L ỜI CẢM ƠN
3.2.5. Quá trình đường hóa
3.2.5.1. Mục đích quá trình đường hóa
Trong quá trình nảy mầm, malt đại mạch chứa một lượng chất hoà tan nhưng hàm lượng rất thấp, phần còn lại là các đại phân tử không tan như tinh bột, protein… Quá
trình đường hoá là quá trình chuyển tinh bột thành đường làm nguồn thức ăn cho nấm men để tạo ra rượu và CO2. Mục đích của quá trình đường hoá là tạo ra được càng nhiều chất chiết và chất lượng dịch đường cao. Phần lớn các chất chiết được tạo ra
nhờ các phản ứng enzym thuỷ phân.
3.2.5.2. Hệ enzyme trong quá trình đường hóa
a. Hệ enzyme amylase
Enzyme amylase là enzyme thuỷ phân tinh bột thành đường. Hệ enzyme amylase gồm
nhiều loại như: α-amylase, β-amylase và γ-amylase (Nguyễn Thị Thu Thuỷ, 2006).
α -amylase:
Enzyme α-amylase có khả năng phân cắt liên kết α-1,4-glycoside ở bất kì vị trí nào trên mạch tinh bột đã được hồ hoá và sản phẩm tạo thành gồm các dextrin có phân tử lượng thấp là chủ yếu, một lượng nhỏ maltose và glucose.
Dưới tác dụng của enzyme α-amylase, amylose bị phân giải khá nhanh tạo thành oligosaccharide gồm 6 ÷ 7 gốc glucose, các mạch bị phân cắt dần và bị phân giải
chậm đến triosemaltose, maltose. Sản phẩm thuỷ phân gồm: 87% maltose, 13%
glucose.
Dưới tác dụng của enzyme α-amylase, amylopectin bị phân giải khá nhanh nhưng vì
α-amylase không cắt được liên kết α-1,6-glycoside nên sản phẩm cuối cùng có khoảng
72% maltose, 19% glucose, dextrin phân tử thấp và isomaltose là 8%.
β-amylase:
β-amylase xúc tác thuỷ phân các liên kết α-1,4-glycoside trong tinh bột, glycogen,
polysaccharide đồng loại. Phân cắt tuần tự từng gốc maltose một ở đầu không khử. β-amylase được gọi là enzyme ngoại phân. β-amylase phân giải 100% amylose thành maltose, phân giải 54 ÷ 58% amylopectin thành maltose. Do mỗi nhánh của
amylopectin có từ 20÷ 25 phân tử glucose nên sau khi thuỷ phân tạo 10÷ 12 phân tử
maltose. Khi tới liên kết α-1,4-glucoside gắn với liên kết α-1,6-glucoside, β-amylase sẽ ngưng tác dụng, phần saccharide còn lại là dextrin phân tử lớn β-limit dextrin.
γ-amylase:
So với β-amylase, γ-amylase bền với acid hơn nhưng lại kém bền dưới tác dụng của rượu ethylic, aceton, không bền với ion kim loại nặng như Cu2+, Hg2+,… có trong nấm
mốc và một vài loại vi khuẩn. Enzyme γ-amylase có khả năng xúc tác thuỷ phân cả
liên kết α-1,4-glycoside và α-1,6-glycoside trong tinh bột, glycogen, polysaccharide đồng loại, cả maltose và các olygosaccharide kiểu maltose. γ-amylase là enzyme ngoại
phân exo-enzyme. γ-amylase thuỷ phân polysaccharide từ đầu không khử tuần tự từng
gốc glucose một. Chúng không thủy phân được các dextrin vòng. Khi thủy phân tinh
bột, cùng với việc tạo thành glucose còn có thể tạo thành olygosaccharide.
Hình 3.11: Cơ chế tác động của hệ enzyme amylase
b. Enzyme Protease:
Enzyme protease xúc tác quá trình thủy phân protein. Trong hạt nảy mầm enzyme này thực chất bao gồm hai enzyme là proteinase và peptidase tác dụng kế tiếp nhau. Dưới
tác dụng của chúng protein sẽ bị biến đổi như sau:
Protein albumose peptide axit amin
Albumose là polypeptide phức tạp nhưng không có tính đông tụ (Lương Đức Phẩm,
2005).
