CHƯƠNG 4 : QUY TRÌNH SẢN XUẤT BIA SÀI GÒN – CẦN THƠ
4.2. CÔNG ĐOẠN NẤU NƯỚC NHA
4.2.1. Nghiền nguyên liệu
nhanh hơn, thúc đẩy quá trình đường hố và q trình thuỷ phân triệt để hơn.
Mức độ mịn của gạo cao hơn so với malt khi nghiền do các yếu tố sau Gạo là nguyên liệu chưa nảy mầm, vì thế chưa có sự tác động của enzyme.
Cấu trúc của hạt tinh bột còn rất cứng, ở trạng thái như vậy chúng rất khó bị thủy phân. Để
đạt được mục tiêu cuối cùng là trích ly các chất hịa tan, vì vậy ta phải nghiền thật mịn, sau đó được hồ hóa ở nhiệt độ cao để phá vỡ hồn toàn cấu trúc tinh bột.
Mức độ nghiền malt phải thỏa mãn yêu cầu thu nhiều chất hòa tan nhất mà không làm dịch
đường bị đắng chát khó chịu do các thành phần của vỏ malt. Ngoài ra, lớp vỏ malt cịn đóng vai trò như một lớp màng lọc, nếu nghiền malt quá mịn làm cho các mương dẫn bị
tắc, cản trở quá trình lọc. Tuy phần nội nhũ trong malt là nguồn chính cung cấp chất hịa tan cho dịch đường, ta phải trích ly các chất hòa tan càng nhiều càng tốt, nhưng như vậy lại
có đặc điểm bất lợi đó là phần dịch cháo sẽ nén rất chặt cản trở quá trình lọc và sẽ khơng
tích ly hết chất hịa tan.
Khối lượng nguyên liệu được cân cho mỗi đợt xuống máy nghiền là 10kg/đợt. Kích thước hạt nghiền của malt và gạo là: bột malt < 1mm, bột gạo < 3mm.
4.2.2. Q trình đường hóa
4.2.2.1. Mục đích của q trình đường hóa
Trong q trình nảy mầm, malt đại mạch chứa một lượng chất hoà tan nhưng hàm lượng rất thấp, phần còn lại là các đại phân tử khơng tan như tinh bột, protein… Q trình đường hố là q trình chuyển tinh bột thành đường làm nguồn thức ăn cho nấm men để tạo ra
rượu và CO2. Mục đích của q trình đường hố là tạo ra được càng nhiều chất chiết và
chất lượng dịch đường cao. Phần lớn các chất chiết được tạo ra nhờ các phản ứng enzyme thuỷ phân.
4.2.2.2. Hệ enzyme trong q trình đường hóa
Enzyme amylase là enzyme thuỷ phân tinh bột thành đường. Hệ enzyme amylase gồm nhiều loại như α – amylase, β – amylase và γ – amylase.
α – amylase (EC 3.2.1.1) (enzyme dịch hóa điển hình): được hoạt hóa bởi ion hóa trị II như Ca2+và ion Cl-, và bị kiềm hãm bởi các ion kim loại nặng như Cu2+, Hg2+. Nhiệt độ tối thích 72 – 76oC, pH tối thích 5.3 – 5.8, α – amylase bị vơ hoạt ở 80oC.
α – amylase tác động lên mạch amylose và amylopectin, cắt vị trí 1,4-glycoside, cắt tự do có khuynh hướng cắt ở giữa mạch đi ra, cắt ở vị trí bất kì, khơng cắt được liên kết 1,6-
glycoside. Sản phẩm tạo thành là glucose, maltose, maltotriose, và dextrin.
β–amylase (EC 3.2.1.2) có chủ yếu ở thực vật, khơng có trong vi khuẩn. Rất bền khi
khơng có ion Ca2+ và bị kìm hãm khi có các kim loại nặng như Cu2+, Hg2+. Nhiệt độ tối thích 65oC, pH tối thích 5.4 – 5.5, β – amylase bị vô hoạt ở 70oC.
