II: Quy trình sản xuất bia
99. C6H12O6 C2H5OH + CO2 + H2O Q
100. Đồng thời có các quá trình sinh hóa xảy ra do sự xúc tác sinh học của
enzyme hình thành trong quá trình lên men, một số sản phẩm phụ cũng được hình thành như các este, rượu bậc cao, glycerin…
101. Tất cả những biến đổi này đã dẫn đến sự thay đổi về chất và lượng của các chất hòa tan có trong dịch đường lên men và biến dịch đường thành bia. Thành phần, chất lượng bia phụ thuộc vào thành phần dịch đường, loại nấm men và điều kiện lên men.
102. Độ lên men (là mức độ chuyển hóa các đường thành etylic và CO2) phụ
thuộc vào nhiều yếu tố mà quan trọng hơn cả là thành phần các chất hòa tan trong dịch đường và điều kiện tiến hành lên men (nhiệt độ, pH…)
103. Độ lên men cuối cùng là khả năng lên men được 100% chất chiết trong dịch lên men. Yêu cầu đối với sản xuất là không có sự chênh lệch quá lớn giữa độ lên men và độ lên men cuối cùng. Đó cũng là yếu tố quan trọng cho bia có độ sinh học cao.
Quá trình hấp thụ axit amin
104. Nấm men có thể không sử dụng axit amin mà sử dụng các nguồn nitơ khác
(photphat và amonium) nhưng điều này làm thay đổi các sản phẩm bậc 2 của quá trình lên men. Điều này giải thích sự có mặt của diaxetyl. Nếu nấm men sử dụng các axit amin của nhóm A thì nó sẽ không sử dụng valin của nhóm B. Các axit amin được sử dụng theo thứ tự sắp xếp ở bảng. 105. Nhóm A 106. Nhóm B 107. Nhóm C 108. Nhó m D 109. Argini n 110. Histidi n 111. Alanin 112. Proli n 113. Aspara gin 114. Isolơxi n 115. Glyxin 116. 117. Axit aspartic 118. Lơxin 119. Phenyl alanin 120. 121. Axit glutamic 122. Methi onin 123. Trypto phan 124. 125. Glyta min 126. Valin 127. Tyrosin 128. 129. Lysin 130. 131. 132. 133. Serin 134. 135. 136. 137. Threo nine 138. 139. 140. 141.
142. Nấm men bắt đầu hoạt động bằng cách sử dụng các axit amin của nhóm A
mà không dụng các axit amin của nhóm B. Các axit amin của nhóm C và D không được sử dụng trong quá trình lên men chìm cũng như trong lên men nổi, ngoại trừ khi lên men trong thùng sâu ở đó có sử dụng các axit amin của nhóm C, các axit amin của nhóm D thì rất ít được sử dụng.
Sự chuyển hóa chất béo
143. Sinh tổng hợp các tế bào nấm men mới trong quá trình lên men đòi hỏi sử
tổng hợp các lipit. Những đại phân tử này chủ yếu được tìm thấy là các thành phần quan trọng của màng tế bào. Cả các chất béo bão hòa và không bão hòa. Thông
thường với các màng tế bào của sinh vật nhân chuẩn, nấm men có chứa các sterol (chủ yếu là ergosterol). 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 hòa và không bão hòa. Qúa trình sinh tổng hợp của các phần tử và các sterol không bão hòa đòi hỏi một bước oxy hóa, qúa trình oxy hóa này đạt được nhờ có oxy phân tử, tạo thành nước. Oxy phân tử này trong dịch đường hóa malt được sử dụng cho mục đích này.
Sự tạo thành các sản phẩm phụ
144. Ngoài những sản phẩm chính được tạo thành khi lên men chính như rượu
etylic và CO2, còn có một số chất khác cũng được hình thành và đóng vai trò quan trọng trong quá trình hình thành mùi vị của bia…
145. Rất nhiều các hợp chất bay hơi được nấm men sinh ra làm cho bia có mùi
thơm và cũng ảnh hưởng tới độ bền bọt. Tất cả các hợp chất dễ bay hơi của bia đều được sinh ra trong quá trình lên men, trừ một lượng rất nhỏ các tinh dầu của hoa houblon và chất thơm của malt tạo ra từ các phản ứng melanoidine trong quá trình đun sôi dịch đường. Người ta chia các hợp chất dễ bay hơi sinh ra từ quá trình lên men làm năm loại: các rượu bậc cao, các axit dễ bay hơi, các este, các aldehyt và dẫn xuất của aldehyt, các hợp chất sunfua.
