4.1. Mục đích:
Mục đích của quá trình này là nhằm làm ổn định dịch đường, ổn định thành phần các chất trong bia thành phẩm. Dịch đường sau khi lọc cùng với nước rửa bã hòa tan thường bị đục nhiều hay ít, trong dịch đường có chứa một số chất keo không ổn định do các vi sinh vật hay các enzym hoạt động còn sót. Nhờ quá trình đun sôi này làm vô hoạt toàn bộ hệ thống enzym và vô trùng dịch đường tạo điều kiện cho quá trình lên men, nhờ đó làm ổn định thành phần dịch đường và tạo điều kiện cho bia có thành phần và tính chất đúng theo yêu cầu kĩ thuật.
Quá trình này trích ly chất đắng, polyphenol, các hợp chất chứa nitơ và các thành phần khác của hoa houblon vào trong dịch đường, tạo cho bia có mùi thơm và vị đắng đặc trưng, dễ chịu của hoa houblon. Đồng thời khi hòa tan vào dịch
đường và tồn tại trong bia, các chất đắng trong hoa houblon (humulone, lupulone…) có hoạt tính sinh học cao tạo ra sức căng bề mặt giúp cho bia thêm bền vững sinh học và khả năng tạo bọt tốt và giữ bọt lâu. Một trong những phương pháp thông dụng nhằm chiết chất đắng và dầu thơm của hoa houblon là đun sôi trực tiếp dịch đường với hoa.
Đồng thời cũng trong lúc này 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… Thường hỗn hợp dịch đường sau khi lọc và nước rửa bã có nồng độ thấp hơn nồng độ yêu cầu để sản xuất một loại bia nhất định. Nhờ quá trình đun sôi này một phần nước sẽ bay hơi, khi đó nồng độ dịch đường sẽ tăng lên. Đây cũng là quá trình hòa tan các thành phần của hoa vào dịch đường và loại trừ các chất keo không bền vững.
Làm keo tụ phần lớn protein bất ổn định và các chất không hòa tan khác của dịch đường, tạo nên “tủa nóng” và lắng xuống đáy nồi đun sôi. Sự kết tủa protit cũng góp phần quan trọng cho việc làm trong bia sau này. Tuy nhiên, những chất chát (tanin) không bị oxi hóa cũng tạo thành phức với protein, tồn tại trong dịch đường dưới dạng “tủa nguội”. Đây chính là nguyên nhân làm cho bia thành phẩm bị đục.
4.2. Tiến trình nấu
Quá trình đun sôi gồm các giai đoạn: nhập liệu; gia nhiệt; sôi; chuyển sang nồi lắng. Đây là quá trình sử dụng năng lượng nhiều nhất trong cả quy trình (24- 54 mJ/ hl, chiếm 18% tổng năng lượng). Tổng năng lượng dùng cho cả quá trình sản xuất bia từ 145- 285 mJ/Hl. Trong qúa trình đun sôi lượng nước bốc hơi để đạt nồng độ chất khô thích hợp. Trước đây 30 năm lượng nước bốc hơi khoảng 12- 20% nhưng ngày nay số này chỉ còn từ 4- 8%. 99% năng lượng phục vụ cho quá trình sôi; 1% năng lượng tổn thất do nước bốc hơi.
Dịch nha sau khi lọc được mang đi đun sôi với hoa houblon. Dịch nha có thể được đưa trực tiếp vào nối nấu hoa hoặc cho vào nồi trung gian nếu thấy cần. Lưu ý trong quá trình lọc và chuyển dịch nha vào nồi nên tránh tăng lượng oxy hòa tan vào dịch nha (giảm các phản ứng oxy hóa), đồng thời cần đun sôi mạnh
Nồi nấu có hệ thống cấp nhiệt cho dich nha từ 65- 78oC lên đến nhiệt độ sôi (trên 100oC). Thời gian đun sôi từ 30- 120 phút (thường khoảng 90 phút). Các phụ liệu và hoa Houblon được cho vào trong quá trình đun sôi.
Phương thức bổ sung hoa:
Hoa có thể được đưa vào một lần hay chia làm 4 phần. Đối với bia có độ đắng thấp (20-24 BU) và mùi thơm đậm hơn, hoa thường được thêm vào một lần vào lúc đầy nồi hoặc thêm vào sau khi sôi 20 phút. Việc thêm hoa sau khi sôi 20 phút xúc tiến phản ứng của polyphenol trong malt với các hợp chất cao phân tử chứa Nitơ trong suốt giai đoạn nấu, vì vậy có thể giảm thiểu việc mất chất đắng.
