Nguồn Cơng nghệ sản xuất Malt & Bia, Hồng Đình Hịa
Enzyme β - amylase nhiệt độ tối thích 650
C, pH tối thích 5.1, vơ hoạt ở 700 C, bền khi cĩ Ca2+, kìm hãm bởi Cu2+, Hg2+. Cắt từ ngồi vào, mỗi lần cắt hai gốc glucoside trên tồn mạch của amylose và mạch nhánh của amylopectin để tạo thành đường maltose. Enzyme này khơng vượt qua được liên kết α - 1,6 glucoside và dừng tác động trước điểm rẽ của mạch nhánh amylopectin. Tác động của enzyme này trên mạch amylose bắt đầu từ phía khơng phân cực, cịn trên mạch amylopectin từ phía
Ngành Cơng nghệ thực phẩm – Khoa Nơng nghiệp & SHƯD Trang 39
ngồi của mạch nhánh đi vào.
Enzyme γ - amylase
Chỉ tồn tại một lượng nhỏ trong malt, nhiệt độ tối thích 500
C, pH tối thích 3.5 – 5.5, kém bền trong mơi trường cĩ Cu2+
, Hg2+. Cắt liên kết α - 1,4glucoside và α-1,6 - glucoside từ ngồi vào của amylose và amylopectin, mỗi lần cắt một gốc glucoside tạo thành sản phẩm là đường glucose.
Sự thủy phân tinh bột
Sự thủy phân tinh bột được tiến hành trong 3 giai đoạn: Hồ hĩa, dịch hĩa và đường hĩa.
- Hồ hĩa: Tinh bột khơng hịa tan trong nước lạnh, khơng hịa tan trong dung mơi hữu cơ trung tính. Khi ở trong nước thì chúng hút nước và trương nở ra. Vì thế khi gia nhiệt thể tích của khối bột tăng lên, các hạt tinh bột bị nén chặt, sau cùng chúng bị vỡ ra và tạo thành một dung dịch nhớt. Độ nhớt của dung dịch phụ thuộc vào lượng nước pha vào và tùy theo cấu trúc của từng loại tinh bột. Ví dụ: tinh bột gạo trương nở hơn tinh bột malt.
Quá trình này gọi là sự hồ hĩa, sự hồ hĩa tinh bột cĩ thể xảy ra ở các nhiệt độ khác nhau tùy theo nguồn gốc của chúng, người ta gọi nhiệt độ hồ hĩa là nhiệt độ ở đĩ dung dịch ở dạng keo và đạt độ nhớt lớn nhất. Đối với bột gạo nhiệt độ hồ hĩa là 80 – 850C, ngơ 75 – 780C. Hồ hĩa cĩ ý nghĩa rất quan trọng trong quá trình cơng nghệ, vì tinh bột được hồ hĩa sẽ đường hĩa nhanh hơn.
Hồ hĩa cĩ nghĩa là làm trương nở và phá vỡ các hạt tinh bột trong dung dịch nĩng, nhờ vậy các enzyme amylase sẽ dễ dàng tác dụng hơn tinh bột chưa được hồ hĩa do cải thiện sự tiếp xúc giữa các enzyme với amylose và amylopectin trong tinh bột. - Dịch hĩa: Dưới tác dụng của α - amylase các chuỗi dài amylose và amylopectin sẽ bị nhanh chĩng cắt đứt thành những chuỗi nhỏ hơn, vì thế nên độ nhớt trong dịch nấu giảm rất nhanh. Enzyme β - amylase chỉ cĩ thể cắt ở cuối mạch của amylose và cuối mạch nhánh của amylopectin, mỗi lần cắt tạo 2 gốc glucose. Dịch hĩa cĩ ý nghĩa làm giảm độ nhớt trong dung dịch tinh bột đã hồ hĩa bởi α - amylase.
- Đường hĩa: enzyme α-amylase tuần tự phân cắt các chuỗi của amylose và amylopectin thành dextrin cĩ từ 7 – 12 gốc glucose cịn lại, β - amylase tách 2 gốc từ đuơi cịn lại của α - amylase đã cắt để hình thành các chuỗi nhỏ hơn. Các loại đường khác như maltotriose và glucose cĩ độ dài của chuỗi khác nhau cũng được hình thành.
Ngành Cơng nghệ thực phẩm – Khoa Nơng nghiệp & SHƯD Trang 40
Đường hĩa tinh bột phải được kiểm tra, bởi vì những tinh bột và dextrin chưa phân cắt sẽ là nguyên nhân gây đục cho bia. Mức độ đường hĩa của tinh bột được kiểm tra bằng dung dịch iodine 0.02N (dung dịch iodine và potassium iodine trong cồn), việc kiểm tra phải được thực hiện trên mẫu đã ngâm lạnh.
