3. Tình hình sản xuất bia nồng độ cao trên thế giới và ở Việt Nam
2.3.1. Phương pháp lên men cổ truyền
Phương pháp này lên men ở nhiệt độ thấp từ 6 – 100C trong 7 – 10 ngày, lên men phụ từ 1 – 2 tháng.
Ưu điểm: hương vị tạo ra đậm đà hơn, thiết bị lên men đơn giản, dễ chế tạo. Nhược điểm: Đòi hỏi nhiều thiết bị do lên men chính và lên men phụ được tiến hành trong hahi thiết bị riêng biệt trong phòng lạnh khác nhau. Vì thế chi phí đầu tư xây dựng, lắp đặt, chế tạo thiết bị tốn kém và còn phải thiết kế thêm một bơm từ thùng lên men chính qua thùng lên men phụ khi kết thúc giai đoạn lên men chính.
Phòng làm lạnh phải có thiết bị bảo ôn rất tốn kém, giá đầu tư cao, tiêu hao năng lượng kéo theo giá thành sản phẩm cao. Mặt khác, quá trình bơm từ thùng lên men chính qua thùng lên men phụ không tránh khỏi tổn thất và dễ bị nhiễm tạp.
2.3.2. Phương pháp lên men gia tốc
Quá trình lên men chính và lên men phụ được tiến hành trong cùng một thiết bị có hệ thống áo lạnh bên ngoài để nhiệt độ của ai quá trình lên men. Nhiệt độ lên men chính 10 – 120C trong 7 - 10 ngày, lên men phụ từ 0 – 20C trong 8 – 12 ngày.
Ưu điểm: thời gian lên men nhanh, rút ngắn hơn so với phương pháp lên men cổ điển, thiết bị lên men gọn, ít tổn thất diện tích mặt bằng phân xưởng.
Nhược điểm: lên men ở nhiệt độ cao nên có nhiều sản phẩm phụ không tốt cho chất lượng của bia. Tuy nhiên chất lượng bia tạo ra cũng không khác xa lắm so với phương pháp lên men cổ truyền.
Nhà máy sử dụng phương pháp lên men gia tốc để sản xuất bia.
2.4. Thuyết minh quy trình sản xuất 2.4.1. Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất bia
Đại mạch Việt Nam Neutrase Cao viên, cao hoa Malt Nghiền Nước Nghiền
Hòa malt Hòa bột
Đạm hóa Hồ hoá và dịch hóa Termamyl, Cereflo
Đường hóa
Lọc dịch
đường Bã
Dịch đầu Rửa bã Nước
Dịch rửa bã
Nấu hoa Đường
Lắng trong
Làm lạnh nhanh Cặn
Lên men chính Nhân giống Men giống Men Xử lý lại Nấm men Lên men phụ Lọc trong bia
Bão hòa CO2 Thức ăn
gia súc Thu hồi CO2 Xử lý CO2 tinh khiết
Chiết bock Chiết chai, dập nắp
Bảo quản lạnh Thanh trùng
Bia hơi thành phẩm Dán nhãn, bảo quản Chai Chuẩn bị chai Bia hơi thành phẩm Xếp két
2.4.2. Thuyết minh quy trình
2.4.2.1. Nghiền nguyên liệu
a. Nghiền malt
Mục đích: Nghiền nhỏ malt (phá vỡ cấu trúc tế bào) để tăng bề mặt tiếp xúc với nước làm cho sự xâm nhập của nước vào các thành phần nội nhũ nhanh hơn, thúc đẩy quá trình các quá trình thủy phân xảy ra nhanh, triệt để nhằm thu được nhiều chất hòa tan (chất chiết) nhất đạt nồng độ yêu cầu của dịch đường, có lợi cho sản xuất và chất lượng sản phẩm, hạn chế các chất không có lợi tan vào dịch đường và sử dụng tốt nhất các thành phần của malt (chất hòa tan, vỏ…)
Cách tiến hành
- Nghiền malt: Malt được cân định lượng cho từng mẻ nấu rồi được nghiền ướt. Đây là phương pháp nghiền mà trong đó malt và nước được phối trộn với nhau theo tỷ lệ nhất định.
