Các chất phụ gia trong công nghệ sản xuất bi- 123docz.net

2. Cơ sở lí thuyết:

2.5.6.Các chất phụ gia trong công nghệ sản xuất bia

Trong công nhệ sản xuất bia, ngoài những nguyên liệu không thể thiếu được như malt, houblon, men, người ta còn dùng đến một số nguyên liệu hay hoa chất phụ. Tùy theo yêu cầu kỹ thuật, công nghệ mà những nguyên phụ liệu hoặc các hóa chất này sử dụng với hàm lượng khác nhau, gọi chung những dạng này được gọi là phụ gia và được chia thành 2 nhóm chính:

- Nhóm chất phụ gia trực tiếp:

Gồm tất cả những nguyên liệu và hóa chất có mặt trong thành phần sản phẩm với sự kiểm soát chặt chẽ với hàm lượng cho phép

 Các hóa chất xử lí độ cứng,điều chỉnh độ kiềm của nước công nghệ như: HCl, Al2(SO4)3.16H2O, CaSO4,..

 Các hóa chất đưa vào để ngăn chặn quá rình oxy hóa những thành phần trong bia như acis ascorbic, H2O2, …

- Nhóm phụ gia gián tiếp :

Gồm tất cả các nguyên phụ liệu và hóa chất được sủ dụng trong quy trình công nghệ nhưng không được phép có mặt trong sản phẩm:

 Các bột trợ lọc: PVPP, kizelgua, …

 Các hóa chất để vệ sinh thiết bị, vệ sinh phân xưởng như: H2SO4, KMnO4  Các chất được dùng như tác nhân làm lạnh: NH3, glycol, nước muối

Thuyết minh quy trình 4.1. Nghiền malt

Mục đích của quá trình nghiền là đập nhỏ các hạt thành nhiều mảnh để tăng bề mặt tiếp xúc với nước, làm cho sự xâm nhập của nước vào các thành phần của nội nhũ nhanh hơn, thúc đẩy quá trình đường hóa và các quá trình thủy phân diễn ra nhanh hơn. Tuy nhiên, cần phải cân nhắc giữa việc trích ly các chất hòa tan và quá trình lọc trong dịch để malt được nghiền ở một mức độ thích hợp nhất. Nội nhũ của malt là nguồn cung cấp chất hòa tan cho dịch đường nên nếu được nghiền càng mịn, hiệu suất trích ly các thành phần này càng cao nhưng điều đó lại gây ra bất lợi là phần cháo trong màng lọc sẽ nén rất chặt. Thể tích của chúng ít nên cản trở việc lọc dịch và làm thất thoát các thành phần dinh dưỡng trong quá trình rửa bã malt.

Malt có thể được nghiền bằng ba phương pháp là nghiền ở trạng thái khô, nghiền có phun ẩm vào hạt và nghiền cùng với nước. Tùy mục đích và điều kiện cụ thể mà người ta có thể lựa chọn phương pháp thích hợp. Tuy nhiên, nghiền ẩm hạt malt là phương pháp phổ biến hơn cả vì kích thước vỏ trấu lớn hơn, nội nhũ nhỏ hơn giúp thuận lợi cho quá trình đường hóa cũng như công đoạn lọc sau này.

Đối với các nguyên liệu chưa ươm mầm (thế liệu), vì cấu trúc tinh bột của chúng còn rất cứng, khó thủy phân nên biện pháp tốt nhất là nghiền chúng thật nhỏ, xử lý ở nhiệt độ hồ hóa cao để tinh bột được chín trước khi đường hóa cùng malt.

4.2. Đường hóa nguyên liệu (mashing)

Đây là quá trình chuyển hóa tinh bột có trong thành phần của malt và các thế liệu đã được nghiền nhỏ để tạo thành các phân tử đường có thể lên men và không lên men được dưới sự xúc tác của các enzyme thủy phân. Thành phần của dịch đường tạo ra phụ thuộc vào từng loại bia với cách phối trộn khác nhau.

Malt và thế liệu nghiền mịn được phối trộn cùng với nước trong thiết bị đường hóa. Trong môi trường giàu nước, các hợp chất thấp phân tử có sẵn trong nguyên liệu sẽ hòa tan vào nước và tham gia vào thành phần chất hòa tan của dịch đường sau này. Còn các hợp chất cao phân tử như tinh bột, protein, các hợp chất phosphate… dưới sự xúc tác của hệ enzyme thủy phân trong malt (hoặc có thể bổ sung) ở nhiệt độ thích hợp

Đường hóa là một quá trình diễn ra ở những khoảng thời gian xác định với các mức nhiệt độ khác nhau để hoạt hóa các enzyme tham gia vào quá trình phân cắt các hợp chất carbohydrate và protein. Các “chất xúc tác” sinh học này hiện diện với số lượng lớn trong dịch cháo (mash) và tham gia vào từng biến đổi hóa học cụ thể với vai trò rất khác nhau. Tuy nhiên, người ta có thể phân chia thành ba nhóm là phytase (acid hóa), các enzyme proteolytic (phân cắt protein) và các enzyme carbohydrase (phân cắt tinh bột). Hai biến đổi quan trọng ở giai đoạn này là:

- Thủy phân protein: các enzyme proteinase và peptidase bẻ gãy các liên kết peptide trong phân tử protein để tạo thành các các peptide và acid amin.

