CHƯƠNG 3: QUY TRÌNH SẢN XUẤT 3.1. SƠ ĐỒ QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT
3.2. THUYẾT MINH QUY TRÌNH
3.2.1.1. Nghiền malt
• Mục đích:
Phá vỡ cấu trúc tế bào để tạo điều kiện thuận lợi và thúc đẩy các quá trình sinh lí, sinh hóa diễn ra trong quá trình đường hóa, nhằm làm thế nào thu được lượng chất hòa tan lớn nhất và thúc đẩy các quá trình thủy phân khác diễn ra triệt để hơn
• Mức độ nghiền nguyên liệu:
Phụ thuộc vào mức độ phân hủy của nó. Nếu malt có độ phân hủy kém thì cần phải nghiền mịn. Nhưng đối với malt phân hủy tốt thì chỉ nghiền thô. Mức độ nghiền cũng phụ thuộc vào phương pháp và thiết bị lọc.
Công ty cổ phần bia Sài Gòn-Miền trung sử dụng thiết bị lọc thùng đáy bằng nên yêu cầu tỉ lệ tấm như sau:
+ Vỏ 15 ÷ 18%
+ Tấm thô 18 ÷ 22%
+ Tấm mịn 30 ÷ 35%
+ Bột 25 ÷ 35%
3.2.1.2. Nghiền gạo
• Mục đích:
Do hạt tinh bột trong gạo chưa bị tác động bởi hệ enzim, cấu trúc còn rất cứng. Ở trạng thái như vậy rất khó bị phân hủy, do đó gạo phải được nghiền nhỏ như malt.
• Tỷ lệ các thành phần bột gạo sau khi nghiền:
+ Bột thô 20 ÷ 30%
+ Bột mịn 70 ÷ 80%
3.2.2. Nấu – Đường hóa nguyên liệu :
• Mục đích :
Nhằm chuyển về dạng hòa tan tất cả các chất có phân tử lượng cao nằm dưới dạng không hòa tan trong bột malt. Chúng sẽ kết hợp với các chất hòa tan có sẵn tạo thành chất chiết chung (extract)
Hiện nay công ty cổ phần bia Sài Gòn-Miền Trung nấu tỷ lệ malt : gạo là 60 : 40 %, một mẻ nấu khoảng 3600 kg. Vậy lượng malt là 2700 kg, gạo 900 kg.
• Các quá trình sinh hóa xảy ra trong quá trình nấu:
- Thủy phân tinh bột: Thành phần quan trọng nhất của bia là cồn được sinh ra trong quá trình lên men từ dịch đường. Vì vậy sự thủy phân tinh bột thành maltose rất quan trọng.
Dưới tác động của hệ enzim amylase thì amylase, amylopectin và dextrin bậc cao sẽ bị phân cắt thành đường đơn giản và dextrin bậc thấp, nhờ đó dễ hòa tan trong nước và trở thành chất hòa tan của dịch đường.
SVTH: Lê Thị Lệ Thi - 21 - Lớp 07CS
- Sự thủy phân protein: Quá trình thủy phân protein rất quan trọng tạo nên hàm lượng các chất chứa nitơ hòa tan (chiếm khoảng 5÷7%) so với tổng số chất hòa tan trong dịch nấu.
Các acid amin và peptid là nguồn dinh dưỡng cho nấm men và còn là cơ chất cho quá trình lên men rượu cao, còn các chất chứa nitơ có phân tử lượng trung bình (albumoza pepton, polypeptid) thì góp phần không nhỏ đế việc tạo vị đậm đà, tạo bọt và giữ bọt cho bia. Sự thủy phân protein gồm 2 giai đoạn:
+ Ở giai đoạn khô nảy mầm, do nhiệt độ thấp nên sự thủy phân sâu hơn và tạo nhiều protein bậc thấp (peptid bậc thấp và amino acid)
+ Ở giai đoạn đường hóa tạo nhiều protein bậc trung (albumoze pepton, peptid bậc cao), một phần protein hòa tan sau khi đường hóa hoặc những quá trình sau như đun sôi với hoa houblon làm nguội… chúng sẽ bị kết tủa và loại bỏ, phần khác còn lại trong dịch đường là các protein chịu nhiệt, phần lớn chúng tồn tại trong dịch đường là các protein chịu nhiệt, phần lớn chúng tồn tại trong dịch đường là các protein chịu nhiệt, phần lớn chúng tồn tại trong dịch đường ở dạng hòa tan sau khi đun sôi ở nhiệt độ cao.
