BÁO cáo ỨNG DỤNG xúc tác ENZYME TRONG sản XUẤT rượu BIA

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ENZYME
1.1 Định nghĩa về Enzyme.
Enzyme là hợp chất xúc tác sinh học được hình thành trong tế bào dưới hợp
chất protein có cấu trúc hóa học rất đặc thù. Trong tế bào sinh vật luôn xãy ra trao
đổi chất, enzyme đã góp phần cho các phản ứng hóa học xãy ra ở điều kiện thường
với tốc độ cực nhanh không cần sự hỗ trợ đặc biệt của các yếu tố nhiệt độ, áp suất..
Enzyme được nhận từ cơ thể sống khá nhau động vật, thực vật, vi sinh vật.
Enzyme trong cơ thể sinh vật với chức năng xúc tác chọn lọc với vai trò định
hướng tất cả mọi phản ứng xãy ra trong tế bào. Khi ở ngồi tế bào nhiều enzyme
vẫn cịn khả năng hoạt động tương tự. Nguồn enzyme chủ yếu lấy từ vi sinh vật.
1.2 Phân loại Enzyme.
1.2.1 Hydrolaza:
Đây là loại enzyme được ứng dụng nhiều nhất, nó có tác dụng xúc tác cho
các phản ứng thủy phân các hợp chất phức tập như gluid, lipid protid để trở thành
các phần tử đơn giản hơn.
R1R2+H2OR1OH+R2H
Loại enzym này có 4 nhóm chính tùy thuộc vào gluxidazin, estaraza,
proteaza, peptidaza.


Cơ chế tác dụng của enzyme hydrolaza:

Sự khuyết electron trong liên kết bị thủy phân là yếu tố quan trọng quyết
dịnh khả năng và sự dễ dàng của phản ứng thủy phân.
Tác dụng xúc tác của enzym phụ thuộc vào tùng trường hợp và có sự phân
bố electron đã tồn tại trước đó quyết định.
Enzyme có thể tác dụng bằng các cách khác nhau. Cơ chế đon giản nhất cho
phép liên hệ " phần dương" của liên kết bị thủy phân với tác dụng của enzyme là:
tâm ái nhân của enzye sẽ tương tác trực tiếp với một trong hai nguyên tử từ tích
điện dương của liên kết bị thủy phân.Sự tạo thành phức hợp trực tiếp như thế với
trung tâm phản ứng sẽ làm cho sự đức các liên kết và thủy phân được dễ dàng.

Một cơ chế khác liên hệ tính tác dụng của enzyme với sự khuyết electron của
liên kết bị thủy phân là : enzyme làm tăng sự khuyết electron vốn đã tồn tại trước đó
bằng cách tạo thành liên kết tương ứng với cơ chất ở những vị trí ít nhiề gần gũi với
liên kết bị thủy phân. Nhờ vậy làm cho sự phân bố electron trong phân tử cơ chất bị
thay dỏi theo một chiều hướng cần thiết, khiến cho việc đức liên kết được dễ dàng
hoặc khiến cho một trong hai nguyên tử của liên kết tương tác được với các tác
nhân ái nhân.


1.2.2 Transferaza.
Loại enzyme này xúc tác cho các phản ứng chyển nhóm nguyên tử hoặc các
góc từ hợp chất này sang hợp chất khác. Tùy thuộc vào các nhóm được chuyển mà
các enzyme có tên khác nhau như Transminaza chuyển nhóm Amin.
Transmetylaza chuyển nhóm methul, oxydaza chuyển hydro của cơ chất sang
oxy phân tử, peroxydaza chuyển nhóm hydro sang peroxit.
1.2.3 Oxydoredutaza:
Enzyme thuộc nhóm này xúc tác cho các phản ứng oxy hóa khử là cơ sở của
sự oxy hóa khử sinh học gắn liền với q trình hơ hấp và lên men xãy ra trong cơ
thể sống. Cách gọi tên theo hệ thống cất cho- chất nhận Oxydoreductaza. Nhóm này
gồm các enzyme sau: dehydrogenaza, oxyaza, xitocromereductaza và peoxydaza.
1.2.4 Liaza:
Nhóm này bao gồm các enzyme phân cắt cac hợp chất hữu cơ không thủy
phân. Các liaza quan trọng là decarboxylaza, aldolaza,hydrolaza. Men Syntheaza
làm xúc tác cho các phản ứng tổng hợp và các enzyme làm thay đổi cấu trúc khơng
gian. Ngồi ra người ta cịn xếp thêm enzyme có khả năng giữ các nhóm chức trên
các nối đơi như fumaraza.
1.2.5 Isomeraza.
Isomeraza là nhóm enzyme xúc tác q trình đồng hóa trong các enzyme sau:
Glucophotphatizomeraza xúc tác chuyển hóa tương hổ của các ester
phosphoric và glucoza. Trizaphotphattizomeraza xúc tác quá trình đồng hóa của 3photphogliceric và photphodioxyaceton là các hợp chất trung gian quan trọng của

quá trình lên men.
1.2.6 Ligaza.
Xúc tác tổng hợp các hợp chất hữu cơ.
1.3 Cấu tạo của enzyme.
Bản chất hóa học của enzyme. Enzyme được chia làm hai nhóm:
+ Nhóm enzyme một cấu tử: trong cấu tử chỉ có một cấu tử protein cịn được
gọi là "feron", "apoenzyme". Protein được tạo thành từ một phân tử hoặc một số
mạch polypeptit, mỗi mạch như vậy chứa các amino acid nối với liên kết peptit.
+ Nhóm enzyme hai cấu tử: trong phân tử ngồi protein cịn chứa một cấu tử
phi protein. Cấu tử phi protein được gọi là "agon" hoặc "apoenzym" bằng cách qua
2


