Bài giảng về rượu

bai giảng vê rươu

! Bài mở đầu: N HỮN G KHÁI N IỆM VỀ PHƯƠN G PHÁP SẢN XUẤT RƯỢU ETYLIC Hiện nay, trên thế giới, rượu etylic được sản xuất bằng hai phương pháp: - Phương pháp lên men bằng vi sinh vật. - Phương pháp tổng hợp. Ở đây, chúng ta chỉ khảo sát phương pháp lên men bằng vi sinh vật: là phương pháp sử dụng enzyme của vi sinh vật để chuyển hóa glucid thành đường khử và đường khử thành rượu rồi chung cất tinh chế để được rượu etilic. Quá trình chuyển hóa glucid (tinh bột và cellulose) thành đường khử được thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau; còn giai đoạn rượu hóa và chưng cất tinh chế thì có nguyên lý như nhau. Vì vậy, tên gọi khác nhau của phương pháp lên men bằng vi sinh vật chính là tên của phương pháp chuyển hóa tinh bột. 1. Phương pháp maltase: là phương pháp sử dụng enzyme của malt để chuyển hóa tinh bột thành đường. * Ưu điểm: - Thời gian chuyển hóa ngắn. - Chất lượng rượu có hương vị đặc trung, dễ chịu. - Ít bị nhiễm khuẩn. * N hược điểm: - Hiệu suất không cao vì phức hệ enzyme của malt không hoàn chỉnh nên thủy phân glucid không triệt để. - Chỉ áp dụng đối với các nước ở xứ lạnh. - Giá thành sản phẩm cao. 2. Phương pháp acid: là phương pháp sử dụng acid (HCl, H 2 SO 4 ) để chuyển hóa glucid thành đường. *Ưu điểm: Vừa chuyển hóa triệt để tinh bột thành đường vừa chuyển hóa mọtt phần hemicellulose và cellulose thành đường, do đó hiệu suất cao. *N hược điểm: - Tạo nhiều sản phẩm đường không lên men khác. - Một số acid amin nhất là tryptophan, có trong nguyên liệu sẽ bị phá hủy. - Sau khi đường hóa cần phải trung hòa acid bằng NaOH, Ca(OH) 2 hoặc CaCO 3 . - Các sản phẩm của sự trung hòa này sẽ gây trở ngại cho giai đoạn rượu hóa và ảnh hưởng đến chất lượng rượu sau này. " - Phải sử dụng thiết bị chịu acid đắt tiền. - Bã rượu sản xuất bằng phương pháp acid sử dụng trong chăn nuôi cũng không tốt. 3. Phương pháp men thuốc bắc (MTB): là phương pháp sử dụng bánh men thuốc bắc để sản xuất rượu. Phương pháp này tạo ra những sản phẩm rượu đặc sản Việt Nam như: rượu nếp, rượu cẩm,… cũng như rượu Sakê của Nhật. Phương pháp này có những đặc điểm đặc trưng khác với những phương pháp khác như: - Nấm mốc và nấm men được nuôi cấy và phát triển cùng một lúc trên môi trường tinh bột sống và có thêm những vị thuốc bắc. - Nguyên liệu tinh bột không nhất thiết phải hồ hóa thành dung dịch mà chỉ cần làm chín. Vì vậy mà hạn chế tác dụng của amylase lên mạch tinh bột làm cho hiệu suất đường hóa không cao. Quá trình đường hóa và rượu hóa tiến hành cùng một lúc. * N hược điểm: - Dễ bị nhiễm tạp khuẩn. - Độ acid trong dịch lên men cao làm ức chế các quá trình đường hóa, lên men và tạo ra nhiều sản phẩm trung gian khác. - Tế bào tinh bột chưa được phá vỡ triệt để nên tinh bột còn sót lại nhiều sau khi kết thúc quá trình lên men, hiệu suất tổng thu hồi thấp. 4. Phương pháp Amylomyces Rouxi (Phương pháp