4. Phương pháp nghiên cứu
2.3.1. Xay nghiền và phối trộn nguyên liệu
Mục đích của quá trình nghiền là để thu hồi lượng chất chiết tối đa trong malt và gạo cho các phản ứng enzyme xảy ra dễ dàng hơn trong quá trình nấu.
Yêu cầu của quá trình nghiền :
- Vỏ: Cịn nguyên và tách rời nội nhũ. - Tấm thơ: Lượng nhỏ.
- Tấm mịn: Nhiều. - Bột mịn: Rất ít.
Gạo được nghiền bằng máy nghiền búa. Gạo được xay càng mịn càng tốt. Máy sử dụng để nghiền malt là máy nghiền trục. Tỷ lệ bột mịn đạt 10-12%.
Trong quá trình nghiền cần chú ý :
Nghiền malt tốt khi cĩ :
- Nhiều vỏ trấu cịn nguyên nhưng đã bị dập. - Nhiều tấm → dễ lọc.
- Phần hạt bị vỡ nằm trong vỏ →dễ lọc.
Nghiền malt khơng tốt khi cĩ : - Trấu bị vụn → làm bia bị chát. - Nhiều bột mịn → sẽ làm khĩ lọc.
- Cịn hạt nguyên → làm cho quá trình đường hĩa sẽ khơng triệt để →làm đục bia.
2.3.1.2. Phối trộn (hội cháo):
Giai đoạn đạm hĩa: cĩ vai trị hoạt hĩa enzyme protease trong malt, thủy phân protein thành các sản phẩm cĩ khối lượng phân tử thấp hơn như: acid amin, peptide… nhằm cung cấp các hợp chất giàu nitơ cho sự phát triển của nấm men trong quá trình lên men. Nhiệt dộ thích hợp cho quá trình đạm hĩa là 45-500C.
Giai đoạn hồ hĩa: Hồ hĩa là quá trình nấu chín nguyên liệu tinh bột trong gạo, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình đường hĩa sau này. Trong quá trình hồ
24
hĩa, một lượng lớn nước ngấm vào các phân tử tinh bột làm thể tích hạt trương lên và hạt bột trương nở, cuối cùng vỡ tung ra. Dịch trở nên nhớt, độ nhớt tùy thuộc vào mức độ hút nước của malt và gạo. Cấu trúc tinh bột bị phá vỡ và bị phân cắt 1 phần dưới tác dụng của malt lĩt. Tinh bột sau khi hồ hĩa sẽ khơng cịn liên kết chặt chẽ với nhau nữa, tạo điều kiện cho các enzyme trong dịch cĩ điều kiện tấn cơng trực tiếp vào tinh bột.
Phối trộn: Bột gạo và bột malt được trộn đều với nước ở 650C để tiếp tục quá trình đường hĩa.
2.3.2. Quá trình đường hĩa: 4.3.2.1. Mục đích : 4.3.2.1. Mục đích :
Quá trình đường hĩa nhằm mục đích thủy phân các hợp chất cao phân tử thành các hợp chất cĩ phân tử thấp dễ hịa tan thành chất đường. Sản phẩm của quá trình đường hĩa rất đa dạng, nhưng chủ yếu là đường và dextrin.
Sự thủy phân tinh bột được tĩm tắt như sau:
Tinh bột Dextrin Maltoza
Cĩ 2 phương pháp đường hĩa: đường hĩa tồn khối và đun sơi từng phần. Phương pháp đường hĩa tồn khối cĩ thao tác đơn giản, thời gian ngắn. Tuy nhiên tinh bột khơng thủy phân triệt để, làm giảm hiệu suất đường hĩa. Phương pháp đun sơi từng phần cĩ thao tác phức tạp hơn, thời gian kéo dài hơn, tinh bột được thủy phân triệt để hơn, tăng hiệu suất đường hĩa.
Kết thúc đường hố dùng Iod 0.1% thử dịch đường để kiểm tra cĩ cịn sĩt tinh bột hay khơng vì nếu hàm lượng tinh bột cị sĩt sẽ gây cản trở lên men và nguy cơ gây đục bia rất cao.
