Bài thi kiểm soát quá trình lên men Quy trình sản xuất nước mắm công nghiệp và nước mắm truyền thống

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Lớp : 21A-BF-CNSH
SHHV :20211161M

Ngày thi: 09/09/2021
Họ tên: Lê Thị Thùy Dung

BÀI THI KẾT THÚC MƠN HỌC
Mơn học: Kiểm sốt q trình lên men
Đề số 1
Câu 1 : Hãy làm rõ đặc trưng phân biệt giữa nghề lên men một sản phẩm lên men truyền
thống với công nghệ lên men sản phẩm lên men cổ truyền ấy ?
Trong sản xuất nước mắm truyền thống, sản phẩm được làm hoàn toàn theo phương
pháp ủ chượp thủ công. Đây là phương pháp sản xuất nước mắm của cha ông ta, được
truyền từ đời này sang đời khác. Nhìn chung, lên men nước mắm truyền thống cơ bản chỉ sử
dụng 2 loại ngun liệu chính, đó là cá và muối. Quá trình lên men rất lâu kéo dài từ 6 – 24
tháng cho đến khi thu nhận được thành phẩm.
Mắm cốt được chắt từ tinh chất cá cơm và muối được ngâm dầm trong các lu, vại từ 18-24
tháng, quá trình này sẽ giúp thịt cá ngâm dầm trong muối mặn sẽ phân giải các protein từ
đơn giản đến phức tạp cùng các axit amin có lợi cho sức khỏe. Các acid amin này đều được
tổng hợp từ những enzym có sẵn trong hệ tiêu hóa và trong thịt cá, giúp nước mắm truyền
thống khi chắt cốt có vị ngọt hậu, mặn ngọt hài hòa và thật tự nhiên, nguyên chất, sạch mà
không cần đến bất cứ sự can thiệp nào của hương liệu, phụ gia hay máy móc cơng nghệ.
Nước mắm cơng nghiệp là dịng nước mắm sản xuất theo quy trình hiện đại với cơng
nghệ pha chế để tạo ra một sản phẩm nước mắm trong thời gian ngắn để đáp ứng nhu cầu
về lượng cho thị trường. Đồng thời, sản phẩm nước mắm tạo ra phải có hương vị phù hợp
với đa số khẩu vị của người tiêu dùng và đảm về chất lượng và tiêu chuẩn vệ sinh an toàn
thực phẩm theo quy định. Có 2 phương pháp sản xuất nước mắm cơng nghiệp:
-

Phương pháp hóa học.

-

Phương pháp sử dụng vi sinh vật.

Quy trình sản xuất nước mắm truyền thống và quy trình lên men công nghiệp được thể hiện
ở các sơ đồ dưới đây.
Sơ đồ 1: Quy trình sản xuất nước mắm truyền thống:



Sơ đồ 2 : Quy trình sản xuất nước mắm cơng nghiệp bằng phương pháp hóa học :

Sơ đồ 3 : Quy trình sản xuất nước mắm cơng nghiệp bằng phương pháp sử dụng vi sinh vật

Các đặc điểm khác nhau giữa công nghệ lên men sản xuất nước mắm hiện đại và
nghề sản xuất nước mắm truyền thống :
Đặc điểm so sánh

Nghề sản xuất nước mắm Công nghệ sản xuất nước
truyền thống
mắm công nghiệp


Nguyên liệu

Muối và cá

Tác nhân lên men

Lên men tự nhiên sử dụng
enzyme protease có sẵn trong
ruột cá để chuyển hóa phân giải
protein tạo thành các axit amin.

Dụng cụ chứa

Các chum, thùng, bể xi măng
ngoài trời

Nhiệt độ lên men

25-400C, chủ yếu dựa vào nhiệt
độ ngồi trời.

