III. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
6. Lên men dịch nấu
6.1.4. Nhân giống nấm men bia
Nấm men giống cấy vào nước nha trước hết phải là nấm men thuần khiết không có tế bào lạ. Phải đạt tiêu chuẩn chất lượng lên men giống về đơn vị và khả năng sinh sản, phải đủ số lượng để đảm bảo cho nước nha lên men nhanh.
Tại Việt Nam thường sử dụng chủng nấm men saccharomyces carlsbergensis để lên men chìm. Tế bào của nó hình oval sinh sản bằng cách cộng sinh, ở nhiệt độ 60-65oC men bị chết. Nhiệt độ thích hợp cho men bia phát triển là 25-27oC nhưng ở 2-3oC vẫn còn phát triển và lên men.
Có 2 yêu cầu về công nghệ đối với men bia: -Lực lên men.
-Khả năng kết lắng trong thời gian lên men.
Lực lên men là khả năng chuyển hóa đường thành rượu cùng các sản phẩm phụ trong điều kiện nhiệt độ thấp. Trong quá trình lên men như vậy men sẽ được kết lắng và làm trong dịch bia. Nếu 1 trong 2 yêu cầu này không đạt, sẽ không có bia thành phẩm.
Quá trình nhân giống: tự xảy ra qua 2 giai đoạn:
- Giai đoạn đầu tiến hành ở phòng thí nghiệm: giống từ ống nghiệm cấy qua các bình, các thùng rồi chuyển vào lên men. Trước tiên dùng que cấy thông thường cấy từ các ống thạch nghiêng môi trường dịch thể vô trùng và nuôi ở phòng thí nghiệm. Sau đó giống ống nghiệm được chuyển vào bình tam giác 300ml, rồi chuyển sang bình cầu 1l.
- Giai đoạn sau ở xưởng sản xuất: khi ống giống phát triển đạt 1 lít dịch, ta chuyển sang phòng lên men để đưa vào nhân giống ở bình có thể tích 270l rồi tiếp tục nhân giống sang bình 1000l. Trong lúc nhân giống cho thổi không khí đã khử trùng. Sau 48 giờ, ta bơm 1000l dịch men vào 1 tank (365Hl) ta thêm dịch nước nha vào đến khi giống men phát triển sinh sản đầy tank thì ta sẽ chia thành 2 cho vào 1 tank khác. Tiếp tục thêm nước nha vào 2 tank đó đến giống men phát triển đạt các chỉ tiêu và số lượng giống cho sản xuất, ta đem cấy vào các tank lên men.
Dịch giống dùng nhanh ở các giai đoạn nhân giống công nghiệp và vào tank lên men phải khỏe, đúng tuổi. Như vậy trong quá trình nhân giống cần phải theo dõi và kiểm tra kỹ lưỡng. Nếu dịch sùi bọt mạnh, men phát triển mạnh, có mùi thơm, không chua và không bị nhiễm là men tốt.
Yêu cầu của giống về mặt vi sinh phải thuần chủng. Quá trình nhân giống phải làm sạch sẽ, đảm bảo không bị tạp khuẩn. Các dụng cụ phải rửa sạch, tráng bằng nước sôi hoặc cồn. Nếu không dùng nút bông phải sấy hoặc hút thanh trùng.
Sử dụng lại men sau khi lên men chính:
Cặn men ở thùng lên men chính sau khi đã chuyển dịch sang lên men phụ chia làm 3 phần:
-Lớp trên là những tế bào có kích thước nhỏ, khả năng kết lắng kém cùng các vẫn cặn protein, Houblon.
-Lớp giữa là những tế bào trẻ lớn, có khả năng lên men mạnh. -Lớp cuối cùng là những tế bào da, lực lên men yếu.
