Nghiên cứu một số giải pháp kỹ thuật hoàn thiện quá trình lên men bia nồng độ cao
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.59 MB, 165 trang )
Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
------------------------------
NGUYỄN THANH HẢI
NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP
KỸ THUẬT HỒN THIỆN Q TRÌNH
LÊN MEN BIA NỒNG ĐỘ CAO
Chun ngành : Công nghệ Thực phẩm và Đồ uống
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 08 năm 2008
CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
ỶZ
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS. TS. LÊ VĂN VIỆT MẪN
Cán bộ chấm nhận xét 1 : ................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2 : ................................................................................
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:
HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 30 tháng 8 năm 2008
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày 20 tháng 8 năm 2008
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: NGUYỄN THANH HẢI
Giới tính: Nữ
Ngày, tháng, năm sinh : 01/07/1983
Nơi sinh: Thành phố Hồ Chí Minh
Chun ngành: Cơng nghệ thực phẩm và đồ uống
Khoá (Năm trúng tuyển): K2006
1- TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu một số giải pháp kỹ thuật hoàn thiện quá trình lên men bia
nồng độ cao.
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN
-
Tổng quan tài liệu về kỹ thuật lên men bia nồng độ cao.
-
Nghiên cứu thực nghiệm:
9 Khảo sát ảnh hưởng của giải pháp tăng tỷ lệ giống cấy trong lên men bia nồng độ
cao: nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ dịch nha đến động học của quá trình lên
men khi sử dụng tỷ lệ giống cấy thông thường và nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ
giống cấy đến quá trình lên men bia nồng độ cao .
9 So sánh hiệu quả của giải pháp tăng tỷ lệ giống cấy và giải pháp chỉ sử dụng tỷ lệ
giống cấy thơng thường nhưng có bổ sung chất dinh dưỡng trong lên men bia nồng
độ cao.
9 Nghiên cứu sử dụng kết hợp giải pháp tăng tỷ lệ giống cấy và bổ sung chất dinh
dưỡng vào dịch nha trong lên men bia nồng độ cao
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 01/2008
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07/2008
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS. TS. LÊ VĂN VIỆT MẪN
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)
LỜ I C Ả M Ơ N
YÛZ
Em xin bày tỏ lòng tri ân sâu sắc đến Thầy – PGS. TS. Lê Văn Việt Mẫn đã
tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và động viên em trong suốt thời gian thực hiện luận văn
tốt nghiệp.
Em xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cơ Trường Đại học Bách khoa Tp. Hồ
Chí Minh và quý Thầy Cô Bộ môn Công nghệ thực phẩm đã dạy dỗ và tạo những
điều kiện thuận lợi nhất cho em suốt thời gian học tập tại trường và trong quá trình
làm luận văn tốt nghiệp.
Xin cảm ơn bố mẹ, gia đình và những người thân u nhất của tơi đã cho tôi
chỗ dựa vững chắc, xin cảm ơn các anh, chị và bạn bè đã luôn bên tôi chia sẻ những
khó khăn và giúp đỡ tơi hồn thành tốt luận văn tốt nghiệp này.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 20/8/2008
Sinh viên
Nguyễn Thanh Hải
i
T ÓM T Ắ T L U Ậ N V Ă N
YÛZ
Một trong những giải pháp triển vọng để nâng cao nồng độ chất khô ban đầu
của dịch nha mà không ảnh hưởng đến khả năng lên men của nấm men là tăng tỷ lệ
giống cấy. Nghiên cứu của chúng tôi tập trung vào khảo sát hiệu quả của giải pháp
kỹ thuật này. Kết quả nghiên cứu cho thấy, nếu sử dụng tỷ lệ giống cấy thông
thường (15 triệu tế bào/mL), nấm men bắt đầu bị ức chế sinh trưởng và khả năng
lên men ở nồng độ dịch nha 24oBx. Khi tăng tỷ lệ giống cấy lên 75 triệu tế bào/mL,
cũng ở nồng độ dịch nha 24oBx, tốc độ sử dụng đường khử, tốc độ sinh tổng hợp
cồn và hàm lượng cồn trong bia non tăng lần lượt 43%, 53% và 9,2% so với các
thông số tương ứng khi sử dụng tỷ lệ giống cấy thơng thường. Ngồi ra, khi sử dụng
giải pháp tăng tỷ lệ giống cấy, tốc độ sử dụng đường khử và tốc độ sinh tổng hợp
cồn của nấm men cũng cao hơn 13% và 20% trong khi hàm lượng diacetyl trong bia
non thấp hơn 1,5 lần so với giải pháp bổ sung chất dinh dưỡng (Tween 80 0,4% và
chất chiết nấm men 0,5%) vào dịch nha. Nếu kết hợp cả hai giải pháp này, tốc độ sử
dụng đường, tốc độ sinh tổng hợp cồn của nấm men và hàm lượng cồn trong bia
non khác nhau không có ý nghĩa so với giải pháp chỉ tăng tỷ lệ giống cấy. Tuy
nhiên, tỷ lệ tế bào sống sót kết thúc lên men có thể lên đến 96%.