- Chuyển hóa tinh bột: là biến đổi quan trọng nhất ở giai đoạn này. Các enzyme alpha-, beta- và glucoamylase đóng vai trò xúc tác sự phân cắt các mạch amylose và amylopectin trong tinh bột thành các hợp chất đường đơn giản và các dextrin bậc thấp.

Sản phẩm tạo thành dưới sự xúc tác của các alpha-amylase chủ yếu là các dextrin phân tử lượng thấp, một ít alpha-maltose và glucose. Beta-amylase biến đổi tinh bột thành các maltose và dextrin phân tử lớn (do không cắt được tại vị trí phân nhánh). Còn glucoamylase cắt tuần tự từng phân tử glucose trong mạch amylose và amylopectin nhưng khả năng này chậm ở vị trí mạch nhánh. Với sự kết hợp của các enzyme này, 60 ÷ 80% tinh bột đường chuyển thành các đường có thể lên men.

Bên cạnh đó, các quá trình enzyme khác như thủy phân phytin và hemicellulose cũng xảy ra ở giai đoạn này. Enzyme phytase thủy phân các hợp chất phosphate kèm theo sự giải phóng acid phosphoric làm giảm pH của dịch cháo, tăng hiệu suất đường hóa. Sự thủy phân hemicellulase cung cấp thêm chất hòa tan cho dịch đường và tạo điều kiện cho các enzyme khác hoạt động tốt.

Các quá trình phi enzyme xảy ra trong giai đoạn đường hóa có ảnh hưởng trực tiếp ở mức độ cao đến thành phần và tính chất của thành phẩm. Chúng bao gồm sự kết lắng và biến tính của protein, sự tạo thành melanoidin, sự hòa tan của các thành phần chất tan và phản ứng giữa muối của nước và phosphate của cháo malt.

hóa, phương pháp đường hóa và các thành phần có trong dịch cháo (chất lượng malt, khối lượng nước và các ion hiện diện trong nước).

Đường hóa có thể được thực hiện bằng hai phương pháp cơ bản là đường hóa phân đoạn (nhất phân đoạn, nhị phân đoạn và tam phân đoạn) và đường hóa toàn khối (tăng dần hoặc giảm dần nhiệt độ).

4.3. Lọc bã malt (lautering)

Sau khi đường hóa, tất cả tinh bột trong malt đã được phân cắt. Dịch đường lúc này bao gồm hai hợp phần: pha rắn và pha lỏng. Pha rắn hay còn gọi là bã malt bao gồm các cấu tử không hòa tan của bột nghiền như các protein, tinh bột chậm biến đổi (poorly modified starch), các chất béo, silicate và tannin. Pha lỏng gọi là dịch đường hay nước nha bao gồm nước và các hợp chất thấp phân tử được trích ly từ malt và thế liệu. Mục đích của quá trình này là nhằm tách pha rắn khỏi pha lỏng để tạo ra dịch đường tinh khiết (clear wort) giúp cho các quá trình sau thuận lợi hơn. Độ trong của dịch trích ly đường ảnh hưởng mạnh mẽ bởi chất lượng của malt sau khi nghiền.

4.4. Nấu dịch đường với hoa houblon (wort boiling)

Quá trình này còn được gọi là houblon hóa dịch đường. Dich đường được đun sôi với hoa houblon để trích ly các thành phần của houblon, tạo hương thơm, vị đắng dịu đặc trưng cho bia. Cùng với nhiệt độ cao của quá trình nấu dịch, các protein bị kết tủa và đông tụ, tăng độ bền và tính giữ bọt cho dịch đường. Quá trình này còn giúp tiêu diệt các vi sinh vật, đảm bảo tính an toàn cho dịch đường.