3.2.5.3. Sự thủy phân tinh bột
Tinh bột không hòa tan trong nước lạnh, không hòa tan trong dung môi hữu cơ
trung tính. Khi ở trong nước lạnh bình thường, chúng hút nước và trương nở ra. Vì thế khi gia nhiệt thể tích của khối bột tăng lên, các hạt tinh bột bị nén chặt, sau cùng chúng bị vỡ ra và tạo thành một dung dịch nhớt. Độ nhớt của dung dịch phụ
thuộc vào lượng nước pha vào và tùy theo cấu trúc của từng loại tinh bột. Ví dụ: tinh bột gạo trương nở hơn tinh bột malt.
Quá trình này gọi là sự hồ hóa, sự hồ hóa tinh bột có thể xảy ra ở các nhiệt độ khác nhau tùy theo nguồn gốc của chúng, người ta gọi nhiệt độ hồ hóa là nhiệt độ ở đó dung dịch keo đạt độ nhớt lớn nhất. Đối với bột gạo 80÷ 850C, ngô 75÷ 780C. Hồ hóa
có ý nghĩa rất quan trọng trong quá trình công nghệ sau này, vì tinh bột được hồ hóa sẽ đường hóa nhanh hơn. Hồ hóa có nghĩa là làm trương nở và phá vỡ các hạt tinh bột
trong dịch hồ nóng, nhờ vậy các enzyme amylase sẽ dễ tác dụng hơn là tinh bột chưa hồ hóa.
b. Dịch hóa:
Dưới tác dụng của α - amylase các chuỗi dài amylose và amylopectin sẽ bị nhanh chóng cắt đứt thành những chuỗi nhỏ hơn, vì thế nên độ nhớt trong mẻ nấu giảm rất
nhanh. β - amylase chỉ có thể cắt từ từ vào cuối mạch của amylose và cuối mạch nhánh của amylopectin và cứ cắt 2 gốc một như vậy.
Dịch hóa có nghĩa làm giảm độ nhớt trong dung dịch tinh bột đã hồ hóa bởi α- amylase.
c. Đường hóa:
α-amylase tuần tự phân cắt các chuỗi của amylose và amylopectin thành dextrin có từ 7÷ 12 gốc glucose còn lại, β-amylase tách 2 gốc từđuôi còn lại củaα-amylase đã cắt, để hình thành các chuỗi nhỏ hơn, các loại đường khác như maltotriose và glucose có độ dài của chuỗi khác nhau cũng được hình thành.
Đường hóa tinh bột phải kiểm tra, bởi vì những tinh bột và dextrin chưa phân cắt sẽ
là nguyên nhân gây đục cho bia.
Mức độ đường hóa của tinh bột được kiểm tra bằng dung dịch 0,02N iodine
3.2.5.4. Sự thủy phân protein:
Mặcdù lượng protein và các sản phẩm thủy phân của chúng chỉ chiếm một lượng rất
bé trong dịch đường (5 ÷ 6%) nhưng chúng giữ vai trò rất quan trọng, tham gia trực tiếp vào sự hình thành chất lượng bia. Các phân tử protein có phân tử lượng thấp
(amino acid và peptid) là nguồn thứcăn chính của nấm men. Các protein có phân tử
lượng trung bình tham gia vào việc tạo bọt, gây cho bia có khả năng tạo bọt lâu, còn các protein có phân tử lượng cao thường là nguyên nhân gây đục bia.
Sự thủy phân protein gồm 2 giai đoạn:
Ở giai đoạn khi nảy mầm, do nhiệt độ thấp nên sự thủy phân sâu xa hơn và tạo
nhiều protein bậc thấp (peptid bậc thấp và amino acid).
