- Sự tạo thành ester: Cùng với việc tạo ra acid và alcol, dưới tác dụng của enzyme esterase của nấm men, các acid và alcol tác dụng với nhau tạo ra các ester
2.1.3. Công nghệ lên men rượu etylic
Thông thường nguyên liệu dùng cho sản xuất rượu là các loại ngũ cốc, sắn, khoai tây, rỉ đường, các loại hoa quả,…Ngoài sản phẩm chủ yếu là etylic trong quá trình lên men còn tạo thành khí CO2, glycerine, một số cồn bậc cao, aldehyd, acid hữu cơ và sinh khối nấm men. Sản xuất rượu bằng phương pháp lên men gồm 3 giai đoạn:
- Chế biến các loại nguyên liệu thành dịch đường - Lên men đường thành rượu
- Chưng cất và tinh chế cồn
* Chế biến các loại nguyên liệu thành dịch đường
Các nguyên liệu lên men, trừ các loại đường như các loại chứa tinh bột, cellulose,..cần phải qua quá trình đường hóa. Các chất chứa cellulose như gỗ, rơm rạ, mùn cưa – thường sử dụng các loại acid hoặc enzyme cellulase để đường hóa. Các chất có tinh bột thường được đường hóa bằng enzyme amylase của thóc mầm hoặc của nấm mốc. Nấm mốc dùng trong đường hóa thường là các loài thuộc chi Aspergillusvà gần đây còn sử dụng các loài thuộc chi giả nấm men Endomycopsis. Chúng sản sinh glucoamylase có tác dụng chuyển tinh bột thành đường.
Hiện nay sản xuất rượu chủ yếu dùng hai nguồn nguyên liệu là tinh bột (gạo, ngô, khoai, sắn…) và rỉ đường. Đã có các công bố tạo được chủng nấm men có khả năng chuyển hóa tinh bột thành đường bằng công nghệ di truyền, có nghĩa là loại nấm men này có khả năng lên men rượu trực tiếp từ tinh bột, nhưng hiệu suất chưa cao vì vậy vẫn chưa được ứng dụng trong sản xuất rượu ở mức độ công nghiệp.
Nguyên liệu chứa tinh bột cần phải nấu chín để chuyển tinh bột sang dạng dễ hòa tan giúp cho quá trình phân giải tinh bột nhờ enzyme amylase được dễ dàng hơn. Nguyên liệu thường được nấu chín ở 130 – 1400C dưới áp lực, sau đó mới đường hóa.
Có nhiều phương pháp đường hóa, có thể tóm tắt các phương pháp như sau: + Phương pháp đường hóa bằng acid: giai đoạn nấu và giai đoạn đường hóa xảy ra đồng thời. Acid thường dùng là HCl với tỷ lệ 8 – 10% hoặc H2SO4 2 – 5%. Kết quả thu được dịch đường glucose.
+ Phương pháp đường hoá bằng bánh men: là phương pháp sản xuất rượu thủ công. Nấm mốc (có hệ enzyme amylase phân giải tinh bột) được nuôi cấy và phát triển trên môi trường có tinh bột. Tinh bột sau khi được chuyển sang dạng dễ tan dịch hồ hóa không nhất thiết thành dạng dung dịch thì amylase của nấm mốc sẽ dễ dàng phân hủy tinh bột. Nhược điểm của phương pháp này là tinh bột không ở dạng dung dịch nên hạn chế tác dụng của amylase và việc sử dụng bánh men dễ gây nhiễm khuẩn, nên phương pháp này tạo ra nhiều sản phẩm trung gian và hiệu suất tổng thu hồi thấp.
+ Phương pháp maltase: sử dụng chủ yếu là các enzyme α và β-amylase của malt (thóc đại mạch nảy mầm) để thủy phân tinh bột thành các dextrin và maltose. Sản phẩm thu được chủ yếu là maltose. Ưu điểm của phương pháp này là: thời gian hồ hóa tinh bột ngắn, chất lượng rượu không bị ảnh hưởng mà thường tạo ra những hương vị đặc trưng dễ chịu, ít bị nhiễm khuẩn. Tuy nhiên, phương pháp này cũng có một vài nhược điểm: hiệu suất đường hóa không cao và không triệt để vì phức hệ amylase
trong mầm thóc không hoàn chỉnh, tỷ lệ malt sử dụng so với hàm lượng tinh bột có trong nguyên liệu tương đối cao (8 – 20%), giá thành sản phẩm cao.
+ Phương pháp amylo: đây là phương pháp cổ điển, lần đầu tiên được Calmette phân lập từ men thuốc Bắc ở Việt Nam 1892, loại nấm mốc vừa có khả năng đường hóa vừa cồn hóa, lúc đầu gọi là Amylomyces rouxii về sau gọi là Mucor rouxii. Ưu điểm của phương pháp này là dễ cơ khí hóa, kỹ thuật nuôi gọn; nhưng nhược điểm là đòi hỏi vô trùng tuyệt đối, thời gian lên men dài.