Nếu hoa được thêm 2 lần, 70-80% tổng số hoa nên thêm sau khi sôi 20 phút và phần còn lại nên được thêm trước khi kết thúc quá trình đun sôi 10-30 phút. Do đó, chất đắng của hoa được chiết ra để đồng phân hóa tối đa lượng α-acid của chúng và làm bay hơi những thành phần không mong muốn. Việc thêm hoa ở giai đoạn sau nhằm làm tăng chất lượng mong muốn của bia để kết thúc quá trình nấu, duy trì được lượng tinh dầu mong muốn cho bia. Thêm hoa chậm tạo ra một mùi thơm riêng biệt và mạnh mẽ. Việc thêm hoa sớm có thể làm giảm lượng bọt trong bia.
Thông thường trong nấu hoa người ta chia lượng hoa thành 3 phần:
Phần thứ nhất, khoảng ¼ lượng tổng số được cho vào sau khi dịch sôi khoảng 15-20 phút, có nghĩa là khi bắt đầu có sự đông tụ. Đây là phần sản phẩm houblon đắng nhất, ít thơm nhất và giàu tanin nhất được đưa vào trước tiên.
Phần thứ hai cũng là phần chính với một nửa lượng tổng số được đưa vào sau lần thứ nhất 30 phút. Phần này sẽ mang lại cho bia vị đắng quan trọng nhất của hoa houblon.
Trong khoảng 30-15 phút trước khi kết thúc nấu, đưa nốt phần thứ ba vào. Đây là phần hoa houblon thơm nhất giữ lại trong bia một mùi thơm đặc trưng của hoa houblon.
Trong quá trình cấp hoa houblon được khoảng 45 phút thì bổ sung axit lactic để điều chỉnh pH. Đồng thời kiểm tra độ Balling, nếu không đạt 13oBalling thì phải tăng thời gian đun sôi hoặc giảm bớt lượng nước rửa.
Với hoa viên do có hàm ẩm thấp nên cần làm ẩm trước khi cho vào nồi (ngâm trong dịch nha) để tránh hiện tượng trào bọt (do hiện tượng giản nở thể tích khí). Với hoa dạng cao do độ nhớt nên cần gia nhiệt sơ bộ (45- 50oC) trước khi cho vào nồi hoặc dùng hơi nước trực tiếp để gia nhiệt. Ở một số nhà máy lớn có hệ thống tự động phun nước nóng và đồng hóa cao hoa trước khi cho vào dịch để đun sôi. Ở những nhà máy nhỏ thường hòa trực tiếp cao hoa trong dịch đang đun sôi.
Một số biện pháp làm tăng khả năng hòa tan chất đắng trong quá trình đun sôi và tiết kiệm hoa houblon nhằm nâng cao hệ số sử dụng hoa houblon:
- Nghiền hoa trước khi đun sôi với dịch đường. - Chiết hoa houblon với dịch đường.
- Chiết hoa houblon với dung dịch kiềm. - Tái sử dụng hoa houblon.
Sau khi đun sôi nước đường với hoa houblon, ta tiến hành lọc và tách bã hoa. Nước đường trong được bơm và vận chuyển sang bộ phận làm nguội, trong bã còn lại một lượng đáng kể nước đường (6-7 lít/1kg hoa), lượng nước thừa này có thể thu hồi bằng cách rửa bã với nước nóng đến khi nồng độ chất hòa tan hạ xuống dưới 2,5%.
Tính lượng hoa houblon cần thiết:
Lượng hoa cần thiết nằm trong một giới hạn khá rộng từ 100-700g/100 lít. Khối lượng này phụ thuộc vào chất lượng hoa, loại hoa bia sẽ sản xuất và thành phần của nước để dùng chế biến. Hàm lượng chất đắng trong dịch đường thường từ 65 – 100mg/l, trong bia từ 35 – 100mg/l. Khi ta dùng nước mềm (ít thành phần
vào nồi đun sôi dạng chưa ép hoặc dạng đã ép thành bánh hoặc ở dạng đã nghiền nhỏ.
Lượng chất đắng tùy thuộc từng loại bia, thường tính theo công thức: Đơn vị đắng (BU) = số mg chất đắng/ l bia
4.3 Các quá trình hóa lí xảy ra trong khi nấu
4.3.1 Sự hòa tan và chuyển hóa các hợp chất chính trong hoa houblon
Nhựa đắng
Hoa houblon chứa các axit α, β ít đắng và kém hòa tan. Khi đun nóng các α axit này sẽ hòa tan, chuyển thành các dạng đồng phân có khả năng hòa tan tốt hơn: độ hòa tan của iso-α axit là 120ppm.
Mặt khác các đồng phân của axit α, β này có độ đắng rõ rệt hơn các axit α, β. Khả năng hòa tan của các nhựa đắng này được cải thiện khi pH tăng. Ở pH cao, chất đắng hòa tan nhiều hơn song lại cho cảm giác khó chịu.
