Chương 2: LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU
2.5. QUÁ TRÌNH LÊN MEN RƢỢU VANG
Để lên men, người ta cho vào môi trường một lượng tế bào nấm men nhất định. Tùy theo phương pháp lên men mà lượng nấm men cho vào khác nhau. Thông thường khi lên men lƣợng tế bào nấm men phải đạt đƣợc >100 triệu tế bào trong 1ml dịch lên men. Do diện tích bề mặt tế bào nấm men rất lớn nên khả năng hấp thu các chất dinh dưỡng rất mạnh. Đường lên men và các chất dinh dưỡng khác trong môi trường lên men trước tiên được hấp thụ trên bề mặt nấm men sau đó khuếch tán qua màng vào bên trong tế bào nấm men, rƣợu và CO2 sẽ đƣợc tạo thành.
Rượu etylic tạo thành khuếch tán ra môi trường bên ngoài qua màng tế bào nấm men. Rượu hòa tan vô hạn trong nước nên khuếch tán rất nhanh vào môi trường, CO2 cũng hòa tan vào trong môi trường nhưng sự hòa tan không lớn. Ở áp suất 800 mmHg, nhiệt độ 25-300C là 0,855 – 0,857 lít CO2 trong một lít nước. Vì thế, CO2 sinh ra trong quá trình lên men sẽ khuếch tán vào môi trường và nhanh chóng đạt trạng thái bảo hòa. Khi bảo hòa, CO2 bám xung quanh tế bào nấm men hình thành những bọt khí. Tế bào nấm men thường dính liền với nhau, bọt khí sinh ra ngày càng nhiều và lớn dần thành túi lớn, đến lúc nào đó sẽ xảy ra sự chênh lệch giữa khối lượng riêng của môi trường với tế bào nấm men chúng sẽ nổi lên trên bề mặt.
Khi đến bề mặt, do có sự thay đổi đột ngột sức căn bề mặt nên chúng bị vỡ ra làm cho khí CO2 bị phóng thích ra bên ngoài. Lúc này khối lƣợng riêng của nấm men đủ lớn trở lại nên chúng bị chìm xuống. Quá trình này diễn ra liên tục nên tế bào nấm men vốn từ trang thái tĩnh sang trạng thái động, làm gia tăng khả năng tiếp xúc của tế bào nấm men và môi trường điều này làm cho quá trình trao đổi chất diễn ra nhanh hơn, mạnh mẽ hơn. Khi đó làm tăng nhanh quá trình lên men.
Khí CO2 ức chế quá trình lên men, nhƣng trong quá trình thoát khí CO2 làm tăng khả năng lên men của nấm men. Kích thước, vật liệu chế tạo thiết bị lên men, các chất hòa tan mang điện tích, các vật lơ lững khác hiện diện trong dịch lên men khi lên men đều ảnh hưởng đến sự thoát khí CO2 nên cũng ảnh hưởng quá trình lên men (Bùi Thị Quỳnh Hoa, 2006).
2.5.2. Động học của quá trình lên men
Tốc độ của quá trình lên men có thể quan sát đƣợc bằng cách theo dõi sự thay đổi hàm lượng đường trong dịch lên men, quan sát bằng cách theo dõi sự thay đổi độ rƣợu và CO2 tạo thành cũng nhƣ thay đổi trị số của nồng độ dịch lên men.
Quá trình lên men đƣợc chia làm 3 thời kỳ chính:
- Thời kỳ đầu: Khoảng 60 giờ kể từ khi nấm men tiếp xúc với dịch lên men, sự lên
men diễn ra rất chậm, đường lên men không đáng kể.
- Thời kỳ 2: Đây là thời kỳ lên men chính, chiếm 60 – 120 giờ sau thời kỳ đầu. Sự phát triển của nấm men và sự lên men sau mỗi giờ tăng lên đáng kể và đạt đến trị số cực đại.
- Thời kỳ cuối: Đây là giai đoạn lên men phụ xảy ra rất chậm đồng thời là thời kỳ ổn định tạo mùi thơm cho sản phẩm. Tùy theo phương pháp lên men, loại sản phẩm mà thời gian lên men phụ kéo dài khác nhau không quan sát đƣợc.
Thời kỳ lên men chính là thời kỳ biến đổi sâu sắc các thành phần trong dịch lên men. Chúng ảnh hưởng đến kết quả của quá trình lên men. Trong giai đoạn này, trong điều kiện lên men bình thường sau mỗi giờ nồng độ đường trong dịch lên men sẽ giảm đi khoảng 1 độ (0Brix, Balling, %) tùy theo loại sản phẩm, dây chuyền sản xuất.