Hoạt động thủy phân protein xảy ra hữu hiệu nhất là ở 45 ÷ 55oC nhưng khi ở nhiệt độ cao hơn giới hạn này, quá trình cũng không dừng lại ở điểm nghỉ (rest) 450 sẽ thu được nhiều sản phẩm phân tử lượng thấp.
Ở 55oC sẽ thu được nhiều chất có phân tử lượng cao. Trong quá trình thủy phân, các protein được phân cắt ra thành những sản phẩm thủy phân có phân tử lượng cao rồi lần lượt bắt đầu từ sản phẩm có phân tử lượng cao đến thấp dần, cho nên không phân biệt được ranh giới rõ ràng trong sự hình thành này, đặc biệt các chất keo để tạo bọt cũng thủy phân cùng nhiệt độ này.
Dừng lâu ở nhiệt độ 50oC sẽ luôn luôn tạo ít bọt trong bia. Một vấn đề khác nữa là tầm quan trọng của amino acid.
Nấm men tiêu thụ ít nhất từ 10-14 mg α amino nitrogen/100 ml dịch đường. Nếu điều kiện trên không bảo đảm thì:
+ Nấm men tăng trưởng yếu.
+ Quá trình lên men chính và phụ chậm lại.
+ 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 cho quá trình trao đổi chất là cần thiết.
- Thủy phân fitin và hemicellulose:
Thủy phân fitin có nghĩa cung cấp photpho cho quá trình sinh trưởng và phát triển của nấm men (fitin là hợp chất hữu cơ có chứa photpho). Sản phẩm tạo thành là các chất hữu cơ phân tử lượng bé và acid phosphoric. Xúc tác cho quá trình này là fitinase, có pH thích hợp 5,2÷5,3 tại nhiệt độ 45-50oC
Thủy phân hemicellulose có nghĩa thứ nhất là bổ sung chất hòa tan cho dịch đường (hexose, pentose), thứ hai là xóa bỏ hàng rào chắn tinh bột tạo điều kiện cho amylase hoạt động. Xúc tác cho quá trình này là sitase (hemicellulose), có pH thích hợp là 5, nhiệt độ thích hợp là 45oC.
- Các quá trình phi enzim:
+ Sự kết lắng và biến tính protein + Sự tạo thành melanoid
+ Hòa tan các thành phần từ malt + Phản ứng giữa muối và phosphat.
• Các nhân tố điều chỉnh phản ứng enzim trong quá trình nấu:
- pH môi trường nấu: pH của dịch nấu tự nhiên thường là 5,8. Trong sản xuất thường acid nhẹ dịch nấu về pH=5,2 để tạo điều kiện cho enzim hoạt động và quá trình đường hóa thuận lợi hơn.
- Nhiệt độ nấu: duy trì nhiều nấc nhiệt độ ở các khoảng thời gian khác nhau để điều chỉnh quá trình thủy phân gluxit, protein và các chất khác. Qua nghiên cứu cho thấy nhiệt độ 40-50oC thì sự phân ly các hợp chất polyme chứa nitơ tốt hơn cả. Nhiệt độ 60-65oC tạo điều kiện thuận lợi cho việc hình thành các đường lên men được, nhiệt độ 70-75oC phản ứng phân ly tinh bột tiến hành nhanh hơn.
- Tỷ lệ nước/cái (1/4)cũng là nhân tố điều chỉnh tốc độ phản ứng thủy phân trong quá trình nấu.
