Trong sản xuất bia, người ta còn dùng một số nguyên liệu phụ khác như chế phẩm enzyme (để hỗ trợ phản ứng thủy phân trong quá trình nấu dịch nha hoặc xử lý bia sau lên men), chất chỉnh pH, các muối khoáng (để tăng cường hoạt tính enzyme trong nguyên liệu hoặc hoạt tính trao đổi chất của nấm men).
Phần II
Nấu dịch nha Lọc dịch nha và rửa bã
Nước Nước
Bã malt
Nấu dịch nha với hoa houblon houblon
Tách bã houblon
Bã houblon
Làm lạnh
Cung cấp oxy cho dịch nha Cấy giống Lên men chính Lên men phụ Lọc bia Bão hòa CO2 Rót chai và đóng nắp Thanh trùng Dán nhãn Bia chai Không khí vô trùng Nhân giống Nấm men bia CO2 Bã men
Cặn men Cặn CO2 Bao bì Malt vàng và các malt khác Malt đen Phối trộn Tách tạp chất Nghiền Tạp chất
I. Giải thích quy trình:
I.1. Tách tạp chất:
Mục đích công nghệ:chuẩn bị
Malt có thể bị lẫn một số tạp chất như rơm rạ, bụi, kim loại…tách tạp chất là một quá trình làm sạch nguyên liệu trước khi đưa vào sản xuất.
Các biến đổi nguyên liệu:
Quá trình tách tạp chất không gây ra những biến đổi hóa học bên trong hạt nguyên liệu.
Thiết bị:
Ta làm sạch malt bằng thiết bị với hệ thống rây và quạt. Rây sẽ tách các tạp chất có kích thước quá lớn hoặc quá nhỏ ra khỏi hạt. Còn quạt sẽ tách đi những tạp chất nhẹ như bụi, rơm rạ…
Hình 2.1 Máy quạt sàng
1- Đại mạch; 2-tạp chất lớn; 3-rơm; 4-tạp chất bé; 5-đại mạch sạch; 6-bụi; 7-con quay điều chỉnh hạt
Hình 2.2 Máy tách kim loại
a- Nam châm vĩnh cửu ; b- nam châm điện từ
1-Nam châm ; 2-tang quay ; 3-van điều chỉnh dòng hạt ; 4-đại mạch chưa làm sạch ; 5- đại mạch đã làm sạch
Thông số công nghệ:
Máy quạt sàng: kích thước lỗ sàng – sàng thứ 1, sàng thứ 2. Máy tách từ: dòng chảy của malt.
I.2. Nghiền:
Mục đích công nghệ: chuẩn bị
Giảm kích thước nguyên liệu, chuẩn bị cho quá trình nấu dịch nha. Nhằm phá vỡ cấu trúc hạt, cấu trúc tế bào, tạo điều kiện thụân lợi cho sự xâm nhập của nước vào các thành phần nội nhũ nhanh hơn và thúc đẩy các quá trình sinh lý, sinh hoá xảy ra trong nguyên liệu khi nấu nhằm thu nhận chất chiết trong quá trình nấu đạt hiệu quả cao, dịch đường có chất lượng tốt nhất từ nguyên liệu ban đầu.
Vỏ trấu: Vì trong vỏ malt có nhiều tannin nên cần tránh làm nát vỏ để hạn chế lượng tannin được trích ly vào trong dịch, làm cho bia có vị đắng rất khó chịu. Mặt khác, mục đích của việc giữ vỏ malt nguyên vẹn là để sử dụng như chất trợ lọc cho quá trình lọc dịch đường, giúp quá trình lọc sau này được thực hiện dễ dàng hơn, kết quả tốt hơn. Do vậy, chỉ nên nghiền dập hay bẹp, không nên nghiền mịn.
