- Thủy phân dịch lọc tinh bột:
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
III.1. Nghiên cứu quy trình đường hóa ngun liệu
III.1.1. Lựa chọn quy trình đường hóa malt đại mạch phù hợp
Đối với Whisky sản xuất từ 100% nguyên liệu malt đại mạch, sẽ không cần sử dụng các loại enzyme thương mại mà chỉ cần hệ enzyme trong malt là đủ thực hiện q trình đường hóa. Đối với sản xuất whisky do tỷ lệ nguyên liệu malt/ nước và độ đường cuối cần cao hơn so với sản xuất bia do đó cũng cần khảo sát lại thời gian thực hiện tại từng khoảng nhiệt độ trong q trình đường hóa.
Q trình đường hóa malt trải qua các mốc nhiệt độ 45°C cho quá trình thủy phân β-glucan, 52°C cho quá trình thủy phân protein, 62°C cho q trình đường hóa và 75°C cho q trình thủy phân dextrin cịn lại sau q trình đường hóa. Trong các mốc nhiệt độ đó thì 52°C và 62°C là quan trọng nhất, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất thủy phân và chất lượng dịch đường. Do đó chúng tơi đi sâu vào khảo sát thời gian thực hiện hai mốc nhiệt độ này để đưa ra quy trình đường hóa hợp lý nhất. Malt xử lý theo quy trình đạm hóa và đường hóa cơ bản, tỷ lệ malt: nước là 1:3 thực hiện 4 mẫu thí nghiệm với các thời gian đạm hóa được thay đổi từ 15, 30, 45, 60 phút. Kết thúc q trình đường hóa xác định hàm lượng đường khử, FAN trong dịch.
Kết quả cho thấy, thời gian đạm hóa 30 phút là phù hợp cho q trình đường hóa, hàm lượng FAN gần như khơng thay đổi khi tiếp tục kéo dài thêm giai đoạn đạm hóa trên 30 phút. Với q trình đường hóa, khi kéo dài thời gian đường hóa trên 60 phút thì cũng khơng có sự tăng lên đáng kể nào về hàm lượng đường khử.
(a) Q trình đạm hóa (b) Q trình đường hóa
Hình 3.1. Ảnh hưởng của thời gian thủy phân tới chất lượng dịch thủy phân
nguyên liệu malt đại mạch
III.1.2. Ảnh hưởng của nồng độ Termamyl và thời gian thủy phân
Termamyl là một enzyme nội phân tử (endoamylase), có tác dụng thủy phân mối nối 1,4 α-glucoside. Cơ chất tinh bột dưới tác dụng của Termamyl sẽ nhanh chóng tạo thành dextrin và oligosaccharide. Enzyme Termamyl tan trong nước ở mọi nồng độ điều kiện thường dùng. Đối với q trình dịch hóa, Termamyl được sử dụng để dịch hóa tinh bột thành dextrin.
Sử dụng Termamyl SC của hãng Novozyme để thủy phân đối với nguyên liệu gạo và ngô. Dựa trên thông tin từ nhà sản xuất, chúng tôi khảo sát các mức nồng độ Termamyl 0,1- 0,4%, nhiệt độ 950C, thời gian thực hiện phản ứng thay đổi từ 30- 120 phút. Cố định lượng nguyên liệu và nước cho vào thủy phân với nguyên liệu gạo là 1:3,0 và với nguyên liệu ngô là 1: 3,5. Đo độ nhớt của dịch thủy phân của dịch.
Hình 3.2 cho thấy, độ nhớt khối dịch thu được giảm dần, tỉ lệ nghịch với nồng độ enzyme bổ sung và thời gian hồ hóa. Khi tăng nồng độ Termamyl và thời gian thủy phân thì cơ hội tiếp xúc của enzyme và cơ chất tăng, nên tốc độ thủy phân tăng. Tuy nhiên, khi lượng cơ chất về sau càng ít thì tốc độ thủy phân chậm lại. Do α-amylase chỉ thủy phân liên kết 1,4-glucoside nên nếu có kéo dài thời gian thủy phân thì hiệu quả thu được cũng khơng tăng. Do vậy, nồng độ Termamyl thích hợp được lựa chọn với nguyên liệu gạo là 0,2%, thời gian thủy phân 60 phút; với nguyên liệu ngô là 0,35%, thời gian thủy phân 60 phút.
