Thực hành công nghệ lên men

1
BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP.HCM
KHOA MÔI TRƯỜNG & CÔNG NGHỆ SINH HỌC






BÀI GIẢNG
THỰC HÀNH
CÔNG NGHỆ LÊN MEN

Biên soạn: TS. Nguyễn Hoài Hương









- 2009 -

2

-
NỘI DUNG THỰC HÀNH

Bài 1 : Lên men bia (25 tiết)
Bài 2 : Sản xuất nước tương bằng phương pháp lên men/ kết hợp hóa giải (20
tiết)
Bài 3: Sản xuất yoghurt (15 tiết)


3
Bài 1: Lên men bia

A. Lý thuyết

I. Giới thiệu

Bia là loại đồ uống có cồn và có gas đã có từ cổ xưa, thơm ngon và bổ dưỡng. Công
nghệ sản xuất bia đã xuất hiện trên thế giới hàng ngàn năm vào được du nhập vào
Việt Nam hơn một trăm năm nay.

Bia là đồ uống bắt nguồn từ Ai Cập cổ đại

Độ cồn trong bia thấp (3-8%) và nhờ có CO2, khi rót bia tạo nên nhiều bọt gây sảng
khoái khi uống. Giá trị dinh dưỡng của bia khá cao, trong bia có nhiều vitamin nhóm
B và các nguyên tố vi lượng. Vì vậy công nghệ sản xuất bia không ngừng phát triển
và hoàn thiện trên thế giới.

II. Nguyên liệu và thiết bị

4
1. Nguyên liệu:
a) Có thể sản xuất bia thuần túy từ malt (đại mạch nảy mầm) hoặc có bổ sung thế
liệu (gạo, đại mạch…) để giảm giá thành. Khi nấu malt ở nhiệt độ thích hợp, tinh bột

malt sẽ được hệ enzyme amylase (alpha và beta amylase) gọi chung là diastase thủy
phân thành đường maltose.
Đại mạch (Hordeum distichum) Hạt đại mạch

b) Hoa bia (hoa houblon): là nguyên liệu cơ bản thứ hai đứng sau malt trong công
nghệ sản xuất bia. Hoa bia làm cho bia có vị đắng dịu, hương thơm đặc trưng và làm
tăng khả năng tạo và giữ bọt. Thành phần chính của hoa bia mà ta quan tâm là các
chất đắng gồm acid đắng và nhựa đắng; tannin; tinh dầu. Trong công nghệ sản xuất
bia người ta sử dụng trực tiếp hoa bia hoặc chế phNm từ hoa bia bột hoa hay cao hoa
bia.
c) Nấm men Saccharomyces cerevisiae và Saccharomyces carlsbergensis là hai loại
nấm men thường được sử dụng để lên men bia. Các loài nấm men lên men bia thuộc
loại yếm khí tùy tiện. Khi có oxy chúng tăng sinh khối nhờ hô hấp tế bào, khi không
có oxy chung lên men tạo thành ethanol và CO
2
theo phương trình:






5
Đường + Nitơ amine tự do + Nấm men + Oxy →
→→
→ Ethanol + CO
2
+ Nấm men
(150 g/l) + (150 mg/l) (1g/l) (25 mg/l) (45g/l) (42g/l) (5g/l)

Đặc tính lên men của hai loài nấm men này có nhiều điểm khác nhau dùng để lên men
các loại bia khác nhau

Đặc tính Nấm men nổi
Saccharomyces cerevisiae
Loại bia: Ale
Nấm men chìm
Saccharomyces carlsbergensis
Loại bia: Lager
Nhiệt độ lên
men
10-25
o
C 0-10
o
C
Cơ chất Chủ yếu lên men đường đơn
(glucose, fructose), đường đôi
(saccharose, maltose), khó lên
men đường tam (raffinose)
Lên men tốt glucose, mannose,
galactose, fructose, saccharose,
maltose và cả raffinose.
Khả năng lên
men
Lên men mạnh trên bề mặt môi
trường
Lên men mạnh trong lòng môi
trường

