Ứng dụng phương pháo đo độ cồn bằng cảm biến MQ3 trong quá trình khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men rượu gạo truyền thống

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU
1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Rượu đặc sản là một loại đồ uống mang hương vị truyền thống, đậm đà bản sắc dân
tộc, một sản phẩm tiêu biểu của nền văn hóa ẩm thực Việt Nam. Từ lâu đời, rượu
gắn liền với sinh hoạt văn hóa của của nhân dân ta như là biểu tượng của nền văn
minh lúa nước, trong các dịp lễ hội hay trong các ngày tết cổ truyền không thể thiếu
những chén rượu dâng lên tổ tiên thể hiện tấm lòng thành kính. Ở nước ta nghề nấu
rượu thủ công đã có từ ngàn xưa đến nay. Theo dân gian thì rượu được nấu từ các
loại nông sản như gạo, ngô, sắn… cùng với các loại men như men thuốc bắc hay
men lá… Theo kinh nghiệm cổ truyền việc nấu rượu thủ công được tiến hành qua
nhiều bước: nguyên liệu được đồ chín, làm nguội rồi tiến hành trộn men, qua giai
đoạn lên men ẩm, lên men lỏng rồi chưng cất thành rượu. Rượu sản xuất ra có mùi
thơm, vị đặc trưng, uống rất ngon, đậm và êm dịu. Chất lượng rượu thu được phụ
thuộc rất nhiều yếu tố như nguyên liệu là gì, men tốt hay xấu, nhiệt độ khi ủ và lên
men, cũng như tiến hành chưng cất lấy sản phẩm. Ảnh hưởng đến chất lượng của
rượu và cũng tạo ra điểm đặc trưng cho sản phẩm là nguyên liệu và đặc biệt là loại
men giống sử dụng để lên men với những công thức khác nhau theo từng vùng và
theo những bí quyết riêng của từng gia đình. Trong xã hội ngày nay, đời sống người
dân ngày càng được cải thiện, chất lượng cuộc sống được nâng cao, cùng với đô
thị nhu cầu về một sản phẩm đồ uống truyền thống có chất lượng cao được đặt ra,
do đó cần có sự đầu tư và nghiên cứu nghiêm túc về rượu cổ truyền. Nghề nấu rượu
thủ công vẫn tồn tại ở nhiều làng quê Việt Nam, nhiều sản phẩm rượu đã trở nên
quen thuộc với người dân như: rượu làng Vân, rượu nếp cẩm, rượu San Lùng, rượu
Bản Phố… Tuy nhiên vấn đề sản xuất rượu theo phương pháp thủ công còn nhiều
vấn đề cần quan tâm về năng suất cũng như sự ổn định về chất lượng sản phẩm.
Từ những vấn đề cấp thiết trên, đặc biệt là về vấn đề nâng cao chất lượng rượu
trong công đoạn chưng cất, tôi mạnh dạn chọn đề tài: “Khảo sát các yếu tố ảnh
hưởng đến quá trình lên men rượu gạo truyền thống và ứng dụng phương
pháp đo độ cồn bằng cảm biến MQ - 3”.

1


1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Thực trạng trong sản xuất và sử dụng rượu truyền thống ở địa bàn thành phố Long
Xuyên nói riêng và các khu vực tỉnh thành khác trên của nước nói chung chủ yếu
hình thành ở phạm vi nhỏ do thói quen của đại bộ phận người dân do đó chất lượng
của rượu không phải là vấn đề được người dân quan tâm cao, thêm vào đó là việc
sản xuất rượu ở các cơ sở qui mô nhỏ dẫn đến thiếu kiến thức chuyên môn, không
đầu tư nhiều vào qui trình sản xuất, pha trộn bánh men và nước chưa hợp lí ảnh
hưởng lớn đến chất lượng và hiệu suất thu hồi của rượu.
Đề tài được thực hiện nhằm tìm ra các yếu tố ảnh hưởng đến năng suất và chất
lượng rượu gạo truyền thống góp phần hoàn thiện quy trình, ứng dụng thành tựu
khoa học vào sản xuất rượu gạo truyền thống.
1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Để đạt được mục tiêu nghiên cứu trên thì nội dung nghiên cứu gồm:
- Khảo sát hàm lượng men phối trộn tối ưu đối với một số loại men thường được
người dân và các hộ sản xuất rượu truyền thống thường sử dụng nhằm nâng cao
sản lượng và chất lượng rượu thành phẩm.
- Khảo sát số lần bổ sung và hàm lượng nước bổ sung vào hỗn hợp lên men tối ưu
nhằm nâng cao sản lượng và chất lượng rượu thành phẩm .
- Chế tạo thiết bị cảm biến có khả năng xác định độ cồn trong hỗn hợp dung dịch
chứa nhiều thành phần mà điển hình là hỗn hợp dung dịch trong quá trình lên men
từ cảm biến nồng độ cồn MQ – 3 và vi điều khiển Arduino Nano CH340.
1.4 NHỮNG ĐÓNG GÓP CỦA ĐỀ TÀI
Sự thành công của đề tài sẽ góp phần hoàn thiện khả năng sản xuất rượu gạo truyền
thống đối với quy mô hộ gia đình và các cơ sở sản xuất rượu, góp phần nâng cao
năng suất, sản lượng và chất lượng sản phẩm rượu gạo truyền thống đến tay người
tiêu dùng. Mặt khác, đề tài củng góp phần thúc đẩy sự tự học hỏi, tự khám phá,
giúp sinh viên Trường Đại học An Giang nói riêng và toàn thể sinh viên đang theo

học tại các Trường Đại học, Cao đẳng nói chung đặc biệt là về lĩnh vực ứng dụng
khoa học công nghệ trong học tập, nghiên cứu và sản xuất.

2


CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
2.1 TỔNG QUAN VỀ RƯỢU VÀ RƯỢU GẠO CỔ TRUYỀN VIỆT NAM
2.1.2 Rượu ethanol và ứng dụng
Rượu ethanol (etylic) là một chất lỏng không màu, trong suốt, có vị nóng gắt và
mùi đặc trưng. Công thức phân tử là C2H5OH, tỉ trọng d20 = 0.7894, nhiệt độ sôi ở
760mmHg là 78℃, bốc cháy ở 12℃, hòa tan trong nước theo bất kỳ tỉ lệ nào. Từ
xa xưa, loài người đã biết sản xuất ra rượu ethanol làm đồ uống và cho đến ngày
nay, nghề làm rượu - cồn vẫn đang phát triển mạnh (Lương Đức Phẩm, 2005).
Rượu ethanol ngoài công dụng làm đồ uống, còn được sử dụng cho nhiều mục đích
khác nhau: để pha chế thức uống, làm dung môi cho công nghiệp sản xuất nước
hoa; trong dược để trích ly các hoạt chất sinh học; nguyên liệu cho các ngành công
nghiệp khác như trong công nghiệp sản xuất acid acetic, andehyde acetic, etyl
acetate và các este có mùi thơm khác; trong sản xuất giấm ăn; trong công nghiệp
sản xuất cao su tổng hợp; làm nhiên liệu (chất đốt). Tùy tình hình phát triển ở mỗi
nước, tỷ lệ cồn dùng trong các ngành rất khác nhau. Tuy nhiên, cồn đưa vào sản
xuất đồ uống hầu như luôn chiếm tỷ lệ lớn nhất 40 - 60% lượng cồn sản xuất được,
cồn được dùng để tăng thêm nồng độ cồn của rượu vang, dùng pha chế các loại
rượu mạnh, rượu uống cao độ như Whisky, Martin, Brandy, Napoleón, Rhum; cồn
còn là nguyên liệu trong sản xuất các thức uống pha chế có cồn như rượu Vodka,
rượu mùi … Ở một số nước châu Á như Việt Nam và Trung Quốc, có dòng rượu
ngâm thuốc được xem là có tác dụng tốt đôi với cơ thể: tăng sự sảng khoái, ăn và
ngủ tốt hơn, tăng sức khỏe (Nguyễn Đình Thưởng, 2002).
2.1.2 Phân loại rượu

