6. Tình hình sản xuất bia của các nhà máy bia tại Việt Nam
3.2.2.3. Quá trình lên men bia
3.2.2.3.1. Lên men chính
Mục đích
Lên men chính là quá trình chuyển chất đường và các destrin có phân tử lượng thấp thành ethanol, CO2 và một số sản phẩm phụ khác như các acid hữu cơ, ester, glyceryl, aldehyd... nhằm tạo mùi vị cho bia.
Các biến đổi trong quá trình lên men chính
Quá trình lên men chính để chuyển hóa dịch đường thành bia non thông qua những quá trình cơ bản sau:
* Quá trình sinh lý: Thể hiện rõ ở giai đoạn đầu, giai đoạn tăng sinh khối của nấm men. Thực chất đây là quá trình lên men hiếu khí, nấm men thực hiện quá trình trao đổi chất và năng lượng để sinh sống và phát triển.
* Quá trình sinh hóa: Tăng mạnh dần vào cuối giai đoạn thứ hai. Vào cuối giai đoạn lên men hiếu khí chuyển sang dần kỵ khí. Đây là quá trình chuyển dần sang kỵ khí. Đây là quá trình chuyển hóa các chất đường thành ethanol và CO2 theo các phương trình sau:
Phương trình hô hấp: C6H12O6 + O2→ 6CO2 + 6H2O + Q1 Phương trình sinh hoá: C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 + Q2
Nấm men sử dụng các hydrat cacbon theo quy luật từ những đường đơn giản nhất (đường đơn glucose, fructose), khi đã cạn nguồn đường đơn nấm men sẽ tấn công đến các loại đường kép (saccharose), còn các destrin bậc thấp nấm men chỉ sử dụng một phần, phần còn lại sẽ được sử dụng trong quá trình lên men phụ.
* Quá trình lý hóa: Trong quá trình lên men chính, quá trình lý hóa cũng xảy ra mạnh mẽ: pH từ 5,5 – 5,6 ở dịch đường ban đầu giảm dần về pH ở 4,2 – 4,6 trong
bia non do sự tạo thành CO2 và các acid hữu cơ, pH thấp, không ảnh hưởng đến độ chua của bia. Đặc biệt các acid hữu cơ dễ bay hơi phản ứng với rượu theo phản ứng ester hóa tạo mùi thơm cho bia.
Do pH của dịch lên men giảm, đã tạo điều kiện cho protein đông tụ và kết lắng với tế bào nấm men.
Khí CO2 được tạo nên trong quá trình lên men lúc đầu nó hòa tan vào dịch sau đó tăng dần và tách ra ở dạng khí. Trên bề mặt của các lớp khí có lớp hấp phụ các chất có hoạt tính bề mặt như protein, nhựa hoa houblon. Các chất này là cơ sở để tạo thành các lớp xốp như bông khí CO2 tạo thành từ lớp xốp này. Khi các túi khí riêng lẻ dính vào nhau, thì tạo nên một lớp bọt tràn kín và xếp dày trên bề mặt của dịch lên men.
Do sự thay đổi của các tác nhân kỹ thuật như: O2, pH, to làm protein bị biến tính (mất dần điện tích) gây keo tụ protein, dẫn đến sự thay đổi lớn đến độ nhớt trong bia, ảnh hưởng đến sự liên kết và độ mịn của lớp bọt trong bia non.
Quá trình lên men chính được phân ra làm 4 giai đoạn
Giai đoạn đầu: Khi dịch đường và men đã được bơm vào tank lên men ở nhiệt
độ 90C thì sau 24 giờ nấm men bắt đầu phát triển. Trong giai đoạn này oxy rất cần cho sự phát triển của tế bào nấm men do vậy lượng oxy cần thiết hòa tan vào dịch đường được đảm bảo bằng cách cho tiếp xúc trực tiếp với dịch đường trong thời gian làm lạnh (không khí được vô trùng bằng tia cực tím trước khi bơm vào dịch đường) hoặc cũng có thể sục khí vô trùng sau khi đã gieo men giống vào. Lượng oxy hòa tan vào dịch đường khống chế lưu lượng 60 – 80 lít/h. Nếu lưu lượng thấp hơn thì tốc độ sinh trưởng của nấm men bị hạn chế. Làm chậm quá trình lên men không đảm bảo được hương vị cho bia, còn nếu lưu lượng cao hơn thì nhiều sản phẩm bậc hai như diacetyl. Chất này tạo ra với hàm lượng cao không những gây ra tác động mạnh đến hệ thần kinh mà còn làm cho bia có vị khó chịu đắng, mùi khét. Đặc điểm chính của giai đoạn này là tạo bọt trắng mịn ở xung quanh bề mặt dịch lên men, lúc này lượng CO2 tạo ra nhiều, lại ở nhiệt độ thấp nên chúng hòa tan hết vào dịch lên men. Nấm men lúc này đang ở giai đoạn nảy chồi và phát triển làm giảm lượng chất hòa tan trong dịch lên men với tốc độ khoảng 0,2 – 0,5% mỗi ngày. Giai đoạn này kéo dài từ 24 – 36 giờ.
