Chương 4 CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT BIA
4.1. Sản xuất dịch đường huoblon hĩa
Sơ đồ quy trình sản xuất dich đường houblon hĩa
Gạo
Làm sạch Malt
Làm sạch
Nghiền Nghiền
Giai đoạn sơi Giai đoạn 820 C Giai đoạn 720 C Giai đoạn 720 C Hịa bột Malt lĩt lần 2 Nước lạnh Hịa bột Nước 260 C Giai đoạn 650 C Hồi cháo Malt lĩt lần 1 Giai đoạn 750 C Bã hèm Lọc hèm Nồi chờ
Nồi đun sơi Houblon, phụ gia
Lắng xốy
Làm lạnh Sục khí Thải tủa
Nguồn tài liệu quản lí chất lượng cơng ty bia Sài Gịn
Xilo gạo Xilo Malt
Giai đoạn 760 C
Ngành Cơng nghệ thực phẩm – Khoa Nơng nghiệp & SHƯD Trang 36
4.1.1. Làm sạch
Trong quá trình sản xuất, vận chuyển malt và gạo cĩ thể bị lẫn nhiều tạp chất khơng mong muốn như rơm rác, cát, đá, kim loại, sâu bọ,…. Do đĩ cần phải làm sạch để loại bỏ những tạp chất đĩ trước khi nghiền nguyên liệu. Mục đích: tách bỏ rơm rác, cát đá, kim loại lẫn vào nguyên liệu, đồng thời cân khối lượng đủ nấu cho một mẻ.
Malt và gạo từ silơ chứa được xích tải đứng vận chuyển đến sàng rung để tách rơm rác. Sau đĩ được chuyển xuống máy tách đá nhằm loại bỏ đất cát, đá. Sàng rung và máy tách đá đều cĩ bố trí nam châm để hút kim loại ở cửa ra, vì kim loại hay đá vào máy nghiền sẽ rất nguy hiểm. Tiếp đĩ, malt và gạo được xích tải chuyển xuống cân định lượng rồi đến máy nghiền. Mỗi lần cân định lượng là 10 kg.
4.1.2. Nghiền
Mục đích: là đạp nhỏ hạt thành nhiều mảnh nhỏ để tăng diện tích tiếp xúc giữa nguyên liệu với nước, giúp quá trình thấm nước vào hạt nhanh hơn, tăng nhanh tốc độ hồ hĩa, thủy phân.
Thành phần cấu tạo chủ yếu của malt là vỏ và nội nhũ, hai hợp phần này khác nhau về thành phần và tính chất nên vai trị và chức năng trong cơng nghệ sản xuất dịch đường cũng khác nhau. Vỏ của hạt malt chứa chủ yếu là cellulose, linhin, các hợp chất polyphenol và các chất khống, ngồi ra cịn chứa các chất màu, một ít pentozan và chất đắng. Cellulose và linhin là những hợp chất khơng hịa tan trong nước và khơng hề bị thay đổi cấu trúc khi bị tác động của hệ enzyme trong malt. Một lượng khơng đáng kể pentozan bị thủy phân tạo thành một số đường đơn giản, hịa tan được. Tất cả những chất cịn lại của vỏ, chúng cĩ thể hịa tan vào nước và đi vào thành phần dịch đường. Sự cĩ mặt của các chất hịa tan trong dịch đường là một dấu hiệu bất lợi vì chúng sẽ làm cho bia cĩ vị đắng và chát khĩ chịu. Nếu vỏ nghiền càng nhỏ thì lượng hịa tàn các chất đắng và chát càng dễ hịa tan vào dịch đường. Vì vậy nghiền làm sao cho vỏ cịn giữ được nguyên ven càng tốt. Mặt khác, sau khi đường hĩa khối cháo phải qua khâu lọc để tách bã khỏi pha lỏng, vỏ cĩ vai trị quan trọng là tạo nên lớp màng lọc. Nhờ cĩ vỏ trấu mà lớp lọc được kết cấu rất chắc chắn nhưng vẫn đảm bảo được độ xốp để tạo thành các mương mao dẫn để thốt nước. Do chênh lệch áp suất nên dịch chảy theo các mao dẫn xuống dưới tách khỏi bã đạt đến độ trong cần thiết. Nếu kích thước của vỏ trấu quá mịn thì khả năng lọc trong sẽ giảm, các mương dẫn dễ bị tắc, kết quả dẫn đến hiệu quả lọc kém.
