Làm ẩm Làm sạch, phân loại Bảo quản Nảy mầm Xong khói Sấy Dịch cất Xơng khói Chưng cất Tách rễ Tách men Bảo quản Lên men Xay nghiền Làm trong Đường hóa Tàng trữ Lọc bã
Loại bỏ kim loại
Pha trộn
Than Đại mạch
Đốt cháy Men giống
Nước Bã trấu Men Phần khơng cịn cồn Phần cuối Whisky sản phẩm Phần đầu Tiếp men
4.1 Thuyết minh quy trình sản xuất4.1.1Sản xuất malt đại mạch. 4.1.1Sản xuất malt đại mạch.
Quá trình sản xuất malt bao gồm các bước: làm sạch, phân loại, ngâm ẩm, nảy mầm, sấy, xơng khói và tách rễ.
Nguyên liệu: Nhìn chung, các giai đoạn của quy trình cơng nghệ sản xuất malt đại mạch, kỹ
thuật thực hiện cũng như các biến đổi sinh lý, sinh hóa trong hạt đại mạch đã được mơ tả chi tiết trong nhiều tài liệu chuyên ngành trong và ngoài nước, trong các giáo trình, tài liệu học tập dùng để giảng dạy trong các trường đại học.
Quá trình sấy làm giảm độ ẩm xuống đến mức 3-4% nhằm mục đích chuyển biến malt trở
thành sản phẩm bền vững khi bảo quản với khả năng hoạt hóa của các hệ enzyme. Trong q trình sấy tích lũy các chất thơm có ảnh hưởng đặc biệt đến chất lượng của dịch cất và whisky thành phẩm. Sấy malt được thực hiện ở các điều kiện nhiệt độ xác định. Các điều kiện sấy (tốc độ tăng nhiệt độ, thời gian của q trình và nhiệt độ sấy tối đa) có ảnh hưởng lớn đến thành phần hóa học và các đặc trưng của malt. Malt có thể được sấy trong các thiết bị hoạt động liên tục hoặc gián đoạn. Phổ biến rộng rãi nhất là các máy sấy 2 tầng. Trong đó q trình sấy được thực hiện bởi khơng khí nóng, trộn với khói của than bùn. Sự sử dụng của khói than bùn xuất phát từ ảnh hưởng đặc biệt của các thành phần trong khói đến mùi, vị, chất lượng của dịch đường, dịch cất và whisky thành phẩm.
Than bùn được hình thành do sự tích tụ và phân huỷ khơng hồn tồn tàn dư thực vật trong
điều kiện yếm khí xảy ra liên tục. Quá trình này diễn ra tại các vùng trũng ngập nước. Các vùng đất ngập nước là những vùng có năng suất sinh học cao, điều kiện phát triển của thực vật rất thuận lợi. Tuy nhiên, lớp thổ nhưỡng tại các vùng này ln trong điều kiện yếm khí; do đó, mặc dù sinh khối các loài cỏ sống trên mặt nước tăng nhanh, nhưng quá trình phân giải xác thực vật lại xảy ra chậm và không đạt tới giai đoạn vơ cơ hố dẫn đến tích luỹ hữu cơ. Tiếp theo cỏ là lau, lách, cây bụi, cây thân gỗ thay thế, kết hợp với quá trình kiến tạo địa chất, quá trình bồi tụ, lắng đọng phù sa đã chôn vùi kể cả cây thân gỗ, làm cho hữu cơ tích tụ thành các lớp và tạo thành than bùn
4.1.2 Chế biến dịch đường và lên men.
Công đoạn sản xuất dịch đường và lên men bao gồm các bước nghiền malt, đường hóa, lọc bã, làm lạnh, làm trong, xơng khói và lên men.