Giai đoạn hai: Gọi là giai đoạn tạo bọt thấp. Lúc này lượng CO2 tạo ra nhiều hơn và có xu hướng muốn thoát ra ngoài dưới dạng bọt li ti. Trên mặt bong bóng này hình thành một lớp hấp phụ đơn phân gồm những chất có sức căng bề mặt như protein, chất đắng, polyphenol… làm cho CO2 không thể thoát ra khỏi bề mặt của lớp trên cùng để thoát ra ngoài môi trường mà chúng lại bị hấp phụ với nhau tạo thành bọt. Giai đoạn này chất lượng hòa tan giảm với tốc độ 1% mỗi ngày và kéo dài từ 2 – 3 ngày.
Giai đoạn ba: Trong giai đoạn này quá trình lên men xảy ra mạnh nhất. Tiêu
hao cơ chất với tốc độ 1 – 1,5% mỗi ngày đêm. Lượng CO2 tạo ra nhiều và một phần thoát ra ngoài nhưng lại được thu hồi để tái sử dụng tiếp. Bọt lúc này xốp và bồng lên cao, bề mặt bọt trắng dần và chuyển sang màu nâu (do xảy ra sự oxy hóa các chất trên bề mặt làm thay đổi màu lớp bọt). Giai đoạn này kéo dài từ 3 – 4 ngày.
Giai đoạn cuối: Bọt xẹp dần, màu sắc của lớp bọt cũng bị biến đổi, sự tiêu hao
chất hòa tan diễn ra chậm khoảng 0,2 – 0,5% mỗi ngày đêm. Khi thấy hàm lượng chất hòa tan chỉ còn lại 30 – 35% so với lượng chất chiết ban đầu thì ta dừng quá trình lên men chính lại. Lúc này tế bào nấm men tạo thành những lớp như bông và lắng xuống đáy. Sản phẩm ở giai đoạn này gọi là bia non.
Như vậy trong quá trình lên men chính một lượng đáng kể CO2 cần thiết cho bia đã thoát ra ngoài. Do vậy mà sau khi lên men chính lượng CO2 trong bia chưa đạt đến mức độ bão hòa cần thiết vì thế phải điều chỉnh quá trình lên men chính lại khi mà lượng chất hòa tan giảm còn 2,0 – 2,2% hoặc độ đường khoảng 3,2 – 4,2 độ Plato để nấm men tiếp tục chuyển hóa lượng cơ chất này khi chuyển sang nhiệt độ thấp hơn là quá trình lên men phụ.
Các thông số kỹ thuật trong quá trình lên men chính
Sau khi dịch đường đã được làm lạnh và nấm men cũng được chuẩn bị thì quá trình lên men chính được tiến hành:
+ Dịch đường phải được làm lạnh xuống 9oC trước khi lên men và duy trì ở nhiệt độ này trong suốt quá trình lên men chính.
+ Dịch đường chứa trong tank khoảng 80 – 90% thể tích tank nhằm tạo khoảng không cho sự sinh khí của CO2, cân bằng áp suất cho tank.
+ Nấm men được bơm vào tank với mật độ 15 – 20 triệu tế bào/ml dịch. Thường nấm men được cho vào khoảng 70 – 80 kg/tank (thể tích của tank là 10000 lít).
+ Khí oxy vô trùng xục vào tank với nồng độ 6 – 8 mg/l.
+ Hiện tại nhà máy sử dụng chủng nấm men Saccharomyces carlsbergensis để lên men chìm. Loại này hoạt động tốt ở nhiệt độ dưới 10oC, tiêu thụ hầu hết các chất chiết có trong dịch lên men.
+ Nhiệt độ lên men trong tank được chia thành ba vùng để rạo đối lưu nhiệt
mà không cần dùng hệ thống khuấy trộn. Khí CO2 đẩy tế bào nấm men lên trên và
dưới tác dụng của nhiệt độ nấm men sẽ lắng xuống giúp quá trình lên men diễn ra
đều trong tank.
+ Thời gian lên men chính khoảng 5 – 6 ngày. Dịch đường bơm vào có độ đường là 11 – 11,5 độ Balling, áp suất trong tank lên men 0 kg/cm2, thì sau khi lên men chính còn 4,2 độ Plato.
+ Trong quá trình lên men chính, sản sinh nhiều CO2, vì vậy ta phải mở van CO2 thoát ra về phao thu hồi.