màng bán thấm và có thể tồn tại độc lập. Nhiều enzyme hai cấu tử cũng có mặt của
sắt trong catalaza, đồng trong polyphenolxydaza.
1.4 Trung tâm hoạt đợng của enzyme
Tồn bộ cấu trúc khơng gian của phân tử enzyme có vai trị quan trọng đối với
hoạt tính xúc tác của enzyme. Tuy nhiên, hoạt động của enzyme liên hệ trực tiếp với
một phần xác định trong phân tử enzyme.
Trung tâm hoạt động của enzyme là phần của phân tử enzyme trực tiếp kết
hợp với cơ chất, tham gia trực tiếp trong việc tạo thành và chuyển hóa phức chất
trung gian giữa enzyme và cơ chất để tạo thành sản phẩm phản ứng.
Trung tâm hoạt động bao gồm nhiều nhóm chức năng khác nhau của amino
acid, phân tử nước liên kết với nhiều khí có cả cofactor hữu cơ (coenzyme) và vô
cơ.
Các enzyme một thành phần, trung tâm hoạt động bao gồm một tổ hợp các
nhóm chức năng của amino acid khơng tham gia tạo thành trục chính của sợi
polypeptide. Ví dụ, nhóm –COOH của glutamic acid, -OH của serine,…
Các nhóm này có thể ở xa nhau trong mạch polypeptide nhưng lại gần nhau
trong không gian, được định hướng xác định trong không gian cách nhau những

khoảng cách nhất định sao cho chúng có thể tương tác với nhau trong quá trình xúc
tác.
Trung tâm hoạt động của các enzyme hai thành phần thường bao gồm nhóm
ngoại (vitamin, ion kim loại,…) và các nhóm chức năng của aminoacid ở phần
apoenzyme.
Sự tương ứng về cấu hình khơng gian giữa trung tâm hoạt động và cơ chất
được hình thành trong quá trình enzyme tiếp xúc với cơ chất.
Giữa cơ chất và trung tâm hoạt động tạo thành nhiều tương tác yếu, do đó có
thể dễ dàng bị cắt đứt trong quá trình phản ứng để giải phóng enzyme và sản phẩm
phản ứng
Theo quan niệm của Fisher thì trung tâm hoạt động của enzyme đã được hình
thành sẵn với một cấu tạo nhất định chỉ cho phép cơ chất có cấu tạo tương ứng kết
hợp vào. Do đó, có thể ví sự tương ứng đó như “ổ khóa với chìa khóa”.

3


Hình 1-1 Mô hình Fisher (a) và mô hình Koshland (b)
Trung tâm hoạt động của các enzyme có cấu trúc bậc 4 có thể nằm trên một
phần dưới đơn vị hoặc bao gồm các nhóm chức năng thuộc các phần dưới đơn vị
khác nhau.
1.5 Cơ chế hoạt động của enzyme.
Mô hình chìa khóa và ổ khóa: trung tâm hoạt dộng phải có cấu trúc tương
ứng với cấu trúc của cơ chất (khớp với nhau như chìa và ổ khóa).
Thuyết tiếp xúc cảm ứng: Sự tương tác cảm úng về cấu trúc không gian tạo
nên phức hợp enzyme cơ chất.
Năng lượng hoạt hóa (Ea): Là năng lượng cần cung cấp để phan tử đạt tới
trạng thái hoạt hóa.
VD: Xăng có khả năng bóc cháy nhưng cần lửa mồi.
 Cơ chế tổng quát:

● Cơ chất phải được gắn vào trung tâm hoạt dộng của enzyme tạo thành phức
hợp enzyme- cơ chất [ES]
● Với tác dụng của enzyme, hoạt tính của cơ chất tăng lên rõ rệt avf chỉ cần
một năng lượng hoạt há nhỏ thì sẽ tạo thành sản phẩm.
Cơ chế tác đụng theo Michaelis-Menten
● Tạo thành phức ES, phức này không bền, phức được tạo nên do các liên kết
hóa học.
● Dưới tác dụng của enzyme, cơ chất được biến đổi thành sản phẩm.

4


● Sau khi tạo sản phẩm (P), enzyme được giải phóng ra và trở lại trạng thái
ban đầu.
● Phản ứng tổng quát:
E + S → ES → ES2 → EP → E + P
1.6 Cơ chế xúc tác của enzyme.
Khi đặt vấn đề nghiên cứu về xúc tác của enyme người ta xuất phát từ giả
thuyết cho răng trong các phản ứng được enzyme xúc tác, phức tạm thời " EnzymCơ chất " được tạ thành. Quá trình ày gồm 3 giai đoạn:
E + S → ES → EST → E + P
Ở giai đoạn 1 phản ứng xãy ra tương đối nhanh cơ chất (S) được liên kết với
enzyme (E) nhờ các liên kết yếu. Lúc này sự liên kết không gian giữa các phân tử
cơ chất và enzyme chưa đủ hiệu quả đối với sự xúc tác của enzyme.
Ở giai đoạn tiếp theo xãy ra sự biến dổi của cơ chất (S) có liên quan đến sự
phá vỡ hay hình thành các liên kết cộng hóa trị. Ở giai đoạn này,cơ chất được hoạt
hóa ( một hoặc vài phức chất ES chuyển tiếp được hoạt hóa). Ở đây cấu trúc bậc 3
của enzyme luôn biến đổi tạo khả năng tiếp xúc giữa các nhóm hoạt động của
enzyme với cơ chất đang biến đổi.
Enzyme đã lm biến đổi phần tử cơ chất làm cho các liên kết bên trong phân

tử trở nên lỏng lẻo hơn, do đó chỉ cần một lượng năng lượng nhỏ cũng đủ làm cho
cơ chất biến thành các sản phẩm (P) khác nhau.
Người ta đã chứng minh rằng trong khi hình thành phức chất ES có 2 q
trình đồng thời xãy ra nhanh chóng đó là:
a) Sự thay đổi mật độ điện tử gây nên sự phân cực hóa các liên kết.
b)Sự biến dạng về mặt hóa học của các liên kết " kéo căng" trong phân tử
liên kết.
1.7 Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác của enzyme.
1.7.1 Nhiệt độ.
Trong phạm vi lý học, tốc độ của phản ứng tăng lên cùng sự tăng của nhiệt
độ. Nhưng khi vượt quá phạm vi đó, các phản ứng được enzyme xúc tác bị ảnh
hưởng do sự biến tính của phân tử protein-enzyme. Kết quả này phụ thuộc vào nhiệt
độ tối thích của enzyme, là nhiệt độ mà tại đó tốc độ của phản ứng enzyme đạt cực
đại.

