Lên men rượu là một quá trình sinh học rất phức tạp xảy ra dưới tác dụng của nhiều enzyme.
Theo lý thuyết hiện đại sự tạo thành rượu từ glucose thì trải qua các giai đoạn sau nay:
1./ Đầu tiên dưới tác dụng xúc tác của glucokinaza, đường gluco kết hợp với photphat của phần tử ATP ( Andenozitri – Photphat) trong tế bào nấm men tạo thành gluco – photphat và AND.
C6H12O6 + ATP CH2O(H3PO3)(CHOH)4CHO + ATP
2./ Tiếp sau đó gluco- 6- photphat do tác dụng của enzym đồng phân gloco-photphat-izomenaza sẽ biến thành fructophotphat.
CH2O(H3PO3)(CHOH)4CHO CH2O(H3PO3)(CHOH)3COCH2OH
3./ Giai đoạn tiếp theo dưới tác dụng của enzym photphofuctokinaza phân tử ATP thứ hai sẽ sẽ đính thêm một gốc photphat nửa vào fucto-6-photphat đđể tạo thành fucto-1-6-diphotphat và phân tử ADN thứ hai.
CH2O(H3PO3)(CHOH)3COCH2OH + ATP CH2O(H3PO3)(CHOH)3COCH2(H2PO3) + ADP (CHOH)3COCH2(H2PO3) + ADP
Sự tạo thành fucto-1-6-photphat của giai đoạn chuẩn bị lên men. Giai đoạn thực hiện chuyển hóa mối liên kết cao năng thành dạng dễ biến đổi dưới tác dụng của enzym.
4./ Giai đoạn cuối xảy ra dưới tác dụng của xúc tác là aldolaza phân cắt phân tử fuctodiphotphat thành 2 phân tử trioza gồm aldehyt – photphoglyxeric và photphodioxyaceton.
CH2O(H3PO3)(CHOH)3COCH2(H2PO3)CH2O(H3PO3)COCH2OH+ CH2O(H3PO3)CHOHCHO CH2O(H3PO3)CHOHCHO
5./ Vai trò chủ yếu trong các biến đổi tiếp theo của quá trình lên men rượu andehyt- diphotphoglycerin. Nhưng trong dịch lên men chúng chứa rất ít, điều này chứng tỏ có sự đồng phân dưới tác dụng của enzym triphotphat izomeraza.
CH2O(H3PO3)COCH2OH CH2O(H3PO3)CHOHCHO.
6./ Giai đoạn tiếp theo là 2 phân tử aldehyde photphatglycerin bị oxy hóa. Phản ứng này xảy ra có sự tham gia của acidphotphorit. Trong canh trường nhờ
xúc tác của enzym triphotphat dehydronaza. Coenzym của nó là ADN (nicotiamit-andenit-dinucleotic).
CH2O(H3PO3)CHOHCHO + H3PO4 + NaDH
CH2O(H3PO3)CHOHCHO-H2PO3 + 2NaDH2
(1-3 diphotpho glyxerin acid)
7./ Giai đđoạn tiếp theo với sự tham gia của photphatglyxerinkinaza gốc photphat cao năng của 1- diphotphoglyxeric mới tạo thành sẽ chuyển vào phân tử ADP.
CH2O(H3PO3)CHOHCHO-H2PO3 + 2ADP
CH2O(H3PO3)CHOHCOOH + 2ATP
8./ Dứoi tác dụng của photphoglyxeromutaza gốc acid sẽ chuyển từ vị trí cacbon thứ ba đến vị trí cacbon thứ hai.
2CH2O(H3PO3)CHOHCOOH 2CH2OCHO (H3PO3) COOH
9./ Dưới tác dụng của enolaza, acid 2-photphoglyceric sẽ mất nước và biến thành acid photphopyruvic.
2CH2OCHO (H3PO3) COOH 2CH2CO(H3PO3) COOH + 2H2O
10./ Acid phophopyruvic rất không bến dễ bị mất gốc acid photphoric do enzym pyrovackinaza và do đó acid pyruvic được tạo thành.
2CH2=CO-(H3PO3)COOH + 2ADP = 2CH3CO-COOH + 2ATP
11./ Tới đây acid pyruvic bị decacbonxyl đđể tạo thành aldehyde acetic.
2CH3COCOOH 2CO2 + 2CH3CHO
12./ Giai đoạn cuối cùng lên men rượi là aldehyt acetic bị khử bởi NADH2
2CH3CHO + 2NaDH2 2CH3CH2OH + 2NAD
Phương trình tổng quát lên men rượu như sau:
C6H12O6 2CO2 + 2C2H5OH
Trong quá trình lên men rượu mỗi phần tử gam glucose sẽ giải phóng ra khoảng 50Kcal. Năng lượng này nấm men chỉ sử dụng chừng 20Kcal. Số còn lại sẽ thải ra canh trường làm tăng nhiệt độ dịch lên men.