β – amylase tác động lên mạch amylose và amylopectin, cắt vị trí 1,4–glycoside cắt từ đầu
khơng khử mỗi lần cắt được 2 gốc glucose. Sản phẩm tạo thành là maltose và dextrin giới hạn.
γ–amylase (Glucoamylase) (EC 3.2.1.3) có chủ yếu trong nấm mốc và một số lồi vi khuẩn, bị kìm hãm bởi các kim loại nặng Cu2+, Hg2+.
Nhiệt độ hoạt động tối thích 50oC, pH hoạt động tối thích là 3.5 – 5.5
γ – amylase cắt vị trí 1,4 – glycoside và 1,6 – glycoside, cắt từ đầu không khử đi vào mỗi
lần cắt tạo một gốc glucose. Sản phẩm tạo thành là glucose.
Hình 4.3. Cơ chế tác động của hệ enzyme amylase
4.2.2.3. Sự thủy phân tinh bột
Sự thủy phân tinh bột được tiến hành thành 3 giai đoạn: Hồ hóa → dịch hóa → đường
hóa
Hồ hóa
Khi ngâm với nước nóng, một lượng nước lớn ngấm vào các phân tử tinh bột làm thể tích hạt tinh bột tăng lên và hạt bột trương nở, cuối cùng vỡ tung. Dịch trở nên nhớt, độ nhớt tùy thuộc vào mức độ hút nước của bột malt và bột gạo. Trong quá trình này, xảy ra q trình phân hủy khơng có tính hóa học, gọi là q trình hồ hóa.
Sau khi tinh bột đã hồ hóa sẽ khơng liên kết chặt chẽ với nhau, tạo điều kiện cho các enzyme có trong dịch tấn cơng trực tiếp vào tinh bột. Ngược lại, sự thủy phân các tinh bột
Quá trình này gọi là sự hồ hóa, sự hồ hóa tinh bột có thể xảy ra ở các nhiệt độ khác
nhau tùy theo nguồn gốc của chúng, người ta gọi nhiệt độ hồ hóa là nhiệt độ ở đó dung
dịch keo đạt độ nhớt lớn nhất. Đối với bột gạo 80 – 85oC. Hồ hóa có ý nghĩa rất quan trọng trong q trình cơng nghệ sau này, vì tinh bột được hồ hóa sẽ đường hóa nhanh
hơn.
Hồ hóa có nghĩa là làm trương nở và phá vỡ các hạt tinh bột trong dịch hồ nóng, nhờ vậy các enzyme amylase sẽ dễ tác dụng hơn là tinh bột chưa hồ hóa.
Dịch hóa
Trong phân tử tinh bột có chuỗi mạch dài tạo nên từ các gốc glucose (amylose và amylopectin) bị phá hủy nhanh chóng bởi α – amylase hình thành mạch ngắn hơn. Điều
này làm độ nhớt của dịch hồ hóa giảm nhanh. β – amylase chỉ có thể phân tách từ từ mạch
tinh bột từ đầu không khử, do vậy mà sự thủy phân nhờ enzyme này rất mất nhiều thời gian.
Dịch hóa có nghĩa làm giảm độ nhớt trong dung dịch tinh bột đã hồ hóa bởi hệ enzym α - amylase.
Đường hóa
α – amylase phân cắt dần dần mạch amylose và amylopectin để tạo nên các chuỗi ngắn
mạch hơn, các dextrin chứa 7 – 12 gốc glucose. Các chuỗi này lại được β – amylase tiếp tục phân cắt ra chuỗi có 2 gốc (maltose) từ đầu khơng khử.
Trong quá trình phân cắt amylopectin ln ln hình thành các chuỗi chứa 2 – 3 gốc glucose có mối liên kết 1,6 đó là các dextrin mà cả α – amylase và β – amylase đều không phân cắt được mối liên kết này. Do vậy, các dextrin luôn tồn tại trong dịch đường.
Trong malt cịn có chứa enzyme dextrinase giới hạn có thể phân cắt liên kết 1,6 nhưng do nhiệt độ tối ưu của enzyme này là 55 – 60oC và bị vơ họat ở 65oC cho nên enzyme này có
ảnh hưởng rất nhỏ trong q trình đường hóa.
