Có 3 loại nguyên liệu chính dùng sản xuất rượu là: nguyên liệu giàu tinh bột (gạo, nếp, lúa mì, lúa mạch … ), bánh men thuốc bắc (dạng viên, dạng bột) và nước.
1.3.3 Đặc điểm chung của các nguyên liệu giàu tinh bột:
Nguyên liệu chính để sản xuất rượu là gạo, nếp, ngô, khoai, sắn chứa rất nhiều tinh bột. Các nguyên liệu này cần phải nấu chín để các màng tinh bột bị phá
Trang 18 vỡ, tinh bột chuyển sang dạng dễ tan. Sau đó hệ enzyme amylaza sẽ tác dụng phân giải tinh bột dễ dàng và chuyển đường thành rượu.
Tinh bột (công thức hóa học: (C6H10O5)n)) là polysaccarit chủ yếu có trong hạt, củ, thân cây và lá cây. Tinh bột có nhiều trong các loại lương thực do đó các loại lương thực được coi là nguồn nguyên liệu chủ yếu để sản xuất tinh bột. Hình dạng và thành phần hóa học của tinh bột phụ thuộc vào giống cây, điều kiện trồng trọt ... [11].
Tinh bột tồn tại dưới dạng hạt có dạng hình tròn, hình bầu dục hay hình đa diện, có kích thước trong khoảng từ 0,02-0,12nm. Cấu tạo và kích thước của hạt tinh bột phụ thuộc vào giống cây, điều kiện trồng trọt cũng như quá trình sinh trưởng của cây. Tinh bột gồm hai polysaccarit khác nhau: amylose và amylopectin. Tỉ lệ amylose / amylopectin xấp xỉ ¼. Trong tinh bột loại nếp (gạo nếp hoặc ngô nếp) gần như 100% là amylopectin. Trong tinh bột đậu xanh, dong riềng hàm lượng amylose chiếm trên dưới 50% [11].
Enzym thủy phân các phân tử tinh bột bằng cách thủy phân liên kết α-D (1,4) glycozit. Cấu tạo bên trong của vi hạt tinh bột khá phức tạp. Vi hạt tinh bột có cấu tạo lớp, trong mỗi lớp đều có lẫn lộn các amylose dạng tinh thể và amylopectin xắp xếp theo phương hướng tâm.
Trang 19
Thành phần cấu trúc của amylase:
Amylose là loại mạch thẳng, chuỗi dài từ 500-2000 đơn vị glucose, liên kết nhau bởi liên kết α−1,4 glicozit. Amylose “nguyên thủy” có mức độ trùng hợp không phải hàng trăm mà là hàng ngàn. Có hai loại amylose:
-Amylose có mức độ trùng hợp tương đối thấp ( Khoảng 2000) thường không có cấu trúc bất thường và bị phân ly hoàn toàn bởi β-amylase.
-Amylose có mức độ trùng hợp lớn hơn, có cấu trúc án ngữ đối với β−amylase nên chỉ bị phân hủy 60% [11].
Hình 1.4: Cấu trúc amylase (theo Lê Minh Hoàng, Trương Thị Minh Hạnh, 2007)
Thành phần cấu trúc của amylopectin:
Amylopectin là polyme mạch nhánh, ngoài mạch chính có liên kết α-1,4 glucozit còn có nhánh liên kết với mạch chính bằng liên kết α-1,6 glucozit. Mối liên kết nhánh này làm cho phân tử cồng kềnh hơn, chiều dài của chuổi mạch nhánh này khoảng 25-30 đơn vị glucose. Phân tử amylopectin có thể chứa tới 100000 đơn vị glucose [11].
Cấu tạo của amylopectin còn lớn và dị thể hơn amylose nhiều. Tỉ lệ này có thể thay đổi phụ thuộc thời tiết, mùa vụ và cách chăm bón [11].