Kiểm
trình

sốt

q Dựa vào kinh nghiệm.
Sử dụng lượng muối nhiều để
ức chế sự phát triển của các vi
sinh vật gây hại (tỉ lệ muối : cá =
1:3).
Trên cùng của thùng chứa được
rải 1 lớp muối dày 2-3 cm để giữ
nhiệt và tránh ruồi nhặng.
Sử dụng các thanh nẹp để ngăn
cá trồi lên vừa giữ được vệ sinh

vừa giúp nén chặt giúp quá trình
phân giải diễn ra nhanh hơn.
Đánh giá tình trạng lên men
bằng cách kiểm tra tình trạng
thịt cá, độ nát, độ chìm, độ
trương nở,…
Chượp cá chín khi tất cả cá chìm
xuống hẳn, nước nổi lên có màu
vàng, trong và xuất hiện mùi
nước mắm rõ rệt, không cịn
mùi tanh hỗn tạp. Khi đó, nước
màu vàng, trong phía trên sẽ
được chiết rút. Còn lại phần
xương thịt cá chưa phân giải hết
ta tiếp tục cho lên men. Với mỗi
lần chiết rút ta lại bổ sung nước

Có khoảng 20 thành phần gồm
nước cốt cá, muối, các chất
điều vị, chất tạo màu, tạo mùi,
…
Phương pháp hóa học: Sử
dụng các chất hóa học như
HCl, H2SO4, Na2CO3, NaOH để
thủy phân protein thịt cá
thành các axit amin.
Phương pháp sử dụng vi sinh
vật sử dụng hệ enzym
protease trong nấm mốc
Aspergilus oryzea

Sử dụng kiệu, lu có ống sinh
hàn đồng thời có thiết bị đánh
khuấy để tránh cháy khét.
Phương pháp hóa học: Nhiệt
độ thủy phân thích hợp nhất là
100 - 1050C.
Phương pháp dùng nấm mốc:
nhiệt độ thủy phân 37-410C
Kiểm sốt theo quy trình cơng
nghệ.
Phương pháp hóa học:
Ngâm: trong dung dịch HCl 7N
thời gian một tuần, thỉnh
thoảng đánh khuấy tạo cho
nước mắm có màu sắc đẹp và
thủy phân một phần protein
trong cá.
Duy trì nhiệt độ thích hợp nhất
là 100-1050C, thủy phân trong
thời gian 7-8 giờ.
Trung hòa: sử dụng Na2CO3
nhiệt độ trung hịa 60-70oC,
pH= 6,3-6,5.:
Vớt chất béo nổi phía trên và
lọc qua vải để giữ cặn, xương
và xác chưa bị thủy phân.
Điều chỉnh nồng độ muối về
khoảng 20 độ Baumé.
Điều chỉnh nồng độ đạm bằng
cách đun ở nhiệt độ 60-70oC

hoặc phơi nắng sau đó bổ sung
bezoat Na với nồng độ 1%.
Kéo rút nước mắm qua bã
chượp tốt hoặc trộn với nước


muối vào để làm nước thuộc.
Quá trình lên men tiếp tục phân
giải hết lượng thịt cá cịn sót lại.
Q trình lên men và chiết rút
dừng lại khi tất cả thịt cá đã
hoàn toàn được phân giải.

Mùi vị

Độ đạm

Thời gian ủ
Giá thành

mắm cốt.
Phương pháp sử dụng vi sinh
vật:
Mốc: yêu cầu tốc độ sinh
trưởng và phát triển nhanh,
hình thái khuẩn ty to và mập,
tốt nhất là sau 2 ngày ở nhiệt
độ và độ ẩm thích hợp.
Tỉ lệ giữa mốc và cá từ 3-4%
tính theo chế phẩm mốc thơ

và cá xay nhỏ trộn với mốc.
Nước cho vào 5-10% để vừa
đủ ngấm mốc, giúp men hoạt
động tốt, nhiệt độ thủy phân
37-41oC, thời gian 10-15 ngày
chượp sẽ chín.
Muối: sử dụng muối có tinh
thể nhỏ, màu sáng, độ trắng
cao, khơng vón cục, khơng bị
chát, lượng muối cho vào 4-6%
so với khối lượng cá.
Lọc: nước lọc và nước rửa bã
bằng 30% so với khối lượng cá.
Sau đó:
Đun sơi:nhỏ lửa có tác dụng
khử mùi, vi sinh vật, chất bẩn.
Thêm muối vào để đạt đến độ
mặn nước chấm.
Có vị ngọt lợ từ đường hóa học
và chất điều vị. Có mùi thơm
nồng nhờ tác dụng của chất
tạo mùi.
Độ đạm thấp hơn nước mắm
truyền thống.
Độ đạm thường <100N

Có mùi thơm nồng, nặng mùi
hơn.
Vị ngọt của đạm, có hậu vị rõ,
khơng mặn chát.