- Nồng độ enzim: Nếu malt có lượng enzim ít cần phải trộn thêm malt tốt hoặc enzim đường hóa từ ngoài vào.
• Những yêu cầu của thành phần dịch malt sau khi nấu :
SVTH: Lê Thị Lệ Thi - 23 - Lớp 07CS
Ngoài maltoza trong môi trường phải có một lượng nhất định acid dextrin và manto dextrin để tạo ra dư vị và độ nhớt của bia.
Tỷ lệ gluxit trong dịch lên men phải như sau (%)
Fructoza : 1 ÷ 3 Mantotriora : 11 ÷ 19 Glucoza : 8 ÷ 10 Mantotetroza : 2 ÷ 6 Saccaroza : 2 ÷ 6 Dextrin : 14 ÷ 22 Mantoza : 38÷ 40
• Thành phần của dịch nước nha:
Có khoảng 75÷80% trọng lượng của bột được hòa tan trong quá trình nấu. Những thành phần không hòa tan còn lại được tách ra ở bã hèm, phần lớn các chất hòa tan trong quá trình nấu gồm các đường maltoza, maltotrioza, glucoza thêm vào đó các đường khác có sẵn trong đại mạch như sucroza, fructoza. Các đường lên men được chiếm khoảng 60÷65% của dịch hòa tan chung. Những thành phần không lên men còn lại chủ yếu là dextrin, protein, chất keo và các chất vô cơ khác.
• Sơ đồ 4: Công nghệ nấu bia:
Bột malt + Nước
Đạm hóa
Đường hóa
Bột gạo + Nước
Hội cháo
Dịch hóa
Hồ hóa
• Nồi gạo:
Cho một ít CaCl2 và nước nằm sẵn trong đáy nồi, CaCl2 có tác dụng rút ngắn thời gian đường hóa, thể tích nồi .
Toàn bộ lượng gạo và 10% malt được trộn đều với nước ở nhiệt độ 35oC qua phễu nhập nguyên liệu, tỷ lệ bột:nước là 1:5 khuấy đều dịch bột sau đó tiến hành nâng nhiệt và giữ nhiệt
Nâng nhiệt từ 35oC÷52oC, giữ 52oC trong 15 phút ở nồi gạo Dịch hóa: Nâng nhiệt từ 52oC đến 76oC, giữ 76oC trong 10 phút
Hồ hóa: Nâng nhiệt từ 76oC÷100oC , giữ sôi trong 20 phút để hồ hóa triệt để dịch gạo, pH nồi gạo = 5,7
• Nồi malt:
Bột malt được trộn đều với nước ở nhiệt độ 35oC qua phễu nhập liệu, tỷ lệ bột malt và nước 1:4. Trước khi nạp bột cũng cho thêm vào nồi bột ít CaCl2. Bật cánh khuấy để khuấy đều dịch bột sau khi nạp hết bột malt dùng H2SO4 để điều chỉnh pH về 5,5÷5,6.
Nâng nhiệt đến 52oC và giữ trong 15 phút.
Hội cháo: Sau khi nồi gạo đã kết thúc hồ hóa triệt để xong bơm sang nồi malt nhằm tránh nhiệt độ tăng đột ngột dẫn đến vô hoạt enzim, cùng lúc bơm nước song song vào nồi gạo cho khi kết thúc bơm hội cháo thì nhiệt độ của hỗn hợp dịch là 65oC trong 30 phút để thực hiện quá trình đường hóa hỗn dịch.
Sau khi đường hóa xong nâng hỗn hợp dịch lên 75oC và giữ trong 20 phút để dextrin hóa số tinh bột còn lại. Dùng Iod 0,02N kiểm tra, nếu chưa đạt yêu cầu tiếp tục giữ ở nhiệt độ dextrin hóa cho đến khi đạt yêu cầu, sau đó nâng nhiệt lên 78oC và chuyển sang lọc vì lúc này độ nhớt của đường giảm.