Trang 20 Bảng 1.1 : Đặc điểm của một số nguyên liệu giàu tinh bột thường dùng
Nguồn Kích thước hạt, nm Hình dáng Hàm lượng amiloza, % Nhiệt độ hồ hoá, 0 C Hạt ngô 10-30 Đa giác hoặc
tròn
25 67-75
Lúa mì 5-50 Tròn 20 56-80
Lúa mạch đen 5-50 Tròn dài 55-85
Đại mạch 5-40 Bầu dục 46-62
Yến mạch 5-12 Đa giác 68-90
Lúa 2-10 Đa giác 13-35 70-80
1.3.4 Bánh men thuốc bắc:
1.3.4.1 Giới thiệu chung về bánh men:
Bánh men là một kiểu giữ giống và nhân giống các vi sinh vật trong bánh men để sản xuất sản phẩm lên men. Bánh men hầu như được bảo quản dưới dạng khô. Ở điều kiện này các vi sinh vật hiện diện trong bánh men sống trong điều kiện sinh lý giảm thiểu, sự trao đổi chất trở nên hạn chế.
Bánh men rượu được bán trên thị trường dưới 2 dạng: bánh men dạng bột và bánh men dạng viên, tính năng và liều lượng sử dụng của từng loại men sẽ tùy thuộc vào hướng dẫn sử dụng của nhà sản xuất có ghi trên bao bì, tuy nhiên thông thường sử dụng khoảng 100g bánh men cho 3kg nếp than nguyên liệu.
Có 3 loại men rượu: men thuốc bắc, men thuốc nam, men bánh lá dân tộc.
1.3.4.2 Bánh men thuốc bắc:
Bánh men thuốc bắc là một loại men rượu được sản xuất thủ công. Nguyên liệu chính để sản xuất bánh men thuốc bắc là: bột gạo, men giống, các vị thuốc bắc. Bánh men thuốc bắc chứa nhiều giống vi sinh vật thuộc vi khuẩn, nấm men và nấm mốc (nấm sợi). Nấm men: trong mỗi gam bánh men có từ vài chục triệu đến vài
Trang 21 trăm triệu tế bào nấm men. Vi khuẩn: trong bánh men thuốc bắc có nhiều loài vi khuẩn phát triển. Trong đó thấy chủ yếu là các loài vi khuẩn lactic và vi khuẩn acetic. Các loài vi khuẩn thường làm chua môi trường. Thời gian đầu quá trình lên men, quá trình này xảy ra có lợi vì tạo pH môi trường thích hợp cho nấm men và nấm sợi phát triển. Tuy nhiên nếu để pH xuống quá thấp sẽ ảnh hưởng xấu cho quá trình lên men. Mặt khác nếu trong dịch lên men có mặt ôxy thì vi khuẩn axetic sẽ ôxy hóa rượu thành axit axetic, quá trình này làm tổn hao lượng cồn tạo thành. Nấm mốc: Trong bánh men thuốc bắc thấy nhiều loài nấm mốc phát triển thuộc
Aspergillus, Penicillium, Mucor, Rhizopus phát triển nhiều hơn cả. Loài Mucor, đặc biệt là Mucor rouxii có nhiều đặc tính rất quý như khả năng chịu nhiệt độ cao 32 – 35°C, chúng vừa có khả năng đường hóa vừa có khả năng rượu hóa [9].
1.3.4.3 Vai trò của thuốc bắc trong bánh men thuốc bắc:
Các bài thuốc bắc khác từ 4 ÷ 30 vị khác nhau theo kinh nghiệm nhưng bảo đảm chất lượng:
- Đủ chất dinh dưỡng cho vi sinh vật phát triển. - Đủ hương thơm cho rượu.
- Tạo kháng sinh chống vi sinh vật tạp nhiễm.
1.3.2.4 Một số công thức làm men thuốc bắc ở Việt Nam:
Công thức 1: Bột gạo 1kg, thuốc bắc 20.5gr, men giống 50gr, nước 580ml. Bảng thành phần thuốc Bắc:
Tên Việt Nam Tên Khoa Học Khối lượng
Quế Cinnamomum cassia Blume 7gam
Đại hồi Illicium verum Hook 6gam
Tiểu hồi Noeniculum vulgare Will 5gam
Thảo quả Amomum Tsao – Ko C. et L. 1.5gam
Trang 22 Công thức 2: Gạo 1kg, thuốc bắc 49.6gr, men giống 50gr, nước 580ml.