Sự thủy phân tinh bột cần được theo dõi do tinh bột cịn sót và các dextrin mạch dài gây
đục trong bia. Sử dụng iodine để kiểm tra tinh bột cịn sót. Đường hóa tinh bột phải kiểm
tra, bởi vì những tinh bột và dextrin chưa phân cắt sẽ là nguyên nhân gây đục cho bia. Thành phần quan trọng nhất của bia là rượu được sinh ra trong quá trình lên men từ
dịch đường và được thể hiện qua độ lên men của dịch đường. Tinh bột phải được thủy
phân thành đường maltose và dextrin, sự thủy phân phải tồn diện, khơng phản ứng
bắt màu với iodine – sự thủy phân toàn diện rất cần thiết cho hiệu quả kinh tế, ngược lại các tinh bột cịn sót sẽ gây đục bia sau này.
4.2.2.4. Sự thủy phân protein
Kết thúc quá trình đun sơi dịch đường, tất cả protein cao phân tử kết tủa, trừ một lượng rất nhỏ. Do vậy mà dịch đường chỉ chứa các sản phẩm thủy phân này vô cùng cần thiết cho sự phát triển của nấm men.
Bảng 4.2. Tác động của các sản phẩm thủy phân protein đến chất lượng bia
Tác động
Các sản phẩm thủy phân
Tốt xấu
Cao phân tử (albumo, polypeptit, pepton) tạo bọt, tạo vị gây đục bia Phân tử lượng thấp hơn (dipeptit, acid amin) là nguồn dinh dưỡng cho nấm men
(Nguồn: Nguyễn Thị Hiền và ctv, 2007)
Mặc dù lượng protein và các sản phẩm thủy phân của chúng chỉ chiếm một lượng rất bé trong dịch đường (5 – 6%) nhưng chúng giữ vai trò rất quan trọng, tham gia trực tiếp vào sự hình thành chất lượng bia. Các phân tử protein có phân tử lượng thấp (amino acid và peptide) là nguồn thức ăn chính của nấm men. Các protein có phân tử lượng trung bình
(albumose, pepton, polypeptide) tham gia vào việc tạo bọt, gây cho bia có khả năng tạo
bọt lâu, cịn các protein có phân tử lượng cao thường là nguyên nhân gây đục bia. Sự thủy phân protein gồm 2 giai đoạn:
Ở giai đoạn khi nảy mầm, do nhiệt độ thấp nên sự thủy phân sâu xa hơn và tạo nhiều protein bậc thấp (peptide bậc thấp và amino acid).
Ở giai đoạn đường hóa tạo nhiều protein bậc trung (albumose, pepton, peptide bậc
cao) một phần protein hòa tan sau khi đường hóa hoặc những quá trình về sau như
đun sôi với hoa houblon, làm nguội, chúng sẽ bị kết tủa và bị thải bỏ. Phần khác còn
lại trong dịch đường là các protein chịu nhiệt, phần lớn chúng tồn tại trong dịch đường ở
dạng hịa tan sau khi đun sơi ở nhiệt độ cao, đây chính là protein hịa tan bền vững nhất.
4.2.2.5. Các quá trình thủy phân và hòa tan khác
Một số chất hữu cơ có gốc photphat chưa hòa tan sẽ được hòa tan bởi các enzyme photphatase. Một số photphat phản ứng với muối tạo ra độ cứng của nước và do vậy mà
thay đổi đáng kể pH của dịch đường và làm chất đệm trong dịch đường.
Các chất tannin cao phân tử, đặc biệt là các anthocyanogen giữ vai trị chính trong việc tạo
đục trong bia khi chúng kết hợp với các protein cao phân tử tạo kết tủa, gây hương vị khó
chịu cho bia. Ngược lại, các tannin phân tử thấp có tác động hữu ích do có tính khử. Tính khử có tác dụng tránh hịa tan oxy trong q trình sản xuất dịch đường lên men và bia. Nguyên tố vi lượng Zn có tầm quan trọng to lớn về mặt sinh lý cho sự tổng hợp protein và sự phát triển của tế bào nấm men, vì vậy ảnh hưởng đến quá trình lên men. Nếu thiếu Zn thì nấm men sẽ phát triển chậm, quá trình lên men xảy ra chậm, quá trình khử diacetyl khơng hồn tồn, vì vậy cần phải đảm bảo đủ vi lượng Zn cho nấm men phát triển.