 Các biến đổi xảy ra (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

 Trích ly và hòa tan các thành phần của houblon vào dịch đường

Các chất đắng của hoa houblon hòa tan rất yếu trong dịch đường nhưng khi được đun sôi, chúng thay đổi cấu trúc, trở về dạng đồng phân hóa (iso) nên có khả năng hòa tan tốt hơn và gây vị đắng mạnh hơn. Các acid đắng này còn tạo sức căng bề mặt, tham gia tạo bọt và giữ bọt cho bia. Quá trình này phụ thuộc vào thời gian đun sôi và được chứng minh ở bảng 3.1:

Bảng 5: Sự thay đổi chất đắng theo thời gian đun sôi

(phút) Trong dịch đường Trong bia

10 122,0 49,3

60 125,7 91,7

128 127,3 97,3

180 130,5 104,0

Các tinh dầu trong hoa houblon khi đun sôi sẽ khuếch tán trong nước và bay hơi ra ngoài hoặc bị mất tiếp trong quá trình lên men. Lượng tồn tại còn lại rất nhỏ sẽ tạo cho bia có mùi thơm dịu đặc trưng.

Các hợp chất polyphenol của hoa houblon thuộc nhóm flavonoid. Khi hòa tan vào dịch đường ở nhiệt độ cao sẽ tác dụng với các hợp chất protein cao phân tử tạo thành các phức chất keo dễ kết lắng và kéo các phần tử cặn lắng xuống đáy nồi để tăng độ bền keo và tính ổn định sinh học cho bia. Các hợp chất này cũng tham gia vào việc tạo sức căng bề mặt, giúp tạo và giữ bọt cho sản phẩm.

 Sự keo tụ và kết tủa của protein

Khi nhiệt độ tăng lên, các chất keo trong dịch đường như dextrin, protein, pectine, pentosan, tannin… cùng với các acid đắng của houblon kết dính lại với nhau và xảy ra hiện tượng keo tụ. Bên cạnh đó, vì pH của dịch đường khá gần với điểm đẳng điện của một số protein nên chúng biến tính và kết tủa. Quá trình này có ý nghĩa nhất định, các protein không ổn định còn lại trong dịch đường là một trong những nguyên nhân chính gây ra hiện tượng đục bia.

 Các biến đổi khác

Trong dịch đường đun sôi với houblon, một lượng đáng kể các chất khử được tạo thành. Chính lượng này đã làm thay đổi thế oxy hóa khử của hệ thống theo hướng tăng chất lượng sản phẩm về màu sắc, độ trong, độ bền keo, độ bền sinh học…

Sự hòa tan các chất màu của houblon và sự oxy hóa các chất tannin hòa trong malt dẫn đến việc tạo thành melanoidin giúp gia tăng cường độ màu cho bia. Mặt khác, vì điều kiện nhiệt độ cao (>100oC) và thời gian kéo dài (60 ÷ 90 phút) nên hệ enzyme có

trong nguyên liệu bị phá hủy đồng thời các vi sinh vật cũng bị tiêu diệt, đảm bảo tính vô trùng cho dịch đường.

Các yếu tố ảnh hưởng đến các quá trình biến đổi này là nhiệt độ và pH dịch đường, thời gian nấu, sự xâm nhập của O2, lượng protein khả kết, thành phần hóa học của nước, nồng độ các chất hòa tan, chủng loại hoa, điều kiện canh tác, thời gian và chế độ bảo quản.

 Phương pháp thực hiện

Dịch đường sau khi lọc tách bã malt được trộn lẫn với dịch rửa bã rồi đưa vào nồi đun sôi. Người ta tính toán và dự trù sao cho khi kết thúc quá trình rửa bã malt thì dịch đường trong thiết bị đun vừa sôi. Houblon có thể được nạp hai hoặc ba lần với khoảng cách thời gian khác nhau. Tuy nhiên, thông thường, người ta nạp hai lần với lần thứ nhất trong 75 - 90 phút để trích ly các chất đắng và các polyphenol, lần thứ hai trước khi kết thúc đun sôi khoảng 10 - 15 phút để trích ly các tinh dầu tạo hương.

Sau giai đoạn này, người ta có thể bổ sung trái cây vào.

4.5. Lắng trong và làm lạnh dịch đường

Trong suốt thời gian houblon hóa dịch đường, một lượng lớn protein và tannin được kết lắng. Chúng cùng với các chất khoáng và một số hợp chất khác tạo nên thành phần cặn lắng và cần phải tách khỏi dịch đường. Sau đó, dịch đường trong sẽ được làm lạnh tới nhiệt độ cần thiết cho hoạt động của nấm men ở quá trình lên men. Người ta có thể sử dụng thiết bị lắng cặn và làm lạnh riêng biệt hoặc kết hợp thành thiết bị lắng đa chức năng để thực hiện quá trình này.