Khả năng tạo
bông, kết lắng
Kết bông trên bề mặt, bia khó
trong tự nhiên
Kết chùm lắng xuống đáy, bia
trong tự nhiên



Cấu tạo tế bào nấm men



6

Khun lạc nấm men (x 100)
a) Nấm men lên men nổi
b) Nấm men lên men chìm
c)
Nấm men dại



d) Phụ gia
Làm giảm độ cứng của nước: Al
2
(SO
4
)
3

, CaSO
4
;
Điều chỉnh pH = H
2
SO
4
, acid lactic, CaCl
2

Chất chống oxy hóa: acid ascorbic
Chất tạo màu: caramen.

III. Yêu cầu chất lượng (TCVN7042:2002)
Bảng 1 – Yêu cầu cảm quan của bia hơi
Tên chỉ tiêu Yêu cầu
1. Màu sắc Đặc trưng của từng loại sản phNm
2. Mùi Đặc trưng của bia sản xuất từ hoa houblon và malt đại mạch,
không có mùi lạ
3. Vị Đặc trưng của bia sản xuất từ hoa houblon và malt đại mạch,
không có vị lạ
4. Bọt Bọt trắng, mịn
5. Trạng thái Đặc trưng của từng loại sản phNm
Bảng 2 – Yêu cầu đối với các chỉ tiêu hoá lý
Tên chỉ tiêu Mức
1. Độ axit, số mililit NaOH 1 N trung hòa hết 100 ml bia hơi
đã đuổi
1,8
7
hết CO

2
, không lớn hơn
2. Hàm lượng diaxetyl, mg/l, không lớn hơn 0,2
3. Hàm lượng etanol (cồn), % (V/V) Theo tiêu chuNn đã được
công bố của nhà sản
xuất
4. Hàm lượng chất hoà tan ban đầu

Chỉ tiêu về kim loại nặng, vi sinh (xem TCVN7042:2002)


IV. Sơ đồ công nghệ lên men bia malt thuần túy

Các quá trình chính trong công nghệ lên men bia:

1. Nấu bia: tinh bột dưới tác dụng của enzyme amylase trong malt (hoạt lực diastase
…). Khi nấu bia có thể liệu cần bổ sung enzyme để tăng vận tốc đường hóa. Enzyme
thường sử dụng: Termamyl nguồn gốc vi khuNn, chịu nhiệt.
Giản đồ nấu là đồ thị hướng dẫn quá trình nấu: sự thay đổi nhiệt độ theo thời gian.

Các giai đoạn trong quá trình nấu bia:

Malt: nước trộn theo tỉ lệ 1:4 rồi đưa nhiệt độ lên 38 – 40
o
C trong 30 min. Điều chỉnh
pH về 5,5 bằng H
2
SO
4
. Khi này các enzyme hemicellulase, glucanase, protease được

hoạt hóa thủy phân glucan hoặc protein phức tạp bao quanh hạt tinh bột tạo điều kiện
cho enzyme amylase thủy phân tinh bột.

Nâng nhiệt độ lên 52
o
C giữ 30 min: quá trình enzyme protease thủy phân protein
thành amino acid và peptide tạo nguồn dinh dưỡng cho nấm men. Thành phần này c
hiếm 5-7% chất hòa tan của dịch đường. Ngoài ra thành phần này còn giúp bia có
hương vị đậm đà, có khả năng giữ bọt.

8
Nâng nhiệt độ lên 65
o
C giữ nhiệt độ trong 30 min để enzyme amylase hoạt động
thủy phân tinh bột thành các đường có khả năng lên men.
Nâng nhiệt độ lên 72
o
C giữ ở 20 min để enzyme amylase hoạt động
Nâng nhiệt độ lên 78
o
C giữ 30 min rồi lọc.

