- Công ty sử dụng loại nấm men chìm trong côngnghệ lên men.
6. KỸ THUẬT LÊN MEN CHÍNH
6.1.1 Mục đích côngnghệ và cơ sở lý thuyết:
6.1.1.1 Mục đích:
Lên men nhằm mục đích chuyển hóa các chất hòa tan trong dịch đường houblon hóa thành rượu etylic, CO2, và các sản phẩm phụ khác dưới tác động của nấm men thông qua hoạt động sống của chúng.
6.1.1.2 Cơ sở lý thuyết:
Khi tiến hành lên men chính dịch đường, một lượng lớn cơ chất chủ yếu là đường và dextrin bậc thấp bị nấm men hấp thụ để tạo thành rưọu etylic, khí CO2 và các sản phẩm phụ. Nấm men là tác nhân cung cấp phức hệ enzym zimase để men dịch đường.
Trong quá trình lên men ngoài gluxit tác động mạnh các hợp phần khác của dịch đường cũng chịu thay đổi lớn. Một phần bị nấm men đồng hóa và bị biến đổi thành những hợp chất khác nhau. Còn một số khác thì chuyển đổi thành trạng thái không hòa tan và bị tách ra ngoài dưới dạng kết lắng. Song song hoặc sau quá trình hình thành ra chúng là sự tạo thành những hợp chất dễ bay hơi như men bậc cao, este và andehyt…
• Chất chiết không lên men (chất khô sót): là phần chất hòa tan còn lại mà nấm men không có khả năng hấp thụ.
• Chất chiết nấm men: là tổng lượng chất hòa tan đã tiêu hao trong thời gian lê men chính.
• Mức độ lên men (độ lên men): là phần trăm khối lượng chất chiết đã lên men so với lượng chất chiết ban đầu của dịch đường.
• Độ lên men và độ mên cuối cùng của các loại bia khác nhau dao động trong những khoảng rất lớn.
Về lý thuyết thì toàn bộ lượng chất chiết có khả năng lên men có thể sẽ được lên men hoàn toàn. Lúc đó độ lên men sẽ có trị số bằng độ lên men cuối cùng. Nhưng trong thực tế sản xuất, không bao giờ độ lên men của một dịch đường lại có thể đạt đến độ lên men cuối cùng.
1- Vào giai đoạn đầu của quá trình lên men, các este giữa acid phosphosric và đường hexose tạo thành. Mở đầu là phản ứng giữa glucose với adenozintriphosphate (ATP), kết quả là tạo thành glucose-6-phosphate và adenozindiphosphate (ADP). Phản ứng xảy ra được do sử xúc tác của hexokinase với sự có mặt bắt buộc của Mg2+:
Cũng phản ứng tương tự như trên, quá trình phosphoryl hóa fructose và manose để tạo thành các hexose – 6 – phosphate tương ứng.
2-Glucose-6-phosphate bị đồng phân hóa thành fructose-6-phosphate dưới sự xúc tác của enzyme glucozophosphateizomerase. Phản ứng xảy ra theo hai chiều thuận nghịch và ở trạng thái cân bằng thì 2/3 là glucose – 6 – phsphate còn 1/3 là fructose-6- phosphate:
SVTH:Lê Thanh Khoa Khoa công nghệ thực phẩm
+ ATP hecxokinase CH2 – O – PO3H2 OH OH OH OH Glucose-6-phosphate CH2OH OH OH OH OH Glucose CH2 – O – PO3H2 OH OH OH CH2OH OH OH H2O3P – O – CH2 glocozophosphatizomera
3-Fructose-6-phosphate được phosphoryl hóa bởi ATP với sự xúc tác của enzyme phosphoructokinase để tạo thành fructose-1,6-diphosphate:
Phản ứng này chỉ xảy ra được khi có mặt của K+ và ion amon NH4+. Đến đây, giai đoạn phosphoryl hóa kết thúc.
4-Fructose-1,6-diphosphate bị phân cắt thành hai phân tử triozophosphate cụ thể là aldehid-3-phosphoglycerinic và phosphodioxyaxeton. Phản ứng này được sự xúc tác bởi enzyme aldolase:
Tham gia vào quá trình chuyển hóa tiếp theo chỉ có 3- phosphoglycetoaldehide. Tùy thuộc vào mức độ chuyển hóa của nó mà thế cân bằng của phản ứng phân cắt triozophosphate dần dần bị mất. Lúc đó, dưới sự xúc tác của enzyme triozophosphateizomerase, phosphatedioxyaceton dần dần chuyển thành 3- phosphoglyceroaldehide.