+ Phương pháp myco-malt: sử dụng enzyme amylase (β-amylase, glucoamylase, dextrinase) từ các chủng nấm mốc để đường hóa tinh bột và sản phẩm là hỗn hợp các dextrin, maltose và chủ yếu là glucose. Các chủng nấm mốc này thuộc chi Aspergillus
như: A. niger, A. oryzae, A. awamori. Phương pháp này cho phép rút ngắn quá trình sản xuất, thời gian đường hóa chỉ 1 – 3 giờ. Chính nhờ amylase của nấm mốc này người ta có thể dùng các nguồn tinh bột khác nhau để sản xuất rượu. Đây là phương pháp nuôi cấy bề mặt nên khó tự động hóa, cần diện tích rộng và đòi hỏi nhiều công nhân.
Sản xuất rượu từ rỉ đường hay các loại đường mía thì không cần giai đoạn đường hóa. Nấm men dùng lên men rỉ đường thành rượu thường dùng loài khác với lên men từ tinh bột. Để tăng cường dinh dưỡng cho nấm men cần phải bổ sung vào môi trường rỉ đường các muối phosphate và ammonium sulfate hoặc dịch nấm men tự phân.
* Lên men biến đường thành rượu
Đường hóa xong, dịch đường được làm lạnh tới nhiệt độ lên men và bơm vào thùng cùng với 10% men giống. Ở đây, nấm men sẽ phát triển, chuyển hóa đường thành rượu và CO2 đồng thời dưới tác dụng amylase, dextrin tiếp tục chuyển hóa thành đường lên men được: glucose và maltose.
Quá trình lên men được chia thành 3 giai đoạn: lên men sơ bộ, lên men chính, lên men phụ. Trong giai đoạn đầu, thời gian kéo dài gần 60 giờ đặc trưng cho thời kỳ tiềm phát, lượng đường được lên men rất ít. Giai đoạn thứ 2 kéo dài khoảng từ giờ thứ 60 đến giờ thứ 120, sinh trưởng của nấm men và lên men nhanh, đạt tới cực đại, đặc trưng cho thời kỳ lên men chính. Giai đoạn 3 đặc trưng cho lên men phụ kéo dài, tốc độ lên men rất chậm vì lượng đường trong dịch còn rất ít, các dextrin chưa kịp chuyển thành đường.
Trong điều kiện sản xuất, lượng men giống đưa vào nhiều (8 – 10%) nên tác động lên men xảy ra rất nhanh. Trung bình mỗi giờ ở giai đoạn lên men chính nồng độ đường giảm 1%. Thời gian tiềm phát phụ thuộc vào tỷ lệ men giống đưa vào, thường chỉ 5 – 8 giờ. Tiếp đó chuyển sang lên men chính, cuối cùng là lên men phụ. Thời gian lên men phụ dài hay ngắn phụ thuộc chủ yếu lượng enzyme có khả năng phân cắt liên kết α-1,6 glucosid, do dextrin chỉ có thể lên men sau khi đã thủy phân thành glucose hoặc maltose. Điều này không xảy ra đối với lên men rỉ đường.
Tốc độ lên men chính phụ thuộc vào giống, còn tốc độ lên men phụ chỉ phụ thuộc vào số α-1,6 glucoside và hoạt độ enzyme thủy phân nó. Thông thường, thời kỳ tiềm phát kéo dài khoảng 2 giờ, sau đó lên men đều đều cho tới khi 92% đường được biến thành rượu và CO2. Tiếp đó tốc độ lên men giảm rõ rệt. Thời gian lên men chính kéo dài khoảng 9 giờ. Thời gian lên men phụ kéo dài khoảng 8 giờ. Lên men với số lượng lớn men giống thì giai đoạn tiềm phát hầu như không xảy ra, lên men chính xảy ra rất nhanh và kéo dài 4 giờ, sau đó tốc độ lên men giảm và chuyển sang lên men phụ. Thời gian cũng kéo dài 8 giờ và bằng so với trường hợp dùng ít men giống, muốn rút ngắn thời gian lên men phụ thì cần tăng lượng glucoamylase.
Lên men có thể tiến hành theo phương pháp gián đoạn hoặc liên tục.
