PH ẦN II. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIA
Chương 10. SẢN XUẤT DỊCH LÊN MEN
2. N ẤU - ĐƯỜNG HểA (Mashing)
2.1. Các quá trình hóa sinh 1.Th ủy phân tinh bột
Thủy phân tinh bột trong nấu bia nhằm tạo ra hỗn hợp các đường lên men được và dextrin có phân tử lượng thấp. Đường lên men được (fermentable sugars) là cơ chất của quá trình lên men, chủ yếu là maltose, glucose, và maltotriose.
Quá trình phân giải tinh bột diễn ra qua 3 giai đoạn kế tiếp nhau: hồ hóa, dịch hóa và đường hóa.
Hồ hóa (gelatinisation): Trong môi trường nước nóng, các phân tử tinh bột hấp thụ nước và trương nở làm vỡ các hạt tinh bột, giải phóng phân tử tinh bột vào nước tạo thành dung dịch hồ. Tinh bột nếu chưa được hồ hóa sẽ rất khó được thủy phân. Hồ hóa không triệt để thì dịch sau nấu sẽ chứa nhiều tinh bột sót, dễ đục. Hồ hóa tinh bột là một quá trình hóa lý, tuy nhiên các enzyme α-amylase, cytase có vai trò tích cực giúp quá trình diễn ra nhanh và triệt để.
Dịch hóa (liquefaction): Dung dịch hồ có độ nhớt cao gây cản trở hoạt động của các enzyme và dễ cháy cục bộ khi nâng nhiệt. Dưới tác dụng của α -amylase, phân tử tinh bột bị cắt ngẫu nhiên thành các dextrin làm độ nhớt dung dịch giảm nhanh chóng. Với sự có mặt của α-amylase, dịch hóa sẽ xảy ra song song cùng hồ hóa, là khởi đầu của quá trình thủy phân tinh bột.
Đường hóa (saccharification): được hiểu là quá trình hoàn thành việc chuyển hóa tinh bột thành hỗn hợp sản phẩm không cho phản ứng màu với iodine, gồm glucose, maltose, maltotriose và các dextrin phân tử lượng thấp.
Hai enzyme quan trọng nhất của quá trình phân giải tinh bột là α-amylase và β- amylase. α-amylase phân giải amylose và amylopectin thành các dextrin chứa từ 7 đến
Hình 10.2. Nồi thủy phân malt
108
12 đơn vị glucose. β-amylase phân cắt từng cặp đơn vị glucose (maltose) ra khỏi đầu không khử mới được tạo ra trên các mạch polysaccharide mới. Quá trình phân cắt tạo maltose do β-amylase chậm hơn rất nhiều so với hoạt động cắt mạch của α-amylase.
Tác dụng đồng thời của 2 enzyme sẽ tạo ra maltose, glucose và maltotriose.
Do cả hai loại này không phân cắt được liên kết 1,6-glucoside nên thủy phân sẽ dừng lại cách liên kết 1,6-glucoside khoảng 2 - 3 đơn vị glucose, tạo thành các dextrin giới hạn.
Malt cũng chứa dextrinase giới hạn (limit dextrinase) có thể phân cắt liên kết 1,6 glucoside nhưng loại enzyme này kém bền nhiệt, (nhiệt độ tối ưu trong khoảng 55 – 600C và bị vô hoạt ở 650C) nên không thể hiện vai trò đáng kể trong quá trình.
Enzym α-amylase hoạt động tốt trong khoảng nhiệt độ 72 - 750C, pH tối ưu là 5,6 – 5,8; hoạt lực giảm nhanh chóng khi nhiệt độ lên đến 800C.
Enzym β-amylase hoạt động tốt trong khoảng nhiệt độ 60 - 650C, pH tối ưu khoảng 5,4 - 5,5. β-amylase là enzyme kém bền nhiệt, ở 700C hầu như bị vô hoạt hoàn toàn.
Quỏ trỡnh thủy phõn tinh bột phải được theo dừi để trỏnh sút tinh bột hoặc cỏc dextrin phân tử lượng lớn. Thường sử dụng iodine 0,2N trong cồn (dung dịch gồm iodine (I2), potassium iodine (KI) và cồn) thử trên dung dịch thủy phân nguội. Đường và các dextrin mạch ngắn không gây biến đổi màu của dung dịch thuốc thử. Các mảnh dextrin mạch nhánh có phân tử lượng cao hơn sẽ cho phản ứng màu từ tím đến đỏ.
