Trong quá trình lên men bia, nấm men Saccharomyces carlsibergensis là một trong những yếu tố khá quan trọng quyết định đến chất lượng sản phẩm, thời gian lên men cũng như lợi nhuận kinh tế của công ty. Vì vậy nấm men dùng để lên men bia phải thỏa mãn được các yêu cầu như giống phải khỏe mạnh, thuần chủng không bị thoái hóa...
Để tiết kiệm lượng nấm men sử dụng cho quá trình lên men bia, nhà máy đã thu lại nấm men sau quá trình lên men chính để sử dụng cho các mẻ lên men tiếp theo. Tuy nhiên theo lý thuyết việc tái sử dụng nấm men sau quá trình lên men chính có thể ảnh hưởng đến tốc độ tăng trưởng của nấm men. Từ đó có thể ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình sản xuất bia của nhà máy. Do đó, việc tìm hiểu sự thay đổi tốc độ tăng trưởng của nấm men trong các dòng đời là cần thiết, và sự thay đổi này có thể biểu thị bằng các số liệu về một số nấm men trong quá trình lên men bia. Mật số tế bào nấm men qua thời gian được xác định bằng phương pháp đếm trực tiếp tế bào dưới kính hiển vi hay gián tiếp trên mặt thạch. Dựa vào mật số tế bào nấm men theo thời gian qua tường dòng đời. Với quan hệ giữa mật số nấm men theo thời gian tuân theo phản ứng bậc 1.
DN/dt = -K.Nn
Với: N: mật số nấm men tại thời điểm t t: thời gian
K: hằng số tốc độ phản ứng n: bậc phản ứng (n = 1).
Với mật số nấm men ban đầu N0 tương ứng với thời điểm t = 0 và N tương ứng với thời điểm t = t. Ta có:
DN/N= -K.dt Hay N No t dt K dt dN 0 . (1) Từ (1) ta được: t K No N . ln (2)
ln(N)= ln(No) – Kdt (3) Phương trình (3) đồng dạng với phương trình:
Y= ao + a1x
Với dữ liệu thu nhận mật độ nấm men (N) theo thời gian (t) có thể xác định hằng số tốc độ phát triển nấm men trong các bồn với các đời khác nhau với K = -a1. Hằng số tốc độ phản ứng K của dòng đời được tính bằng phương trình Mathcad và thể hiện trong bảng 3.1.
Bảng 3.1. Hằng số tốc độ phản ứng K theo đời nấm men
Đời nấm men Hằng số K Bồn Chứa
3 0,017a 15 4 0,0195ab 18 5 0,0205b 19 6 0,021b 22 7 0,0215bc 24 8 0,024c 26
Dựa vào bảng 3.1 và kết quả phân tích thống kê bằng phương pháp thống kê Statgraphics ở phần phụ lục E kết qủa thống kê cho thấy hằng số tốc độ phản ứng K giữa các đợi nấm men có sự khác biệt (ở mức ý nghĩa 5%). Và nguyên nhân của sự giảm hằng số K có thể là do nấm men sinh sản bằng sự nảy chồi, khi nấm men tách khỏi tế bào mẹ để sống độc lập thì nơi tách đó trên tế bào mẹ tạo thành một vết sẹo và tại vết sẹo đó nấm men không có khả năng tạo ra chồi mới (Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Hữu Phúc, 1996) dẫn đến khả năng sinh sản của nấm men giảm dần làm hằng số phát triển giảm theo các dòng đời. Mặc khác thao tác trong quá trình thu hồi nấm men sử dụng cho các bồn sau quá trình lên men chính có khả năng gây tạp nhiễm cao dẫn đến giống không còn thuần chủng, sức sống giảm dần do sự cạnh tranh nguồn dinh dưỡng và có thể bị tấn công bởi các vi sinh vật làm cho tỷ lệ chết ngày càng tăng nhanh. Sự không ổn định trong duy truyền cũng là nguyên nhân làm hằng số tốc độ phát triển nấm men giảm trong quá trình lêm men bia (Lương Đức Phẩm, 2006). Trong quá trình duy truyền từ tế bào mẹ sang các tế bào con cháu đã xảy ra đột biến ngẫu nhiên do sai sót ngẫu nhiên khi liên kết các nucleotit trong quá trình sao chép vì vậy khi sử dụng giống quay vòng, giống ngày càng bị thoái hóa thông qua các biểu hiện như khả năng phát triển giảm dần, khả năng sinh sản kém dần, khả năng kháng lại các điều kiện bất lợi cũng giảm dần, đời sống của con cháu ngày càng ngắn. Các tế bào nấm men có thể bị teo bị biến dạng, nấm men có thể chết.