Phụ thuộc vào cách làm mắm
của từng địa phương.
Độ đạm cao nhất của nước mắm
truyền thống là từ 30-400N
6-24 tháng
Ra thành phẩm ngay
100.000-200.000 đồng/ lít
20.000-50.000 đồng/ lít

Câu 2: Hãy trình bày các phương pháp xác định động học sự phát triển của vi sinh vật
trong quá trình lên men và cho ví dụ liên hệ thực tiễn ứng dụng của các kĩ thuật này trong
kiểm tra giám sát một quá trình lên men đã biết ?
a. Lên men gián đoạn :

Động học sự phát triển của vi sinh vật trong quá trình lên men gián đoạn:


Q trình lên men gián đoạn là q trình ni cấy mà trong suốt q trình ni khơng bổ
sung chất dinh dưỡng cũng như không lấy đi các sản phẩm chuyển hóa của vi sinh vật.
Sự phát triển của vi sinh vật trong quá trình lên men gián đoạn trải qua 4 giai đoạn :
-

-

-

-

Pha tiềm phát : Pha tiềm phát hay cịn gọi là pha thích nghi là giai đoạn vi sinh vật tập
thích nghi với điều kiện lên men, chúng tiến hành tổng hợp mạnh ADN và các

enzyme chuẩn bị cho sự phân bào. Trong sản xuất, pha thích nghi khơng mang lại
hiệu quả kinh tế.
Pha lũy thừa : vi sinh vật phân chia mạnh mẽ, số lượng tế bào tăng theo lũy thừa và
đạt đến cực đai. Thời gian thế hệ đạt tới hằng số, quá trình trao đổi chất diễn ra
mạnh mẽ nhất.
Pha cân bằng : tốc độ sinh trưởng và trao đổi chất của vi sinh vật giảm dần. Do chất
dinh dưỡng bắt đầu cạn kiệt, trong môi trường nuôi cấy chứa nhiều sản phẩm
chuyển hóa độc hại của vi sinh vật, số lượng tế bào đạt cực đại và không đổi theo
thời gian.
Pha suy vong : số lượng tế bào trong quần thể giảm dần do phân huỷ ngày càng
nhiều, chất dinh dưỡng cạn kiệt, chất độc hại tăng.

b. Quá trình lên men bán liên tục :

Quá trình bao gồm cả yếu tố liên tục và cả yếu tố khơng liên tục, phải có ít nhất một yếu
tố liên tục. Ví dụ phải liên tục bổ sung thêm môi trường dinh dưỡng, hoặc liên tục tháo dịch
lên men ra khỏi thùng lên men,… Đặc điểm của quá trình lên men này là các pha được kéo
dài hơn, như kéo dài pha lũy tiến, pha cân bằng hoặc pha suy vong.
c. Lên men liên tục :

Là kiểu ni cấy mà trong suốt q trình ni cấy, người ta thường xuyên bổ sung chất
dinh dưỡng vào dịch nuôi cấy cũng như lấy ra khỏi dịch nuôi cấy các chất độc và thu lấy sinh
khối vi sinh vật.
Đặc điểm của quá trình lên men liên tục :
-

Quần thể vi sinh vật ln được kiểm sốt để sinh trưởng ở pha log.
Tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật là cao nhất, thu được sinh khối lớn nhất.

Tuy nhiên để xác lập được quá trình trên thì phải xác định được lượng môi trường cung
cấp vào, lượng dịch lên men rút ra khỏi bình lên men để duy trì được pha sinh trưởng của tế
bào ln được tối ưu. Động học của quá trình lên men này bị ảnh hưởng bởi hệ số pha loãng
K. Mục tiêu của chúng ta là duy trì được quá trình lên men luôn nằm trong vùng cân bằng
động với hệ số pha lỗng lớn nhất có thể, giúp thu được nhiều sinh khối hơn.
Để xác định được sự phát triển của vi sinh vật đang ở trong giai đoạn nào, chúng ta cần
phải xác định được số lượng tế bào vi sinh vật theo thời gian, ngồi ra cịn cần đánh giá cấu
trúc, trạng thái sinh lý của nó trong suốt q trình lên men. Có nhiều cách thơng qua việc xác
định sự biến đổi số lượng và chất lượng vi sinh vật để hiểu được sự sinh trưởng của vi sinh
vật, biết được tốc độ sinh trưởng và thời gian thế hệ.
 Các phương pháp xác định số lượng tế bào
• Phương pháp đếm tế bào sử dụng buồng đếm hoặc máy đếm điện tử