Khi thử với iodine với tinh bột thì màu cho ra sẽ phụ thuộc vào chiều dài của chuỗi, cụ thể là phụ thuộc vào các gốc của glucose:
• Nếu số gốc của glucose trên 60 thì cho ra màu xanh hay màu tím (amylodextrin).
• Nếu từ 40 - 50 thì cho ra màu đỏ cà phê (erytrodextrin).
• Nếu dưới 40 thì khơng bắt màu (axtrodextrin hay maltodextrin).
Tĩm lại đường hĩa cĩ nghĩa là sự thủy phân hồn chỉnh các tinh bột ra maltose và dextrin bởi các hệ enzyme amylase. Sử dụng iodine để kiểm tra xem mức độ hồn chỉnh của quá trình.
Sản phẩm của sự thủy phân tinh bột trong quá trình nấu phải phù hợp với khả năng lên men của nấm men từng loại bia:
• Dextrin: khơng được nấm men sử dụng để lên men.
• Maltotriose: phù hợp cho giống men nổi, chiếm khoảng 2% trong dịch đường.
• Maltose: lên men dễ dàng và nhanh chĩng bởi nấm men, thường chiếm khoảng 59% trong dịch đường.
• Glucose: là đường được lên men trước nhất thường chiếm khoảng 14% trong dịch đường.
• Sucrose: lên men nổi và chìm chiếm 6% trong dịch đường.
Thành phần quan trọng nhất của bia là cồn được sinh ra trong quá trình lên men từ dịch đường 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 và khơng phản ứng màu với iodine. Sự thủy phân tồn diện rất cần thiết cho hiệu quả kinh tế, ngược lại các tinh bột cịn sĩt sẽ gây đục bia sau này.
Người ta phân biệt độ lên men dịch đường như sau:
• Độ lên men biểu kiến: được đo khi bia cịn giữ nguyên cồn.
Ngành Cơng nghệ thực phẩm – Khoa Nơng nghiệp & SHƯD Trang 41
nguyên thủy.
• Độ lên men triệt để: là độ lên men biểu kiến tối đa đạt được sau khi lên men hồn tồn các đường cĩ thể lên men được. Thơng thường các loại bia vàng độ lên men triệt để khoảng 80%.
Sự thủy phân protein
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 trị rất quan trọng, tham gia trực tiếp vào sự hình thành chất lượng bia. Các phân tử protein cĩ phân tử lượng thấp (amino acid và peptid) là nguồn thức ăn chính của nấm men. Các protein cĩ phân tử lượng trung bình (albumose, pepton, polypeptid) tham gia vào việc tạo bọt, gây cho bia cĩ khả năng tạo bọt lâu, cịn các protein cĩ 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 (peptid bậc thấp và amino acid).
- Ở giai đoạn đường hĩa tạo nhiều protein bậc trung (albumose, pepton, peptid bậc cao) một phần protein hịa tan sau khi đường hĩa hoặc những quá trình về sau như đun sơi với hoa houblon, làm nguội... chúng sẽ bị kết tủa và bị thải bỏ. Phần khác cịn 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.
Hoạt động thủy phân protein xảy ra hữu hiệu nhất là ở 45 – 550
C, ở điểm nghỉ 450C sẽ thu được nhiều sản phẩm phân tử lượng thấp, ở 550
C sẽ thu được nhiều chất cĩ phân tử lượng cao. Nấm men tiêu thụ ít nhất từ 10 – 14 mg α - amino nitrogen/100 ml dịch đường. Nếu điều kiện trên khơng được đảm bảo thì nấm men tăng trưởng yếu, quá trình lên men chính và phụ chậm lại hay mùi bia chưa chín bị giữ lại trong bia.
Vì vậy việc cung cấp đầy đủ lượng α - amino acid cho nấm men để đảm bảo quá trình trao đổi chất rất là cần thiết. Dịch đường chế biến từ các loại malt cĩ độ phân giải bình thường luơn cĩ đủ lượng α - amino acid cần thiết, pH cũng làm ảnh hưởng quá trình thủy phân protein, ở pH = 5 khối lượng các chất cĩ nitrogen hịa tan kể cả amino acid, peptide, peptone và albumose sẽ tăng lên.
Ngành Cơng nghệ thực phẩm – Khoa Nơng nghiệp & SHƯD Trang 42
nhiều nhất về khối lượng và cĩ ý nghĩa hơn cả trong cơng nghệ sản xuất bia. Ở giai đoạn ươm mầm, fitin đã bị thủy phân cục bộ nhưng với tốc độ bé. Đến giai đoạn đường hĩa quá trình này mới xảy ra với tốc độ tối đa dưới sự xúc tác của enzyme fitase, xúc tác phân cắt acid phosphoric khỏi phân tử amylopectin. Nhiệt độ tối ưu của enzyme này là 45 – 500
C, pH tối thích 5.2 – 5.3.