5


1.7.2 Ảnh hưởng của pH.
Mỗi enzyme đều có nhiệt độ tối thích nào đó đối với hoạt tính của chúng. Ở
ngoài phạm vi của trị số này hoạt tinh của enzyme đều bị giảm thấp.
1.7.3 Ảnh hưởng của chất hoạt hóa và chất kìm hãm enzyme.
Những chất nào có khả năng làm tăng hoạt tính xúc tác của enzyme thì được
gọi là chất hoạt hóa enzyme. Các chất đó thường là các ion kim loại như: K+,
Na+,Mg2+, Ca2+,....
Người ta phân biệt các hình thức kìm hãm enzyme và phân biệt các chất kìm
hãm enzyme như sau:
Chất kìm hãm chung: các chất này kĩm hãm hoạt tính xúc tác của tất cả các
enzyme. Các chất này là các muối kim loại nặng; chất tannin.
Chất kìm hãm riêng: có tác dụng kìm hãm một hay một nhóm enzyme có cấu

tạo gần giống nhau.
1.7.4 Nồng độ cơ chất và nồng độ enzyme.
Khi môi trường có đầy đủ cơ chất thì tốc độphản ứng tỷ lệ thuận với lượng
enzyme. Khi nồng độ cơ chất thấp, không đủ để lôi kéo tất cả lượng enzyme vào
phản ứng thì tốc độ phản ứng tăng tỷ lệ thuận với nồng độ cơ chất. Tốc độ phản ứng
đạt tối đa khi tất cả enzyme đều kết hợp vào cơ chất.
1.8 Tính đặc hiệu của enzyme.
1.8.1 Đặc hiệu khơng gian.
Thường enzyme chỉ tác dụng một dạng đồng phân quang họ. Thí dụ phản
ứng khử nước của acid malic để tạo thành fumaric dưới tác dụng của
fumaratdehydrataza chỉ xãy ra đối với acid L-malic, không xãy ra ở D-malic.
Đặc hiệu đồng phân hình học:
Tùy từng loại, enzyme chỉ tác dụng lên một loại đồng phân hình học thích
hợp. Thí dụ fumaratdehydrataza chỉ tác dụng lên dạng đồng phân trans mà không
tác dụng lên dạng đồng phân cis của acid fumric, vì trung tâm hoạt dộng của
fumaratdehydrataza có cấu trúc khơng gian tương ứng với đồng phân dạng trans của
acid fumaric.
1.8.2 Đặc hiệu tuyệt đối.
Là trường hợp mà enzyme chỉ có khả năng tác dụng lên một cơ chất nhất
định. Thí dụ ureaza chỉ xúc thủy phân ure mà không tác dụng lên các tác dụng lên
6


các dẫn xuất của nó. Trong trường hợp đặc biệt tuyệt đối, cấu trúc trung tâm hoạt
động của enzyme tương ứng rất chặt chẽ với cơ chất đến mức chỉ có sự sai khác nhỏ
về cấu trúc của cơ chất cũng đủ làm enzyme không xúc tác được.
1.8.3 Đặc hiệu tương đối.
Là trường hợp enzyme có khả năng tác dụng lên một kiểu nối hóa trị hóa
học nhất định trong phân tử cơ chất không phụ thuộc vào bản chất hóa học của các
cấu tử tham gia tạo thành liên kết đó. Thí dụ lipaza có khả năng thủy phân được tất

cả các mối liên kết ester.
1.9 Một số enzyme trong sản xuất rượu bia
1.9.1 Enzyme Amylase (α-amylase)
Amylase là một hệ enzyme rất phổ biến trong thế giới sinh vật. Các enzyme
này thuộc nhóm enzyme thủy phân, xúc tác phân giải liên kết nội phân tử trong
nhóm polysaccaride với sự tham gia của nước:
R-R’ + H-OH- → R-H + R’OH
Có 6 loại enzyme được xếp vào hai nhóm:
- Endoamylase (enzyme nội bào)
- Exoamylase (enzyme ngoại bào)

Endoamylase gồm có α-amylase và nhóm enzyme khử nhánh
Nhóm enzyme khử nhánh này được chia làm 2 loại: khử trực tiếp là
Pullulanase (hay α-dextrin 6-glucosidase); khử gián tiếp là Transglucosylase (hay
oligo-1,6-glucosidase) và maylo-1,6-glucosidase.
Các enzyme này thủy phân các liên kết bên trong của chuỗi polysaccharide.
Exoamylase gồm có -amylase và -amylase. Đây là những enzyme thủy phân
tinh bột từ đầu khơng khử của chuỗi polysaccharide.
Đặc tính và cơ chế tác dụng của enzyme amylase: tùy vào mỗi loại và các
nguồn khác nhau sẽ có thành phần amino acid khác nhau.
Đặc tính của enzyme amylase:
- Trọng lượng phân tử của α-amylase nấm mốc: 45 000 – 50 000 D
- Amylase dễ tan trong nước, trong dung dịch muối và rượu lỗng
- Protein của các α-amylase có tính acid yếu và có tính chất của

globuline
- Điểm đẳng điện nằm trong vùng pH = 4,2 5,7
7



Cấu tạo:

Mỗi loại α-amylase có một tổ hợp amino acid đặc hiệu riêng. α-amylase là một
protein giàu tyrosine, tryptophan, acid glutamic và aspartic. Các acid glutamic và
aspartic acid chiếm khoảng ¼ tổng lượng amino acid cấu thành nên phân tử
enzyme.
α-amylase có ít methionine và có khoảng 7 – 10 gốc cysteine. Là một
metaloenzyme. Mỗi phân tử α-amylase đều có chứa từ 1 -30 ngun tử gam Ca/1
mol, nhưng khơng ít hơn 1 -6 nguyên tử g/mol Ca tham gia vào sự hình thành và ổn
định cấu trúc bậc 3 của enzyme, duy trì hoạt động của enzyme. Do đó, Ca cịn có
vai trị sự tồn tại của enzyme khi bị tác động bởi các tác nhân gây biến tính và của
các enzyme phân giải protein. Nếu phân tử amylase bị loại bỏ hết Ca thì nó sẽ hồn
tồn mất hết khả năng thủy phân cơ chất.
Do có hàm lượng Ca trong phân tử và nồng độ Mg2+ cao nên α-amylase bền
với nhiệt độ hơn các enzyme khác.
Riêng α-amylase của nấm mốc Aspergillus Oryzae có chứa phần phi protein là
polysaccharide, nhưng nó khơng tham gia vào thành phần của trung tâm hoạt động
và nằm ở phía trong phân tử enzyme.
α-amylase của nấm mốc hầu như chỉ tấn công vào các hạt tinh bột bị thương
tổn. Sản phẩm cuối cùng của thủy phân α-amylase của nấm mốc là glucose và
maltose.
1.9.2 Hệ enzyme Protease
Nhóm enzyme Protease (peptit – hydrolase 3,4) xúc tác quá trình thủy phân
liên kết peptit (-CO-NH)n trong phân tử protein, polypeptit đến sản phẩm cuối cùng
là các acid amine. Ngoài ra nhiều protease cũng có khả năng thủy phân liên kết este
và vận chuyển acid amine.