Trước đây, rượu là tên gọi chung chỉ những hợp chất hữu cơ có nhóm chức
hydroxide (-OH) đính trực tiếp vào gốc ankyl. Tuy nhiên, ngày nay rượu thường
dùng để chỉ những thức uống có chứa cồn ethanol. Rượu ethanol dùng trong sản
xuất các loại thức uống phải là cồn sản xuất bằng phương pháp lên men. Hay nói
cách khác, tất cả những ngành công nghiệp sản xuất thức uống có cồn đều dựa trên
quá trình sản xuất ethanol bằng con đường lên men - sử dụng các giông nấm men
để lên men dịch chiết trái cây, rau củ hoặc lên men ngũ cốc để chuyển hóa đường
thành rượu. Có nhiều khóa phân loại rượu khác nhau; nhưng thường phân loại theo
nồng độ ethanol thành 3 loại chính: rượu uống cao độ (rượu mạnh) có nồng độ cồn
3


trên 30% V, rượu thường có nồng độ cồn từ 15-30% V và rượu uống thấp độ (rượu
nhẹ) có nồng độ dưới 15% V (Nguyễn Đình Thưởng, 2002). Ngoài ra có thể phân
loại theo sự khác nhau trong qui trình sản xuất - rượu uống qua chưng cất và không
qua chưng cất … rượu có qua lên men và rượu không qua lên men (rượu pha chế
như rượu Vodka, rượu mùi); theo nguồn nguyên liệu - từ trái cây, ngũ cốc, rỉ đường
(Lương Đức Phẩm, 2005).
2.1.3 Rượu gạo truyền thống Việt Nam
Phương pháp chung để sản xuất rượu gạo là: sử dụng những canh trường vi sinh
vật dạng bột trộn với gạo đã đồ chín, để lên men tạo đường (saccharifying proccess)
trong vại miệng rộng và sau đó chuyển sang vại miệng hẹp hơn để lên men tạo
ethanol (alcohol fermentation). Những canh trường vi sinh vật dạng bột sẽ khác
nhau tùy vùng (Việt Nam: bánh men, Thái Lan: loogpang, Indonesia và Malaysia:
ragi, Lào: bubod, Myanma: mochikouji, Trung Quốc: laochao v.v.), nhưng nhìn
chung phương pháp sản xuất cơ bản giông nhau: bột gạo trộn với các loại lá, rau
mùi, thảo dược, hoặc gừng và bánh men giống, định hình dạng viên, ủ, hong khô
và để dành dùng dần. (Nguyễn Đức Lượng, 2002).
Rượu cổ truyền Việt Nam rất đa dạng. Mỗi vùng, miền đều có những sản phẩm đặc
trưng riêng và đều rất nổi tiếng: rượu đế Làng Vân - Hà Bắc, rượu Bầu Đá - Bình

Định, rượu Gò Đen - Long An (các sản phẩm qua chưng cất); rượu cần Tây Bắc,
Tây Nguyên, rượu nếp than ở miền Nam (các sản phẩm không qua chưng cất) …
(Nguyễn Đức Lượng, 2002). Chế phẩm bánh men dùng sản xuất rượu cũng rất đa
dạng và độc đáo, phân thành hai loại chính men lá và men thuốc bắc. Tùy mỗi địa
phương có thể dùng những bài lá, bài thuốc bắc khác nhau. Mùi vị rượu thành phẩm
phụ thuộc rất nhiều vào các loại lá, các vị thuốc và số lượng dùng trong bánh men.
Men thuốc bắc có thể dùng bài 6 vị, 8 vị hay 10 vị. Men lá ở vùng Tây Nghệ An
dùng nhiều loại lá: lá mít, lá mía, lá nhân trần, lá quế... Trong khi men lá ở Tây
Nguyên dùng chỉ một, hai hoặc ba thứ lá: cây ‘đoòng’, cây ‘me-khà-zút’ (tên các
loại cây của người Tây Nguyên)..., dùng cả thân cây và lá cây. (Lương Đức Phẩm,
2005).

4


2.2. GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU TRONG SẢN XUẤT RƯỢU GẠO
TRUYỀN THỐNG
2.2.1. Gạo
Gạo là một sản phẩm lương thực. Hạt gạo màu trắng, nâu hoặc đỏ thẫm, chứa nhiều
dinh dưỡng. Hạt gạo chính là nhân của thóc sau khi tách bỏ vỏ cám và trấu. Thóc
có rất nhiều loại và giống khác nhau. Thóc được chia làm hai loại chính là tẻ và
nếp, trong mỗi loại có rất nhiều giống khác nhau, mỗi giống có đặc tính và kích
thước khác nhau. Nguyên liệu chính để nấu rượu rất đơn giản gồm các loại ngủ cốc
có hàm lượng tinh bột cao thông dụng như gạo tẻ, gạo nếp, gạo lứt, gạo nương lúa
mạch, ngô hạt, mầm thóc, sắn, hạt mít, hạt dẻ, hạt bo bo. Người dân ta thường sử
dụng nhất là gạo tẻ và gạo nếp để nấu rượu. Các loại gạo nếp như nếp cái bông
vàng, nếp bông chát, nếp ruồi, nếp mỡ, nếp mường và các loại gạo tẻ như gạo cúc,
gạo co, gạo trì, gạo ba trăng, gạo trăng biển, gạo nàng hương (Võ Tấn Tài, 2008).
Bảng 1. Thành phần của gạo trong 100g
Thành phần

Nước
Protein
Lipid tổng số
Tro
Carbonhydrate
Đường
Xơ
Khoáng
Vitamin

Khối lượng (g)
3,7
7,1
4,9
3,6
77,6
0,12
0,5
2,11
0,062

“ Nguồn: www.nal.usda.gov/fnic/foodcomp ”
2.2.2 Bánh men
Trong phương pháp sản xuất rượu truyền thống được dân ta sử dụng cho đến nay
là dùng bánh men rượu truyền thống. Bánh men là môi trường để chứa và duy trì
giống vi sinh vật gồm: nấm mốc, nấm men và vi khuẩn. Có hai loại bánh men: bánh
men ngọt dùng để làm rượu nếp (thường ăn trong ngày Diệt Sâu Bọ), bánh men
đắng dùng để nấu rượu trắng. Bánh men trắng có 3 loại: loại có thuốc Bắc (gọi là
men Bắc); loại có Lá thuốc (gọi là men Lá); và loại không có thuốc Bắc hoặc lá
thuốc (gọi là men thường). Thành phần chính của bánh men thường là bột gạo và

men giống (vi sinh vật). Ở men thường, người ta bổ sung một ít kháng sinh để ức
chế sự phát triển của một số vi sinh vật. Men Bắc, người ta không bổ sung kháng
sinh mà dùng một số loại thuốc Bắc (có khả năng sát trùng và tạo hương vị). Tương
5


tự như men bắc, ở men lá, người ta dùng một số loại lá thuốc thay cho thuốc bắc
(có tác dụng tương tự). Tuy nhiên, ở mỗi địa phương, mỗi nhà nấu rượu lại có bí
quyết tạo bánh men riêng. Người ta có thể thay đổi thành phần thuốc bắc hay lá
thuốc trong men. Nên chất lượng rượu nấu không đồng đều.
Hệ vi sinh vật trong bánh men gồm:
– Nấm men Saccharomyces Serevisiae.
– Giả nấm men Endomicopsis (vừa có khả năng đường hóa, và có khả năng rượu
hóa).
– Các loại Nấm mốc có khả năng đường hóa.
– Các vi khuẩn (chủ yếu là Lactic và Acetic) (Võ Tấn Tài, 2008).
2.2.2.1 Nấm men