(a) Quá trình thủy phân nguyên liệu gạo (b) Q trình thủy phân ngun liệu ngơ
Hình 3.2. Ảnh hưởng của nồng độ Termamyl và thời gian thủy phân đến độ nhớt (cPs)
của dịch đường hóa từ ngun liệu gạo và ngơ
III.1.3. Ảnh hưởng của nồng độ Neutrase và thời gian thủy phân
Sau khi thủy phân bằng Termamyl với nồng độ và thời gian đã chọn, hạ nhiệt độ về 52°C và sau đó bổ sung Neutrase với các nồng độ thay đổi từ 0- 0,5%. Thời gian thủy phân thay đổi từ 15- 60 phút. Kết thúc thời gian đạm hóa, tiến hành xác định hàm lượng axit amin tự do thu được.
Kết quả ở hình 3.3 cho thấy, khi bổ sung Neutrase với cùng một nồng độ, thời gian thủy phân càng dài lượng axit amin tự do thu được càng lớn. Trong cùng một thời gian thủy phân, nồng độ Neutrase sử dụng càng lớn lượng axit amin tự do càng nhiều. Tuy nhiên với nguyên liệu gạo, từ mẫu bổ sung Neutrase 0,2% thủy phân trong 45 phút và với nguyên liệu ngô, từ mẫu được bổ sung 0,3% Neutrase thủy phân trong 30 phút trở đi, lượng axit amin tự do không thay đổi (đạt giá trị lớn nhất 161,72 mg/l với nguyên liệu gạo và 189,25 mg/l với ngun liệu ngơ). Vì vậy, chọn nồng độ Neutrase là 0,2% thủy phân trong 45 phút cho nguyên liệu gạo và 0,3% thủy phân trong 30 phút cho nguyên liệu ngô.
(a) Quá trình thủy phân nguyên liệu gạo (b) Quá trình thủy phân ngun liệu ngơ
Hình 3.3. Ảnh hưởng nồng độ Neutrase và thời gian đạm hóa đến lượng FAN thu được
trong dịch thủy phân
III.1.4. Ảnh hưởng của nồng độ Dextrozyme và thời gian thủy phân
Tiến hành khảo sát lại nồng độ enzyme Dextrozyme bổ sung vào hỗ trợ quá trình nấu để đánh giá lại hiệu quả thủy phân.
Sau khi dịch hóa, hạ nhiệt độ về 62°C, Dextrozyme được bổ sung với các nồng độ thay đổi từ 0- 2,0% với thời gian thủy phân kéo dài 15- 90 phút. Kết thúc thời gian đường hóa, thu dịch và phân tích hàm lượng đường khử. Kết quả được trình bày ở Hình 3.4.
Hình 3.4 cho thấy, hàm lượng đường khử thu được tăng theo nồng độ enzyme Dextrozyme và thời gian thủy phân. Khi không bổ sung enzyme thì lượng enzyme trong malt chưa đủ để thủy phân hết lượng cơ chất.
Với nguyên liệu gạo, bổ sung enzyme từ nồng độ 0,5% đã có thể thủy phân gần hết cơ chất nhưng với thời gian thủy phân dài (120 phút). Khi tăng nồng độ enzyme lên 1% thì thời gian thủy phân rút ngắn cịn 60 phút. Việc tăng nồng độ
Dextrozyme lên trên 1% không làm rút ngắn thời gian thủy phân thêm. Do đó lựa chọn nồng độ enzyme Dextrozyme là 1% với thời gian thủy phân 60 phút cho q trình đường hóa whisky gạo. Nhận thấy với nguyên liệu ngô, để đạt hiệu suất thủy phân và hiệu quả kinh tế cao nhất, chọn nồng độ Dextrozyme là 1,5%, thời gian thủy phân 60 phút.