Hình 1-2 mô hình enzyme protease thủy phân phân tử protein

8


 Cấu trúc khơng gian

Phân tử papain có dạng hình cầu với kích thước 36x48x36 AO và mạch chính
bị gấp thành hai phần riêng biệt bởi 1 khe. Trung tâm hoạt động nằm tại bề mặt của
khe này, nhóm –SH hoạt động của cysteine 25 nằm bên trái khe và nhóm histidine
159 nằm bên phải khe. Phần xoắn chiếm 20% tồn bộ các amino acid có trong phân
tử
Hoạt tính của papain dựa trên 2 tâm hoạt động là Cys25 và His159. Khoảng
pH hoạt động của papain khá rộng 3,5 – 8 tùy thuộc vào cơ chất.

Hình 1-3 Cấu trúc không gian của protease
 Trung tâm hoạt động

Tâm hoạt động của papain gồm có nhóm –SH của cysteine 25 và nitrogen bậc
3 của histidine 159. Bên cạnh đó nhóm imidazole của His159 cũng liên kết với Asp
175 bởi liên kết hydrogen.
Vùng tâm hoạt động của papain chứa mạch polypeptit với các amino acid là:
Lys-Asp-Glu-Gly-Ser-Cys-Gly-Ser-Cys

9


Hình 1-4 Trung tâm hoạt động của protease

CHƯƠNG 2 ỨNG DỤNG ENZYM TRONG SẢN XUẤT RƯỢU
2.1 Sơ lược về rượu
“Rượu” là đồ uống chứa cồn, được sản xuất từ quá trình lên men, có hoặc

khơng chưng cất từ tinh bột của các loại ngũ cốc, dịch đường của các loại cây và
hoa quả.
Rượu là một loại thức uống có từ lâu đời, thưởng thức rượu trong các dịp lễ
hội, sinh hoạt văn hóa là một phần khơng thể thiếu của hầu hết các nước trên thế
giới. Rượu được biết đến, xuất hiện từ thời đồ đá. Ở các nước phương Đông thời
thượng cổ, người dân đã biết làm rượu: ở Trung Quốc làm rượu từ ngũ cốc, Nhật
làm rượu sake cách đây 1700 năm,…

Hình 2-5 Rượu

10


Rượu tương đối nguyên chất được tìm thấy ở hồi giáo trong thời kì chế độ
Khalip, thời kì Abbasid (Ả Rập) bởi những nhà giả kim thuật. Cho đến năm 1796,
rượu nguyên chất được xuất hiện nhờ vào phương pháp lọc rượu chưng cất qua than
củi của Johann Tobia Lowitz. Thành phần chính của rượu là rượu etylic, nước, các
cấu tử khác tùy vào cách sản xuất, kinh nghiệm, nguyên liệu sử dụng, …mà tạo nên
nét đặc trưng riêng của từng loại rượu, từng địa phương sản suất rượu.
2.2 Rượu việt nam
Nguyên
liêu ở nước ta đã xuất hiện và hoạt động từ lâu.
Ngành công nghiệp sản
xuất rượu
Nhiều làng nghề làm rượu truyền thống đã nổi tiếng khắp cả nước.
Xư ly nguyên liêu
Trước khi người Pháp đến Việt Nam trong những năm đô hộ, ngành nghề sản
xuất rượu theo phương pháp cổ truyền đã có từ rất lâu đời vì người Việt Nam rất
phổ biến tập quán uống rượu.
Bánh men

Việt Nam là nước có truyền thống nơng nghiệp lâu đời, vì vậy nguyên liệu để
Nấu chín
làm rượu cũng hết sức phong phú, chủ yếu là nguyên liệu chứa nhiều tinh bột như
gạo, nếp, sắn, ngô,…tạo ra sản phẩm thơm ngon, mới lạ. Có nhiều nghiên cứu khoa
học cũng cho thấy những lợi ích của các sản phẩm lên men, hàm lượng protein cao,
ngtốt
i cho sức khỏe.
các vitamin được bảo tồn có Lam
tác dụng
2.3 Quy trình sản xuất rượu
Nghiền mịn

trôn

Lên men chính

Lên men phu

lọc

Bã hèm

Chưng cất

11

Sản phẩm


2.3.1 Thuyết minh quy trình

a) Nguyên liệu
Gạo, nếp hoặc các loại nơng sản có hàm lượng tinh bột cao thường chứa
khoảng 14% nước và trên 74% tinh bột. Nguyên liệu có chất lượng tốt, khơng sâu
mọt, mốc, và khơng lẫn các tạp chất khác,…để đảm bảo chất lượng rượu thành
phẩm