Bảng thành phần thuốc Bắc:
Tên Việt Nam Tên Khoa Học Khối lượng
Đại hồi Illicium verum Hook 8gam
Quế Cinnamomum cassia Blume 8gam
Cam thảo Glycyrrhiza uralensis Fisch 8gam
Qui Angelica sinensis Diels 4.8gam
Bạch linh Poria cocas Wolf 4.8gam
Thăng ma Cimicifuga foetida L. 4gam
Bạch đàn Eucalyptus citriodora Hook 4gam
Hồ tiêu (Ớt) Piper nigrum Linn
(Capsicum frutescens Linn)
4gam
Xuyên khung Ligusticum wallichii Fr. 4gam
Công thức 3: Gạo 1kg, thuốc bắc 21gr, men giống 50gr, nước 580ml. Bảng thành phần thuốc Bắc:
Tên Việt Nam Tên Khoa Học Khối lượng
Nhục đậu khấu Myristica fragrans Hout 3gam
Bạch truật Atractylodes macrocephala Koldz 2gam
Nhục quế Cinnamomum loureirii Ness 2gam
Thảo quả Amomum Tsao – Ko C. et L. 2gam
Cam thảo Glycyrrhiza uralensis Fisch 2gam
Bạc hà Mentha arvesis L. 2gam
Tế tân Asarum heterotropoides Fr. 2gam
Uất kim Curcuma longa L. 2gam
Tiểu hồi Noeniculum vulgare Will 2gam
Trang 23 Công thức 4: Gạo 1kg, men giống 50gr, nước 580ml, thuốc bắc 50g.
Bảng thành phần thuốc Bắc:
Tên Việt Nam Tên Khoa Học Khối lượng
Đinh hương Eugenia aromatioca Baill 2gam
Thảo quả Amomum Tsao – Ko C. et L. 2gam
Quế chi Cinnamomum cassia Blume 0.5gam
Nhục đậu khấu Myristica fragrans Hout 1.25gam
Đại hồi Illicium verum Hook .f. 0.5gam
Sa sâm Adenophora vertiellata Fisch 6gam
Cam thảo Glycyrrhiza uralensis Fisch 5gam
Hậu phác Magnolia hypoleuca Sicb. et Zucc. 2gam
Tiểu hồi Noeniculum vulgare Will 1.25gam
Tế tân Asarum heterotropoides Fr. 2gam
Thăng ma Cimicifuga foetida L. 2gam
Thanh bì Citrus deliciosa Tenore 1.75gam
Trang 24
1.3.2.5 Quy trình sản xuất bánh men thuốc bắc:
Gạo tốt Ngâm nước Để ráo nước Nghiền thành bột mịn Men giống Nghiền mịn
Thuốc bắc Nghiền mịn Trộn
Nước
Làm thành viên
Xếp ra nong có lớp trấu ở trên và dưới các bánh men Ủ ở nhiệt độ phòng
(28 ÷ 30°C) trong 2 ngày Phơi khô chỗ mát
Men rượu
Yêu cầu thành phẩm:
- Đặc tính vật lý và cảm quan: dạng rắn, trắng, xốp, thơm mùi men thuốc bắc. - Số lượng vi sinh vật trong bánh men: nấm men : 100 ÷ 300 x 106 tế bào / 1g - Vi sinh vật: Hansenula spp., Pichia spp., Saccharomyces spp., Candida
spp., Rhodotorula glutinis, Turolopsis spp., Trichosporon spp..
- Thời hạn sử dụng: 1 năm - Sản xuất: Gia đình
Trang 25
1.4 QUÁ TRÌNH LÊN MEN RƯỢU:
1.4.1 Khái quát lên men rượu:
Lên men rượu là một quá trình lên men yếm khí (không có mặt của ôxy) dưới tác dụng của enzyme vi sinh vật đặc hiệu, diễn ra rất phức tạp, bao gồm các quá trình sinh hóa học và các quá trình vi sinh vật. Quá trình lên men diễn ra ở nhiệt độ thường, trong thời gian này có 3 quá trình diễn ra song song với những mức độ khác nhau. Trước tiên là quá trình tăng sinh khối nấm men. Tiếp theo là quá trình đường hóa có sự phân cắt tinh bột thành đường nhờ enzym amylase trong nấm mốc và đường vừa tạo ra trở thành thức ăn để nấm men thực hiện quá trình lên men rượu.