ii
A BS TR A C T
YÛZ
One of the promising strategies to improve the original wort gravity in high
gravity brewing with no effect on yeast performance is to increase the pitching rate
in the reactor. In this study, fermentations with high and normal pitching rates were
carried out to investigate the impact of high pitching rates on the fermentation
performance and beer quality. The obtained results showed that when the normal
pitching rate (15×106 cell numbers/mL) was used, the inhibitory effect on the yeast
growth, the fermentation and ethanol production rates was observed at the original
wort concentration of 24oBx. With the higher pitching rate (75×106 cell
numbers/mL), the fermentation and ethanol production rates as well as the ethanol
concentration in the green beer increased 43%, 53% and 9,2%, respectively, as
compared to those of the normal pitching rate. The results also showed that the
fermentation and ethanol production rates with the high pitching rate (75×106 cell
numbers/mL) were 13% and 20% higher than those in nutritional supplementation
medium (Tween 80 0,4% (v/v) and yeast extract 0,5% (w/v)) with the normal
pitching rate whereas the concentration of diacetyl was 1,5 times lower than that in
nutritional supplementation medium. Moreover, when a combination of high
pitching rates and nutritional supplementation was employed, no significant
difference in the ethanol concentration, the fermentation and ethanol production
rates was found but yeast cell viability remained above 96%.
i
MỤ C LỤ C
LỜI CẢM ƠN
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
DANH MỤC MỘT SỐ CÔNG THỨC
Chương 1. GIỚI THIỆU
1
Chương 2. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT LÊN MEN BIA NỒNG ĐỘ CAO
2.1. Giới thiệu .............................................................................................................4
2.2. Công nghệ sản xuất bia nồng độ cao .................................................................6
2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men bia nồng độ cao ......................7
2.2.1. Giống nấm men .......................................................................................7
2.2.2. Môi trường lên men ................................................................................8
2.2.3. Điều kiện lên men .................................................................................20
2.2.4. Phương pháp lên men ............................................................................34
2.3. Ảnh hưởng của quá trình lên men bia nồng độ cao đến các chỉ tiêu
chất lượng sản phẩm..................................................................................36
2.3.1. Chỉ tiêu hóa lý....................................................................................36
2.3.2. Chỉ tiêu cảm quan .............................................................................41
Chương 3. NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1. Nguyên liệu nghiên cứu .............................................................................43
ii
3.1.1. Nguyên liệu sản xuất dịch nha...........................................................43
3.1.2. Nấm men ...........................................................................................43
3.2. Phương pháp nghiên cứu ..........................................................................43
3.2.1. Mục đích nghiên cứu ........................................................................43
3.2.2. Sơ đồ nghiên cứu ..............................................................................44
3.2.3. Các quy trình thực hiện trong nghiên cứu ........................................48
3.2.4. Các phương pháp phân tích ...............................................................50
3.2.5. Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm ............................................55
Chương 4. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
4.1. Xác định nồng độ dịch nha ức chế chủng nấm men sử dụng ở tỷ lệ
giống cấy thông thường (15 triệu tế bào/mL)..........................................56
4.1.1. Giới thiệu ...........................................................................................56
4.1.2. Kết quả và bàn luận ..........................................................................56
4.1.3. Kết luận .............................................................................................76
4.2. Xác định tỷ lệ giống cấy phù hợp để nâng cao hiệu quả lên men của
nấm men đối với nồng độ dịch nha 24oBx ...............................................78
4.2.1. Giới thiệu ...........................................................................................78
4.2.2. Kết quả và bàn luận ..........................................................................78
4.2.3. Kết luận .............................................................................................98
4.3. Khảo sát ảnh hưởng của giải pháp kết hợp mật độ giống cấy cao và
bổ sung chất dinh dưỡng đến động học của q trình lên men
chính dịch nha có nồng độ 24oBx..............................................................99
4.3.1. Giới thiệu ...........................................................................................99
4.3.2. Kết quả và bàn luận ........................................................................100
4.3.3. Kết luận ...........................................................................................113
iii
4.4. So sánh giải pháp tăng mật độ giống cấy và giải pháp bổ sung chất
dinh dưỡng vào dịch nha 24oBx (gồm 30% thế liệu high maltose
syrup) ........................................................................................................114
4.4.1. Giới thiệu .........................................................................................114
4.4.2. Kết quả và bàn luận ........................................................................114
4.4.3. Kết luận ...........................................................................................131
Chương 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
5.1. Kết luận............................................................................................................134
5.2. Kiến nghị..........................................................................................................135
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................136
i
D A N H MỤ C C Á C BẢ N G