6.2. Cơ chế của quá trình lên men:
6.2.1. Sự tạo thành Etanol: Chu trình Embden Mayer Hoff:
Trang 36 alcoldehydrogenaza pyruvatdecacboxylaza ETANOL ACETALDEHYD E ACID PYRUVIC CO2 NAD+ NADH2 enolaza ACID ENOLPYRUVIC ACID PHOSPHOENOL PYRUVIC ACID 2 - DIPHOSPHOGLYCEINIC ACID 3 - DIPHOSPHOGLYCEINIC pyruvatkinaza phosphoglycromutaza H2O ATP ADP + H3PO4 ALDEHYDE 3-PHOSPHOGLYCERINIC ACID 1,3 - DIPHOSPHOGLYCEINIC NAD+ phosphoglyceratkinaza Phosphoglycerine aldehyddehydrogenaza ATP ADP NADH2 phosphofructokinase phosphoglucoisomeraza FRUCTOZA – 6 - PHOSPHAT GLUCOZA – 6 - PHOSPHAT ATP ADP ADP ATP GLUCOZA andolase FRUCTO 1,6 - DIPHOSPHAT DIOXYACETONPHOSPHA T NADH NAD+ GLYCERIN + H3PO4
ALPHA – GLYCERO PHOSPHAT Glycerol
phosphat dehydrogenaza
phosphataza
Các sản phẩm phụ của chu trình này là: glycerin, acetaldehyde, acid acetic, diacetyl, 2,3-butylengycol và một lượng nhỏ acid citric và acetone.
6.2.2. Sự tạo thành rượu bậc cao:
Hàm lượng, thành phần rượu bậc cao tạo thành phụ thuộc chủ yếu vào giai đoạn lên men chính .
Phụ thuộc vào các yếu tố cơ bản như: cơ chất, chủng nấm men sử dụng, nhiệt độ lên men.
Các loại rượu bậc cao thường gặp như: propylic, isopropylic, butylic, isobutylic… Để xác định lượng rượu bậc cao và khả năng sinh trưởng của nấm men, ta dùng công thức:
C=K1.∆M + K2. ∫1
n
Mdt
Với
C: lượng rượu bậc cao (mg/10ml). K1,K2: hệ số tỷ lệ (mg/g và mg/g.ngày). ∆ M: sự tăng sinh khối nấm men(g/100ml).
+H2
+H2 -H2
-H2
∫1
n
Mdt: lượng tế bào nấm men tham gia và trao đổi chất trong thời gian đã cho (g.ngày/100ml).
6.2.3. Sự hình thành diacetyl:
CH3-CO-COOH CH3-CHO + CO2
CH3-CHO + CH3-CHO CH3-CO-CH(OH)-CH3
acetoin
CH3-CH(OH)-CH(OH)-CH3 CH3-CO-CH(OH)-CH3
2,5-butadiol acetoin
CH3-CO-CH(OH)-CH3 CH3-CO-CO-CH3
acetoin diacetyl
Trong quá trình lên men chính, lượng diacetyl tạo thành là 0,35-0,55 mg/l. Hàm lượng này sẽ giảm đi trong quá trình lên men phụ.
Trong công nghệ sản xuất bia hiện đại, có thể làm giảm lượng diacetyl mà không cần kéo dài thời gian lên men, bằng cách sử dụng thêm một số chất hỗ trợ kỹ thuật.
Ví dụ: sử dụng maturex thì có thể ngăn ngừa được một phần phản ứng tạo thành diacetyl.
6.3. Lên men chính:
Quá trình lên men chính thường xảy ra ở nhiệt độ: 6-8oC trong 7-12 ngày đối với bia vàng và khoảng 12-18 ngày đối với bia đen .
Ở quá trình này nấm men hấp phụ đường và dextrin và chuyển hóa thành rượu etylic, CO2 và các sản phẩm phụ. Sản phẩm phụ của quá trình này là bia non.
6.3.1. Mục đích:
Chuyển hóa các chất đường và dextrin có phân tử thấp thành rượu etylic, CO2 và một số sản phẩm phụ khác tạo thành bia theo yêu cầu kỹ thuật và chất lượng sản phẩm.