Ở giai đoạn đường hóa tạo nhiều protein bậc trung (albumose, pepton, peptid bậc cao) một phần protein hòa tan sau khi đường hóa hoặc những quá trình về
sau như đun sôi với hoa houblon, làm nguội... chúng sẽ bị kết tủa và bị thải bỏ.
Phần khác còn lại trong dịch đường là các protein chịu nhiệt, phần lớn chúng tồn tại
trong dịch đường ở dạng hòa tan sau khi đun sôi ở nhiệt độ cao, đây chính là protein hòa tan bền vững nhất.
Hoạt động thủy phân protein xảy ra hữu hiệu nhất là ở 45 ÷ 55oC, ở điểm nghỉ
45oC sẽ thu được nhiều sản phẩm phân tử lượng thấp, ở 55oC sẽ thu được nhiều
chất có phân tử lượng cao. Nấm men tiêu thụ ít nhất từ 10÷ 14 mg α-amino nitrogen trên 100 ml dịch đường, nếu điều kiện trên không được đảm bảo thì:
Nấm men tăng trưởng yếu
Quá trình lên men chính và phụ chậm lại Mùi bia chưa chín bị giữ lại trong bia
Vì vậy việc cung cấp đầy đủ lượng α-amino acid cho nấm men để đảm bảo quá trình trao đổi chất là rất cần thiết. Dịch đường chế biến từ các loại malt có độ
phân giải bình thường luôn có đủ lượng α-amino acid cần thiết. pH cũng làm ảnh
hưởng quá trình thủy phân protein, ở pH = 5 khối lượng các chất có nitrogen hòa tan kể cả amino acid, peptide, peptone và albumose sẽ tăng lên.
3.2.5.5. Sơ đồ đường hóa
Malt và gạo được tiến hành đường hoá theo sơ đồ đường hoá (hình 3.12)
a. Một số quá trình xảy ra ở nồi nấu gạo
Bột gạo được xích tải đưa xuống ống phối trộn trước khi vào nồi nấu gạo. Đầu tiên cho 310kg bột gạ o cùng 6,5hl nước vào nồi gạo qua đường ống (nhiệt độ lúc này khoảng 30oC), vừa nhập liệu vừa cho cánh khuấy và bơm tuần hoàn hoạt động để bột hoà đều vào nước. Đồng thời một lượng acid sulphuric (220ml) được cho vào nồi gạo để hạ pH môi trường (pH=5,4÷ 5,5 ) tạo môi trường tối thích cho enzyme amylase (có trong malt lót) về sau hoạt động tốt. Hỗn hợp sau đó được nâng dần lên 72oC.
Giai đoạn 7 2oC lần một:
Nâng nhiệt: từ nhiệt độ 30oC nâng lên 72oC mất 20 phút.
Giữ nhiệt: khi đạt nhiệt độ 72oC giữ trong 20 phút, bổ sung 25 kg malt lót. Giai đoạn
Hình 3.12: Sơ đồ đường hoá nguyên liệu của nhà máy bia Sài Gòn – Miền Tây
Hồ hoá: Khi ngâm bột với nước nóng, một lượng lớn nước ngấm vào các phân tử tinh
bột làm hạt bột trương nở và thể tích bột tăng lên cuối cùng vỡ ra, xảy ra quá trình phân huỷ không có tính hoá học, gọi là quá trình hồ hoá. Hạt tinh bột không liên kết
chặt chẽ với nhau nữa, tạo điều kiện cho các enzyme amylase tấn công trực tiếp vào tinh bột.
Giai đoạn 83oC:
Nâng nhiệt: từ nhiệt độ 72oC nâng lên 83oC mất thời gian 5 phút.
Giữ nhiệt: Ở nhiệt độ 83oC được giữ trong 5 phút. Đây là nhiệt độ tối ưu để thúc đẩy
quá trình hồ hoá diễn ra nhanh hơn, triệt để hơn. Giai đoạn này gần như toàn bộ tinh
bột đã được hồ hoá. Kết thúc giai đoạn 830C độ nhớt tăng, khối cháo đặc sệt, phần lớn
enzyme bị vô hoạt, và tiếp tục phân cắt tinh bột được hồ hoá hạ nhiệt độ xuống 72oC.