• Biểu đồ nấu bia:
SVTH: Lê Thị Lệ Thi - 25 - Lớp 07CS
Nhiệt độ ( 0C ) 100
76 65
52 35
10 25 45 55 65 85 95 125 135 155 T(phút)
3.2.3. Lọc thu dịch đường:
• Mục đích:
Phân tách phần loãng riêng ra khối phần đặc. Đặc trưng của malt cháo là trong đó có nhiều phân tử rắn. Trong quá trình lọc những phân tử rắn này sẽ tạo thành một lớp nguyên liệu lọc phụ. Điều này có ý nghĩa lớn trong khi lọc, nhất là khi sử dụng phương pháp lọc lắng.
• Cách tiến hành:
Nồi gạo
Nồi malt
Lọc
Hình 4:
Khu vực nồi nấu Malt và gạo
Hình 3: Biểu đồ biểu diễn nhiệt độ nấu bia
Sau khi hoàn tất quá trình đường hoá, thành phần của hổn hợp gồm 2 phần: Pha rắn và pha lỏng, pha rắn gồm các cấu tử không hoà tan của bột nghiền, pha lỏng bao gồm nước và các chất không hoà tan đã trích ly từ nguyên liệu
Để chuẩn bị cho việc tách bã malt, ở giai đoạn cuối của quá trình thuỷ phân nguyên liệu, nhiệt độ của khối thuỷ phân được tăng lên 78oC nhằm giảm độ nhớt dịch thuỷ phân nhưng vẫn tạo điều kiện để lượng α-amylaza chưa vô hoạt chuyển hoá tinh bột sót, hạn chế vi sinh vật phát triển.
Tách bả malt về cơ bản là trình cơ học, bao gồm hai giai đoạn tách dịch đường và rửa bã để chiết hết những chất hoà tan còn bám trên bã. Nhà máy bia Sài Gòn - Miền Trung sử dụng thùng lọc (lauter tun) để tách bã malt
3.2.4. Đun sôi với hoa houblon:
• Mục đích:
Nhằm làm ổn định thành phần và tạo cho bia có mùi thơm xảy ra một cách đặc trưng của hoa houblon. Đồng thời cũng trong lúc này xảy ra một số quá trình khác như: ổn định thành phần, gia tằng nồng độ, thanh trùng dịch đường, gia tăng cường độ màu…
• Tiến hành:
Dịch đường trong từ thiết bị lọc được chuyển thẳng vào nồi houblon hóa. Khi dịch đường đầy đáy nồi thì bắt đầu cấp nhiệt để nâng nhiệt và giữ nhiệt độ của dịch đường ở khoảng 77→78oC cho đến khi nước rửa bã chảy vào hết, khi nước rửa bã chảy vào nồi gần kết thúc thì bắt đầu nâng nhiệt, phải tính toán để khi nước cuối cùng vào thiết bị thì dịch đường cũng bắt đầu sôi.
• Sự thay đổi của nước nha sau khi đun sôi với hoa houblon:
- Sự thơm hóa dịch đường: quá trình này xảy ra nhờ sự hòa tan các chất và hoa houblon vào dịch đường, các phản ứng melanoidin và caramen hóa khi đun sôi.
+ Sự hòa tan các chất đắng của hoa houblon làm thay đổi mùi vị của dịch đường, nó làm cho dịch đường chuyển từ ngọt sang vị đắng của hoa houblon.
+ Tinh dầu thơm của hoa houblon cũng ảnh hưởng đến mùi vị của dịch lên men và bia.
- Sự keo tụ và kết tủa: Đây là quá trình quan trọng khi đun sôi dịch đường với houblon. Sự có mặt của protein hòa tan trong dịch lên men có thể là nguyên nhân làm đục
SVTH: Lê Thị Lệ Thi - 27 - Lớp 07CS
bia. Trong quá trình đun sôi, một số các protein đơn giản như albumin, globumin bị biến tính và đông tụ. Trong nước nha có tanin của malt và hoa houblon làm kết tủa protein không đông tụ. Do đó khi tăng lượng hoa houblon thì lượng protein kết tủa trong dịch nha tăng.