Hình 3.3. Đồ thị thể hiện mật số nấm men thay đổi theo thời gian qua các đời men
Nhận xét: dựa vào đồ thị hình 3.3 cho thấy mật số nấm men qua các đời theo thời gian là khác nhau. Mật số nấm men của các đời tăng mạnh từ ngày 1 đến ngày 3 và đạt cực đại ở ngày thứ 3 sau đó giảm dần. Nguyên nhân là do nấm men sử dụng gần như toàn bộ lượng chất hòa tan trong môi trường để phát triển và tăng sinh khối. Trung bình mật độ nấm men tăng gấp 3 lần mật độ nấm men cấy vào, đến ngày thứ 4 nồng độ chất hòa tan trong dịch rất thấp đồng thời nấm men bước vào pha suy giảm và bắt đầu kết bông lắng xuống đáy tank. Chúng ta cũng thấy rằng các đời càng về sau thì tốc độ tăng mật số nấm men càng thấp sự khác biệt không quá lớn đối với 2 đời men liên tiếp. Ở bồn thứ nhất đời men còn trẻ hoạt lực nấm men cao nên tốc độ tăng mật số nấm men cao. Qua các đời về sau thì yếu dần. Nếu sử dụng qua đời thứ 8 thì tốc độ lên men chậm ảnh hưởng đến chất lượng của bia. Vì vậy mà công ty chỉ sử dụng đến đời men thứ 8. Đến ngày thứ 4 thì các bồn đều có mật số nấm men giảm nhưng trong số đó bồn thứ nhất có mật số giảm ít nhất điều này minh chứng cho nấm men ở đời càng trẻ thì càng khỏe có thể chóng lại điều kiền bất lợi của môi trường nhưng chỉ trong giới hạn nhất định không quá khắc nghiệt các đời men về sau sự giảm mật số càng tăng nhưng cũng không quá lớn so với bồn thứ nhât. Đến đời thứ 8 thì mật số nấm men giảm mạnh nhưng vẩn trong khoảng cho phép. Nếu sử dụng quá đời thứ 8 thì mật số nấm men còn lại quá ít, tỷ lệ chết cao, hoạt lực nấm men giảm, các sản phẩm chính phụ không cân đối ảnh hưởng đến chất lượng của bia thành phẩm, hay không đồng nhất về mặt sản phẩm nên không được sử dụng cho mẽ tiếp theo. M ật số nấ m men (t riệu tế b ào) Chúthích Ngày
3.3 SỰ THAY ĐỔI NHIỆT ĐỘ VÀ ÁP SUẤT TRONG QUÁ TRÌNH LÊN MEN BIA
3.3.1 Sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình lên men
Trong quá trình lên men nhiệt độ là thông số quan trọng quyết định đến kết quả của quá trình lên men. Mỗi loại nấm men có một khoảng nhiệt độ hoạt động nhất định nếu ở nhiệt độ cao sẽ thu nhận được các kết quả:
Thời gian lên men nhanh. Mật độ tối da đạt được cao hơn so với ở nhiệt độ thấp. Lên men triệt để hơn nhưng các sản phẩm bậc hai sinh ra nhiều hơn (đặc biệt là diacetyl). Lượng sinh khối tạo ra nhiều hơn nhưng lượng tế bào chết nhiều hơn và tốc độ suy giảm các đặc tính công nghệ nhanh hơn. Kết quả cuối cùng nhận được là các tỷ số giữa các cấu tử trong bia không cân đối, chất lượng của bia giảm (Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Hữu Phúc, 1996). Mỗi loại nấm men đều có một nhiệt độ tối ưu cho sự phát triển và lên men. Vượt qua giới hạn đó xét ở góc độ chất lượng sản phẩm, sẽ nhận được kết quả không mong muốn.