Trong mỗi gam bánh men có vài chục triệu đến vài trăm triệu tế bào nấm men.
Chúng gồm hai chi khác nhau là Endomycopsis (chủ yếu là Endo fibuligenes) và
Saccharomyces (chủ yếu là S. serevisiae) Endo fibuligenes là loại nấm men rất giàu
enzyme amylase, glucoamylase. Do đó chúng vừa có khả năng đường hóa vừa có
khả năng rượu hóa. Saccharomyces serevisiae có khả năng lên men nhiều loại
đường khác nhau như glucose, sacarose, maltose, fructose, rafinose, galactose.
Chúng có khả năng lên men ở nhiệt độ cao (36 − 40℃), chúng có khả năng chịu
được độ acid. Đặc biệt chúng có khả năng chịu được thuốc sát trùng Na2 SiF6 với
nồng độ 0,02 − 0,0025%. Đặc điểm này rất thuận lợi cho lên men khi cần sử dụng
thuốc sát trùng. Đặc điểm quan trọng hơn hết chính là chúng có khả năng lên men
nhiều loại nguyên liệu khác nhau như gạo, ngô, khoai, sắn, với lượng đường trong
dung dịch từ 12 − 14% có khi 16 − 18% . Nồng độ cồn trong dung dịch lên men

từ 10 − 12%. Nhiệt độ lên men thích hợp khoảng 28 − 32℃ (Võ Tấn Tài, 2008).
Ngoài hai chi nấm men cơ bản trên, trong bánh men còn thấy nhiều loại nấm men
dại khác, chúng vừa có khả năng thủy phân tinh bột vừa có khả năng chuyển đường
thành rượu, tuy sự chuyển hóa này thấp. Điều đặc biệt là các loại nấm men dại này
chịu nhiệt rất cao, có khi lên đến 60 − 65℃ và chịu được chất sát trùng nồng độ
0,05 − 1%. Vai trò của nấm men là chuyển hóa đường thành rượu, trong suốt quá
trình lên men ngoài rượu ra còn có CO2 và các sản phẩm phụ sinh ra fusel, aldehyde,
este.

6


2.2.2.2 Nấm mốc

Trong các loại bánh men có nhiều loại nấm mốc phát triển như Aspergillus,
Penicillium, Mucor, Rhizopus phát triển nhiều hơn cả. Loài Mucor, đặc biệt là
Mucor rouxii có nhiều đặc tính rất quý như khả năng chịu được nhiệt độ cao 32 −
35, chúng vừa có khả năng đường hóa vừa có khả năng rượu hóa. Vai trò của nấm
mốc là sinh ra hệ enzyme thủy phân, trong đó chủ yếu là enzyme amylase
glucoamylase thủy phân tinh bột thành đường lên men (Võ Tấn Tài, 2008).
2.2.2.3 Vi khuẩn

Trong bánh men có nhiều loại vi khuẩn phát triển. Trong đó chủ yếu là các loại vi
khuẩn lactic và acetic. Các loại vi khuẩn thường làm chua môi trường. Thời gian
đầu quá trình lên men, quá trình này xảy ra có lợi vì tạo pH môi trường thích hợp
cho nấm men và nấm mốc phát triển. Tuy nhiên để pH xuống quá thấp sẽ ảnh hưởng
xấu đến quá trình lên men. Mặc khác, nếu trong dịch lên men có mặt oxy thì vi
khuẩn acetic sẽ oxy hóa rượu thành acid acetic, quá trình này làm tổn hao lượng
cồn tạo thành (Võ Tấn Tài, 2008).
2.2.3 Nước

Trong quá trình nấu rượu thì nước được sử dụng trong các công đoạn xử lí nguyên
liệu, nấu nguyên liệu, pha loãng dung dịch. Do đó, để đảm bảo chất lượng rượu thì
chất lượng nước củng phải đảm bảo. Yêu cầu về chất lượng nước là độ cứng không
quá 7mg đương lượng/lít, phải trong suốt, không màu, không mùi. Hàm lượng muối
không được vượt quá giới hạn sau:
Bảng 2. Giới hạn hàm lượng các ion trong nước
Ion
Cl−
SO2−
4
As
Pb
NO−
3
F
Zn
Cu
Fe

Hàm lượng (mg/l)
0,50
80,00
0,05
0,10
40,00
3,00
3,00
5,00
0,30

“ Nguồn: Bùi Thị Huỳnh Hoa, 2001 ”
Nước phải không có hoặc rất ít các kim loại nặng như Hg 2+ , Ba2+. Khả năng oxy
hóa một lít nước không quá 2 ml KMnO4 (0,01N). Chất cặn không vượt quá
7


1000ml/l. Hàm lượng các chất hữu cơ không vượt quá 4mg/l. Vi sinh vật hầu như
không có. E. coli < 20 tế bào/ lít (Võ Tấn Tài, 2008).
2.3 CÁC QUÁ TRÌNH XẢY RA TRONG SẢN SUẤT RƯỢU GẠO
2.3.1 Những biến đổi lý hóa xảy ra trong khi nấu
Nấu nguyên liệu nhằm mục đích phá vỡ màng tế bào của tinh bột, tạo điều kiện
biến chúng thành trạng thái hòa tan trong dung dịch. Nhưng biến đổi trong quá
trình nấu nguyên liệu chủ yếu bao gồm các biến đổi là sự trương nỡ và hòa tan của
tinh bột, những biến đổi của hemicellulose, cellulose và pectin, những biến đổi của
đường (Võ Tấn Tài, 2008).
2.3.1.1 Sự trương nở và hòa tan của tinh bột

Sự trương nở của tinh bột là hiện tượng tinh bột hút nước trương lên tăng kích
thước và khối lượng hạt. Khi nấu tinh bột với nước ở nhiệt độ 40°C hạt bắt đầu
trương nở. Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ thì hạt tiếp tục trương nở và trương nở cho
đến khi tạo thành một thể đồng nhất gọi là sự trương nở vô hạn. Khi nhiệt độ tăng
đến giới hạn nhất định, thể tích của hạt tinh bột tăng từ 50 đến 100 lần. Lực liên
kết giữa các phân tử yếu dần đến mức tinh bột tan ra gọi là sự hồ hóa tinh bột. Ở
trạng thái này chỉ mới một phần nhỏ tinh bột bị phá vỡ. Điều này chứng tỏ rằng sự
cấu tạo bền vững của tinh bột là do sự kết hợp giữa các phân tử lớn của các chuỗi
tinh bột giữa các mạch chính và nhánh thành những mạng. Giữa các mạng là
amylose và amylopectin. Các mạch thẳng trong hạt tinh bột liên kết với nhau bằng
lực Vanderval và liên kết hydro. Ngoài các liên kết trên trong tinh bột còn có các
liên kết chắc chắn hơn (do sự xoắn mạch của các mạch amylose làm cho chúng
xiếc chặt lấy nhau) chính hiện tượng này làm cho quá trình hồ hóa muốn phá vỡ

chúng cần phải tiêu tốn một nhiệt lượng cần thiết. Để quá trình nấu được tốt, khi
nấu nguyên liệu hạt, người ta thường bổ sung một lượng nước cần thiết để đảm bảo
cho sự hòa tan tinh bột và đạt được nồng độ chất khô theo yêu cầu (Võ tấn Tài,
2008).
2.3.1.2 Những biến đổi của hemicellulose, cellulose và pectin

Trong quá trình nấu nguyên liệu, ở điều kiện môi trường acid yếu, cellulose không
bị thủy phân. Hemicellulose cấu tạo chủ yếu từ pentosan có bị thủy phân ít nhiều.
Sự thủy phân này bắt đầu từ khi chuẩn bị dịch bột do tác dụng của xitase chứa trong
nguyên liệu và được tiếp tục trong quá trình nấu do tác dụng của ion H + và nhiệt
độ cao. Kết quả là tạo ra một lượng nhỏ dextrin và các hợp chất có phân tử thấp,
kể cả đường 5 carbon – arabinose và xylose. Bị thủy phân nhiều hơn cả là các chất
8


pectin este của acid polygalacturonic tạo thành các sản phẩm là acid pectic và alcol
metylic.
Nước, nhiệt độ