(a) Quá trình thủy phân nguyên liệu gạo (b) Quá trình thủy phân ngun liệu ngơ
Hình 3.4. Ảnh hưởng của nồng độ Dextrozyme và thời gian thủy phân
đến hàm lượng đường thu được
III.2. Nghiên cứu tỷ lệ thích hợp của chủng nấm men được lựa chọn
III.2.1. Lựa chọn tỷ lệ giống nấm men thích hợp
Tỷ lệ giống nấm men có ảnh hưởng tới tốc độ lên men và chất lượng rượu thành phẩm. Nếu tỷ lệ nấm men thấp, quá trình lên men khởi động chậm sẽ làm cho nguy cơ nhiễm tạp cao. Tỷ lệ giống nấm men cao lại làm tốc độ lên men nhanh tạo sản phẩm phụ nhiều. Do vậy ở thí nghiệm này, chúng tơi tiến hành 03 mẫu thí nghiệm được tiếp giống nấm men với tỷ lệ khác nhau là: 5%, 10% và 15% so với tổng thể tích dịch. Chủng nấm men nấm men Sacchromyces cerevisiae EC1118 được hoạt hóa trong 18-24 giờ, khi mật độ tế bào dịch hoạt hóa đạt 3×108CFU/ml thì tiếp giống nấm men. Tiến hành lên men ở 25 0C trong 7 ngày ,theo dõi động học tạo rượu và phân tích các chỉ tiêu chất lượng khi kết thúc quá trình lên men, kết quả thể hiện ở Bảng 3.1, 3.2 và 3.3.
Bảng 3.1.Ảnh hưởng của tỉ lệ giống nấm men tới chất lượng dịch lên men từ malt.
Tỉ lệ giống
Thời gian lên men (ngày) Cồn (%V) Đường dư (g/l) Axit tổng (g/l)
Axit bay hơi (g/l)
5% 6,5 10,0a 10,34a 3,93a 0,118a
10% 5 10,6b 10,29b 3,75b 0,120a
15% 3 10,2c 12,55c 3,51c 0,134b
Bảng 3. 2. Ảnh hưởng của tỉ lệ giống nấm men tới chất lượng dịch lên men từ gạo.
Tỉ lệ giống
Thời gian lên men (ngày) Cồn (%V) Đường dư (g/l) Axit tổng (g/l)
Axit bay hơi (g/l)
5% 7 11,0a 10,31a 3,80a 0,126a
10% 4,5 11,0a 10,14b 3,71b 0,124a
15% 3,5 10,6b 8,52c 3,65c 0,152b
Bảng 3.1 và 3. 2 cho thấy, với lên men Whisky malt và gạo, tỷ lệ giống nấm men 5% làm tốc độ lên men diễn ra chậm (khoảng 7 ngày lên men), độ cồn trong dịch giấm chín malt đạt 10%V, trong dịch giấm chín gạo đạt 11%V. Với tỷ lệ giống nấm men 15%, quá trình lên men kết thúc nhanh hơn: dịch malt sau 3 ngày lên men đạt 10,2%V), dịch gạo sau 3,5 ngày lên men đạt 10,6%V tuy nhiên khi kết thúc lên men nhận thấy sinh khối men tạo ra nhiều hơn.. Như vậy, tỷ lệ giống nấm men 10% được lựa chọn cho lên men Whisky malt và Whisky gạo trong 5 ngày. Nếu thời gian kéo dài lên đến 7 ngày thì có thể sử dụng tỉ lệ giống nấm men là 5% cho lên men Whisky malt và Whisky gạo.
Bảng 3. 3.Ảnh hưởng của tỉ lệ giống nấm men tới chất lượng dịch lên men từ ngô.
Tỉ lệ giống
Thời gian lên men (ngày) Cồn (%V) Đường dư (g/l) Axit tổng (g/l)
Axit bay hơi (g/l) 5% 5 10,6a 12,94a 3,96a 1,71a
10% 5 10,4b 13,59b 3,82b 1,98b
Với lên men Whisky ngô, Bảng 3. 3 cho thấy chất lượng dịch sau lên men của cả 3 mẫu thí nghiệm khơng có sự khác biệt nhiều. Ở mẫu bổ sung nấm men 5%, sau 5 ngày lên men độ cồn đạt được cao hơn mẫu bổ sung 10% và xấp xỉ bằng mẫu bổ sung 15%. Lượng đường dư ở các mẫu dao động từ 12,09- 12,94 g/l và lượng axit tổng tạo thành dao động từ 3,96- 4,41 g/l. Do vậy, để sản xuất đạt hiệu quả kinh tế, tỉ lệ tiếp giống nấm men 5% là thích hợp.
III.2.2. Động học của quá trình lên men rượu Whisky trên quy mơ 5 lít
Theo dõi q trình lên men rượu với các điều kiện lên men đã chọn ở các thí nghiệm trước, thực hiện trên quy mơ 5 lít để đánh giá sự ổn định của các thông số công nghệ. Kết quả theo dõi động học lên men được thể hiện ở Hình 3.5.