Hình 2-6 Các loại nguyên liệu

12


b) Xử lý nguyên liệu
Nguyên liệu được ngâm vào nước và làm sạch để loại bỏ các chất bám vào
nguyên liệu. Đồng thời, q trình ngâm cịn có mục đích là làm mềm, làm nguyên
liệu trương nở để dễ nấu chín sau này.
c) Nấu chín
Trong các nguyên liệu như gạo, ngô, sắn,…hạt tinh bột luôn nằm trong các
màng tế bào. Dù sau khi nghiền thì chỉ một phần nhỏ các màng đó bị phá vỡ. Phần
lớn màng tế bào cịn lại sẽ ngăn cản sự tiếp xúc của enzyme amylaza với tinh bột.
Mặt khác, ở trạng thái khơng hịa tan, Enzyme amylaza tác dụng lên tinh bột rất
chậm và kém hiệu quả. Vì vậy, mục đích chính của nấu ngun liệu là phá vỡ màng
tế bào của tinh bột, tạo điều kiện biến chúng thành trạng thái hòa tan trong dung
dịch.
d) Làm nguội
Hỗn hợp sau khi thủy phân tinh bột có nhiệt độ khá cao, nhiệt độ cao sẽ làm
bánh men rất khó phát triển. Trong khi đó, nấm men phát triển tốt ở nhiệt độ 30 – 33
o
C. Vì vậy ta phải làm nguội hỗn hợp xuống để tạo một môi trường thuận lợi cho
nấm men phát triển.
Cơm sau khi được nấu chín được trải đều để làm nguội.

e) Trộn
Sau khi làm nguội xuống còn 30 oC, độ ẩm 80 -85% thì rắc bột men.
Bánh men được trộn bằng cách nghiền nhỏ, rắc đều lên bề mặt cơm. Sau đó
cho vào khạp, ban đầu khơng đậy nắp trong khoảng 4 giờ. Thời gian đó để cung cấp
oxy cho quá trình tăng sinh khối của vi sinh vật rồi đậy kín để tiến hành q trình
lên men.
Trong thời ủ thì enzyme amylase do nấm mốc sản sinh ra cùng với lượng
enzyme amylase bổ sung vào thì tinh bột sẽ bị thủy phân một phần tạo rượu và CO 2.
Do đó, khi dịch đường lên men được khoảng 3 ngày thì tiến hành chan nước (nước
đun sôi để nguội) theo tỉ lệ nguyên liệu và nước là 1:2 nhằm làm loãng dịch lên men
để hạ thấp nồng độ rượu vì nếu nồng độ rượu quá cao sẽ ức chế quá trình lên men.
f) Lên men chính

13


Tiến hành lên men ở nhiệt độ thường, thời gian này có 2 q trình xảy ra song
song với các mức độ khác nhau, đó là q trình tăng sinh khối của nấm men và q
trình rươu hóa, ngồi ra cịn có q trình đường hóa nhưng xảy ra rất chậm và
khơng hồn tồn, đặc biệt là với tinh bột khơng hịa tan (amylose và
amylosepectin).
Cho nấm men vào dịch sau khi lọc để cho nấm men phát triển sinh khối trong
khoảng 4 giờ. Sau đó trích dịch nấm men phát triển cho vào các hủ chứa dịch để
tiến hành lên men. Thời gian lên men khoảng 4 ngày.
g) Lên men phụ
Sau khi lên men chính, sản phẩm sẽ cịn nhiều rượu bậc cao và các aldehyde
gây độc cho cơ thể con người. Vì thế cần phải có thời gian dài để cho các sản phẩm
này chuyển hóa và ổn định rượu.
Ngoài ra, đây cũng là giai đoạn để sự đường hóa xảy ra dường như hồn tồn,
càng kéo dài thời gian lên men phụ thì càng gia tăng hiệu suất của quá trình lên

men. Tuy nhiên, tùy theo tiêu chuẩn của nhà sản xuất về sản phẩm mà sự lên men,
nồng độ đường của dịch đường hóa, phương pháp lên men sẽ tạo ra một quy trình
sản xuất riêng biệt với chất lượng và thành phần mong muốn.
Thời gian lên men phụ ít nhất là 6 tháng.

Các quá trình chuyển hóa các chất trong giai đoạn lên men
 Quá trình tăng sinh khới


Là q trình sinh trưởng và sinh sản của vi sinh vật. Quá trình này xảy ra rất
nhanh ở giai đoạn đầu lên men, khi cho nấm men vào nguyên liệu. Sự phát triển
mạnh mẽ của các vi khuẩn giai đoạn này kéo theo sự tạo thành một số acid hữu cơ.
Kết quả là pH môi trường giảm xuống tạo điều kiện thuận lợi cho các loài nấm mốc
phát triển, tuy tốc độ hơi yếu.
 Các quá trình sinh hóa

Q trình chuyển hóa đường và các thành phần khác thành acid hữu cơ cơ
bản:
-

Quá trình tạo acid acetic
Quá trình tạo acid lactic

14


Quá trình tạo acid lactic mạnh hơn quá trình tạo acid acetic, tuy nhiên cả hai
quá trình này đều xảy ra với cường độ khơng mạnh vì giai đoạn đầu lượng
đường tạo thành trong khối lên men chưa cao.
 Quá trình đường hóa

Hệ enzyme đường hóa có 3 enzyme: α, và – amylase:
-

α –amylase có tác dụng lên tinh bột làm cắt mạch phân tử thành các đoạn
dài
-amylase: tạo đường đôi là các maltose và các dextrin cuối
– amylase: chuyển tinh bột thành glucose

Do sự phát triển của nấm men, đặc biệt là Endomycopsis, tinh bột được
chuyển thành đường. Các loại nấm mốc và nấm men trong quá trình phát triển
tạo ra rất nhiều enzyme amylase, glucoamylase và các enzyme cảm ứng. Các
enzyme này hoạt động rất thuận lợi trong giai đoạn đầu và được kéo dài trong
các giai đoạn sau.

Hình 2-7 Quá trình đường hóa

15




Cơ chế tác dụng của enzyme amylase

α-amylase (1,4-α-glucan-glucanhydrolase) có khả năng phân cách các liên kết
α-1,4-glucoside nằm ở phía bên trong phân tử cơ chất (tinh bột hay glycogen) một
cách ngẫu nhiên, khơng theo một trật tự nào cả.
Q trình thủy phân tinh bột bởi α-amylase là một quá trình đa giai đoạn:
Ở giai đầu (giai đoạn dextrin hóa): chỉ một số phân tử cơ chất bị thủy phân tạo
một lượng lớn phân tử α-dextrin. Độ nhớt của hồ tinh bột giảm nhanh chóng.