Trong quá trình nấu cũng loại bỏ ít hay nhiều các nhựa đắng dưới dạng liên kết với protein.
Dịch đường chế biến theo phương pháp ngâm chiết chứa nhiều nitơ có khả năng đông tụ. Trong nước nha có tanin của hoa houblon và của malt, tanin của houblon có hoạt tính hóa học cao và có độ hòa tan lớn trong nước, các chất này làm kết tủa protein cao phân tử. Do đó khi tăng lượng hoa houblon trong nước nha thì lượng protein kết tủa cũng tăng. Nếu protein không đông tụ hết sẽ kìm hãm quá trình lên men. Vì protein hấp thụ trên bề mặt tế bào nấm men gây những khó khăn trong quá trình sản xuất bia như khó lọc, bị đục khi ướp lạnh.
Tinh dầu
Tinh dầu trong hoa houblon tạo ra mùi thơm đặc trưng của hoa houblon tươi. Độ tan của chúng trong nước vào khoảng 50mg/l. Trong quá trình sôi của dịch đường, tinh dầu bị lôi cuốn theo hơi nước và bị mất từ 50-80% sau 30 phút
và từ 90-95% sau 3 giờ. Thành phần tinh bột thay đổi cùng với thành phần không bay hơi còn lại của tinh dầu tạo mùi thơm dễ chịu, đặc trưng cho bia. Chính vì lí do này nên những sản phẩm houblon thơm chứa nhiều tinh dầu như houblon tươi, khô hay viên được đưa vào sau cùng để tránh mất tinh dầu. Tuy nhiên, lần cho cuối cùng này phải được thực hiện ít nhất là 10 phút trước khi dừng quá trình đun sôi để đảm bảo việc chuyển hóa cần thiết các nhựa đắng, đồng thời hạn chế sự mất tinh dầu.
Chất chát và những chất chứa N
Trong dịch đường có protit và một số albumin hay pepton, chúng sẽ kết hợp với chất chát có trong hoa houblon tạo thành những phức chất hòa tan ở nhiệt độ cao, nhưng khi nhiệt độ hạ xuống (khi làm nguội) chúng sẽ kết tủa xuống phía dưới. Các chất chát trong hoa houblon có khả năng hoạt động mạnh hơn các chất chất trong vỏ malt, do vậy chúng kết tủa với cả những protit khó keo tụ, thậm chí với cả những protein không keo tụ trong khi đó chất chát của vỏ malt không có khả năng này.
Lượng Nitrogen trong dịch nha có liên quan đến pH, độ trong của dung dịch, chúng có ý nghĩa lớn đối với quá trình sản xuất bia. Những chất này hòa tan dịch đường trong thời gian đun sôi và làm nguồn dinh dưỡng chính cho nấm men. Trong dịch đường, lượng nitơ do hoa houblon cung cấp là 10-20mg/l, hay 62,5-125mg/l chất có N quy ra protit. Chúng bị thất thoát chủ yếu trong quá trình đun sôi, cứ một tiếng đun sôi lượng nitrogen mất 6%.
Polyphenol có trong Houblon sẽ oxy hóa các hợp chất hữu cơ tạo thành kết tủa. pH của dịch nha sẽ giảm xuống từ 0,2- 0,3 và đạt đến chỉ số 5,2- 5,3 ở cuối quá trình nấu, nguyên nhân lượng ion Ca2+ bị thất thoát do liên kết với phosphate và polyphenol (phóng thích ion H+) trong quá trình đun sôi
Những chất không bị oxi hóa cũng tạo thành những phức chất với protit, song chúng khó tách hoàn toàn trong quá trình làm nguội hoặc lên men dịch đường, một phần còn lại trong bia gây đục bia.
Mức độ giảm chất đắng (lượng phức chất tạo thành) phụ thuộc vào nhiều yếu tố: độ axit, thời gian đun sôi, trạng thái keo của protit và mức độ oxi hóa chất chát. Khi pH dịch đường càng thấp thì tốc độ kết tủa của chất chát với protit càng nhanh, lượng chất chát còn lại ở dạng hòa tan càng ít. Sự giảm chất chát trong dịch đường tỉ lệ thuận với thời gian đun sôi, nhưng ảnh hưởng này yếu hơn so với pH.
Quá trình keo tụ protit
Dịch đường sau khi lọc có chứa một lượng chất keo đáng kể như dextrin, protit, pectin, pentozan, chất chát…Khi đun sôi với hoa houblon thì những chất chiết ra như axit đắng và một số chất khác cũng ở dạng keo hòa tan. Khi nhiệt độ tăng lên sự bền vững keo bị phá vỡ, các phần tử keo dính lại với nhau và xảy ra hiện tượng keo tụ.Trong tất cả các chất keo có trong dịch đường thì protit là chất kém bền nhiệt nhất. Sự hình thành những chất hấp phụ giữa và chất chát hay chất đắng sẽ làm thuận lợi cho sự keo tụ.