Quy trình nấu rượu chung:
Nấu chín Làm nguội Lên men Chưng cất
1.4.1.1 Quá trình vi sinh vật:
Thực chất của quá trình này là quá trình sinh sản và sinh trưởng của vi sinh vật. Quá trình này xảy ra rất nhanh ở giai đoạn đầu lên men, khi cho bánh men thuốc bắc vào nguyên liệu. Sự phát triển mạnh của các vi khuẩn giai đoạn này kéo theo sự tạo thành một số axit hữu cơ. Kết quả là pH môi trường giảm xuống tạo điều kiện thuận lợi cho các loài nấm mốc phát triển. Song song đó là các loài nấm men bắt đầu phát triển tuy với tốc độ yếu hơn.
Các loài nấm mốc chỉ phát triển mạnh trong giai đoạn đường được tạo thành, hay đúng hơn là cuối của giai đoạn nấm mốc phát triển. Việc phân rõ ràng các giai đoạn phát triển của vi khuẩn, nấm mốc, nấm men rất khó vì thực tế việc phát triển của các loài vi sinh vật trong khối lên men diễn ra đồng thời. Chỉ có một điều khẳng định là sự phát triển không cùng một mức độ.
Sự phát triển của một số vi khuẩn, nấm mốc đòi hỏi sự có mặt một lượng ôxy nhất định trong môi trường, chính vì thế các loài vi sinh vật này phát triển mạnh ở giai đoạn đầu. Nấm men cũng cần sự có mặt của ôxy để tăng sinh khối, tuy nhiên mức độ không cao như của nấm mốc. Mặt khác nấm men phát triển cần đường, do đó cần có thời gian để nấm mốc chuyển hóa đường từ tinh bột.
Trang 26
1.4.1.2 Lên men có ba quá trình sinh hóa cơ bản:
Quá trình chuyển hóa tinh bột thành đường (đường hóa): chủ yếu là dưới tác dụng của enzyme amylase do phần lớn nấm mốc tạo ra.
Quá trình chuyển hóa đường thành rượu (rượu hóa): Các phân tử đường vừa được tạo ra lại trở thành thức ăn cho nấm men sử dụng để thực hiện quá trình lên men rượu tạo thành rượu etylic và CO2. Quá trình rượu hóa diễn ra trong điều kiện yếm khí (điều kiện không có mặt của oxy).
Quá trình chuyển đường và các thành phần khác thành các axit hữu cơ: trong đó có 2 quá trình tạo axit hữu cơ cơ bản: quá trình tạo axit acetic và axit lactic. Quá trình tạo axit lactic mạnh hơn, cả hai quá trình này xảy ra với cường độ không mạnh ở giai đoạn đầu vì lượng đường tạo thành trong khối lên men chưa cao.
1.4.2 Quá trình thủy phân tinh bột (đường hóa):
Enzym amylase có trong nấm mốc thủy phân các phân tử tinh bột bằng cách thủy phân liên kết α-D (1,4) glycozit. Đặc trưng của phản ứng này là sự giảm nhanh độ nhớt và sinh ra đường[11]. Amylase thủy phân tinh bột thành glucose, maltose và dextrin hạn chế.
liên kết α-(1-4)
Trang 27 Amylopectin
Hình1.5: Cấu trúc amylose, amylopectin và các vị trí tác động của enzym amylase
Hình 1.6: Phản ứng thủy phân
1.4.2.1 Đặc tính và cơ chế tác dụng của enzyme amylase:
Đặc tính enzyme α-amylase (α-1,4-glucanohydrolase) (EC 3.2.1.1): α- amylase từ các nguồn khác nhau có thành phần amino acid khác nhau, mỗi loại α- amylase có một tổ hợp amino acid đặc hiệu riêng. α-amylase là một protein giàu tyrosine, tryptophan, acid glutamic và aspartic.