Chương 2. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT LÊN MEN BIA NỒNG ĐỘ CAO
Bảng 2.1. Ảnh hưởng của nồng độ dịch nha (12 – 30% w/w) đến một số thông số của
q trình lên men chính. Nhiệt độ lên men 13oC...................................................................9
Bảng 2.2. Ảnh hưởng của việc bổ sung phức hợp peptide nấm men (YPC) đến sự tạo
thành sinh khối và một số thành phần của tế bào nấm men khi lên men dịch nha 19oP
(dịch nha được nâng cao nồng độ chất khô bằng cách bổ sung high syrup maltose vào
dịch nha 12oP). Quá trình lên men được thực hiện trong thiết bị lên men theo mơ hình
của Hiệp hội bia Châu Âu, nhiệt độ lên men 21oC . ............................................................17
Bảng 2.3. Thành phần acid béo của nấm men chìm Sacchromyces uvarum 3021 trước
và sau khi lên men dịch nha có nồng độ chất khô ban đầu 16oP và 25oP (bổ sung
syrup maltose). Nấm men được nuôi cấy lắc trong erlen chứa 100mL dịch nha ở 21oC
và tốc độ lắc 150 rpm...........................................................................................................19
Bảng 2.4. Ảnh hưởng của hàm lượng FAN ban đầu đến thành phần protein của tế bào
nấm men sau 120 giờ lên men. Dịch nha 16oP được nấu từ malt và thế liệu bắp, nguồn
nitơ bổ sung là chất chiết nấm men. Quá trình lên men được thực hiện ở 14oC, tỷ lệ
giống cấy 80 triệu tế bào/mL ...............................................................................................23
Bảng 2.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ giống cấy và nồng độ dịch nha ban đầu đến khả năng
sống sót của nấm men sau 0,5 giờ. Dịch nha 11,5oP được nấu từ malt và thế liệu bắp,
hiệu chỉnh nồng độ chất khô bằng dung dịch high syrup maltose. Quá trình lên men
được thực hiện ở 14oC. ........................................................................................................26
Bảng 2.6. Số tế bào sống sót khi kết thúc q trình lên men ở các tỷ lệ giống cấy ban
đầu khác nhau khi lên men dịch nha 16oP (dịch nha được nấu từ 100% malt). Quá
trình lên men được thực hiện trong Erlen 1000 chứa 800 mL mơi trường, nhiệt độ lên
men 10oC, q trình lên men kết thúc khi 80% lượng đường được sử dụng.......................27
ii
Bảng 2.7. Ảnh hưởng của tỷ lệ giống cấy đến hàm lượng rượu bậc cao, ester và hợp
chất carbonyl quá trình lên men dịch nha nồng độ 16oP. Quá trình lên men được thực
hiện trong Erlen 1000 chứa 800 mL mơi trường, nhiệt độ lên men 10oC, q trình lên
men kết thúc khi 80% lượng đường được sử dụng..............................................................28
Bảng 2.8. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên men đến số tế bào cực đại và số tế bào sau 120
giờ lên men dịch nha có nồng độ 27% (w/v) .......................................................................31
Bảng 2.9. Ảnh hưởng của thời điểm sục khí oxy đến nồng độ cồn và diacetyl của bia
bán thành phẩm khi lên men dịch nha có nồng độ 22oP của nấm men Saccharomyces
cerevisiae LCC 2021. Quá trình lên men được thực hiện trong bình 3L, nhiệt độ lên
men 14,5oC..........................................................................................................................33
Bảng 2.10. Kết quả phân tích bia thành phẩm chưa pha lỗng được lên men từ các
dịch nha có nồng độ chất khơ ban đầu khác nhau. Dịch nha 12oP được nấu từ 100%
malt. Các dịch nha có nồng độ cao hơn được điều chỉnh nhờ bổ sung high syrup
maltose. Quá trình lên men được thực hiện trên quy mô pilot (35 L dịch nha), nhiệt độ
14oC, tỷ lệ giống cấy 12,5 triệu tế bào/mL, nồng độ oxy ban đầu là 10 mg/L. Khi quá
trình lên men kết thúc, bia được bảo quản lạnh trong 2 tuần ở 1oC ....................................37
Bảng 2.11. Kết quả phân tích bia thành phẩm pha lỗng về độ cồn 5% (v/v) được lên
men từ các dịch nha có nồng độ chất khô ban đầu khác nhau. Các thông số công nghệ
tương tự Bảng 2.10 ..............................................................................................................38
Bảng 2.12. Kết quả phân tích bia thành phẩm pha loãng về độ cồn 5% (v/v) được lên
men từ các dịch nha có nồng độ ban đầu khác nhau và có bổ sung chất chiết nấm
men. Các thông số công nghệ tương tự Bảng 2.11 ..............................................................38
Bảng 2.13. Kết quả phân tích cảm quan bia thành phẩm đã pha loãng về độ cồn 5%
(v/v) được lên men từ các dịch nha có nồng độ chất khơ ban đầu khác nhau. Các
thông số tương tự Bảng 2.14................................................................................................42
Chương 4. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
Bảng 4.1. Thời gian lên men chính dịch nha có nồng độ ban đầu 16 – 28oBx. Quá
trình lên men được xem là kết thúc khi 85% lượng đường khử được sử dụng ...................63
iii
Bảng 4.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ giống cấy đến thời gian lên men chính dịch nha
24oBx. Q trình lên men được xem là kết thúc khi 85% lượng đường khử được sử
dụng .....................................................................................................................................82
Bảng 4.3. Thời gian lên men chính dịch nha của giải pháp bổ sung các chất dinh
dưỡng khác nhau (tỷ lệ giống cấy 15 triệu tế bào/mL) và giải pháp tăng tỷ lệ giống
cấy (75 triệu tế bào/mL, không bổ sung chất dinh dưỡng). YE: yeast extract ..................121
i
D A N H M Ụ C M Ộ T S Ố C ÔN G T HỨ C
1. Tốc độ sinh trưởng của nấm men (giá trị tức thời):
dX
dt
.
Trong đó:
9
X: sinh khối nấm men.
9
t: thời gian.
2. Tốc độ sinh tổng hợp ethanol (giá trị trung bình):
∆P
t
(g/L.h).
Trong đó:
DP = P2 – P1, (g/L) : số gam ethanol được tạo thành trong 1lít dịch lên
men. Trong đó: P1, P2: lượng ethanol trong dịch nha tại thời điểm ban
đầu của quá trình lên men và lượng ethanol trong dịch nha khi quá trình
lên men kết thúc (g/L).
9
t: thời gian lên men (h).
3. Tốc độ riêng sinh tổng hợp ethanol (giá trị trung bình):
∆P
∆t
x
1
∆X
(g/g.h).
Trong đó:
9
DP: số gam ethanol được tạo thành trong 1lít dịch lên men (g/L)
9
DX = X2 – X1, (g/L): lượng sinh khối nấm men được tạo thành trong
1lít dịch lên men:
-
-
9
X1: lượng sinh khối nấm men trong dịch nha tại thời điểm
ban đầu của quá trình lên men (g/L).
X2: lượng sinh khối nấm men trong dịch nha khi quá trình
lên men kết thúc (g/L).
t: thời gian lên men (h).
4. Hiệu suất sinh tổng hợp ethanol:
Trong đó:
∆P
∆S
(%).
ii
9
DP: số gam ethanol được tạo thành trong 1lít dịch lên men (g/L).