5- Aldehid – phosphoglycerinic oxy hóa coenzyme NAD+ đồng thời được phosphoryl hóa đến acid 1,3 – diphosphoglycerinic. Phản ứng xảy ra dưới sự xúc tác của enzyme triozophosphatdehydrogenase.
CH2O H O H O H O H Glucose-6- phosphate H2O3P – O – CH2 H2C-O- PO3H2 O H O H O H Fructose-1,6- diphosphate H2O3P – O – CH2 + ATP Phosphofructo kinase + ADP
Sau khi chuyển H+ cho sản phẩm tạo thành ở giai đoạn cuối cùng của quá trình lên men là acetalhehide, NADH tạo thành ở phản ứng trên lại quay trở lại dạng NAD+.
6 – Từ acid 1,3 – diphosphoglycerinic, một phân tử phosphoric nối ở nguyên tử cacbon thứ nhất được tách ra. Phản ứng xảy ra dưới sự xúc tác của enzyme triphospho – glycerat – 1 – phosphotransferase, với sự có mặt của Mg2+. Acid phosphoric được tạo thành sẽ gắn với ADP để tạo thành ATP.
7-Acid 3-phosphoglycerinic dưới tác động của enzyme phosphoglyceromutase bị đồng phân hóa thành acid 2-phosphoglycerinic.
8 – Dưới sự tác dụng của enzyme enolase, quá trình dehydrate xảy ra và acid 2-phosphoglycerinic chuyển thành acid 2-phosphoenolpiruvic.
9 - Từ acid 2-phosphoenolpiruvic có mối liên kết cao năng, dưới sự xúc tác của enzyme piruvatkinase, kết quả sẽ thu được acid piruvic, và ADP sẽ chuyển thành ATP.
10 - Acid piruvic sẽ bị gãy thành axetaldehid và khí cacbonic. Enzme xúc tác quá trình này là piruvat - decacboxylase, mà coenzyme của nó là tiaminpirophosphate.
11- Dưới sự xúc tác của enzyme alcoldehydrogenase, acetaldehide tham gia phản ứng với NADH (tạo thành ở phản ứng thứ 5) để tạo thành rượu etylic và hoàn nguyên NAD+.
Từ sơ đồ đã trình bày trên đây ta thấy rằng, không có phản ứng nào trong dãy biến hóa đó cần đến oxy.
Các phản ứng phosphoryl hóa diễn ra với sự tạo thành các mối liên kết cao năng. Mối liên kết phosphate cao năng đầu tiên được hình thành là ở phản ứng 5 và nó được gọi tên là 1,3 - diphosphoglyxerat. Năng lượng của liên kết cao năng này được giải phóng ở phản ứng thứ 6 khi chuyển nhóm định chức cácbonl thành cacboxyl đồng thời với sự tạo thành ATP và ADP.
Mối liên kết phosphate cao năng thứ hai được tạo thành là ở phản ứng số 8, dây chất mang là acid phosphoenolpyruvic. Năng lượng ở đây được giải phóng ở phản ứng tiếp theo, kèm theo sự tạo thành ATP. Sự tạo thành ATP trong quá trình chuyển hóa glucose thành rượu etylic.
Các biến đổi xảy ra trong quá trình lên men chính:
Sự phát triển của tế bào nấm men qua 4 giai đoạn hay còn gọi 4 pha: tiềm phát – cấp số mũ – cân bằng – độngsuy.
Ở pha thứ nhất các tế bào nấm men còn thích nghi với môi trường, số lượng nấm men đường như không thay đổi. Sang pha tiếp theo nấm men nảy chồi rầm rộ đến khi mật độ dần đến tối đa và ổn định trong khoảng thời gian nhất định kéo dài sang cả giai đoạn thứ ba. Ở cuối giai đoạn thứ ba mật độ của tế bào nấm men bắt đầu giảm. Sang giai đoạn thứ tư nấm men không còn có khả năng sinh sản bắt đầu lão hóa, già cỗi. Mỗi lượng nấm men khá lớn khoảng 5 – 10 % tế bào nấm men bị chết trong pha này, phần lớn số còn lại bị kết lắng, chỉ còn một phần rất lớn ít nổi lơ lửng trong dịch lên men.
