Mục đích công nghệ: khai thác
Nguyên liệu sau khi được nghiền nhỏ sẽ được hoà trộn với nước ở trong thiết bị đường hoá. Trong môi trường giàu nước các hợp chất thấp phân tử có sẵn trong nguyên liệu sẽ hoà tan vào nước và trở thành chất chiết của dịch đường sau này. Các hợp chất cao phân tử của cơ chất như tinh bột, protein, các hợp chất chứa phospho… sẽ bị tác dụng của các enzym có sẵn trong malt tương ứng là amylaza, proteaza, phosphataza…khi nhiệt độ của khối dịch được nâng lên đến các điểm thích hợp cho các enzym này hoạt động. Dưới sự xúc tác của hệ enzym thuỷ phân, các hợp chất cao phân tử sẽ bị phân cắt thành những sản phẩm thấp phân tử hoà tan vào nước để nấm men sử dụng trong quá trình lên men tiếp theo. Ngược lại trong dịch chiết cần phải càng ít chất không mong muốn (ví dụ tanin trong vỏ trấu)càng tốt.
Các chất hòa tan: đường, dextrin, acid vô cơ và một số protein.
Các chất không hòa tan: tinh bột, xenluloza, một số protein cao phân tử và các hợp chất khác.
Các biến đổi nguyên liệu:
Sự trích ly các cấu tử có phân tử lượng thấp vào nước.
Đạm hoá là quá trình dùng enzim proteaza phân huỷ các protein thành các sản phẩm phân tử lượng thấp như axit amin (exopeptidaza), peptit… là nguồn cung cấp chất dinh dưỡng cho nấm men; các sản phẩm có phân tử lượng trung bình như albumin, pepton, polypepetit (endopeptidaza) tham gia vào việc tạo vị, tạo bọt, giúp cho bia có khả năng giữ bọt. Khi giữ khối dịch ở nhiệt độ 50 đến 52oC các quá trình thuỷ phân ở giai đoạn này rất quan trọng. Mặc dù sản phẩm của nó nhỏ nhưng nó tham gia trực tiếp vào sự hình thành chất lượng và là nguồn thức ăn chính cho nấm men, tạo vị, tạo bột, giữ bột, gây đục…Trong quá trình này dưới tác dụng của enzyme proteaza có sẵn trong malt, protein bị thuỷ phân thành axit amin, các peptone, peptid là những thành phần cần thiết cho lên men bia sau này. Nhiệt độ tối ưu ở giai đoạn này cho men proteaza hoạt động là 48 đến 52 oC.
Sự thủy phân tinh bột:
α-amylaza tác động lên mạch amyloza và amylopectin của tinh bột và bẻ gẫy mối liên kết α-1.4-glucozit, α-1.6-glucozit của amylopectin không bị phá huỷ, sản phẩm cuối cùng của quá trình này chủ yếu là dextrin, một lượng glucose và maltose.
β-amylaza cắt liên kết α-1.4-glucozit và giải, phóng từng đôi glucoza,β-amylaza sẽ tác dụng cho tới những chỗ bắt đầu rẽ nhánh của phân tử amylopectin(liên kếtα-1.6-glucozit) thì dừng lại để tạo thành sản phẩm là maltose.
Bên cạnh đó hai enzyme α-amylaza và β-amylaza có thể cùng tác độngtrên toàn mạch amylose và mạch nhánh của amylopectin để tạo thành đường maltose
Amylophosphataza tham gia vào quá trình thủy phân tinh bột với chức năng làm cho quá trình hồ hóa dễ hơn. Nó cắt phân tử axitphosphoric ra khỏi mạch amylopectin.