9
DS = S1 – S2: lượng đường đã được nấm men sử dụng trong 1lít dịch
lên men (g/L), trong đó:
-
-
S1: lượng đường trong dịch nha tại thời điểm ban đầu của
quá trình lên men (g/L).
S2: lượng đường trong dịch nha khi quá trình lên men kết
thúc (g/L).
5. Tốc độ sử dụng đường của nấm men (giá trị trung bình) hay cịn gọi là tốc độ lên men:
∆S
t
(g/L.h).
Trong đó:
9
DS: lượng đường đã được nấm men sử dụng trong 1lít dịch lên men
(g/L).
9
t: thời gian lên men (h).
6. Độ lên men: là tỷ số giữa hàm lượng chất hòa tan đã lên men và hàm lượng chất hòa
tan ban đầu của dịch đường, được tính ra %, theo cơng thức
V=
E-e
E
x 100% .
Trong đó:
9
V: độ lên men, %.
9
E: hàm lượng chất khô ban đầu (nồng độ đường ban đầu), %.
9
e: hàm lượng chất khơ cịn sót trong bia non (nồng độ đường sót), %.
i
D A N H M Ụ C C Á C HÌ N H V Ẽ
Chương 2. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT LÊN MEN BIA NỒNG ĐỘ CAO
Hình 2.1. Sự thay đổi hình thái của tế bào nấm men chìm khi tiếp xúc với dung dịch
sorbitol 20% trong 15 phút (A) Trước khi tiếp xúc (B) Sau khi tiếp xúc...........................11
Hình 2.2. Sự trương phồng của không bào nấm men trong môi trường dịch nha 20oP
(100% malt) .........................................................................................................................11
Chương 3. NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Hình 3.1. Sơ đồ nghiên cứu sử dụng trong luận văn...........................................................44
Hình 3.2. Sơ đồ quy trình sản xuất bia non sử dụng trong nghiên cứu...............................49
Hình 3.3. Giản đồ nấu sử dụng trong nghiên cứu ...............................................................50
Chương 4. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
Hình 4.1. Sự thay đổi tổng số tế bào nấm men trong q trình lên men chính dịch nha
có nồng độ chất khơ ban đầu trong khoảng16 – 28oBx, sử dụng tỷ lệ giống cấy 15
triệu tế bào/mL.....................................................................................................................57
Hình 4.2. Tỷ lệ số tế bào sống sót khi kết thúc lên men chính dịch nha có nồng độ
chất khô ban đầu trong khoảng 16 – 28oBx, sử dụng tỷ lệ giống cấy 15 triệu tế
bào/mL .................................................................................................................................59
Hình 4.3. Tốc độ sử dụng cơ chất (chất khơ) trung bình của nấm men khi lên men
chính dịch nha có nồng độ chất khô ban đầu trong khoảng 16 – 28oBx, sử dụng tỷ lệ
giống cấy 15 triệu tế bào/mL. ..............................................................................................60
Hình 4.4. Tốc độ sử dụng đường khử trung bình của nấm men khi lên men chính dịch
nha có nồng độ chất khô ban đầu trong khoảng 16 – 28oBx, sử dụng tỷ lệ giống cấy
15 triệu tế bào/mL................................................................................................................62
ii
Hình 4.5. Sự biến đổi của hàm lượng nitơ amin tự do trong q trình lên men chính
dịch nha có nồng độ chất khô ban đầu trong khoảng 16 – 28oBx, sử dụng tỷ lệ giống
cấy 15 triệu tế bào/mL. ........................................................................................................64
Hình 4.6. Hàm lượng nitơ amin tự do có trong bia non khi lên men chính dịch nha có
nồng độ chất khô ban đầu trong khoảng16 – 28oBx, sử dụng tỷ lệ giống cấy 15 triệu tế
bào/mL. Các mẫu bia non được pha lỗng để đạt độ cồn 5% (v/v).....................................65
Hình 4.7. Tốc độ sinh tổng hợp cồn khi lên men chính dịch nha có nồng độ chất khơ
ban đầu trong khoảng 16 – 24oBx, sử dụng tỷ lệ giống cấy 15 triệu tế bào/mL..................68
Hình 4.8. Hàm lượng cồn tạo thành khi lên men chính dịch nha có nồng độ chất khô
ban đầu trong khoảng 16 – 24oBx, sử dụng tỷ lệ giống cấy 15 triệu tế bào/mL..................69
Hình 4.9. Sự biến đổi của pH trong q trình lên men chính dịch nha có nồng độ chất
khơ ban đầu trong khoảng 16 – 28oBx, sử dụng tỷ lệ giống cấy 15 triệu tế bào/mL...........70
Hình 4.10. pH của bia non khi lên men dịch nha có nồng độ chất khơ ban đầu trong
khoảng 16 – 28oBx, sử dụng tỷ lệ giống cấy 15 triệu tế bào/mL.........................................71
Hình 4.11. Sự chuyển hóa của diacetyl trong quá trình lên men bia ..................................73
Hình 4.12. Sự biến đổi của hàm lượng diacetyl trong q trình lên men chính dịch
nha có nồng độ chất khơ ban đầu trong khoảng 16 – 28oBx, sử dụng tỷ lệ giống cấy
15 triệu tế bào/mL................................................................................................................74
Hình 4.13. Hàm lượng diacetyl trong bia non (đã được pha loãng để đạt độ cồn 5%