Khi dịch thủy phân không còn phản ứng màu với iodine thì kết thúc đường hóa.
Khoảng 75 – 80% chất khô bột nghiền được chuyển thành chất trích ly, phần không hòa tan bị thải loại dưới dạng bã maltt (spent grain).
Sản phẩm thủy phân tinh bột chủ yếu gồm: maltose (khoảng 40 – 50 %), dextin (khoảng 20%), maltotriose (khoảng 20%), glucose (10 – 15%), saccharose (khoảng 6%), fructose (khoảng 2%).
Maltose, glucose, maltriose cùng với lượng đường đơn giản có sẵn trong đại mạch (sucrose, fructose) tạo thành nhóm đường lên men được. Bằng cách thay đổi chế độ nấu (nhiệt độ, thời gian lưu giữ ở các mức nhiệt độ) ta có thể thay đổi cơ cấu tỷ lệ các sản phẩm thủy phân.
2.1.2. Thủy phân protein
Hợp chất chứa nitơ trong bia tạo giá trị dinh dưỡng, làm nguồn nitơ cho nấm men (nấm men cần lượng amino acid khoảng 10 – 14 mg/100 ml dịch lên men), tạo và giữ bọt, tham gia phản ứng melanoidin tạo thành các hợp chất có màu, hương, góp phần tạo vị bia.
Enzyme thủy phân protein trong malt gồm 2 nhóm: Endo-peptidase và exo- peptidase.
Endo-peptidase còn gọi là proteinase, phân cắt liên kết peptide ngẫu nhiên từ bên trong mạch polypeptide thành các đoạn polypeptide kích thước khác nhau như albumose, pepton,.... và một ít amino acid. pH tối ưu từ 4,6 - 4,9, nhiệt độ tối ưu 50 – 600C. Đây là nhóm enzyme bền nhiệt, khi hoạt động ở nhiệt độ khoảng 50 0C sẽ tạo ra nhiều polypeptide đơn giản; khi ở 600C sản phẩm chủ yếu là các polypeptide phân tử lượng cao, ví dụ các albumose.
Exopeptidase, còn gọi là peptidase, phân cắt polypeptide thành các dạng đơn giản như dipeptide và amino acid. Hoạt động tối ưu trong điều kiện pH từ 7 - 8, nhiệt độ 40 – 420C, hoạt lực yếu dần khi nhiệt độ lên 500C và mất hẵn khi đến 600C. Vì vậy
109
trong thủy phân, các enzyme exo-peptidase khó hoạt động được do pH và nhiệt độ cách xa vùng tối ưu. Để tăng lượng hợp chất chứa nitơ đơn giản, khởi đầu quá trình nấu ta trộn bột nghiền với nước ở 40 – 420C và giữ một khoảng thời gian trước khi nâng nhiệt.
Khác với trường hợp tinh bột, sự phân giải protein trong quá trình thủy phân không đạt đến điểm kết thúc. Phân hóa các hợp chất chứa nitơ trong hạt đại mạch qua các giai đoạn của quá trình làm bia như sau:
Khoảng 15 – 16% hợp chất chứa nitơ trong hạt đại mạch ở dạng đơn giản hòa tan được.
Trong quá trình làm malt, có thêm khoảng 15% protein được chuyển thành dạng đơn giản, chủ yếu là các amino acid, polypeptide phân tử lượng thấp.
Sự phân giải protein trong quá trình thủy phân giúp khai thác thêm 10%
protein sang dạng hoà tan, chủ yếu là albumin, polypeptide phân tử lượng trung bình.
Như vậy, chỉ khoảng 40% protein hạt đại mạch được hòa tan, chia thành đạm bền vững và đạm khả kết.
Đạm bền vững tạo bởi các amino acid và peptide đơn giản, tồn tại bền vững trong dịch lên men và bia. Đây là thành phần đạm rất giá trị, cung cấp dinh dưỡng nitơ cho nấm men, tham gia tạo vị, hương, màu.