Sự hòa tan CO2 và tạo thành bọt
146. CO2 sinh ra trong quá trình lên men sẽ được hòa tan vào bia. Trong bia non chứa 0,2% CO2. Trong quá trình lên men phụ nó sẽ được bổ sung và đảm bảo cho hàm lượng CO2 có trong bia thành phẩm không nhỏ hơn 0,3%. Ở giai đoạn đầu của quá trình lên men, CO2 tạo ra chưa nhiều, lại ở nhiệt độ thấp cho nên chúng hòa tan hết vào dịch lên men. Ở giai đoạn sau của quá trình CO2 tạo ra nhiều hơn và trong dịch lên men đã hòa tan một lượng đáng kể, cho nên CO2 tạo thành lúc này sẽ thoát ra ngoài dưới dạng những bong bong nhỏ li ti. Trên bề mặt của những bong bong này hình thành một lớp có sức căng bề mặt của các chất như protein, polyphenol. Chính do có lớp căng bề mặt này mà bong bóng khí CO2 không thể giải thoát mà chúng bị liên kết hấp thụ lại với nhau để tạo thành bọt.
147. 5.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men
148. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men: nhiệt độ lên men, thời gian
lên men, nồng độ dịch đường, mật độ tế bào nấm men,…
149. Nấm men dùng trong sản xuất bia thường là các chủng thuộc giống Saccharomyces, chúng có khả năng hấp thụ các chất dinh dưỡng trong môi trường nước mạch nha như các loại đường hòa tan, các hợp chất nitơ (các axit amin, peptit), vitamin và các nguyên tố vi lượng… qua màng tế bào. Sau đó hàng loạt các phản ứng sinh hóa mà đặc trưng là quá trình trao đổi chất để chuyển hóa các chất này thành những dạng cần thiết cho quá trình phát triển và lên men của nấm men được tiến hành.
150. Nấm men sử dụng phải đảm bảo thuần chủng tuyệt đối, vì sự tạp nhiễm có
thể ảnh hưởng xấu đến quá trình lên men, và thành phần bia sau này. Để đảm bảo cho quá trình lên men được tiến triển bình thường và bia có chất lượng thì bia phải đủ các yêu cầu sau:
• Có tốc độ sinh trưởng và phát triển tốt.
• Có khả năng lên men nhanh chóng nhiều loại đường khác nhau
• Có khả năng kết tụ tốt vào cuối thời kì lên men chính
• Có khả năng giữ được các đặc tính sinh lí, sinh hóa qua nhiều thế hệ
• Có khả năng chống chọi tốt với những điều kiện bất lợi của môi trường.
• Cho bia hương vị tốt, hình thành ít các sản phẩm phụ không mong muốn.
Lượng nấm men gieo cấy vào ban đầu
151. Lượng nấm men gieo cấy ban đầu liên quan trực tiếp đến tiến trình lên men qua các chỉ số sau:
• Thời gian để thiết lập được thế cân bằng động giữa các quần thể nấm men với môi trường lên men (cơ chất).
• Lượng tế bào nảy chồi, từ đây dẫn đến lượng chất hòa tan (chất dinh dưỡng) bị tiêu phí cho xây dựng tế bào mới và cường độ trao đổi chất trong tế bào non.
• Thời gian lên men
• Hàm lượng các sản phẩm phụ tạo thành và tỉ số tương quan của chúng.
152. Thời gian để đạt được trạng thái cân bằng động phụ thuộc vào lượng nấm
men gieo cấy ban đầu. Nếu mật độ gieo cấy càng nhiều thì thời gian đó càng ngắn và ngược lại. Nếu lượng nấm men gieo cấy quá ít, khả năng nảy chồi của chúng không
đạt được mức độ tối đa cần thiết. Trong trường hợp như vậy, quá trình lên men bị “ì”, nghĩa là mức độ lên men thấp, thời gian lên men kéo dài. Mật độ tối đa của nấm men gieo cấy ban đầu thường nằm trong khoảng từ 20 – 50.106 nếu vượt qua ngưỡng 70.106 tế bào/cm3 thì hiệu quả mang lại không được rõ nét (nghĩa là không nên gieo quá mật độ đó)
Nồng độ chất tan của dịch đường houblon hóa
153. Nồng độ chất hòa tan trong dung dịch đường houblon hóa có ảnh hưởng rất
lớn đến sự phát triển của nấm men và tốc độ lên men. Từ thực tế sản xuất, đã chứng minh được rằng dịch đường houblon hóa có nồng độ chất hòa tan 11 – 12% lên men tốt hơn các loại dịch đường có nồng độ cao hơn hoặc thấp hơn.