Nội nhủ của malt chứa các thành phần mà sẽ cung cấp các chất chiết cho dịch đường cho nên nghiền càng mịn thành các thành phần này càng dễ dàng hịa tan. Nhưng
Ngành Cơng nghệ thực phẩm – Khoa Nơng nghiệp & SHƯD Trang 37
nghiền mịn quá thì cĩ điều bất lợi là phần cháo trong màng lọc sẽ nén rất chặt, thể tích của chúng ít, sẽ cản trở việc lọc dịch và đến lúc rửa bã sẽ khơng thể nào chiết rút được hết thành phần dinh dưỡng trong đĩ được.
Malt và gạo sau khi qua cân định lượng được xích tải tải lên máy nghiền búa để nghiền đạt độ mịn cần thiết. Tuy nhiên khơng nên nghiền quá mịn, vì đối với gạo khi gia nhiệt lên 1000C thì hầu như tất cả tinh bột gạo được hồ hĩa, tốn nhiều chi phí vơ ích, với lại nếu nghiền quá mịn, tốc độ hồ hĩa quá nhanh sẽ dẫn đến hiện tượng dính ở đáy nồi, dễ làm đáy nồi bị gỉ sét.
Nhà máy sử dụng phương pháp nghiền khơ và máy nghiền búa trong việc nghiền nguyên liệu.
Phương pháp nghiên khơ cĩ ưu điểm là: cĩ thể bảo quản nguyên liệu trước khi nấu, nghiền tốt malt cĩ độ nhuyễn và dễ dàng vệ sinh. Nhưng nhược điển của phương pháp nghiên khơ là: khơng giữ được vỏ malt nên làm tăng hàm lượng tanin hịa tan vào trong dịch đường, thất thốt tinh bột và gây bụi.
Máy nghiền búa cĩ ưu điểm là: năng suất nghiền lớn, dễ dàng điều chỉnh kích thước của hạt tinh bột, nguyên liệu sau nghiền mịn nên năng suất đường hĩa cao và cặn tạo thành ít. Nhược điểm của máy nghiền búa là: địi hỏi độ tinh sạch của nghiên liệu cao, làm tăng khả năng hịa tan của tanin và tạo β-glucan cản trở quá trình lọc.
4.1.3. Hịa bột
Mục đích: hịa tan bột với nước để nấu dễ và nhanh hơn.
Bột nghiền xong được vít tải đưa đến nồi nấu. Bột được hịa chung với nước trên đường ống đổ xuống nồi nấu trước khi vào nồi nấu. Hàm lượng tinh bột trong gạo rất lớn, nên ta phải hịa chung bột gạo với nước lạnh để tránh hiện tượng vĩn cục và khơng làm thối hĩa tinh bột. Cịn nước để hịa bột malt cĩ nhiệt độ khoảng 260C để khi hồi cháo khơng mất nhiều thời gian gia nhiệt lên.
4.1.4. Đường hĩa nguyên liệu
4.1.4.1. Hệ enzyme thủy phân trong quá trình đường hĩa
Sự phân cắt tinh bột thành các sản phẩm cấp thấp phân tử là kết quả của quá trình tác động của hệ enzyme amylase, bao gồm α-amylase, β-amylase và γ-amylase.
Hai enzyme α-amylase và β-amylase cùng phân cắt một mảnh cơ chất ở những vị trí liên kết khác nhau. Sản phẩm phân cắt của enzyme này là cơ chất của enzyme kia. Sự đồng tác động của các enzyme lên cơ chất bao giờ cũng đem lại hiệu quả cao hơn
Ngành Cơng nghệ thực phẩm – Khoa Nơng nghiệp & SHƯD Trang 38
so với sự tác động riêng rẽ.
Enzyme α – amylase
Hình 6. Sơ đồ hoạt động của enzyme α - amylase.
Nguồn Cơng nghệ sản xuất Malt & Bia, Hồng Đình Hịa
Enzyme α -amylase trong malt cĩ nhiệt độ tối thích là 72 – 760
C, pH tối thích 5.3 – 5.8, kém bền trong mơi trường acid, hoạt hĩa bởi Ca2+, kìm hãm bởi Cu2+, Hg2+ và vơ hoạt ở 800
C. Tác động lên mạch amylose và amylopectin của tinh bột và bẻ gãy các mối liên kết α - 1,4 glucoside. Sau một thời gian ngắn, tồn bộ mạch amylose và mạch chính của amylopectin bị cắt nhỏ thành các oligosaccharide gồm 6 – 7 gốc glucose. Nhờ cĩ quá trình này, độ nhớt của dịch cháo giảm đi một cách nhanh chĩng và màu xanh với iod cũng mất. Tiếp theo của quá trình thủy phân là tinh bột bị phân cắt thành chủ yếu là các dextrin, một ít glucose và maltose.
Enzyme β – amylase
Hình 7. Sơ đồ hoạt động của enzyme β-amylase
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