PH ẦN II. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIA
Chương 10. SẢN XUẤT DỊCH LÊN MEN
2. N ẤU - ĐƯỜNG HểA (Mashing)
2.2. Các quá trình phi enzym 1. Keo t ụ và biến tính protein
* Khi hòa tan, protein tạo thành dung dịch keo, các phân tử keo có kích thước khá lớn, không đi qua màng bán thấm. Do trên bề mặt phân tử protein có các nhóm phân cực, khi hòa vào nước, các phân tử nước lưỡng cực cao được hấp phụ bởi nhóm này, tạo thành màng nước bao quanh phân tử protein gọi là các lớp vỏ hydrat. Độ bền keo của dung dịch protein phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: nhiệt độ, sự tích điện của phân tử protein, mức độ hydrat hóa,…Khi thay đổi các yếu tố này, ví dụ nhiệt độ tăng cao, thay đổi pH,… thì các phân tử lớn của protein sẽ kết tụ lại với nhau tạo thành mảng lớn, tách khỏi dung dịch, thường gọi là kết tủa protein.
Sau khi protein bị kết tủa, nếu ta loại bỏ được các yếu tố gây kết tủa thì dung dịch keo của nó có hai khả năng:
- Sẽ trở lại trạng thái ban đầu như lúc chưa bị kết tủa, trường hợp này gọi là kết tủa thuận nghịch.
- Mất khả năng trở lại trạng thái ban đầu, sự cân bằng của hệ thống bị phá vỡ, trường hợp này gọi là kết tủa không thuận nghịch.
Với đa số hợp chất nitơ phức tạp trong dịch thủy phân malt, pH đẳng điện trong khoảng 5,2 - 5,5.
* Sự biến tính lại là một đặc tính khác của protein. Nếu so sánh với quá trình kết tủa thì cả hai có một kết cục giống nhau, là những phân tử protein đó sẽ được kết tụ lại và sẽ bị loại ra khỏi dịch đường, nhưng bản chất và diễn biến của hai quá trình có những điểm khác nhau. Dưới tác dụng của các tác nhân vật lý (khuấy cơ học, tăng hay giảm nhiệt độ, chiếu tia cực tím, siêu âm,…), protein bị biến đổi cấu trúc các bậc 2, 3, 4 nhưng không phá hủy cấu trúc bậc 1, kèm theo các tính chất ban đầu mất đi. Hiện tượng này gọi là sự biến tính của protein. Protein biến tính sẽ bị giảm độ hòa tan, giảm độ ưa nước, độ nhớt và dễ được thủy phân.
Cả hai hiện tượng trên được ứng dụng để làm sạch các hợp chất chứa nitơ dễ kết mảng ra khỏi dịch lên men vì làm tăng độ bền keo của bia. Tuy nhiên mặt bất lợi là
111
có những mạch polypeptid đã biến tính nhưng chưa bị phân cắt để tạo thành acid amin thì cũng bị kết tụ theo, tạo nên sự hao phí protein.
2.2.2. Phản ứng melanoidin
Melanoidin là phản ứng giữa các amino acid với các đường khử tạo thành các melanoid có màu sậm và mùi. Phản ứng phụ thuộc vào bản chất, nồng độ các amino acid và các đường, tỷ lệ nước, nhiệt độ và một số chất tăng cường, kìm hãm.
* Ảnh hưởng của acid amin và đường
Acid amin đóng vai trò như một chất xúc tác ở giai đoạn đầu của phản ứng tạo melanoid, mặt khác, trong thành phần của melanoid có chứa nitơ, như vậy một phần acid amin tiêu tốn cho sự tạo thành các melanoid. Các acid amin tham gia phản ứng khác nhau phụ thuộc vào nhiệt độ, pH của môi trường và lượng nước có mặt.
Cường độ của phản ứng melanoidin cũng phụ thuộc vào bản chất của đường khử: glucose phản ứng mạnh nhất, sau đó là galactose, lactose,…Đường saccharose không tham gia phản ứng này.