Hinh 3.4. Đồ thị thể hiện sự thay đổi nhiệt độ (0C) giữa các đời men
Nhận xét: từ kết quả đồ thị ở hình 3.4 cho thấy nhiệt độ của dịch lên men có sự biến động trong quá trình lên men theo hướng giảm dần. Sau 3 ÷ 4 ngày đầu của quá trình lên men nhiệt độ tăng lên 0,5 ÷ 10C (nhiệt độ ngày đầu của dịch lên men nằm trong khoảng 8 ÷ 8,50C tăng dần lên 90C), nguyên nhân của sự tăng nhiệt độ này là do nấm men sử dụng đường tạo ra rượu, CO2 và nhiệt lượng chính nhiệt lượng tạo ra này đã làm tăng nhiệt độ dịch lên men. Nhiệt độ từ ngày 4 đến ngày 8 giảm dần xuống còn 50C, thời gian này là kết thúc quá trình lên men chính hạ nhiệt độ để làm chậm lại quá trình sử dụng dịch đường khống chế quá trình lên men. Quá trình lên men phu nhiệt độ từ -1 ÷ 50C. Khi độ đường
Nhi
ệt độ (
giảm còn 2,75 0P thì hạ nhiệt độ xuống 20C, và khi độ đường giảm còn 2,65 0P thì giảm nhiệt độ xuống 00C. Mục đích của các lần giảm nhiệt độ này là để khống chế lượng đường còn lai trong bia và làm châm quá trình lên men phụ để sinh các sản phẩm phụ giúp cải thiện tính chất của bia. Nguyên nhân dẫn đến có sự khác biệt về thời gian tăng giảm nhiệt độ của các bồn là muốn điều khiển quá trình lên men. Trong thời gian lên nhiệt độ là nhân tố quan trọng để điều khiển quá trình lên men. Là một nhân tố góp phần tạo ra một sản phẩm hoàn thiện. 3.3.2 Sự thay đổi áp suất trong quá trình len men
Áp suất bề mặt của dịch lên men ảnh hưởng đến các quá trình công nghệ. Nó xác định mức độ bảo hòa CO2 trong bia, mà chất này là nhân tố ức chế quá trình lên men, đặc biệt là giai đoạn đầu và giai đoạn logarit. Ở nhiệt độ thường, quá trình lên men bị đình chỉ nếu áp suất trong bồn lên men tăng 1 ÷ 2 kg/cm2. Chính vì thế mà trong sản xuất thực tế người ta ít khi nào cho áp suất tăng quá một kg/cm2. Áp suất lên men còn ảnh hưởng đến lượng sinh khối tạo thành. Trong một giới hạn xác định, nếu áp suất càng cao thì lượng sinh khối tạo thành càng ít, tất nhiên mối tương quan đó không tỷ lệ thuận. Áp suất cũng ảnh hưởng đến trạng thái sinh lý của nấm men. Nếu nấm men chịu được áp lực cao trong giai đoạn lên men thị mức độ suy giảm các đặc tính công nghệ của nó cũng nhanh hơn, số thế hệ nấm nem được tái sử dụng cũng ít hơn. Khi quá trình lên men bước sang thời kì gần kết thúc thì việc tăng áp suất không gây ảnh hưởng đến hoạt động của nấm men và tiến trình lên men. Ngược lại nó lại hạn chế quá trình oxi hóa, và làm tăng độ bền của bia. Trên cơ sở kết luận này trong giai đoạn đầu của quá trình lên men người ta khống chế ở áp suất 0,2 ÷ 0,5 kg/cm2, còn giai đoạn sau, áp suất duy trì ở mức cao hơn 0,8 ÷ 1 kg/cm2.
Hinh 3.5. Đồ thị thể hiện sự thay đổi áp suất giữa các đời men
Áp su ất ( ba r )
Nhận xét: dựa vào hình 3.5 chúng ta thấy được trong thời gian lên men chính áp suất của bồn gần như bằng 0 là do trong quá trình này tạo điều kiện tối ưu cho quá trình lên men chính. Trong quá trình lên men thì CO2 sinh ra làm cho áp suất tăng lên đây là yếu tố làm cản trở quá trình lên men. Nếu trong giai đoạn đầu của quá trình lên men mà nấm men sử dụng mạnh lượng đường làm cho nồng độ đường giảm mạnh thì có thể sử dụng áp suất để khống chế hoạt động của nấm men. Còn nấm men sử dụng đường quá ít thì nên đưa nhiệt độ và áp suất về điều kiện tối ưu cho nấm men hoạt động. Khi nấm men phát triển làm cho độ Plato còn lại 3,2 thì tiến hành dằn áp là 0,3 bar. Khi Plato giảm xuống 3,0 tiến hành dằn áp 1 bar cho đến hết quá trình lên men. Quá trình lên men càng dài thì chất lượng của bia càng được hoàn thiện. Mục đích của các lần dằn áp suất là khống chế tốc độ lên men vì nếu lên men nhanh thì hàm lượng diacetyl cao và các sản phẩm phụ ít làm cho bia không đạt được mong muốn. Nguyên nhân dẫn đến sự khác nhau về thời gian giảm áp suất là mức độ sử dụng đường của nấm men. Trong thời gian lên men áp suất là nhân tố quan trọng để điều khiển quá trình lên men. Là một nhân tố góp phần tạo ra một sản phẩm hoàn thiện.