- Ưu điểm của phương pháp nghiền malt ướt: giữ được lớp vỏ malt được nguyên vẹm do lớp vỏ malt cũng như các thành phần khác của malt sẽ được hấp thụ nước trở nên mềm và dai hơn. Các thành phần của malt bị nghiền ép dễ dàng tách ra khỏi hạt trong khi vỏ trấu hầu như không bị tổn hại, do đó có lợi cho quá trình tách chiết chất tan, trong khi đó thì các thành phần của hạt được nghiền mịn nên các thành phần được sử dụng tốt hơn. Bên cạnh đó phương pháp này còn tiết kiệm thời gian và chi phí sản xuất.
- Nhược điểm của phương pháp: giá thành đầu tư cao hơn so với phương pháp nghiền thông thường.
b. Nghiền đại mạch
Mục đích: Nghiền đại mạch tương tự như nghiền malt. Đại mạch được cân lên từng mẻ và được nghiền bằng máy nghiền búa. Đại mạch được nghiền càng mịn càng tốt để tăng khả năng tiếp xúc giữa các phần tử và enzyme, tinh bột dễ chuyển thành dạng hòa tan và trương nở tốt hơn, do đó enzyme dễ phân cắt tinh bột thành đường.
Ưu, nhược điểm:
- Ưu điểm: thiết bị dễ chế tạo, vận hành đơn giản. - Nhược điểm: búa chóng hỏng, dễ tạo bụi.
2.4.2.2. Quá trình đường hoá
Quá trình đường hoá hay quá trình nấu là quá trình quan trọng chất trong quá trình chuẩn bị dịch lên men. Trong suốt quá trình đường hóa; malt, đại mạch đã được nghiền và nước trộn với nhau, các thành phần của malt hòa tan vào nước và ta thu được dịch đường.
Trong đại mạch, hoạt lực diastase khoảng 35 – 40 WK, chỉ số này thấp hơn so với malt đại mạch nhưng lại là đặc tính mà các nguyên liệu thay thế khác không có được. Đặc biệt, nhiệt độ hồ hóa của đại mạch nằm trong khoảng 55 – 650C, thấp hơn nhiều so với gạo (75 – 850C) nên dịch hóa ở nhiệt độ thấp và có thể dùng trực tiếp với malt, do đó tiết kiệm năng lượng cho quá trình nấu.
Các biến đổi xảy ra trong quá trình đường hóa (các quá trình thủy phân quan trọng):
Thủy phân tinh bột:
Cấu tử quan nhất của bia là rượu được tạo thành trong quá trình lên men đường. Tinh bột được thủy phân thành các loại đường trong đó phần lớn là maltose. Ngoài ra còn các sản phẩm trung gian như dextrin – không lên man được.
Tinh bột đươc thủy phân thành đường và dextrin, hỗn hợp này không làm mất màu I2. Xét về mặt kinh tế, thủy phân càng hết tinh bột càng tốt bởi phần tinh bột còn sót lại gây đục bia thành phẩm.
Quá trình thủy phân tinh bột xảy ra theo 3 giai đoạn, trình tự không thể thay đổi tuy nhiên cúng xen lẫn nhau: hồ hóa, dịch hóa và đường hóa.
- Hồ hóa: Khi ngâm với nước nóng, một lượng nước lớn ngấm vào các phân tử tinh bột làm thể tích hạt tăng lên và hạt bột trương nở, cuối cùng vỡ tung. Dịch trở nên nhớt, độ nhớt tùy thuộc mức độ hút nước của bột malt và nguyên liệu thay thế. Trong quá trình này, xảy ra quá trình phân hủy không có tính hóa học gọi là quá trình hồ hóa. Sau khi tinh bột đã hồ hóa sẽ không liên kết chặt chẽ với nhau nữa, tạo điều kiện cho các enzyme có trong dịch nấu tấn công trực tiếp vào tinh bột. Ngược lại, sự thủy phân các tinh bột không bị hồ hóa phải mất vài ngày. Như vậy, nhờ hồ hóa, tức là sự trương nở và vỡ tung các hạt bột trong nước nóng mà các phân tử tinh bột được giải phóng tự do vào dịch nhớt và dễ dàng bị tấn công bởi các enzyme amylase hơn các hạt tinh bột không được 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 mất nhiều thời gian.
- Đường hóa: α – amylase phân cắt dần dần mạch amylase 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 các chuỗi có 2 gốc (maltose) từ đầu không khử. Sự phân cắt này của β – amylase diễn ra lâu hơn sự phân cắt các mạch dài của α – amylase.
Do có sự khác nhau về độ dài của các mạch mà ngoài sự tạo thành maltose còn tạo nên các đường khác nhua như glucose, maltotriose. Trong quá trình phân cắt amylopectin luôn luôn hình thành các chuỗi chứa 2 – 3 gốc glucose có mối liên kết 1,6 đó là các dextrin mà cả α, β – amylase đều không phân cắt được. Do vậy các dextrin luôn tồn tại trong dịch đường.