v/v) khi lên men chính dịch nha có nồng độ chất khơ ban đầu trong khoảng 16 –
28oBx. ..................................................................................................................................75
Hình 4.14. Sự thay đổi số lượng tế bào nấm men trong quá trình lên men chính dịch
nha 24oBx khi sử dụng các tỷ lệ giống cấy ban đầu khác nhau...........................................78
Hình 4.15. Sự sinh trưởng thực của nấm men (hiệu số giữa tổng số tế bào nấm men
cực đại đạt được và số tế bào nấm men có trong mơi trường ở thời điểm cấy giống,
triệu tế bào/mL) trong q trình lên men chính dịch nha 24oBx khi sử dụng các tỷ lệ
giống cấy ban đầu khác nhau...............................................................................................80
iii
Hình 4.16. Sự thay đổi hàm lượng chất khơ trong q trình lên men chính dịch nha
24oBx khi sử dụng các tỷ lệ giống cấy ban đầu khác nhau..................................................83
Hình 4.17. Sự thay đổi hàm lượng đường khử trong quá trình lên men chính dịch nha
24oBx khi sử dụng các tỷ lệ giống cấy ban đầu khác nhau..................................................84
Hình 4.18. Tốc độ sử dụng đường khử trung bình của quá trình lên men chính dịch
nha 24oBx khi sử dụng các tỷ lệ giống cấy ban đầu khác nhau...........................................85
Hình 4.19. Sự thay đổi hàm lượng nitơ amin tự do trong quá trình lên men chính dịch
nha 24oBx khi sử dụng các tỷ lệ giống cấy ban đầu khác nhau...........................................86
Hình 4.20. Hàm lượng FAN được nấm men sử dụng trong suốt quá trình lên men
chính và hàm lượng FAN sót trong bia non chưa pha loãng khi sử dụng các tỷ lệ
giống cấy khác nhau. ...........................................................................................................87
Hình 4.21. Hàm lượng cồn tạo thành trong quá trình lên men chính dịch nha 24oBx
khi sử dụng các tỷ lệ giống cấy ban đầu khác nhau.............................................................89
Hình 4.22. Tốc độ sinh tổng hợp cồn trung bình của quá trình lên men chính dịch nha
24oBx khi sử dụng các tỷ lệ giống cấy ban đầu khác nhau..................................................91
Hình 4.23. Sự thay đổi pH trong q trình lên men chính dịch nha 24oBx khi sử dụng
các tỷ lệ giống cấy ban đầu khác nhau.................................................................................93
Hình 4.24. Sự thay đổi hàm lượng diacetyl trong q trình lên men chính dịch nha
khi sử dụng các tỷ lệ giống cấy ban đầu khác nhau.............................................................95
Hình 4.25. Hàm lượng diacetyl trong bia non đã được pha loãng về độ cồn 5% (v/v)
của quá trình lên men khi sử dụng các tỷ lệ giống cấy ban đầu khác nhau. ........................97
Hình 4.26. Sự thay đổi số lượng tế bào nấm men trong q trình lên men chính dịch
nha 24oBx khi sử dụng tỷ lệ giống cấy 75 triệu tế bào/mL và môi trường được bổ
sung các nguồn dinh dưỡng khác nhau. YE: Chất chiết nấm men. ...................................101
Hình 4.27. Sự thay đổi số hàm lượng chất khơ trong q trình lên men chính dịch nha
24oBx khi sử dụng tỷ lệ giống cấy 75 triệu tế bào/mL và môi trường được bổ sung các
nguồn dinh dưỡng khác nhau. YE (Yeast extract): Chất chiết nấm men. .........................102
iv
Hình 4.28. Sự thay đổi hàm lượng đường khử trong q trình lên men chính dịch nha
24oBx khi sử dụng tỷ lệ giống cấy 75 triệu tế bào/mL và môi trường được bổ sung các
nguồn dinh dưỡng khác nhau. YE (Yeast extract): Chất chiết nấm men ..........................103
Hình 4.29. Sự thay đổi hàm lượng nitơ amin tự do trong quá trình lên men chính dịch
nha 24oBx khi sử dụng tỷ lệ giống cấy 75 triệu tế bào/mL và môi trường được bổ
sung các nguồn dinh dưỡng khác nhau. YE (Yeast extract): Chất chiết nấm men............105
Hình 4.30. Hàm lượng FAN được nấm men tiêu thụ và hàm lượng FAN sót trong bia
non (đã được pha loãng để đạt độ cồn 5% v/v) của q trình lên men chính dịch nha
24oBx khi sử dụng tỷ lệ giống cấy 75 triệu tế bào/mL và môi trường được bổ sung các
nguồn dinh dưỡng khác nhau. YE (Yeast extract): Chất chiết nấm men ..........................106
Hình 4.31. Sự thay đổi của hàm lượng cồn trong quá trình lên men chính dịch nha
24oBx khi sử dụng tỷ lệ giống cấy 75 triệu tế bào/mL và môi trường được bổ sung các
nguồn dinh dưỡng khác nhau YE (Yeast extract): Chất chiết nấm men ...........................109
Hình 4.32. Sự thay đổi pH trong q trình lên men chính dịch nha 24oBx khi sử dụng
tỷ lệ giống cấy 75 triệu tế bào/mL và môi trường được bổ sung các nguồn dinh dưỡng
khác nhau. YE (Yeast extract): Chất chiết nấm men .........................................................110
