Cồn chủ yếu được sản xuất bằng phương pháp lên men. Nguời ta lên men cồn từ nguyên liệu chứa đường (mật rỉ) hoặc từ nguyên liệu chứa carbohydrate.
Ngày nay cồn được ứng dụng rất rộng rãi trong đời sống, trong công nghiệp. Trước đây, người ta thường dùng malt giống như trong sản xuất bia. Sau khi các nhà khoa học Nhật đưa ra phương pháp sản xuất amylase từ nấm sợi, người ta thay thế amylase của malt bằng amylase nấm sợi. Amylase nấm sợi đầu tiên được ứng dụng trong sản xuất cồn từ nguồn nguyên liệu tinh bột là amylase của Aspergillus oryzae. Sau này nhiều amylase từ các loài vi sinh vật khác nhau được sản xuất và được áp dụng rất rộng rãi.
Công nghệ sản xuất cồn từ nguyên liệu chứa tinh bột qua những công đoạn cơ bản sau:
-Xử lý nguyên liệu bao gồm nghiền nhỏ nguyên liệu, dịch hoá nguyên liệu. Có thể xử lý nguyên liệu bằng acid hoặc kiềm.
-Chuyển hoá tinh bằng α-amylase để tạo thành dextrin
-Chuyển hoá dextrin bằng β-amylase hay amyloglucosidase để tạo ra đường có khả năng lên men.
-Lên men dịch đường bằng nấm men Saccharomyces cerevisiae -Chưng cất thu nhận cồn
-Tinh chế cồn để thu nhận cồn có chất lượng cao
đường hoá (chuyển hoá tinh bột thành đường)
Quá trình thuỷ phân tinh bột được thực hiện theo sơ đồ sau: Nguyên liệu chứa tinh bột
Nấu chín ở nhiệt độ cao
Amyloglucosidase Làm nguội Amylase hoạt động ở 550C hoạt động ở 550C
Đường hoá
Quá trình đường hoá đóng vai trò quyết định đến khả năng lên men và hiệu suất cồn thu được. các chế phẩm sử dụng trong công nghệ sản xuất cồn bao gồm những chế phẩm thô được thu nhận từ phương pháp nuôi bề mặt, nuôi chìm hoặc các chế phẩm đậm đặc, tinh khiết. Tuy nhiên, các nhà máy sản xuất cồn hiện nay thường sử dụng chế phẩm thô do tính chất kinh tế. Sau khi tiến hành đường hoá, phần thô còn lại của chế phẩm enzyme tồn tại trong bã rượu. Toàn bộ phần này được sử dụng để sản xuất thực phẩm gia súc.
chỉ chứa các thành phần không phải enzyme mà còn chứa trong đó nhiều loại enzyme khác nhau. Phức hợp enzyme này vừa có lợi và cũng vừa có hại. Có lợi vì sản phẩm được tạo ra do phức hợp enzyme, đó là môi trường rất thuận lợi cho nấm men phát triển trong giai đoạn đầu của quá trình lên men. Nhưng điều không có lợi ở chổ, có thể có những phản ứng không mong muốn giữa các sản phẩm đó, tạo ra những sản phẩm xấu trong dịch lên men và trong sản phẩm. Chính vì thế, điều cần phải làm trước khi đưa chế phẩm enzyme vào quá trình đường hoá là phải xác định hoạt tính enzyme của từng loại enzyme, từ đó điều chỉnh hoạt động của chúng. Việc điều chỉnh hoạt động và quá trình tạo ra enzyme là cả một nghệ thuật dựa trên các đặc điểm sinh lý và cơ chế sinh tổng hợp enzyme của vi sinh vật. Từ đó, ta có thể phân chia các chế phẩm enzyme thành ba nhóm sau:
Nhóm 1: bao gồm các enzyme có khả năng thực hiện các phản ứng sinh hoá cần thiết và nó quyết định đến hiệu quả sản xuất cồn.
Nhóm 2: bao gồm các enzyme tham gia những biến đổi cơ bản cơ chất để tăng cường quá trình chuyển hoá cơ bản.
Nhóm 3: bao gồm những enzyme tham gia các phản ứng, tạo ra những sản phẩm không mong muốn, làm cản trở quá trình lên men hoặc tạo ra những sản phẩm lẫn vào cồn, gây khó khăn cho quá trình tinh luyện.