Những hiện tượng không bình thường khi lên men chính
Đình trễ sự lên men: Thường thấy xuất hiện ở giai đoạn thứ hai trong chu kỳ lên men chính. Về nguyên nhân của hiện tượng xác suất lớn nhất là do dịch lên men bị nhiễm khuẩn. Có thể là bị nhiễm từ đường ống, hoặc thùng lên men nhưng khả năng nhiều nhất là nhiễm từ men giống. Do hoạt lực của chúng bị suy giảm, không lấn át được vi sinh vậy lạ. Nói chung đây là lạo bệnh “nan y” trong sản xuất bia. Tỷ lệ chữa khỏi là rất thấp, phụ thuộc vào loại nhiễm khuẩn và mức độ nhiễm. Biện pháp chữa duy nhất là hạ nhiệt độ của dịch lên men, tăng cường men giống có hoạt lực cao, mật độ đạt tới 120 – 150.106 tế bào/cm3 và cho lên men cấp tốc trong 2 – 3 ngày. Sau đó hạ nhiệt độ bia non xuống -1oC và cho tàng trữ.
Lên men tạo sóng: Là hiện tượng mà khi ta nhìn vào, thấy như có sự chuyển động dạng sóng của dịch lên men. Bọt không tạo thành nhưng lượng CO2 tạo ra rất nhiều. Biểu hiện trên bề của dịch lên men giống như một dịch lỏng đang sôi lăn tăn, sóng tạo ra từ tâm thùng và chuyển dịch dồn về phía thành. Hiện tượng này thường xuất hiện vào giai đoạn thứ ba của chu kỳ lên men. Nguyên nhân của hiện tượng là
do lượng kết lắng quá nhiều, đặc biệt là cặn chứa nhiều protein. Hiện tượng này không ảnh hưởng tiến trình lên men ở giai đoạn sau và cũng không ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm.
Xác định thời điểm kết thúc lên men chính
Càng về cuối của quá trình, tốc độ lên men càng giảm. Nếu trong 12 giờ tốc độ lên men chỉ đạt khoảng 0,15 – 0,2 % thì đó là dấu hiệu nói rằng quá trình lên men chính đã gần đến thời điểm kết thúc. Mặt khác càng về cuối, tốc độ kết lắng của nấm men càng nhanh, độ trong của bia tăng nhanh dần theo thời gian. Vì vậy muốn kiểm tra thời điểm kết thúc lên men chính, ta chỉ cần xác định nhanh chỉ số nồng độ đường trong dịch lên men và xem xét tốc độ kết lắng của nấm men.
Bình thường thì quá trình lên men chính có thể xem là kết thúc khi 60 – 65% lượng chất hòa tan ban đầu đã bị tiêu hao.
3.2.2.3.2. Quá trình lên men phụ
Quá trình này được thực hiện khi hàm lượng maltose và các loại đường đơn giản khác ở trong dịch men hầu như đã bị hấp thụ hết, còn lại lượng đường có khả năng lên men được (chủ yếu là maltoriose) đang ở khoảng 1 – 1,2%. Lên men phụ ở 0 – 2oC.
Mục đích: Lên men tiếp phần chất khô còn lại sau khi lên men chính, bão hòa
CO2 và tăng cường mùi vị cho bia, tạo độ trong cho bia.
Đưa nhiệt độ xuống thấp để hạn chế xâm nhập và phá hoại bia do vi sinh vật gây ra và hạn chế sự hoạt động của nấm men. Để duy trì hàm lượng CO2 cần thiết thì lúc này ta phải điều chỉnh áp trong tank đưa áp suất lên 1 – 1,5 kg/cm3, nhiệt độ lên men 0 – 2oC. Thời gian thường kéo dài 6 – 10 ngày trong đó 2 – 3 ngày đầu lên men phụ, các ngày còn lại là giai đoạn ủ chín bia. Trong giai đoạn này là quá trình oxy hóa khử có ý nghĩa rất quan trọng vì nhờ có quá trình này mà lượng diacetyl có thể giảm đi 50%.
Kết thúc quá trình lên men chính thường chứa một lượng tế bào nấm men va một số hạt cặn mịn khác. Bước sang giai đoạn lên men phụ đặc biệt là thời gian đầu các hạt này còn ở trạng thái sống động. Nguyên nhân dẫn đến hiện tượng này là do quá trình vẫn tiếp diễn, tuy với tốc độ rất bé nhưng do sự tạo thành khí CO2 có chiều hướng làm sủi bọt lên bề mặt. Khi quá trình lên men phụ tắt dần và nhiệt độ cân
bằng thì các hạt có kích thước bé bắt đầu lắng và bia sẽ trong. Mặt khác, do điều kiện nhiệt độ thấp sẽ tạo thêm một lượng ethanol đáng kể, lúc này hầu hết nấm men sẽ được kết lắng vì thế ta phải thường xuyên xả men để loại cặn và nấm men sẽ được kết lắng nhanh hơn.