Quá trình keo tụ protein trong dịch nha phụ thuộc vào nhiều yếu tố như sự có mặt của tanin, nồng độ dịch đường, pH của môi trường nấu, thời gian và cường độ đun sôi.
- Sự tăng độ màu của dịch lên men: màu của dịch đường từ nhạt sang đậm do sự hình thành các sản phẩm của quá trình caramen, melanoidin và các chất màu của hoa tạo nên.
+ Dịch đường càng đậm đặc khi đun sôi thì màu của nó càng tăng.
+ pH của môi trường càng tăng cao thì màu của dịch đường càng đậm.
3.2.5. Lắng trong:
Sau quá trình houblon hoá thu được dịch đường chứa nhiều bã hoa và cặn, ngoài các mảng protein còn có rất nhiều cặn với kích thước khác nhau. Bằng thực nghiệm cho thấy khi hạ nhiệt độ dich đường xuống khoảng 60oC thì hầu hết các hạt quan sát được bằng mắt sẽ kết lắng nhanh. Các cặn này gọi là cặn thô, cặn tiếp tục lắng sa khi hạ nhiệt độ xuống vùng nhiệt độ lên men (8-10oC) được gọi là cặn tinh.[1]
Thành phần chủ yếu của cặn thô là protein, polyphenol, chất đắng, chất khoáng, kích thước khoảng 30àm đến 80àm. Nếu khụng được tỏch, cặn thụ sẽ bao phủ nấm men và làm cho bia sau này khó lọc.
Vì vậy mục đích của lắng trong là loại bỏ bã hoa làm trong dịch đường và loại bỏ cặn thô đảm bảo kết lắng nấm men sau này.
Nhà máy đang sử dụng các hệ thống làm nguội dịch đường trong điều kiện kín, tách cặn thô ở nhiệt độ 85-95oC trong thùng wirlpool. Thông qua đường ống đặt cao hơn đáy ta thu được dịch trong gọi là dịch đã đun hoa (boiled wort).
3.2.6. Làm lạnh nhanh:
• Mục đích:
Hạ nhiệt độ dịch đường xuống nhiệt độ lên men, bão hòa oxi cho dịch lên men và kết tủa huyền phù.
• Các quá trình diễn ra khi làm lạnh:
- Tiếp tục lắng đọng các cặn nhỏ mịn.
- Hòa tan oxy
- Oxy hóa các chất: maltose, glucose, fructose, chất đắng, tanin, nhựa hoa houblon…
Quá trình này diễn ra mạnh khi nhiệt độ trên 40oC, dưới 40oC mức độ oxy hóa yếu dần. Theo Vanlaer và Rosenthar mức độ oxy hóa các chất xếp theo thứ tự: chất đắng > Fructose >
phenol > glucose > pepton > maltose.
- Màu thẫm hơn, hương thơm và vị đắng giảm hơn một chút do quá trình oxy hóa.
• Những biến đổi của dịch đường khi làm lạnh và lắng trong:
- Sự tạo thành và tách kết tủa:
+ Trong quá trình làm lạnh sẽ hình thành chất cặn ở dạng huyền phù. Huyền phù tồn tại ở hai dạng: huyền phù thô và huyền phù mảnh.
+ Huyền phù thô phát sinh trong quá trình houblon hóa và chúng được kết tủa ở giai đoạn làm nguội. Kết tủa này gọi là kết tủa nóng, gồm những hạt có kích thước 30 – 80 μm rất dễ lắng. Khi kết tủa huyền phù thô còn kéo theo một lượng lớn các chất sắt, đồng và một số kim loại khác.
+ Huyền phù mảnh: xuất hiện trong giai đoạn làm lạnh dịch lên men. Khi nhiệt độ dịch đường xuống dưới 60oC, một số chất hòa tan nóng trong dịch đường trở thành chất không tan và tạo thành kết tủa. Kết tủa này gọi là kết tủa lạnh.