Quá trình keo tụ của protit xảy ra theo 2 giai đoạn: đầu tiên chúng mất nước, sau đó keo tụ. Các phần tử protein sau khi mất nước chúng liên kết lại với nhau, lúc đầu bé, sau đó lớn dần và từ từ lắng xuống.
4.3.2. Các biến đổi khác về thành phần và tính chất của dịch đường
Ổn định dịch đường:
Về mặt sinh học, dịch đường khi chuyển sang nồi nấu hoa có thể chứa các vi khuẩn chịu nhiệt. Đun sôi trong vòng 15 phút ở pH = 5,2 cũng đủ để tiệt trùng dịch đường. Những tính chất kìm hãm vi khuẩn của hoa houblon cũng góp phần bảo vệ cho dịch đường.
Về mặt hóa sinh, các enzym bị phá hủy, đặc biệt là α-amylase, là một enzym chính còn hoạt động ở nhiệt độ lọc. α-amylase có nguồn gốc vi khuẩn được sử dụng trong việc dịch hóa các hạt tinh bột có thể hoạt động ở nhiệt độ tới 900C. Sự tiêu diệt enzym ở công đoạn nấu tránh sự biến đổi cấu trúc phân tử
đường trong quá trình lên men mà những chất này sẽ cản trở hay tác động xấu tới độ bền sinh học hay khả năng giữ bọt của bia thành phẩm.
Về mặt bền keo, để cải thiện tính bền keo của bia cần loại bỏ các hợp chất nitơ bằng cách đông tụ và kết tủa chúng với sự liên kết protein và tanin. Sự đông tụ này phụ thuộc nhiều yếu tố:
+ Thời gian đun sôi: thường từ 1,5- 2h. Nếu đun sôi kéo dài quá 2h không tăng thêm được sự kết tủa protein trong cặn đã được hình thành.
+ Cường độ sôi: bọt xuất hiện trong quá trình đun sôi mãnh liệt làm cho keo tụ được tốt hơn. Các phân tử protein nhỏ bé bị biến tính và được các bọt bóng kéo lên bề mặt, và chúng kết lại thành khối lớn hơn.
+ Các tác nhân hóa học: sự có mặt của oxi trong dịch đường ức chế quá trình đông tụ protein. Để cải thiện, người ta thêm các chất khử như các sulfit. Phản ứng giữa canxi, nước và các photphat làm giảm pH của dịch đường. Điều này có lợi cho việc đông tụ protein (điểm đẳng điện). pH khoảng 5,2 được coi là tối ưu. Khi pH không đủ người ta thêm trực tiếp axit khi dịch bắt đầu sôi. Tuy nhiên việc giảm pH sẽ làm giảm hiệu suất houblon hóa song nó lại cho một vị đắng dễ chịu.
Các tác nhân thường được sử dụng là agar-agar, alginate, axit tanic, gelatin, bentonit, diatomit.
Tăng màu và mùi
Quá trình đun sôi với hoa houblon làm cho nước nha thay đổi từ nhạt sang đậm vì hiện tượng caramen hóa các chất đường, sự hình thành các melanoit và vì các chất có màu trong hoa houblon chuyển vào dịch. Các hợp chất caramen được hình thành có bản chất keo, vị đắng nhẹ và có màu nâu. Cần phải không chế phản ứng caramen hóa trong quá trình nấu bia vàng.
Quá trình đun sôi giúp loại bỏ các hợp chất bay hơi không mong muốn như các hợp chất dimetylsulfit (DMM) và các tiền chất của nó là S.metyl-methionin
xuống dưới ngưỡng phát hiện 100mg/l. Một số các hợp chất được tạo ra từ phản ứng Maillard như furfurylaldehit, furfurlalcool… gây ra các vị không mong muốn khi đun sôi dịch đường cũng được loại ra.
Ảnh hưởng đến bọt bia
Các chất nhựa đắng của hoa houblon có ảnh hưởng một cách rõ rệt tới một số tính chất vật lý của dịch đường và của bia. Chúng không biến đổi nhiều về độ nhớt song lại làm giảm đáng kể sức căng bề mặt.
Nhờ tính chất hoạt động bề mặt mà nhựa đắng của hoa houblon tập trung lại tạo màng ở bề mặt, điều này giải thích cho việc hao tổn một phần nhựa đắng dính trên nắp thiết bị trong lên men chính và tác động chủ yếu tới độ bền bọt là phần