Sự thủy phân fitin và những hợp chất hữu cơ khác chứa phospho, kèm theo đĩ là sự giải phĩng acid phosphoric đã làm cho độ chua định phân và tính đệm của dịch cháo tăng lên. Điều này rất cĩ ý nghĩa trong cơng nghệ sản xuất dịch đường, vì sự tăng độ chua của dịch cháo luơn kèm theo sự tăng hiệu suất đường hĩa và nhiều ảnh hưởng khác đến dịch đường thu được.
Thủy phân hemicellulose: Sự thủy phân hemicellulose mang hai ý nghĩa: thứ nhất là
cung cấp bổ sung chất hịa tan cho dịch đường, thứ hai là phá bỏ hàng rào chắn tạo điều kiện cho các enzyme cịn lại hoạt động. Tham gia thủy phân hemicellulose là nhĩm enzyme sitase, nhiệt độ tối ưu là 450C, pH là 5.0.
Ở giai đoạn đường hĩa các hợp chất cao phân tử khác cũng bị thủy phân bởi các enzyme tương ứng.
Các quá trình khác: Một phần các chất phosphate hữu cơ khơng hịa tan, tiếp tục
hịa tan bởi men phosphatase, các men này cần thiết cho quá trình lên men cồn. Chúng phản ứng với các muối tạo nên độ cứng của nước, gĩp phần làm thay đổi pH và hệ đệm của dịch đường.
Trong quá trình nấu, nếu ta tăng thêm nhiệt độ và kéo dài thời gian, các tanin và anthocyanogen được hịa tan từ vỏ trấu và từ nội nhũ tăng thêm. Quá trình này cần được kiểm tra và điều chỉnh trong phạm vi giới hạn của mẽ nấu. Các tanin cĩ phân tử lượng cao và anthocyanogen giữ vai trị thiết yếu trong việc tạo đục bia, gây ảnh hưởng bất lợi cho vị bia, chúng kết hợp với protein phân tử lượng cao và kết tủa.. Các tanin cĩ phân tử lượng thấp cĩ phạm vi hoạt động yếu hơn nếu quá trình nấu ngăn chặn được sự xâm nhập của oxy.
4.1.4.2. Nấu gạo
Mục đích của quá trình thủy phân tinh bột gạo bằng enzyme là để phân cắt amylo, amylopectin và dextrin bậc cao thành đường đơn giản, dextrin bậc thấp dễ hịa tan vào nước trở thành chất hịa tan của dịch đường. Tinh bột gạo đĩng vai trị là cơ chất cịn chất xúc tác là nhĩm enzyme amylase cĩ sẵn trong malt lĩt.
Ngành Cơng nghệ thực phẩm – Khoa Nơng nghiệp & SHƯD Trang 43
Giai đoạn 1: Cho khoảng 730kg bột gạo và 14hl nước vào bộ phận phối trộn rồi cho vào nồi. Sau khi cho bột vào, bổ sung malt lĩt khoảng 50 kg đã được hịa với nước cung cấp enzyme α - amylase cắt tinh bột thành các dextrin mạch ngắn làm giảm độ nhớt cho dịch cháo. Gia nhiệt lên 720
C giữ trong 20 phút, khi này cánh khuấy hoạt mạnh, đây là nhiệt độ tối thích cho enzyme α - amylase hoạt động, đồng thời trong giai đoạn này cũng cĩ bổ sung thêm khoảng 50 ml acid H2SO4 (98%) vào nhằm tạo mơi trường pH thích hợp cho enzyme α - amylase và giúp quá trình thủy phân tinh bột nhanh hơn.
Giai đoạn 2: nâng lên 830
C, giữ trong 5 phút. Đây là nhiệt độ hồ hĩa của tinh bột gạo, các hạt tinh bột hút nước trương nở, mạch tinh bột duỗi thẳng. Ở giai đoạn này độ nhớt tăng rất nhanh. Tinh bột đã được hồ hĩa, tác dụng phân cắt của enzyme sẽ nhanh mạnh hơn.
Giai đoạn 3: Hạ nhiệt độ xuống 720
C bằng cách bơm 5 hl nước vào. Trong thời gian hạ nhiệt này bổ sung malt lần 2. Ở nhiệt độ này, enzyme α - amylase hoạt động mạnh, mặt khác tinh bột đã được hồ hĩa phần bên trong nên quá trình thủy phân tinh bột diễn ra rất nhanh, độ nhớt giảm rõ rệt. Khi hạ nhiệt độ tới 770
C thì bổ sung 50 kg malt lĩt và 2 hl nước.
Giai đoạn 4: đun sơi 1000
C và giữ khoảng 25 - 30 phút: giúp tinh bột hồ hĩa hồn tồn.