Trong nội nhũ của malt: chứa chủ yếu là tinh bột, dextrin, đường, protein, các sản phẩm thuỷ phân của protein… và nhiều hợp chất khác. Các hợp phần này của nội nhũ là nguồn chính cung cấp chất hoà tan cho dịch đường. Nếu nghiền càng mịn càng dễ trích ly nhưng quá trình lọc sẽ gặp khó khăn và đến lúc rửa bã malt sẽ không thể chiết rút hết các thành phần dinh dưỡng ở trong đó. Tốc độ lọc, chất lượng của quá trình lọc, mặt khác phụ thuộc vào thể tích của lớp lọc, mà đại lượng cuối cùng này lại phụ thuộc vào mức độ nghiền của malt.
Các biến đổi nguyên liệu:
Trong quá trình nghiền xảy ra các biến đổi vật lý như kích thước hạt nguyên liệu giảm, nhiệt độ của khối hạt tăng do ma sát.
Một nguyên tắc chung nhất cho quá trình nghiền malt là: đảm bảo yêu cầu thu nhận được nhiều chất tan nhất nhưng thể tích bột nghiền và bã malt cũng đạt giá trị cao nhất trong điều kiện có thể đạt được.
Bảng 2.1Ảnh hưởng của mức độ nghiền malt đến thể tích bột nghiền và thể tích khối bã
Mức độ nghiền Thể tích bột nghiền và bã từ 100 kg malt, m
3 Bột nghiền Bã Nghiền thô(20-25% bột) Nghiền mịn(50-60% bột) Nghiền rất mịn(80-90% bột) 0.28 0.21 0.20 0.2 0.13 0.10 Thiết bị: 1- Malt vào. 2- Nước
3- Quả cầu CIP.
4- Thùng chứa malt.
5- Thùng chứa nguyên liệu.
6- Vòi CIP.
7- Nước phun ẩm malt.
8- Buồng ngâm ẩm.
9- Trục cấp nguyên liệu ẩm.
10-Cặp trục nghiền.
Hình 2.3 Máy nghiền phun ẩm
Malt được định lượng trong thùng chứa malt. Sau đó được chuyển tới khoang phun ẩm với lưu lượng được điều chỉnh bằng trục điều chỉnh lưu lượng malt. Ở khoang phun ẩm, phun nước nóng hoạc phun nước ấm trong một thời gian ngắn, thường nhiệt độ nước 60-80 oC trong 45-60 giây hoặc 50-70oC trong 60-120 giây. Nước phun vào malt chảy ra ngoài và được tái sử dụng . Trong quá trình phun ẩm, hàm lượng nước trong malt tăng lên đến 18-22%, malt trương nở 30-35%, các enzyme trong malt được hoạt hóa nhẹ nhàng.Malt ẩm tiếp tục được đưa xuống cặp trục nghiền thứ nhất. Tại đây xảy ra các trường hợp sau:
Khi nguyên liệu sau khi qua cặp trục nghiền thứ nhất mà lọt qua cả hai rây sẽ được đua ra ngoài. Nếu chỉ qua rây thứ nhất, nguyên liệu sẽ rớt xuống cặp rây thứ hai rồi đi qua cặp trục thứ ba. Nếu nguyên liệu không qua cặp rây thứ nhất sẽ rớt xuống cặp trục nghiền thứ hai. Tại đây cũng xảy ra ba trường hợp tương tự như khi qua trục nghiền thứ nhất. Sau khi qua cặp rây thứ hai mà phần nguyên liệu vẫn không chui qua lỗ rây đầu tiên của cặp rây thứ hai thì đó chính là phần vỏ malt. Phần vỏ malt này được đi ra theo đường khác. Sau mỗi mẻ, tất cả các bộ phận tiếp xúc với malt được vệ sinh bằng các vòi CIP.
Ưu điểm của thiết bị này:
Vỏ trấu được bảo toàn . Nội nhũ vẫn được nghiền mịn. Giảm thời gian nghiền
Thông số công nghệ:
Đường kính trục nghiền: 250 mm. Tốc độ quay 2 cặp trục: 1,25 : 1. Khoảng cách 2 trục nghiền: I: 1,2-1,4 mm.
