a)Mục đích của quá trình lên men chính:
Là quá trình chuyển đường và dextrin cĩ phân tử thấp thành rượu êtylic, CO2, các sản phẩm phụ và các sản phẩm trung gian từ quá trình trao đổi chất của nấm men tạo thành bia theo đúng yêu cầu kỹ thuật và chất lượng sản phẩm.
b)Cơ sở lý thuyết của quá trình lên men chính:
Trong quá trình lên men chính phần lớn các chất đường và dextrin bậc thấp sẽ bị nấm men chuyển hĩa thành etanol, CO2 và một số sản phẩm phụ khác. Ngồi glucid một số thành phần khác của dịch đường cũng bị thay đổi chính điều này sẽ làm biến đổi về lượng và chất hịa tan trong dịch đường. Trong thành phần chất hịa tan mới của dịch đường cũng xuất hiện những sản phẩm mới khơng bay hơi như axit hữu cơ, các ester, các rượu bậc cao, andehyt, glyxeryl. Với những biến đổi như vậy quá trình lên men chính sản phẩm tạo thành chính là bia non.
Thành phần, chất lượng bia phụ thuộc vào thành phần của đường, loại nấm men và điều kiện lên men.
c)Những biến đổi xảy ra trong quá trình lên men chính:
Các biến đổi sinh học trong quá trình lên men chính chủ yếu là sự sinh trưởng và trao đổi chất của nấm men.
Giai đoạn sinh trưởng hiếu khí:
Đây là giai đoạn đầu của quá trình lên men chính. Trong giai đoạn này nấm men sinh trưởng và phát triển mạnh nhất. Trong dịch lên men chứa đầy đủ các chất dinh dưỡng cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của nấm men. Trong giai đoạn đầu này nấm men sử dụng đường cĩ trong dịch nha làm cơ chất và oxy hịa tan để tăng trưởng và tăng sinh khối. Lượng sinh khối tạo thành trong giai đoạn này rất lớn, tốc độ trao đổi chất là cực đại. Vì vậy, giai đoạn này cĩ thể xem như một cấp nhân giống cuối cùng trước khi tiến hành quá trình lên men. Cùng với sự sinh trưởng của nấm men là sự giảm hàm lượng chất khơ và oxy trong dịch nha. Khi oxy trong mơi trường được sử dụng hết thì sự sinh trưởng của nấm men sẽ chuyển dần từ hiếu khí sang kỵ khí.
Giai đoạn sinh trưởng kỵ khí ( lên men)
Trong giai đoạn này nấm men tiếp tục sinh trưởng nhưng trong điều kiện khơng cĩ oxy.
Tốc độ sinh trưởng lúc này chậm hơn rất nhiều so với giai đoạn trên. Lượng chất khơ tiếp tục giảm kem theo đĩ là hàm lượng ethanol tăng lên.
Biến đổi vật lý:
Các biến đổi vật lý trong quá trình lên men thường đi kèm với sự trao đổi chất của nấm men bao gồm sự thay đổi nhiệt độ và áp suất bề mặt dịch lên men
Nhiệt độ lên men:
Trong quá trình lên men nhiệt độ tank lên men tăng dần do quá trình trao đổi chất của nấm men. Do đĩ, để đảm bảo quá trình lên men được ổn định và dễ kiểm sốt ta thường điều chỉnh nhiệt độ trong suốt quá trình lên men một cách tự động.
Việc điều chỉnh nhiệt độ của quá trình lên men thường áp dụng theo các giai đoạn sau: giai đoạn lên men chính: khi nhiệt độ lên men ở 9oC quá trình lên men đến khi dịch nha cịn 8oPt thì hạ nhiệt độ xuống 7oC,quá trình lên men chính tiếp tục diễn ra đến khi dịch nha cịn 4oPt thì tiến hành lên men phụ.
Áp suất dịch lên men:
Áp suất dịch lên men tăng dần do sự tạo thành khí CO2 từ sự chuyển hĩa đường glucose.
Sự trao đổi glucid:
Sự thủy phân các loại đường disaccharide, trisaccharide,…thành glucose dưới sự xúc tác của một số enzim tương ứng như maltase, invertase, melibiase, …
Sự chuyển hĩa đường glucose theo các con đường khác nhau như: con đường đường phân EMP, chu trình Crebs. Sự chuyển hĩa acid pyruvic thành acetaldehyde rồi thành ethanol và các sản phẩm phụ khác trong điều kiện kị khí.