3.4 SỰ THAY ĐỔI TỈ LỆ MEN CHẾT TRONG QUÁ TRÌNH LÊN MEN CHÍNH
Trong quá trình lên men chính thì nấm men sử dụng chất dinh dưỡng của dịch nha để lên men. Giai đoạn đầu nấm men phát triển rất mạnh do dịch nha là môi trường có đầy đủ chất dinh dưỡng và oxy cho nấm men phát triển. Ở giai đoạn này thì các thông số như nhiệt độ và áp suất cũng được tối ưu hóa cho nấm men phát triển và tăng sinh khối. Sau 3 ngày thì chất dinh dưỡng giảm đáng kể gần 70% lúc này nấm men cạnh tranh chất dinh dưỡng oxy với nhau. Trong quá trình phát triển của nấm men thì nấm men sinh ra một lượng lớn CO2 và các chất sinh ra trong quá trình phát triển của nấm men cũng góp phần ức chế sự phát triển của nấm men. Những nấm men già và yếu cạnh tranh không lại với các nấm men khỏe nên chết đây là nguyên nhân dẫn đến tỷ lệ nấm men chết tăng dần. Tỷ lệ men chết là một trong những chỉ tiêu để xét nấm men có thể sử dụng được nữa hay không. Nếu nấm men có tỷ lệ chết lớn hơn 10% thì nấm men đó không được sử dụng cho mẽ kế tiếp. Nấm men ở các đời về sau thì tỷ lệ men chết càng cao và hoạt lực nấm men càng giảm. Sử dụng nấm men đời thứ 8 thì tỷ lệ men chết không vượt quá 10%. Nếu sử dụng quá đời thứ 8 thì mật số nấm men còn lại quá ít, tỷ lệ chết cao thời gian cân bằng động dài ảnh hưởng đến chất lượng của bia thành phẩm, hay không đồng nhất về mặt sản phẩm nên không được sử dụng cho mẽ tiếp theo.
2.75 3.5 3.8 4.33 5 6.75 4.7 5.7 4 3.2 2.3 1.75 5 4 3.5 6.2 2.8 3.4 3.7 4.2 4.75 6.4 7.25 0 1 2 3 4 5 6 7 8 3 4 5 6 7 8 8h đầy ngày 1 ngày 2 ngày 3 ngày 4
Hình 3.6. Biểu đồ thể hiên tỷ lên men chết trong quá trình lên men chính
Nhận xét: dựa vào hình 3.6 ta nhìn thấy được rằng tỷ lệ nấm men chết qua các đời đều tăng. Nhưng nấm men sử dụng đến đời thứ 8 thì tỷ lệ men chết không vượt quá 10%. Nấm men ở đời thứ 3 và đời thứ 4 tỷ lệ nấm men chết chênh lệch không nhiều. Nhưng nếu so sánh đời men thứ 3 và đời men thứ 8 thì ta thấy sự chênh lệch này lớn. Khi xét trong điều kiện khác đời men thì ta nhìn thấy được rằng qua các ngày thì tỷ lệ chết của nấm men cũng có sự thay đổi và sự thay đổi này ở các bồn là tương tự nhau nhưng ở mức độ khác nhau ta lấy ví dụ điển hình là bồn thứ nhất ở ngày thứ nhất tỷ lệ men chết là thấp nhất 1,9% đến ngày thứ hai là 2,4% và ngày thứ ba tăng lên 2,9%. Đến ngày thứ tư thì tỷ lệ chết của nấm men tăng cao nhất 3.4%. Bồn thứ 8 thì ở ngày thứ hai tỷ lệ men chết là thấp nhất 5% đến ngày thứ ba 6,2% và ngày thứ tư thì tăng lên 7,5% qua các ngày đều tăng. Nếu đem so sánh 3,4% và 7,5% thì ta thấy có sự khác biệt lớn một điểm đáng chú ý khác là 7,52% lại gần giới hạn 10%. Khi tỷ lệ chết cao thì điển ra quá trình phân hủy các chất dinh dưỡng làm cho bia có mùi lạ. Không chỉ điều nay mà còn ảnh hưởng đến các sản phẩm chính phụ làm cho sản phẩm bia không đạt yêu cầu hay không đồng nhất về mặt sản phẩm…để đảm bảo cho quá trình lên men đạt yêu cầu thì công ty chỉ sử dụng nấm men đến đời thứ 8.
Ph ần trăm nấm me n ch ết (%) Chúthích Đời men
21.05 19 19.5 18 17.3 16.2 10.4 9.29 3.3 15.5 14.53 15.6 14.5 17.3 11.28 11.52