Este của acid polygalacturonic →

Acid pectic + Alcol Metylic

Đây củng là nguyên nhân chủ yếu tạo thành alcol metylic trong sản xuất rượu từ
nguyên liệu tinh bột (Võ tấn Tài, 2008).
2.3.1.3 Những biến đổi của đường

Ở nhiệt độ cao, đường sẽ bị phân hủy và mất nước tạo thành caramen, furfurol,
oxymetyl furfurol và melanoidin. Mức độ tạo các chất được xếp theo thứ tự sau:
Tạo melanoidin > furfurol > caramen

Mức độ phân hủy của đường phụ thuộc vào nhiệt độ và pH. Sự tạo thành furfurol
và oxymetyl furfurol do đường mất nước. Quá trình xảy ra qua nhiều giai đoạn và
cuối cùng của mỗi phân tử đường đơn sẽ mất đi ba phân tử nước. Đối với đường
pentose, sản phẩm tạo thành là furfurol, đối với đường 6 carbon (hexose) là
oxymetyl furfurol. Sự tạo thành melanoidin là kết quả của phản ứng oxy hóa khữ
giữa đường và các acid amin cũng như các sản phẩm trung gian của quá trình thủy
phân protid (Võ tấn Tài, 2008).
2.3.2 Biến đổi trong quá trình đường hóa
Các nguyên liệu như sắn, khoai, ngô, gạo nếp nấm men không thể trực tiếp lên men
được, mà cần phải qua giai đoạn đường hóa. Trong quá trình đường hóa, hiện tượng
hồ hóa tinh bột có ảnh hưởng khá lớn đến tốc độ thủy phân tinh bột. Tinh bột đã
qua hồ hóa thủy phân dễ dàng hơn tinh bột chưa qua hồ hóa. Biến đổi chủ yếu trong
quá trình đường hóa là tinh bột chuyển thành đường dưới tác dụng của enzyme
amylase của nấm mốc. Ngoài ra trong quá trình đường hóa còn xảy ra những biến
đổi của các chất khác như pectin bị phân hủy dưới tác dụng của enzyme pectinase
tạo thành acid pectic và alcol metylic, một lượng nhỏ hemicellulose bị thủy phân
dưới tác dụng của enzyme hemicellulase trong nấm mốc tạo các dextrin và đường
pentose (Võ Tấn Tài, 2008).
2.3.3 Quá trình lên men rượu
2.3.3.1 Khái quát quá trình lên men
Lên men rượu là một quá trình trao đổi chất nhờ tác dụng của các enzyme tương
ứng gọi là các chất xúc tác sinh học (được sinh ra từ sự trao đổi chất để duy trì sự
sống của nấm men). Tùy theo sản phẩm tích tụ sau quá trình lên men người ta chia
9


thành nhiều kiểu lên men khác nhau, tuy nhiên có hai hình thức lên men chính: lên
men yếm khí và lên men hiếu khí.
- Lên men hiếu khí: là sự thuỷ phân đường với sự có mặt của O2 như các quá trình
lên acid acetic, acid citric v.v.

- Lên men yếm khí: là sự thuỷ phân đường không có sự hiện diện của O2 như quá
trình lên men lactic, lên men rượu,.
- Lên men rượu là quá trình lên men yếm khí với sự có mặt của nấm men, nấm men
chuyển hoá đường lên men thành rượu ethanol và CO2.
Trong quá trình lên men rượu chia thành hai thời kì chính:
- Thời kì phát triển sinh khối: giai đoạn này sự có mặt của O2 tế bào nấm men phát
triển sinh khối.
- Thời kì lên men chuyển hoá đường thành rượu và CO2: giai đoạn này nấm men
hấp thụ các chất dinh dưỡng và sử dụng các enzyme sẵn có để thực hiện xúc tác
sinh hóa trong quá trình trao đổi chất để duy trì sự sống tạo thành rượu và CO2 (Bùi
Thị Quỳnh Hoa, 2001).
2.3.3.2 Cơ chế của quá trình lên men
Để lên men người ta cho vào môi trường một lượng tế bào nấm men nhất định
thường phải đạt được hơn 100 triệu tế bào trong 1ml dịch lên men. Do diện tích bề
mặt tế bào nấm men rất lớn nên khả năng hấp thụ các chất dinh dưỡng rất mạnh.
Đường và các chất dinh dưỡng khác được hấp thụ trên bề mặt của nấm men sau đó
khuếch tán qua màng vào bên trong tế bào nấm men, rượu và CO 2 sẽ được tạo
thành. Rượu ethanol tạo thành khuếch tán ra môi trường bên ngoài qua màng tế bào
nấm men và hòa tan vô hạn trong nước. CO2 cũng hòa tan vào môi trường nhưng
sự hòa tan không lớn. Vì thế CO2 sinh ra trong quá trình lên men sẽ khuếch tán vào
môi trường và nhanh chóng đạt được trạng thái bão hòa. Khi bão hòa CO2 bám vào
xung quanh tế bào nấm men hình thành những bọt khí. Tế bào nấm men thường
dính liền với nhau, bọt khí sinh ra ngày càng nhiều và lớn dần lên hình thành túi
lớn, đến lúc nào đó có sự chênh lệch giữa khối lượng riêng của môi trường và tế
bào nấm men sẽ nổi lên trên bề mặt. Khi đến bề mặt, do có sự thay đổi đột ngột sức
căng bề mặt nên chúng bị vỡ ra làm cho khí CO2 bị phóng thích ra bên ngoài. Lúc
này do khối lượng riêng của nấm men đủ lớn trở lại nên chúng sẽ bị chìm xuống.
Quá trình này diễn ra liên tục nên tế bào nấm men vốn từ trạng thái tĩnh chuyển
sang trạng thái chuyển động, làm gia tăng khả năng tiếp xúc giữa tế bào nấm men
10

và môi trường. Điều này làm cho quá trình trao đổi chất diễn ra nhanh hơn, mạnh
mẽ hơn, khi đó sẽ làm tăng nhanh quá trình lên men (Bùi Thị Quỳnh Hoa, 2001).
2.3.3.3 Động học của quá trình lên men

Quá trình lên men chia làm ba thời kỳ chính:
- Thời kỳ đầu: khoảng 60 giờ kể từ khi cho nấm men tiếp xúc với dịch lên men. Sự
lên men xảy ra rất chậm, đường lên men không đáng kể.
- Thời kỳ thứ hai: đây là thời kỳ lên men chính. Chiếm khoảng 60 – 120 giờ sau
thời kỳ đầu. Sự phát triển của nấm men và sự lên men sau mỗi giờ tăng nhanh đáng
kể và đạt đến trị số cực đại.
- Thời kỳ cuối: đây là giai đoạn lên men phụ xảy ra rất chậm đồng thời là thời kỳ
ổn định tạo mùi cho sản phẩm. Tùy theo phương pháp lên men, loại sản phẩm mà
thời gian lên men phụ kéo dài khác nhau.
Thời kỳ lên men chính là thời biến đổi sâu sắc các thành phần trong dịch lên men,
chúng ảnh hưởng đến kết quả của quá trình lên men. Trong giai đoạn này, trong
điều kiện lên men bình thường sau mỗi giờ nồng độ đường trong dịch lên men sẽ
giảm đi khoảng 1 độ (Brix, balling, %) tùy loại sản phẩm, dây chuyền sản xuất. Sự
tồn tại của thời kỳ lên men cuối là đặc trưng đối với quá trình lên men dịch đường
hóa từ nguyên liệu chứa tinh bột. Trong dịch lên men nếu biểu thị hàm lượng đường
tồn tại trong dịch lên men là 100% thì 4 - 6% là dạng chất khô không tan, 75 - 77%
được chuyển thảnh maltose và 19% là dextrin. Trong giai đoạn lên men sự đường
hóa cũng xảy ra nhưng rất chậm và không hoàn toàn, đặc biệt khó khăn đối với tinh
bột không hòa tan. Do đó tốc độ lên men không phụ thuộc vào số lượng tế bào nấm
men mà chủ yếu phụ thuộc vào sự thủy phân hàm lượng dextrin không lên men còn
lại. Tuy vậy, chính những loại đường không lên men này sẽ tạo thành vị ngọt cho
sản phẩm. Như vậy chu kỳ lên men dịch đường hóa tinh bột phụ thuộc vào thời
gian lên men cuối hay phụ thuộc vào khả năng đường hóa của phức hệ enzyme
amilase. Rất nhiều thí nghiệm cho thấy càng kéo dài thời gian lên men cuối thì càng

gia tăng hiệu suất của quá trình lên men. Tuy vậy tùy theo sản phẩm của sự lên
men, nồng độ đường của dịch đường hóa, phương pháp lên men, nhà sản xuất sẽ
tạo ra một qui trình sản xuất riêng biệt với chất lượng và thành phần mong muốn
của họ (Bùi Thị Quỳnh Hoa, 2001).