Amyloza): Đặc điểm của phương pháp này là sử dụng một lượng nấm mốc và nấm men nuôi cấy thuần khiết, sau đó cho phát triển tiếp tục trên môi trường cần lên men trong điều kiện vô trùng tuyệt đối, có thông khí ở những giai đoạn cần thiết, để thực hiện quá trình đường hóa và rượu hóa. *Ưu điểm: - Hiệu suất tổng thu hồi cao do các giai đoạn được thực hiện trong một thiết bị kín, vô trùng tuyệt đối. - Dễ cơ giới hóa và tự động hóa trong sản xuất. * N hược điểm: - Chu kỳ sản xuất kéo dài vì tất cả các giai đoạn phải thực hiện trong cùng một thiết bị thay vì được tiến hành song song trong nhiều thiết bị khác nhau. - Đòi hỏi nguyên liệu phải tương đối đồng đều và có nhiều chất dinh dưỡng. Nếu thay đổi nguyên liệu thì phải thay đổi chủng nấm men và nấm mốc. # - Yêu cầu vô trùng tuyệt đối, do đó hiệu suất tổng thu hồi dễ bị biến động lớn. - Tiêu hao điện, nước, không khí nén vô trùng và hơi nhiệt nhiều hơn so với các phương pháp khác. * Sản xuất rượu etylic bằng phương pháp tổng hợp: là phương pháp tổng hợp rượu etylic từ etylen. $ Chương 1: N ẤU N GUYÊN LIỆU TIN H BỘT 1.1. MỤC ĐÍCH CỦA N ẤU N GUYÊN LIỆU: Tinh bột của các loại ngũ cốc và củ được chứa trong màng tế bào do đó amylase không tác dụng được. Khi nghiền, nguyên liệu chỉ một phần bị phá vỡ; mặt khác, tinh bột sống không hòa tan trong nước nên hệ enzyme thủy phân tác dụng rất chậm. Vì vậy mục đích của nấu nguyên liệu là phá vỡ màng tế bào tinh bột và biến tinh bột của nguyên liệu ở trạng thái hòa tan trong nước. Mục đích đó được thực hiện trong quá trình nấu do tác dụng của các yếu tố sau: * Nhiệt độ nấu: hiện nay trên thế giới có hai xu hướng: - Nấu ở nhiệt độ 145-155 o C trong thời gian dài. - Nấu ở nhiệt độ 170-180 o C trong thời gian rất ngắn (2-4 phút). Cơ sở để giải thích chế độ nhiệt độ trên như sau: Để quá trình đường hóa có thể thực hiện được, cần phải nâng nghiệt độ của dung dịch hồ tinh bột đến nhiệt độ 75-80 o C. Tuy nhiên ở nhiệt độ này không thỏa mãn hoàn toàn việc làm yếu tế bào tinh bột và dung dịch có độ nhớt rất lớn. Do đó, ngay cả nguyên liệu đã được nghiền nhỏ cũng phait nấu ở nhiệt độ không thấp hơn 135 o C; để đạt được yêu cầu phá vỡ gần như hoàn toàn tế bào tinh bột, nhiệt độ nấu không thấp hơn 145- 155 o C. * Tác dụng cơ học: Trong quá trình nấu, phần lớn các tế bào tinh bột không được nghiền nhỏ vẫn giữ nguyên cấu trúc của nó. Cấu trúc này sẽ bị phá hủy khi tháo khối nấu ra khỏi thiết bị nấu. Vì lúc này, áp suất giảm xuống làm cho nước trong tế bào tự bốc hơi, thể tích tế bào tăng lên đột ngột (thể tích hơi lớn gấp 1500 lần so với thể tích của lượng nước bốc hơi tương ứng) làm cho tế bào tinh bột bị phá vỡ. Mặt khác, do sự va chạm của các tế bào tinh bột khi qua các tấm chắn ở cửa (hoặc van) tháo khối nấu đã làm cho tế bào tinh bột một lần nữa bị phá vỡ. Trong các thiết bị nấu liên tục, đồng thời với việc làm giảm áp suất người ta còn bố trí thêm các bộ phận làm tăng khả năng phân tán của nguyên liệu. 1.2. SỰ BIẾN ĐỔI CỦA N GUYÊN LIỆU TRON G QUÁ TRÌN H N ẤU: 1.2.1. N hững biến đổi hóa lý: 1.2.1.1. Sự trương nở và hòa tan tinh bột (quá trình hồ hóa): * Sự trương nở: Như các chất keo hút nước khác, tinh bột sau khi hút nước sẽ trương lên, tăng thể tích và khối lượng hạt tinh bột. Giai đoạn đầu, tinh bột khô tuyệt đối sẽ hút nước 20-25% % kèm theo hiện tượng tỏpa nhiệt. Giai đoạn 2 không có hiện tượng tỏa nhiệt và biến đổi lớn. Qua thí nghiệm, khi đun tinh bột với nước đến nhiệt độ 40 o C, hạt tinh bột bắt đầu trương nở và bắt đầu trương nở cho đến khi có một thể lỏng đồng nhất gọi là trương nở vô hạn. * Sự hồ hóa: Khi nhiệt độ tăng đến giới hạn nhất định, thể tích của hạt tinh bột tăng từ 50-100 lần, lực liên kết giữa các phân tử yếu dần đến mức độ làm cho tinh bột hòa tan ra. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng hồ hóa tinh bột. Nhiệt độ hồ hóa tinh bột phụ thuộc vào từng loại nguyên liệu và một số yếu tố khác. - Ngay cùng một loại nguyên liệu nhưng lại chứa các hạt tinh bột có thành phần và kích thước khác nhau thì nhiệt độ hồ hóa cũng khác nhau (nhiệt độ hòa tan của amylo thấp hơn amylopectin do cấu trúc của phân tử đơn giảm hơn so với amylopectin). Ví dụ: nhiệt độ hồ hóa của khoai tây là 56-70 o C, lúa mì: 50-80 o C, ngô: 60-75 o C, gạo: 65- 73 o C, sắn: 62-68 o C. - Nhiệt độ hồ hóa còn phụ thuộc vào các chất điện ly. Các muối trung tính mà đặc biệt là các muối kiềm làm giảm nhiệt độ hồ hóa. Sự có mặt của đường saccharose lại làm tăng nhiệt độ hồ hóa. *Sự thay đổi của độ nhớt: Khi nâng nhiệt độ dung dịch huyền phù của tinh bột trong nước làm thay đổi độ nhớt của dung dịch; ở nhiệt độ 35-40 o C, độ nhớt thấp nhất sau đó tăng chậm; ở nhiệt độ 63-85 o C độ nhớt nhảy vọt và đạt đến trị số cực đại, nếu tiếp tục tăng nhiệt độ thì độ nhớt lại giảm nhanh chóng do amylopectin bị thủy phân. Sự thủy phân của amylopectin bắt đầu khi nhiệt độ gần 120 o C; nhiệt độ hòa tan hoàn toàn đối với tinh bột khoai tây là: 132 o C, đại mạch là 136-141 o C, ngô 146-151 o C. *Hiện tượng lão hóa tinh bột: Khi làm nguội dung dịch amylopectin đông đặc nhanh, ở nhiệt độ 55 o C biến thành keo, làm cho amylase không thể tác dụng được. Đối với dung dịch amylose thì rất không bền vững và nhanh chóng liên kết với nhau tạo thành những hạt nhỏ li ti kết tủa xuống và cũng làm cho amylase không còn khả năng tác dụng để đường hóa. Hiện tượng này thường gọi là sự biến tính tinh bột (hay còn gọi là hiện tượng lão hóa). Vì vậy trong sản xuất rượu, sau khi nấu, người ta làm nguội nhanh khối nấu đến nhiệt độ 60±1 o C để đường hóa. *Sự trương nở của nguyên liệu: & Sự trương nở của nguyên liệu là kết quả của sự trương nở gluten và tinh bột trong nguyên liệu. Ở nhịêt độ dưới 55 o C, tinh bột trương nở ít hơn so với gluten. Khi nhiệt độ trên 60 o C, sự trương nở của tinh bột tăng rất mạnh và sự trương nở