4.6. Lên men

Quá trình này được gọi là lên men chính, với biến đổi quan trọng nhất là sự lên men rượu. Dưới tác dụng xúc tác của các nấm men ở điều kiện thích hợp, một lượng lớn các cơ chất chủ yếu là các đường đơn giản và dextrin bậc thấp được chuyển hóa thành ethanol, khí carbonic và một số sản phẩm phụ như các rượu bậc cao, ester, aldehyde, các acid hữu cơ, glycerin… tham gia vào thành phần của bia thành phẩm. Ngoài ra, một số hợp chất bị biến đổi trở về dạng không tan và lắng dần xuống dưới ở dạng kết tủa. Các thành phần mùi và vị có trong trái cây cũng được trích ly, hòa tan vào dịch

trái cây cũng được nấm men sử dụng để thực hiện các chuyển hóa cần thiết trong giai đoạn lên men cũng như trong thời gian ổn định sản phẩm. Khi đó, các biến đổi vẫn tiếp tục xảy ra ở tốc độ chậm và bia ngày càng có mùi vị hấp dẫn hơn.

 Cơ chế của quá trình lên men

Phương trình tổng quát của sự chuyển hóa đường hexose thành rượu như sau: C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2

Toàn bộ quá trình chuyển hóa từ đường thành ethanol tuân theo sơ đồ Embden – Meyerhof với một chuỗi các phản ứng sinh hóa phức tạp với sự tham gia của hàng loạt các enzyme xúc tác.

Ở giai đoạn đầu, các hợp chất đường – phosphate được tạo thành với hợp chất cuối là fructo-1,6-diphosphate. Hợp chất này tiếp tục được chuyển hóa ở giai đoạn thứ hai thành sản phẩm cuối cùng là acid pyruvic. Acid này bị carboxyl hóa thành acetaldehyde và CO2 rồi chuyển hóa thành ethanol.

Hình: Tóm tắt cơ chế chuyển hóa đường glucose thành ethanol (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men

- Chất lượng của nấm men

Đây là yếu tố quan trọng góp phần vào sự thành công của quá trình lên men và hương vị đặc trưng cho mỗi loại bia. Nó được xem xét qua các chỉ tiêu: tốc độ và mức độ lên men, hàm lượng sản phẩm bậc hai tạo thành, tốc độ và khả năng kết lắng, mức độ thoái hóa và khả năng chống chịu. Nấm men càng tốt thì chất lượng bia càng cao và có thể được tái sử dụng nhiều lần.

- Lượng nấm men ban đầu

Nếu mật độ nấm men gieo cấy quá nhiều thì nấm men nhanh chóng đạt đến trạng thái cân bằng động, sản phẩm vì thế mà kém hương vị đặc trưng. Ngược lại, nếu quá ít sẽ làm khả năng nảy chồi của nấm men thấp, mức độ lên men yếu và thời gian kéo dài, sản phẩm bậc hai cũng vì đó mà tăng lên nhiều, ảnh hưởng không tốt đến bia thành phẩm. Thông thường, đối với quá trình lên men nổi, lượng nấm men thường là 5.106 ÷ 8.106 tế bào/ml, lên men chìm: 8.106 ÷ 12.106 tế bào/ml.

- Nồng độ dịch đường houblon hóa

Dịch đường houblon hóa nên ở mức 11 ÷ 12% để đảm bảo cho sự phát triển của nấm men và tốc độ lên men một cách tốt nhất. Nồng độ đường cao quá sẽ ức chế hoạt động của nấm men. Tuy nhiên, nếu quá thấp, nấm men sẽ phát triển chậm.

- Nhiệt độ dịch lên men

Yếu tố này ảnh hưởng mạnh đến quá trình lên men. Vì mỗi loại nấm men có khoảng nhiệt độ thích hợp khác nhau nên phải tạo điều kiện tối ưu nhất về nhiệt độ cho sự phát triển và hoạt động của nấm men.

- Áp suất bề mặt

Yếu tố này xác định mức độ bão hòa của CO2 trong dịch lên men và vì thế ảnh hưởng trực tiếp đến quy trình công nghệ. Áp suất lên men càng cao làm ức chế hoạt động của nấm men và hạn chế sinh khối tạo thành. Tuy nhiên, ở thời điểm gần kết thúc, áp suất tăng sẽ hạn chế các quá trình oxy hóa, tăng độ bền cho bia. Vì thế, người ta khống chế áp suất ở giai đoạn đầu là 0,2 ÷ 0,5 kg/cm2 (tuy nhiên có thể đưa về 0 kg/cm2), giai đoạn sau là 1,2 ÷ 1,5 kg/cm2.

Nấm men cần oxy cho việc tạo thành sinh khối nên người ta cần sục một lượng nhất

Các chất phụ gia trong công nghệ sản xuất bia

Malt đại mạch