Sử dụng enzyme trong sản xuất cồn biểu diễn rõ nhất của hướng ứng dụng enzyme trong công nghệ thực phẩm. Theo đó, enzyme được sử dụng theo hai hướng:
Hướng thứ nhất: Enzyme được tổng hợp cùng với sự phát triển và sinh sản của tế bào vi sinh vật. Sản xuất cồn theo phương pháp amylo, người ta sử dụng enzyme theo hướng này.
Trong công nghệ sản xuất cồn theo phương pháp amylo, người ta cho nấm sợi Rhizopus spp. hoặc Mucor spp. Phát triển hẳn trong dung dịch cơ chất. Trong quá trình phát triển, các loại nấm sợi này sinh tổng hợp ra enzyme và các loại enzyme này tham gia thuỷ phân tinh bột, protein và cả cenllulose. Quá trình phát triển, sinh sản của nấm sợi song song với sự thuỷ phân tinh bột. Phương này rất có hiệu quả khi ta sử
dụng nguồn tinh bột có độ nhớt cao trong môi trường nước. Quá trình trên cũng song song xảy ra cùng với sự tăng trưởng của nấm men, sinh sản của nấm men và quá trình rượu hoá.
Hướng thứ hai: Chế phẩm enzyme sẽ được sản xuất riêng và người ta sử dụng chế phẩm enzyme ( chứ không phải chế phẩm vi sinh vật) để thuỷ phân tinh bột. Phương pháp ứng dụng enzyme này được triển khai nhiều trong sản xuất cồn theo phương pháp mycomant. Chế phẩm enzyme có thể là các chế phẩm thô, hoặc cũng có thể là các chế đậm đặc. Theo phương pháp mycomant, công đoạn đường hoá tách hẳn công đoạn lên men. Người ta tiến hành công đoạn đường hoá nhờ chế phẩm enzyme, sau đó mới tiến hành quá trình rượu hoá. Phương pháp ứng dụng enzyme theo phương hướng này có rất nhiều ưu điểm. Ưu điểm lớn nhất là ta hoàn toàn kiểm soát được quá trình đường hoá.
Ngày nay ở nhiều nhà máy sản xuất cồn, người ta tiến hành quá trình đường hoá theo phương pháp liên tục và còn sử dụng phương pháp cố định enzyme. Hai phương pháp này nằm trong hướng sử dụng enzyme thứ hai có kiểm soát rất chặt chẽ.
Các chế phẩm enzyme để sản xuất cồn từ vi sinh vật thường chứa nhiều loại enzyme khác nhau. Các enzyme này thường thực hiện những phản ứng riêng.
Vai trò của α-amylase. Các loại α-amylase được thu nhận từ các nguồn khác nhau thường có tính chất giống nhau, nhưng giữa chúng cũng tồn tại những đặc tính riêng.
-α-amylase bị kiềm hãm bởi kim loại nặng. Canxi có vị trí và vai trò rất quan trọng trong cấu trúc của α-amylase. Chúng bảo vệ enzyme khỏi những tác động xấu của điều kiện môi trường. Chúng đảm bảo tính ổn định của hoạt động của enzyme, chống lại sự phá huỷ bởi các enzyme protease.
-Khối lượng α-amylase vào khoảng 50.000. Riêng đối với α-amylase của
Bacillus sterothermophilus có khối lượng chỉ khoảng 15.600, α-amylase của vi khuẩn
mạnh ở pH acid yếu.
-α-amylase của vi khuẩn thường chịu nhiệt tốt hơn của nấm sợi. Các α- amylase của vi khuẩn có thể hoạt động ở nhiệt độ 85 – 95 0C. Trong khi đó, α- amylase của nấm sợi chỉ hoạt động ở 650C.
