II: Quy trình sản xuất bia
1. Quá trình sản xuất dịch đường 1 Nghiền malt
1.2 Quá trình đường hóa
Là quá trình quan trọng nhất trong quá trình sản xuất dịch lên men. Trong suốt quá trình đường hóa, bột malt và nước trộn với nhau, các thành phần của malt hòa tan vào nước và ta thu được dịch đường.
1.2.1 Mục đích
Hầu hết các hợp chất của bột malt không tan trong nước, chỉ có những chất hòa tan mới tham gia vào thành phần bia. Do vậy quá trình đường hóa thực hiện việc chuyển các chất không tan của bột nghiền thành dạng hòa tan.
Tất cả các chất tan vào dung dịch gọi là chất chiết hay dịch hỗn hợp sau khi đường hóa gọi là dịch hèm vì nó bao gồm cả bã malt và các chất không hòa tan khác.
Các chất hòa tan: đường, dextrin, acid vô cơ và một số protein.
Các chất không hòa tan: tinh bột, cellulose, một số protein cao phân tử và một số hợp chất khác.
Hàm lượng chất chiết thu được càng cao càng tốt. Tuy nhiên không chỉ số lượng mà chất lượng của chất chiết cũng rất quan trọng, càng ít các hợp chất không mong muốn càng tốt. Tóm lại, mục đích của quá trình đường hóa là tạo được càng nhiều chất chiết và chất lượng dịch càng cao càng tốt. Phần lớn chất chiết được tạo ra từ phản ứng enzyme, các enzyme hoạt động mạnh ở nhiệt độ thích hợp.
1.2.2 Các biến đổi xảy ra trong quá trình đường hóa Thủy phân tinh bột
Cấu tử quan trọng nhất của bia là rượu được tạo thành trong quá trình lên men đường. Tinh bột được thủy phân thành các loại đường trong đó nhiều là maltose. Ngoài ra còn các sản phẩm trung gian như dextrin – không lên men được. Quá trình thủy phân tinh bột xảy ra theo 3 giai đoạn, trình tự không thể thay đổi tuy nhiên chúng xen lẫn vào nhau: hồ hóa – dịch hóa – đường hóa.
Hồ hóa
Khi ngâm với nước nóng, một lượng lớn nước ngấm vào các phân tử tinh bột làm thể tích hạt tăng lên và hạt bột trương nở, cuối cùng vỡ tung. Dịch trở nên nhớt, độ nhớt tùy thuộc vào mức độ hút nước của bột malt và các loại nguyên liệu thay thế malt. Trong quá trình này, xảy ra quá trình phân hủy không có tính hóa học gọi là quá trình hồ hóa. Quá trình hồ hóa có vai trò quan trọng trong sản xuất thực phẩm. Sau khi tinh bột đã hồ hóa sẽ không liên kết chặt chẽ với nhau nữa, tạo điều kiện cho các enzyme có trong dịch tấn công trực tiếp vào tinh bột. Như vậy, nhờ hồ hóa, tức là sự trương nở và vỡ tung các hạt bột trong nước nóng mà các phân tử tinh bột được giải phóng tự do vào dung dịch nhớt và dễ dàng bị tấn công bởi enzyme amylase hơn là các hạt tinh bột không bị hồ hóa. Nhiệt độ hồ hóa các loại ngũ cốc khác nhau là khác nhau.
Dịch hóa
Trong phân tử tinh bột có chuỗi mạch dài tạo nên từ các gốc glucose bị phá hủy nhanh chóng bởi α – amylase hình thành mạch ngắn hơn, điều này làm độ nhớt của dịch hồ hóa giảm nhanh. β– amylase chỉ có thể phân tách từ từ mạch tinh bột từ đầu không khử, do vậy mà sự thủy phân nhờ enzyme này mất nhiều thời gian.