Điều kiện hoạt động của các enzyme trong malt:






Đường hóa kết thúc khi p hản ứng giữa iod và tinh bột cho thấy màu iod không bị

thay đổi.

2. Lọc rửa bã
Rửa bã bằng nước nóng 76
o
C 3 lần
Bảo đảm lượng nước trong dịch đường
Rửa đến khi nồng độ chất hòa tan trong nước rửa bã còn 0,3-0,5% thì ngưng.

3. Nấu hoa:
9
Mục đích:
Bất hoạt enzyme malt
Thanh trùng dịch đường
Trích ly hoa bia
Đông tụ protein trong dịch đường
Hình thành hương vị và màu
Hình thành các chất khử chống oxy hóa trong giai đạon tiếp theo
Giảm pH dịch đường

Tiến hành:
Nâng nhiệt lên 76 – 78
o
C giữ 10 min để đường hóa nốt phần tinh bột còn lại
Đun sôi dịch đường 10 min thì cho ½ hoa bia vào tạo vị đắng.
Trước khi kết thúc 10 min cho ½ hoa bia vào tạo hương.

3. Làm lạnh nhanh: đưa nhanh chóng dịch đường sau khi nấu hoa về nhiệt độ lên
men

10




4. Nhân giống nấm men:

Cần bổ sung Zn và N. Môi trường giống khởi động càng giống môi trường lên men
chính càng tốt. Sục khí hoặc lắc đóng vai trò quan trọng.

11

Ống thạch nghiêng (rửa
bằng môi trường vô trùng)
10 ml YEPG
24 h, 20
o
C
100 ml YEPG
3 ngày lắc 25
o
C
2 L YEPG
3 sục khí 25
o
C
20 L dịch đường
3 ngày lắc 25
o
C

(Môi trường: YEPG: yeast extract 5g/l; peptone 10 g/ l; glucose 20 g/l)
5. Cấy giống
Tỉ lệ cấy giống tối ưu là 6-10.10
6
tế bào/ml men nổi; 10-14.10
6
tế bào/ml men
chìm. Dịch đường càng đậm đặc tỉ lệ cấy giống phải càng cao.
6. Lên men chính
Hiện nay lên men theo mẻ vẫn là phương pháp thịnh hành.
Sau đây là đồ thị tăng trưởng của nấm men trong lên men bia.

12

Thời gian (giờ)
I) Pha lag: Nấm men hấp thụ toàn bộ oxy có trong dịch đường, tổng hợp enzyme cần
thiết, tổng hợp sterol. Pha lag xảy ra trong vòng một vài giờ sau khi cấy giống. Nếu
môi trường giai đoạn nhân giống trước giống giai đoạn hiện tại pha lag sẽ ngắn.
II) Pha tăng tốc: tế bào tăng trưởng và phân chia. ChuNn bị lên men. Tổng hợp
glycogen.
III) Pha lũy thừa: tế bào sinh sản và trao đổi chất cực đại. Chu kỳ phân chia 90-180
phút. Bắt đầu lên men. Số lượng nấm men có thể tăng 1000 lần trong vòng 24 giờ. Tỉ
lệ cấy giống ảnh hưởng đến mức độ phân chia của tế bào. Nếu cấy giống ở tỉ lệ thích
hợp 5-15. 10
6
tế bào/ml và phân chia 3 lần (số lượng tế bào tăng 8 lần) thì thu được
80-100.10
6
tế bào. 100.10
6
tế bào/ml là nồng độ nấm men cao nhất trong dịch đường
lên men. Lên men cũng xảy ra rất mạnh và có hiện tượng trào bọt.
IV) Pha giảm tốc: xảy ra 12-24 giờ sau khi cấy giống. Khi đó oxy đã hết, chỉ còn
quá trình lên men sinh CO
2
. Bọt trào mạnh. Lên men cực đại xảy ra trong vòng 12-48
giờ, sinh nhiệt và CO
2
.
Số lượng tế bào
13
V) Pha cân bằng động: các chất dinh dưỡng lên men cạn kiệt. Nấm men không còn