2.3.2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình:
Chất lượng malt và nguyên liệu thay thế.
Nhiệt độ và tỷ lệ giữa nguyên liệu và nước.
Thời gian đường hĩa.
Quá trình khuấy đảo hỗn hợp đảm bảo truyền nhiệt đều cho tồn khối dịch.
25
Sự oxy hĩa trong quá trình đường hĩa: nếu khơng khí hịa vào dịch đường nhiều sẽ làm sẫm màu dịch đường và màu bia, hương vị bia kém đi.
Tính chất của các enzyme phụ thuộc vào nhiệt độ, pH.
Sự thủy phân tinh bột: phụ thuộc vào nhiệt độ, pH dịch hèm, nồng độ dịch hèm ban đầu, thời gian đường hĩa.
Sơ đồ 2.2. Giản đồ nấu bia (sử dụng gạo 25% làm thế liệu, khơng sử dụng Termamyl)
2.3.3. Quá trình lọc dịch đường:
Quá trình đường hĩa tạo ra dịch đường, giàu các chất nitơ dễ đồng hĩa. Mục đích của việc lọc là để tách dịch đường với vỏ và những phần nội nhũ của hạt khơng tan bằng cách chiết tối đa các chất hịa tan. Ngồi ra người ta mong muốn giữ
lại cùng với bã những chất khơng mong muốn như kim loại nặng, tanin, lipit…
Dịch hĩa lần 2,malt lĩt lần 2 Gạo 320/5’ Xuống bột malt lĩt lần 1 Dextrin hĩa lọc 500/20 Hoa houblon và phụ gia Hồ hĩa 830/5’ 20’ 15’ 1020/70 Đường hĩa 750/20’ 760 1000/25’ Đạm hĩa Dịch hĩa lần 1 15’ 720/20’ 5’ 320 Hồ hĩa triệt để 5’ 0 650/20’ 15’ 400 350 300 250 200 150 100 50 120 100 0 8 0 6 0 4 0 2 0 Thời gian Nhiệt độ (0C)
26
Trong quá trình lọc, những phần tử rắn sẽ tạo thành lớp lọc phụ đĩng vai
trị rất quan trọng trong suốt quá trình lọc.
Quá trình lọc chia làm 2 giai đoạn:
o Lọc: là giai đoạn tách dịch ra khỏi bã (tách phần dịch đường cốt).
o Rửa bã: sau khi tách dịch ra khỏi bã, trong bã cịn giữ lại một lượng chất hịa tan đặc biệt là đường. Mục đích của rửa bã là thu hồi những phần hịa tan cịn bám ở phần rắn bằng nước nĩng (78 800C). Thể tích nước rửa bã chiếm 70 –
72 % so với dịch đường thu được.
Tốc độ lọc phụ thuộc vào mức độ nghiền malt và mức độ thủy phân của
malt.
2.3.4. Quá trình Houblon hĩa: 2.3.4.1. Mục đích: 2.3.4.1. Mục đích:
Nhằm làm ổn định thành phần và tạo cho bia cĩ mùi thơm, cĩ vị đắng đặc trưng của hoa houblon. Đồng thời cũng xảy ra một số quá trình khác như: sự gia tăng nồng độ, độ axit, cường độ màu, sự tạo thành các chất khử, độ nhớt giảm xuống…
2.3.4.2. Sự biến đổi các hợp chất trong quá trình houblon hĩa:
Các chất đắng:
Nhiệt độ cao sẽ giúp hịa tan axit đắng trong hoa, người ta đã chứng minh rằng 86- 95 % chất đắng trong bia là do axit đắng cùng các đồng phân của nĩ gây nên. Khả năng tạo bọt, giữ bọt và độ bền sinh học của bia cũng tùy thuộc nhiều vào ở axit đắng. Axit đắng khi đun sơi kéo dài cũng làm tăng khả năng hịa tan, nhờ chuyển về các dạng đồng phân.