Sang giai đoạn hai (giai đoạn đường hóa): các phân tử α-dextrin tiếp tục bị
thủy phân tạo ra các tetra-trimaltose không màu với thuốc thử iodine. Các chất này
bị thủy phân rất chậm bởi α-amylase cho đến khi tạo thành các díaccharide và cuối
cùng là mono saccharide.
Dưới tác dụng của α-amylase, amylosepectin bị phân giải khá nhanh nhưng vì
α-amylase khơng cắt được liên kết α-1,6-glucoside nên dù có kéo dài thời gian thủy
phân nhưng sản phẩm sau cùng có khoảng 72% Maltose, 19% Glucose, Dextrin
phân tử thấp và khoảng 8% isomaltose.
Sản phẩm do α-amylase tạo thành gồm dextrin, đường maltose và một ít
đường khử.
Maltotetrose
Amylose

oligosaccharide

Maltotriose

13% Glucose
87% Maltose

Malto
19% Glucose
Amylosepectin

72% Maltose
8% isomaltose
Dextrin phân tử thấp

16

Hình 2-8 Q trình đường hóa tinh bột
 Quá trình rượu hóa

Nhờ nấm men Saccharomyeces cerevisiae, cũng có thể xem đây là một quá
trình áp dụng enzyme. Quá trình rượu hóa là q trình hết sức phức tạp, trải qua rất
nhiều giai đoạn chuyển hóa từ đường thành cồn nhờ sự tham gia của nhiều enzyme
khác nhau. Điểm khác ở enzyme amylse là ở chỗ các enzyme tham gia quá trình
rượu hóa nằm trong tế bào nấm men. Việc điều khiển các q trình chuyển hóa bởi
enzyme trong tế bào thực chất là quá trình trao đổi chất của nấm men trong mơi
trường chứa đường.
Đặc biệt các q trình này chuyển hóa này xảy ra xen kẽ nhau, hỗ trợ nhau và
tạo nên một q trình chung hài hịa để tạo ra sản phẩm khơng chỉ có nước, rượu mà
cịn là một hỗn hợp sản phẩm gồm nhiều thành phần khác nhau, nhờ đó mà tạo nên
hương vị đặc trưng và có giá trị cảm quan rất riêng cho rượu.
h) Lọc
Là q trình phân riêng hỗn hợp khơng đồng nhất quá lớp vải bọc, bã được giữ
lại trên lớp lọc, dung dịch đi xuyên qua màng lọc với áp suất dư so với áp suất phía
bên dưới vật ngăn
Mục đích: làm sạch và nâng cao chất lượng sản phẩm. Bã hèm được lọc ra
đem đi chế biến, làm thức ăn cho gia súc

17


i) Chưng cất
Phân tách hỗn hợp rượu và nước có nhiệt độ sơi khác nhau nhằm thu được
rượu có độ cồn cao hơn.
Phương pháp được tiên hành bằng cách đun sôi hỗ hợp, hơi bay lên được dẫn
qua ống dẫn và được làm lạnh bằng cách cho qua bồn nước để ngưng tụ.

Điều kiện cho quá trình chưng cất: áp suất thường, rượu sơi và bốc hơi ở 78 oC
cịn nước là 100 oC.
Chất lượng rượu truyền thống tuy vẫn còn nhiều tạp chất nhưng chất lượng
cảm quan của sản phẩm ngày càng được nâng cao về màu sắc, độ trong và mùi vị.

18


CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG ENZYME TRONG SẢN XUẤT BIA
3.1 Tổng quan về bia
3.1.1 Khái niệm bia
Bia là loại nước uống chứa cồn được sản xuất từ quá trình lên men của đường
lơ lửng trong mơi trường lỏng và nó khơng được chưng cất sau khi lên men. Nói
cách khác, bia là loại nước giải khát có độ cồn thấp, bọt mịn xốp và có hương vị đặc
trưng của hoa Houblon (hoa bia).
Bia được sản xuất từ nguyên liệu chính là malt (đại mạch), nấm men, hoa bia
và nước. Về đặc tính cảm quan thì bia có màu sắc từ vàng đến đen, có mùi thơm của
hoa bia, một số loại bia nổi bật mùi thơm trái cây như mùi dầu chuối, mùi quả có
múi,…
3.1.2 Sơ lược về sự phát triển của bia
Thời Ai Cập Cổ Đại: bia là một trong các đồ uống lâu đời nhất mà loài người
đã tạo ra, có niên đại ít nhất là từ thiên niên kỹ thứ 5 TCN và đã được ghi chép lại
trong thư tịch cổ Ai Cập và Lưỡng Hà.
1500 năm TCN, đã tìm thấy dấu vết sản xuất bia ở Đan Mạch, các nước châu
Âu cũng biết đến sản xuất bia từ đó. Họ cũng biết tạo hương bằng cây, cỏ thảo mộc
có vị đắng và hương thơm.
Bia cùng với rượu là những loại thức uống có cồn ra đời từ rất sớm, song hành
cùng với sự phát triển, tiến bộ của nhân loại. Lịch sử bia cũng trãi qua nhiều thăng
trầm và cũng chịu tác động của các chế độ chính trị, tơn giáo, thay đổi qua từng
quốc gia, dân tộc. Chính vì thế, hiện nay bia là một trong số những loại thực phẩm

phong phú nhất với hơn 180 loại bia và hơn 20.000 nhãn hiệu trên toàn thế giới.
Cơng nghiệp bia là ngành kinh doanh tồn cầu, bia được sử dụng rộng rãi ở hầu hết
các nước trên thế giới và sản lượng ngày càng tăng.
3.2 Bia Việt Nam
Ở Việt Nam, bia cũng đã trở thành loại đồ uống quen thuộc và sản lượng tiêu
thụ ngày càng tăng. Chính vì vậy sản xuất bia cũng đã trở thành một trong những
ngành mũi nhọn ở nước ta.
 Thành phần và giá trị dinh dưỡng của bia
 Thành phần
- Trong bia nước chiếm 80%. Bia có độ cồn nhẹ (nồng độ cồn khoảng

3-6%), có bọt mịn xốp, có hương vị thơm ngon rất đặc trưng.
19


- 6 hydratcacbon, 15 base hữu cơ.
- 13 rượu và 33 este.
- 17 hợp chất cacbonyl, 29 acid hữu cơ, 11 chất khác.
- Có 2 loại acid amin: valin, phenylalani.