Đạm khả kết chủ yếu là các polypeptide phân tử lượng lớn, hầu hết bị kết tụ trong nồi thủy phân và đun hoa. Phần còn lại tuy hoà tan nhưng sẽ kết mảng theo thời gian, đặc biệt khi điều kiện môi trường bia (nhiệt độ, pH) thay đổi.
Như vậy, quá trình thủy phân protein xảy ra chủ yếu ở 45 – 550C, và tiếp tục diễn ra ở nhiệt độ cao hơn. Dừng nhiệt độ tại 450C sẽ cho ra nhiều hợp chất chứa nitơ đơn giản, dừng nhiệt độ tại 550C sẽ tạo ra nhiều hợp chất nitơ phân tử lượng cao. Nếu dừng nhiệt độ lâu trong khoảng 45 – 500C sẽ dẫn đến bia kém bọt.
2.1.3. Phân hủy màng tế bào
Thành tế bào nội nhũ đại mạch chủ yếu gồm protein, cellulose và hemicellulose, được liên kết với nhau bởi β-glucan. Quá trình làm tan màng tế bào sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình thủy phân. Nhóm enzyme hoà tan màng gọi chung là cytase, vùng hoạt động tối ưu với khoảng 450C và pH khoảng 5,0.
β-glucan có vai trò như các sợi chỉ liên kết các chất cấu thành màng tế bào.
Phân tử β-lucan trong một số trường hợp sẽ tạo gel làm tăng độ nhớt, gây ra các vấn đề lọc. Trong quá trình ươm mầm, β-glucan đã được phân hủy sâu sắc. Quá trình này càng triệt để nếu sử dụng đại mạch ít β-glucan, giàu endo-β-glucanase (ít nhất 120 đơn vị endo-β-glucanase/kg malt).
Điều kiện tối ưu cho endo-β-glucanase là 45 – 500C. Bằng cách lưu khối thủy phân lâu ở nhiệt độ này và dùng malt có độ nhuyễn cao, giàu endo-β-glucanase, phần lớn β-glucan được thủy phân thành β-glucan tan dạng đơn giản vẫn tránh được khả năng tạo gel.
2.1.4. Giải phóng phosphate
Trong giai đoạn peptone hóa, các phosphatase giải phóng phosphate từ malt vào dịch thủy phân, dẫn đến hình thành hỗn hợp các muối phosphate, Muối phosphate chủ yếu là dibasic potassium phosphate, K2HPO4 (pH = 8) và monobasic, KH2PO4 (pH = 4,7). pH của huyền phù khi hòa bột vào nước khoảng 5,8 – 6,0, trong khi đó pH cần
110
điều chỉnh để thích hợp chung cho các enzyme cần thiết khoảng 5,2 – 5,7. Do vậy cần acid hóa dịch thủy phân nguyên liệu.
Với sự hiện diện thỏa đáng của ion calcium, ví dụ dưới dạng muối CaSO4, trong dịch thủy phân sẽ xảy ra phản ứng
K2HPO4 + CaSO4 = Ca3(PO4)2 + KH2PO4 + K2SO4.
Ca3(PO4)2 sẽ kết tủa dẫn đến cân bằng chuyển dịch theo chiều triệt tiêu muối K2HPO4 vốn có tính base, nhờ vậy pH sẽ giảm về miền acid.
Như vậy thành phần tự nhiên của malt, phosphatase và các chất hữu cơ chứa phosphate cùng với nước nấu được xử lý thích hợp sẽ dẫn đến hình thành hệ đệm ở mức pH thích hợp cần thiết để thủy phân. Các sản phẩm thủy phân các phosphatase còn là dinh dưỡng phospho cho nấm men.
Các quá trình hóa sinh chiếm ưu thế trong các diễn biến thủy phân, đây là sự tiếp tục và hoàn thiện của các quá trình enzyme xảy ra trong ươm mầm vốn đã bị dừng bởi công đoạn sấy malt.
Trong quá trình thủy phân có sự tham gia của nhiều enzyme, trong đó các loại có vai trò nổi trội là hệ amylase, protease, cytase, phosphatase.
2.2. Các quá trình phi enzym