Các quá trình/ phản ứng

4.1 Quá trình thủy phân

Quá trình thủy phân là quá trình xảy ra dưới tác dụng của các phân tử nước tham gia phản ứng cắt đứt mạch các phân tử có kích thước lớn. Trong hạt tinh bột, do có các vùng kết tinh nên gây khó khăn cho enzyme trong quá trình thủy phân bởi vì cấu trúc liên kết chặt chẽ nên enzyme khó xâm nhập. Hầu hết các enzyme đều đặc hiệu cho liên kết α-1,4 glycoside, nhưng để thủy phân hoàn toàn tinh bột cần phải cắt hết các liên kết α-1,6 glycoside này. Do đó có thể bổ sung các enzyme đặc hiệu cho liên kết α-1,6 glycoside.

Sự thủy phân qua các chặng: dextrin, maltose, glucose. Amylase gồm nhiều enzyme khác nhau về tính đặc hiệu tác dụng lên tinh bột ( vị trí khác nhau trên mạch tinh bột như

-amylase, -amylase, glucose, amylase,…). Mặc dù -amylase đóng vai trò chủ yếu trong sự phân cắt tinh bột nhưng cần có sự phối hợp giữa -amylase, -amylase, một loại enzyme cắt nhánh và --glucoside để thủy phân toàn bộ tinh bột.

Hình 14. Sự thủy phân bằng enzyme

4.2 . Quá trình hồ hóa tinh bột/ đường hóa

Khi đun tinh bột với nước lên 40°C, hạt tinh bột bắt đầu trương nở, nếu tiếp tục tăng nhiệt độ thì thể tích của hạt tinh bột tiếp tục tăng, mối liên kết giữa các phân tử của hạt tinh bột yếu dần và tới một lúc nào đó thì các phân tử tinh bột tan ra trong dung dịch.

Hiện tượng tan ra của tinh bột này gọi là hiện tượng hồ hóa. Khi tinh bột bị hồ hóa thì enzyme α-amylase hoạt động và phân cắt tinh bột thành những mạch ngắn làm dịch chảo loãng ra.

Trong quá trình sản xuất rượu, tế bào nấm men không có khả năng chuyển hóa tinh bột, hồ tinh bột thành rượu. Chúng chỉ có khả năng sử dụng đường, chuyển đường thành rượu. Vì vậy sau khi dịch hóa, dịch tinh bột cần được chuyển thành đường trước khi lên men. Về lý thuyết, sự chuyển tinh bột thành đường có thể xảy ra nhờ sự xúc tác của các chất hóa học (acid, bazơ) hoặc enzyme amylase. Trong sản xuất rượu, người ta chỉ sử dụng enzyme amylase để đường hóa.

Giai đoạn đường hóa trong quá trình thủy phân tinh bột bởi enzyme α-amylase: Dextrin + α-amylase → tetra- và trimaltose → di- và monosaccharide

Amylose + α-amylase → oligosaccharide → polyglucose → maltotetrose → maltotriose → maltose.

Hình 15. Quá trình đường hóa

 Những biến đổi xảy ra trong quá trình đường hóa :

Sau khi dịch hóa tinh bột chủ yếu bị biến đổi thành những dextrin mạch ngắn và một phần glucose khi ở vào thời điểm thích hợp cho glucoamylase hoạt động thì các enzyme này sẽ tiến hành phân cắt dextrin và tạo ra sản phẩm chủ yếu là đường glucose để chuẩn bị cho quá trình lên men. Tinh bột có màng tế bào bảo vệ nên enzyme amylaza không thể tác động trực tiếp được. Khi nghiền nguyên liệu, chỉ một phần rất ít tế bào tinh bột bị phá vỡ, biến tinh bột ở trạng thái không hòa tan trong nước thành trạng thái hoà tan,

giúp cho quá trình đường hóa thuận lợi hơn. Mặt khác ở nhiệt độ môi trường tinh bột không hòa tan trong nước, khi đường hóa,enzyme amylaza tác dụng rất chậm.