Đường hóa
α – amylase phân cắt dần dần mạch amylose và amylopectin để tạo nên các chuỗi mạch ngắn hơn, các dextrin chứa 7 -12 gốc glucose. Các chuỗi này lại được β– amylase tiếp tục phân cắt ra chuỗi có 2 gốc maltose từ đầu không khử. Do sự khác nhau về độ dài của các mạch mà ngoài sự tạo thành maltose còn tạo nên các đường khác nhau như glucose, maltotriose.
Trong quá trình phân cắt amylopectin luôn hình thành nên chuỗi chứa 2 -3 gốc glucose có mối liên kết 1,6 đó là các dextrinma, cả α – amylase và β– amylase đều không phân cắt được mối liên kết này. Do vậy, các dextrin luôn tồn tại trong dịch đường.
Trong malt chứa nhiều enzyme dextrinase giới hạn, enzyme này không giống α,β amylase, nó có thể phân cắt liên kết 1,6 nhưng do nhiệt độ tối ưu của nó là 55-60oC và vô hoạt ở 65oC nên enzyme này ảnh hưởng rất nhỏ trong quá trình đường hóa.
Tóm lại
β – amylase tạo ra maltose từ đầu không khử của mạch nhưng nó cũng tạo ra glucose và maltotriose, topt = 60-65oC, pHopt = 5.4-5.5.
Sự thủy phân tinh bột đựơc theo dõi do tinh bột còn sót và các dextrin mạch dài gây đục bia. Sự thủy phân tinh bột được kiểm soát bằng iod 0.02N. Phương pháp này luôn được thử khi mẫu dịch đã được làm nguội và dựa trên nguyên tắc dung dịch chuyển sang màu xanh ở nhiệt độ phòng với tinh bột và dextrin có phân tử lượng lớn, ngược lại đường và các dextrin có phân tử lượng nhỏ hơn không làm mất màu nâu của iod. Khi thử thấy dịch đường không làm mất màu iod nữa thì dừng quá trình đường hóa.
Thủy phân β – glucan.
Thành tế bào nội nhũ của đại mạch chứa một mạng lưới các protein, cellulose và hemicellulose vững chắc, các chất này liên kết với nhau bằng β – glucan. Một số phân tử β – glucan xoắn vào nhau hoặc liên kết với nhau bằng liên kết hydro. Do có hình dáng không theo quy luật nào cả, có các tua dài nen chúng còn được gọi là mixen tua. Ở dạng này chúng hòa tan được. Một số mixen liên kết với nhau tạo thành một mạng lưới và một phần liên kết vững chắc bao bọc protein trong thành nội nhũ. Đây là trạng thái hạt đầu tiên trước khi bắt đầu nấu.
Trong suốt quá trình hồ hóa, cấu trúc của các hạt tinh bột bị phá vỡ và các sợi mixen bao bọc protein cùng với các mối liên kết bị cọ mòn,nới rộng ra nên protein được giải phóng dần ra. Endo β – glucanase chỉ có thể phân cắt phần β – glucan của các mixen này. Topt = 45-50oC. Khi giữ nhiệt độ này trong thời gian dài và sử dụng malt chất lượng tốt với hàm lượng Endo β – glucanase cao thì phần lớn β – glucan bị phân hủy sang dạng hòa tan và do vậy mà khả năng tạo keo giảm. Tuy nhiên enzyme này rất nhạy với nhiệt nên ngay khi nhiệt độ tăng thì Endo β – glucanase bị vô hoạt. β – glucan có phân tử lượng cao có xu hướng tạo gel trong nhiều môi trường và làm tăng độ nhớt của dịch đường và bia gây trở ngại cho quá trình lọc. Để khắc phục việc tạo ra nhiều β – glucan phân tử lượng cao thì cần sử dụng malt có chất lượng tốt, có hàm lượng enzyme cao; kéo dài thời gian lắng và không tạo dòng xoáy để tránh tạo lực hút nếu không liên kết hydro tái tạo lại và nguy cơ tạo gel.