6.3.2. Cơ sở lý thuyết:
C6H12O6→ C2H5OH + CO2 + H2O + Q (năng lượng)
6.3.3. Các biến đổi xảy ra trong quá trình lên men chính:
♦ Sự biến đổi các chất khô hòa tan:
Trong nước nha có đầy đủ các chất dinh dưỡng cho nấm men như: hydratcacbon, protein, các vitamin và muối khoáng…
Sau khi chuyển nấm men giống vào nước nha, sau thời gian ngắn của thời kỳ tiềm phát, nấm men nảy chồi và phát triển mạnh số lượng tế bào trong dịch tăng lên rõ rệt, vừa phát triển, vừa lên men, tiêu hao cơ chất và tạo ra các sản phẩm.
Sự lên men các loại đường khác nhau diễn ra theo một tuần tự nhất định do sự thẩm thấu của các loại đường này vào tế bào nấm men. Saccharoza cũng được chuyển hóa ngay ở giai đoạn đầu của quá trình lên men và phải nhờ enzyme β-fructofuranosidaza thủy phân thành đường đơn fructoza và glucoza. Khi trong nấm men không còn fructoza và gluoza nữa thì nấm men lúc này sử dụng đến maltoza. Dưới tác dụng của enzyme α-glucosidara, maltoza chuyển hóa thành glucoza. Maltoza hầu như được tiêu hao hết trong quá trình lên men.
Các sản phẩm của quá trình này: glycerin, acetaldehyd, acid pyruvic, acid acetic, diacety, 2,3-butylenglycol và một ít lượng acetoin, acid citric.
Song song với quá trình này là quá trình lên men rượu bậc cao từ các acid amin như: tryptophylic, propylic, isoamylic, amylic, izomutylic, tirosol. Quá trình này cũng hình thành một số chất không có lợi như : C4, diacetyl, gây nên mùi khó chịu.
♦ Quá trình biến đổi hóa lý:
Dịch nha lúc mới cấy nấm men thường có độ pH 5,3–5,6. Còn pH ở cuối giai đoạn lên men chính khoảng 4,2–4,5.
Số lượng các sản phẩm oxy hóa ngày càng giảm mạnh, trong khi các sản phẩm của quá trình khử oxy tích tụ ngày một nhiều. Nấm men phát triển kìm hãm các quá trình oxy hóa, chúng hấp thụ oxy hòa tan trong dịch nha, tiêu hao cho phản ứng trao đổi chất. Trong giai đoạn lên men mạnh, tất cả oxy hòa tan trong dịch nha được nấm men sử dụng hết.
♦ Sự đông tụ các protein và sự hình thành bọt:
Quá trình lên men tạo ra cồn, este đã làm cho môi trường pH giảm tạo điều kiện cho các protein đông tụ và kết lắng một phần tế bào nấm men. Khí carbonic được tạo ra trong quá trình lên men, lúc đầu thì hòa tan trong dịch nhưng sau đó tan dần và tách thành các túi khí. Trên bề mặt các túi khí xuất hiện các lớp hấp phụ có hoạt tính bề mặt như: nhựa Houblon, protein. Khi các túi khí riêng rẽ đứng gần nhau thì tạo nên bọt, dần dần tràn kín và dày trên bề mặt dịch men.
Quá trình lên men chính được chia làm 4 giai đoạn:
• Giai đoạn đầu:
Tạo bọt trắng mịn ở xung quanh bề mặt dịch men, giai đoạn nấm men nảy chồi, hàm lượng chất hòa tan giảm khoảng 0,2-0,5% mỗi ngày đêm, nhiệt độ tăng khoảng 0,5oC, độ balling khoảng 6,8-7,6%, giai đoạn này kéo dài từ 1 đến 5 ngày.
• Giai đoạn thứ hai:
Có rất nhiều bọt trắng, đặc, tốc độä giảm các chất trích ly khoảng 0,5-1% mỗi ngày đêm, nhiệt độ tăng 1-1,5oC, độ balling trung bình khoảng 5-6,5%. Thời kỳ này kéo dài từ 2-3 ngày.
Quá trình lên men xảy ra mạnh mẽ nhất. Tốc độ tiêu hao cơ chất 1-1,5% ngày đêm, nhiệt độ lên men tăng nhanh, phải thường xuyên theo dõi và khống chế ở mức nhiệt <9oC, độ balling trung bình khoảng 3,3-4,5; bọt xốp và bồng lên rất cao, giai đoạn này kéo dài 2-3 ngày.