Phương pháp đơn giản nhất để xác định số lượng tế bào là đếm trực tiếp dưới kính hiển
vi sử dụng các buồng đếm, hoặc sử dụng máy đếm điện tử. Khi đếm số lượng ta đưa dịch
pha loãng vào buồng đếm và tiến hành đếm số lượng dưới kính hiển vi. Ưu điểm của
phương pháp này là nhanh chóng, dễ dàng, rẻ tiền, có thể quan sát thấy kích cỡ và hình
dáng tế bào. Khuyết điểm của phương pháp này là không xác định được với các mẫu có số
lượng vi khuẩn quá nhỏ, độ chính xác cũng khơng cao vì khơng phân biệt được giữa tế bào
sống và tế bào chết.
•

Phương pháp cấy dịch pha loãng lên đĩa thạch

Để xác định số lượng tế bào sống người ta thường dùng phương pháp cấy dịch pha lỗng
lên bề mặt mơi trường thạch đĩa. Sau khi nuôi cấy mỗi vi khuẩn sẽ tạo thành 1 khuẩn lạc. Ví
dụ ở độ pha lỗng 1 x 10 -6 đếm được 150 khuẩn lạc thì có nghĩa là mật độ vi khuẩn trong
mẫu là 1,5 x 108.
•

Sử dụng dụng cụ đếm khuẩn lạc

Phương pháp này cho biết số lượng các tế bào sống của vi sinh vật. Tuy nhiên, nếu vi
khuẩn dính thành khối khơng tách rời nhau thì kết quả thu được sẽ thấp hơn thực tế, vì mỗi
khuẩn lạc không phát triển từ một tế bào riêng rẽ. Vì vậy kết quả thu được từ phương pháp
này được coi là số đơn vị hình thành khuẩn lạc (CFU-colony forming unit). CFU khơng hồn
tồn phù hợp với số tế bào sống trong mẫu vật. Trong quá trình sử dụng phương pháp này
nên sử dụng độ pha loãng nào cho số khuẩn lạc xuất hiện trên đĩa chỉ nằm trong phạm vi
khoảng 30-300 mà thôi. Hơn nữa, môi trường dinh dưỡng không thể đáp ứng chung cho
mọi loại vi sinh vật, do đó kết quả thu được bao giờ cũng thấp hơn thực tế. Khi trộn thạch
với dịch pha lỗng thì thạch đã đủ nguội để khơng làm chết vi khuẩn hay làm thương tổn với
một số loại mẫn cảm với nhiệt độ . Việc cấy cấy dịch pha loãng trên bề mặt rồi dàn đều bằng
que gạt thủy tinh thường cho kết quả cao hơn về số lượng vi sinh vật so với phương pháp
trộn với môi trường thạch chưa đơng.
•

Phương pháp màng lọc


Dùng một thiết bị lọc đặc biệt đặt vừa một giấy lọc hình trịn có các lỗ nhỏ hơn kích
thước vi khuẩn và các vi sinh vật khác. Sau khi lọc đặt giấy lọc lên mơi trường thạch thích
hợp hoặc thấm ướt màng lọc bằng dịch mơi trường thích hợp rồi để nuôi cấy 24 giờ. Đếm số
khuẩn lạc mọc trên giấy lọc để tính ra mật độ vi khuẩn sống có mặt trong mẫu.
Phương pháp màng lọc cịn dùng để đếm trực tiếp vi khuẩn. Dịch mẫu vật được lọc qua
một màng polycarbonate màu đen. Vi khuẩn trên màng lọc được nhuộm màu huỳnh quang
bằng thuốc nhuộm acridine da cam hoặc DAPI (diamidino-2-phenylindole). Quan sát dưới
kính hiển vi huỳnh quang có thể thấy các tế bào vi sinh vật hiện lên màu da cam hay màu lục
trên một nền đen. Hiện đã có những kit thương mại cho phép phân biệt tế bào sống và tế
bào chết khi kiểm tra.
 Xác định khối lượng tế bào