Sự tồn tại của thời kỳ lên men cuối là đặc trƣng đối với quá trình lên men dịch đường hóa từ nguyên liệu chứa tinh bột. (Bùi Thị Quỳnh Hoa, 2006)
2.5.3. Biến đổi sinh hóa trong quá trình lên men.
Glucose
Hexokinaza Glucose – 6 phosphat
Phosphoglucoseza isomeraza Fructose – 6- phosphat
phosphaFructokinaza Fructose – 1,6 – diphosphat
Aldolaza
Triophosphat izomeraza
Glyceraldehyd – 3 phosphat Dihydro aceton phosphat Glyceraldehyd phosphatdehydrogennaza
Acid – 1,3 – diphosphoglyceric
Phosphoglyceratkinaza Acid – 3 phosphoglyceratkinaza
Phosphoglycerat – mytaza Acid – 2 – phosphoglyceric
Enoiaza Acid phosphoenolpyruvic Pyruvat kinaza Acid – enol – pyruvic Acid pyruvic
Pyruvate – decacboxylaza Ethanal
Alcohol dehydrogenasa Ethanol
Hình 5. Cơ chế phân hủy đường trong tế bào nấm men
2.5.4. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình lên men 2.5.4.1 Nhiệt độ
Nhiệt độ là yếu tố quan trọng bậc nhất đối với nấm men nói chung và lên men rƣợu vang nói riêng. Lên men rượu vang thường thực hiện ở khoảng nhiệt độ 15 – 320C.
Chúng ta cũng xác định đƣợc rằng, ở nhiệt độ cao lên men bắt đầu sớm, xảy ra mạnh mẽ nhưng lại dễ ngưng lại giữa chừng và kết thúc lên men khi đường còn xót lại nhiều trong dịch lên men, độ cồn có thể thấp và hương vị của sản phẩm có khi không tốt, với đường này dễ bị vi khuẩn lactic sử dụng. Do vậy, trong rượu vang có nhiều acid lactic và acid acetic. Ngoài ra, trong dịch quả có sẵn fructose tạo điều kiện cho vi khuẩn lactic sử dụng và tạo thành rượu. Những chất này với đường sót làm cho rƣợu vang bị chua – ngọt khó chịu. Nhiệt độ càng cao, càng tạo điều kiện kỵ khí cho lên men, nhƣng lại gây khó khăn cho lên men thứ cấp (lên men phụ) từ các đường sót, đặc biệt là tiến hành lên men trong điều kiện không có oxy của không khí, với hàm lượng lên men ban đầu tương đối cao. (Lương Đức Phẩm, 2005) Mỗi vi sinh vật đều có nhiệt độ tối ƣu cho sự phát triển của chúng. Đối với nấm men Saccharomyces, nhiệt độ tối ƣu nằm trong giới hạn 28 – 320C. Tuy nhiên, nếu bắt đầu lên men ở nhiệt độ thấp thì khả năng lên men cao và sẽ kéo dài hơn. Đối với quá trình lên men thì nấm men sẽ chịu đƣợc giới hạn nhiệt độ khá rộng từ 1÷450C.
Nếu nhiệt độ quá 500C thì nấm men sẽ chết. Mặt khác, nếu có điều kiện làm lạnh dịch lên men tới 18–220C sẽ hạn chế sự phát triển của tạp khuẩn. Ở nhiệt độ này thì tốc độ lên men sẽ không nhanh nhƣng chất lƣợng sản phẩm lên men tốt do hạn chế đƣợc sự sinh ra các sản phẩm phụ nhƣ: Methanol, glycerin và các rƣợu bậc cao. Ở nhiệt độ cao, hoạt tính của nấm men sẽ giảm nhanh, nhƣng chủ yếu là trong điều kiện nhiệt độ này, dịch lên men tạo điều kiện thuận lợi cho vi khuẩn lactic và nấm men dại phát triển (Vũ Công Hậu, 1983).
