Ngành công nghiệp sản xuất rượu vang của nước ta còn khá mới mẻ, do một phần đặc điểm văn hóa. Rượu vang chỉ mới du nhập vào Việt Nam một vài thập kỉ trở lại đây, do đó ở nước ta, chỉ mới có một vài cơ sở sản xuất rượu vang mà chủ yếu là ở Đà Lạt. Nhìn chung, đã có một số nghiên cứu trong nước quan tâm đến đề tài cố định nấm men lên chất mang để ứng dụng vào sản xuất rượu nhằm nâng cao chất lượng và sản lượng rượu. Các chất mang được sử dụng là alginate, BC, bã mía.. một số kết quả bước đầu thu được rất khả quan.
Mặc khác, một số nghiên cứu cũng đã tập trung vào việc nghiên cứu sản xuất rượu vang dâu tằm, rượu vang hỗn hợp dâu tằm – chanh dây, dâu tằm – dưa hấu, tuy nhiên thực tế dâu tằm chỉ mới được đưa vào sản xuất rượu vang ở dạng vang hỗn hợp cùng với nguyên liệu truyền thống là nho [3].
32 2.3.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Ngành công nghiệp sản xuất rượu vang đã có từ lâu đời, do đó các nghiên cứu phục vụ cho ngành công nghiệp này được tiến hành tương đối nhiều và đã đạt được nhiều thành tựu. Một trong những hướng nghiên cứu hiện nay là khảo sát việc cố định nấm men để ứng dụng vào sản xuất rượu vang, được thực hiện trên nhiều loại chất mang khác nhau như chất mang hữu cơ, vô cơ, tự nhiên…
2.3.2.1 Sử dụng vật liệu vô cơ làm chất mang cố định tế bào trong lên men rượu
Nhiều loại vật liệu vô cơ như polygorskite, montmorilonite, hydromica, sứ, đá bọt và hạt thủy tinh đã được nghiên cứu để cố định nấm men, nhưng hầu hết chúng có ít ưu điểm trong sản xuất rượu [6,19,24]. Bên cạnh đó cũng có một số vật liệu vô cơ khác cho kết quả tốt hơn. Chẳng hạn như mineral kissiris (1 loại khoáng núi lửa xốp và rẽ, tìm thấy ở Hi Lạp, chứa chủ yếu là 70% SiO2) được sử dụng để cố định nấm men ứng dụng trong quá trình lên men rượu theo mẻ và liên tục ở nhiệt độ thấp. Chế phẩm cố định thích hợp cho quá trình lên men ở nhiệt độ thấp, với năng suất lên men ở 5oC ngang bằng với quá trình lên men rượu truyền thống ở 22–25oC.
Rượu thu được có hương vị tốt hơn với hàm lượng ethyl acetate cao hơn và hàm lượng rượu bậc cao thấp hơn [8,9]. Nấm men S. cerevisiae cố định trên mineral kissiris có thể bảo quản ở 0oC, đồng thời thu được năng suất ethanol và tính ổn định của chế phẩm cao hơn, có thể duy trì trong 2,5 năm, đối với cả quá trình lên men theo mẻ và lên men liên tục [7].
Nhìn chung, so với vật liệu hữu cơ, vật liệu vô cơ có ưu điểm là hầu hết chúng là vật liệu rẻ tiền, chúng cải thiện năng suất lên men và hương vị rượu trong hầu hết các trường hợp, nhưng chất mang có nguồn gốc từ vật liệu vô cơ được đánh giá là không tốt cho quá trình sản xuất rượu vang vì hàm lượng khoáng cao còn sót lại trong sản phẩm. Ngoài sự an toàn, sự chấp nhận của người tiêu dùng cần được tính đến khi ứng dụng việc cố định trên nhiều loại chất mang trong việc sản suất thức uống. Xét trên một khía cạnh khác, việc sử dụng tế bào cố định trên chất mang vô cơ cơ được cho là rất có tiềm năng trong việc sản suất cồn chưng cất, khi đó các khoáng còn sót lại sẽ không bay hơi.