• Xác định trọng lượng khô của tế bào

Sự sinh trưởng của vi sinh vật không chỉ biểu hiện ở số lượng tế bào mà còn ở cả sự tăng
trưởng của tổng khối lượng tế bào. Phương pháp trực tiếp nhất là xác định trọng lượng khô
của tế bào. Trước hết cần ly tâm để thu nhận sinh khối tế bào. Sau đó rửa tế bào rồi làm khơ
trong lị sấy rồi cân trọng lượng khơ. Phương pháp này thích hợp để xác định sự sinh trưởng
của nấm. Phương pháp này tốn thời gian và khơng thật mẫn cảm. Đối với vi khuẩn vì trọng
lượng từng cá thể là rất nhỏ, thậm chí phải ly tâm tới vài trăm ml mới đủ số lượng để xác
định trọng lượng sinh khối khô.
 Phương pháp đo nồng độ vi sinh vật
• Đo mật độ quang
- Đo độ đục: Phương pháp nhanh hơn, mẫn cảm hơn là dùng phương pháp đo độ đục

-

-

nhờ tán xạ ánh sáng. Mức độ tán xạ ánh sáng tỷ lệ thuận với nồng độ tế bào. Lúc
nồng độ vi khuẩn đạt đến 10 7 tế bào/ml thì dịch ni cấy sẽ vẩn đục, nồng độ càng
tăng thì độ đục cũng tăng theo và làm cản trở ánh sáng đi qua dịch. Có thể đo độ tán
xạ ánh sáng bằng quang phổ kế. Ở một mức độ hấp thụ ánh sáng thấp, giữa nồng độ
tế bào và giá trị hấp thụ ánh sáng có quan hệ tuyến tính. Chỉ cần nồng độ vi sinh vật
đạt tới nồng độ có thể đo được là đều có thể dùng phương pháp đo độ đục trên
quang phổ kế để xác định sự sinh trưởng của vi sinh vật. Nếu hàm lượng một số vật
chất trong mỗi tế bào là giống nhau thì tổng lượng chất đó trong tế bào có tương
quan trực tiếp với tổng sinh khối vi sinh vật. Tuy nhiên phương pháp này có sai số
lớn: tế bào chết, cặn cơ học, bọt khí, …
Đo phổ hấp phụ/phát xạ: phương pháp này cải thiện độ tin cậy của phép đo mật độ
quang. Do đặc tính hấp phụ và phát xạ của các đối tượng khác nhau trong thùng lên
men là khác nhau, nên có thể dựa vào đặc tính này để đo mật độ tế bào. Phương

pháp này phản ánh lượng tế bào sống có trong thùng lên men, nhưng có nhược điểm
là rất đắt tiền.
Sử dụng thiết bị đếm qua khe hẹp.

 Phương pháp đo nhiệt lượng


Thông qua sự biến đổi nhiệt lượng trong dịch lên men ta có thể suy ra được cường
độ hoạt động của vi sinh vật trong thùng lên men, từ đó biết được cường độ sinh trưởng
và phát triển của vi sinh vật. có hai phương pháp đo nhiệt lượng thường dùng:
-

•
•
•
•

Phương pháp sử dụng thiết bị đối chứng Twin Type: trong lên men quy mô nhỏ, họ
sử dụng hai thiết bị lên men giống nhau và được các nhiệt với mơi trường bên ngồi.
Một thiết bị vận hành q trình lên men và một thiết bị còn lại sử dụng làm đối
chứng. Khi quá trình trao đổi chất ở vi sinh vật xảy ra mạnh mẽ, nó sẽ giải phóng
nhiệt lượng ra ngồi mơi trường lên men và làm tăng nhiệt độ của thiết bị lên men.
Khi đó, từ nhiệt độ đo đc từ hai thiết bị có thể xây dựng đường chuẩn và từ đó ngoại
suy ra mật độ tế bào sinh vật.
Phương pháp đo độ lệch Different: sử dụng bộ đo cách nhiệt cục bộ.
Phương pháp Head Flux: đo gián tiếp qua năng lượng tiêu hao của thiết bị ổn nhiệt
chung của hệ thống.
Phương pháp đo độ nhớt dịch lên men (sử dụng thiết bị mao quản)
Phương pháp đo điện trở dẫn và trở kháng (sử dụng thiết bị mao quản)
Phương pháp đo điện thế (sử dụng 2 điện cực hydro, 1 có màng cách ly)

Phương pháp khác (tạo phức với protein, qua cơ chất chuyển hóa hay sản phẩm tạo
thành, đo phổ cộng hưởng từ hạt nhân…).