* Ảnh hưởng của nước
Để phản ứng melanoidin tiến hành cực đại thì xung quanh mỗi phân tử protein phải tạo nên lớp đơn phân glucose và lớp đơn phân tử nước. Như vậy sự có mặt nước là điều kiện cần thiết để tiến hành phản ứng. Nồng độ chất tác dụng càng cao, lượng nước càng ớt thỡ phản ứng melanoidin càng mạnh. Ở điều kiện đường húa rừ ràng không thể là điều kiện tối ưu cho phản ứng này.
* Ảnh hưởng của nhiệt độ và pH của môi trường
Ở nhiệt độ 0oC và dưới 0oC phản ứng không xảy ra. Nhiệt độ càng tăng tốc độ phản ứng các mạnh. Ở những nhiệt độ khác nhau, sản phẩm tạo thành cũng có thành phần, mùi và vị khác nhau. Ví dụ, ở 95 - 100oC, sản phẩm tạo thành có mùi và vị hài hòa nhất, khi nhiệt độ trên 190oC, sản phẩm tạo thành có vị đắng khó chịu.
Phản ứng melanoidin xảy ra trong khoảng rộng của pH. Ở trong môi trường kiềm phản ứng nhanh hơn so với môi trường acid.
Các chất phản ứng được với nhóm -C=O đều là tác nhân kìm hãm phản ứng melanoidin, ngược lại các acid như lactic acid, phosphoric acid và các muối của chúng có tác dụng tăng cường phản ứng.
2.2.3. Hoà tan các cấu tử malt
Trong vỏ malt chứa khá nhiều hợp chất polyphenol, chất chát và chất đắng.
Trong quá trình đường hóa, do tiến hành ở nhiệt độ cao, nên một số lớn sẽ hòa tan vào nước. Sự hòa tan này là một bất lợi vì chúng sẽ tạo cho bia có vị lạ khó chịu, đồng thời sự ôxy hóa các hợp chất này là nguyên nhân làm tăng độ màu của dịch đường. Quá trình hòa tan này phụ thuộc vào nhiệt độ, pH và thời gian đun nấu. Khi nhiệt độ càng cao, pH càng cao và thời gian đun nấu càng dài thì lượng chất hòa tan càng lớn. Hiện tượng này đặc biệt nguy hiểm khi ta sử dụng nước có độ cứng cacbonat cao để đường hóa. Biện pháp hữu hiệu để hạn chế sự hòa tan các hợp chất trên là sử dụng nước mềm, đồng thời tăng cường độ chua bằng cách bổ sung acid lactic hay CaSO4.
Trong thời gian đường hóa, tất cả các hợp phần của nội nhũ đều được hòa tan vào dịch đường, chúng là: các hợp chất thấp phân tử đã có sẵn trong malt như đường, dextrin, acid amin,….cùng các chất thấp phân tử được tạo thành trong thời gian đường hóa. Tất cả các chất này hòa tan vào dịch đường tạo thành chất chiết của dịch đường.
112
Ngoài ra có sự hòa tan các muối khoáng có trong nguyên liệu, trong đó sự hòa tan muối phosphate từ malt là cần thiết. Các phosphate sẽ phản ứng với các ion tạo độ cứng của nước làm thay đổi pH theo hướng có lợi và tăng độ đệm của môi trường, còn các muối kẽm từ nguyên liệu hòa tan sẽ cung cấp kẽm với ý nghĩa là nguyên tố vi lượng yếu đối với sinh trưởng của nấm men. Thiếu kẽm nấm men sẽ phát triển yếu, quá trình lên men chậm và khử diacetyl không triệt để. Trong quá trình nấu, khoảng 20% kẽm của malt tan vào dịch nấu sau đó giảm dần. Để dư lượng kẽm trong dịch cao, cần thủy phân ở pH thấp, tỷ lệ bột: nước khoảng 1: 2,5.