Sản xuất dịch đường cho whisky dựa vào cơ sở là quá trình thủy phân các hợp chất cao
phân tử nhờ vào sự xúc tác của các enzyme có sẵn trong malt. Để sản xuất dịch đường có chất lượng cao cần phải thủy phân triệt để các thành phần của tinh bột, trong khi đó cần phải giới hạn sự hòa tan của protein và lipid nhằm giảm những ảnh hưởng khơng có lợi đến thành phần của dịch cất và whisky thành phẩm. Dịch đường cần phải chứa tối đa hàm lượng đường có khả năng lên men, có tối thiểu nồng độ các chất chứa nitơ với phân tử lượng vừa và cao.
Sau khi được làm lạnh xuống 16-20oC, dịch đường được lọc trong bằng máy lọc kieselgurg
hoặc ly tâm.
Xong khói: Q trình cơng nghệ sản xuất whisky bao gồm cơng đoạn xơng khói dịch đường
nhằm mục đích giảm chi phí cho việc xơng khói malt. Dịch đường trong sau khi xơng khói được phối trộn với nấm men đã được tuyển chọn và nhân giống đến số lượng cần thiết. Với hàm lượng đường có khả năng lên men 12-14% và nhiệt độ 24-280C quá trình lên men diễn ra trong 3-4 ngày. Đồng thời với quá trình tạo thành cồn trong dịch lên men tập trung một khối lượng nhất định các rượu bậc cao, ester, aldehyd, axit hữu cơ bay hơi. Các thành phần này có mùi đặc trưng và hình thành nên nền mùi của dịch lên men, dịch cất và whisky.
4.1.3Chưng cất
Chưng cất nhằm nâng cao nồng độ cồn và các chất bay hơi quý báu đến nồng độ mong muốn trong dịch cất.
Dịch lên men là một hệ phức tạp đa thành phần, trong đó có cồn và trên 250 cấu tử khác. Sự chuyển dịch của các chất bay hơi từ dịch lên men vào dịch cất phụ thuộc vào phương pháp
thực hiện và hệ thống thiết bị, vào hệ số bay hơi và tinh chế của các cấu tử bay hơi. Dưới tác dụng của nhiệt độ trong quá trình chưng cất diễn ra sự tương tác giữa các cấu tử làm tạo thành những thành phần bay hơi mới có ảnh hưởng tích cực đến đặc trưng của sản phẩm.
Phổ biến nhất cho chế biến dịch cất của whisky là sự sử dụng hệ thống thiết bị hoạt động gián đoạn, để tạo thành dịch cất chất lượng cao cần áp dụng chưng cất 2 lần.
Chưng cất lần 1:Qua lần đầu cồn được tách khỏi dịch để tạo thành dịch cất thô với hàm
lượng cồn 20-22%V.
Chưng cất lần 2:Trong lần chưng cất sau, dịch cất thô được tách thành 4 phần: Phần đầu tiên
chứa 1-1,5% cồn so với tổng số cồn trong dịch cất thô. Hàm lượng cồn trong phần này thường là 80-82%, trong đó tập trung những tạp chất khơng mong muốn, chủ yếu là các ester và aldehyd với vị sốc và mùi không đặc trưng cho dịch cất của whisky. Phần thứ 2 (phần giữa / phần chính / dịch cất) được tách ra cho đến khi hàm lượng cồn trong dòng chảy ra khỏi cột cất giảm đến mức 50-55%. Hàm lượng cồn trong phần 2 này ở mức 70- 72%, trong đó tập trung ở một mức độ thích hợp những thành phần bay hơi khác đặc trưng cho whisky. Phần thứ 3 được tạo thành đến khi tách toàn bộ cồn ra khỏi dịch cất, hàm lượng cồn trong phần này ở mức 28-32% và chiếm khoảng 12-15% trong tổng số cồn của dịch cất thơ. Trong phần cuối có chứa một số ester khó bay hơi (ở nhiệt độ cao), có ích cho mùi đặc trưng cho dịch cất của whisky. Phần này được bổ sung theo một tỷ lệ nhất định vào dịch đã lên men và đưa đi chưng cất. Thơng qua đó tiết kiệm cồn và nâng cao chất lượng của dịch cất ban đầu. Sự tái sử dụng của phần này tối đa là 4 lần. Thành phần và đặc trưng của dịch cất phụ thuộc vào nhiều yếu tố: chất lượng
nguyên liệu, phương pháp đường hóa, cơng nghệ lên men và chế độ chưng cất.
