Khảo sát một số yếu tố kỹ thuật ảnh hưởng đến quá trình lên men bia đen
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.33 MB, 107 trang )
Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam
Độc lập- Tự do- Hạnh phúc
Tp.HCM, ngày 2 tháng 1 năm 2009
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên: NGUYỄN THỊ MINH PHƯƠNG
Giới tính: Nữ
Ngày, tháng, năm sinh: 01-01-1974
Nơi sinh: Quảng Nam
Chuyên ngành: Cơng nghệ Thực Phẩm và Đồ Uống
Khóa xét tuyển: K 2005
1- TÊN ĐỀ TÀI:
Khảo sát một số yếu tố kỹ thuật ảnh hưởng đến quá trình lên men bia đen.
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
- Tổng quan tài liệu về quá trình lên men bia đen.
- Khảo sát thực nghiệm: Các yếu tố kỹ thuật ảnh hưởng đến quá trình
lên men bia đen.
3- Ngày giao nhiệm vụ: 01/2008
4- Ngày hoàn thiện: 12/2008
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 nghành thông
qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ Tên và Chữ ký)
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ Tên và Chữ ký)
CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS. LÊ VĂN VIỆT MẪN
Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS. ĐỒNG THỊ THANH THU
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. HOÀNG KIM ANH
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 13 tháng 1 năm 2009
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Các loại malt đen được sử dụng trong sản xuất bia đen nhằm tạo màu sắc,
mùi, vị đặc trưng cho từng sản phẩm bia đen.Tuy nhiên sự thất thoát một số các
chất sinh trưởng cần thiết cho nấm men trong quá trình sấy các loại malt đen đã ảnh
hưởng đến sự phát triển tế bào nấm men và các sản phẩm trao đổi chất trong quá
trình lên men. Thực tế sản xuất bia đen công nghiệp tại nhà máy chúng tơi thì độ lên
men chỉ đạt 58%. Nghiên cứu này tập trung khảo sát một số yếu tố kỹ thuật để tìm
ra giải pháp cải thiện cho quá trình lên men bia đen. Kết quả thực nghiệm cho thấy,
chủng nấm men G3 có một số tính chất ưu việt hơn các chủng khác nên được lựa
chọn. Chúng tơi đề xuất:
* Hàm lượng oxy hịa tan ban đầu trong dịch nha là 10- 12mg/L
* Tăng tỷ lệ giống cấy ban đầu lên 50 triệu tế bào/mL
* Bổ sung thêm nguyên tố vi lượng Zn kết hợp với vitamin nhóm
B (dưới dạng chất chiết nấm men) theo tỷ lệ: 0.4mgZn/L và 0.1% chất chiết nấm
men vào dịch nha. Bằng giải pháp này, khả năng sống sót của nấm men vào cuối
q trình lên men đạt mức cao 97%.
Khi đó độ lên men đạt 70%, thời gian lên men chính được rút ngắn còn 140
giờ, tốc độ sinh tổng hợp cồn cao nhất 0.33 ÷ 0.34 (g/L.h), rượu bậc cao tạo ra trong
bia non đạt mức cho phép và hàm lượng diacetyl thấp.
.
Abstract
Be used dark malts for making dark beer styles, are import ingredients for
color, flavour, taste of several specific beer dark styles. However, lost of the yeast
nutrient factors during the thermal cured malts process, this undoubtedly affects on
growth yeast, fermentation and metabolism products of berewer,s yeast for beer
dark. In pratice, the trials of beer dark at our berewery showed fermentation
attenuation 58%. In this study, some factors impact wort dark fermentations ( such
as: areration, the high pitching rates and addition of Zinc, vitamin B group in wort)
on the fermentation performance and beer dark quality. The results showed that
with variation in properties of yeast strain G3 was chosen. We proposed:
* Dissolved oxygen in wort was 10ữ12mg/L
* Increased the pitching rate was 50 ì 106 cell numbers/mL.
* Added both of Zinc (ZnCl2) and vitamin B group (yeast
extract) in wort dark with concentration were 0.4mg Zinc/L and
0.1% yeast extract. This suppplemention, yeast cell viability
remained above 97%.