2.2.4. Phản ứng giữa muối của nước và phosphat
Các muối cacbonat và bicarbonat trong nước sẽ phản ứng với các muối phosphat của malt làm giảm tính đệm và làm tăng pH của dịch thủy phân. Ví dụ:
H2PO4
- + HCO3
- HPO4
2- + CO2 + H2O , HPO42-
+ H2O H2PO4-
+ OH-
Các muối gây ra độ cứng phi cacbonat khi phản ứng với các muối phosphat sẽ làm giảm pH và tăng độ đệm của môi trường.
3Ca2+ + 2HPO4
2-
Ca3 (PO4)2 + 2H+ 2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nấu
2.3.1. Thời gian
Thời gian là yếu tố quan trọng cùng với nhiệt độ lập thành chế độ thủy phân.
Nếu giữ nhiệt độ tại một mức thuận lợi cho một enzyme thì sản phẩm thủy phân do enzyme đó xúc tiến càng nhiều. Tuy nhiên đây không phải là tỷ lệ thuận, thời gian càng lâu thì hoạt lực của enzyme càng yếu dần.
2.3.2. Nhiệt độ
Hoạt động của enzyme phụ thuộc vào nhiệt độ. Hoạt lực của nó tăng khi nhiệt độ môi trường phản ứng tăng và mỗi enzyme đạt hoạt lực mạnh nhất tại một giá trị nhiệt độ nhất định đặc trưng cho nó, gọi là nhiệt độ tối ưu. Ở nhiệt độ cao hơn sẽ diến ra sự biến tính nhanh chóng enzyme do phá vỡ các cấu trúc xoắn, cuộn không gian của phân tử protein. Nhiệt đô càng cao hơn nhiều so với nhiệt độ tối ưu thì sự vô hoạt và hủy diệt hoạt tính của enzyme diễn ra càng nhanh.
Hoạt lực của enzyme tại một mức nhiệt độ xác định cũng sẽ bị thay đổi. Trong khi ở nhiệt độ thấp hoạt lực enzyme có thể được duy trì gần như không hạn định thì ở nhiệt độ cao nó sẽ giảm nhanh.
2.3.3. pH
Mỗi enzyme cũng có một giá trị pH tối ưu đặc trưng. Các enzyme của malt có giá trị pH tối ưu hoặc cận tối ưu nằm trong một khoảng khá hẹp. Từ đó cho phép chọn một mức pH cho thủy phân trên cơ sở thuận lợi chung cho các enzyme cần ưu tiên. pH dịch thủy phân thường được điều chỉnh thường nằm trong khoảng 5,3 – 5,6.
2.3.4. Trạng thái vật lý của nguyên liệu
Hoạt động của enzyme được tạo thuận lợi nếu enzyme dễ tiếp cận cơ chất, do vậy việc nghiền mịn, hồ hóa và dịch hóa hoàn toàn là rất cần thiết.
2.3.5. Mức độ đặc loãng của khối thủy phân
Nếu bột được hòa loãng sẽ thuận lợi cho thủy phân tạo đường, nếu hoà đặc sẽ thuận lợi cho thủy phân protein. Tuy nhiên các ảnh hưởng này thật sự không lớn.
113
2.3.6. Hoạt lực enzyme
Malt có hoạt lực enzyme mạnh sẽ thủy phân nhanh và triệt để đồng thời tránh được những vấn đề kỹ thuật do thủy phân không hoàn toàn gây ra.
2.3.7. Các yếu tố khác
Sự có hoặc không hiện diện các chất hoạt hóa (co-enzyme), chất ức chế (inhibitor: kim loại, acid mạnh, hoặc kiềm) hoặc độc tố enzyme có thể làm thuận lợi hoặc kìm hãm các quá trình enzyme.
2.4. Các nhóm phương pháp nấu cơ bản