11


2.3.3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quả trình lên men rượu
Mỗi hoạt động sống của vi sinh vật nói chung, của nấm men nói riêng liên hệ mật
thiết với ngoại cảnh. Có 3 mức độ ảnh hưởng khác nhau đến hoạt động sống của
nấm men.
- Điểm cực tiểu: là điều kiện tối thích để nấm men tồn tại, ở điều kiện này bắt đầu
xuất hiện các hoạt động sống.
- Điểm cực thích: là điều kiện tốt nhất cho hoạt động sống. Nấm men có cường độ
hoạt động sống mạnh nhất.
- Điểm cực đại: là điều kiện tối đa và là giới hạn trên tồn tại của hoạt động sống.
Quá giới hạn này, nấm men sẽ chết.
Vì vậy, Vấn đề quan trọng trong quá trình nuôi cấy nấm men là điều chỉnh điều
kiện ngoại cảnh sau cho đạt được giới hạn tối ưu (Bùi Thị Quỳnh Hoa, 2001).
* Nồng độ đường
Nấm men chỉ có khả năng lên men đường thành rượu trong khoảng nồng độ đường
thích hợp từ 10 - 18%, nồng độ đường quá cao sẽ ức chế nấm men và năng lực lên
men rượu giảm khi nồng độ đường 30 - 35%, nồng độ đường thấp quá cũng làm
giảm năng lực lên men. Khi nồng độ đường cao thì áp suất thẩm thấu sẽ lớn làm
ảnh hưởng xấu tới hiệu quả lên men, lên men kéo dài, đường sót lại sẽ cao. Còn khi
nồng độ đường thấp thì tổn thất do men tạo ra sẽ tăng, giảm năng suất thiết bị, tốn
nhiều hơi khi chưng cất và làm tăng tỉ lệ tổn thất rượu trong bã hèm và nước thải
(Bùi Thị Quỳnh Hoa, 2001).
* Nhiệt độ

Nhiệt độ là yêu cầu cần thiết ảnh hưởng lớn đến nấm men và sự lên men. Thông
thường nhiệt độ phù hợp cho lên men là 28 - 30o C. Nhiệt độ dưới 0 oC và hơn 50 oC
sự lên men hầu như đình chỉ (Bùi Thị Quỳnh Hoa, 2001).
* pH
Nấm men có thể phát triển trong môi trường có chỉ số pH = 2,0 - 8,0 nhưng thích
hợp nhất là 4,0 - 4,5. Vi khuẩn bắt đầu phát triển ở pH = 4,2 và cao hơn, khi pH <
4,2 chỉ có nấm men phát triển. Vì vậy, trong lên men rượu, để ngăn ngừa khả năng
nhiễm khuẩn người ta thực hiện trong giới hạn pH = 3,8 – 4,0. Tuy nhiên, trong
thực tế có những loài vi khuẩn do quen dần (thuần hóa) với độ pH thấp nên ngoài
việc ứng dụng điều chỉnh pH thích hợp còn phải kết hợp sử dụng các chất sát trùng.
12


Ớ pH = 3,8 nấm men phát triển mạnh thì hầu như vi khuẩn chưa phát triển. Để tạo
pH thích hợp trong môi trường nuôi cấy nấm men (kể cả lên men) người ta có thể
bố sung vào môi trường bất cứ loại acid nào, miễn là anion của acid không gây ảnh
hưởng mạnh đến trung tâm hoạt động của nấm men (Bùi Thị Quỳnh Hoa, 2001).
* Nồng độ cồn
Quá trình nuôi cấy nấm men chủ yếu là tạo điều kiện cho nấm men phát triển sinh
khối, đạt số lượng theo yêu cầu. Song nấm men cũng thực hiện một quá trình lên
men rượu đáng kể (còn phụ thuộc vào thông không khí). Thường trong dịch nấm
men có khoảng 4 - 6% rượu. Nồng độ cồn sinh ra có ảnh hưởng đến tốc độ và khả
năng phát hiển của nấm men. Nồng độ cồn ảnh hưởng đến tốc độ phát hiển riêng
của nấm men còn phụ thuộc vào thời gian, số lượng tế bào và nguyên liệu chuẩn bị
cho môi trường nuôi cấy. Cùng một môi trường nuôi cấy, số lượng nấm men cho
vào bằng nhau, điều kiện nuôi cấy giống nhau thì nồng độ cồn ban đầu 1% chưa có
ảnh hưởng đến tốc độ và khả năng phát hiển của nấm men, từ 4 - 6% đã có ảnh
hưởng xấu (Bùi Thị Quỳnh Hoa, 2001).
* Oxy
Nấm men là loại vi sinh vật kị khí không bắt buộc. Trong điều kiện không có oxy

nấm men sẽ lên men đường tạo thành rượu và CO2 Còn trong điều kiện đủ oxy nấm
men có khả năng oxy hóa đường thành CO2, nước và tăng sinh khối. “Hiệu ứng
Pasteur” kìm hãm sự lên men rượu bằng O2. Oxy là thành phần không thể thiếu
được ở giai đoạn phát hiển sinh khối, tuy nhiên nó lại là nguyên nhân gây hư hỏng
cho rượu, bia trong các giai đoạn chế biến còn lại. Với sự có mặt của oxy nấm men
sẽ lên men không hoàn toàn vì chúng sẽ phát hiển sinh khối. Trong giai đoạn bảo
quản thì chúng sẽ làm cho sản phẩm có nhiều aldehyde, sản phẩm rất dễ bị biến
màu do các phản ứng oxy hóa, phản ứng hóa nâu gây tối màu của sản phẩm, làm
chua sản phẩm do hình thảnh các acid hữu cơ (vi khuẩn lactic, acetic...) gây thối
cho sản phẩm rượu, bia theo thời gian bảo quản (do rượu, bia là môi trường rất giàu
chất dinh dưỡng thích hợp cho sự phát hiển của nhiều vi sinh vật gây thối). Một số
quá trình lên men trong giai đoạn đầu diễn ra quá chậm do không đủ lượng O 2 cho
sự phát hiển sinh khối, do vậy không đủ lượng tế bào nấm men lên men ảnh hưởng
đến chất lượng sản phẩm và dây chuyền sản xuất. Tuy nhiên, lại có một số chủng
nấm men phát hiển nhanh và tạo ra hàm lượng rượu nhiều hơn trong môi trường
không khí, chủng này thường nuôi cấy và phát triển trong môi trường ban đầu có
đầy đủ O2 (Bùi Thị Quỳnh Hoa, 2001).
13