When the fermentation attenuation was 70%, the time to achieve this degree
of fermentatio attenuation was 140 hour, the highest ehanol production rates was
0.33÷ 0.34g/L.h, low level diacetyl and optimum higher alchohols ratio in green
beer.
Key words: yeast strain, areration, pitching rates, minerals, vitamin B group,
fermentation, attenuation, ethanol production rates, diacetyl.
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG
Họ và tên: NGUYỄN THỊ MINH PHƯƠNG
Ngày, tháng, năm sinh: 01-01-1974
Nơi sinh: Quảng Nam
Địa chỉ liên lạc: 87/1, phường Thới An, Q.12, Tp. Hồ Chí Minh
Q TRÌNH ĐÀO TẠO
Từ 1992- 1997: Sinh viên học tại Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng.
Từ 2006-2008: Học khóa cao học tại Trường Đại Học Bách Khoa Tp. Hồ Chí
Minh.
Q TRÌNH CÔNG TÁC
Từ 1997-2005: Làm việc tại Nhà Máy Bia Pacific, Bình Dương.
Từ 2005- 2008: Làm việc tại Nhà Máy Bia Bạch Đằng, Tp. Hồ Chí Minh.
-1-
Chương I
GIỚI THIỆU
Sản xuất bia được xem là ngành công nghiệp lâu đời, có lịch sử phát triển
hơn 5000 năm. Trong đó bia vàng chiếm một tỷ lệ lớn, cịn các loại bia có màu sẫm
như bia đen, bia nâu, bia đỏ …có sản lượng rất thấp và phổ biến ở một số nước như
Đức, Tiệp, Anh, Mỹ, Nga…
Ở Việt Nam, hiện nay việc sản xuất bia đen chỉ mới phát triển ở qui mô
nhỏ tại các nhà hàng ở Thành phố Hồ Chí Minh, Hà Nội và Nha Trang. Các loại bia
có màu sẫm, hiện nay chỉ phục vụ cho một số người thuộc tầng lớp trung lưu.
Để sản xuất bia đen, ngồi ngun liệu chính là malt vàng cần có sự phối
hợp các loại malt có màu sắc khác nhau để đa dạng hóa màu sắc và hương vị của
sản phẩm.
Để sản xuất được các loại malt có màu sắc và hương vị đa dạng người ta
phải sử dụng các chủng đại mạch có thành phần hóa học phù hợp. Có ba loại malt
màu sậm thơng dụng là malt đen, malt caramen, malt rang.
Các loại malt sẫm màu có được màu sắc và hương vị đa dạng do sự tạo
thành các hợp chất của phản ứng Maillard và caramen hóa trong q trình sản xuất
malt .
Tuy nhiên các hợp chất được tạo thành từ phản ứng Maillard và caramen
hoá cũng ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển của nấm men và các sản phẩm
trao đổi chất tạo ra trong bia. Hàm lượng đường khử và acid amin trong dịch nha
được nấu từ các loại malt sẫm màu sẽ thấp hơn dịch nha được nấu từ malt vàng.
Hiện nay Nhà Máy Bia Bạch Đằng đã bước đầu sản xuất thử nghiệm nấu bia
đen theo tỷ lệ phối trộn các loại malt malt vàng / malt đen / malt rang là 80 / 15 / 5
theo % khối lượng. Khó khăn chủ yếu là q trình lên men chính kéo dài và
độ lên men chỉ đạt 58%. Xuất phát từ tình hình thực tế trên, chúng tơi khảo sát
-2-
một số các yếu tố kỹ thuật ảnh hưởng đến quá trình lên men như sự phát
triển của nấm men, tốc độ lên men, động học hình thành các sản phẩm cồn, cồn
bậc cao, diacetyl, ester… Mục đích của nghiên cứu là tìm ra các giải pháp và thơng
số cơng nghệ phù hợp nhằm rút ngắn thời gian lên men, tăng độ lên men và cải
thiện chất lượng của bia đen thành phẩm.