II: 0,6-0,8 mm. III: 0,3-0,5 mm.
Mục đích công nghệ: khai thác
Nguyên liệu sau khi được nghiền nhỏ sẽ được hoà trộn với nước ở trong thiết bị đường hoá. Trong môi trường giàu nước các hợp chất thấp phân tử có sẵn trong nguyên liệu sẽ hoà tan vào nước và trở thành chất chiết của dịch đường sau này. Các hợp chất cao phân tử của cơ chất như tinh bột, protein, các hợp chất chứa phospho… sẽ bị tác dụng của các enzym có sẵn trong malt tương ứng là amylaza, proteaza, phosphataza…khi nhiệt độ của khối dịch được nâng lên đến các điểm thích hợp cho các enzym này hoạt động. Dưới sự xúc tác của hệ enzym thuỷ phân, các hợp chất cao phân tử sẽ bị phân cắt thành những sản phẩm thấp phân tử hoà tan vào nước để nấm men sử dụng trong quá trình lên men tiếp theo. Ngược lại trong dịch chiết cần phải càng ít chất không mong muốn (ví dụ tanin trong vỏ trấu)càng tốt.
Các chất hòa tan: đường, dextrin, acid vô cơ và một số protein.
Các chất không hòa tan: tinh bột, xenluloza, một số protein cao phân tử và các hợp chất khác.
Các biến đổi nguyên liệu:
Sự trích ly các cấu tử có phân tử lượng thấp vào nước.
Đạm hoá là quá trình dùng enzim proteaza phân huỷ các protein thành các sản phẩm phân tử lượng thấp như axit amin (exopeptidaza), peptit… là nguồn cung cấp chất dinh dưỡng cho nấm men; các sản phẩm có phân tử lượng trung bình như albumin, pepton, polypepetit (endopeptidaza) tham gia vào việc tạo vị, tạo bọt, giúp cho bia có khả năng giữ bọt. Khi giữ khối dịch ở nhiệt độ 50 đến 52oC các quá trình thuỷ phân ở giai đoạn này rất quan trọng. Mặc dù sản phẩm của nó nhỏ nhưng nó tham gia trực tiếp vào sự hình thành chất lượng và là nguồn thức ăn chính cho nấm men, tạo vị, tạo bột, giữ bột, gây đục…Trong quá trình này dưới tác dụng của enzyme proteaza có sẵn trong malt, protein bị thuỷ phân thành axit amin, các peptone, peptid là những thành phần cần thiết cho lên men bia sau này. Nhiệt độ tối ưu ở giai đoạn này cho men proteaza hoạt động là 48 đến 52 oC.
Sự thủy phân tinh bột:
α-amylaza tác động lên mạch amyloza và amylopectin của tinh bột và bẻ gẫy mối liên kết α-1.4-glucozit, α-1.6-glucozit của amylopectin không bị phá huỷ, sản phẩm cuối cùng của quá trình này chủ yếu là dextrin, một lượng glucose và maltose.
β-amylaza cắt liên kết α-1.4-glucozit và giải, phóng từng đôi glucoza,β-amylaza sẽ tác dụng cho tới những chỗ bắt đầu rẽ nhánh của phân tử amylopectin(liên kếtα-1.6-glucozit) thì dừng lại để tạo thành sản phẩm là maltose.
Bên cạnh đó hai enzyme α-amylaza và β-amylaza có thể cùng tác độngtrên toàn mạch amylose và mạch nhánh của amylopectin để tạo thành đường maltose
Amylophosphataza tham gia vào quá trình thủy phân tinh bột với chức năng làm cho quá trình hồ hóa dễ hơn. Nó cắt phân tử axitphosphoric ra khỏi mạch amylopectin.