154. Cường độ sinh trưởng và phát triển của tế bào nấm men khi lên men dịch
đường houblon hóa với nồng độ trung bình tỉ lệ tuyến tính với hàm lượng chất hòa tan và hàm lượng nitơ chứa trong đó. Nếu hàm lượng chất hòa tan ở trong dịch đường houblon hóa tăng lên trên 14,5% thì sự sinh trưởng của nấm men cũng không vì thế mà tăng lên, nó dừng ở một trị số xác định. Trong khoảng thời gian xác định nào đó,khi độ đậm đặc của dịch đường giảm xuống thì cường độ sinh trưởng và phát triển của nấm men không những giảm mà ngược lại sẽ tăng lên.
Nhiệt độ của dịch lên men
155. Nhiệt độ của dịch lên men và môi trường xung quanh có ảnh hưởng khá
mạnh đến quá trình lên men. Nếu lên men ở nhiệt độ cao thì:
• Thời gian lên men nhanh
• Mật độ tối đa đạt cao hơn so với nhiệt độ thấp hơn.
• Lên men triệt để hơn nhưng hàm lượng các sản phẩm phụ tạo ra nhiều hơn.
• Lượng sinh khối tạo ra nhiều hơn nhưng lượng tế bào chết lại nhiều hơn và tốc độ suy giảm các đặc tính công nghệ cũng nhanh hơn.
• Kết quả cuối cùng nhận được là tỉ số giữa các cấu tử trong bia không cân đối, chất lượng bia giảm.
156. Mỗi loại nấm men đều có nhiệt độ thích hợp cho sự phát triển và lên men. Vượt qua giới hạn đó, xét về gốc độ chất lượng sản phẩm, sẽ nhận được các kết quả âm tính.
Hàm lượng oxy và thế oxy hóa khử
157. Hàm lượng oxy hòa tan trong dịch đường ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ
sinh trưởng của nấm men và lượng sinh khối ở cùng một điều kiện, ở dịch đường được sục khí, mật độ tối đa của nấm men đạt tới 74.106tế bào/ cm3 tạo thành. Trong khi đó thì ở dịch đường không sục khí, mật độ tối đa chỉ đạt 45.106 tế bào /cm3. Sự gia tăng mật độ tế bào cực đại là dấu hiệu cho ta biết rằng ở trong đó lượng tế bào nảy chồi nhiều hơn, hoạt động nuôi tế bào non diễn ra mạnh hơn và do đó các sản phẩm phụ tạo ra cũng nhiều hơn.
158. Hàm lượng oxy hòa tan trong dịch đường cũng là yếu tố tác động mạnh đến
tốc độ suy giảm đặc tính công nghệ của nấm men.
159. Nếu trong dịch lên men có lượng oxy quá ít thì tốc độ sinh sản bị hạn chế, tốc độ lên men bị chậm lại, hương và vị của bia không đạt được mức cần có.
160. Lượng oxy hòa tan trong dung dịch đường houblon hóa chỉ nên khống chế
ở nồng độ 6,7- 8 mg/l
Nồng độ của sản phẩm lên men
161. Sản phẩm chính của quá trình lên men là rượu C2H5OH và khí CO2. Khi những hợp chất này được tích trữ đến nồng độ nhất định trong dịch lên men thì các hoạt động sống của nấm men bắt đầu bị ức chế. Ở nồng độ rượu thấp,dưới 2%, các hoạt động của nấm men vẫn xảy ra bình thường nhưng vượt quá 2% thì khả năng nảy chồi của nấm men bắt đầu giảm. Khi nồng độ rượu etylic tăng lên đến 5% thì khả năng nảy chồi của nấm men hoàn toàn bị chấm dứt, tuy rằng quá trình lên men vẫn tiếp diễn. Nếu nồng độ cồn lên đến 12%, qúa trình lên men bị đình chỉ hoàn toàn.
162. Khả năng chịu đựng độ cồn của các chủng nấm men khác nhau là khác
nhau. Nó phụ thuộc vào khả năng thích ứng và trạng thái sinh lý của nấm men. 163. 5.4. Cơ sở lý thuyết của quá trình lên men
164. Khi tiến hành lên men dịch đường houblon hóa, một lượng lớn cơ chất, chủ yếu là đường và dextrin bậc thấp bị nấm men hấp thụ để tạo thành rượu etylic, khí CO2 và các sản phẩm phụ. Ngoài các glucid bị tác động mạnh,các thành phần khác của dịch đường cũng chịu những sự thay đổi lớn. Một phần trong đó nấm men đồng hóa và bị biến đổi thành những hợp chất khác nhau, còn một số khác thì chuyền đổi thành trạng thái không hòa tan và bị tách ra ngoài dưới dạng kết lắng. Tất cả những
điều đó dẫn đến sự thay đổi lớn về lượng và biến đổi sâu sắc về chất trong các cấu tử hợp thành chất hòa tan của dịch đường.
