết cũng rấtquan trọng, càng ít hợp chất không mong muốn ( ví dụ tanin trong vỏ trấu) càng tốt,ngược lại càng nhiều đường hoặc một số sản phẩm thủy phân từ protein càng tốt

Tóm lại, mục đích của quá trình đường hóa là tạo ra được càng nhiều chất chiết và chấtlượng dịch càng cao càng tốt phần lớn chất chiết được tạo ra nhờ những phản ứng

enzyme, các enzyme hoạt động mạnh tại các nhiệt độ thích hợp Bởi vậy, quá trình đườnghóa được thực hiện tại những điểm nhiệt độ thích hợp cho hoạt động của các enzyme.

MỤC ĐÍCH CỦA QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN TINH BỘT BẰNG ENZYME.

Để phân cách amyloza, amylopectin và dextrin bậc cao thành đường đơn giản, dextrinbậc thấp dễ hòa tan vào nước trở thành chất hòa tan của dịch đường trong phản ứng nàytinh bột là cơ chất còn chất xúc tác là nhóm enzyme amylaza có sẵn trong malt Trongtrường hợp sử dụng nguyên liệu chưa ươm mầm với khối lượng lớn để thu được chất hòatan cao nhất điều cần thiết là phải bổ sungh chế phẩm enzymee từ ngoài vào Chế phẩmenzyme từ vi sinh vật, ngoài - amylaza trong nhiều trường hợp còn chứa thêmglucoamylaza và một số enzymee khác mà trong malt đại mạch không có

III VAI TRÒ CỦA CÁC ENZYME TRONG

SẢN XUẤT BIA

1 Thay thế malt bằng enzyme

Trong công nghệ sản xuất bia, người ta thường sử dụng enzyme amylase có trongmầm đại mạch để thủy phân tinh bột có trong mầm đại mạch Ngoài ra, người ta còn sửdụng các enzyme khác có trong mầm đại mạch để thủy phân và chuyển hóa các chấtkhông tan sang trạng thái tan như chuyển protein, cellulose,… sang amino acid vàglucose Các quá trình công nghệ này đã được thực hiện hàng ngàn năm nay ở nhiềunước trên thế giới So với các loại enzyme amylase từ các nguồn khác , amylase từ thócđại mạch đã nảy mẩm được sử dụng với số lượng nhiều nhất hiện nay Quá trình hạt đạimạch nảy mầm là quá trình sinh tổng hợp enzyme amylase và nhiều enzyme khác Nhờ

sự tổng hợp ra những enzyme này mà hạt tiến hành quá trình tự thủy phân tinh bột,protein và các hợp chất khác để cung cấp nguyên liệu và năng lượng cho hạt nảy mầm Đây là quá trình sinh lý bình thường của quá trình nảy mầm của hạt Quá trình nảy mầm

là quá trình trao đổi chất và là quá trình sinh lý hạt chuyển từ trạng thái năng lượng dự trữsang trạng thái năng lượng phát triển Lợi dụng quy luật sinh lý bình thường này của hạt,loài người đã biết can thiệp rất khoa học để quá trình để quá trình trên được tiến hành

nhanh hơn, mạnh hơn và biết ngưng ở giai đoạn nhất dịnh, phục vụ cho mục đích củamình trong việc tạo ra sản phẩm là bia chứ không phải là cây lúa mạch như trong sản xuấtnông nghiệp Tuy nhiên, xét về mặt kỹ thuật thấy có một số thiếu sót cơ bản.

 Thứ nhất : trong kỹ thuật nảy mầm, các chất khô có trong hạt sẽ bị tiêu hao Lượngchất khô bị tiêu hao trong quá trình này khoảng 12% so với tổng lượng chất khô có tronghạt sự tiêu hao này là điều khó tránh khỏi trong bất kì quá trình nảy mầm nào của hạt.nếu so với tổng lượng thóc đại mạch được sử dụng để sản xuất bia của những nhà máybia trên thế giới thì lượng chất khô bị tiêu hao trong quá trình nảy mầm sẽ rất lớn

 Thứ hai : quá trình nảy mầm của hạt là quá trình đòi hỏi thời gian cho sinh tổnghợp các loại enzyme và quá trình chuyển hóa vật chất quá trình này thường kéo dàikhoảng 10-11 ngày Thời gian chi phí cho giai đoạn này không nhỏ nếu đem so sánh vớitoàn bộ quá trình sản xuất bia

 Thứ ba : do sản phẩm malt nên cần phải có một phân xưởng sản xuất malt trongnhà máy bia Do đó, đòi hỏi không chỉ mặt bằng sản xuất, máy móc, thiết bị cho sản xuất

mà còn đòi hỏi lao động Tiêu hao lao động cho sản xuất malt thường chiếm 1/3 tổng tiêuhao lao động chung của nhà máy bia