Hình 3.5. Động học của quá trình lên men ở nhiệt độ 25°C khi sử dụng chủng EC1118
Kết quả lên men cho thấy, lượng đường dư giảm mạnh theo tốc độ phát triển của
tế bào nấm men, tỉ lệ nghịch với độ cồn thu được. Trong suốt quá trình lên men, pH dịch lên men giảm từ 5,5 xuống 3,7. Sau khoảng thời gian 4,5- 5 ngày kể từ khi bắt đầu bổ sung nấm men, các thơng số của q trình lên men gần như khơng thay đổi. Độ rượu tạo ra ổn định gần như tương tự với mẫu thí nghiệm trong bình Schott 500ml (rượu malt đạt 10,6%V, rượu gạo đạt 11%V, rượu ngô đạt 10,6%V). Điều này cho thấy ở quy mơ 5 lít các điều kiện lên men là khá ổn định.
III.3. Nghiên cứu điều kiện và kỹ thuật chưng cất
Tồn bộ dịch giấm chín (khơng tách bã) được chưng cất trong hệ thống chưng cất chân khơng dung tích 1200 lít, dung tích làm việc 800 lít, áp suất chân khơng 540 mmHg . Mục đích của giai đoạn chưng cất này để tách rượu ra khỏi dịch giấm
chín. Kết quả nồng độ rượu đạt được trong lần chưng cất thứ nhất thể hiện ở Bảng 3.4.
Bảng 3.4. Kết quả chưng cất rượu lần thứ nhất.
Loại rượu Độ rượu trong giấm chín (%V) Thể tích rượu thu được (lít) Nồng độ rượu (%V) Hiệu suất chưng cất (%) Malt 10,8 215 37,6 93,6 Gạo 11,2 220 38,1 93,5 Ngô 10,6 230 35,2 95,5
Kết quả cho thấy, nồng độ cồn trong mẫu rượu gạo cao nhất (đạt 38,1%V), tiếp đến là rượu malt (đạt 37,6%V), thấp nhất là rượu ngô (đạt 35,2%V). Hiệu suất chưng cất lần 1 của ba mẫu rượu tương đương nhau (đạt 93,5- 95,5%). Toàn bộ lượng rượu thu được trong lần chưng cất thứ nhất (từ nhiều mẻ với thể tích là 800 lít dịch rượu) tiếp tục được chưng cất chân không lần hai để loại bỏ các hợp chất không mong muốn.
Để xác định thời điểm thu hồi rượu trong quá trình chưng cất thứ hai, tiến hành lấy mẫu rượu theo thời gian. Trong quá trình lấy mẫu, giai đoạn đầu của quá trình chưng cất (để thu rượu đầu), hàm lượng các hợp chất bay hơi thay đổi nhanh nên các mẫu được lấy liên tục. Giai đoạn sau (để thu rượu giữa và rượu cuối), hàm lượng các hợp chất bay hơi ít biến đổi nên các mẫu được lấy thưa dần.
Kết quả Bảng 3.5 cho thấy hàm lượng các chất không mong muốn như methanol, aldehyde giảm đáng kể theo thời gian chưng cất. Các chất này do có điểm sơi thấp hơn điểm sôi của ethanol nên bốc hơi ra ngay ở giai đoạn đầu (điểm sôi của acetaldehyde là 20,8°C; ethyl acetate là 77°C; methanol là 65°C và ethanol là 78,37°C). Bắt đầu từ mẫu WM3, hàm lượng methanol hết hoàn toàn, hàm lượng aldehyde giảm từ 20,24 mg/l xuống 9,03 mg/l. Từ mẫu WM1 đến WM6, hàm lượng ethyl acetate giảm dần từ 734,44 mg/l xuống 21,17 mg/l và đến mẫu WM7 hàm lượng này đã hết.
Đối với một số loại rượu bậc cao như iso butanol và pentanol có điểm sơi cao hơn so với ethanol (điểm sơi của iso butanol là 108°C, pentanol là 137°C) thì tăng dần từ giai đoạn đầu đến giữa gai đoạn giữa (W1-W6) sau đó giảm dần ở giai đoạn sau(W7-W9).