Qúa trình lên men chia làm 2 giai đoạn:
165. Lên men chính: nấm men sử dụng các loại đường theo con đường đường
phân (EMP hay Glycosis), rồi qua chu trình TCA và chuỗi hô hấp khi môi trường còn oxi hòa tan, khi môi trường hết oxi, quá trình lên men methanol bắt đầu diễn ra và sản phẩm chính là rượu ethanol, CO2 và các acid hữu cơ, sinh khối và một số sản phẩm phụ (như: glycerin,diacetin…) diacetin làm bia kém phẩm chất vị hắc. Hợp chất này sẽ bị loại bớt ở giai đoạn hai. Nhiệt độ của quá trình lên men chính 7 – 9 oC. Thời gian lên men chính khoảng 5 – 7 ngày, tới khi khoảng 2/3 lượng chất khô của dịch đường được tiêu thụ thì các van thu hồi CO2 được khóa lại. Kết thúc quá trình lên men chính, hạ nhiệt độ xuống 5oC, sau 12 giờ đến 48 giờ ta tiến hành thu hồi men. Sau đó hạ nhiệt độ xuống 2oC chỉnh áp suất bồn tự nhiên từ 0 – 0,7 bar rồi tiến hành lên men phụ.
166. Lên men phụ: quá trình này diễn ra ở nhiệt độ thấp 0 – 2oC, áp suất 0,7 bar thời gian 10 – 14 ngày để ổn định hương vị bia, làm trong bia, bão hòa CO2.
167. 5.5. Thiết bị
168. Thiết bị lên men bia có nhiều dạng khác nhau về vật liệu chế tạo,cấu tạo, hình dáng, kích cỡ và nguyên tắc làm việc…
169. Combitank (thiết bị lên men liên hợp) là một dạng thiết bị lên men đặc
trưng cho công nghệ sản xuất bia theo phương pháp lên men gia tốc, đang ngày càng được sử dụng phổ biến. Các dạng combitank hầu như chỉ khác nhau về dung tích, hệ thống các trang thiết bị điều khiển và kiểm tra, giám sát chế độ làm việc.
170. Thiết bị lên men liên hợp
Cấu tạo combitank
171. 1Thân; 2 Các vùng tác nhân lạnh; 3 cảm biến nhiệt; 4. Lớp bảo ôn; 5. ống chống nhiễm khí, trào bọt; 6. Đồng hồ áp lực; 7. Van an toàn; 8. Van lấy mẫu; 9. Đường nạp liệu; 10. Đường xả đáy; 11. Đường xả khí CO2; 12. Đường thu hồi khí CO2; 13. Đường cấp dịch vệ sinh; 14. CIP; 15. Cửa quan sát, sửa chữa; 16,17.đường tác nhân lạnh vào, ra.
Kĩ thuật thực hiện:
− Kiểm tra các điều kiện bảo đảm an toàn cho thiết bị làm việc. Trong trường hợp cần thiết vệ sinh, vô trùng lại để đảm bảo đúng các chế độ kĩ thuật và đưa thiết bị về trạng thái sẵn sàng làm việc.
− Nạp dịch lên men vào combitank lên men
Kỹ thuật lên men chính:
172. Thực hiện chế độ lên men theo chế độ kỹ thuật (to, pH, τ,sự biến đổi chất khô hòa tan theo τ, áp lực… theo từng phương pháp). Trong quá trình, nấm men phát triển, tự đảo trộn CO2 và sự chênh lệch nhiệt độ trong quá trình lên men. Kết thúc lên men chính khi nồng độ chất khô hòa tan trong bia non còn khoảng 30 – 35% so với lượng chất khô ban đầu.
Kỹ thuật lên men phụ:
173. Điều chỉnh nhiệt độ của quá trình lên men phụ xuống 1 – 2oC bằng cách
điều chỉnh lưu lượng tác nhân lạnh thủ công hay tự động theo chương trình làm việc của thiết bị. Tốc độ giảm nhiệt độ phụ thuộc vào phương pháp, kỹ thuật, chế độ xả cặn hay thu hồi nấm men, loại bia thành phẩm… trong sản xuất. Một trong các cách cho hiệu quả quá trình công nghệ và chất lượng sản phẩm cao, ổn định, được áp dụng nhiều là giảm nhiệt độ xuống 1 – 2oC (lên men truyền thống) hay xuống 7 – 8 oC trong 36 – 48 giờ, rồi tiếp tục giảm xuống 1 – 2oC (lên men gia tốc), kết hợp có điểm