Chính vì thế trong thời gian từ những năm 60 của thế kỷ trước đến nay, người ta đãtìm những nguồn enzyme khác thay thế cho malt nhằm làm giảm bớt những nhược điểm

đã trình bày trên Những enzyme được sử dụng trong sản xuất bia thay thế malt phải bảođảm những yêu cầu sau:

 Enzyme thay thế malt cần phải phù hợp với enzyme của malt về đặc tính tác dụng

và phải có hoạt tính mạnh hơn enzyme có trong malt Các enzyme có trong malt bao gồm:

- Các enzyme thủy phân tinh bột thành đường đây là nhóm enzyme quan trọng nhất,đóng vai trò quyết định chất lượng bia qua quá trình đường hóa, quá trình lên men

- Các enzyme protease tham gia thủy phân protein

- Các enzyme tham gia thủy phân cellulose, hemi-cellulose

 Enzyme thay thế malt phải bảo đảm cho việc lọc, lên men dịch đường, làm trongbia, cũng như tạo ra những đặc tính bia phù hợp như tạo bọt, độ trong và tính ổn địnhtrong bảo quản Sử dụng ex từ vi sinh vật là hướng nghiên cứu và ứng dụng ở nhiềunước hướng nghiên cứu và ứng dụng này đã đạt được rất nhiều kết quả Sau một thờigian dài, các ứng dụng này cho thấy những ưu điểm quan trọng sau :

- Thay thế được 30-50% malt trong sản xuất bia Khả năng thay thế malt bằng chếphẩm enzyme từ VSV có ý nghĩa rất lớn không chỉ mặt kỹ thuật mà còn có ý nghĩa rấtlớn về kinh tế, đặc biệt là đối với các nước không sản xuất được thóc đại mạch, giảmngoại tệ để nhập malt

- Hạ giá thành sản phẩm bia

- Giảm giá đáng kể vốn đầu tư xây dựng

- Dịch hóa đường hóa giai đoạn lên men giai đoạn làm trong bia và ổn định chấtlượng bia sử dụng enzyme trong quá trình dịch hóa : dịch hóa là quá trình thủy phân sơ

bộ tinh bột và protein trong khối bột ở nhiệt độ cao Ở giai đoạn này người ta thường sửdụng enzyme amylase và protease của vi khuẩn Các loại enzyme thu nhận từ vi khuẩnthường có hoạt tính cao và khả năng chịu nhiệt rất tốt Nhiệt độ cao thường làm biến tínhenzyme có trong malt Do đó, việc bổ sung enzyme có khả năng chịu nhiệt từ nguồn vikhuẩn là điều hết sức cần thiết Khi người ta cho nguyên liệu thay thế (bột bắp hay bộtgạo) vào trong hỗn hợp, các loại nguyên liệu này không được thủy phân, dễ dàng tạo ra

độ nhớt cao, ảnh hưởng nhiều đến quá trình đường hóa và lên men sau này Nếu ta chothêm enzyme chịu nhiệt từ nguồn vi sinh vật thì độ nhớt các nguyên liệu trên sẽ giảm, sẽlàm tăng quá trình đường hóa và lên men sau này Các thí nghiệm dùng 10% malt trongdịch hóa bột bắp và sử dụng enzyme từ vi khuẩn cho thấy độ nhớt trong dung dịch bộtkhi sử dụng enzyme từ vi khuẩn giảm nhiều hơn dùng malt Hiện tượng độ nhớt giảmcũng thấy ở bột gạo khi dịch hóa có sử dung enzyme từ vi khuẩn Sử dụng enzyme trongquá trình đường hóa đường hóa là công đoạn sản xuất bia rất quan trọng, trong dó lượngđường được tạo thành sẽ quyết định khả năng lên men và chất lượng bia sau này Chính

vì thế, nhiều nhà máy bia trên thế giới đã cho thêm enzyme với số lượng lớn trong giaiđoạn này Các enzyme cho vào trong giai đoạn này là những enzyme vi khuẩn chịu nhiệt

Ổn định khả năng lên men trong nước mu, sau khi đường hóa có chứa 90% là các chấtcarbohydrat, trong số này có đến 75% đường có khả năng lên men Phần còn lại 25% làcác loại dextrin mạch thẳng và mạch nhánh

Khi sử dụng enzyme, chúng ta có khả năng sản xuất bia không có các dextrin dư thừa và

do chứa ít calori hơn ( ít năng lượng hơn) loại bia thông thường mức giảm này có thể đạttới 25% Các enzyme sau khi tham gia vào các quá trình đường hóa sẽ còn sót lại và lẫnvào trong dịch lên men Về nguyên tắc, hoạt tính còn sót lại này không ảnh hưởng gì đếnchất lượng bia, mà ngược lại chất lượng bia sau này thường tốt hơn