-3-
Chương II
TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1. Nguyên liệu sản xuất bia đen
Bốn loại nguyên liệu cơ bản cần có trong sản xuất bia đen là: malt vàng ,
malt đen, hoa houblon, nước và nấm men. Chất lượng của nguyên liệu đóng vai trị
quyết định đến chất lượng sản phẩm bia.
Ngồi ra , người ta còn sử dụng các nguyên liệu khác để thay thế một phần
malt như gạo, bắp, lúa mì hoặc các loại đường glucose, maltose, saccharose…
2.1.1 Mục đích sản xuất
Mục đích q trình sản xuất malt đại mạch là tổng hợp và hoạt hóa các
enzyme, chủ yếu là nhóm enzyme thuỷ phân trong hạt. Ngồi ra, trong q trình
ươm mầm, một phần cơ chất của hạt sẽ bị phân giải, các chất phân tử lượng lớn như
tinh bột, protein được thủy phân một phần sẽ tạo điều kiện cho quá trình nấu dịch
nha tiếp theo được diễn ra nhanh và dễ dàng. Trong quá trình sấy malt, một số cấu
tử mới sẽ được hình thành trong malt đại mạch góp phần tạo cho bia thành phẩm có
màu sắc và hương vị đặc trưng.
2.1.2. Đánh giá chất lượng của malt
Chất lượng của malt thành phẩm được đánh giá theo các dấu hiệu bên
ngoài, các chỉ số cơ học, và thành phần hóa học của chúng.
2.1.2.1. Malt vàng Pilsen
Sản xuất bia đen, malt vàng vẫn chiếm tỷ lệ khá cao có thể 50- 80% trong
nguyên liệu malt được dùng để nấu dịch nha [33] . Trong sản xuất, ngoài yêu cầu về
chỉ tiêu cảm quan như: các hạt malt phải có màu vàng sáng, hình dáng và kích
thước tương ứng với hạt của đại mạch nguyên thủy, vị và hương của malt phải đặc
trưng cho từng loại khác nhau, malt vàng phải đạt các chỉ tiêu chất lượng theo bảng
2.1.
-4-
Bảng 2.1 - Các chỉ tiêu chất lượng của malt vàng Pilsen [1]
Thứ tự
Các chỉ số chất lượng
Giá trị
trung bình
1
Khối lượng hectolit, kg
55 – 58
2
Khối lượng 1000 hạt không lựa chọn, g
32 – 35
3
Hàm ẩm, %
3,8 – 5,0
4
Thời gian đường hóa, phút
10 – 15
5
Cường độ màu, ml 0,1 N I2/100ml dịch đường
6
Lượng chất chiết hòa tan, % theo chất khô
78 – 80,5
7
Hiệu số chiết (nghiền mịn – nghiền thô)
2 – 3,5
8
Hàm lượng đường maltose, % theo chất chiết
65 – 82
9
pH
4,5 – 6
10
Độ chua định phân, ml 0,1N NaOH/100g chất khô
14 – 17,5
11
Đạm tổng, % N
1,5 – 1,7
12
Đạm tổng, % theo chất khô (N x 6,25)
9,5 – 10,5
13
Đạm hòa tan của dịch ngâm, % theo chất khô
0,48 – 0,54
14
Đạm formol, %
0,19 – 0,21
15
Chỉ số Kolbach
36 – 41
16
Độ lên men biểu kiến cuối cùng, %
75 – 78
17
Hoạt lực amylase, oWK
2.1.2.2. Malt màu sậm
2.1.2.2.a. Malt ñen
0,16 – 0,25
220 – 280
-5-
Malt đen dùng trong sản xuất bia đen nhằm mục đích tạo hương, vị và màu.
Đại mạch chọn được chọn để sản xuất malt đen cần có hàm lượng protein cao. Đại
mạch cũng được ủ nảy mầm giống như kỹ thuật sản xuất malt vàng, nhiệt độ sấy
malt từ 100 ÷ 150oC, độ màu của malt đen thường cao 15 ÷ 25oEBC.