Hình 4.33. Sự thay đổi số của hàm lượng diacetyl trong quá trình lên men chính dịch
nha 24oBx khi sử dụng tỷ lệ giống cấy 75 triệu tế bào/mL và môi trường được bổ
sung các nguồn dinh dưỡng khác nhau. YE (Yeast extract): Chất chiết nấm men............111
Hình 4.34. Hàm lượng diacetyl trong bia non đã pha lỗng về độ cồn 5% (v/v) của
q trình men dịch nha 24oBx khi sử dụng tỷ lệ giống cấy 75 triệu tế bào/mL và môi
trường được bổ sung các nguồn dinh dưỡng khác nhau. YE (Yeast extract): Chất chiết
nấm men.............................................................................................................................113
Hình 4.35. Sự thay đổi số lượng tế bào nấm men trong q trình lên men chính dịch
nha 24oBx khi môi trường được bổ sung các chất dinh dưỡng khác nhau (sử dụng tỷ
lệ giống cấy 15 triệu tế bào/mL) hoặc tăng tỷ lệ giống cấy lên 75 triệu tế bào/mL
(không bổ sung chất dinh dưỡng). YE (Yeast extract): Chất chiết nấm men. ...................115
Hình 4.36. Tổng số tế bào nấm men sinh trưởng thực (được tính bằng hiệu của tổng
số tế bào cực đại và tổng số tế bào ban đầu) của các mẫu khảo sát trong quá trình lên
v
men chính dịch nha 24oBx khi mơi trường được bổ sung các chất dinh dưỡng khác
nhau (sử dụng tỷ lệ giống cấy 15 triệu tế bào/mL) hoặc tăng tỷ lệ giống cấy lên 75
triệu tế bào/mL (không bổ sung chất dinh dưỡng). YE (Yeast extract): Chất chiết nấm
men.....................................................................................................................................117
Hình 4.37. Sự thay đổi hàm lượng chất khơ trong q trình lên men chính dịch nha
24oBx khi mơi trường được bổ sung các chất dinh dưỡng khác nhau (sử dụng tỷ lệ
giống cấy 15 triệu tế bào/mL) hoặc tăng tỷ lệ giống cấy lên 75 triệu tế bào/mL (không
bổ sung chất dinh dưỡng). YE (Yeast extract): Chất chiết nấm men. ...............................118
Hình 4.38. Sự thay đổi hàm lượng đường khử trong quá trình lên men chính dịch nha
24oBx khi mơi trường được bổ sung các chất dinh dưỡng khác nhau (sử dụng tỷ lệ
giống cấy 15 triệu tế bào/mL) hoặc tăng tỷ lệ giống cấy lên 75 triệu tế bào/mL (không
bổ sung chất dinh dưỡng). YE (Yeast extract): Chất chiết nấm men ................................119
Hình 4.39. Tốc độ sử dụng đường khử của nấm men trong q trình lên men chính
dịch nha 24oBx khi mơi trường được bổ sung các chất dinh dưỡng khác nhau (sử
dụng tỷ lệ giống cấy 15 triệu tế bào/mL) hoặc tăng tỷ lệ giống cấy lên 75 triệu tế
bào/mL (không bổ sung chất dinh dưỡng). YE (Yeast extract): Chất chiết nấm men. .....120
Hình 4.40. Sự thay đổi hàm lượng nitơ amin tự do trong q trình lên men chính dịch
nha 24oBx khi môi trường được bổ sung các chất dinh dưỡng khác nhau (sử dụng tỷ
lệ giống cấy 15 triệu tế bào/mL) hoặc tăng tỷ lệ giống cấy lên 75 triệu tế bào/mL
(không bổ sung chất dinh dưỡng). YE (Yeast extract): Chất chiết nấm men. ...................123
Hình 4.41. Lượng nitơ amin tự do được nấm men sử dụng trong quá trình lên men
chính dịch nha 24oBx khi mơi trường được bổ sung các chất dinh dưỡng khác nhau
(sử dụng tỷ lệ giống cấy 15 triệu tế bào/mL) hoặc tăng tỷ lệ giống cấy lên 75 triệu tế
bào/mL (không bổ sung chất dinh dưỡng). YE (Yeast extract): Chất chiết nấm men. .....124
Hình 4.42. Sự thay đổi hàm lượng cồn trong quá trình lên men chính dịch nha 24oBx
khi mơi trường được bổ sung các chất dinh dưỡng khác nhau (sử dụng tỷ lệ giống cấy
15 triệu tế bào/mL) hoặc tăng tỷ lệ giống cấy lên 75 triệu tế bào/mL (không bổ sung
chất dinh dưỡng). YE (Yeast extract): Chất chiết nấm men..............................................126
Hình 4.43. Tốc độ sinh tổng hợp cồn trung bình của nấm men trong q trình lên
men chính dịch nha 24oBx khi môi trường được bổ sung các chất dinh dưỡng khác
vi
nhau (sử dụng tỷ lệ giống cấy 15 triệu tế bào/mL) hoặc tăng tỷ lệ giống cấy lên 75
triệu tế bào/mL (không bổ sung chất dinh dưỡng). YE (Yeast extract): Chất chiết nấm
men.....................................................................................................................................127
Hình 4.44. Sự thay đổi pH trong quá trình lên men chính dịch nha 24oBx khi mơi
trường được bổ sung các chất dinh dưỡng khác nhau (sử dụng tỷ lệ giống cấy 15 triệu
tế bào/mL) hoặc tăng tỷ lệ giống cấy lên 75 triệu tế bào/mL (không bổ sung chất dinh
dưỡng). YE (Yeast extract): Chất chiết nấm men..............................................................128
Hình 4.45. trong q trình lên men chính dịch nha 24oBx khi môi trường được bổ
sung các chất dinh dưỡng khác nhau (sử dụng tỷ lệ giống cấy 15 triệu tế bào/mL)
hoặc tăng tỷ lệ giống cấy lên 75 triệu tế bào/mL (không bổ sung chất dinh dưỡng).