4.1.4 Ủ, hoàn thiện sản phẩm.
Ủ: Dịch cất dùng để đưa vào công đoạn ủ trong sản xuất whisky là chất lỏng không màu với
những đặc trưng phân tích gần giống với dịch cất của cô-nhắc và chứa nhiều loại vật chất khác như rượu bậc cao, ester, aldehyd, axit béo và phenol bay hơi. Thành phần hóa học và hàm lượng của các vật chất này có ý nghĩa quan trọng đến sự hình thành mùi, vị của sản phẩm whisky thành phẩm cuối cùng.
Thành phẩm :Để tạo thành whisky, dịch cất phải trải qua quá trình ủ với vật liệu gỗ sồi.
Trước khi đưa đi ủ dịch cất phải được phân tích và đánh giá cảm quan, trong trường hợp hàm lượng đồng và sắt vượt quá giới hạn cho phép cần phải loại bỏ các kim loại với kali hecxaxianoferat.
4.2 Ứng dụng các enzyme sử dụng trong rượu Whisky 4.2.1Enzyme amylase 4.2.1Enzyme amylase
Amylase là một trong số các hệ enzyme được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, y học, thực phẩm và nhiều lĩnh vực khác, amylase thuộc nhóm enzyme thủy phân, xúc tác sự phân giải các liên kết glycoside nội phân tử trong các polysaccharides. Enzyme amylase sẽ thủy phân tinh bột, glycogen và các dextrin mạch dài thành glucose,
maltose và dextrin mạch ngắn.
Dựa vào đặc tính và cơ chế tác dụng lên phân tử tinh bột của enzyme amylase, người ta phân biệt chia enzyme amylase thành hai nhóm:
- Endoamylase (enzyme nội phân): gồm α-amylase và nhóm enzyme khử mạch nhánh . - Exoamylase (enzyme ngoại phân): gồm có β-amylase, γ-amylase (glucoamylase).
4.2.1. 1 enzyme α amilase 4.2.1.1.1 Cấu tạo
Enzyme α - amylase là protein có phân tử lượng thấp, thường nằm trong khoảng 50.000 đến 60.000 Dal. Có một số trường hợp đặc biệt như α - amylase từ loài vi khuẩn Bacillus
macerans có phân tử lượng lên đến 130.000 Dal. Các nghiên cứu về tính đồng nhất của chuỗi mạch acid amin và về vùng kị nước cho thấy các chuỗi mạch acid amin của tất cả các enzyme a-amylase đều có cấu trúc bậc 3 tương tự nhau.
4.2.1.1.2 Tính chất
Điều kiện hoạt động của α - amylase từ các nguồn khác nhau thường khơng giống nhau. pH tối thích cho hoạt động của α - amylase từ nấm sợi là 4.0 - 4.8 (có thể hoạt động tốt trong vùng pH từ 4.5 - 5.8). Theo số liệu của Liphis, pH tối thích hoạt động dextrin hóa và đường hóa của chế phẩm amylase từ Asp.orysee trong vùng 5.6 - 6.2. Còn theo số liệu của Fenixova thì pH tối thích cho hoạt động dextrin hóa của nó là 6.0 - 7.0.
Độ bền đối với tác dụng của acid cũng khác khác nhau, a-amylase của Asp.orysee bền vững đối với acid tốt hơn là a-amylase của malt và vi khuẩn B. subtilis. Ở pH = 3.6 và ở 0°C, α - amylase của malt bị vô hoạt hoàn toàn sau 15 - 30 phút; α - amylase vi khuẩn bị bất hoạt đến 50%, trong khi đó hoạt lực của α - amylase của nấm sợi không giảm bao nhiêu. Trong dung dịch α - amylase nấm sợi bảo quản tốt ở pH = 5.0 - 5.5; α - amylase dextrin hóa của nấm sợi đen có thế chịu được pH từ 2.5 - 2.8. Ở 0°C và pH = 2.5, nó chỉ bị bất hoạt hồn tồn sau 1 giờ.