2.2.3.5 Các quá trình sinh hóa trong lên men rượu

* Hoạt đông của vi sinh vật
Thực chất của quá trình này là quá trình sinh sản và sinh trưởng của vi sinh vật.
Quá trình này xảy ra rất nhanh ở giai đoạn đầu lên men khi cho bánh men thuốc
bắc vào nguyên liệu. Sự phát triển mạnh của các vi khuẩn giai đoạn này kéo theo
sự tạo thành một số acid hữu cơ. Kết quả là làm pH của môi trường giảm xuống
tạo điều kiện thuận lọi cho các loài nấm mốc phát triển. Song song đó là các loài
nấm men bắt đầu phát triển nhưng với tốc độ yếu hơn. Nấm mốc phát triển thuỷ
phân tinh bột thành đường, lúc này mới tạo điều kiện cho các loài nấm men phát

triển mạnh. Việc phân rõ ràng các giai đoạn phát triển của vi khuẩn, nấm men, nấm
mốc rất khó vì thực tế việc phát triển của các loài vi sinh vật trong khối lên men
diễn ra đồng thời. Chỉ có một điều khẳng định là sự phát triển không cùng một mức
độ. Sự phát triển của vi khuẩn, nấm mốc đòi hỏi phải có sự có mặt của oxy nhất
định trong môi trường, chính vì thế các loài vi sinh vật này phát triển mạnh ở giai
đoạn đầu. Nấm men cũng cần sự có mặt của oxy để tăng sinh khối, tuy nhiên mức
độ không cao như nấm mốc. Mặt khác nấm men phát triển cần đường, do đó cần
có thời gian để nấm mốc chuyển hóa đường từ tinh bột (Bùi Thị Quỳnh Hoa, 2001).
* Quá trình sinh hóa
Quá trình chuyển hóa đường và các thành phần khác thành các acid hữu cơ trong
đó có hai quá trình tạo acid hữu cơ cơ bản: quá trình tạo acid acetic và quá trình tạo
acid lactic. Quá trình tạo acid lactic mạnh hơn, cả hai quá trình này xảy ra với
cường độ không mạnh vì giai đoạn đầu lượng đường tạo thành trong khối lên men
chưa cao. Quá trình chuyển hóa tinh bột thành đường: do sự phát triển của nấm
men Endomycopsis, tinh bột được chuyển hóa thành đường. Các loài nấm mốc và
nấm men trong quá trình phát triển tạo ra rất nhiều enzyme amylase, glucoamylase.
Các enzyme này hoạt động rất thuận lợi trong giai đoạn đầu và được kéo dài trong
suốt thời gian tiếp theo. Bản chất của các enzyme này là enzyme cảm ứng, do đó
nguyên liệu chứa nhiều tinh bột kích thích mạnh mẽ quá trình sinh tổng hợp. Điểm
quan trọng thứ hai cần đề cập đến các enzyme này chịu sự điều khiển bởi sản phẩm
cuối cùng là glucose. Bình thường thì glucose sẽ ức chế phản ứng thủy phân tinh
bột, nhưng các loài nấm mốc Mucor rouxii, Rhizopus delermar, các loài nấm men
Endomycopsis vừa có khả năng sinh tống hợp amilase, glucoamilase, vừa có khả
năng chuyển đường thành rượu, mặt khác các loài nấm men Saccharomyces cũng
tích cực chuyển hóa đường glucose thành rượu. Kết quả là lượng glucose tạo thành
bao nhiêu ngay lập tức sẽ chuyển hóa thành rượu, một phần phục vụ cho sinh trưởng
14


của chính các loài vi sinh vật đó. Do đó trong khối lên men thường không xảy ra

cơ chế kiềm hãm ngược bởi glucose (Bùi Thị Quỳnh Hoa, 2001).
* Quá trình chuyển hóa đường thành rượu
Quá trình này được thực hiện bởi Saccharomyces sp, Mucor, Rhizopus,
Endomycopsis sp. Trong đó, các loài nấm men Saccharomyces đóng vài trò cơ bản.
Song song với quá trình này là các quá trình chuyển hóa đường, các acid hữu cơ
thành các sản phẩm phụ khác. Đặc biệt lưu ý là tất cả các quá trình chuyển hóa
được xảy ra xen kẽ nhau, hỗ trợ nhau và tạo nên một quá trình chung hài hòa để
cuối cùng tạo ra sản phẩm không chỉ có nước, rượu mà là một hỗn hợp sản phẩm
bao gồm nhiều thành phần khác nhau (Bùi Thị Quỳnh Hoa, 2001).
Glucose
↓ Hexokinase
Glucose - 6 - phosphate
↓ Phosphoglucose isomerase
Fructose - 6 - phosphate
↓ Phosphofructokinase
Fructose - 1,6 - diphosphate
↓ Aldolase
_______________
Triophosphat izomerase
Glyceraldehyd - 3 - phosphate

Dihydro aceton phosphate

↓ Glyceraldehyd phosphatdehydrogenase
Acid - 1,3 - diphosphoglyceric
↓ Phosphoglycerate kinase
Acid - 3 - phosphoglyceric
↓ Phosphoglycerate mutase
Acid - 2 – phosphoglyceric

Acid phosphoenolpyruvic
↓

15


↓ Pyruvat kinase
Acid - enol – pyruvic
↓
Acid pyruvic
↓ Pyruvate - decarboxylase
Ethanal
↓ Aldodehydrogenase
Ethanol

Hình 1. Sơ đồ chuyển hóa đường thành rượu
2.2.3.6 Quá trình chưng cất

Chưng cất là quá trình phân tách những thành phần riêng biệt trong một hỗn hợp
chất lỏng có nhiệt độ sôi khác nhau. Hơi của những chất lỏng đó ở nhiệt độ khác
nhau có áp suất riêng phần khác nhau, hơi của chất lỏng nào có áp suất riêng phần
lớn thì chất lỏng đó sôi ở nhiệt độ thấp hơn và dễ bốc hơi hơn; như ở áp suất thường,
nhiệt độ sôi của rượu ethanol nguyên chất là 78°C và của nước là 100°C, do đó
rượu dễ bốc hơi hơn nước. Dịch lên men rượu từ tinh bột sau khi kết thúc thường
có nồng độ cồn ethanol vào khoảng 8 - 10%, thường được gọi là giấm chín. Dịch
giấm chín bao gồm các chất dễ bay hơi như rượu ethanol, este, aldehyde, rượu bậc
cao. Ngoài ra trong dịch giấm chín còn có tinh bột, dextrin, protit, các acid hữu cơ,
chất khoáng, xác nấm men v.v. . Do đó, giấm chín là một hỗn hợp nhiều cấu tử.
Nhưng hiện nay, lý thuyết về chưng cất mới chỉ nghiên cứu hệ hai cấu tử, mặt khác,
thành phần chủ yếu trong giấm chín là nước và rượu ethanol. Vì vậy, ta xem giấm

chín như là một hỗn hợp hai cấu tử rượu và nước để nghiên cứu. Dịch giấm chín là
hỗn hợp cồn - nước. Khi chưng cất ở áp suất khí quyển (p = 760mmHg) hỗn hợp
này có điểm sôi là 78,15°C, khi sôi nồng độ của hỗn hợp là đẳng phí, có nghĩa là
thành phần trong pha lỏng và pha hơi bằng nhau. Giấm chín sau khi chưng cất ta
thu được cồn thô. Trong cồn thô có gần 50 các tạp chất khác nhau mà dựa theo tính
chất hóa học thường được chia làm bốn nhóm: aldehyde, este, rượu bậc cao và acid,
hoặc dựa vào tính chất lý học (đặc tính phân tách các tạp chất) mà chia làm ba
nhóm: tạp chất đầu, tạp chất cuối và tạp chất trung gian.
- Tạp chất đầu: là tạp chất dễ bay hơi hơn rượu ethanol. Nhiệt độ sôi của các tạp
chất đó thấp hơn nhiệt độ sôi của rượu ethanol. Các tạp chất đầu gồm có: aldehyde
acetic, acetat etyl, fomiat etyl, acetat metyl v.v. . Trong thực tế sản xuất, các tạp
16


chất này có tên gọi chung là este-aldehyde.
- Tạp chất cuối: có nhiệt độ sôi cao hơn của rượu ethanol và khó bay hơi. Các tạp
chất cuối gồm có rượu cao phân tử như: amylic, iso-amylic, iso-butylic, propylic,
isopropylic v.v. .Các tạp chất này ở dạng dầu không hòa tan trong nước, do đó mà
tạp chất cuối trong thực tế sản xuất còn gọi là dầu fusel.
- Tạp chất trung gian: là những chất phụ thuộc vào nồng độ cồn và tính chất vật lý
của các tạp chất đó mà có thể bay hơi cùng với tạp chất đầu hay ở lại tạp chất cuối,
khi nồng độ cồn thay đổi thì độ bốc hơi của tạp chất này cũng thay đổi, do đó chúng
có thể vừa là tạp chất đầu, vừa là tạp chất cuối. Các tạp chất trung gian khó tách ra
khỏi rượu. Các tạp chất trung gian gồm có isobutyrate etyl và isovalerianate etyl
(Võ Tấn Tài, 2008).
2.3.4 Sản phẩm phụ và sản phẩm trung gian trong lên men rượu
2.2.4.1 Sự tạo thành acid