Trong malt còn chứa enzyme dextrinase giới hạn, enzyme này không giống α, β – amylase, nó có thể phân cắt liến kết 1,6 nhưng do nhiệt độ tối ưu của enzyme này là 55 – 650C và vô hoạt ở 650C cho nên enzyme này có ảnh hưởng rất nhỏ trong quá trình đường hóa.
Các sản phẩm thủy phân tinh bột hình thành trong quá trình đường hóa liên quan nhiều đến hoạt động của nấm men.
Dextrin: không lên men được; maltose: có thể lên men được bởi một số chủng nấm men lên men nổi (tuy nhiên nó chỉ được lên men sau khi maltose đã lên men hết – lên men chậm); maltose và các disaccharid khác được nấm men lên men dễ dàng (loại đường lên men chủ yếu); glucose là đường nấm men sử dụng đầu tiên trong quá trình lên men.
Thủy phân β – glucan:
Thành tế bào nội nhũ của đại mạch chứa một mạng lưới các protein, cellulose và hemicellulose vững chắc, các chất này liên kết với nhau bởi β – glucan. β – glucan có phân tử lượng lớn có xu hướng tạo gel trong nhiều môi trường và làm tăng độ nhớt của dịch đường và bia gây cản trở quá trình lọc. Vì vậy cần phải kiểm soát kỹ
β – glucan. Khác với cấu trúc xoắn của tinh bột, cấu trúc của β – glucan không phân nhánh mà được mở rộng. Một số phân tử β – glucan xoắn vào nhau hoặc liên kết hydro. Do có hình dáng bề ngoài không theo quy luật nào, có các tua dài ra giống như diềm tấm thảm, vì vậy còn được gọi là các mixen tua. Ở dạng này chúng hòa tan được. Một số các mixen liên kết với nhau tạo thành một mạng lưới và một phần liên kế vững chắc bao bọc protein trong thành nội nhũ, đây chính là các thành phân của malt khó biến đổi, cũng là trạng thái hạt đầu tiên trước khi bắt đầu nấu. Trong suốt quá trình hồ hóa, cấu trúc của các hạt tinh bột bị phá vỡ và các sợi mixen bao bọc protein cùng các mối liên kết bị cọ mòn, nới rộng ra nên protein được giải phóng dần ra. Endo – β – glucanase chỉ có thể phân cắt phần β – glucan của các mixen này. Nhiệt độ tối ưu của endo – β – glucanase là 45 – 500C. Khi giữ nhiệt độ này trong thời gian dài và sử dụng malt chất lượng tốt với hàm lượng endo – β – glucanase cao thì phần lớn β – glucan bị phân hủy sang dạng hòa tan và do vậy khả năng tạo keo giảm. Tuy nhiên enzyme nay rất nhạy với nhiệt độ nên ngay khi nhiệt độ tăng làm cho endo – β – glucanase bị vô hoạt. Lúc này enzyme ít nhạy với nhiệt độ β – glucan solubilase hoạt động và giải phóng các β – glucan cao phân tử và protein từ phần hạt chuyển hóa kém, và không thủy phân xa hơn nữa. Bởi vì endo – β – glucanase đã bị vô hoạt từ lâu ở nhiệt độ 700C nên với malt chất lượng kém, malt chứa ít enzyme thì các β – glucan cao phân tử luôn tồn tại với số lượng lớn nhưng không thể coi nó giống như gel β – glucan. Vấn đề xảy ra đầu tiên là sự thủy phân một phần các liên kết hydro với sự có mặt các β – glucan trong khoảng nhiệt độ 70 – 800C, nói cách khác trong suốt quá trình đun sôi dịch đường và trong quá trình làm nguội. β – glucan được hoạt hóa lên trong thời gian làm nguội dịch đường và có những phản ứng khác nhau. Để không tạo nên các β – glucan cao phân tử hay không tạo gel thì nên: Sử dụng malt chất lượng tốt, có hàm lượng enzyme cao; giảm áp suất từ từ sau khi đun sôi dịch đường và làm nguội chậm; kéo dài thời gian lắng và không tạo dòng xoáy để tránh tạo lực hút, nếu không liên kết hydro tái tạo lại và nguy cơ tạo gel.