Theo kết quả tính tốn lượng mẫu lấy phân tích, nếu loại bỏ các mẫu rượu từ WM1-WM3 (để đảm bảo khơng cịn độc tố methanol và aldehyde) thì lượng rượu phải bỏ đi trong giai đoạn đầu của quá trình chưng cất là 3,77% (so với rượu thu được sau chưng cất lần 2). Thu hồi rượu thành phẩm từ mẫu WM4-WM8, lượng rượu thu được là 93,34% (so với rượu thu được sau chưng cất lần 2). Đến mẫu WM9 hàm lượng hợp chất thơm ethyl axetate đã hết đồng thời nồng độ rượu còn rất thấp (5,8%V), và cảm quan bắt đầu thấy có vị chua nhẹ. Vì vậy, từ mẫu WM9 rượu chưng cất được thu hồi được dùng cho mục đích khác chiếm 2,89% (so với rượu thu được sau chưng cất lần 2).
Với các kết quả phân tích ở trên, quá trình chưng cất loại tạp chất ở rượu malt như sau:
Giai đoạn 1 (rượu đầu): Tách 3,77% rượu đầu;
Giai đoạn 2 (rượu sản phẩm): Thu hồi là 93,34% rượu sản phẩm, đạt 70%V; Giai đoạn 3 (rượu cuối): Loại bỏ 2,89% rượu để sử dụng cho mục đích khác.
Tương tự như quá trình chưng cất rượu malt, hàm lượng các chất bay hơi trong q trình chưng cất rượu gạo cũng có xu hướng giảm dần. Bắt đầu từ mẫu WG4 thì hàm lượng aldehyde và methanol đã hết. Hàm lượng ethyl acetal giảm dần từ 513,47 mg/l đến mẫu WM8 hàm lượng này khơng cịn. Hàm lượng iso butanol cao nhất ở mẫu WG5 là 257,36 mg/l và giảm tới mẫu số WG10 còn 5,51 mg/l. Đối với pentanol cao nhất ở mẫu WG5 (3511,09 mg/l) và đến mẫu WG10 hàm lượng này đã hết.
Từ kết quả tính tốnlượng mẫu lấy phân tích trên Bảng 3.6, nếu loại bỏ phần rượu từ mẫu WG1-WG3 (đảm bảo độc tố methanol đã hết) thì lượng rượu đầu cần bỏ ở giai đoạn đầu chưng cất là 2,84%. Thu hồi rượu thành phầm từ mẫu WG4- WG8, lượng rượu thu được là 95,02% (so với rượu thu được sau chưng cất lần 2). Ở mẫu WG9 nồng độ rượu thấp (10,5%V), cảm quan cũng thấy có vị chua nhẹ. Do đó từ mẫu WG9 rượu chưng cất được thu hồi chiếm 1,19%.
Quá trình chưng cất rượu gạo loại tạp chất như sau: Giai đoạn 1: Tách 3,79% rượu đầu;
Giai đoạn 2: Thu hồi 95,02% rượu sản phẩm, đạt 72%V;
Tương tự như quá trình chưng cất rượu malt và gạo, đối với rượu ngô hàm lượng aldehyde cũng giảm dần từ mẫu WN1-WN3 còn 14,01mg/l, hàm lượng methanol từ mẫu WN4 đã hết, hàm lượng ethyl acetat giảm mạnh từ mẫu WN1- WN3, giảm dần từ mẫu WN4-WN7 và ở những mẫu sau khơng cịn. Ở mẫu WN5 hàm lượng iso butanol (335,91mg/l) và pentanol (4248,16mg/l) là cao nhất và cùng giảm tới mẫu WN9.
Theo kết quả tính tốn lượng mẫu lấy phân tích trên Bảng 3.7, nếu loại bỏ phần rượu đầu ở mẫu WN1-WN3 khi hàm lượng methanol và aldehyde đã hết thì lượng rượu đầu cần bỏ so với thể tích chưng cất lần 2 là 3,88%. Rượu thành phầm thu hồi từ mẫu WN4-WN8 là 93,19%. Ở mẫu WN9 mặc dù hàm lượng aldehyde và methanol đã hết nhưng nồng độ cồn rất thấp 5,3%V, chúng tôi ngừng lấy mẫu và lượng rượu chưng cất được thu hồi sử dụng cho mục đích khác là 2,93%.