Thủy phân hemicellulose: ở giai đoạn ươm mầm, thành tế bào của nội nhủ đã cơ bản bị biến dạng. Đến giai đoạn đường hóa thì chúng mới thực sự bị phá hủy. Sự thủy phân hemicellulose mang hai ý nghĩa: thứ nhất là cung cấp bổ sung chất hòa tan cho dịch đường, thứ hai là phá bỏ hàng rào chắn, tạo điều kiện cho các enzyme còn lại hoạt động mà không bị vướng các chướng ngại vật.
Tham gia thủy phân hemicellulose là nhóm enzyme sitaza. Nhiệt độ tối ưu của chúng là 45oC còn pH là 5,0.
Thành tế bào nội nhũ của đại mạch chứa một mạng lưới các protein, xenluloza và hemixenluloza vững chắc, các chất này liên kết với nhau nhờ β-glucan. β-glucan có phân tử lượng cao, có xu hướng tạo gel và làm tăng độ nhớt của dịch đường và bia gây cản trở cho quá trình lọc do đó trong quá trình sản xuất cần phải loại được càng nhiều β -glucan càng tốt. β-glucan có thể được thủy phân nhờ enzyme Endo-β-glucan, đây là loại enzyme có sẵn trong malt vì vậy trong khâu chọn nguyên liệu nên lựa chọn nguyên liệu có chất lượng, chứa nhiều enzyme Endo- β -glucan. Trong suốt giai đoạn hồ hóa, cấu trúc của các hạt tinh bột bị phá vỡ và các sợi mixen bao bọc protein được nới rộng ra nên protein được giải phóng dần. Endo-β- glucan chỉ có thể phân cắt phần β -glucan của các mixen này. Topt:45-50oC, tại 70oC, enzyme này bị vô hoạt. Lúc này enzyme β-glucan solubilaza hoạt động và giải phóng các β- glucan cao phân tử và protein từ phần hạt chuyển hóa kém và không thủy phân xa hơn nữa
Thủy phân Fitin: trong các hợp chất hữu cơ chứa phospho thì fitin là cấu tử chiếm nhiều nhất về khối lượng và có ý nghĩa hơn cả trong công nghệ sản xuất bia. Cũng giống như các chất khác, ở giai đoạn ươm mầm, fitin đã bị thủy phân cục bộ nhưng với tốc độ bé. Đến giai đoạn đường hóa, quá trình này mới xảy ra với tốc độ tối đa dưới sự xúc tác của enzyme fitaza. Chức năng của fitaza là xúc tác phân cắt acid phosphoric khỏi phân tử amylopectin. Nhiệt độ tối ưu của enzyme này là 45-50oC, còn pH là 5,2-5,3.
Sự thủy phân fitin và những hợp chất hữu cơ khác chứa phospho và kèm theo đó là sự giải phóng acid phosphoric đã làm cho độ chua định phân và tính đệm của dịch cháo tăng lên. Điều này rất có ý nghĩa trong nghệ sản xuất dịch đường, vì sự tăng độ chua của dịch cháo
luôn kèm theo sự tăng hiệu suất đường hóa và nhiều ảnh hưởng dương tính đến dịch đường thu được.
Một số biến đổi khác
o Sự biến đổi keo tụ và kết lắng protein.
Sự biến tính và kết lắng là những thuộc tính của protein khi chúng bị tác động những yếu tố ngoại cảnh. Ở điều kiện đường hoá yếu tố ngoại cảnh đó là nhiệt độ cao của môi trường. Đây là những quá trình có lợi cho công nghệ sản xuất bia vì khi protein đã bị biến tính và kết lắng thì chúng sẽ được loại ra khỏi dịch đường, sẽ làm tăng độ bền keo của bia, giảm khả năng gây đục bia.