-Khi thuỷ phân tinh bột, α-amylase tác động vào liên kết α-1,4 glucoside và sản phẩm tạo ra là maltose và dextrin và mạch của chúng gần bằng C6, các dextrin sau đó sẽ phân huỷ chủ yếu theo:
C6 C5 + C1
C7 C1 + C6 hay C2 + C5 C8 C2 + C6 hay C3 + C5
α-amylase của vi khuẩn thuỷ phân tinh bột tạo ra lượng glucose và maltose theo tỷ lệ 1 : 5.45 , α-amylase của nấm sợi thuỷ phân tinh bột tạo ra lượng glucose và maltose theo tỷ lệ 1 : 3.79 , α-amylase của nấm sợi và vi khuẩn hoàn toàn không có khả năng phân giải liên kết α-1,6 glucoside của cơ chất. Trong khi dịch hoá, pH của dung dịch bột thường trùng hợp với hoạt động tối ưu của α-amylase, pH này cũng là pH tối ưu khi tiến hành đường hoá. Chính vì thế, nếu trong trường hợp sử dụng các loại bột có pH không trùng hợp với pH hoạt động tối ưu của α-amylase thì phải điều hoà pH cho thích hợp.
Bảng : pH tối ưu của α-amylase từ các nguồn khác nhau
Nguồn α-amylase pH tối ưu Nấm sợi Vi khuẩn Malt 4.5 – 4. 8 6.0 – 7.0 5.3 – 5.5
Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng, α-amylase của vi khuẩn chỉ hoạt động rất mạnh trong giai đoạn đầu của quá trình đường hoá. Nguyên nhân vì có sự thay đổi pH trong thời gian đường hoá, nhưng nguyên nhân quan trọng là giới hạn hoạt động của α-amylase tới đường không vượt quá 70 – 80%
Theo giới hạn thuỷ phân tinh bột bằng α-amylase của Bacillus subtilis là dextrin có năm gốc glucose, một liên kết α-1,6 và ba liên kết α-1,4. Theo tính toán, người ta cho thấy rằng, giới hạn thuỷ phân tinh bột đến glucose và maltose là 70 – 75%.
Khi tiến hành thuỷ phân tinh bột bằng α-amylase của nấm sợi đến dextrin giới hạn có bốn nguyên tử glucid và một liên kết α-1,6. Trong trường hợp này, giới hạn đường hoá đến glucose và maltose đạt 84 – 87% tinh bột ban đầu đường hoá. Như vậy lượng cơ chất ban đầu không phải với số lượng càng lớn, khả năng thuỷ phân của α- amylase càng cao.
Như vậy, vai trò cơ bản của α-amylase trong sản xuất rượu là làm dịch hoá nhanh ở giai đoạn nấu và cả ở giai đoạn đầu của sự đường hoá, dextrin hoá và tích tụ đường.
Vai trò của glucoamylase. Glucoamylase thuỷ phân liên kết α-1,4 trong các polysaccharide, chúng liên tiếp phân cắt các gốc glucose không khử trong polysaccharide. Ngoài ra glucoamylase còn có khả năng phân cắt liên kết α-1,6 glucoside.
Glucoamylase thường hoạt mạnh trong môi trường acid (pH hoạt động tối ưu là 3.5 – 5.5). Ngoài ra các glucoamylase còn có thể hoạt động ở môi trường trung tính (pH khoảng 6.0 – 7.5). Các glucoamylase của nấm men thường là những glucoamylase trung tính.
Phần lớn các glucoamylase hoạt động ở pH không cao. Nhiệt độ tối ưu vào khoảng 55 – 600C. Sản phẩm cuối cùng của hoạt động của glucoamylase là glucose,
glucose được xác định là đường lên men. Do đó, việc sử dụng glucoamylase trong sản xuất cồn có triển vọng rất lớn.
Vai trò của pullulanase. Pullulanase là enzyme tham gia thuỷ phân liên kết α- 1,6 glucoside trong các poly và oligosaccharide. Pullulanase được tổng hợp bởi
Aerobactermaerogenes.
Pullulanase có khối lượng phân tử 145.000 hoạt động mạnh ở pH = 4.7 – 5.0 và nhiệt độ hoạt động tối ưu là 47.50C. Pullulanase phân cắt liên kết α-1,6 trong trường hợp các liên kết này bị bao quanh tất cả các phía bằng liên kết α-1,4 glucoside.
Dextrin có phân tử thấp, rất dễ bị pullulanase phân huỷ tạo thành từ hai gốc maltose, nối với nhau bằng liên kết α-1,6 glucoside. Nếu có sự kết hợp với α-amylase và pullulanase, dextrin sẽ bị phân huỷ hoàn toàn.
Tuỳ theo từng công đoạn trong sản xuất cồn, người ta đưa ra những yêu cầu về chế phẩm enzyme khác nhau.
Giai đoạn xử lý nhiệt ẩm nguyên liệu. đây là giai đoạn dịch hoá và dextrin hoá nguyên liệu tinh bột ở nhiệt độ 60 – 950C. Ở giai đoạn này không đòi hỏi sự tích tụ nhiều đường và amino acid nên các enzyme α-amylase phải hoạt động mạnh. Nếu quá trình phân giải ở giai đoạn này tạo nhiều glucose và amino acid, rất có thể chúng sẽ tạo ra phản ứng melanoidin, hình thành màu sẫm hoặc cũng có thể sẽ bị caramen hoá khi ở nhiệt độ cao. Ở giai đoạn này, các enzyme phải hoạt động gần với pH tự nhiên của nguyên liệu. pH của nguyên liệu thường khoảng 5.4 – 6.2. Như vậy, trong giai đoạn này chỉ nên tạo điều kiện tối ưu cho α-amylase hoạt động.
Việc ứng dụng α-amylase ở giai đoạn này khi nguyên liệu được nghiền mịn và theo sơ đồ liên tục đem lại hiệu quả rất cao cho toàn bộ công nghệ.
khuẩn. Enzyme α-amylase của vi khuẩn là những enzyme chịu nhiệt, nhờ đó thúc đẩy việc sử dụng triệt để nhiệt hơi mà còn hướng quá trình theo chiều tích tụ nhiều dextrin cao phân tử hơn và ít đường lên men hơn.
Gia nhiệt nhanh hỗn hợp không dịch hoá bằng α-amylase cho lượng glucid tan trong rượu ít hơn so với có dịch hoá. Nếu nấu sơ bộ mà gia nhiệt nhanh rối duy trì lâu ở nhiệt độ 90 – 950C và không dịch hoá thì hoàn toàn không thể thực hiện được trong điều kiện sản xuất. Do đó, trong thực tế bắt buộc phải kết hợp chế độ gia nhiệt nhanh và dịch hoá bằng α-amylase của vi khuẩn.
Người ta tiến hành quá trình xử lý nhiệt ẩm với quá trình dịch hoá theo sơ đồ sau:
-Mức độ nghiền nguyên liệu: bột sau khi nghiền 100% qua rây có lỗ θ = 1 mm. -Trộn nguyên liệu đã qua nghiền với nước và chế phẩm α-amylase ở nhiệt độ 30 - 400C có hoạt tính 0.8 – 1.0 UI/g tinh bột.
-Đun nhiều lần hỗn hợp đến 90 – 950C và duy trì nhiệt độ này trong 20 – 25 phút, có khuấy đảo liên tục để phản ứng enzyme xảy ra mạnh và tránh hiện tượng caramen xung quanh thiết bị. Người ta duy trì nhiệt độ nhờ hệ thống khuấy liên tục, cung cấp hơi nóng liên tục và điều chỉnh nhờ bộ điều chỉnh nhiệt.
Giai đoạn đường hoá nguyên liệu. điều kiện căn bản của giai đoạn này là trong chế phẩm phải có đầy đủ cả enzyme glucoamylase và α-amylase để đảm bảo cho việc phân huỷ cơ chất tạo thành lượng có thể lên men đạt được cao nhất. Ngoài ra, trong giai đoạn đường hoá còn cần cả enzyme protease và cellulase để tăng hiệu suất đường hoá và tạo điều kiện tốt cho quá trình lên men sau này.
Nhiệt độ tối ưu cho tất cả các enzyme này là 55 – 620C. Mặt khác, các enzyme này phải đu7ọc tồn tại cả trong quá trình lên men. pH tối ưu cho tất cả các enzyme này thường là pH tự nhiên của dịch đường hoá (pH khoảng 4.0 – 5.6). Như vậy, khi ứng dụng các chế phẩm enzyme vào trong đường hoá tinh bột trong sản xuất rượu có
những đặc điểm sau đây:
-Sản phẩm cuối cùng của quá trình đường hoá phải là glucose. Đây là loại đường có khả năng lên men mạnh nhất.
-Quá trình thuỷ phân cơ chất để tạo thành glucose tiếp tục xảy ra trong quá trình lên men. Tuy nhiên, tốc độ lên men phụ thuộc rất nhiều vào lượng đường tạo thành trong quá trình đường hoá. Do đó, quá trình chuyển hoá cơ chất trong giai đoạn đường hoá phải là quá trình chính.