- Sự bay hơi nước: Khi làm lạnh đường một phần nước bị bốc hơi, do đó thể tích lên men giảm nhưng nồng độ tăng lên. Sự tăng nhiều hay ít còn phụ thuộc vào phương pháp và thiết bị làm lạnh. Để dịch lên men có nồng độ theo yêu cầu thì cần phải tính toán sự bay hơi nước trong quá trình làm lạnh.
3.2.7. Lên men:
Lên men là quá trình chuyển hóa dịch đường thành bia dưới tác dụng của hệ enzim của nấm men, sản phẩm chính là rượu và CO2. Quá trình lên men gồm hai giai đoạn: lên men chính và lên men phụ
3.2.7.1. Lên men chính
• Mục đích:
Chuyển hóa các chất hòa tan ở trong dịch đường thành C2H5OH và các loại rượu phụ khác, CO2 và các sản phẩm phụ khác như glyxerin, acid hữu cơ, diacetyl, este….
Quá trình lên men chính tank lên men được làm sạch và khử trùng dịch lên men sau khi làm lạnh bơm đầy dung tích hữu dụng (2/3 tank) đồng thời bổ sung nấm men và 5–6 mg
SVTH: Lê Thị Lệ Thi - 29 - Lớp 07CS
oxy cho một lít dịch và bắt đầu quá trình lên men chính. Trong giai đoạn lên men chính, giai đoạn đầu người ta cho vào các chất phụ gia để kích hoạt nấm men và giữ ở áp suất dư 0,5 bar và nhiệt độ 10oC.
• Các giai đoạn:
+ Giai đoạn 1: thường xảy ra sau 24h kể từ khi nạp dịch lên men đầy bồn. Giai đoạn lên men tăng trưởng nhanh.Dịch lên men giảm từ 11oPL xuống 9oPL.
+ Giai đoạn 2: Hai ngày tiếp theo, lúc này nấm men hoạt động mạnh dần lên, bọt nhiều và dày hơn. Dịch lên men chỉ còn 6,9÷7oPL.
+ Giai đoạn 3: Hai ngày tiếp theo. Đây là giai đoạn lên men mạnh nhất, hàm lượng diaxetyl và CO2 sinh ra nhiều nhất. Dịch lên men chỉ còn 2,7÷3oPL.
+ Giai đoạn 4: Thường kéo dài 1 – 1,5 ngày cuối cùng. Quá trình lắng nấm men bắt đầu. Dịch lên men chỉ còn 2,4÷2,5oPL.
Kết thúc giai đoạn 4 ta thu được bia non. Quá trình lên men chính diễn ra trong 6-7 ngày.
• Các biến đổi trong quá trình lên men bia:
- Biến đổi pH, nhiệt độ, nồng độ dịch đường lên men.
- Biến đổi độ đường, nhiệt độ, độ chua và số lượng tế bào.
- Biến đổi nồng độ NH3 theo thời gian.
- Biến đổi hàm lượng đạm tổng số và acid amin - Biến đổi hàm lượng acid amin
- Biến đổi hàm lượng tổng số.
3.2.7.2. Lên men phụ và tàng trữ bia
• Mục đích:
Lên men phần đường còn lại, bổ sung thêm CO2, tăng vị và khả năng tạo bọt, đồng thời ức chế sự phát triển của vi sinh vật có hại. Lên men phụ còn nhằm mục đích khử hàm lượng diacetyl về mức giới hạn < 0,1 mg/l.
• Các quá trình xảy ra trong quá trình lên men phụ và tàng trữ bia:
- Sự hòa tan và liên kết CO2 trong bia:
Trong bia non chứa khoảng 0,2% CO2, hàm lượng CO2 của bia thành phẩm không được nhỏ hơn 0,5%. Do đó CO sinh ra khi lên men phụ là nguồn bổ sung CO cho bia thành