2-Nhiệt độ:
Nhiệt độ lên men chính 8 – 12oC, trong giai đoạn cấp số mũ nhiệt độ có thể tăng lên 1 – 2oC vì giai đoạn này trao đổi chất mạnh sinh năng lượng, tỏa nhiệt. Nên ta phải tăng tác nhân lạnh để giảm nhiệt độ.
3-pH:
Sự thay đổi pH trong quá trình lên men không tuân theo quy luật của sự tăng giảm tế bào nấm men, mà nó giảm dần đến lúc kết thúc quá trình lên men. pH của dịch đường ban đầu 5.5 - 6, cuối quá trình lên men chính pH còn 4.5 - 4.7. pH giảm do sự hình thành CO2, axit hữu cơ, trong đó chủ yếu là axit lactic, tatric.
4-Hàm lượng chất khô:
Trong dịch đường có đầy đủ các chất dinh dưỡng cho nấm men: hydrocacbon, axitamin, các vitamin và muối khoáng. Do đó sau khi chuyển nấm men vào dịch đường thì hàm lượng chất khô giảm tư 210 – 11 Bal xuống còn 2.5 – 3o Bal vì các nguyên nhân sau:
Do nấm men tiêu tốn một phần để cung cấp năng lượng cho việc tăng sinh khối và lên men.
Do tạo thành một số sản phẩm là những hợp chất dễ bay hơi. Do một phần bị kết lắng.
5-Cường độ màu:
Cường độ màu của dịch đường trong những ngày lên men chính cũng bị giảm đáng kể: Nguyên nhân là do những hợp chất polyphennol dễ oxi hóa bị khử và sau đó bị kết lắng.
6-Biến đổi CO2 sự tạo bọt:
Sự tạo bọt là một trong những tính chất quan trọng nhất của bia. Ở giai đoạn đầu của quá trình lên men chính lượng CO2 tạo ra chưa nhiều, lại ở nhiệt độ thấp nên chúng hòa tan hết vào dịch lên men. Ở giai đoạn sau của quá trình, lượng CO2 tạo ra nhiều hơn, nhiệt độ của môi trường có tăng lên và trong dịch lên men CO2 đã hòa tan một lượng đáng kể, CO2 tạo thành lúc này có nhiều hướng muốn thoát ra ngoài dưới dạng những bong bóng nhỏ li ti.
Ở giai đoạn đầu của quá trình lên men chính lớp bọt này rất nhỏ, mịn, trắng bóng sau đó kích thước của bong bóng bọt bắt đầu lớn dần lên và tạo thành đám. Màu sắc của lớp bọt cũng bị biến đổi dần từ màu trắng bông sau màu hơi xám và cuối cùng là màu nâu xám.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men chính. 1-Chất lượng nấm men.
Để thu nhận được các loại bia có chất lượng cao thì yếu tố đầu tiên cần thỏa mãn là chất lượng của men giống. Việc lựa chọn một chủng nấm men thích hợp cho những điều kiện cụ thể của từng nhà sản xuất là tiền đề của sự thành công trong công nghệ sản xuất bia. Hàm lượng dầu fusel, diaxetyl, este và nhiều cấu tử khác tạo thành trong quá trình lên men chính và tồn tại ở trong bia phụ thuộc vào chủng nấm men đem dùng.
Khi đánh giá chất lượng của một chủng nấm men cần xem xét các chỉ tiêu sau:
Tốc độ mà mức độ kết lắng.
Hàm lượng sản phẩm bậc hai tạo thành.
Mức độ thoái hóa.
Khả năng chống chịu khi bị tấn công.
2-Lượng nấm men giao cấy ban đầu.
Lượng nấm men giao cấy ban đầu có liền quan mật thiết đến quá trình lên men:
Thời gian để đạt được trạng thái cân bằng động phụ thuộc vào lượng nấm men giao cấy ban đầu. nếu mật độ giao cấy càng nhiều thì thời gian đó càng ngắn và ngược lại. Nếu lượng nấm men giao cấy quá ít, khả năng nẩy chồi của chúng không thể đạt được mức tối đa cần thiết, như vậy quá trình lên men kéo dài.
