2.6.1. Khái quát về quá trình lên men rượu
Lên men rượu là một quá trình trao đổi chất nhờ tác dụng của các enzym tương ứng gọi là chất xúc tác sinh học (được sinh ra từ sự trao đổi chất để duy trì sự sống của nấm men). Tùy theo sản phẩm tích tụ sau quá trình lên men người ta chia làm nhiều kiểu lên men khác nhau.
Lên men rượu, bia đều là quá trình lên men yếm khí với sự có mặt của nấm
men. Nấm men chuyển hóa đường thành rượu etylic và CO2. Người ta còn gọi lên men là quá trình cồn hóa, rượu hóa. Trong quá trình lên men rượu người ta chia làm hai thời kỳ chính:
- Thời kỳ phát triển sinh khối: giai đoạn này với sự có mặt của O2 tế bào nấm men phát triển sinh khối (gia tăng kích thước và số lượng).
- Thời kỳ lên men chuyển đường thành rượu và CO2: giai đoạn này, nấm men hấp thụ các chất dinh dưỡng và sử dụng các enzym sẵn có của mình để thực hiện xúc tác sinh hóa trong quá trình trao đổi chất để duy trì sự sống tạo thành rượu và CO2 (Nguyễn Đức Lượng, 2007).
2.6.2. Cơ chế của quá trình lên men
Cơ chế của giai đoạn lên men này như sau: đường và các chất dinh dưỡng của môi trường lên men được hấp thụ và khuếch tán vào trong tế bào nấm men qua màng tế bào và được giữ lại trong tế bào. Thông qua các hoạt động sống của tế bào, sự xúc tác của hàng loạt các men khác nhau do nấm men tiết ra, rượu và CO2 được tạo thành và thoát ra khỏi tế bào. Rượu tan tốt trong nước nên khuếch tán rất nhanh vào môi trường. CO2 thoát ra bám vào tế bào nấm men, khi bọt khí CO2 đủ nhiều thì lực nâng sẽ lớn hơn trọng lượng tế bào nấm men, làm cho bọt khí và cả tế bào nấm men cùng nổi lên bể mặt dịch lên men, CO2 thoát ra đi vào không khí, còn tế bào nấm men thì chìm xuống trở lại và sau đó lại có bọt khí CO2 khác bám vào, tiếp tục nhiều lần như vậy cho đến khi tế bào nấm men không chuyển động lên xuống nữa thì xem như kết thúc quá trình lên men.
2.6.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men
Có năm yếu tố ảnh hưởng tới quá trình lên men rượu như: ảnh hưởng của nồng độ đường, nhiệt độ, của pH, nồng độ rượu, ảnh hưởng của oxy.
* Ảnh hưởng của nồng độ đường trong dịch lên men
Nồng độ đường trong dịch lên men ảnh hưởng đến hiệu suất, hoạt động của nấm men, quá trình lên men. Đường cung cấp nguồn cacbon là nguồn thức ăn cho nấm men hoạt động.
Hàm lượng đường trong khoai lang tím thấp hơn nhu cầu của nấm men trong quá trình lên men. Để tăng độ đường ta tiến hành đường hóa tinh bột trong khoai lang và bổ sung đường tinh luyện sacharose vào dịch lên men.
Với nấm men rượu vang có khả năng lên men biến đường thành rượu nồng độ đường 16 - 25%, nồng độ đường quá cao sẽ ức chế nấm men và khả năng lên men rượu giảm khi nồng độ đường 30 - 35%, ngược lại nồng độ đường quá thấp giảm năng lực lên men.
* Ảnh hưởng nhiệt độ
Nhiệt độ lên men ảnh hưởng đến nấm men, quá trình lên men, chất lượng sản phẩm. Nhiệt độ thấp thì quá trình lên men kéo dài nhưng chất lượng, hương vị rượu tốt hơn. Nhiệt độ lên men càng cao thì thời gian lên men càng ngắn nhưng hàm lượng các chất không mong muốn (aldehyl, diacetyl, furfurol…) càng cao, hàm lượng rượu càng thấp và hương vị sản phẩm không tốt.
Để thấy rõ ảnh hưởng của nhiệt độ đến hoạt động sống của nấm men, cụ thể nấm men Saccharomyces cerevisiae trong quá trình lên men rượu nấm men phát triển tốt nhất ở nhiệt độ 20 - 300C, nhiệt độ tối đa là 380C, tối thiểu là 50C. Nấm men được nuôi cấy ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ tối ưu 17 - 220C có năng lực lên men rất lớn. Quá trình nên men thì nấm men sẽ chịu được giới hạn nhiệt độ khá rộng từ 1 - 450C. Nếu nhiệt độ quá 500C nấm men sẽ chết.