4.1.4.3. Nấu malt
Khi nhiệt độ nồi gạo đạt 930
C - 940C trong quá trình nâng nhiệt đến nhiệt độ sơi 1000C thì tiến hành xuống bột malt vào nồi malt. Sử dụng 2050 – 2100 kg bột malt hịa trộn với 64 hl nước ấm cĩ nhiệt độ 500
C, đồng thời ta bổ sung 700ml acid lactic để tạo pH thích hợp cho q trình thủy phân và bổ sung 2,3 kg CaCl2 để ổn định hệ enzyme amylase. Ca2+ làm tăng độ acid của hồ malt do liên kết với muối phosphate trong malt giúp quá trình thủy phân tạo dịch đường diễn ra thuận lợi hơn.
Trong quá trình này enzyme protease cũng hoạt động và thủy phân protein cĩ trong malt. Các sản phẩm thủy phân protein cĩ phân tử lượng thấp là nguồn dinh dưỡng cung cấp nitơ cho nấm men, cịn các phân tử lượng trung bình tham gia vào việc tạo vị, tạo bọt và khả năng bền bọt cho bia.
Gai đoạn 650C: Nhà máy khơng cĩ giai đoạn đạm hĩa ở 500C nên sau khi xuống bột malt xong ta tiến hành hội cháo, dịch cháo từ nồi gạo được bơm từ từ qua nồi malt. Trong quá trình này, cánh khuấy hoạt động nhanh để nhiệt độ luơn đồng điều và tăng
Ngành Cơng nghệ thực phẩm – Khoa Nơng nghiệp & SHƯD Trang 44
khả năng tiếp xúc giữa enzyme với cơ chất. Lượng nước tráng rửa nồi gạo cũng được bơm qua nồi malt sau khi bơm hết cháo.
Sau khi hội cháo thì nhiệt độ nồi malt đạt khoảng 650
C, giữ nhiệt độ nồi malt 650 C trong 25 – 30 phút, pH = 5.5 – 5.6, nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho enzyme β - amylase hoạt động. Tinh bột bị thủy phân tạo ra đường maltose, glucose và một ít dextrin đối với amylopectin.
Giai đoạn 750
C: Nâng nhiệt độ lên 750
C và giữ trong 15 – 20 phút để tạo điều kiện thích hợp cho enzyme α - amylase hoạt động, thủy phân tinh bột cịn lại để quá trình đường hĩa diễn ra hồn tồn. Sản phẩm của quá trình thủy phân chủ yếu là các dextrin, một ít maltose và glucose. Độ nhớt của dịch đường giảm nhanh.
Giai đoạn 760
C: Tiếp tục nâng nhiệt độ của dịch đường lên 760
C. Nhiệt độ được nâng lên 760C nhằm bù trừ nhiệt mất đi trong quá trình bơm dịch đường qua máy lọc, duy trì nhiệt độ thích hợp cho máy lọc hoạt động ở 750
C. Nhiệt độ được giữ trong 5 phút để cánh khuấy hoạt động phân phối đều và ổn định nhiệt độ tại các nơi trong dịch đường. Sau đĩ dịch đường được bơm sang máy lọc.
Quá trình nâng nhiệt để đảm bảo máy lọc hoạt động ở 750
C là điều kiện tối thích để enzyme α-amylase hoạt động tiếp tục thủy phân tinh bột đã bị hồ hĩa tạo thành đường.
4.1.5. Lọc
Mục đích: tách dịch đường với vỏ malt và những phần nội nhủ khơng tan. Ngồi ra, quá trình lọc cịn mong muốn loại theo bã những chất khơng mong muốn như kim loại nặng, tanin, lipid…
Khi nào dịch lọc trong đạt yêu cầu thì bơm sang nồi sơi hoa. Thời gian đầu tốc độ lọc nhanh, sau đĩ chậm dần do các mươn mao dẫn ở lớp lọc bị tắc. Trong trường hợp này cần tạo lại lớp lọc bằng cách dùng kích thủy lực hạ hệ thống lưỡi dao xuống và cho quay để xáo trộn lớp lọc.
Ban đầu lọc dịch cốt với thể tích khoảng 77 hl, độ hịa tan 180
P. Sau đĩ bơm 105 hl nước vào để rửa bã, nhiệt độ nước rửa 760
C, lọc trong 1,5 – 2 h tiếp tục bơm 194 hl nước.
Khi quá trình lọc đầu tiên kết thúc, lớp bã được rửa bằng nước nĩng 760C. Quá trình rửa kết thúc khi nồng độ đường trong nước rửa bã hạ xuống cịn 1 - 1,5P. Bã malt được hệ thống dao cào dồn về chỗ cĩ lổ hổng để tháo bã ra ngồi qua đáy.
Ngành Cơng nghệ thực phẩm – Khoa Nơng nghiệp & SHƯD Trang 45