 Đo nhiệt độ

- Nhiệt kế thủy ngân: Hầu như không được sử dụng trong quá trình sản xuất lên men
trong cơng nghiệp;
+ Ưu điểm: thuận lợi, chính xác;
+Nhược điểm: Khó đo xa, nếu vỡ thì khơng thể loại bỏ hồn toàn thủy ngân trong thùng
lên men).
- Nhiệt kế điện trở
 Đo pH môi trường:

Phổ biến nhất là đo thế điện cực hoặc điện cực kép. Điện cực Ag-Ag bị ảnh hưởng bởi
nhiệt độ và thời gian làm việc. Nên sử dụng các điện cực có thể thanh trùng được.
 Đo lưu lượng dịch vào ra

Mục đích của phương pháp này là để đo lượng dịch vào, ra. Ở quy mô nhỏ có thể dung
lưu lượng kế kiểu phao, với quy mơ lớn có thể dùng thiết bị đo theo ngun lí nhiệt
lượng hoặc theo nguyên lí từ trường.
 Đo nồng độ oxi hòa tan: Dựa vào đo thế cực của 2 cặp kim loại (VD: Pb, Zn, Ag, ...).
 Đo các thông số khác: Áp suất, khối lượng làm việc trong thiết bị, độ nhớt dịch, điện

năng tiêu thụ, kiểm soát tạo bọt….
Liên hệ thực tiễn ứng dụng của các kĩ thuật này trong kiểm tra giám sát một quá trình lên
men đã biết


Trong cơng nghệ chế biến sữa chua, q trình lên men ln được kiểm sốt chặt chẽ
bằng cách theo dõi liên tục q trình lên men thơng qua 2 thơng số quan trọng là nhiệt độ

và độ chua. Chất tải nhiệt thường dùng là hơi nước bão hòa bên trong thùng có cánh khuấy,
ngồi ra cịn có các thiết bị theo dõi và điều khiển nhiệt độ nhằm đảm bảo nhiệt độ trong
q trình lên men ln duy trì ở 43 0C. Hai yêu cầu quan trọng của thùng lên men trong công
nghệ sản xuất sữa chua là:
+ Thùng phải kín đảm bảo trong điều kiện yếm khí. Đồng thời phải có điều khiển.
+ Nhiệt độ nhằm đảm bảo nhiệt độ trong q trình lên men ln duy trì ở 430C.
Đối với môi trường người ta sử dụng thiết bị lên men dang hình trụ đứng được chế
tạo từ vât liệu thép ko rỉ bên trong cánh khuấy có gắn các đầu dị nhiệt độ, pH… có thể theo
dõi trực tiếp các thơng số trong suất q trình lên men.

Câu 3 : Hãy đề xuất giải pháp kiểm soát quá trình lên men để nâng cao chất lượng một sản
phẩm lên men cụ thể sẽ triển khai (hoặc em quan tâm) ?
Bài làm:
Giải pháp sử dụng hệ thống quang phổ hồng ngoại gần (NIRS) trong quá trình sản xuất bia
để có thể kiểm sốt trực tuyến các thơng số quan trọng trong q trình lên men.
Có rất nhiều tham số trong q trình sản xuất bia có thể có tác động lớn đến chất
lượng và hương vị của sản phẩm. Chúng bao gồm nhiệt độ lên men, thành phần ủ và trạng
thái sinh lý của quần thể nấm men. Để đạt được chất lượng mong muốn, quá trình lên men
phải được kiểm sốt tốt và có thể lặp lại được. Vì vậy, các thơng số quan trọng ảnh hưởng
đến chất lượng sản phẩm cuối cùng cần được xác định và giám sát để đảm bảo mỗi lần tiếp
theo quá trình lên men được tiến hành theo tiêu chuẩn. Điều này không chỉ quan trọng
trong việc xác nhận hiệu suất và thời điểm kết thúc q trình lên men, mà cịn trong xác định
sớm các bất thường chẳng hạn như lên men trễ (thời gian trễ kéo dài), nhiễm tạp hoặc trao
đổi chất của nấm men bị biến đổi. Các phương pháp truyền thống được sử dụng trong phân
tích các mẫu lên men bị một số hạn chế. Những kỹ thuật này thường tốn kém và tốn thời
gian (vài giờ đến vài ngày) do cần chuẩn bị hóa chất và chuẩn bị mẫu. Điều này gây bất lợi
cho mục đích giám sát hoặc kiểm soát nhằm điều chỉnh kịp thời, đảm bảo thu được sản
phẩm chất lượng tốt đồng đều ở các lần lên men.
Một chiến lược kiểm sốt thành cơng trước hết phụ thuộc vào dữ liệu đáng tin cậy và
chính xác được thu thập đủ kịp thời để có thể thay đổi các điều kiện trong quy trình cho phù