của gluten giảm xuống. Khi nhiệt độ gần 90 o C, vỏ của hạt tinh bột bị phân cắt và tinh bột bị hồ hóa từng phần riêng lẻ. Khi nấu nguyên liệu hạt, người ta thường bổ sung một lượng nước cần thiết (thường là 16-18%) bảo đảm cho sự trương nở và hòa tan của tinh bột đồng thời nhằm đạt được nồng độ chất khô trong dung dịch đường hóa. Đối với các loại củ, do bản thân chúng có chứa nước nên không cần bổ sung hoặc bổ sung không đáng kể. Tốc độ trương nở của nguyên liệu được biểu diễn bởi phương trình: W = a.T n Trong đó: W: độ ẩm của hạt (%). T: thời gian trương nở (phút) a và n là những hệ số phụ thuộc vào từng loại hạt thực vật khác nhau. Tốc độ trương nở của từng loại hạt khác nhau có thể sắp xếp theo thứ tự giảm dần như sau: Mạch đen > lúa mạch > kiều mạch > kê > lúa mì > ngô (101) (76) (70) (67) (60) (55) (con số trong ngoặc biểu thị lượng nước mà hạt đã hấp thụ ở nhiệt độ 90 o C trong thời gian 60 phút, tính theo % trọng lượng hạt không nước). Hạt to trương nở chậm hơn hạt nhỏ. Hạt đã bóc vỏ trương nở nhanh hơn hạt còn nguyên vỏ. Nếu hạt được nghiền nhỏ thì tốc độ trương nở nhanh hơn. Khi nhiệt độ tăng 10 o C (trong giới hạn nhiệt độ 70-90 o C) tốc độ tăng lên hai lần. Trong sản xuất hạt thường được nghiền nhỏ, nên ngay trong quá trình nấu, dù là phương pháp gián đoạn, liên tục cũng như khi gia nhiệt, cần hết sức chú ý vì chúng trương nở rất nhanh. Phải chọn nhiệt độ và thời gian gia nhiệt sao cho không để xảy ra sự hồ hóa cục bộ, tức là đừng để khối nấu trở thành vón cục. 1.2.2. Sự biến đổi hóa học: 1.2.2.1. Sự biến đổi của cellulose, hemicellulose và pectin: Trong quá trình nấu ở môi trường acid nhẹ, cellulose không bị thủy phân, còn một phần hemicellulose có thể bị thủy phân. Sự thủy phân này bắt đầu xảy ra trong quá trình nấu dưới tác dụng của ion H + tạo ra dextrin, các hợp chất cao phân tử (rất ít), và đường pentose (xilose, arabinose). Đối với pectin thì xảy ra phản ứng xà phòng hóa, kết quả là tạo ra rượu metanol trong khối nấu. Số lượng metanol tạo thành tỷ lệ thuận với nhiệt độ nấu và tùy thuộc vào loại nguyên liệu. Chất pectin trong khoai tây nhiều hơn, do đó khi nấu tạo thành metanol nhiều hơn. Ngoài ra metanol còn được tạo thành do sự thủy phân xolanin và ' metylpentose. Hàm lượng metanol trong khối nấu của khoai tây vào khoảng 0,004- 0,005% và của hạt khoảng 0,00035%. 1.2.2.2. Sự biến đổi tinh bột và đường: * Biến đổi của tinh bột: - Khi nấu sơ bộ, các enzyme amylase có sẵn trong nguyên liệu đã thuỷ phân một phần tinh bột thành dextrin và đường maltose. Sự tác dụng của enzyme amylase lên mạch tinh bột thích hợp nhất ở nhiệt độ 50-60 o C. - Khi nấu chín sự thủy phân của tinh bột xảy ra dưới tác dụng của ion H + . Lúc này một số phân tử của tinh bột và nước bị hoạt hóa; Khi các phân tử tinh bột dạng mạch thẳng đã bị hoạt hóa thì sự chuyển động của các phần riêng lẻ và các nguyên tử trong gốc đường glucose sẽ tăng