Chiết trích tinh dầu:
Tinh dầu của hoa houblon giúp cho bia cĩ mùi vị dễ chịu. Khi đun sơi phần lớn tinh dầu bị bay hơi đi nhưng vẫn cịn tồn tại một lượng rất nhỏ ở dạng khá bền và gây cho bia cĩ mùi vị đặc trưng.
27
Các chất chát của hoa houblon thuộc nhĩm carotin, tạo thành những dung dịch keo trong dịch đường.Trong dịch đường cĩ protit và một số albumo hay pepton cùng với các chất chát tạo thành những phức chất hịa tan ở nhiệt độ cao, nhưng khi nhiệt độ hạ xuống chúng sẽ kết tủa. Các chất chát trong hoa houblon hoạt động mạnh hơn các chất chát trong vỏ malt.Khi pH của dịch đường càng thấp thì tốc độ kết tủa của chất chát với protit càng nhanh, sự giảm chất chát trong dịch đường tỷ lệ thuận với thời gian đun sơi. Trong hoa houblon cịn cĩ một số hợp chất chứa nitơ, trở thành nguồn dinh dưỡng quan trọng cho nấm men sau này.
2.3.5. Lắng cặn, làm lạnh nhanh và sục khí vơ trùng: 2.3.5.1. Lắng cặn:
Để cĩ thể cấy giống nấm men chuẩn bị cho quá trình lên men thì cần thiết phải làm trong dịch, tách bỏ cặn và làm lạnh đến nhiệt độ lên men.
Dịch đường sau khi đun hoa houblon được cho chảy vào thiết bị lọc để tách dịch đường ra ngồi, cịn bã hoa thì được giữ lại bên trong. Sau đĩ chúng được rửa lại bằng nước nĩng. Nước rửa bã đựơc giữ lại để đường hĩa mẻ sau hoặc bổ sung vào dịch đường, cịn bã thì được thải ra ngồi.
2.3.5.2. Làm lạnh nhanh:
Sau khi lắng cặn làm trong, dịch đường được làm lạnh xuống nhiệt độ lên men, phù hợp với chủng nấm men sử dụng. Việc làm lạnh phải tiến hành nhanh và vơ trùng để ngừng các phản ứng hĩa học và giảm tối đa cơ hội phát triển của các vi sinh vật nhiễm tạp. Giảm nhiệt độ dịch đường cịn tạo điều kiện thuận lợi để bão hịa oxy cho quá trình lên men sau này.
2.3.5.3. Sục khí vơ trùng:
Để đảm bảo sự phát triển bình thường của nấm men thì dịch đường phải chứa oxy với hàm lượng khoảng 6mg/l. Vì vậy, trong giai đoạn này cần bổ sung oxy cho dịch đường. Sự hịa tan oxy vào dịch đường phụ thuộc vào nhiệt độ, bề dày lớp dịch, nồng độ và sự cơ đặc của dịch đường.
2.3.6. Lên men chính: 2.3.6.1. Mục đích:
28
Phần lớn các chất đường và một ít dextrin bậc thấp sẽ được nấm men chuyển hĩa thành ethanol, CO2 và một số sản phẩm phụ .Những thành phần mới được hình thành chủ yếu là ethanol và CO2, một số hợp chất dễ bay hơi như este, aldehyt, rượu bậc cao … Ngồi ra cũng xuất hiện những sản phẩm khơng bay hơi như acid hữu cơ, glyxerin. Dịch đường ban đầu sau quá trình lên men chính sẽ trở thành bia non.
2.3.6.2. Quá trình lên men:
Trong sản xuất bia, cĩ 2 chủng nấm men được sử dụng, chúng cĩ những đặc
tính cơng nghệ khác nhau do đĩ kéo theo các hình thức lên men khác nhau:
Lên men nổi với chủng Saccharomyses cerevisiae, lên men ở nhiệt độ
tương đối thấp và lắng xuống đáy thùng lên men ở giai đoạn cuối của quá trình.