hợp. Phân tích trực tuyến sẽ cho phép kiểm sốt q trình lên men theo thời gian thực, dẫn
đến ít mẻ bị mất hơn, cải thiện tính nhất quán của sản phẩm, lên men đồng đều hơn và
mang lại hiệu quả kinh tế cao. Việc tìm kiếm các phương pháp nhanh chóng và hiệu quả hơn
đã dẫn đến việc nghiên cứu và phát triển quang phổ hồng ngoại gần (NIRS) trong ngành sản
xuất bia. NIRS cung cấp một số lợi thế so với hóa chất hiện có: phương pháp phân tích
nhanh chóng, thụ động nên khơng tác động phá hủy mẫu, và ít hoặc khơng cần chuẩn bị
mẫu. Những ưu điểm này làm cho NIRS đặc biệt phù hợp với phân tích trực tuyến ngay tại
thời điểm xử lý. Ngồi ra, khơng cần hóa chất và do đó khơng tạo ra chất thải. Ngoài ra,


phân tích NIR là phân tích đa biến do một phổ đơn chứa thông tin về một số yếu tố phân
tích, cho phép xác định đồng thời nhiều tham số . Độ chính xác của dụng cụ này là khá cao.
Tuy vậy, vẫn cần hiệu chuẩn chuyên sâu thêm.
Nhược điểm lớn nhất của NIR là giới hạn phát hiện, xấp xỉ 0,1% khối lượng đối với
hầu hết các cấu tử, không thấp như trong các phương pháp truyền thống. Quang phổ hồng
ngoại dựa trên việc ứng dụng năng lượng photon vào một mẫu để thu được thơng tin định
tính và định lượng về các thành phần của nó. Sự hấp phụ bức xạ điện từ liên quan đến loại
và số lượng của các thành phần khác nhau có trong mẫu. Vùng hồng ngoại [bước sóng được
ký hiệu bằng chữ cái Hy Lạp lambda (λ) = 800 nm - 1 mm] có thể được chia thành ba vùng:
hồng ngoại xa (FIR), hồng ngoại trung bình (MIR) và hồng ngoại gần (NIR) ) có số sóng nằm
trong khoảng từ 800 đến 2500 nm-1 hoặc 12.000 đến 4000 cm-1. Trong 3 vùng đó, NIRS thích
hợp phân tích định lượng hydrocacbon, khơng bị ảnh hưởng tiêu cực bởi kích thước hạt và
phù hợp nhất để giám sát các sản phẩm thực phẩm. Một ưu điểm nổi trội khi so với FIR và
MIR là NIR hiển thị các dải hấp thụ yếu chuyển thành tín hiệu mạnh đến thiết bị phát hiện,
do đó khơng cần phải pha lỗng hay bất cứ q trình chuẩn bị mẫu nào. Ngược lại, các dải
hấp thụ yếu cũng gây khó khăn khi đo nồng độ chất phân tích thấp. Vì các dải NIR rộng nên
chúng ít nhạy cảm với sự thay đổi. Tuy nhiên, các mơ hình tốn học phức tạp được yêu cầu
để hiệu chuẩn thiết bị một cách hiệu quả và thường các phép biến đổi Fourier được áp dụng
cho các bước sóng riêng biệt về mặt số học.
NIRS hoạt động dựa trên nguyên tắc: nguyên tử của các phân tử chuyển động không