• Giai đoạn cuối:
Bọt xẹp xuống dần, bề mặt dịch được phủ một lớp bọt màu nâu, tiêu hao cơ chất giảm, diễn ra với tốc độ chậm, khoảng 0,2-0,5 mỗi ngày đêm, nhiệt độ giảm 3-4oC. Tế bào nấm men lắng dần xuống đáy compitank lên men, dẫn đến việc chấm dứt từ từ quá trình lên men chính. Lúc này, 90% lượng chất khô đã được lên men hết. Dịch lên men trong dần từng phần, nhất là phần trên. Quá trình lên men chính coi như kết thúc. Sản phẩm thu được là bia non.
♦ Độ chua:
Khi lên men, do sự hình thành CO2, acid hữu cơ, chủ yếu là acid lactic của nấm men, nên pH của nước nha giảm.
Khi sử dụng nhiều nguyên liệu sống, nhất là đường, đều không làm cho nước nha có tính chất đệm nhiều, cho nên pH của bia sẽ thấp hơn 4.
Khi lên men đến ngày thứ 2, pH của bia là 4,4.
pH thấp có tác dụng cản trở sự phát triển của trực khuẩn và Sarcina, ngược lại không cản trở được hình thành các cặn keo.
Các loại acid dễ bay hơi không làm ảnh hưởng gì nhiều đến sự thay đổi pH, chỉ tác dụng với cồn cao cấp và ester để sinh ra hương của bia.
♦ Chất đạm:
Khi lên men, lượng đạm bị mất đi 1/3 là do: Sự tổng hợp của nấm men.
Sự hấp phụ theo bọt nổi trên bề mặt bia. Kết tủa do pH hạ thấp.
Sự kết hợp với tanin, resine.
Nấm men cũng thải ra 1/3 lượng đạm mà nó tổng hợp. Lượng đạm mà nấm men đã tổng hợp bằng 50% lượng đạm của nước nha.
6.3.4. Thiết bị lên men - Compitank:
Đây là thiết bị dùng để thực hiện quá trình lên men chính và lên men phụ.
HÌNH 6: CẤU TẠO CỦA COMPITANK
Cấu tạo hình trụ đứng, có đáy hình chóp, hệ thống làm lạnh trong tank theo hệ thống ruột ga vòng quanh tank.
Compitank gồm 3 lớp:
- Lớp trong tiếp xúc với dịch lên men bằng thép không rỉ.
- Bao quanh phần hình trụ bên trong compitank là lớp vỏ áo lạnh dạng ruột gà bằng sắt. Có một lớp vỏ chóp nón tạo quanh bên ngoài, đáy chóp chứa chất tải lạnh là cồn.
- Lớp vỏ áo lạnh được chia làm 3 vùng riêng biệt để khống chế nhiệt độ thích hợp cho từng vùng compitank, các ngăn lạnh có chung đường ống cấp lạnh vào và ra.
6.3.5. Tiến trình lên men chính:
Trước khi lên men:
Trước khi lên men, ta phải làm vệ sinh tank.
Trước tiên, nước được bơm vào theo van (8) đến quả cầu vệ sinh. Quả cầu vệ sinh phun tia nước đều lên xung quanh, tank được trang sạch.
Nước theo van (1) được xả bỏ ra ngoài.
Sau đó, dùng dung dịch soude 2% bơm vào tank để tráng sạch những cặn bẩn, cho chạy tuần hoàn khoảng 30 phút, xả bỏ, rồi cho nước vào tráng lại trong 20 phút.
Cuôí cùng cho thuốc sát trùng 2‰ chạy tuần hoàn 15 phút xả bỏ, cho nước vào lần nữa, xả bỏ.
Tiến trình lên men:
Nước nha sau khi qua máy giải nhiệt thì nhiệt độ còn khoảng 8-9oC được đưa vào các tank lên men chính.
Cùng với dòng nước nha vào tank lên men, ta sục không khí đã khử trùng và làm sạch vào nước nha, đồng thời cho men giống vào các ốp để bơm hòa cùng với nước nha trên đường về tank lên men.