Thời gian lên men phụ và ủ chín là giai đoạn rất quan trong nếu giai đoạn này bị rút ngắn sẽ không đảm bảo được các tiêu chuẩn chất lượng vị, bọt và độ bền của bia.
Thời gian lên men phụ nhanh nhất là 3 – 6 ngày, lâu nhất là 30 – 40 ngày.
• Kết quả thực nghiệm về sự thay đổi hàm lượng đường và mật độ men của nhà máy
Bảng 3.9. Kết quả thực nghiệm sự thay đổi hàm lượng đường và nấm men. Giờ kiểm tra Độ plato Mật độ men H+
0 11.5 16.4 1.06 12 9.1 36.9 24 7.8 68.5 1.15 36 6.3 55.9 48 5.8 43.1 1.2 60 3.9 35.5 1.31 72 3.7 33.1 84 3.1 24.3 14.5 96 2.9 18.9 108 2.7 11.2 14.5 120 2.5 9.3 14.5 132 Thu men
Hình 3.15. Biểu đồ xác định mật độ men.
• Quá trình sinh trưởng nấm men trải qua 4 giai đoạn
Giai đoạn đầu (pha tiềm ẩn): Nấm men chưa sinh sản mà chỉ thích nghi với môi trường. Giai đoạn này chỉ làm giảm lượng cơ chất từ 9,1 – 7,8 độ Plato mỗi ngày.
Giai đoạn hai (pha tăng sinh khối): Ở giai đoạn này thì tốc độ sinh sản của nấm men đạt cực đại, sinh khối tăng mạnh, lượng cơ chất giảm với tốc độ mạnh từ 5,8 – 3,9 độ Plato mỗi ngày.
Giai đoạn ba (pha ổn định): Ở giai đoạn này số tế bào sinh ra bằng số tế bào chết đi chất dinh dưỡng còn ít, lượng cơ chất giảm 0,2 độ Plato mỗi ngày.
Giai đoạn cuối (pha tử vong): Số lượng tế bào nấm men chết tăng nhanh chất dinh dưỡng cạn kiệt tế bào già cỗi ở nhiệt độ 0 – 2oC và áp suất 1,4 – 1,5 at thì nấm men không phát triển nữa và men lắng xuống bắt đầu thu men.
Hình 3.16. Biểu đồ xác định độ chua bia.
Trong quá trình lên men chính thì nấm men sử dụng một lượng cơ chất dẫn đến nấm men phát triển nhanh và ngược lại cơ chất giảm. Trong quá trình này sản phẩm chính là CO2, ngoài ra còn sinh ra một lượng sản phẩm phụ như rượu bậc cao và acid hữu cơ. Trong đó acid hữu cơ tạo vị chua làm tăng giá trị cảm quan cho bia. Độ chua trong dịch men ngày càng tăng nhưng đến khoảng 1,45 thì dừng lại. Độ
chua dừng lại khi ta hạ nhiệt độ xuống khoảng 0 – 2 C và áp suất 1,4 at lúc này nấm
men bị ức chế hoạt động nên không sinh ra sản phẩm nữa và độ chua cũng ngừng.
Hình 3.17. Biểu đồ đo lượng đường trong bia.
Qua đồ thị ta thấy lượng đường trong dịch lên men ngày càng giảm do nấm men đã sử dụng một phần cơ chất có trong dịch. Khi nấm men sử dụng cơ chất trong môi trường thì nấm men ngày càng sinh trưởng và phát triển, lượng đường trong dịch lên men giảm đi rất nhanh trong quá trình lên men chính còn lại khoảng 3,2 độ Plato, khi đó hạ nhiệt độ xuống thấp để lên men phụ và trong quá trình lên men phụ nấm men hoạt động chậm và chỉ sử dụng một phần chất khô còn sót lại trong quá trình lên men chính. Khi đó lượng đường giảm đi rất ít hoặc có thể không giảm.
• Các biến đổi xảy ra trong quá trình lên men
+ Quá trình lên men phụ ở nhiệt độ thấp, diacetyl sẽ dần dần giảm đi. Một số tế bào nấm men chết và tự phân. Chính các sản phẩm tự phân của nấm men có ảnh hưởng đến hương và vị của bia.
+ Trong suốt quá trình nổi bọt, CO2 góp phần đẩy O2 ra làm hạn chế các vi sinh vật hiếu khí phát triển, tránh hiện tượng oxy hóa làm giảm chất lượng của bia.
+ Trong bia xuất hiện nhiều dạng liên kết hóa học và hóa lý khác nhau của CO2.
+ Quá trình chín bia khi mùi vị bã hèm biến mất, vị ngọt sẽ biến hết khi đã lên