Nhiệt độ tối thích cho hoạt động xúc tác của a-amylase từ các nguồn khác nhau cũng không đồng nhất, α - amylase của nấm sợi rất nhạy cảm đối với tác động nhiệt. Nhiệt độ tối thích của nó là 50°C và bị vơ hoạt ở 70°C.
Trong dung dịch đệm pH = 4.7, α - amylase của Asp.orysee rất nhạy với tác động của nhiệt độ cao, thậm chí ở 40°C trong 3 giờ hoạt lực dextrin hóa của nó chỉ cịn 22 - 29%, hoạt lực đường hóa cịn 27 - 85%. Ở 50°C trong 2 giờ , α - amylase của nấm sợi này bị vơ hoạt hồn toàn.
4.2.1.1.3 Cơ chế tác dụng
Amylase từ các nguồn khác nhau có nhiều điểm rất giống nhau. Amylase có khả năng phân cắt các liên kết -1,4 - glucoside nằm ở phía bên trong phân tử cơ chất (tinh bột hoặc glycogen) một cách ngẫu nhiên không theo một trật tự nào cả. Amylase không thủy phân hồ tinh bột mà nó thủy phân cả hạt tinh bột nguyên song với tốc độ rất chậm.
Quá trình thủy phân tinh bột bởi amylase là quá trình đa giai đoạn
Ở giai đoạn đầu (giai đoạn dextrin hóa): Chỉ một số phân tử cơ chất bị thủy phân tạo thành một lượng lớn dextrin phân tử thấp dextrin, độ nhớt của hồ tinh bột giảm nhanh, các amylose và amylopectin đều bị dịch hóa nhanh).
Sang giai đoạn 2 (giai đoạn đư ng hóa): Các dextrin phân tử thấp tạo thành bị thủy phân tiếp tục tạo ra các tetra-trimaltose không cho màu với iodine. Các chất này bị thủy phân rất chậm bởi amylase cho tới disaccharide và monosaccharide. Dưới tác dụng của amylase, amylose bị phân giải khá nhanh thành oligosaccharide gồm 6-7 gốc glucose (vì vậy, người ta cho rằng amylase ln phân cắt amylose thành từng đoạn 6 - 7 gốc glucopiranose 1).
Sau đó, các poliglucose này bị phân cắt tiếp tục tạo nên các mạch polyglucosecolagen cử ngăn dần và bị phân giải chậm đến maltotetrose, maltotriose và maltose. Qua một thời gian tác dụng dài, sản phẩm thủy phân của amylose chứa 13% glucose và 87% maltose. Tác dụng của amylase lên amylopectin cũng xảy ra tương tự nhưng vì khơng phân cắt được liên kết 1,6 - glycoside ở chỗ mạch nhánh trong phân tử amylopectin nên dù có chịu tác dụng lâu thì sản phẩm cuối cùng, ngồi các đường nói trên (72% maltose và 19% glucose) cịn có dextrin phân từ thấp và isomaltose 8%.
Tóm lại, dưới tác dụng của amylase, tinh bột có thể chuyển thành maltotetrose maltose,
glucose và dextrin phân tử thấp. Tuy nhiên, thông thường amylase chi thủy phân tinh bột chủ yếu thành dextrin phân tử thấp khơng cho màu với iodine và một ít maltose. Khả năng dextrin hoa cao của amylase là tính chất đặc trưng của nó.
Giai đoạn dextrin hóa
Tinh bột → dextrin phân tử lượng thấp.
Giai đoạn đường hóa
Dextrin → tetra và trimaltose → di & monosaccharide. Amylase → oligosacharide → poliglucose.
Maltose → maltotriose → maltotetrose.
4.2.1.2 Enzyme glucoamylase
4.2.1.2.1 Cấu tạo
Glucoamylase I và glucoamylase II. Cả hai dạng glucoamylase đều là những chuổi glyco – protein, trong phân tử có chứa D – gluco, D – maltose, D – galactose, thành phần
carbonhydrate trong phân tử glucoamylase I chiếm khoảng 18%, còn với phân tử glucoamylase II là 10%.