Giai đoạn 72oC lần hai:
Hạ nhiệt: để hạ nhiệt độ từ 83oC xuống 72oC mất thời gian 5 phút lúc này phải ngưng
cấp hơi và cho vào 1,5hl nước (nhiệt độ khoảng 50oC), khi nhiệt độ hạ đến 77oC cho vào 25kg bột malt lót để bổ sung enzyme amylase, nhằm giảm độ nhớt và tránh khét cho nồi gạo.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Thời gian (phút) N h iệ t đ ộ
Nồi gạo Nồi malt
50oC 72oC 72oC 83oC 100oC 65oC 75oC 76oC Pha bột gạo Pha bột malt Malt lót ( o C)
Giữ nhiệt: khi nhiệt độ đạt 72oC giữ trong 20 phút, ở 72oC là nhiệt độ thích hợp cho
emzyme amylase hoạt động định hình tiếp phần tinh bột vừa được hồ hoá, mạch tinh
bột bị phân cắt thành dextrin mạch ngắn làm cho độ nhớt, độ sệt của khối cháo giảm
xuống. Lúc này cánh khuấy và bơm tuần hoàn chạy để khuấy đều các emzyme trong
tinh bột hồ hoá tiếp xúc nhau. Để thúc đẩy quá trình thuỷ phân nên tiếp tục nâng nhiệt. Giai đoạn 100oC:
Nâng nhiệt: tiếp tục cấp hơi để nâng lên 100oC ( thực tế khoảng 95oC), để đạt nhiệt độ đó mất khoảng 20 phút.
Giữ nhiệt: khi đạt nhiệt độ sôi, giữ 15 phút. Đây là giai đoạn sử dụng tác nhân vật lý
cung cấp nhiệt cần thiết để phá vỡ các hạt tinh bột đã hồ hoá. Giai đoạn này pH thích hợp là pH= 5,6 ÷ 5,8 đồng thời ở nhiệt độ này dịch cháo được tiệt trùng.
b. Một số quá trình xảy ra ở nồi nấu malt
Giai đoạn phối trộn:
Khi nồi gạo đạt 88oC trong quá trình nâng nhiệt lên 100oC thì bột malt được xích tải đưa xuống ống phối trộn trước khi vào nồi nấu malt, quá trình phối trộn được thực
hiện giữa 900kg bột malt và 18hl nước (nhiệt độ nước khoảng 45 ÷ 50oC). Khi bắt đầu
quá trình xuống bột thì cánh khuấy bắt đầu hoạt động, đồng thời bổ sung 1,2kg CaCl2 và 400ml acid lactic.
Bổ sung Ca2+ để tác dụng với muối phosphat trong malt làm tăng độ acid của hồ malt,
giúp cho quá trình thuỷ phân tạo dịch đường diễn ra thuận lợi hơn, tăng hiệu suất chất
hòa tan.
Đặc biệt tăng tính bền nhiệt cho α-amylase, vì Ca2+ tham gia vào quá trình hình thành và ổn định cấu trúc bậc 3 của amylase.
Hỗ trợ các quá tình tiếp theo: cải thiện tốc độ lọc hèm, làm tăng tốc độ lắng.
Bổ sung acid lactic vào để điều chỉnh pH nồi malt tạo môi trường thích hợp cho
enzyme thuỷ phân tinh bột. Giai đoạn 65oC:
Dịch từ nồi gạo ở nhiệt độ khoảng 90oC được bơm sang nồi malt . Lúc này nhiệt độ
hỗn hợp tăng đần đến 65oC và được giữ ổn định trong đó 20 phút, khống chế pH = 5,5
÷ 5,6 đây là nhiệt độ và pH tối ưu của enzyme β-amylase hoạt động. Dưới tác động
của β-amylase các liên kết α-1,4 glucoside trong mạch amylose và amylopeptin bị cắt.