Giá trị dinh dưỡng

Trong bia có chứa một số chất dinh dưỡng:
+ Chất đạm: đạm hòa tan chiếm 8-10% chất tan, bao gồm protein, peptide và
amino acid.
+ Gluside: glucide tan (70% là dextrin, pentosan – sản phẩm caramel hóa).
+ Vitamin: chủ yếu là nhóm B (các vitamin B1, B2, PP).
+ Lupulin trong bia và hoa houblon có tính an thần, dễ ngủ.
+ Đặc biệt CO2 hịa tan trong bia có tác dụng làm giảm nhanh cơn khát cho

người uống bia, giúp tiêu hóa nhanh thức ăn và giúp ngon miệng, giảm mệt mỏi nếu
như người uống sử dụng một lượng vừa phải, thích hợp.
3.3 Ng̀n ngun liệu và quy trình sản xuất bia
3.3.1 Nguyên liệu sản xuất bia
- Malt (đại mạch).
- Hoa houblon (hoa bia).
- Nấm men bia (yeast).
- Nước.
- Phụ gia.
- Nguyên liệu thay thế.

Theo quy định trong luật Reinheitsgebot thì nguyên liệu dùng sản xuất bia tại
nước Đức thì chỉ bao gồm nước, mạch nha (đại mạch hoặc tiểu mạch đã ương mầm)
và hoa bia, và nấm men (được bổ sung vào năm 1857). Luật này hiện tại vẫn còn
được áp dung tại Đức và đối với các quốc gia khác thì ngun liệu sản xuất bia cịn
có thêm các loại thế liệu khác nha gạo, lúa mì, tinh bột ngơ, sắn, đường,…
Cùng với ngun liệu chính thì ngành sản xuất bia ngày nay còn sử dụng
nhiều phụ liệu, chất hỗ trợ sản xuất như các loại enzym, khoáng chất,… để nâng cao
hiệu quả sản xuất. Các chất hỗ trợ sản xuất này sẽ khắc phục được những biến động
về chất lượng của Malt, Hoa bia, nước, nấm men.
3.3.2 Quy trình sản xuất bia

20


Sản xuất bia có thể được bắt đầu cách đây hơn 9.000 năm, một số nghiên cứu
khảo cổ khác lại cho rằng bia có thể được phát minh ra các đây 28.000 năm tại Ai
Cập cổ đại. Quá trình sản xuất bia là sự kết hợp của 3 quá trình cơng nghệ sinh hóa
khác nhau:
Q trình nẩy mầm: sự hình thành enzym trong hạt đại mạch và chuyển hóa

một phần các hợp chất cao phân tử thành các hợp chất đơn giản hơn.
•

Q trình đường hóa: các enzym thực hiện q trình thủy phân để chuyển
hóa tinh bột thành đường, protein thành axit amin,…
•

Q trình lên men: đường được nấm men chuyển hóa thành cồn, CO2, và các
hợp chất phụ khác.
•

Các q trình cơng nghệ này chính là các cơng đoạn trong sản xuất bia, đã
được duy trì hàng ngàn năm qua. Sự tiến hóa của ngành bia chủ yếu tập trung vào
sự phát minh ra việc sử dụng Hoa Bia, phân lập và định danh nấm men, các hệ
thống làm lạnh, đun nóng trong q trình sản xuất.

21


Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất bia

Gạo

Malt

Nghiền

Xay

Hồ

Trộn ủ

Nước

Đường hóa (Thơng số nhiệt độ theo giản đồ nấu)
Lọc rưa bã 3 lần, 76oC
Hoa houblon

100oC 1 giờ

Bã hèm

Bồn nấu hoa 100oC
Dịch đường
Bồn xoáy

Cặn

Làm lạnh
Dịch trong
Thu hồi

Men

7-9 oC
Khí
Lên men

Sản

phẩm

Ủ bia
Đóng chai

Lam trong

Lọc bia

22


3.3.3 Thuyết minh quy trình
 Nhập malt

Malt khi đưa về nhà máy sẽ đưa vào hồ chứa Malt sau đó theo băng tải đưa
qua sàng trống, để loại bỏ bớt tạp chất, Malt sau khi qua sàng trống sẽ được đưa vào
nam châm điện để loại bỏ kim loại lẫn trong Malt, sau khi qua nam châm điện, Malt
sẽ được đưa vào cân để xác định khối lượng Malt, sau đó theo gàu tải xuống băng
tải, vào xilo chứa Malt.
Và cuôi cùng Malt được đưa vào chứa trong bồn chứa Malt để chuẩn bị cho
quá trình nấu bia (Gạo được nhà máy thu mua về cũng được chứa trong xilo).
 Nghiền

Malt và gạo trong bồn chứa đã được loại bỏ tạp chất và kim loại,… sẽ được
đưa vào nhà máy xay, nghiền nhỏ malt để tăng bề mặt tiếp xúc với nước, cơng đoạn
này nhằm mục đích phá vỡ cấu trúc của tinh bột, tăng khả năng thủy phân tinh bột,
tạo điều kiện thuận lợi và thúc đẩy quá trình sinh, lý, hóa xảy ra trong nguyên liệu
khi nấu, nhằm thu được dịch đường có nồng độ các chất là cao nhất, mức độ vỡ của
hạt gạo và malt ảnh hưởng rất quan trọng đến dịch đường sau này, kết thúc quá trình

nghiền malt ta thu được 3 phần gồm: vỏ trấu, tấm thô và tấm nhuyễn, vỏ trấu được
giữ lại như một thứ bột trợ lọc trong quá trình lọc lấy dịch đường, đối với gạo thì
phải xay mịn hơn malt, không nên xay malt trước thời gian dài vì hạt malt rất dễ hút
ẩm.
 Đường hóa và lọc đường hóa