33
2.3.2.2 Sử dụng vật liệu hữu cơ làm chất mang cố định tế bào trong lên men rượu
Năm 1996, Suzzi và các cộng sự đã cố định S. Cerevisiae trên Ca- alginate để bước đầu tối ưu quá trình lên men dịch nho theo mẻ. Hệ thống đã được đề xuất ứng dụng trong công nghiệp sản xuất rượu [37]. Năm 2000, Ferraroet và các cộng sự đã sử dụng tế bào C. stellatan cố định trên Ca- alginate cùng với S. Cerevisiae, lên men rượu ở quy mô pilot trong điều kiện lên men thực (môi trường không vô trùng) nhằm ước lượng và kiểm soát vi sinh vật tự nhiên trong dịch nho. Kết quả thu được cho thấy hoạt tính của vi sinh vật tự nhiên không bị ức chế hoàn toàn nhưng rượu tạo ra có mùi vị tốt hơn [20].
Tuy nhiên, việc sử dụng alginate và polysaccharide hydrogel nhìn chung không phải là sự lựa chọn tốt trong công nghiệp vì chi phí cao và sự kém ổn định về mặt cơ học và hóa học, dẫn tới sự rửa trôi các tế bào và cặn vào trong rượu. Hầu hết các kết quả đạt được trong việc sử dụng các gel alginate được ứng dụng trong quá trình lên men phụ trong chai nhằm cải thiện rượu vang sủi tăm (sparkling wine). Chẳng hạn như, năm 1994, Busova đã sử dụng 4 kỹ thuật cố định khác nhau với các tế bào S. Bayanus cố định trên Ca-alginates trong quá trình sản xuất rượu sủi tăm trong chai nhằm dễ tinh sạch và loại bỏ các tế bào [16]. Các kỹ thuật tương tự được mô phỏng theo phương pháp Champagne truyền thống đã được báo cáo trước đây và chỉ những trường hợp này được ứng dụng phổ biến trong công nghiệp rượu sủi tăm [19,22].
2.3.2.3 Sử dụng hệ thống membrance để cố định tế bào trong sản xuất rượu Những ứng dụng kỹ thuật membrane trong sản xuất rượu rất hạn chế.
Năm 2002, Takaya và các cộng sự đã nghiên cứu hiệu quả của 2 hệ thống membrane bioreactor trong quá trình lên men liên tục vang khô. Hệ thống đầu tiên là 1 bình phản ứng 1 cấp trong đó các tế bào được bẫy trong một bộ vi lọc chảy tràn. Hệ thống thứ 2 bao gồm 2 cấp, trong đó 1 thiết bị như là bình phản ứng khuấy liên tục và cái còn lại là một membrane bioreactor. Hệ thống 1 cấp được cho là không thích hợp để lên men vang khô do hàm lượng đường sót cao. Trong khi hệ thống 2 cấp thích hợp hơn và năng suất cao hơn 28 lần so với hệ thống lên me theo mẻ [38].
34
2.3.2.4 Sử dụng các vật liệu tự nhiên làm chất mang cố định trong sản xuất rượu
Các chất mang tự nhiên được sử dụng để cố định tế bào như là delignified cellulosic materials (DCM) và hạt gluten (GP) [10,11,12,13,14]
đã chứng tỏ có hiệu quả lên men ở nhiệt độ phòng và lên men ở nhiệt độ thấp. Khi sử dụng những chất mang này, tốc độ lên men tăng rõ ràng khi so sánh với các tế bào tự do. Rượu tạo ra có hàm lượng rượu bậc cao thấp hơn và hàm lượng ethyl acetate trên tổng hợp số các chất bay hơi tăng, vì thế cải thiện được chất lượng cảm quan và hương vị trái cây đặc trưng của rượu [34]. Điều đó kết luận rằng hiệu quả kết hợp của nhiệt độ và việc cố định đã tạo ra rượu có mùi vị trái cây chiếm ưu thế so với tế bào tự do, do tỉ lệ các ester trên các rượu và các acid trung gian cao hơn. DCM và GP là những chất mang có độ an toàn thực phẩm cao, rẽ, có sẵn và dễ dàng chuẩn bị theo quy mô công nghiệp. Chúng có thể dễ dàng được chấp nhận bởi người tiêu dùng và khi so sánh với trái cây, chúng cho thấy có khả năng ổn định lâu hơn. Việc thương mại hóa nấm men cố định trên GP và DCM được đánh giá thông qua các thử nghiệm đông khô [25,15]. Không cần sử dụng môi trường bảo vệ để làm lạnh và đông khô chế phẩm cố định (các tế bào S. cerevisiae cố định trên DCM hoặc GP), nhưng các tế bào vẫn duy trì khả năng sống và cho năng suất và sự ổn định cao trong quá trình lên men glucose. Chế phẩm đông khô tạo ra rượu có chất lượng tương tự với sản phẩm tạo ra bởi chế phẩm mới cố định và cải thiện chất lượng so với các tế bào tự do [27,26].