Sự thủy phân protein
Kết thúc quá trình đun sôi dịch đường, tất cả các protein cao phân tử lượng kết tủa, trừ một lượng rất nhỏ. Do vậy mà dịch đường chỉ chứa các sản phẩm thủy phân, một số các sản phẩm này vô cùng cần thiết cho sự phát triển của nấm men và sự lên men nhanh. Sự phân hủy protein nhờ protease diễn ra mạnh nhất ở 45-55oC. Trong quá trình thủy phân protein bị phân cắt dần để cuối cùng thành các acid amin.
1.2.3 Thiết bị nấu
Khi nấu ta cần dùng 1 đến 2 thiết bị tùy quy trình công nghệ. Cần lưu ý kích cỡ của cánh khuấy, vận tốc quay phải phù hợp với đường kính thiết bị và vận tốc biên của nó không vượt quá 3.8m/s. Hệ thống cấp nhiệt cho thiết bị rất quan trọng, hệ thống cấp nhiệt kiểu 2 đáy truyền thống không đảm bảo được sử dụng lâu dài. Do bề mặt lớn, dễ tạo chân không nếu quên mở xả khí khi kết thúc quá trình cấp nhiệt dẫn đến nguy cơ hỏng hóc, làm cho bề mặt đáy cong vênh và không dùng được nữa. Ngày nay truyền nhiệt được thực hiện qua các ống hình bán nguyệt hàn ở đáy hay thân thiết bị. Thay vì dùng đồng có khả năng dẫn nhiệt cao để chế tạo thiết bị nấu, người ta thường dùng thép để rẻ hơn. Hơi nước có p>2-3 bar được đưa vào vùng truyền nhiệt với v=30-50m/s và ngưng tụ lại sau khi truyền nhiệt qua thành thiết bị. Nước ngưng tụ được xả ra ngoài qua van xả nước ngưng, do vậy mà áp suất được giữ nguyên trong ống truyền nhiệt trong khi nước ngưng được tháo ra ở áp suất bình thường.
Hòa bột với nước
Đó là quá trình hòa trộn một cách chính xác bột với nước nấu ở một nhiệt độ xác định
Lượng nước phối trộn: xác định tỷ lệ giữa bột/nước trước khi tiến hành trộn bột rất quan trọng bởi nó quyết định nồng độ dịch ban đầu.
Nhiệt độ phối trộn: liên quan đến nhiệt độ của các enzyme cần kích thích ngay từ đầu.
Tiến hành đường hóa
Đường hóa là quá trình tăng nhiệt độ khối dịch hèm đến nhiệt độ thích hợp cho hoạt động của enzyme mà ta mong muốn và giữa nhiệt độ đó trong một khoảng thời gian thích hợp.
45oC – 50oC : nhiệt độ cho các enzyme thủy phân protein và β – glucan hoạt động. 62oC – 65oC : nhiệt độ thủy phân tạo đường maltose
70oC – 75oC : đường hóa.
78oC : nhiệt độ kết thúc quá trình đường hóa. Các phương pháp dùng để gia nhiệt khối dịch hèm:
Tăng nhiệt độ bằng cách thêm nước nóng: khi cần tăng nhiệt độ thì cấp một lượng nước nóng vào để khối dịch hèm tăng đến nhiệt độ cần thiết. Phương pháp tăng dần dần nhiệt này tiết kiệm năng lượng.
Đường hóa theo quy trình không đun sôi: toàn bộ khối dịch được cấp nhiệt cùng một lúc, với thời gian giữ nhiệt hợp lý, và tăng dần đến nhiệt độ cuối cùng mà không trích phần dịch nào ra đun sôi riêng biệt.
Đường hóa theo quy trình đun sôi một phần: tách một phần dịch hèm ra để đun sôi, rồi bơm trở lại khối dịch ban đầu để tăng đến nhiệt độ yêu cầu.