Theo Võ Tấn Tài (2008), trong quá trình lên men rượu luôn tạo các acid hữu cơ
bao gồm: acid acetic, acid lactic, acid citric, acid pyruvic và acid succinic nhưng

nhiều hơn cả là acid acetic và acid latic.
- Acid acetic có thể được tạo thành từ phản ứng oxy hoá khử giữa hai aldehyde
acetic - 1 phân tử bị oxy hoá, phân tử thứ hai sẽ bị khử:
CH3 CHO + CH3 CHO + H2O → CH3 COOH + C2 H5OH
- Acid lactic được tạo bởi pyruvate dehydrogenase theo phản ứng:
CH3 CO-COOH + NAD.H2 → CH3 CHOHCOOH + NAD
Hoặc:
CH2 O(H2PO3)CHOHCHO + H2O → CH3CHOHCOOH + H3PO4
- Acid citric theo Laphon được tạo từ aldehyde acetic. Phản ứng được biểu diễn
tổng quát như sau:
9CH3CHO + 4H2O → (CH2 COOH)2C(OH)COOH + 6CH3CH2 OH
- Acid succinic được tạo thành có thể theo hai con đường: dehydro và trùng họp
hai phân tử acid acetic với một phân tử aldehyde acetic:
2CH3-COOH + CH3 CHO → COOHCH2 CH2 COOH + C2H5OH
Hoặc được tạo thành do deamin acid glutamic. Trường họp này aldehyde glyceric
17


tiếp nhận hydro và tạo ra cả glycerin. Phương trình tổng quát tạo acid succinic cùng
với glycerin từ acid glutamic được biểu diễn như sau:
C6HI206 + COOH-CH2-CH2-CHNH2COOH + 2H20 →
COOH-CH2CH2COOH + 2C3H8O3 + NH3 + CO2
2.2.4.2 Sự tạo thành rượu bậc cao

Một trong những sản phẩm phụ quan trọng được tạo thảnh trong quá trình lên men
rượu, là các rượu có số nguyên tử carbon lớn hơn hai. Các alcol này tuy ít nhưng
nếu lẫn vào ethanol sẽ gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm. Đó là các alcol
propylic, izobutylic, izoamylic, amylic .v.v...Hàm lượng của chúng chỉ khoảng 0,4
- 0,5% so với cồn ethanol nhưng gây cho sản phẩm có mùi khó chịu. Các alcol này
có tên chung là dầu fusel và vì có mùi hôi khó chịu nên còn gọi là dầu khét.

Nguyên nhân hình thảnh chủ yếu là nấm men sử dụng nitơ của acid amin (theo
thuyết Erlix):
R-CH(NH2)-COOH + H2O → RCH2OH

+ NH3 + CO2

Nguyên nhân thứ 2 nấm men trực tiếp đồng hóa acid amin nhờ sự có mặt của acid
pyruvic (thuyết Vexelop)
R-CO-COOH → RCHO +CO2
RCHO +RCHO → R- CH2OH + R- COOH
Hàm lượng này giảm trong quá trình lên men phụ do sự tạo thành các este tạo
hương cho rượu. Như vậy việc tạo thành alcol cao phân tử gắn liền với sự biến đổi
của acid amin xảy ra trong điều kiện yếm khí chỉ có thể đồng thời với lên men rượu
(Võ tấn Tài, 2008).
2.2.4.3 Sự tạo thành este

Theo Võ Tấn Tài (2008), song song với việc tạo ra acid và alcol, dưới tác dụng của
enzyme estease của nấm men, các acid và alcol sẽ tác dụng lẫn nhau để tạo ra những
este tương ứng. Có thể viết dưới dạng sau:
R1CH2OH + R2COOH → R2COO-CH2R1 + H2O
Sự tạo thành sẽ dễ hon khi các cấu tử tham gia phản ứng là các aldehyde:
R1CHO + R2CHO → R1COO-CH2R2

18


2.2.4.4 Sự tạo thành aldehyde

Theo Võ Tấn Tài (2008), aldehyde là sản phẩm bậc hai thường trực của quá trình
trao đổi chất ở nấm men và cũng có thể được tạo thành qua con đường oxy hóa các

loại rượu. Chủ yếu là hàm lượng acetaldehyde:
Decarboxyl hóa
Acid pyruvic

Acetaldehyde

2.4 SƠ LƯỢC VỀ THIẾT BỊ CẢM BIẾN ĐỘ CỒN SỬ DỤNG TRONG
THỰC NGHIỆM ĐỀ TÀI

Hình 2. Thiết bị cảm biến nồng độ cồn tự chế tạo
2.4.1 Cấu tạo của thiết bị
Thiết bị là gồm nhiều linh kiện mà chủ yếu là sự kết hợp giữa “cảm biến nồng độ
cồn MQ – 3” và vi điều khiển “Arduino Nano CH340”.
2.4.1.1 Cảm biến nồng độ cồn MQ – 3

Cảm biến MQ3 là cảm biến dùng loại vật liệu nhạy cảm với khí dễ cháy như cồn
hoặc xăng, loại vật liệu cảm biến sử dụng là thiếc dioxide (SnO2), là loại vật liệu
có độ dẫn điện thấp nếu không khí sạch, khi có khí dễ cháy tồn tại trong môi trường
19


cảm biến thì khi đó cảm biến sẽ xuất ra một tín hiệu analog với độ nhạy cao và thời
gian đáp ứng nhanh.

Hình 3. Cảm biến nồng độ cồn MQ - 3

Hình 4. Sơ đồ cấu tạo cảm biến nồng độ cồn MQ – 3

Trong mạch điện của cảm biến MQ3, có 2 đầu dây áp đầu ra của cảm biến,
RL là điện trở mạch ra được nối nối tiếp với cảm biến, trị số được cấp điện

áp: VH là điện áp cấp cho mạch sấy và Vc điện áp cấp cho cảm biến, VRL là
điện của RL có thể điều chỉnh được. Các điện áp VH và Vc thường được cấp
cùng trị số. Trong mạch đo, các điện áp này được cấp 5 Vol DC. Các tín hiệu
ra của cảm biến được gửi về bộ vi điều khiển để tính toán xử lý.

20


Hình 5. Sơ đồ hoạt động của cảm biến MQ - 3
Thông số kĩ thuật:
- Kích thước 32 x 22 x 27mm
- Chip chính: LM393, MQ – 3 cảm biến khí
- Điện áp cung cấp: DC 5V
- Có hai dạng tính hiệu đầu ra dạng Analog và TTl
- Tín hiệu đầu ra TTL có giá trị thấp
- Đầu ra tương tự 0 ~ 5V, nồng độ cồn càng cao điện áp càng cao
2.4.1.2 Vi điều khiển Arduino Nano CH340

Là phiên bản nhỏ gọn của Arduino Uno R3 sử dụng MCU Atmega328P – AU, sử
dụng chip nạp chương trình và giao tiếp UART CH340.