Nhìn chung, chúng có thời gian lên men ngắn hơn và sự ổn định lâu dài. Khả năng các tế bào đông khô được bảo quản trong một thời gian dài mà không làm mất đi khả năng sống của tế bào, cũng như khả năng lên men của chúng, làm cho các chế phẩm đông khô trở nên hấp dẫn trong việc sử dụng trong công nghiệp.
Các loại trái cây cũng là loại chất mang đang rất được quan tâm. Các loại trái cây đã được nghiên cứu như: táo, lê, cam, quince, dưa hấu,….[29,30,32,36]. Bên cạnh những ưu điểm của DCM và GP, các chất mang từ trái cây còn góp phần làm tăng giá trị cảm quan của sản phẩm. Bởi sự đóng góp của chính các thành phần vốn có trong các loại trái cây được sử dụng vào trong rượu trong quá trình lên men. Việc sử dụng các chất mang có nguồn gốc từ trái cây còn góp phần làm giảm sự ô nhiễm môi trường. Chẳng hạn như các phế phẩm của ngành chế biến nước trái cây là: vỏ cam, vỏ dưa
35
hấu, vỏ nho, bã trái điều…đều có thể sử dụng làm chất mang cố định nấm men.
Táo và quá trình lên men rượu bằng nấm men cố định trên táo
Trong các loại trái cây đã được đề cập nói trên, táo được đánh giá là loại chất mang có nhiều ưu điểm để làm chất mang cố định nấm men, cho hiệu quả lên men khá tốt, không chỉ ứng dụng lên men theo mẻ mà còn có thể ứng dụng lên men liên tục với hiệu suất khá cao, được đánh giá có thể áp dụng lên men theo qui mô công nghiệp.
Năm 2001,Y. Kourkoutas và các cộng sự đã thực hiện cố định nấm men S.cerevisiae trên táo và ứng dụng vào quá trình lên men dịch nho theo mẻ ở nhiệt độ từ 25°C đến 1°C. Hoạt tính của nấm men cố định không hề giảm ngay cả khi lên men ở nhiệt độ thấp như 1 ~12°C. So với lên men rượu khi sử dụng tế bào tự do thì quá trình lên men sử dụng nấm men cố định rút ngắn thời gian hơn, đặc biệt ở nhiệt độ 6°C, thời gian lên men là 8 ngày, còn ở nhiệt độ 1°C thời gian lên men là 1 tháng. Do đó có thể ứng dụng vào công nghiệp để nâng cao quá trình lên men [30].
Trong khi đó, quá trình lên men liên tục được thực hiện ở khoảng nhiệt độ từ 5- 15oC. Năng suất rượu cao hơn so với quá trình lên men theo mẻ ở nhiệt độ thấp. Năng suất ethanol ở 5oC tương đương với quá trình lên men truyền thống ở nhiệt độ 22-25oC. Quá trình lên men liên tục được thực hiện trong 95 ngày mà không có sự giảm sút năng suất ethanol. Độ acid tổng và acid bay hơi tương tự như trong vang khô. Hàm lượng rượu bậc cao thấp.
Ở nhiệt độ >10oC nồng độ các amyl alcohol thấp hơn so với quá trình lên men theo mẻ. Nồng độ ethyl acetate <100 mg/ l trong tất cả các trường hợp [31].
Hơn thế nữa, hệ vi sinh vật trên táo không ảnh hưởng đến quá trình lên men và chất lượng rượu do nấm men cố định trên táo tăng trưởng vượt trội hơn hẵn do pH thấp, nồng độ ethanol cao, hàm lượng acid của rượu và sinh khối nấm men nhiều. Do đó táo được xem là chất mang thích hợp cho phương pháp lên men rượu liên tục, ngoài ra táo là chất mang có sẵn, phổ biến, rẽ và dễ dàng cố định [30].
36