Mật độ nấm men giao cấy ban đầu càng lớn thì tỷ lệ số tế bào nẩy chồi càng thấp, tốc độ sinh sản tương đối càng bé, dẫn đến các sản phẩm bậc hai sẽ giảm đi, chất lượng bia được nâng cao.
3-Nồng độ chất hòa tan của dịch đường.
Nồng độ chất hòa tan trong dịch đường có ảnh hưởng rất lớn đến sự phát triển nấm men và tốc độ lên men. Nồng độ đường từ 2.5 – 12 % thì tốc độ lên men không bị ảnh hưởng, lên men tốt nhất ở nồng độ 10.5 – 12 %. Nếu nồng độ đường trong dịch tăng lên 15 – 20 % hoặc thấp hơn 2 % thì cuờng độ lên men bị giảm đi đáng kể.
4-Nhiệt độ của dịch lên men:
Nhiệt độ của dịch lên men và môi trường có ảnh hưởng khá mạnh đến tiến trình lên men. Nhiệt độ cao thì thờ gian lên men nhanh, lên men triệt để hơn nhưng sản phẩm bậc hai nhiều, tốc độ nấm men suy thoái nhanh hhơn. Kết quả cuối cùng nhận được là tỷ số các thành phần trong bia không cân đối, chất lượng của bia giảm. còn ở nhiệt độ thấp thì ngược lại.
5-Áp suất bề mặt:
Áp suất bề mặt của quá trình lên men ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình công nghệ. Nó xác định mức độ bão hòa CO2 trong bia mà hợp chất này là nhân tố ức chế
quá trình lên men. Ở nhiệt độ thường quá trình lên men sẽ bị đình chỉ nếu áp suất trong thiết bị lên men tăng lên 3-4 kg/cm2 trong thực tế sản xuất ít khi người ta cho áp suất tăng lên 1 kg/cm2.
Áp suất lên men còn ảnh hưởng đến lượng sinh khối tạo thành. Trong một giới hạn xác định, áp suất lên men càng cao thì sinh khối tạo thành càng ít. Áp suất lên men còn ảnh hưởng đến trạng thái sinh lý của nấm men. Nếu nấm men chịu áp lực cao trong gia đoạn lên men thì mức độ suy giảm các đặc tính công nghệ của nó cũng nhanh hơn.
6-Hàm lượng oxy:
Lên men là quá trình yếm khí, vì vậy trong giai đoạn đầu oxi rất cần cho sự sinh sản của nấm men. Hàm lượng oxi hòa tan trong dịch đường ảnh hưởng đến tốc độ sinh sản của nấm men và sinh khối tạo thành.
Hàm lượng oxi trong dịch đường cao tế bào nấm men nẩy chồi nhiều hơn, hoạt động sống nuôi tê bào non diễn ra mạnh hơn và sản phẩm bậc hai tạo ra cũng nhiều hơn.
Nếu trong dịch lên men hàm lượng oxi quá ít thì tốc độ sinh sản bị hạn chế, tốc độ lên men bị chậm lại, hương và vị của bia không đạt yêu cầu.
Lượng oxi trong dịch đường houlon bị khống chế ở 6.7-7.0 mg/l.
7-Cường độ khuấy đảo dịch lên men:
Cường độ khuấy đảo dịch len men là một trong những yếu tố mạnh nhất thúc đẩy nhanh quá trình lên men. Ưu điểm của nó là rút ngắn được thời gian lên men nhưng trái lại bia chứa nhiều sản phẩm bậc hai, đặc biệt là rượu bậc cao và diaxetyl, hương và vị của bia kém.
8-Nồng độ các sản phẩm lên men:
Sản phẩm chính của quá trình lên men là rượu etylic và CO2. Khi những hợp chất này tích tụ đến một nồng độ nhất định thì các hoạt động sống của tế bào nấm men bắt đầu bị ức chế. Ở nồng độ thấp dưới 2 % các hoạt động sống của tế bào nấm men vẫn xảy ra bình thường nhưng khi vượt quá 2 % thì khả năng nẩy chồi của nấm men bắt đầu giảm.