Thủy phân hemicellulose: ở giai đoạn ươm mầm, thành tế bào của nội nhủ đã cơ bản bị biến dạng. Đến giai đoạn đường hóa thì chúng mới thực sự bị phá hủy. Sự thủy phân hemicellulose mang hai ý nghĩa: thứ nhất là cung cấp bổ sung chất hòa tan cho dịch đường, thứ hai là phá bỏ hàng rào chắn, tạo điều kiện cho các enzyme còn lại hoạt động mà không bị vướng các chướng ngại vật.
Tham gia thủy phân hemicellulose là nhóm enzyme sitaza. Nhiệt độ tối ưu của chúng là 45oC còn pH là 5,0.
Thành tế bào nội nhũ của đại mạch chứa một mạng lưới các protein, xenluloza và hemixenluloza vững chắc, các chất này liên kết với nhau nhờ β-glucan. β-glucan có phân tử lượng cao, có xu hướng tạo gel và làm tăng độ nhớt của dịch đường và bia gây cản trở cho quá trình lọc do đó trong quá trình sản xuất cần phải loại được càng nhiều β -glucan càng tốt. β-glucan có thể được thủy phân nhờ enzyme Endo-β-glucan, đây là loại enzyme có sẵn trong malt vì vậy trong khâu chọn nguyên liệu nên lựa chọn nguyên liệu có chất lượng, chứa nhiều enzyme Endo- β -glucan. Trong suốt giai đoạn hồ hóa, cấu trúc của các hạt tinh bột bị phá vỡ và các sợi mixen bao bọc protein được nới rộng ra nên protein được giải phóng dần. Endo-β- glucan chỉ có thể phân cắt phần β -glucan của các mixen này. Topt:45-50oC, tại 70oC, enzyme này bị vô hoạt. Lúc này enzyme β-glucan solubilaza hoạt động và giải phóng các β- glucan cao phân tử và protein từ phần hạt chuyển hóa kém và không thủy phân xa hơn nữa
Thủy phân Fitin: trong các hợp chất hữu cơ chứa phospho thì fitin là cấu tử chiếm nhiều nhất về khối lượng và có ý nghĩa hơn cả trong công nghệ sản xuất bia. Cũng giống như các chất khác, ở giai đoạn ươm mầm, fitin đã bị thủy phân cục bộ nhưng với tốc độ bé. Đến giai đoạn đường hóa, quá trình này mới xảy ra với tốc độ tối đa dưới sự xúc tác của enzyme fitaza. Chức năng của fitaza là xúc tác phân cắt acid phosphoric khỏi phân tử amylopectin. Nhiệt độ tối ưu của enzyme này là 45-50oC, còn pH là 5,2-5,3.
Sự thủy phân fitin và những hợp chất hữu cơ khác chứa phospho và kèm theo đó là sự giải phóng acid phosphoric đã làm cho độ chua định phân và tính đệm của dịch cháo tăng lên. Điều này rất có ý nghĩa trong nghệ sản xuất dịch đường, vì sự tăng độ chua của dịch cháo
luôn kèm theo sự tăng hiệu suất đường hóa và nhiều ảnh hưởng dương tính đến dịch đường thu được.
Một số biến đổi khác
o Sự biến đổi keo tụ và kết lắng protein.
Sự biến tính và kết lắng là những thuộc tính của protein khi chúng bị tác động những yếu tố ngoại cảnh. Ở điều kiện đường hoá yếu tố ngoại cảnh đó là nhiệt độ cao của môi trường. Đây là những quá trình có lợi cho công nghệ sản xuất bia vì khi protein đã bị biến tính và kết lắng thì chúng sẽ được loại ra khỏi dịch đường, sẽ làm tăng độ bền keo của bia, giảm khả năng gây đục bia.