2.5.4.2 Ảnh hưởng của số lượng tế bào nấm men
Số lượng tế bào nấm men cho vào dịch lên men ảnh hưởng rất lớn đến quá trình lên men. Nếu số lƣợng tế bào nấm men cho vào thích hợp thì quá trình lên men diễn ra tốt và hiệu suất thu hồi cao, chất lƣợng sản phẩm cũng tốt hơn. Nếu lƣợng nấm men cho vào quá ít thì tốc độ lên men chậm, sinh khối tế bào nấm men quá nhiều thì môi trường dịch lên men không đủ cho nấm men phát triển, tế bào nấm men sẽ chết dần, sản phẩm sinh ra mùi lạ, vị lạ đồng thời phí đi một lƣợng đáng kể men có ích. (Vũ Công Hậu, 1983)
2.5.4.3 pH môi trường
Trong thực tế lên men những dịch quả chua thường được rượu vang ngon. Đối với dịch quả thường có pH từ 2,8-3,8. Khoảng pH này nấm men vẫn hoạt động được.
Nấm men có thể phát triển trong môi trường có chỉ số pH = 2÷8 nhưng thích hợp nhất là 4÷4,2, vi khuẩn bắt đầu phát triển ở pH = 4,2 và cao hơn 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 = 3,8÷4,2. Tuy nhiên trong thực tế có những vi khuẩn do quen dần (thuần hóa) 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 thì nấm men phát triển rất kém, ngƣợc lại vi khuẩn phát triển rất mạnh. Ở pH = 3,8÷4,1 nấm men phát triển mạnh thì hầu nhƣ vi khuẩn chƣa phát triển. Để tạo pH thích hợp trong môi trường nuôi cấy men (kể cả lên men) người ta có thể bổ sung vào môi trường lên men bất cứ một loại acid nào, miễn là anion của acid không gây ảnh hưởng mạnh mẽ đến trung tâm hoạt động của nấm men. Nếu nâng cao độ chua của môi trường lên nửa nấm men sẽ thay đổi hình thái: Tế bào nhỏ hơn, dạng cầu vượt trội, trong tế bào chất tích tụ chất béo (Vũ Công Hậu, 1983)
2.5.4.4 Hàm lượng đường
Trong nước quả có hàm lượng đường không đều, do vậy người ta thường bổ sung thêm đường saccaroza. Đa số các loại nấm men hoạt động bình thường trong môi trường đường <20%. Có một số chủng hoạt động ở môi trường đường cao hơn. Khi nhân giống thường dùng môi trường có độ đường thấp <10% (Vũ Công Hậu, 1983) Nồng độ dịch lên men quá cao sẽ dẫn đến làm tăng áp suất và làm mất cân bằng trạng thái sinh lý của nấm men. Kết quả là rƣợu nhiều sẽ ức chế không chỉ tạp khuẩn mà ức chế cả nấm men. Mặt khác đường nhiều sẽ dẫn đến tổn thất hoặc kéo dài thời gian lên men. Khi nồng độ đường 30 – 35% sự lên men gần như đình chỉ.
Ngược lại nếu nồng độ dịch đường lên men thấp sẽ không kinh tế vì sẽ làm giảm năng lực lên men. Thường người ta khống chế nồng độ chất khô của dịch lên men rượu vang quả khoảng 220 Bx (Lương Đức Phẩm, 2005).
2.5.4.5 Ảnh hưởng của ánh sáng
Ánh sáng là yếu tố kìm hãm hoạt động của nấm men. Đặc biệt, các tia cực tím trong ánh sáng sẽ giết chết tế bào nấm men. Vì vậy, quá trình lên men phụ thuộc vào thời tiết của từng mùa. Tuy nhiên, nếu sản phẩm rƣợu (hoặc dịch lên men) tiếp xúc với ánh sáng thì sẽ dẫn đến việc oxy hóa các loại vitamin của dịch lên men, làm giảm chất lƣợng sản phẩm (Bùi Ái, 2005).
2.5.4.6 Oxy
Hầu hết các chủng nấm men trong lên men rƣợu vang thuộc giống Saccharomyces. Chúng là nhóm vi sinh vật kỵ khí tùy tiện. Khi trong môi trường đủ lượng oxy, nấm men phân hủy đường làm nguồn năng lượng và cấu tạo tế bào tăng sinh khối.
Trường hợp thiếu oxy (kỵ khí) nấm men sử dụng phần oxy hòa tan trong môi trường để sinh trưởng và chủ yếu là lên men.
Trong quá trình lên men giai đoạn đầu yêu cầu oxy cao nhất để nấm men sinh sản, phát triển tăng sinh khối. Nếu có giai đoạn nhân giống thì cũng cần phải cung cấp oxy bằng cách lắc hoặc sục khí.