+ Lên men gián đoạn: Tùy theo công suất yêu cầu, dung tích thùng có thể lên đến 200m3. Số lượng thùng lên đối với dịch đường tinh bột nên là 10 hoặc 20 để dễ bố trí
Nguyên liệu chứa tinh bột Xử lý nguyên liệu Quá trình dịch hoá
Đường hoá Lên men rượu
Chưng cất Tinh chế Rượu thành phẩm Chế phẩm enzyme Nấm men
* Sơ đồ sản xuất rượu từ rỉ đường và dịch chiết trái cây
Nấm men Rỉ đường, dịch trái cây
Xử lý Lên men rượu
Chưng cất Tinh chế Rượu thành phẩm
Sơ đồ sản xuất rượu từ tinh bột
sản xuất và thuận lợi cho làm việc của công nhân. Trước tiên thùng phải được vệ sinh sạch sẽ, các đường ống và van phải được sát trùng thường xuyên. Sau đó toàn bộ hệ thống được thanh trùng bằng hơi nước ở 95 – 1000
C kéo dài 50 – 60 phút. Thanh trùng xong, thùng được làm lạnh tới 300C, tháo hết nước ngưng rồi đóng van đáy.
Men giống và dịch đường ban đầu có thể bơm song song để nấm men được hòa đều ngay từ đầu. Lượng men giống thường chiếm 10% so với thể tích thùng lên men, nhưng dịch đường không được đầy thùng ngay mà thời gian đổ đầy một thùng lên men kéo dài 6 – 8 giờ. Nhờ đó, tỷ lệ men giống lúc đầu tăng và hạn chế được sự phát triển của tạp khuẩn.
Phương pháp lên men gián đoạn thực hiện ở các thùng riêng biệt có ưu điểm là dễ làm, khi nhiễm dễ xử lý nhưng năng suất thu được thấp.
+ Lên men liên tục: đặc điểm của lên men liên tục là dịch đường và men giống được cho vào thùng đầu gọi là thùng lên men chính, số tế bào trong thùng này luôn vào khoảng 100 – 120 triệu/ml. Khi thùng đầu đầy thì dịch lên men sẽ chảy tiếp sang các thùng bên cạnh và cuối cùng là thùng chứa giấm chín.
Lên men liên tục là phương pháp tiến bộ và cho hiệu quả cao. Tuy nhiên khi áp dụng cần tính toán cẩn thẩn và có biện pháp công nghệ phù hợp, nếu không sẽ phản tác dụng, dễ nhiễm khuẩn hàng loạt dẫn đến giảm hiệu suất lên men.
Giống nấm men S. cerevisiaetrước khi lên men phải tiến hành nhân giống. Trong quá trình nhân giống phải thực hiện nuôi cấy trong điều kiện vô trùng, quá trình lên men trong sản xuất không cần vô trùng tuyệt đối. Giống được chuyển trực tiếp vào dịch lên men. Nhiệt độ lên men 28 – 300C khoảng 4 – 5 ngày lượng cồn tích tụ trong dịch 7 – 8% có khi cao hơn thì dừng lại. Sau đó chuyển dịch vào hệ thống chưng cất.
Theo lý thuyết, từ 100kg tinh bột sẽ thu được 71,6 lít cồn. Tuy nhiên trong thực tế chỉ có khoảng 63 lít, vì 0,5 – 1% tinh bột còn lại không bị nấu chín, 2 – 4% không lên men được và 6% tạo sản phẩm phụ.
*Chưng cất: dịch lên men có cả bã sau khi lên men đưa vào chưng cất. Đối với nấu rượu thủ công thì công đoạn chưng cất tương đối đơn giản, chỉ cần nồi kín đun khối dịch sôi, hơi nước cùng với cồn được dẫn qua hệ thống làm nguội bằng nước và rượu thu được có độ cồn cao nhất khoảng 55%.
Trong công nghiệp, người ta chưng cất cồn ở hai mức: dịch và bã lên men được đưa vào tháp cất thô gia nhiệt bằng hơi nước, sau khi thu cồn thô được đưa qua tháp cất để cất thành cồn nguyên liệu hoặc cồn công nghiệp. Muốn có cồn thực phẩm phải qua cất tinh luyện để loại bỏ các tạp chất (dầu fulsel, aldehyde, các loại rượu nặng, nhẹ và các tạp chất khác) và nâng cao độ cồn.
Phân loại tạp chất: Theo quan điểm tinh chế cồn, người ta chia tạp chất thành 3 loại: tạp chất đầu, tạp chất trung gian và tạp chất cuối
+ Tạp chất đầu gồm các chất dễ bay hơi hơn ethylic ở nồng độ bất kỳ, nghĩa là hệ số hơi lớn hơn hệ số bay hơi của rượu. Các chất có nhiệt độ sôi thấp hơn ethanol gồm: aldehyde acetic, ethyl acetate, methyl acetate, aldehyde butyric…
+ Tạp chất cuối gồm các chất có nhiệt độ sôi cao hơn ethanol và khó bay hơi, đó là rượu cao phân tử: isoamylic, isobutylic, isopropylic, propylic.
+ Tạp chất trung gian, tùy thuộc vào nồng độ rượu và tính chất vật lý của các tạp chất mà nó sẽ bay hơi cùng với tạp chất đầu hay ở lại với tạp chất cuối. Số tạp chất này khó tách khỏi ethanol khi tinh chế, chẳng hạn: isobutyrate, ethyl isovalerianate.