Lên men chìm với chủng Saccharomyces calsbergensis khơng lên men
được ở nhiệt độ dưới 100C và nổi lên trên bề mặt dịch lên men.
Nhiệt độ của dịch lên men cần phải khống chế trong một giới hạn thích hợp, giới hạn này phụ thuộc vào phương pháp lên men chính và loại bia sản xuất.
Bảng 2.5: Các thơng số trong quá trình lên men chính
Thời gian lên men chính 5 – 7 ngày
Nhiệt độ lên men 6 – 90C Áp suất trước khi đĩng áp 0 bar
Khi độ đường đạt 3.00– 3.40P Thời điểm đĩng áp thích
hợp
Men : ≥ 50x106 tb/ml
2.3.6.3. Những biến đổi xảy ra trong quá trình lên men:
Quá trình lên men đường tạo rượu etylic, CO2
Đường và các axit amin trong dịch chiết thấm qua màng tế bào của nấm men nhờ các enzyme “permeaza”. Đường thấm vào màng tế bào theo thứ tự sau: glucose, fructose, saccharose, maltose. Trong quá trình lên men, nấm men tiết ra các aminoaxit, các hợp chất peptit đĩ là những chất tạo nên chất lượng cảm quan của bia.
29
Trong quá trình lên men, nấm men thơng qua con đường trao đổi chất và năng lượng trong các điều kiện kĩ thuật thích hợp để chuyển các gluxit phân tử lượng thấp (các đường, dextrin…) thành rượu etylic, CO2 theo sơ đồ phản ứng sau:
C6H12O6 C2H5OH + CO2+ H2O + Q
Đồng thời cĩ các quá trình sinh hĩa xảy ra do sự xúc tác sinh học của các enzyme được hình thành trong quá trình lên men, một số sản phẩm phụ cũng được hình thành như các axit hữu cơ, các este, các rượu bậc cao, aldehyt, glyxerin…
Quá trình hấp thụ axit amin:
Nấm men cĩ thể khơng sử dụng axit amin mà sử dụng các nguồn nitơ khác (photphat và ammonium) nhưng điều này làm thay đổi các sản phẩm bậc 2 của quá trình lên men. Điều này giải thích sự cĩ mặt của diaxetyl.
Sự chuyển hĩa chất béo:
Lipit được các nấm men tổng hợp để tạo ra các tế bào nấm men mới. Quá trình tổng hợp các chất béo và sterol cần thiết bắt đầu với axetyl coenzym A để tạo thành các phân tử axyl CoA và sterol bão hịa và khơng bão hịa. Quá trình sinh tổng hợp của các phần tử và các sterol khơng bão hịa địi hỏi 1 bước oxi hĩa, quá trình oxy hĩa này đạt được nhờ cĩ oxy phân tử, tạo thành nước. Oxy phân tử này trong dịch đường hĩa malt được sử dụng cho mục đích này. Sự thiếu hụt oxy sẽ dẫn đến quá trình lên men nghèo nàn và cĩ thể dẫn đến việc tăng axetyl Coenzym A trong các tế bào sẽ dẫn đến việc tăng hàm lượng este trong bia, làm ảnh hưởng đáng kể đến hương.
Do đĩ, việc cung cấp đủ lượng oxy ban đầu vào dịch đường chuyển vào lên men là rất quan trọng trong việc đảm bảo cho mơi trường lên men thích hợp.
2.3.6.4. Sự tạo thành các sản phẩm phụ:
Ngồi những sản phẩm chính được tạo thành khi lên men chính như rượu etylic và CO2 cịn cĩ 1 số chất khác cũng được hình thành và chúng đĩng vai trị quan trọng trong quá trình hình thành mùi vị của bia…
Rất nhiều các hợp chất bay hơi được nấm men sinh ra làm cho bia cĩ mùi thơm và cũng ảnh hưởng tới độ bền bọt. Tất cả các hợp chất dễ bay hơi của bia đều
30
được sinh ra trong quá trình lên men, trừ một lượng rất nhỏ các tinh dầu của hoa houblon và chất thơm của hoa tạo ra từ các phản ứng melanoidine trong quá trình đun sơi dịch đường. Người ta chia các hợp chất dễ bay hơi sinh ra từ quá trình lên men làm 5 loại: các rượu bậc cao, các axit dễ bay hơi, các este, các aldehyt và dẫn xuất của aldehyt, các hợp chất sunfua.