4.2.2.6. Sơ đồ đường hóa
10 30 50 70 90 110 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Thời gian (s) N h iệ t đ ộ
Nồi gạo Nồi malt
Hình 4.4. Sơ đồ đường hoá nguyên liệu của nhà máy bia Sài Gịn – Cần Thơ
(Nguồn:Tài liệu Cơng ty cổ phần bia Sài Gòn – Cần Thơ)
4.2.2.7. Các quá trình xảy ra ở nồi gạo
Bột gạo được hòa vào nước ở 30oC. Acid sulfuric và một nửa bột malt lót (25kg) vào nồi ngay khi xuống bột gạo. Nồi gạo được gia nhiệt đến 72oC trong 15 phút. Giữ nhiệt độ nồi nấu gạo ở 72oC thời gian 20 phút, nhiệt độ thích hợp cho α –amylase hoạt động. Nồi nấu gạo lúc đầu xảy ra q trình hồ hóa, sau đó đến q trình dịch hoá. Khi gia nhiệt nồi nấu gạo, một lượng tinh bột bị hồ hoá làm cho độ nhớt của nồi gạo tăng nhanh. Độ nhớt tăng gây ảnh hưởng không tốt đến quá trình nấu gạo, ảnh hưởng đến chất lượng và hư hỏng
thiết bị. Malt lót được cho vào nhằm mục đích cung cấp enzyme α–amylase cho q trình dịch hố. α–amylase phân cắt ngẫu nhiên phân tử tinh bột tại vị trí liên kết α–1,4 glycoside làm cho phân tử tinh bột giảm nhanh số gốc glucose và trở thành các dextrin mạch ngắn
hơn. Sự hình thành các dextrin mạch ngắn làm giảm nhanh độ nhớt của dịch cháo.
Tiếp đến nồi gạo được gia nhiệt đến 83oC trong 5 phút. Nhiệt độ 83oC là nhiệt độ hồ hoá của tinh bột gạo. Tại nhiệt độ này các phân tử tinh bột hút nước trương nở, mạch tinh bột
được duỗi thẳng. Giữ ở 83oC trong 5 phút để hồ hoá tinh bột, để q trình dịch hóa diễn ra
nhanh hơn và triệt để hơn. Nồi gạo sau khi hồ hố ở 83oC thì độ nhớt tăng rất nhanh sau đó
( o C) 72oC 72oC 83oC 100oC 50oC 65oC 75oC 76oC Pha bột gạo Pha bột malt Malt lót (Phút)
được hạ nhiệt xuống 72oC trong vịng 5 phút, một nửa bột malt lót (25kg) cịn lại được cho vào nồi và q trình dịch hố cũng diễn ra như ở giai đoạn 72oC trước nhằm giảm độ nhớt của nồi gạo sau khi gia nhiệt ở 83oC. Sản phẩm của quá trình dịch hoá chủ yếu là các dextrin mạch ngắn và một lượng nhỏ maltose, glucose. Nồi gạo được nâng lên 100oC trong
20 phút và được giữ nhiệt 20 phút nhằm hồ hố hồn tồn lượng tinh bột cịn chưa được hồ hố đồng thời nâng nhiệt độ nồi malt trong quá trình hội cháo.