YE (Yeast extract): Chất chiết nấm men. ..........................................................................129
Hình 4.46. Hàm lượng diacetyl trong bia non đã pha lỗng của q trình lên men
chính dịch nha 24oBx khi môi trường được bổ sung các chất dinh dưỡng khác nhau
(sử dụng tỷ lệ giống cấy 15 triệu tế bào/mL) hoặc tăng tỷ lệ giống cấy lên 75 triệu tế
bào/mL (không bổ sung chất dinh dưỡng). YE (Yeast extract): Chất chiết nấm men. .....131
1
Chương 1
GI Ớ I T HI Ệ U
YÛZ
Bia là sản phẩm của quá trình lên men ethanol (cồn) từ dịch nha và không
qua chưng cất. Dịch nha được nấu từ malt đại mạch, hoa houblon và nước (có thể
bổ sung các nguồn glucid khác). Bia được xem là một loại đồ uống giàu chất dinh
dưỡng và có tính chất cảm quan cao, rất được ưa chuộng ở Việt Nam cũng như khắp
nơi trên thế giới.
Cùng với sự tăng trưởng về kinh tế và đời sống xã hội, ngành công nghiệp
sản xuất bia nước ta có tốc độ tăng trưởng rất cao trong những năm gần đây. Trong
giai đoạn 1996-2007, sản lượng bia tiêu thụ ở nước ta gia tăng với tốc độ bình quân
12%/năm trong khi mức tiêu thụ bình quân của thế giới là 3% và của Châu Á là
4,6%. Năm 2007, quy mô thị trường bia Việt Nam đạt trên 1,8 tỷ lít, tăng 19,1% so
với năm 2006 (Tổng cục thống kê). Bên cạnh đó, tháng 5/2007, Bộ Công nghiệp đã
ra Quyết định quy hoạch lại ngành sản xuất Bia – Rượu – Nước giải khát, trong đó
phấn đấu đạt sản lượng bia dự kiến là 3,5 tỷ lít vào năm 2010. Đứng trước yêu cầu
trên, nhiều giải pháp công nghệ nhằm cải thiện cả về chất lượng và số lượng với
hiệu quả kinh tế cao rất đang được quan tâm nghiên cứu [10].
Một trong những giải pháp đã và đang được nghiên cứu ở nước ta hiện nay
là kỹ thuật lên men bia nồng độ cao (High gravity brewing). Bia truyền thống
thường được lên men từ dịch nha có nồng độ chất khơ 10– 12oP và sản phẩm cuối
có độ cồn là 4 – 5% (v/v). Lên men bia nồng độ cao là phương pháp lên men dịch
nha có nồng độ chất khơ cao hơn thơng thường (trung bình 16 – 18oP). Bia nồng độ
cao sau đó được pha loãng về độ cồn như bia truyền thống [19]. Kỹ thuật này lần
đầu tiên được giới thiệu ở Hoa Kỳ vào những năm 50 của thế kỷ 20 sau đó lan rộng
2
khắp thế giới [19]. Hiện nay, công nghệ này đã được ứng dụng rộng rãi ở các nước
Mỹ, Canada, Nam Mỹ, Nam Phi, Mehico…[10] Một số nhà máy bia Việt Nam cũng
áp dụng kỹ thuật này (Sài Gòn, Foster, Bia Việt Nam) nhưng nồng độ chất khô của
dịch nha ban đầu chưa vượt quá 17oP.
Các ưu điểm chính của kỹ thuật lên men bia nồng độ cao là nâng cao năng
suất, tiết kiệm chi phí, vốn đầu tư, tăng tỷ lệ thế liệu sử dụng nhờ đó giảm lượng
malt ngoại nhập và cải thiện một số tính chất của bia thành phẩm. Ngoài ra, điều
kiện thời tiết ở nước ta dẫn đến mức tiêu thụ bia ở nước ta giữa các mùa là không
cân đối. Thực tế đã cho thấy, nhiều nhà máy bia bị quá công suất trong mùa nắng,
trong lúc bia lại được tiêu thụ chậm vào mùa mưa. Việc nâng cao công suất tức thời
bằng phương pháp lên men bia nồng độ cao giúp các nhà máy có thể khắc phục
được nhược điểm này mà vẫn giữ được chất lượng bia [10]. Theo Hackstaff (1978),
mặc dù thời gian lên men có dài hơn nhưng khi nồng độ dịch nha tăng từ 12oP lên
15oP, chi phí năng lượng giảm 14% và năng suất tăng 25 – 30% [19, 56].
Bên cạnh những ưu điểm, kỹ thuật lên men bia nồng độ cao vẫn tồn tại một
số nhược điểm như: áp lực thẩm thấu, nồng độ ethanol cao và sự thiếu hụt chất dinh
dưỡng của dịch nha do tỷ lệ sử dụng thế liệu cao sẽ ảnh hưởng đến khả năng sinh
trưởng và lên men của nấm men. Để khắc phục các nhược điểm trên, các nghiên
cứu đã đưa ra một số giải pháp kỹ thuật như: bổ sung chất dinh dưỡng vào dịch nha,
tăng tỷ lệ giống cấy lên cao hơn, tăng nhiệt độ lên men hoặc sử dụng nấm men cố
định [26, 33, 60, 61, 67]. Trong đó, giải pháp tăng tỷ lệ giống cấy là một giải pháp
triển vọng vì những ưu điểm vượt trội như: có thể nâng cao nồng độ chất khô ban
đầu của dịch nha với chủng nấm men có sẵn, tốc độ lên men và tốc độ sinh tổng hợp
cồn của nấm men cao, thời gian lên men ngắn mà hương vị của bia thành phẩm
không bị ảnh hưởng đáng kể [60]. Nhiều cơng trình nghiên cứu đã tập trung vào
khảo sát giải pháp này như nghiên cứu của Casey và cộng sự (1983, 1984) [26, 27],
Edelen và cộng sự (1996) [36], Erten và cộng sự (2007) [37], O’connox và
Ingledew (1991) [60] và Verbelen và cộng sự (2008) [87].