Lượng men cho vào: 20x106 tế bào men/1ml nước nha.
Không khí (O2) được sục vào nước nha để cho men giống sinh trưởng và phát triển. Khí này được lọc bằng thiết bị gồm 2 phần: không khí đi qua phần thứ I là các ống hình trụ bên trong có nhét bông gòn để giữ lại tất cả các tạp chất và bụi bặm. Sau đó đi qua
ống bên trong có gắn neon cực tím, neon này phát ra tia tử ngoại có tác dụng tiêu diệt toàn bộ các vi sinh vật có trong khí này.
Khi bơm nha vào tank, phải bơm 2 lần, sau đó bắt đầu tính thời gian lên men. Thời gian lên men chính kéo dài 7-10 ngày. Nhiệt độ khoảng 5-8oC.
Tùy theo độ giảm của balling mà người ta hạ nhiệt độ trong tank lên xuống bằng cách điều chỉnh lưu lượng glucol đi vào.
Hằng ngày phải điều chỉnh độ đường sao cho độ đường giảm mỗi ngày từ 0,5-1,5 plato. Khi plato còn 2.8-3 thì cho lên men phụ.
Trong quá trình lên men chính, áp suất trong tank lên men từ 0,4-0,6 kg/cm2. Quá trình này sản sinh nhiều CO2.
6.4. Lên men phụ và tàng trữ bia:6.4.1.Mục đích: 6.4.1.Mục đích:
Tiếp tục lên men phần chất khô còn lại sau khi lên men chính, làm tăng mùi vị cho bia và bão hòa CO2.
Làm ổn định lượng chất bia.
Đưa bia non về nhiệt độ thấp từ 0-2oC nhằm hạn chế sự xâm nhập, phá hoại của vi sinh vật.
Thu về một loại nước uống bão hòa CO2,vị dễ chịu và có hương thơm.
6.4.2. Các biến đổi xảy ra trong quá trình lên men phụ:
♦ Ở nhiệt độ thấp, diacetyl sẽ giảm dần đi.
♦ Trong suốt quá trình nổi bọt, CO2 góp phần đẩy O2 ra làm giảm thế oxy hóa khử: hạn chế các vi sinh vật hiếu khí phát triển, thành hiện tượng oxy hóa làm giảm chất lượng bia.
♦ Khi đã lên men hết lượng chất khô còn lại, vị ngọt sẽ biến mất. Vị đắng sẽ dần mất hết do sự tác dụng tương hỗ giữa các protein và tanin hình thành nên các phức chất, kết tủa. Vị cay tê sẽ biến mất và nấm men sẽ lắng xuống đáy khi quá trình lên men kết thúc.
♦ CO2:
Khi lên men phụ thì CO2 được bổ sung vào. Hàm lượng CO2 sau khi lên men phụ là: 0,4-0,45%, với áp suất là 03 atm, nhiệt độ: 0oC.
♦ Oxy và rH:
rH là mức hòa tan oxy trong bia. Trong nước nha, rH bình thường là 20 và sau khi lên men chính chỉ còn 10-11. Sự có mặt của oxy trong bia ảnh hưởng rất xấu đến mùi vị và tính ổn định của bia. Nó làm cho bia đục do keo và tạo điều kiện cho nấm men phát triển sau khi chiết.
♦ Các biến đổi khác:
Resine của Houblon bị khử nhiều do pH giảm xuống và do hấp phụ vào men bia và dính vào bọt.
Chất đắng bị giảm 50% sau khi lên men chính và một phần nữa càng giảm đi khi lên men phụ càng lâu.
Màu cũng bị giảm bớt đi theo bọt, theo men bia, và tác dụng oxy hóa tanin.
6.4.3. Yêu cầu kỹ thuật sau khi lên men phụ:
Màu sắc vàng, trong suốt.
Bia không được lẫn những vật lạ.
Bọt trắng, mịn, xốp, dày và có độ bền bọt.
Mùi vị bia có mùi thơm đặc trưng của Houblon và đại mạch.
6.4.4. Tiến trình lên men phụ: