Như chúng ta đã biết, quá trình lên men rượu vang theo phương pháp truyền thống là quá trình lên men tĩnh sử dụng nấm men tự do. Quá trình lên men và thiết bị lên men trong trường hợp này tương đối đơn giản, tuy nhiên, việc tối ưu hóa và tự động hóa quá trình rất khó khăn, đồng thời khả năng tái sử dụng của nấm men tự do là rất thấp. Khi ứng dụng nấm men cố định vào quá trình lên men rượu vang, ta có thể khắc phục các nhược điểm này bằng phương pháp lên men tĩnh nhiều chu kỳ (để tái sử dụng nấm men) và lên men liên tục (để tự động hóa quá trình lên men).
2.4.2.1 Lên men tĩnh nhiều chu kỳ
Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng nấm men cố định có khả năng tái sử dụng ở nhiều chu kỳ lên men mà vẫn duy trì được hoạt tính lên men và chất lượng rượu vang cao:
−M. Iconomopoulou và cộng sự (2002) đã nghiên cứu khả năng ứng dụng của nấm men cố định sấy thăng hoa (FGB) trong công nghiệp và nhận thấy rằng tuy ở chu kỳ 1, thời gian lên men và năng suất lên men không có sự khác biệt so với nấm men tự do (ffdc) nhưng ở chu kỳ 2, nấm men cố định cho năng suất lên men cao hơn hẳn và tốc độ lên men tăng lên đáng kể (Hình 2.24) [93].
−Bardi và cộng sự (1997) đã lần lượt cố định nấm men trên 2 loại chất mang là DCM và gluten để sử dụng cho quá trình lên men tĩnh nhiều chu kỳ tại các nhiệt độ khác nhau. Kết quả cho thấy nấm men cố định trên DCM có thể sử dụng trong 43 chu kỳ, trong khi đó, nấm men cố định trên gluten có thể sử dụng trong 29 chu kỳ. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng khi sử dụng nấm men cố định để tiến hành lên men thì hàm lượng ethyl acetate tạo thành cao gấp 2 – 4 lần so với nấm men tự do, còn khi sử dụng nấm men cố định trên DCM để lên men ở nhiệt độ thấp thì hàm lượng amyl alcohol thấp hơn nhiều so với nấm men tự do, nhờ vậy mà giảm được độc tính cho sản phẩm rượu vang. Như vậy, sử dụng nấm men cố định sẽ cải thiện hương vị tốt hơn so với nấm men tự do [20].
Hình 2.24: Động học của quá trình lên men rượu vang ở những nhiệt độ khác nhau sử dụng nấm men cố định trên gluten. Dịch nho có nồng độ chất khô ban đầu là 204g/L, sử dụng nấm men cố định trên gluten sấy thăng hoa (FGB 1,2), nấm men tự do sấy thăng hoa (ffdc) (các chữ số 1 và 2 là lên men lặp lại lần thứ nhất và lần thứ 2)[93]
−Kourkoutas và cộng sự (2003) đã sử dụng nấm men cố định trên miếng mộc qua để lên men rượu vang theo phương pháp lên men tĩnh nhiều chu kỳ. Và kết quả cho thấy rằng quá trình lên men vẫn có thể tiếp tục trong khoảng 8 tháng mà không làm mất đi đáng kể hoạt tính của nấm men. Khi thực hiện lên men ở nhiệt độ rất thấp (< 10oC) thì quá trình lên men rượu vang hoàn thành chỉ trong vòng 4 ngày, ngắn hơn rất nhiều so với phương pháp lên men truyền thống. Còn nếu lên men ở 0oC thì thời gian cần thiết khoảng là 50 ngày. Năng suất sinh tổng hợp ethanol thì cao hơn ít nhất là 4 hoặc 5 lần so với quá trình lên men truyền thống. Bên cạnh đó, hương vị của sản phẩm cũng được cải thiện nhiều, đặc biệt là ở nhiệt độ thấp [27]. Như vậy, quả mộc qua đã chứng tỏ là chất mang thích hợp cho quá trình sản xuất rượu vang, đặc biệt là ở nhiệt độ thấp. Kết quả nghiên cứu của Kourkoutas và cộng sự (2001) khi cố định trên miếng táo cũng cho kết quả tương tự, với thời gian sử dụng khoảng 7 tháng mà không làm mất đi hoạt tính [110].
−Tsakiris và cộng sự (2004) đã tiến hành lên men rượu vang trắng sử dụng nấm men cố định trên nho khô theo phương pháp lên men tĩnh nhiều chu kỳ và kết quả cho thấy rượu vang tạo thành có hàm lượng acid dễ bay hơi, methanol và acetaldehyde thấp, và nấm men cố định có độ bền sinh học trong khoảng 4 tháng [196]. Một nghiên cứu khác của Tsakiris và cộng sự (2004) cũng cho thấy hệ thống lên men sử dụng nấm men cố định trên nho khô có độ bền vận hành rất cao, có thể tiến hành quá trình lên men tĩnh nhiều chu kỳ trong khoảng 1 năm mới phải thay nấm men cố định [197].