lên do nhận được một năng lượng dư so với mức năng lượng trung bình giữa các mối liên kết glucosid; kết quả là các mối liên kết glucosid yếu đi và dễ bị thủy phân bởi ion H + . Mặt khác, sự hoạt hóa các phân tử nước đã làm tăng động năng và khả năng phân ly của các chất điện ly. Khi nấu nguyên liệu trong môi trường có pH = 6,5 (tương đương với pH tự nhiên của nguyên liệu) thì không có hiện tượng gì về sự thay đổi hóa học. trong điều kiện nấu với pH = 5,4-5,7 tinh bột đã bị thủy phân rõ rệt và tạo thành các phân tử dextrin phân tử lớn là chủ yếu. - Sự biến đổi tinh bột thành đường trong quá trình nấu là không có lợi vì nó dẫn đến sự tổn thất đường; do đó trong quá trình nấu, người ta nâng nhiệt độ khối nấu vượt qua nhanh ở khoảng nhiệt độ 50-60 o C. * Sự biến đổi của đường: Trong quá trình nấu, đường tham gia vào 3 phản ứng được sắp xếp theo thứ tự như sau: Phản ứng melanoidin > Phản ứng thuận nghịch > Phản ứng caramen hóa. Phản ứng thuận nghịch là sự chuyển hóa qua lại giữa monosaccharid và polysaccharid. Phản ứng melanoidin và caramen hóa trong sản xuất rượu là không có lợi vì nó gây tổn thất đường. Vì vậy, qua các kết quả nghiên cứư, trong quá trình nấu, để hạn chế các quá trình đó xảy ra, người ta thường giảm pH đến 3,5. * Sự biến đổi của protein và các chất khác: Trong quá trình nấu thường có khoảng 20-50% protein có trong nguyên liệu hòa tan trong khối nấu. Nhiệt độ càng tăng thì sự hòa tan càng lớn. Chất béo hầu như không thay đổi trong quá trình nấu. Độ acid tăng lên trong quá trình nấu do nhiều nguyên nhân: - Đường bị phân hủy. - H 3 PO 4 liên kết trong tinh bột được giải phóng. 1.3. CÁC PHƯƠN G PHÁP N ẤU: 1.3.1. Phương pháp nấu gián đoạn: 1.3.1.1. Sơ đồ thiết bị và quá trình công nghệ: ( Hỗn hợp nguyên liệu được cho vào phễu trộn đều và gia nhiệt đến nhiệt độ 40-45 o C. Thời gian hỗn hợp lưu lại ở phễu phụ thuộc vào thời gian nấu của nguyên liệu đó, thường thì 50-90 phút. Trước khi nạp nguyên liệu, cần phải mở vào nồi nấu một ít hơi để tránh khối nấu làm tắc ống hơi. Sau khi nạp nguyên liệu, đóng chặt nắp và tiếp tục mở vang hơi từ từ để tăng áp suất đến áp suất quy định; nếu mở hơi nhanh quá sẽ làm cho hỗn hợp dễ bị vón cục và có sự va đập mạnh giữa hơi nóng và dung dịch làm rung thiết bị và gây tiếng động lớn. Thời gian xả hơi càng kéo dài càng tốt, nhưng kéo dài quá sẽ kéo dài chu kỳ nấu và nước ngưng tụ trong hơi nhiều làm loãng khối nấu. Thường thời gian xả hơi khoảng 25-30 phút. Khi đạt áp lực trong nồi theo quy định, người ta đóng bớt hơi, sao cho áp lực ổn định, không thể giao động quá lớn. Suốt thời gian này, van hơi thừa phải mở để đẩy hết khí không ngưng và các khí khác sinh ra trong quá trình nấu. Thời gian nấu và áp suất duy trì trong quá trình nấu phụ thuộc vào tính chất của từng loại nguyên liệu chế độ nấu quy định. Ví dụ: Ngô hạt: 80-90 phút, ngô bột: 55-60 phút với áp suất 4-4,2 kg/cm 2 . Khoai sắn khô: 40-45 phút, 3,5-3,8 kg/cm 2 … Trước khi phóng khối nấu sang thùng hầm nhừ hoặc thùng đường hóa phải lấy mẫu kiểm tra. Khi lấy mẫu thường lấy sớm trước thời gian quy định 3-5 phút để quyết định thời gian phóng khối nấu đi. !