Bảng 2.2 – Các chỉ tiêu chất lượng malt đen [38]
Các chỉ tiêu
Hàm lượng
Hàm lượng chất khô
Nhỏ hơn 76%
Độ ẩm
3.8%
Độ màu
15- 25 oEBC
Hàm lượng protein tổng
11.5- 12%
Chỉ số Koback
39
pH
5.5- 5.6
Độ nhớt
1.76 cP
Hoạt lực amylase
145- 150 oWK
2.1.2.2.b. Malt caramen
Malt caramen được dùng trong sản xuất bia đen để tạo màu, vị, độ sánh cho
bia . Đại mạch được chọn lúc cịn xanh, có độ ẩm cao, có độ phân giải tốt, được ủ ở
nhiệt độ 45-50oC trong vòng 30-36 giờ để các protease thủy phân tạo ra các hợp
phần nitrogen có phân tử lượng thấp hơn. Sau đó đưa vào thiết bị sấy thùng quay,
rồi đưa nhiệt độ lên 60-70oC với thời gian 60-90 phút để enzyme đường hóa. Sau đó
đưa lên nhiệt độ 150 -1800C, thời gian 1,5-2 giờ và cũng có thể đưa lên nhiệt độ 180
– 210oC. Độ màu của malt caramen có thể dao động từ 40 ÷ 400oEBC, hàm lượng
chất khơ ≤ 73% và hoạt lực của enzyme là không đáng kể.
2.1.2.2.c. Malt rang
Malt này dùng với mục đích tạo màu cho sản phẩm bia đen. Đại mạch để sản
xuất malt rang thường có độ phân giải kém, không cần qua giai đoạn ủ mầm mà chỉ
cần sấy nhẹ ở nhiệt độ 70-80oC để giảm ẩm từ 10 -15%. Sau đó đưa vào thiết bị sấy
-6-
thùng quay, sấy ở nhiệt độ 180 -220oC trong thời gian lớn hơn 2 giờ. Độ màu của
malt 800 ÷ 1700oEBC.
2.1.3. Hoa houblon
Hoa houblon làm cho bia có vị đắng dịu, hương thơm rất đặc trưng, làm
tăng khả năng tạo và giữ bọt, làm tăng độ bền keo và ổn định thành phần sinh học
của sản phẩm.
Tùy theo chủng, giống, điều kiện khí hậu, đất đai gieo trồng và kỹ thuật
canh tác, thành phần hóa học của hoa houblon có sự khác nhau đáng kể và thường
dao động trong khoảng rộng như sau (tính theo % chất khơ của hoa khô):
Nước: 11 – 13%
Chất đắng: 15 – 21%
Polyphenol hoặc tannin: 2,5 – 6%
Protein: 15 – 21%
Cellulose: 12 – 14%
Chất khoáng: 5 – 8%
Tinh dầu thơm: 0,3 – 1%
Các hợp chất khác: 26 – 28%
Trong các cấu tử trên đây thì có giá trị nhất là chất đắng, tiếp đến là tinh
dầu thơm, và thứ ba là polyphenol.
2.1.4. Nước
Yêu cầu về kỹ thuật đối với nước trong công nghệ sản xuất bia
- Độ pH thích hợp nhất dùng trong sản xuất bia là khoảng 5,5 – 6,5.
- Nước dùng cho sản xuất bia phải là nước rất mềm hoặc mềm.
Theo Liên minh châu Âu (EU), chất lượng nước cho sản xuất bia tối thiểu
phải đạt như chất lượng nước cho sinh hoạt.