Sự tổng hợp vật chất tế bào từ glucose thành glycogen cũng cĩ thể xảy ra ở đầu quá trình sinh trưởng.
Sự trao đổi lipid:
Giai đoạn sinh trưởng hiếu khí thường đi kèm với quá trình sinh tổng hợp acid béo và sterol ở nấm men. Các chất này là thành phần quan trọng của màng tế bào nấm men.
Sự trao đổi các hợp chất nitơ:
Các hợp chất nitơ cĩ trong dịch nha bao gồm: các phân đoạn của protein ( các polypeptide, peptid, pepton, acid amin), các muối amoni, các purine, nucleotide… Trong số các hợp chất này thì các muối amoni vơ cơ và acid amin sẽ được nấm men sử dụng như nguồn cung cấp nitơ phục vụ cho quá trình sinh trưởng và trao đổi chất.
Cần lưu ý rằng nấm men khơng sử dụng được các muối nitrite và nitrate, thậm chí hai loại muối này cịn là tác nhân gây độc và kìm hãm sự sinh trưởng của nấm men. Theo nghiên cứu người ta thấy rằng các chủng nấm men bia thuộc lồi Sacchoromyces cerevisiae khơng cĩ khả năng tổng hợp các protease ngoại bào và vì vậy chúng khơng cĩ khả năng sử dụng được protein làm cơ chất.
Biến đổi hĩa học:
Sự thay đổi pH và năng lực đệm
pH của dịch nha trước và sau quá trình lên men là 5.4- 5.6 và 4.4-4.5. Hiện tượng giảm đột ngột pH của quá trình lên men cĩ thể được giải thích bởi một số nguyên nhân sau:
Sự tạo thành các acid hưu cơ trong suốt quá trình lên men
Sự chuyển vận các ion H+ qua màng tế bào.
Sự thay đổi tính đệm cũng được giải thích bởi sự tạo thành CO2, các acid hữu cơ (tương ứng với pH đệm là 4.27-5.67), sự hấp thu các loại muối phosphate (tương ứng với pH đệm là 5.67-7.07) bởi nấm men.
Sự thay đổi hàm lượng chất khơ:
Trong quá trình lên men, nấm men sử dụng đường trong dịch nha vào 2 mục đích chính là tăng sinh khối và lên men ethanol. Do đĩ, nồng độ chất khơ (được xác định bằng plato kế) mơi trường dịch lên men sẽ giảm dần.
Nguời ta dựa vào sự thay đổi độ Plato làm thơng số điều khiển quá trình lên men. Độ Plato trước quá trình lên men là 10-12oPt, cuối quá trình lên men chính là 4oPt, và kết thúc quá trình lên men phụ là 2-3oPt.
Sự thay đổi hàm lượng khống:
Các ion kim loại cần cho sự tăng trưởng của nấm men bao gồm: B+, Ca2+, Co2+, Fe3+. K+, Mo2+, Mn2+, Mg2+, Ni2+, Zn2+. Dịch nha được xem là nguồn cung cấp đầy đủ các thành phần khống cần thiết cho nấm men ngoại trừ ion Zn2+ là thành phần trung tâm hoạt động của một số enzim xúc tác cho các phản ứng hĩa sinh trong tế bào nấm men , đặc biệt là alcohol dehydrogenase. Vì vậy để đảm bảo nấm men sinh trưởng và lên men thuận lợi ta cần bổ sung Zn vào dịch nha trước quá trình lên men.
Sự tạo thành các acid hữu cơ:
Trong quá trình sinh trưởng và trao đổi chất của nấm men, hàng loại các acid hữu cơ được tạo thành và giải phĩng ra khỏi tế bào nấm men vào dịch lên men. Các acid hữu cơ được chia làm hai nhĩm là acid hữu cơ bay hơi (acid acetic, acid formic…) và khơng bay hơi (acid lactic, acid succinic, acid citric,….). Tổng hàm lượng các acid này trong bia dao động trong khoảng từ 315-400 mg/l.