Hình 1.24: Sơ đồ quá trình lên men rượu Sản phẩm phụ và sản phẩm trung gian của quá trình lên men:
Trong quá trình lên men ngoài sản phẩm chính là cồn etylic và CO2 còn tạo ra nhiều chất khác. Bằng phương pháp phần tích sắc kí người ta đã có trên 500 chất khác nhau. Nhưng về cơ bản có thể xếp vào 4 nhóm chính: acid, esste, andehyt, alcol ( bao gồm cả rượu bậc thấp lẫn rượu bậc cao là dầu fusel).
Sự tạo thành acid:
Trong quá trình lên men rượu thường tạo ra các acid hữu cơ như: acid acetic, acid lactic, acid citric, acid pyruvic,… nhưng chiếm chủ yếu là acid acetic và acid lactic.
• Acid Acetic: có thể tạo thành từ phản ứng oxy hóa giữa 2 aldehyt acetic
CH3CHO + CH3CHO + 2H2O CH3COOH + 2C2H5OH
• Acid Lactic: đđược tạo bởi pyrovicdehydronaza theo phản ứng.
CH3CO-COOH + 2NaDH2 CH3CHOHCOOH + NAD
Hoặc: CH2O(H2PO3)CHOHCHO + CH3CHOHCOOH + H3PO4
• Acid Citric: cũng được tạo thành từ aldehyt acetic theo phản ứng sau:
9CH3CHO + 4H2O (CH2COOH)2 + COH- COOH + 6C2H5OH
• Acid Succinic: được tạo thành theo 2 con đường đó là dehydro và trùng
hợp hai phân tử acid acetic với phân tử aldehytacetic.
CH3COOH + CH3CHO COOHCHCH2COOH + C2H5OH
Glycerin và Aldehyt: là sản phẩm trung gian của lên men rượu trong điều
kiện của lên men rượu trong điều kiện lên men chỉ nhằm mục đích thu alcol etylic. Người ta khống chế pH lên men trong giới hạn 4,5 ÷ 5,2 với điều kiện đó lượng glycerin tạo thành chỉ chiếm 0,3 ÷ 0,45 tương ứng 2 ÷ 3 % lượng đường ban đầu. Nếu tăng pH tới kiềm thì lượng glyxerin đạt 23,4 % và lượng aldehyt chưa chuyển thành rượu đạt 11,9%. Dựa vào tính chất này để tạo thành ra glycerin. Người ta còn dùng natrisunfit cho vào canh trường lên men nhằm điều chỉnh sản phẩm tạo thành.
Tóm lại: tùy theo điều kiện môi trường lên men có thể xảy ra theo các kiểu khác nhau.
Lên men rượu bình thường:
C6H12O6 2CO2 + 2C2H5OH
Lên men rượu cho thêm Na2S2O3
C6H12O6 CH3CHO + C3H8O3 + CO2
Lên men ruọu trong môi trường kiềm:
C6H12O6 2CO2 + CH3COOH + C2H5OH + C3H8O3
Một trong những sản phẩm phụ quan trọng được tạo thành trong quá trình lên men rượu có số nguyên tử cacbon lớn hơn hai đó là: aldol propylic, izobutylic, izoamylic, imylic,... Hàm lượng của chúng chỉ vào khoảng 0,4 ÷ 0,5% so với cồn etylic, nhưng chúng ảnh hưởng rất xấu đến chất lượng sản phẩm do đó gây ra cho sản phẩm có mùi hơi khó chịu. Các aldol này có tên chung là dầu Fusel hay còn gọi là dầu khét. Nguyên nhân hình thành dầu Fusel là do nấm men sử dụng nitơ của các acid amin trong quá trình sinh trưởng tạo thành.
Phương trình tổng quát hình thành alcol cao phân tử được đơn giản theo phản ứng sau:
R-CH-COOH + H2O RCH2OH + NH3 +CO2
NH2
Nhiều nhà nghiên cứu cho thấy sự tạo thành alcol cao phân tử chỉ phụ thuộc vào cấu trúc và hàm lượng acid amin có trong dịch lên men.
Sự tạo thành este:
Song song với việc tạo thành acid và aldol thì dưới tác dụng của enzym estaraza của nấm men các acid và aldol sẽ tác dụng lẫn nhau để tạo thành este tương ứng có thể viết dưới dang tổng quát như sau:
R1CH2OH + R2COOH R2COO-CH2R1 + H2O