Phân tử carbonhydrate tham gia trong thành phần cấu tạo enzyme glucoamylase đóng vai trị giúp ổn định cấu trúc enzyme. Ngồi ra chúng cịn giúp tạo liên kết với cơ chất là các phân tử polysaccharide giúp cho vùng xúc tác trên enzym gần với cơ chất hơn, do đó q trình thủy phân của enzyme thuận lợi hơn.
Image 11 cấu trúc không gian của Glucoamylase
4.2.1.2.2 Tính chất
Glucoamylase là một exoamylase, cịn được gọi là γ-amylase amyloglucosidae, có khả năng
thủy phân hồn tồn tinh bột (Shahina Naz, 2002). So với β-amylase, γ-amylase bền với acid hơn nhưng lại kém bền dưới tác dụng của ethylic, acetone, khơng bền với ion Cu2+, Hg2+… Glucoamylase có trong nấm mốc và một vài loại vi khuẩn, hoạt động tốt ở 500C, hoạt lực tối đa trong vùng pH: 4,5 ÷ 5,5.
4.2.1.2.3 Cơ chế tác đụng
Cơ chế tác dụng lên mạch amylose và amylopectin Enzyme γ-amylase có khả năng xúc tác thủy phân cả liên kết α-1,4 và 1,6 glycoside trong tinh bột, glycogen, polysaccharides, là enzyme ngoại phân (exo enzyme). Enzyme glucoamylase thủy phân polysaccharides từ đầu không khử tuần tự từng gốc glucose một nhưng không thủy phân được các dextrin vòng Khi phân cắt phân tử tinh bột, cùng với việc tạo thành phân tử glucose cịn có thể tạo thành oligosaccharides, ngồi ra γ-amylase có thể phân cắt cả liên kết α-1,2 và 1,3 glycoside
4.2.2 Enzyme papain
4.2.2.1Cấu tạo của enzyme papain
Enzyme papain dạng bột màu vàng nâu nhạt tùy thuộc vào phương pháp sấy, không tan trong hầu hết các chất hữu cơ nhưng tan trong H2O hay glycerine.
Tâm hoạt động của papain gồm có nhóm -SH của cystein 25 và nitrogen bậc 3 của histidine 159. Bên cạnh đó nhóm imidazole của His 159 cũng liên kết với Asp 175 bởi liên kết hydrogen. Vùng tâm hoạt động của papain chứa mạch polypeptide với các acid amin là: Lys-Asp-Glu-Gly-Ser-Cys-Gly-Ser-Cys .
Image 12Cấu trúc không gian của enzyme papain
4.2.2.2 Tính chất của enzyme papain
Papain là một chất endoprotease có chứa 16,1% N và 1,2% S. Papain là một protease thiol, theo nghiên cứu của R. L. Hill và E. L. Smith, papain là một chuỗi polypeptide
gồm 185 amino acid, trọng lượng phân tử là 20.900 Dalton.Khoảng pH thích hợp để papain hoạt động là 6,0 ÷ 8,0. Nhiệt độ tối thích để hoạt động tùy vào từng cơ chất khác nhau và có thể duy trì hoạt tính đến 600C. Một điều cần lưu ý là khoảng pH và nhiệt độ tối thích của papain sẽ khơng cố định mà thay đổi tùy vào nguồn thu nhận, cơ chất phản ứng, cách thức trích ly và tinh chế papain.
4.2.2.3 Cơ chế tác dụng
So với các protease có nguồn gốc từ động vật hoặc vi sinh vật, papain có khả năng thuỷ phân sâu hơn, vì vậy nó được dùng để thủy phân tiếp các liên kết peptide còn lại sau khi đã thủy phân bằng trypsin hay chymotrypsin. Khả năng thủy phân cơ chất của
papain còn phụ thuộc vào trạng thái của cơ chất, tức là có biến tính hay khơng. Nếu cơ chất bị