Sự tạo thành các ester:
Các ester được thành chủ yếu vào cuối giai đoạn lên men chính nhờ phản ứng ester hĩa giữa các alcohol (chủ yếu là ethanol) và acid carboxylic trong dịch lên men. Chúng bao gồm các loại ester dễ bay hơi như ethylacetate với hàm lượng khoảng 15- 20mg/l và loại khĩ bay hơi với hàm lượng 40-50 mg/l. Các hợp chất ester gĩp phần tạo nên hương đặc trưng cho bia thành phẩm. Tuy nhiên, nếu hàm lượng của chúng vượt quá giới hạn cho phép cĩ thể gây mùi vị lạ làm giảm chất lượng bia.
Sự tạo thành các hợp chất carbonyl:
Hợp chất carbonyl trong bia rất đa dạng và phong phú. Phần lớn các hợp chất này là sản phẩm trung gian của quá trình trao đổi chất ở nấm men bao gồm
các aldehyde, keton, ketoacid... Trong đĩ, acetaldehyde và diacetyl là hai thành phần quan trọng nhất ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của bia thành phẩm.
Acetaldehyde được hình thành từ phản ứng decarboxyl hĩa acid pyruvic. Acetaldehyde được tạo thành nhiều trong điều kiện lên men kỵ khí. Hàm lượng của acetaldehyde trong bia non chiếm từ 20 đến 40 mg/l và sẽ giảm dần đến 8-10 mg/l trong bia đã qua quá trình ủ chín.
Diacetyl là sản phẩm phụ từ con đường sinh tổng hợp valine ở nấm men. Khi đĩ, acid pyruvic tạo thành từ con đường EMP sẽ chuyển hĩa thành acid
α -acetolactic. Acid α -acetolactic sau đĩ sẽ bị decarboxyl hĩa thành acetoin. Acetoin
tiếp tục bị oxy hĩa hoặc khử thành diacetyl hoặc 2,3-butadiol. Sự hình thành diacetyl và 2,3-butadiol tùy thuộc và thế oxy hĩa khử của mơi trường. Thế oxy hĩa khử càng thấp thì sản phẩm chủ yếu là 2,3-butadiol và acetoin. Trong trường hợp thế oxy hĩa khử cao, nghĩa là trong điều kiện hiếu khí thì hàm lượng diacetyl được hình thành nhiều nhất. Diacetyl hàm lượng cao cĩ thể gây cho bia cĩ mùi bơ oxy hĩa khĩ chịu. Do đĩ, trong sản xuất bia, người ta thường kiểm sốt hàm lượng diacetyl trong bia khơng được vượt quá 0,1 ppm.
Biến đổi hĩa lý
Sự hịa tan khí CO2
Độ hịa tan của CO2 trong dịch lên men thấp hơn trong nước. Hàm lượng CO2 hịa tan tăng cùng với lượng ethanol trong dịch lên men và giảm khi hàm lượng chất hịa tan tăng. CO2 hịa tan tồn tại trong dịch lên men chủ yếu ở dạng liên kết với một số thành phần như protein và các ester.
Sự hình thành bọt
Bọt được tạo thành trong quá trình lên men chính bởi sự giải phĩng các khí ở dạng khơng liên kết đặc biệt là CO2. Như đã trình bày ở trên, CO2 được tạo thành ở giai đoạn cuối quá trình lên men và cĩ xu hướng thốt ra khỏi dịch lên men lên phía trên mặt thống. Tuy nhiên, do dịch nha cĩ bản chất là hệ keo gồm các hợp chất cĩ tính hoạt động bề mặt như protein, polyphenol, chất đắng...các chất này tạo nên một lớp hấp phụ đơn phân trên bề mặt các bĩng khí nên khĩ cĩ thể thốt ra khỏi các bĩng khí này mà bị giữ lại tạo thành bọt.
Sự thay đổi thế oxy hĩa khử
Thế oxy hĩa khử (rH) của dịch lên men cĩ liên quan mật thiết đến hàm lượng oxy hịa tan trong dung dịch. Đầu quá trình lên men, hàm lượng oxy là tối đa.
Oxy lúc này ở trạng thái bão hịa và hàm lượng cĩ thể lên đến 7-9 mg/l dịch nha ứng với rH = 20-30. Sau đĩ hàm lượng oxy giảm nhanh do sự hơ hấp của tế bào nấm men. Nấm men sử dụng oxy chủ yếu để tổng hợp năng lượng và gia tăng sinh khối. Như vậy, thế oxy hĩa khử sẽ giảm dần trong quá trình lên men và khi bia non được hình thành thì giá trị rH đạt được là 10.