Tuy nhiên, β-amylase không phân cắt được các liên kết α-1,6 glycoside trong mạch
amylopeptin. Nên tác dụng của enzyme chỉ phân giải khoảng 64 ÷ 65% amylopeptin thành maltose trong 20 phút, phần còn lại là các dextrin bậc cao.
Sản phẩm chủ yếu trong giai đoạn này là maltose, tức là chất tan lên men được. Do đó, việc điều chỉnh thời gian như thế nào để thu được phần trăm maltose thích hợp có
ý nghĩa quan trọng trong công nghệ.
Kết thúc giai đoạn này, thực hiện quá trình nâng nhiệt lên 75oC.
Giai đoạn 75oC
Nâng nhiệt: từ 65oC nâng lên 75oC mất 20 phút.
Giữ nhiệt: tại nhiệt độ 75oC giữ trong 10 phút, vì đây là nhiệt độ thích hợp. Cho enzyme α-amylase hoạt động, enzyme này tác động mạnh lên các mạch amylose và amylopeptin của tinh bột, và bẻ gãy liên kết α-1,4 glucoside. Tuy nhiên, enzyme này không thể phân hủy các liên kết α-1,6 glycoside, nhưng với cơ chế tác động của α- amylase lên tinh bột chúng vẫn tiếp xúc được với các liên kết α-1,4 glycoside cho sản
phẩm chủ yếu là dextrin, một ít glucose và maltose. Nhờ quá trình này độ nhớt giảm
một cách nhanh chóng.
Để quá trình đường hoá xảy ra triệt để tiếp tục đưa dịch malt lên 76oC.
Giai đoạn 76oC
Giữ trong 5 phút trước khi bơm sang thiết bị lọc.
Mục đích: duy trì ở khoảng bù trừ nhiệt tổn hao trên đường ống và duy trì sự tồn tại
của emzyme α-amylase trong nước nha, để tiếp tục thuỷ phân lượng tinh bột còn sót lại trong bã.
3.2.5.6. Một số phụ gia trong quá trình đường hóa
a. Acid sulphuric:
Đây là một acid mạnh được sử dụng để hạ pH của nồi gạo, tăng khả năng phân giải
tinh bột. Acid sulphuric đậm đặc rất háo nước, dễ gây bỏng rất nguy hiểm. Do đó chỉ nên dùng acid sulphuric đã pha loãng 10 lần
b. Canxiclorua:
Được dùng trong lúc nấu malt để cung cấp ion Ca+ và Cl- tăng độ bền nhiệt cho α- amylase, giúp quá trình đường hoá triệt để hơn, tăng khả năng trao đổi chất của nấm
men trong quá trình tổng hợp protein
Kết tủa các phosphate trong nước nha, làm giảm pH
Cải thiện tốc độ lọc hèm, giúp cho tế bào nấm men kết lắng tốt.
Tạo cho bia có hương vị đậm đà ổn định thành phần sinh học của bia.
Nếu sử dụng quá nhiều sẽ tạo cặn, khó vệ sinh.
Là một acid thực phẩm được dùng để chỉnh pH của dịch cháo ở nồi malt và chỉnh pH
của nước nha ở giai đoạn đun sôi. Acid này được cho vào nồi malt ở giai đoạn 650C giúp ổn định pH cho vào nồi đun sôi sao cho pH nước nha khoảng 5,3.
d. Clorua kẽm ( ZnCl2):
Sự có mặt của ion kẽm sẽ kích thích sự phát triển sinh khối của nấm men. Hàm lượng
kẽm trong nước nha nên nằm trong khoảng 0,1 ÷ 0,2 mg/l. Nếu thiếu kẽm nấm men sẽ
lên men chậm, nhưng nếu sử dụng nhiều sẽ gây độc cho nấm men.
Trong quá trình đun sôi và lắng trong nước nha, một phần kẽm bị hấp thu trong bã kết
tủa. Do đó lượng kẽm sử dụng phải được xác định bằng phương pháp thực nghiệm.
e. Caramel:
Dùng để tăng độ màu cho bia có sử dụng thế liệu. Được cho vào khi đun sôi với hoa
houblon.