Bản chất của enzyme là protein Chúng tham gia xúc tác những phản ứng hóa sinh tronghạt đại mạch Từ đó biến dần những hạt đại mạch thành những hạt malt Trong quy trìnhcông nghệ, enzyme chịu nhiều tác động của nhiều yếu tố khách quan, song thực tế chothấy ảnh hưởng mạnh nhất đến hoạt tính của enzyme là nhiệt độ, pH, nồng độ của dungdịch

2 Phân loại enzyme

Enzyme là những hợp chất hữu cơ có hoạt tính sinh học rất cao, có cấu tạo phân tử rấtphức tạp và giữ vai trò đặc biệt trong công nghệ sản xuất bia Trong hạt đại mạch có chứamột lượng enzyme khá phong phú, chúng được xếp vào hai nhóm: nhóm enzyme thủyphân và nhóm enzymee oxi hóa khử

a Nhóm enzyme thủy phân (Hydrolaza)

 Cacbohydraza

Nhóm enzyme này thủy phân các glucoxit cao phân tử thành các sản phẩm thấp phân

tử hơn Trong nhóm này có chia nhóm nhỏ là polyaza và hexozidaza

- Hexozidaza là những enzyme tham gia xúc tác thủy phân disacharide, trisacharide

và một số glucozid khác thành các đường đơn

- Polyaza là những enzyme thủy phân gluxit cao phân tử amylaza (diastaza) và sitaza.+ Amylaza phân cắt tinh bột thành các sản phẩm dạng đường và dextrin

Amylaza bao gồm hai enzyme là - amylaza và β - amylaza

* Enzime - amylaza phân cắt các tinh bột thành glucoza và dextrin làm cho độ nhớtcủa dịch cháo nhanh chóng giảm xuống, chúng chỉ được hoạt hóa trong giai đoạn ngâm

và ươm mầm Là enzyme chịu nhiệt tốt nhất, nhiệt độ tối thích là 700C, pH=5,7

* Enzime β - amylaza tác động trực tiếp lên mạch amyloza, mạch nhánh và hai đầumạch chính của amylopectin Sản phẩm của quá trình phân cắt này là đường maltoza vàdextrin Nhiệt độ thích hợp cho enzymee hoạt động là 630C, pH = 4.7

+ Sitaza gồm hai enzyme sitolactaza và sitolitaza Enzyme đầu thủy phânhemixelluloza thành các sản phẩm trung gian, còn enzymee sau thủy phân các sản phẩmtrung gian thành các sản phẩm cuối cùng là pentoza và hexoza Nhờ có quá trình phâncách này mà tế bào mới bị phá hủy tạo điều kiện thuận lợi cho các enzyme khác xâmnhập vào và nâng cao hoạt lực

cách dễ dàng Nhiệt độ tối ưu là 700C, pH = 5,6.

- Fitaza có chức năng phá vỡ liên kết este giữa acid phosphoric với inozit, tức là

chúng tham gia thủy phân fitin Quá trình này đóng vai trò quan trọng vì H3PO4 đượcgiải phóng sẽ làm tăng độ chua tác dụng và tăng cường lực đệm của dịch đường

b Nhóm enzymee oxy hóa khử (Decmolaza)

Nhóm enzyme này xúc tác phản ứng oxy hóa khử của quá trình hô hấp và phân giảiyếm khí gluxit, nghĩa là chúng tham gia trực tiếp vào quá trình trao đổi chất của tế bào.Nhóm enzyme này đóng vai trò quyết định trong việc hoạt hóa và phát triển của phôi

ở giai đoạn ươm mầm

Một số enzyme khác trong nhóm này còn tham gia vào phản ứng oxy hóa khử các hợpchất poliphenol, protein và các hợp chất khác vì vậy chúng đã gây ảnh hưởng gián tiếpđến các chỉ số chất lượng của dịch đường và bia thành phẩm tiêu biểu là dehidraza,oxydaza và catalaza

Để làm ổn định chất lượng bia, người ta thường sử dụng các chế phẩm protease.Nhiều nghiên cứu cho thấy pepsin, ficin, chế phẩm protease nấm sợi và papain đều có tácdụng rất tốt trong quá trình ổn định chất lượng bia Trong đó papain được ứng dụng nhiềuhơn cả khi tiến hành lên men phụ, người ta thường cho papain vào Kết quả của nhữngtác động của papain, dịch bia trở nên trong hơn và quá trình bảo quản bia, chất lượng biakhông thay đổi

 Vai trò của enzyme protease: Nó có vai trò quan trọng trong việc tăng nhanh quátrình sản xuất, tăng hiệu suất trích ly, thủy phân hoàn toàn các protein, làm giảm độ nhớt,triệt tiêu nguyên nhân làm đục bia, tăng tính cảm quan cho sản phẩm

Khắc phục malt đại mạch chất lượng kém ( không có khả năng chuyển hóa hết tinhbột thành dextrin, đường lên men ) thường dùng các chế phẩm enzyme thủy phân thuộc

hệ amilaza như Termamyl 120L hoặc SC, hệ enzymee proteaza như Neutrase 0,5L