- Đường hóa là q trình chuyển tối đa những chất khơng hịa tan dự trữ tong
malt, thơng qua các hệ thống enzyme (amylaza,proteaza) có sẵn trong hạt malt bằng
con đường thủy phân.
- Mục đích của q trình đường hóa: Là chiết tối đa các chất có thể hịa tan
trong nguyên liệu và thủy phân các chất có phân tử lượng cao, tạo thành những chất
đơn gian hòa tan được với nươc tạo thành dịch đường hóa.
- Trong giai đoạn xảy ra sự thủy phân protein do tác động của enzyme
proteaza sẽ diễn ra theo trình tự sau:
Protein → albumose → polypeptide → peptone và acid amin
Quá trình thủy phân này có ý nghĩa vơ cùng qua trọng trong công nghệ sản
xuất bia. Sự thủy phân protein trong malt bắt đầu lúc ươm mầm, và trong q trình
đương hóa malt quá trình này lại tiếp tục. Xúc tác cho sự thủy phân protein là hai
23


thành phần chủ yếu của protease, proteinase và peptidase. Sau q trình đạm hóa sẽ
chuyển sang cơng đoạn hội cháo từ nồi gạo sang nồi malt
Quá trình nấu bia bắt đầu bằng việc nguyên vật liệu (malt, hoặc các dạng thế
liệu khác) được nghiền nhuyễn. Các nhiều loại thiết bị nghiền khác nhau như
nghiền khô, nghiền ẩm, nghiền ướt,… Mục đích chính của việc nghiền là làm vỡ
nội nhũ hạt thành bột để q trình hịa tan được dễ dàng. Bột nguyên liệu được hòa
với nước ở nhiệt độ từ 40 – 65oC tùy thuộc vào loại bia.
Quá trình đường hóa sử dụng hơi nóng để nâng nhiệt lên các điểm dừng để
thực hiện q trình cơng nghệ. Tùy theo kích thước nồi nấu mà mức tiêu thụ nhiệt

có sự thay đổi. Hiện nay, hầu hết các hệ thống nấu sử dụng hơi nóng bão hịa có áp
suất khoảng 3,5bar để gia nhiệt nồi nấu.
Các hợp chất cao phân tử chuyển hóa thành các chất tan và hịa vào dịch nha.
Vỏ trấu và các chất không tan được tách ra khỏi tại thiết bị lọc dịch hèm (có thể là
máy lọc khung bản hoặc thiết bị lọc nồi). Dịch nha (hay dịch đường ngọt) được tiếp
tục công đoạn đun sôi.
Sự đường hóa là sự biến đổi của tinh bột đã dịch hóa thành dextrin và maltoza,
chỉ xảy ra được khi đã được dịch hóa xong. Sự đường hóa xảy ra dưới tác động của
2 enzyme:
+ α-Amilasa → dextrin hóa.
+ β-Amilasa → dextrin mantoza hóa.
- Mỗi loại enzyme có một nhiệt độ tối thích nghi gọi là topt:

+ β-Amilasa dễ bị biến tính ở nhiệt độ lớn hơn hoặc bằng 70O
+ α-Amilasa chịu nhiệt độ cao hơn, nhiệt dộ lớn hơn hoặc bằng 80O
+ β-amilaza t0opt: 60-65 oC; pHopt= 5,4
+ α-amilaza t0opt: 70-75 oC; pHopt= 5,8
- Giai đoạn Đạm hóa:

+ Có nhiều enzyme đạm hóa trong malt, hiện nay ta chia làm 2 loại
protease và peptidasa. Nhiệt độ thích nghi lúc nấu là 43-500 oC (gọi là nhiệt độ
đạm hóa, pecton hóa).
+ Hệ enzyme protease được cho vào sau khi cho malt vào thùng đạm hóa
nhiệt độ nần từ 30 oC lên khoảng 52 oC, lúc này hệ enzyme protease bắt đầu hoạt

24


động, giữa nhiệt độ trong khoảng 1h. Đây là nhiệt độ tối ưu cho hoạt động của
protease để tạo ra sản phẩm polypeptie và acid amin

 Lọc rửa bã

Rửa bã bằng nước nóng 76 oC 3 lần.
Bảo đảm lượng nước trong dịch đường.
Rửa đến khi nồng độ chất hòa tan trong nước rửa bã cịn 0,3-0,5% thì ngưng.
Q trình lọc nước malt – rửa bã chia làm 2 giai đoạn:
+ Giai đoạn 1 – lọc dịch dầu
+ Giai đoạn 2 – rửa bã
 Nấu hoa

Tại bồn nấu ở đây dịch đương được đun sôi với hoa Houblon (nhiệt độ ở 100
C, trong vòng 1 giờ), các chất đắng, tinh dầu thơm, polyphenol và các thành phần
của hoa được hòa tan vào dịch đường tạo cho bia có vị đắng, mùi thơm đặc trưng
của hoa houblon và khả năng giữ bọt cho bia.
o

Trong q trình đun sơi hoa houblon có nhiều q trình hóa lý quan trọng xảy
ra, quyết định chất lượng bia thành phẩm.
Nồi đun sơi dịch pha có nhiều thiết kế khác nhau, và hiện tại nồi đun sôi dịch
nha được thiết kế sử dụng hơi nước bão hòa để gia nhiệt. Tỷ lệ bay hơi của dịch nha
vào khoảng 4,5 – 10% thể tích ban đầu. Tiêu tốn nhiệt của q trình đun sơi chiếm
khoảng 30% tổng lượng nhiệt cung cấp cho nhà máy bia. Và đây là nơi tiêu thụ
nhiệt cao nhất. Ước lượng tỷ lệ sử dụng nhiệt ở các bộ phận tại nhà máy:

 Lọc bã hoa

Mục đích: Nhằm tách phần lỏng ra khỏi dịch cháo malt để thu hồi được nước
malt. Thành phần chủ yếu của phần lỏng là nước và chất hòa tan.
Yêu cầu kỹ thuật: Dịch ép phải trong nhiệt độ lọc : 70 oC.
 Lắng trong và Làm lạnh nhanh

Dịch nha sau q trình đun sơi hình thành rất nhiều cặn nóng và có cả cánh
hoa houblon. Nồi lắng xốy được thiết kế có dạng đáy phẳng sử dụng “hiệu ứng lá
trà” do Einstein phát hiện để tách cặn ra khỏi dịch nha. Dịch nha sau khi được lắng
trong sẽ qua quá trình giải nhiệt nhanh để hạ nhiệt độ từ ~100oC về nhiệt độ lên
25