4.2.2.8. Các quá trình xảy ra ở nồi malt
Khi nồi gạo đạt khoảng 88oC trong quá trình nâng nhiệt 100oC thì bột malt được hịa với
nước trước khi xuống nồi malt. Bột malt được hòa vào nước và được nâng nhiệt ở 50oC và giữ trong 5 phút. Đây là giai đoạn đạm hố, mục đích thực hiện q trình đạm hố để
cung cấp đạm cho quá trình lên men, protein cao phân tử sẽ được thuỷ phân thành các
đoạn peptide ngắn và acid amin. Acid amin là nguồn thức ăn cung cấp đạm cho nấm men
phát triển sinh khối, là một cơ chất của phản ứng maillard hình thành mùi và màu cho dịch
đường. Tỷ lệ peptide, acid amin, protein cịn có vai trị quan trọng trong việc tạo và giữ bọt
cho bia thành phẩm. Giai đoạn 50oC xảy ra quá trình thuỷ phân protein thành các peptide mạch ngắn và acid amin nhờ enzyme protease. Trong giai đoạn đạm hoá, nồi malt được bổ sung CaCl2 (1200g), cung cấp ion Ca2+ và ion Cl- cho dịch cháo, giúp tăng khả năng bền nhiệt của hệ enzyme amylase. Ngoài ra nồi malt còn được bổ sung acid lactic (450ml)
nhằm tạo pH = 5,3 thích hợp cho enzyme β–amylase hoạt động.
Sau khi giữ nhiệt ở 500C trong 5 phút dịch cháo từ nồi gạo được bơm qua nồi malt. Nhiệt
độ của nồi malt sau khi hội cháo là 65oC, nhiệt độ thích hợp cho β–amylase hoạt động. Sản phẩm của quá trình thuỷ phân tinh bột dưới tác dụng của β–amylase là đường maltose và
dextrin giới hạn. Maltose được nấm men sử dụng trong quá trình lên men. β–amylase cắt
mạch amylose và amylopectin từ đầu khơng khử tại vị trí của liên kết α–1,4 glycoside, mỗi lần cắt 2 phân tử glucose tạo ra đường maltose. Đây là giai đoạn quan trọng trong quá trình
đường hố cũng như tồn bộ quy trình sản xuất. Nếu giai đoạn này đường hố khơng đạt
hiệu quả, hàm lượng maltose thấp sẽ ảnh hưởng đến độ lên men và vị của bia. Giữ nhiệt độ 65oC trong 25 phút, nồi malt được gia nhiệt đến 75oC trong 10 phút và được giữ trong 20 phút. Nhiệt độ 75oC thích hợp cho α–amylase hoạt động. α–amylase tiếp tục thuỷ phân phần tinh bột cịn sót thành đường đơn, maltose, và các dextrin mạch ngắn. Giai đoạn 75oC giúp thuỷ phân hoàn toàn tinh bột thành các chất hoà tan trong dịch đường, khơng cịn tinh bột vì tinh bột ảnh hưởng đến chất lượng bia thành phẩm. Nồi nấu malt được nâng lên 76oC nhằm bù mất nhiệt trong quá trình bơm dịch đường qua máy lọc. Trong quá trình lọc vẫn đảm bảo nhiệt độ thích hợp cho α – amylase tiếp tục hoạt động, tránh tuyệt đối còn tinh bột sót lại.
4.2.2.9. Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đường hố
Chất lượng malt: Protein trong malt thường khác nhau. Nếu hàm lượng acid amin được tạo ra trong quá trình nảy mầm đủ cho nấm men sử dụng, tạo màu cho bia thì khơng nên giữ
Nhiệt độ: Nhiệt độ là một trong những điều kiện quan trọng để hệ enzyme thuỷ phân hoạt
động tốt. Nhiệt độ tối thích cho các hệ enzyme thuỷ phân hoạt động thì sẽ thu được chất
hoà tan cao. Nhiệt độ của nước sử dụng để hồ bột cũng có ý nghĩa lớn trong viêc hạn chế những chất hồ tan khơng mong muốn, tạo điều kiện tốt cho q trình hồ hố, đạm hố. pH: pH cũng có vai trị như nhiệt độ là một trong những điều kiện để enzyme tăng hoạt tính thuỷ phân. Ngồi ra pH cịn có vai trị trong q trình lọc, lên men.
Hoạt lực của enzyme: Hoạt lực của enzyme phụ thuộc vào nguyên liệu malt, điều kiện bảo quản malt, q trình sản xuất malt. Nếu enzyme có hoạt tính mạnh và có điều kiện tiếp xúc lý tưởng giữa các cấu tử của malt và các enzyme hoà tan trong nước sẽ thúc đẩy hoạt động