Sự kết tủa này phụ thuộc vào nhiệt độ, nhiệt đun nóng, pH của dịch.
o Sự tạo thành melanoid:
Phản ứng tạo melanoid hay còn gọi là phản ứng ozamin là phản ứng có vai trò quan trọng trong công nghệ sản xuất bia nói riêng và công nghệ sản xuất thực phẩm nói chung. Quá trình tạo melanoid đã xảy ra một cách mạnh mẽ ở giai đoạn sấy malt nhờ đó mà đã tạo ra một bước ngoặc quan trọng về tính chất cảm quan của bán thành phẩm. Đến giai đoạn đường hoá, ở nhiệt độ cao đường kết hợp với axit amin tạo thành melanoid. Sự tạo thành melanoid cùng với phản ứng caramen tạo ra mùi thơm đặc trưng, tạo vị và khả năng tạo bọt cho bia, làm tăng độ màu cho bia.
Phản ứng tạo melanoid chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố. Quan trọng nhất là những yếu tố sau đây:
- Ảnh hưởng của axit amin và đường. - Ảnh hưởng của nước.
- Ảnh hưởng của nhiệt độ và pH của môi trường. Ở nhiệt độ 00C và dưới 00C phản ứng không xảy ra. Ở nhiệt độ khác nhau thì melanoid tạo thành có thành phần và mùi vị khác nhau, ở 95 - 1000C thì melanoid có mùi vị hài hòa nhất và trên 1900C thì cho vị đắng khó chịu.
o Hoà tan các thành phần chất của malt:
Trong vỏ malt chứa khá nhiều hợp chất polyphenol, chất chát và chất đắng. Trong quá trình đường hoá, do tiến hành ở nhiệt độ cao nên một số khá lớn sẽ hòa tan vào nước. Sự hoà tan các hợp chất này vào dịch đường là một dấu hiệu bất lợi vì chúng sẽ tạo cho bia có vị lạ
khó chịu. Sự oxy hoá các hợp chất này là nguyên nhân làm tăng cường độ màu của dịch đường. Quá trình hoà tan polyphenol, chất chát và chất đắng phụ thuộc vào nhiệt độ pH của môi trường và thời gian đun nấu. Nhiệt độ càng cao, pH càng cao và thời gian đun nấu càng dài thì lượng hoà tan càng lớn. Hiện tượng này càng nguy hiểm khi ta sử dụng nước có độ cứng cacbonat cao để đường hoá nguyên liệu. Biện pháp hữu hiệu nhất để hạn chế sự hoà tan của các hợp chất nói trên là phải sử dụng nước mềm để đường hoá nguyên liệu. Trong thời gian đường hoá, tất cả các hợp phần của nội nhũ đều được hòa tan vào dịch đường. Những hợp phần đó là:
- Tất cả các hợp chất thấp phân tử đã có trong malt như đường, dextrin, axitamin, các sản phẩm thuỷ phân protein, các chất khoáng…
- Tất cả các hợp chất thấp phân tử được hình thành trong thời gian đường hoá như đường, dextrin, các sản phẩm thuỷ phânprotein, các sản phẩm thuỷ phânhemixenluloza, thuỷ phân chất béo, thuỷ phân các chất chứa phospho…tất cả những hợp chất này hoà tan vào nước và tạo thành chất chiết của dịch đường.
o Phản ứng giữa muối của nước và phosphat của cháo malt
Khi bắt đầu hoà bột malt vào nước phản ứng đã bắt đầu xảy ra. Các muối bicacbonat và cacbonat sẽ biến đổi kali phosphat bậc nhất thành bậc 2, đồng thời với nó là sự hình thành phosphat bậc 2 của canxi và magie, và thỉnh thoảng lại tạo ra canxi phosphat bậc ba. Những phản ứng này sẽ làm giảm độ chua định phân và tính đệm của dịch cháo.
Tiến hành quá trình theo phương pháp đun sôi 3 lần:
Khoảng 1/3 lượng nước cần thiết, ở nhiệt độ 38-40oC được bơm vào nồi phối trộn. Cho cánh khuấy làm việc và từ từ đổ bột malt vào. Trong thời gian đổi bột malt, lượng nước còn lại cũng được bơm nốt vào nồi phối trộn. Sau khi lượng bột malt đã được trộn đều, nhiệt độ cung của dịch bột khoảng 35-37oC. Cho cánh khuấy làm việc liên tục trong 5 phút, sau đó dừng 10 phút để pha rắn của dịch bột lắng xuống đáy của thiết bị phối trộn.
Bơm 1/3 dịch đặc từ thiết bị phối trộn sang thiết bị đường hóa. Phần này bao gồm chủ yếu các cấu tử pha rắn, và được gọi là đun sôi lần 1. Cho cánh khuấy nồi đường hóa hoạt động liên tục và từ từ nâng nhiệt độ lên 50-52oC. Duy trì nhiệt độ này trong 5-10phút, đây là quá trình đạm hóa. Ở nhiệt độ 48-52oC, sản phẩm của quá trình đạm hóa chủ yếu là các hợp chất thấp phân tử như peptit hoặc acid amin. Nếu có nhu cầu tạo ra nhiều sản phẩm trung gian như albumoza và pepton thì quá trình đạm hóa nên thực hiện ở nhiệt độ 56-60oC. Sau thời gian dừng cần thiết của quá trình đạm hóa, nhiệt độ của khối cháo tiếp tục được nâng lên 60-
65oC, và được giữ trong 5-10 phút để enzyme β-amylaza hoạt động tạo nhiều đường maltoza. Sau đó khối cháo tiếp tục được nâng lên 70-75oC, dừng ở nhiệt độ này trong 10-15 phút. Tại đây tinh bột hòa tan sẽ được đường hóa, enzyme α-amylaza hoạt động. Sau khi duy trì ở nhiệt độ 70-75oC trong thời gian cần thiết nhiệt độ của khối cháo được tăng nhanh lên đến điểm sôi và cho sôi mạnh trong 20 phút. Ở nhiệt độ này, toàn bộ lượng tinh bột sẽ được hồ hóa, nghĩa là cấu trúc của hạt tinh bột bị phá vỡ. Thời gian cần thiết cho lần đun sôi thứ 1 là 120 phút.
Sau thời gian sôi cần thiết để bột chín, khối cháo sẽ được bơm quay về nồi phối trộn. Lưu lượng của bơm khống chế ở mức vừa phải để tránh sự tăng đột ngột nhiệt độ ở điểm rơi của cháo sôi, sẽ không làm mất hoạt lực của enzyme trong nồi phối trộn. Trong thời gian bơm dịch cháo quay lại nồi phối trộn, cánh khuấy ở nồi phối trộn phải làm việc liên tục và quay ở tốc độ cao nhất. Ta cần nhớ ở lần đun sôi thứ nhất, lượng enzyme chứa không nhiều vì chúng đã hòa tan vào nước và được giữ lại ở nồi phối trộn.
Khi hòa trộn với khối cháo chung, nhiệt độ của toàn khối cháo sẽ tăng lên 50-52oC. Cánh khuấy ngừng làm việc, để yên 15-20 phút để phần bã malt kết lằng.
Bơm 1/3 dịch đặc từ thiết bị phối trộn sang thiết bị đường hóa. Phần này được gọi là đun sôi lần 2. Cho cánh khuấy nồi đường hóa hoạt động liên tục và từ từ nâng nhiệt độ lên 60- 65oC, và được giữ trong 5-10 phút để enzyme β-amylaza hoạt động tạo nhiều đường maltoza. Sau đó khối cháo tiếp tục được nâng lên 70-75oC, dừng ở nhiệt độ này trong 10-15 phút. Tại đây tinh bột hòa tan sẽ được đường hóa, enzyme α-amylaza hoạt động. Sau khi duy trì ở nhiệt độ 70-75oC trong thời gian cần thiết nhiệt độ của khối cháo được tăng nhanh lên đến điểm sôi và cho sôi mạnh trong 20 phút. Thời gian cần thiết cho lần đun sôi thứ 2 là 90 phút.
Khi hòa trộn với khối cháo chung, nhiệt độ của toàn khối cháo sẽ tăng lên 60-65oC. Cánh khuấy ngừng làm việc, để yên 15-20 phút để phần bã malt kết lằng.
Lần đun sôi thứ 3 cũng được tiến hành theo phương thức trên:
Bơm 1/3 dịch đặc từ thiết bị phối trộn sang thiết bị đường hóa. Phần này được gọi là đun sôi lần 3. Cho cánh khuấy nồi đường hóa hoạt động liên tục và từ từ nâng nhiệt độ lên 70- 75oC, dừng ở nhiệt độ này trong 10-15 phút. Sau khi duy trì ở nhiệt độ 70-75oC trong thời gian cần thiết nhiệt độ của khối cháo được tăng nhanh lên đến điểm sôi và cho sôi mạnh trong 20 phút. Thời gian cần thiết cho lần đun sôi thứ 2 là 60 phút.
Bơm quay về nồi phối trộn. Nhiệt độ khối cháo ở nồi phối trộn đang từ 60-65oC sẽ tăng vọt lên 70-75oC. Cho cánh khuấy làm việc liên tục và duy trì nhiệt độ này cho đến khi đường hóa hoàn toàn (không làm thay đổi màu dung dịch iod).
Hình 2.4 Giản đồ đun sôi 3 lần
Thiết bị:
Nồi được chế tạo bằng thép không rỉ, gồm hai vỏ, thân hình trụ được bảo ôn bằng lớp vật liệu cách nhiệt. Nồi được trang bị hệ thống cấp hơi để gia nhiệt, hơi gia nhiệt được cấp vào giữa hai lớp vỏ của nồi, áp suất hơi giữa hai lớp vỏ của nồi khoảng 2,5÷3 kg/cm2. Gần đáy nồi có hai cánh khuấy có tác dụng đảo trộn dung dịch, phía dưới có hộp giảm tốc để điều khiển tốc độ cánh khuấy. Phần trên hình nón có ống thoát hơi, đèn chiếu sang, cửa quan sát.
Khi nấu đồng thời xảy ra hai quá trình: Quá trình khuấy trộn dung dịch và quá trình truyền nhiệt.
Hình 2.5 Nồi nấu dịch nha
o Ảnh hưởng của nồng độ enzym:
Cường độ của các quá trình enzym khác nhau phụ thuộc rất nhiều vào khối lượng của enzym hoạt tính và điều kiện xảy ra phản ứng. Bằng cách điều chỉnh khối lượng của chúng, ta có thể tạo ra ưu thế cho sự hoạt động của các enzym này hay các enzym khác. Cũng bằng cách như vậy ta có thể tạo ra sự thuỷ phân đến cùng hay thuỷ phân cục bộ của các chất riêng biệt. Qua đó có thể điều chỉnh được tương quan tỷ lệ giữa các pha sản phẩm tạo thành. Vì hợp phần của chất chiết có những tính chất khác nhau cho nên khi chúng có sự thay đổi về tương quan khối lượng thì sẽ dẫn đến sự thay đổi tính chất của dịch đường - nhân tố quyết định để sản xuất loại bia này hay loại bia khác.
o Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đường hoá đến hàm lượng đường và dextrin
Mỗi một enzym đều có nhiệt độ hoặc vùng nhiệt độ tối ưu riêng của mình. Nhiệt độ thủy phân là yếu tố quyết định cường độ và chiều hướng của quá trình enzyme. Điều chỉnh nhiệt độ để điều hòa phản ứng là giải pháp hữu hiệu nhất để định hướng tiến trình enzyme. Để điều chỉnh tỷ lệ các thành phần của dịch đường phải điều chỉnh nhiệt độ của dịch cháo sao cho phù hợp với nhiệt độ tối ưu của từng enzyme và phải duy trì nhiệt độ đó một thời gian thì các hợp