Cơ chế tác dụng của enzyme α-amylase (α-1,4-glucanohydrolase) (EC 3.2.1.1): α-amylase từ các nguồn khác nhau nhưng cơ chế tác dụng có nhiều điềm rất giống nhau. α-amylase có khả năng phân cắt các liên kết α-1,4-glucozit nằm ở
liên kết α-(1-6)
Trang 28 phía bên trong phân tử cơ chất (tinh bột hoặc glycogen) một cách ngẫu nhiên, không theo một trật tự nào cả. α-amylase không chỉ thủy phân hồ tinh bột mà nó thủy phân cả hạt tinh bột nguyên song với tốc độ rất chậm.
Tóm lại, dưới tác dụng của α-amylase, tinh bột có thể chuyển thành maltotetrose, maltose, glucose và dextrin phân tử thấp. Tuy nhiên, thông thường α- amylase chỉ thủy phân tinh bột chủ yếu thành dextrin phân tử thấp (không cho màu với Iodine) và một ít maltose. Khả năng dextrin hóa cao của α-amylase là tính chất đặc trưng của nó. Vì vậy, người ta thường gọi loại amylase này là amylase dextrin hóa hay amylase dịch hóa.
Tinh bột Dextrin + maltose + glucose [25]
1.4.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính enzyme amylase:
Enzyme α-amylase (α-1,4-glucanohydrolase) (EC 3.2.1.1):
Điều kiện hoạt động của α-amylase từ các nguồn khác nhau thường không giống nhau. pH tối thích cho hoạt động của α-amylase từ nấm sợi là 4,0 - 4,8.
Độ bền đối với tác dụng của acid cũng khác khác nhau. Ở pH= 3,6 và 0°C, α- amylase của malt bị vô hoạt hoàn toàn sau 15 - 30 phút; trong khi đó hoạt lực của α- amylase của nấm sợi hình như không giảm bao nhiêu. Trong dung dịch α-amylase nấm sợi bảo quản tốt ở pH= 5,0 - 5,5.
Nhiệt độ tối thích cho hoạt động xúc tác của α-amylase từ các nguồn khác nhau cũng không đồng nhất, α-amylase của nấm sợi rất nhạy cảm đối với tác động nhiệt. Nhiệt độ tối thích của nó là 50°C và bị vô hoạt ở 70°C.
1.4.3 Quá trình chuyển hóa đường thành rượu ( rượu hóa):
Quá trình rượu hóa được thực hiện bởi Saccharomyces sp., Endomycopsis sp.
Trong đó các loài nấm men Saccharomyces đóng vai trò cơ bản. Song song với quá trình này là các quá trình chuyển hóa đường, các axit hữu cơ thành các sản phẩm phụ khác. Quá trình này diễn ra trong điều kiện yếm khí, do đó vào khoảng ngày thứ
Trang 29 2 trong thời gian lên men, toàn bộ khối lên men cần được đậy kín nhằm tạo điều kiện thích hợp cho nấm men hoạt động hiệu quả hơn.
Quá trình này diễn ra do nấm men sử dụng đường để tạo thành rượu etylic và CO2. CO2 sinh ra trong quá trình lên men sẽ tạo thành bọt khí bám vào bề mặt nấm men và làm các tế bào nấm men nổi lên trên, khi lên đến bề mặt, bọt khí vỡ ra và tế bào nấm men lại chìm xuống tạo ra sự đảo trộn giúp quá trình lên men được tốt hơn.
1.4.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến lên men rượu:
1.4.4.1 Nấm men chỉ có khả năng lên men các loại đường monoza và disaccarit.
Với các loại saccharit thường gặp là maltose và saccarose thì nấm men có khả năng tạo thành enzyme tương ứng là sacarase và maltase thủy phân các disaccharit thành glucose và frutose. Nấm men Saccharomyces hoàn toàn không có khả năng lên men rượu từ tinh bột và các polysaccarit khác [21] [22].
1.4.4.2 Nồng độ đường:
Ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất lên men, nấm men chỉ có khả năng lên men đường thành rượu trong khoảng nồng độ đường phù hợp từ 10 - 15%. Nếu nồng độ đường quá cao sẽ ức chế nấm men, và năng lực lên men rượu giảm, khi nồng độ đường từ 30 -35% thì sự lên men gần như đình chỉ. Tuy nhiên, khi nồng độ đường quá thấp cũng làm giảm năng lực lên men và không có lợi về mặt kinh tế [21] [22].