Sự kết tủa này phụ thuộc vào nhiệt độ, nhiệt đun nóng, pH của dịch.
o Sự tạo thành melanoid:
Phản ứng tạo melanoid hay còn gọi là phản ứng ozamin là phản ứng có vai trò quan trọng trong công nghệ sản xuất bia nói riêng và công nghệ sản xuất thực phẩm nói chung. Quá trình tạo melanoid đã xảy ra một cách mạnh mẽ ở giai đoạn sấy malt nhờ đó mà đã tạo ra một bước ngoặc quan trọng về tính chất cảm quan của bán thành phẩm. Đến giai đoạn đường hoá, ở nhiệt độ cao đường kết hợp với axit amin tạo thành melanoid. Sự tạo thành melanoid cùng với phản ứng caramen tạo ra mùi thơm đặc trưng, tạo vị và khả năng tạo bọt cho bia, làm tăng độ màu cho bia.
Phản ứng tạo melanoid chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố. Quan trọng nhất là những yếu tố sau đây:
- Ảnh hưởng của axit amin và đường. - Ảnh hưởng của nước.
- Ảnh hưởng của nhiệt độ và pH của môi trường. Ở nhiệt độ 00C và dưới 00C phản ứng không xảy ra. Ở nhiệt độ khác nhau thì melanoid tạo thành có thành phần và mùi vị khác nhau, ở 95 - 1000C thì melanoid có mùi vị hài hòa nhất và trên 1900C thì cho vị đắng khó chịu.
o Hoà tan các thành phần chất của malt:
Trong vỏ malt chứa khá nhiều hợp chất polyphenol, chất chát và chất đắng. Trong quá trình đường hoá, do tiến hành ở nhiệt độ cao nên một số khá lớn sẽ hòa tan vào nước. Sự hoà tan các hợp chất này vào dịch đường là một dấu hiệu bất lợi vì chúng sẽ tạo cho bia có vị lạ
khó chịu. Sự oxy hoá các hợp chất này là nguyên nhân làm tăng cường độ màu của dịch đường. Quá trình hoà tan polyphenol, chất chát và chất đắng phụ thuộc vào nhiệt độ pH của môi trường và thời gian đun nấu. Nhiệt độ càng cao, pH càng cao và thời gian đun nấu càng dài thì lượng hoà tan càng lớn. Hiện tượng này càng nguy hiểm khi ta sử dụng nước có độ cứng cacbonat cao để đường hoá nguyên liệu. Biện pháp hữu hiệu nhất để hạn chế sự hoà tan của các hợp chất nói trên là phải sử dụng nước mềm để đường hoá nguyên liệu. Trong thời gian đường hoá, tất cả các hợp phần của nội nhũ đều được hòa tan vào dịch đường. Những hợp phần đó là:
- Tất cả các hợp chất thấp phân tử đã có trong malt như đường, dextrin, axitamin, các sản phẩm thuỷ phân protein, các chất khoáng…
- Tất cả các hợp chất thấp phân tử được hình thành trong thời gian đường hoá như đường, dextrin, các sản phẩm thuỷ phânprotein, các sản phẩm thuỷ phânhemixenluloza, thuỷ phân chất béo, thuỷ phân các chất chứa phospho…tất cả những hợp chất này hoà tan vào nước và tạo thành chất chiết của dịch đường.
o Phản ứng giữa muối của nước và phosphat của cháo malt
Khi bắt đầu hoà bột malt vào nước phản ứng đã bắt đầu xảy ra. Các muối bicacbonat và cacbonat sẽ biến đổi kali phosphat bậc nhất thành bậc 2, đồng thời với nó là sự hình thành phosphat bậc 2 của canxi và magie, và thỉnh thoảng lại tạo ra canxi phosphat bậc ba. Những phản ứng này sẽ làm giảm độ chua định phân và tính đệm của dịch cháo.
Tiến hành quá trình theo phương pháp đun sôi 3 lần:
Khoảng 1/3 lượng nước cần thiết, ở nhiệt độ 38-40oC được bơm vào nồi phối trộn. Cho cánh khuấy làm việc và từ từ đổ bột malt vào. Trong thời gian đổi bột malt, lượng nước còn lại cũng được bơm nốt vào nồi phối trộn. Sau khi lượng bột malt đã được trộn đều, nhiệt độ