-7-
Bảng 2.3. Một số chỉ tiêu cơ bản của nước được sử dụng trong sản xuất bia [38]
Thông số
Đơn vị
Mức chỉ định
Tối đa cho phép
Màu
mg/l
1
20
Độ đục (SiO2)
mg/l
1
10
Muối chloride
mg/l
25
-
Muối sulphate
mg/l
25
250
Canxi
mg/l
100
-
Magie
mg/l
30
50
Natri
mg/l
20
150
Kali
mg/l
10
12
Nhôm
mg/l
0,05
0,2
Chất khô (*)
mg/l
-
1500
Muối nitrate
mg/l
25
50
Muối nitrite
mg/l
-
0,1
KMnO4
mg/l
2
5
Hydrocarbon
mg/l
-
10
Sắt
mg/l
50
200
Đồng
mg/l
100
-
Kẽm
mg/l
100
-
Muối phosphorus
mg/l
400
5000
Chloride dư
mg/l
0
0
Chất không hòa tan
mg/l
0
0
Bạc
mg/l
-
10
Thủy ngân
mg/l
-
1
Chì
mg/l
-
50
(*): chất khơ là các chất cặn cịn lại sau khi đã đun bốc hơi cạn hết nước và sấy khô ở 105oC.
-8-
Ngồi ra, nước dùng trong sản xuất bia cần có thêm các tiêu chuẩn vi sinh
sau:
- Tổng số tế bào vi khuẩn: khơng q 100 tế bào trong một lít nước
- Trực khuẩn E. coli: khơng có trong 100ml nước .
- Về cảm quan: nước phải trong, khơng có mùi và vị lạ.
2.1.5. Nấm men
Căn cứ vào tính chất thể hiện qua quá trình lên men, nấm men bia được
chia làm hai loại: nấm men nổi và nấm men chìm. Nấm men nổi và nấm men chìm
có những đặt điểm khác nhau như sau:
- Nấm men chìm có khả năng sử dụng hoàn toàn đường raffinose trong khi
nấm men nổi chỉ có khá năng sử dụng một phần ba trisaccharide.
- Trong quá trình lên men, tế bào nấm men nổi lơ lửng trong dịch lên men và
tập trung lên bề mặt dịch, không lắng xuống đáy thiết bị vào cuối q trình lên men
nên gây khó khăn cho q trình lọc bia. Tế bào nấm men chìm trong quá trình phát
triển kết dính vào nhau thành chùm rồi lắng xuống đáy tạo thành lớp chặt, thuận
tiện cho việc tách sinh khối nấm men và tái sử dụng cho các đợt sản xuất tiếp theo.
- Nhiệt độ lên men của nấm men chìm từ 6 – 120C và của nấm men nổi từ 14 250C.
Hiện nay, nhờ sự phát triển của kỹ thuật di truyền, chủng men chìm có thể lên
men được ở nhiệt độ 14oC hoặc cao hơn.
2.2. Quá trình lên men bia đen
2.2.1. Quá trình lên men: là hình thức trao đổi chất của tế bào nấm men với mơi
trường. Đó là q trình được đặc trưng bằng các phản ứng sinh hóa, nấm men sẹ
chuyển hóa các chất dinh dưỡng trong môi trường để tạo ra năng lượng và các sản
phẩm lên men. Các sản phẩm này có ảnh hưởng lớn đến hương vị và các tính chất
đặc trưng khác của bia. Sự biến đổi của dịch đường xảy ra là nhờ sự tham gia của số
lượng lớn các enzym trong tế bào nấm men.
Chuyển hóa đường thành ethanol và carbon dioxide
-9-
Đường được chuyển hóa thành ethanol và carbon dioxide theo phương trình
tổng quát của Gay-Lussac như sau:
C6H12O6
2C2H5OH + 2CO2
Quá trình chuyển hóa đường thành ethanol được thực hiện qua một chuỗi
phản ứng hết sức phức tạp, liên quan mật thiết đến q trình phosphoryl hóa các
hợp chất hữu cơ. Tồn bộ q trình chuyển hóa được khái qt thành dạng sơ đồ do
Meyerhof và các cộng sự của ông đưa ra .
- 10 HO-CH2
HO
OH
HO-H2C O CH2OH
HO
OH
O OH
OH
OH
Fructose
Glucose
ATP 1x
1. Hexokinase
ADP
P -O-CH2
HO
OH
O OH
ATP
ADP
P -O-H2C O CH OH
2
HO
OH
Phosphohexose
isomerase
OH
Hexokinase
OH
Glucose - 6 - phosphate
2.
Fructose - 6 - phosphate
1x ATP
ADP
3.