3
Trong nghiên cứu này, chúng tôi tiến hành khảo sát ảnh hưởng của giải pháp
tăng tỷ lệ giống cấy đến quá trình lên men bia nồng độ cao sử dụng chủng nấm men
hiện có. Nội dung nghiên cứu của luận văn gồm những phần sau:
9 Xác định nồng độ dịch nha gây ức chế khả năng lên men của chủng nấm men
Saccharomycess ceresiviae khi lên men sử dụng tỷ lệ giống cấy (hay lượng
giống cấy) thông thường là 15 triệu tế bào/mL.
9 Áp dụng giải pháp tăng tỷ lệ giống cấy và xác định tỷ lệ giống cấy phù hợp
để nâng cao khả năng lên men của nấm men đối với nồng độ dịch nha đã lựa
chọn.
9 Khảo sát ảnh hưởng của giải pháp tăng tỷ lệ giống cấy đồng thời kết hợp với
giải pháp bổ sung chất dinh dưỡng vào dịch nha đến khả năng lên men của
nấm men.
9 So sánh hiệu quả lên men của giải pháp bổ sung chất dinh dưỡng vào dịch
nha khi sử dụng một tỷ lệ giống cấy thông thường và giải pháp tăng tỷ lệ
giống cấy (không bổ sung chất dinh dưỡng).
4
Chương 2
T Ổ N G QU A N V Ề KỸ T HU Ậ T
LÊN MEN BI A N Ồ N G Đ Ộ C A O
YÛZ
2.1. Giới thiệu
Lên men bia nồng độ cao là quá trình lên men dịch nha có nồng độ chất khơ
cao hơn mức thơng thường. Nồng độ dịch nha trung bình là 16 – 18oP (tỷ trọng
1,064 – 1,072) [32], cao hơn 1,6 – 1,8 lần so với dịch nha truyền thống (10 – 12oP,
tỷ trọng 1,040 – 1,048) [78]. Trong một số nghiên cứu, nồng độ dịch nha có thể
được nâng lên đến 24 – 28oP hoặc cao hơn nữa. Sau đó, bia nồng độ cao được pha
lỗng bằng nước vơ trùng đã khử oxy để đạt độ cồn như bia truyền thống (4 – 5%
v/v) [78] hoặc đạt độ cồn như giá trị mong muốn [32]. Trong quá trình sản xuất, bia
nồng độ cao có thể được pha lỗng với nước vơ trùng ở các giai đoạn khác nhau
[10]. Các nhà máy có thể tiến hành pha lỗng trong sau trình lọc bia [10] hoặc trước
khi đóng chai [19, 37].
Trong những năm gần đây, sản xuất bia có nồng độ chất khơ cao từ 13 –
18oP đã trở nên phổ biến vì mang lại nhiều hiệu quả kinh tế, nhất là các nhà máy đã
phát huy hết công suất dưới điều kiện sẵn có, hoặc là các nhà máy nằm trong khu
vực do đặc điểm thời tiết mà mức tiêu thụ bia giữa các là mùa không cân đối [10].
Một số ưu điểm của quá trình lên men bia nồng độ cao là:
-
Tăng sản lượng của nhà máy, giảm chi phí nhà xưởng, trang thiết bị, năng
lượng và chi phí nhân cơng trên một đơn vị bia thành phẩm cũng như
giảm nguồn vốn đầu tư ban đầu, do đó có thể giảm giá thành sản phẩm
[32, 78]. Theo Hackstaff (1978), mặc dù thời gian lên men có dài hơn
nhưng khi nồng độ dịch nha tăng từ 12oP lên 15oP, chi phí năng lượng
5
giảm 14% và năng suất tăng 25 – 30% [19, 56]. Đối với dịch nha 18oP,
theo Blieck và cộng sự (2007), khi sử dụng kỹ thuật này, năng suất sản
xuất có thể tăng 50% [17].
-
Sản xuất bia theo bằng kỹ thuật này có thể sử dụng nguyên liệu thay thế
với tỷ lệ cao, đặc biệt là sử dụng đường và syrup, nhờ vậy giảm được
lượng nguyên liệu nhập ngoại và tiết kiệm ngoại tệ nhập khẩu cho đất
nước [10]
-
Bia thành phẩm có độ bền keo cao [10, 19, 32].
-
Bán thành phẩm bia non có độ bền vi sinh tốt hơn do nồng độ ethanol cao
[10, 19, 32].
-
Bia nồng độ cao tạo ra tính linh động cho sản phẩm. Từ một loại “bia
mẹ” ban đầu có thể tạo ra nhiều loại bia khác nhau tùy thuộc vào mức độ
pha loãng [10].
-
Sản xuất bia nồng độ cao cịn có ý nghĩa về mặt kinh tế và bảo vệ môi
trường. Lượng phế thải cũng giảm nên chi phí cho q trình xử lý chất
thải cũng ít hơn [10].
Đối với một nhà máy bia mới lắp đặt, sản xuất bia theo phương pháp nồng
độ cao ngồi các lợi ích nêu trên cịn có những lợi ích sau [10]:
-
Dung lượng của tất cả những hệ thống phụ trợ (hơi nước, khí, hệ thống
lạnh) cũng nhỏ hơn so với nhu cầu của một nhà máy bia cùng công suất.
-
Tất cả các bơm, van và hệ thống ống có thể được chọn lựa cho phù hợp
với những lưu lượng nhỏ hơn so với lưu lượng thông thường cho một nhà
máy bia cùng cơng suất.
Tuy vậy, q trình lên men bia nồng độ cao cũng có những nhược điểm như:
-
Nấm men phải chịu các điều kiện khắc nghiệt của môi trường như: áp lực
thẩm thấu và nồng độ cồn tạo thành cao có thể làm giảm khả năng lên