Hình 6. Arduino Nano CH340
21


Thông số kĩ thuật:
- Kích thước: 18,542 x 42,18mm
- IC chính: Atmega328P – AU
- IC nạp và giao tiếp UART: CH340
- Điện áp cấp: DC 5V công USB hoặc DC 6 – 9V chân RAW

- Mức điện áp giao tiếp GPIO: TTL DC 5V
- Dòng GPIO: 40mA
- Số chân Digital: 14 chân, trong đó có 6 chân PWM
- Số chân Analog: 8 chân
- Flash Memory: 32KB (2KB Bootloader)
- SRAM: 2KB
- EEPROM: 1KB
- Clock Speed: 16Mhz
- Tích hợp Led báo nguồn, Led chân D13, Led RX, TX
- Tích hợp IC chuyển điện áp 5V LM1117
2.4.2 Ngôn ngữ lập trình và phần mềm phụ trợ
Ngôn ngữ lập trình được sử dụng là ngôn C++ dành cho arduino
Phần mềm phụ trợ: Arduino IDE, mô phỏng mạch Proteus 8.0
2.4.3 Nguyên lí hoạt động toàn mạch
2.4.3.1 Sơ đồ khối

Khối nguồn

Khối điều khiến

Khối cảm biến

Khối hiển thị

Hình 7. Sơ đồ khối hoạt động của thiết bị
22


- Khối nguồn (nguồn 5V): có chức năng cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống.
- Khối cảm biến (cảm biến nồng độ cồn MQ – 3): có chức năng cảm biến luồng khí

để xác định có nồng độ cồn hay không, sau đó gửi tín hiệu tới khối điều khiển.
- Khối điều khiển (Arduino Nano CH340): có chức năng điều khiển khối hiển thị
khi nhận được tín hiệu từ cảm biến.
- Khối hiển thị (màn hình LCD 16 x 02): sẽ hiển thị nồng độ cồn đo được lên màn
hình phụ thuộc vào mức độ cồn đo được.
Đầu tiên khối nguồn cấp nguồn cho hệ thống gồm khối điều khiển, khối cảm biến
và khối hiển thị. Khối cảm biến thu tín hiệu từ môi trường truyền về khối điều khiển
dạng tín hiệu tương tự, sau khi đi qua bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số, ở
đầu ra tín hiệu ở dạng tín hiệu số, sau đó tín hiệu này được vi điều khiển tiếp nhận
và xử lý tính toán rồi đưa ra kết quả là nồng độ cồn có trong hỗn hợp khí và kết quả
này được đưa đến khối hiển thị khối này tiếp nhận và hiển thị thông tin về nồng độ
cồn.
2.4.3.2 Qui trình xử lý tín hiệu

Cảm biến nồng độ cồn MQ - 3 thể hiện được khả năng nhận diện được rượu etylic
trong môi trường nhờ vào thành phần SnO2 có bên trong cảm biến, vật liệu này có
tính dẫn điện kém trong môi trường không khí sạch nhưng lại rất nhạy cảm với hơi
cồn. Trong môi trường có nồng độ cồn càng cao, điện trở của cảm biến càng
giảm.ứng với mỗi lượng cồn khác nhau, cảm biến sẽ trả về một tín hiệu điện trở
khác nhau, trong mạch điện của cảm biến MQ3, có 2 đầu dây áp đầu ra của cảm
biến, RL là điện trở mạch ra được nối nối tiếp với cảm biến, trị số được cấp điện
áp: VH là điện áp cấp cho mạch sấy và Vc điện áp cấp cho cảm biến, VRL là điện
của RL có thể điều chỉnh được. Các điện áp VH và Vc thường được cấp cùng trị số.
Trong mạch đo, các điện áp này được cấp 5 Vol DC. Các tín hiệu ra của cảm biến
được gửi về bộ vi điều khiển để tính toán xử thông qua vi điều khiển Arduino Nano
CH340 tiếp nhận, ghi nhận, xử lý và xuất thông tin chuyển thể từ tín hiệu điện sang
ký hiệu có khả năng đọc hiểu hiển thị trên màn hình hiển thị LCD 16x2 thông qua
lập trình bằng C++, áp dụng các phương trình, hiệu chuẩn phương trình để thông
tin trả về LCD là thông tin có khả năng đọc hiểu, thể hiện được mục đích cuối cùng
của thiết bị cảm biến.

23


Một qui trình xử lý tín hiệu bao gồm các bước:
- Khởi động thiết bị: thiết bị được khởi động trong thời gian 120 giây – thời gian
làm nóng điện trở trong cảm biến để có thể thu nhận chính xác lượng cồn trong
không khí.
- Thu nhận, xử lý và xuất thông tin: sau khi nhận được tín hiệu trả về từ cảm biến,
vi điều khiển lập tức xử lý và xuất thông tin nhanh chóng.
2.4.3.3 Cấu tạo chi tiết của thiết bị cảm biến

Hình 8. Các bộ phận cấu tạo nên thiết bị
(1) - Arduino Nano CH340
(2) - Cảm biến MQ - 3
(3) - Màn hình LCD 16 x 02
(4) - Quạt DC 10 V
Ngoài hệ thống điều khiển, tiếp nhận, xử lý và xuất thông tin, cảm biến còn được
tốt ưu hóa khả năng hoạt động bằng cách bổ sung một chiếc quạt DC 12 V và hệ
thống đường ống dẫn khí vào và ra cảm biến tương đối kín với mục đích tối ưu khả
năng thu nhận và xã ra lượng khí di chuyển qua cảm biến, tránh hiện tượng lượng
khí cần đo qua cảm biến quá ít hoặc bị giữ lại bên trong cảm biến quá nhiều gây
nhiễu, sai lệch tín hiệu làm sai lệch kết quả đo.

24


Hình 9. Cấp nguồn bằng pin sạc dự phòng cho cảm biến
Cảm biến được thiết kế với chui cắm nguồn là chui USB 2.0 có khả năng kết nối
với máy tính nhằm dễ dàng trong việc điều chỉnh cảm biến nếu có sai sót, phần lập

trình vào cảm biến cho phép cảm biến xuất tín hiệu song song cả trên LCD và trên
máy tính thông qua phần mềm đơn giản Arduino IDE, giúp người dùng dễ dàng
ghi nhận kết quả. Ngoài ra, với chui USB 2.0 người dùng có thể sử dụng nguồn
đơn giản là bất kì loại Pin sạc dự phòng nào dành cho điện thoại – loại nguồn cực
ổn định cho hệ thống vi điều khiển về điện áp, đảm bảo tránh hiện tượng nhiễu tín
hiệu sai lệch kết quả.
2.4.3.4 Hướng dẫn sử dụng

Cảm biến sẽ được khởi động ngay khi kết nối với nguồn điện phù hợp, không cắm
trực tiếp chui nguồn vào nguồn điện trực tiếp tránh gây quá tải điện áp làm hỏng
thiết bị. Thiết bị có khả năng đọc nồng độ cồn trong môi trường khí cần đo nhờ vào
quạt hút vì vậy chỉ cần đặt phần đầu vào của cảm biến gần với khối khí, bề mặt
thoáng bất kì, tránh tiếp xúc trực tiếp với phần dung dịch hoặc nước thấm vào đầu
vào cảm biến. Đối với các mẫu đo cần độ chính xác, phương pháp chung là cho
40ml dung dịch cần đo vào cốc thủy tinh 100ml, sau đó đặt cảm biến lên miệng cốc
và ghi nhận kết quả. Cảm biến xuất ra kết quả đúng khi thu nhận đủ lượng hơi cồn
không đổi, số chỉ độ cồn đúng sẽ ổn định trong khoản thời gian nhất định – trung
bình khoảng 5 giây; ngoài ra, giữa các lần đo cần khoảng thời gian trung bình 15
giây để lượng khí tồn đọng trong cảm biến hoàn toàn bị đẩy ra ngoài, hạn chế làm
sai lệch kết quả ở các lần đo tiếp theo. Nhiệt độ đo chính xác đối với cảm biến là
25