Các rượu bậc cao:
Các rượu bậc cao là những thành phần chính của dầu fusel. Ngồi ra trong dầu fusel cịn cĩ axit dễ bay hơi, este và các aldehyt. Khối lượng và thành phần rượu bậc cao phụ thuộc vào thành phần dịch đường, chủng nấm men và nhiệt độ. Trong bia cĩ các rượu như propylic, izopropylic, butylic, izobutylic, amylic, izoamylic và 1 số rượu khác. Mỗi loại rượu bậc cao đều gây cho bia cĩ những mùi vị khác nhau, nhưng nĩi chung chúng đều cho bia cĩ mùi vị khĩ chịu. Phần lớn các rượu bậc cao đều tạo thành trong quá trình lên men chính, lúc đầu mạnh và về sau yếu dần. Trong quá trình lên men phụ hàm lượng này tăng lên khơng đáng kể. Sự hình thành các rượu bậc cao là kết quả của các quá trình sinh hĩa. Quá trình này cĩ thể biểu diễn như sau:
R-CHNH2-COOH + H2O R-CH2OH + CO2 + NH3
Các axit hữu cơ:
Trong quá trình lên men chính một số axit hữu cơ được tạo thành, một phần là sản phẩm phụ của sự lên men các đường, một phần là do kết quả của sự trao đổi chất của nấm men và vi khuẩn. Axit lactic và xitric hình thành trong khi lên men chính từ axit pyrotactric. Trong trường hợp mà axit pyrotactric khơng decacboxyl hĩa mà khử thành axit lactic, bình thường hàm lượng của chúng trong bia đạt tới 150-200mg/l. Nếu cĩ mặt các vi khuẩn lên men lactic, axetic thì hàm lượng axit lactic sẽ tăng lên mạnh. Axit sucxinic cũng được tạo thành bởi sự đề amin hĩa axit glutamic.
Trong quá trình đề amin hĩa các axit glutamic đến axit glutamic ở dạng xeto và amin hĩa axit tactric ở dạng pyrio đến alanin và sản phẩm cuối cùng là axit sucxinic và rượu etylic:
31
COOHCH2CH2COCO6H CO2 COOHCH2CH2CHO Axit ketoglutamic aldehyt sucxinic COOHCH2CH2CHO + CH3CHO = COOHCH2CH2COOH + C2H5OH Axit sucxinic
Hàm lượng axit sucxinic cĩ trong bia thường từ 60-70 mg/l trong khi lên men chính một số axit dễ bay hơi như axetic (CH3COOH) hay axit formic (HCOOH) cũng được tạo thành.
Sự tạo thành các este:
Phản ứng giữa một phân tử rượu và một phân tử acyl coenzyme A tạo thành một este. Các chất este tạo thành do quá trình este hĩa các axit bay hơi và khơng bay hơi với những loại rượu khác nhau.
Các chất este đĩng một vai trị khá quan trọng trong việc hình thành mùi vị của bia. Phấn lớn các este hình thành trong khi lên men chính. Ở điều kiện nhiệt độ như nhau thì lên men nổi cho nhiều este hơn lên men chìm. Các este axetat của các rượu bậc cao thường là các este etyl của axit béo mạch dài (caproic và caprylic).
Sự tạo thành aldehyt và các dẫn xuất:
Axetaldehyt là sản phẩm bậc hai thơng thường của quá trình lên men, cĩ nồng độ khoảng 3 đến 25 mg/l trong bia. Các aldehyt bản thân nĩ khơng cĩ ảnh hưởng