# !$ ' ( " % $ !" ) !* !! # ! & $*+$% * , %*+)* -. Ghi chú: 1. Phễu ngâm NL 2. Cửa nạp liệu 3. Nồi nấu 4. Hệ thống truyền động 5. Van an toàn 6. Bình dầu chống tắc ống dẫn áp kế 7. Áp kế 8. Ống xả hõi thừa 9. Ống hõi chính 10. Ống hõi phụ vào nồi 11. Ống lấy mẫu 12. Ống dẫn khối nấu sang nồi hầm nhừ 13. Bình chứa acid 14. Ống nước. ) Thời gian phóng khối nấu càng nhanh càng tốt để tăng va chạm làm tế bào tiếp tục vỡ tốt hơn. Tuy nhiên còn phụ thuộc điều kiện thiết bị và quãng đường đi của khối nấu, thường là 15-20 phút, có khi 30 phút. Toàn bộ thời gian từ khi cho hỗn hợp khối nấu xuống nồi đến khi khối nấu chuyển hết sang thùng hầm nhừ gọi là chu kỳ nấu. Như vậy trong một chu kỳ nấu gồm 4 giai đoạn: - Xuống nguyên liệu. - Nâng áp lực. - Nấu chín. - Phóng khối nấu. Trong điều kiện kỹ thuật nấu đã quy định, muốn rút ngắn chu kỳ nấu, chỉ được rút ngắn thời gian ở giai đoạn thứ 1 và thứ 4. Cũng có trường hợp rút ngắn giai đoạn 2, nhưng dễ đưa đến chất lượng nấu không tốt. 1.3.1.2. Ưu khuyết điểm của phương pháp: * Ưu điểm: - Cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo. - Thao tác đơn giản. - Nấu được tất cả các loại nguyên liệu. * N hược điểm: - Năng suất thấp. - Tiêu hao nhiều hơi, không tận dụng được hơi thừa. Tình hình sử dụng hơi của thiết bị không đều do đó ảnh hưởng đến việc sử dụng hơi của các thiết bị khác. 1.3.2. Phương pháp nấu liên tục: Đối với phương pháp này, mỗi bước có một hệ thống thiết bị riêng nhưng đều có nguyên tắc chung như sau: 1. N guyên tắc về xử lý nhiệt: Chia quá trình xử lý nhiệt ra làm hai giai đoạn: * Giai đoạn gia nhiệt sơ bộ hỗn hợp khối nấu: Giai đoạn này dùng hơi thứ từ khối nấu tách ra ở thiết bị hầm nhừ và trong thiết bị nấu chín của quá trình nấu. Giai đoạn này có thể nâng nhiệt độ cao hơn 75-80 o C để giữ được tính linh động của hỗn hợp và ngăn ngừa sự tạo thành đường dưới tác dụng của men amylase có trong nguyên liệu. * Giai đoạn nâng nhiệt để nấu chín: Sử dụng hơi chính. !* 2. N guyên tắc cấu tạo của thiết bị: Trong thiết bị nấu thường được cấu tạo nhiều ngăn và vách chắn để đảm bảo sự cân bằng và đồng nhất của khối nấu. Hệ thống thiết bị nấu liên tục như sau: 1. Nồi nấu sơ bộ 2. Bõm pitton 3. Bộ phận tiếp xúc nhiệt 4. Thiết bị nấu chín (đợt 1; 138-140 0 C, 20-25ph) 5. Thiết bị nấu chín thêm (đợt 2) 6. Thiết bị tách hơi 7. Thiết bị điều chỉnh mức khối nấu. Nguyên liệu và nước vào nồi nấu sơ bộ 1 được gia nhiệt bằng hơi thứ từ thiết bị tách hơi thứ 6. Sau đó nhờ bơm pitton 2 đưa đến thiết bị nấu chín 4 rồi đến thiết bị nấu 5 (với mục đích giữ thời gian dài cho khối nấu). Sau khi khối nấu bốc hơi xong được đưa đi đường hóa. ! " # $ % % ' & Hơi thứ Đi đường hóa !"