Thủy phân protein:
Kết thúc quá trình đun sôi dịch đường, tất cả các protein cao phân tử kết tủa, trừ một lượng rất nhỏ. Do vậy mà dịch đường chỉ chứa các sản phẩm thủy phân, một số
các sản phẩm này vô cùng cần thiết cho sự phát triển của nấm men và cho sư lên men nhanh. Sự phân hủy protein nhờ enzyme protease diễn ra mạnh nhất tại 45 – 550C nhưng còn tiếp diễn ở nhiệt độ cao hơn. Khi giữ 450C trong thời gian dài sẽ tạo các sản phẩm có phân tử lượng thấp, ở 550C sẽ tạo các hợp chất có phân tử lượng cao hơn. Trong quá trình tủy phân, protein bị phân cắt dần dần thành các mạch nhỏ hơn và cứ thế để cuối cùng thành các acid amin. Do các hợp chất cao phân tử tạo thành trong quá trình thủy phân protein lại tiếp tục bị phân cắt cho nên thời gian để tạo thành chúng không cần kéo dài, đặc biệt khi mà các chất keo, tạo bọt bị phân hủy ở cùng nhiệt độ. Nếu kéo dài thời gian đường hóa ở 500C thì bia sẽ tạo bọt ít.
Một vấn đề khác cần xét đến là số lượng và tầm quan trọng của các acid amin. Nấm men dung ít nhất là 10 – 14 mg α – amino nitrogen / 100 ml dịch đường. Bởi vì acid amin prolin không được nấm men dùng làm chất cung cấp α – amino nitrogen, hàm lượng nitrogen ít nhất phải là 20 mg/100 ml dịch đường. Nếu nồng độ này không được đảm bảo thì sự phát triển nấm men bị chậm lại; quá trình lên men và tạo hương, độ chín của bia bị chậm lại, do đó các hợp chất tạo hương vị không mong muốn cho bia vẫn tồn tại trong bia. Do đó, cần cung cấp đủ các amino acid cho nấm men thực hiện quá trình trao đổi chất. Dịch đường từ malt đã được biến đổi tốt thì luôn luôn chứa đủ các acic amin cần thiết, đảm bảo thời gian đạm hóa trong khoảng 15 – 30 phút ở 50 – 520C.
Các quá trình thủy phân và hòa tan khác: Một số các chất hữu cơ có gốc photphat chưa hòa tan sẽ được hòa tan bới các enzyme photphatase. Các photphat vô cùng quan trọng cho quá trình lên men rượu. Một số photphat phản ứng với muối tạo 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.
Trong khi đường hóa, cùng với thời gian nếu tăng nhiệt độ thi tanin và anthocyanogen được giải thoát từ vỏ trấu và từ nội nhũ. Quá trình này cần khống chế trong suốt quá trình đường hóa.
Các chất tanin cao phân tử, đặc biệt là các anthocyanogen giữ vai trò chính trong việc tạo đục trong bia khi chúng kết hợp với các protein cao phân tử tạo nên kết tủa. Hơn nữa, các chất này còn tạo vị khó chịu cho bia. Ngược lại, các tanin thấp phân
tử có tác động hữu ích do có tính khử. Tính khử có tác dụng tránh hòa tan oxy trong quá trình sản xuất dịch 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, do 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 và quá trình khử diacetyl xảy ra không hoàn toàn. Vì thế vần phải giữ càng nhiều Zn trong malt càng tốt.
Tuy nhiên chỉ có 20% lượng Zn trong malt hòa tan vào dịch đường khi nấu và hàm lượng Zn còn giảm nữa khi nấu. Nồng độ Zn tốt nhất là 0,1 – 0,15 mg/l.
Các điều kiện thuận lợi để tạo ra hàm lượng Zn cao hơn: pH thấp; nhiệt độ nấu thấp; tỷ lệ bột/nước thấp = 1/ 2,5 – 1/3.
Ngoài ra, quá trình đường hóa phải luôn đảm bảo nhiệt độ thích hợp và pH dịch đường trong khoảng 5,2 – 5,8, tốt nhất là 5,5 – 5,6. Điều này có vai trò:
- Rút ngắn, tối ưu hóa quá trình đường hóa - Độ lên men cuối đạt cao hơn
- Tạo ra nhiều sản phẩm thủy phân protein thấp phân tử ít hơn các protein cao phân tử.
- Giảm độ nhớt, lọc dịch đường nhanh hơn - Hạn chế tăng màu khi đun sôi dịch đường
- Năng suất sản xuất tăng và giảm khả năng tạo độ đắng