4.3 . Quá trình lên men

Lên men rượu là một quá trình trao đổi chất nhờ tác dụng của các enzyme tương ứng gọi là chất xúc tác sinh học (được sinh ra từ sự trao đổi chất để duy trì sự sống của nấm men). Tùy theo sản phẩm tích tụ sau quá trình lên men người ta chia làm nhiều kiểu lên men khác nhau. Tuy nhiên, có hai hình thức lên men chính: lên men yếm khí và lên men hiếu khí.

o Lên men yếm khí: là sự phân hủy đường không có sự hiện diện của oxy như quá trình lên men lactic, len men rượu, butylic…

o Lên men hiếu khí: là sự phân hủy đường có sự hiện diện của O2 như quá trình lên men acid acetic, acid citric…

Phương trình tổng quát của quá trình lên men:

C6H12O6 + 2(P) + 2ADP → 2C2H5OH + 2CO2 ↑ + 2ATP

Hình 16. Cơ chế quá trình lên men rượu

Lên men rượu là quá trình lên men yếm khí với sự có mặt của nấm men. Nấm men chuyển hóa đường thành rượu etylic và CO2. Người ta còn gọi lên men là quá trình cồn hóa, rượu hóa. Trong quá trình lên men rượu người ta chia làm hai thời kì chính:

o Thời kì phát triển sinh khối: giai đoạn này với sự có mặt của O2 tế bào nấm men phát triển sinh khối (gia tăng kích thước và số lượng).

o Thời kì lên men chuyển đường thành rượu và CO2: giai đoạn này, nấm men hấp thụ các chất dinh dưỡng và sử dụng các enzyme sẵn có của mình để thực hiện xúc tác sinh hóa trong quá trình trao đổi chất để duy trì sự sống tạo thành rượu và CO2.

 Cơ chế của quá trình lên men rượu như sau :

Đường và chất dinh dưỡng của quá trình lên men được hấp thụ khuếch tán vào trong tế bào nấm men, qua màng tế bào. Trong tế bào nấm men, nhờ hoạt động sống của tế bào và sự xúc tác của hàng loạt các men, những phản ứng sinh hóa rất phức tạp xảy ra, dẫn đến tổng hợp chất này, phân hủy chất kia. Cuối cùng quá trình lên men là sự chuyển hóa acid pyruvic thành rượu etylic và CO2. Rượu etylic và CO2 tạo thành liền thoát ra khỏi tế bào và khuếch tán rất nhanh vào môi trường xung quanh. Rượu tan tốt trong nước nên nó khuếch tán nhanh vào môi trường.

Khí CO2 thoát ra, bám vào tế bào nấm men, khi bọt khí CO2 đạt đến độ lớn nào đó thì lực nâng của chúng vượt quá trọng lượng tế bào nấm men, và thế là bọt khí mang tế bào nấm men nổi lên bề mặt dịch lên men, gặp không khí, CO2 thoát ra đi vào không khí, còn tế bào nấm men bị chìm xuống và CO2 lại bám vào. Quá trình lên men cứ diễn ra như vậy, đến khi bọt khí CO2 không sủi lên bề mặt của dịch lên men thì có thể xem như quá trình lên men kết thúc.

4.4 . Bay hơi

Quá trình bay hơi là sự chuyển đổi trạng thái của nước thành trạng thái khí mà không đặt nó ở trạng thái sôi. Sự bay hơi là một quá trình tự nhiên trong khi chưng cất là một quá trình thường được bắt đầu bởi một lực bên ngoài. Sự bay hơi có thể xảy ra trong quá trình chưng cất tuy nhiên quá trình chưng cất không thể diễn ra trong quá trình bay hơi.Việc chưng cất rượu dựa trên nguyên lý bay hơi và ngưng tụ. Rượu thường nhiệt độ sôi thấp hơn nước (khoảng 78°C), vì thế người ra có thể cho rượu bay hơi tách ra khỏi dung dịch bỗng. Rồi đưa hơi rượu qua một đường ống, làm lạnh để chuyển hóa rượu thành dung dịch lỏng và đưa ra ngoài.

Chưng cất là quá trình trong đó cả dung môi và chất tan đều bay hơi. Đây là phương pháp tách, dùng nhiệt để tách hỗn hợp đồng thể (dung dịch) của các chất lỏng khác nhau dựa vào độ bay hơi của chúng (hay nhiệt độ sôi khác nhau ở cùng áp suất).

Hình 17. Quá trình bay hơi trong chưng cất

Do các chất lỏng có áp suất hơi khác nhau tại cùng một nhiệt độ nên quá trình chưng cất dựa trên nhiệt độ sôi khác nhau của các chất lỏng tham gia. Vì có áp suất hơi khác nhau nên khi đưa năng lượng vào hệ thống, chất có áp suất hơi cao hơn (hay nhiệt độ sôi thấp hơn) bốc hơi nhiều hơn các chất khác, vì thế mà trong quá trình chưng cất, nồng độ chất có nhiệt độ sôi thấp hơn trong phần cất cao hơn là trong hỗn hợp ban đầu.

Thiết bị chưng luyện liên tục