tăng trưởng mà bắt đầu kết bông. Sterol và glycogen được tổng hợp và dự trữ trong
các pha trước đó bắt đầu được sử dụng. Kéo dài pha này dẫn đến tự phân nấm men.
Thời gian Biến đổi sinh học Biến đổi sinh hóa Biến đổi vật lý
Giai đoạn hiếu
khí: 3 h sau khi
cấy
Nấm men tăng
trưởng nảy chồi
nhờ oxy còn lại
trong thiết bị, hô
hấp tỏa nhiệt đạt
cực đại, xuất hiện
nhiều bóng khí to
Nồng độ đường
giảm nhanh
Thủy phân đường đôi
thành đường đơn
Đường phân
Tổng hợp glucogen
Tổng hợp acid béo và
sterol
Sử dụng nguồn N
hữu cơ vô cơ để tăng
trưởng

Nhiệt độ tăng
Giai đoạn kị khí : Lên men Sinh C
2
H
5

OH và CO
2

và các sản phNm phụ
trong đó ester đóng
vai trò tạo hương
Áp suất tăng

Các thông số cần theo dõi trong quá trình lên men chính:
- Hàm lượng đường
o
Br, pH
- pH đầu là 5,2-5,6
- pH cuối lên men chính còn 4,4-4,5 do H
2
CO
3
sinh ra
- Nồng độ ethanol
Nồng độ ethanol 2% nấm men phát triển bình thường
Nồng độ ethanol 2% - 5%: nấm men giảm tăng trưởng
Nồng độ ethanol > 5 % nấm men chấm dứt tăng trưởng nhưng vẫn lên men
Nồng độ ethanol =12% nấm men chấm dứt lên men
Thời gian lên men: 7 – 10 ngày phụ thuộc vào độ cồn và pH.
14
Kết thúc quá trình lên men chính ta thu được bia non, mùi vị còn nồng, cảm quan
chưa đạt.

7. Quá trình lên men phụ:
Quá trình lên men phụ là quá trình

- các phản ứng enzyme và phi enzyme diễn ra dẫn đến ổn định chất lượng bia,
- các hợp chất tạo hương quan trọng hình thành
- diacetyl bị phân hủy xuống tới dưới mức quy định 0,2 mg/l là chỉ tiêu quyết
định thời gian lên men phụ.
- Bão hòa bia bằng CO
2
để tăng vị và khả năng tạo bọt, ức chế sự phát triển của
vi sinh vật có hại.
Tiến hành:
Sau khi tách men, hạ nhiệt đô dịch xuống 0-1
o
C, duy trì áp suất 0.9 – 1.2 mg/cm2,
ngưng thu hồi CO2 khi quá trình lên men phụ diễn ra 15 ngày. Kết thúc quá trình lên
men phụ nồng độ đường còn lại cỡ 1,9
o
Br, tách nốt phần nấm men còn lại. Bia sau
khi lên men được bơm qua thiết bị lọc.

B. Thực hành
I. Nguyên liệu:
Malt nghiền : 5 kg
Cao hoa : 1 g
Nấm men Saccharomyces carlsbergensis (lên men chìm)

II. Dụng cụ:
a) Phòng thí nghiệm vi sinh đại cương:
đĩa Petri, ống nghiệm, bình tam giác, máy lắc, buồng đếm hồng cầu, kính hiển vi…


Buồng đếm hồng cầu

b) Phòng thí nghiệm hóa sinh:
Máy so màu
c) Phòng thí nghiệm công ngh
Dụng cụ đo hàm lượng chấ

Phù kế (Tỉ trọng kế)

m hóa sinh:
m công nghệ:
ng chất khô
Brix kế (khúc xạ kế)
15

16

Bộ chưng cất
cồn


Nồi nấu malt ổn nhiệt Bình lên men bia có khóa khí

III. Nội dung thực hành

1. Chun bị men giống