* Ảnh hưởng của pH
pH có ảnh hưởng lớn đến quá trình lên men, tạo sản phẩm chính và phụ khác nhau. Nấm men có thể phát triển trong môi trường có chỉ số pH 2 - 8. Vi khuẩn bắt đầu phát triển ở pH 4,2 và cao hơn, khi pH < 4,2 chỉ có nấm men phát triển.Vì vậy, trong lên men rượu để ngăn ngừa khả năng nhiễm khuẩn người ta thực hiện trong giới hạn pH 3,5 - 4,0, với độ pH thấp nên ngoài việc ứng dụng điều chỉnh pH thích hợp còn phải kết hợp sử dụng các chất sát trùng. Khi pH 8 nấm men phát triển rất kém, ngược lại vi khuẩn phát triển rất mạnh. Ở pH 3,5 nấm men phát triển mạnh thì hầu như vi khuẩn chưa phát triển.
* Ảnh hưởng nồng độ rượu
Rượu tạo ra trong quá trình lên men có ảnh hưởng tới sự lên men
Nồng độ rượu sinh ra có ảnh hưởng đến tốc độ và khả năng phát triển của nấm men. Đa số nấm men có thể lên men cho đến khi nồng độ rượu đạt 12 - 14%V. Khi nồng độ rượu cao hơn mức giới hạn này sẽ ức chế nấm men và kìm hãm sự lên men rượu. Khả năng sống sót trong môi trường có nồng độ cồn cao là tiêu chuẩn cần có
của chủng nấm men dùng trong sản xuất rượu vang. Những chủng nấm men dại chỉ chịu được độ cồn thấp, do vậy chúng chỉ sống sót trong giai đoạn đầu quá trình lên men. Khi độ cồn tăng cao thì chủng nấm men chịu được độ cồn cao sẽ chiếm ưu thế.
* Ảnh hưởng của oxy
Nấm men thuộc loại vi sinh vật hô hấp tùy tiện. Trong điều kiện yếm khí và pH acid nó sẽ lên men đường tạo ra rượu và CO2. Trong điều kiện đầy đủ oxy nấm men sinh sản và phát triển mạnh nó oxy hóa đường và tạo ra các sản phẩm là CO2 và H2O, chỉ một lượng rất nhỏ rượu được hình thành. Do vậy trong sản xuất rượu, giai đoạn đầu tạo điều kiện hiếu khí để nấm men sinh sản nhanh và đầy đủ số lượng tế bào cần thiết cho quá trình lên men rượu, sau đó phải tạo môi trường tuyệt đối yếm khí để nấm men thực hiện vai trò lên men chuyển hóa đường thành rượu etylic.
Trong giai đoạn bảo quản thì chúng sẽ làm cho sản phẩm có nhiều aldehyt, sản phẩm rất dễ biến màu do các phản ứng oxy hóa, phản ứng hóa nâu gây tối màu cho sản phẩm, làm chua sản phẩm do hình thành acid hữa cơ (vi khuẩn lactic, acetic…) gây thối cho sản phẩm rượu theo thời gian bảo quản (do rượu bia là môi trường rất giàu chất dinh dưỡng cho vi khuẩn gây thối phát triển) (Nguyễn Đức Lượng, 2002 ).
* Ảnh hưởng của nguồn Nitơ
Tùy nguồn nguyên liệu ban đầu có thể bổ sung hay không bổ sung nguồn dinh dưỡng nitơ cho nấm men. Tùy thuộc vào đặc tính của từng nguyên liệu mà có thể sử dụng (NH4)2S04, NH4H2PO4, NH4NO3 nước chiết nấm men, pepton….
* Ảnh hưởng của SO2
SO2 có tác dụng trì hoãn sự lên men tùy thuộc vào hàm lượng sử dụng và thậm chí có thể ngăn chặn hoàn toàn quá trình lên men. SO2 được sử dụng xử lý môi trường trước khi lên men vì có tác dụng nhiều mặt: chống oxi hóa (SO2 có tác dụng làm tê liệt các enzim oxi hóa khử), làm giảm hoặc tiêu diệt nhiều vi khuẩn có hại trong đó chủ yếu là ngăn chặn sự phát triển của acetic và lactic. Lượng SO2 thường dùng 30 - 120mg/l. Nếu dùng quá liều lượng, rượu vang sẽ có mùi khó chịu và diệt một số vi khuẩn có ích. Nguồn SO2 dùng phổ biến trong ử rượu vang là Na2SO3.
* Ảnh hưởng của CO2
Hàm lượng CO2 hình thành trong quá trình lên men thường hạn chế sự sinh sản của nấm vang men, theo nghiên cứu của Miuler-Thurrau, khi:
Hàm lượng CO2 trong rượu đạt đến 0,25% trọng lượng thì việc sinh sản của nấm men bị đình trệ.
Hàm lượng CO2 trong rượu vang đạt 1,5% trọng lượng thì nấm men không cón sinh sản được nữa.
Với hàm lượng CO2 như trên ở nhiệt độ 150C sẽ có áp suất là 7,7atm, nấm men vẫn tiếp tục sống và lên men kị khí.