ngừng và rung động ở tần số đặc biệt. Hai loại rung động chính là kéo giãn (không đối xứng /
đối xứng) và uốn cong; tuy nhiên, dạng lúc lắc hoặc dạng chéo cũng xảy ra. Loại và tần suất
của từng loại rung động đặc trưng theo loại phân tử và phụ thuộc trực tiếp vào khối lượng
của mỗi nguyên tử trong phân tử và độ bền của liên kết hóa học giữa các nguyên tử. Tần số
ánh sáng tương ứng với các dao động phân tử được hấp thụ bởi mẫu và phổ hồng ngoại thu
được bao gồm các đỉnh có tần số được xác định rõ ràng, hình dạng dải và độ cao có thể
tương quan với nồng độ phân tử có trong mẫu. Về mặt lý thuyết, có thể đo nồng độ của bất
kỳ phân tử nào có chứa liên kết C – H, N – H, S – H hoặc O – H. Đối với mỗi rung động cơ bản
được tìm thấy trong vùng MIR, có một loạt các âm bội và dải kết hợp tương ứng trong vùng
NIR, với mỗi độ rung yếu hơn khoảng 10 lần so với trước đó, cung cấp một chuỗi pha lỗng
tích hợp. Trong khi phổ NIR phức tạp hơn phổ MIR, nó có ưu điểm là có một số vùng bước
sóng có cường độ khác nhau chứa cùng thơng tin hóa học.
NIRS đã được áp dụng thành công trong hơn 40 năm trong nhiều quy trình cơng
nghiệp: nơng nghiệp, thực phẩm, hóa chất và dược phẩm, chủ yếu trong lĩnh vực kiểm tra
chất lượng nguyên liệu thô cũng như kiểm tra thành phẩm và trung gian. Gần đây hơn,
nghiên cứu đã tập trung vào việc triển khai quang phổ NIR trong các giai đoạn lên men và
ni cấy tế bào của quy trình sinh học để theo dõi quá trình, với sự phát triển theo hướng
tối ưu hóa và kiểm sốt q trình.
Như với bất kỳ quy trình cơng nghệ sinh học nào, một trong những thách thức mà
các nhà sản xuất bia phải đối mặt là khả năng sản xuất bia với hương vị giống hệt nhau sau
mỗi mẻ. Điều này đặc biệt đúng trong ngành công nghiệp thủ công, nơi mà các hoạt động
kiểm sốt q trình và đảm bảo chất lượng cịn hạn chế. Sự thay đổi hương vị có thể đến từ


hai tác nhân: môi trường và vi sinh. Các biến đổi về môi trường thường là các yếu tố liên
quan đến nguyên liệu thô và điều kiện lên men được sử dụng để chuyển đổi các nguyên liệu
này thành sản phẩm cuối cùng, trong khi sự biến đổi vi sinh là do các đặc tính của men được
sử dụng trong q trình lên men và làm chín.
NIRS là một cơng cụ mạnh mẽ để giải quyết những hạn chế hiện tại. Một loạt các
thuộc tính trong quy trình sản xuất bia có thể được theo dõi bằng cách sử dụng NIRS: từ xác

định thành phần và chất lượng của nguyên liệu thô, đến giám sát trực tuyến các thông số
quy trình quan trọng trong suốt quá trình lên men cho phép các ứng dụng kiểm sốt quy
trình tiên tiến. Để thực hiện NIRS, cần phải có các mơ hình hiệu chuẩn toán học phức tạp,
một thay đổi nhỏ trong các biến q trình có thể có tác động đủ lớn đến phổ mẫu làm cho
mơ hình hiệu chuẩn khơng chính xác. Trong những trường hợp này, một mơ hình mới phải
được tạo ra trước khi định lượng bất kỳ kết quả dữ liệu nào khác. Độ nhạy cực cao giúp nó
dễ dàng xác định chất lượng hoặc thành phần sản phẩm có bị sai lệch theo bất kỳ cách nào
so với thông số kỹ thuật mong đợi hoặc yêu cầu hay khơng. Việc triển khai NIRS trong q
trình lên men bia sẽ cho phép các nhà sản xuất bia theo dõi chính xác liên tục các thơng số
quan trọng của quá trình như nồng độ etanol, khối lượng riêng,... Hơn nữa, bằng cách liên
kết những thay đổi này với kĩ thuật bảo quản giống nấm men, giống đã lên men có thể được
sử dụng cho các lần lên men tiếp theo, giúp cải thiện tính nhất quán của mẻ này sang mẻ
khác.