Ngoài ra, nấm men cố định còn có thể bảo quản trong một thời dài để sử dụng cho các chu kỳ lên men sau mà vẫn duy trì được hoạt tính lên men tốt. Kourkoutas và cộng sự (2003) đã khảo sát khả năng bảo quản và tái sử dụng của nấm men cố định trên miếng táo, kissiris và γ-alumina cho quá trình lên men rượu vang tại nhiệt độ thường theo phương pháp lên men tĩnh nhiều chu kỳ. Những kết quả đã cho thấy rằng nấm men cố định có thể hoạt
hóa lại và lên men sau một khoảng thời gian bảo quản tăng đáng kể so với nấm men tự do. Nấm men cố định trên táo và kissiris có thời gian sống sót lâu hơn (lần lượt là 40 và 50 ngày) so với nấm men cố định trên γ-alumina và nấm men tự do. Nếu sử dụng môi trường tổng hợp để bảo quản thì thời gian bảo quản có thể lên đến 6 tháng, nhờ đó có thể thực hiện hiệu quả việc bảo quản mà không cần làm lạnh hoặc sấy thăng hoa. Các kết quả cũng cho thấy rằng không có ảnh hưởng bất lợi đến thành phần các hợp chất hương tạo thành trong suốt quá trình bảo quản [105, 108].
2.4.2.2 Lên men liên tục
Với mục tiêu không ngừng cải tiến nhằm mục đích giảm thiểu chi phí một cách tối đa cho sản xuất, tăng năng suất và chất lượng sản phẩm, phương pháp lên men liên tục đã được nghiên cứu rất rộng rãi trong thời gian qua trong lĩnh vực sản xuất đồ uống có cồn. Trong sản xuất rượu vang, phương pháp này cũng được nghiên cứu rộng rãi, đặc biệt là trong những năm gần đây. Nấm men sử dụng trong phương pháp lên men liên tục là nấm men cố định [13, 14, 94, 107, 127]:
−Bakoyianis và cộng sự (1997) đã tiến hành lên men liên tục rượu vang tại nhiệt độ thấp và nhiệt độ phòng sử dụng lần lượt 3 chất mang là kissiris, γ-alumina và calcium alginate. Kết quả cho thấy rằng, mặc dù cùng sử dụng nấm men cố định nhưng năng suất sinh tổng hợp cồn khi lên men theo phương pháp liên tục cao hơn so với phương pháp lên men tĩnh (bảng 2.11) [14].
Bảng 2.11: Năng suất sinh cồn trong quá trình lên men dịch nho bởi nấm men cố định trên kissiris,
γ-alumina và alginate tại 7, 13 và 27oC[14] Nhiệt độ
(oC) Kissiris Lên men tĩnhγ-alumina Alginate Kissiris Lên men liên tụcγ-alumina Alginate 27 13 7 17,3 5,8 1,5 48,6 13,7 4,5 60,3 15,8 5,6 73,4 22,8 16,7 68,5 19,9 13,8 80,6 30,0 23,2
−Kourkoutas và cộng sự (2002) đã thực hiện quá trình lên men rượu vang liên tục sử dụng chủng nấm men Saccharomyces cerevisiae ưa lạnh cố định trên miếng táo. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng năng suất lên men theo phương pháp này cao hơn nhiều so với phương pháp lên men tĩnh truyền thống. Năng suất lên men cồn ở 5oC thì bằng với năng suất lên men cồn ở 22 – 25oC theo phương pháp truyền thống. Bình lên men có thể vận hành liên tục trong vòng 95 ngày mà không làm giảm năng suất tạo cồn. Đồng thời, hàm lượng rượu bậc cao và acetaldehyde trong rượu vang này thì thấp hơn so với rượu vang lên men theo phương pháp lên men tĩnh truyền thống (bảng 2.12). Điều đó chứng tỏ rằng chất lượng rượu vang đã được cải thiện [112]. Một nghiên cứu khác của Kourkoutas và cộng sự (2005) khi sử dụng chất mang là miếng táo, mộc qua và lê cũng cho kết quả tương tự [107].
Bảng 2.12: Các hợp chất dễ bay hơi tạo thành trong suốt quá trình lên men liên tục rượu vang sử dụng nấm men cố định trên miếng táo và quá trình lên men tĩnh sử dụng nấm men tự do. Quá trình lên men được thực hiện ở 30oC [112]
(ppm) (ppm) (ppm) Lên men liên tục
Lên men tĩnh 27 64 59 31 22 10 19 54 123 169 39 Không có
−Ogbonna và cộng sự (1989) đã tiến hành quá trình lên men rượu vang theo phương pháp liên tục trong thiết bị phản ứng sinh học nhiều cấp (multistage bioreactor) sử dụng các đĩa sinh học (bioplate) làm tác nhân lên men. Các đĩa sinh học này chính là nấm men cố định trên các đĩa thủy tinh đã được gia công tạo mặt lưới. Kết quả nghiên cứu cho thấy quá trình lên men liên tục sử dụng nấm men cố định trên đĩa thủy tinh không những có tính ổn định cao, bền trong thời gian dài sử dụng mà còn có khả năng tạo sản phẩm có chất lượng không thua kém sản phẩm tạo ra theo phương pháp lên men truyền thống [152].