Phosphofructokinase
P -O-H2C O H C - O - P
2
HO
OH
P -O-H2C OH H2C - O - P
OH
O
HO
OH
OH
Fructose - 1,6 - diphosphate
4.
Aldolase
H2C - O - P
HO-C-H
Phosphotriose
Isomerase
C
H
H2CO - P
H2C - O - P
HO-C=O
NADH2
NAD
H2C - OH
H2COH
HCOH
HCOH
H2COH
H2COH
+
H3PO4
O
Dihydroxy-aceton
-Phosphate
Glycerinaldehyde - 3 - Phosphate
Glycerin
OH
H-C-S-Enzyme
+HS-Enzyme
H-C-OH
H2CO - P
5. Glycerinaldehyde - 3 P-dehydrogenase
NAD
NADH2
H
O
C-O-Enzyme
H-C-OH
C-S-Enzyme
+ H3PO4
H-C-OH
HS-Enzyme
H2CO - P
H2CO - P
Glycerinsaure - 1,3 - diphosphate
2x ADP
2x ATP
Phosphoglyceratkinase
O
O
C
6.
COO
H-C-OH
H-C-O- P
H2C-O - P
H2C-OH
Glycerinsaure - 3 - phosphate
Glycerinsaure - 2 - phosphate
Enolase
COO
C-OH
CH2
Enol pyruvat
COO
C=O
CH3
Pyruvat
7.
Pyruvatkinase
COO
C-O- P
ADP
ATP
H2C. H2O
Phosphoenolpyruvat
CO2
Pyruvat decarboxylase
H
C=O
CH3
Aldehydacetic
NADH2
NAD
CH3- CH2-OH
Ethanol
Hình1: Sơ đồ lên men rượu theo Embden-Meyerhof
- 11 -
Từ sơ đồ trình bày trên ta thấy rằng, khơng có phản ứng nào trong dãy biến hóa
đó có oxy tham gia.
Sự tham gia của ATP trong quá trình chuyển hóa glucose thành
ethanol có thể biểu diễn một cách tổng quát như sau:
C6H12O6 + 2ATP + 2H3PO4 + 4ADP
2C2H5OH + 2CO2 + 4ATP + 2ADP
C6H12O6 + 2H3PO4 + 2ADP
2C2H5OH + 2CO2 + 2ATP
Vì vậy, khi lên men một phân tử glucose đến ethanol và carbon dioxide, từ
hai phân tử ADP sẽ tạo thành hai phân tử ATP, nghĩa là tạo thành hai mối liên kết
cao năng ~ P. Mỗi một liên kết cao năng khi giải phóng sẽ cho ta năng lượng
49,44.103 J/mol.
2.2. 2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tiến trình lên men
Nói đến “tiến trình lên men” là phải nói đến tập các chỉ số:
- Tốc độ phát triển sinh khối;
- Tốc độ hấp thụ cơ chất (độ giảm cơ chất hàng ngày);
- Mức độ hấp thụ cơ chất (mức độ lên men)
- Nồng độ các sản phẩm chính và sản phẩm phụ tạo thành trong quá trình lên
men.
Các chỉ số trên đây, trong quá trình lên men, chịu ảnh hưởng của rất nhiều
yếu tố. Quan trọng nhất là các yếu tố sau:
2.2.2.1. Chất lượng của nấm men sản xuất
Để thu nhận được các loại bia có chất lượng cao thì yếu tố đầu tiên cần
được thỏa mãn là chất lượng của men giống. Việc lựa chọn một chủng nấm men
thích hợp cho những điều kiện cụ thể của sản xuất là tiền đề của sự thành công
trong công nghệ sản xuất bia. Từ một thực tế là ở nhà máy này với chủng nấm men
này, kết quả thu được là mỹ mãn. Nhưng cũng chủng nấm men đó, ở nhà máy khác,
chất lượng của bia thu nhận được lại chưa làm vừa ý người tiêu dùng. Vì vậy việc
tuyển chọn chủng nấm men thích hợp cho từng nhà máy sản xuất luôn luôn là vấn
đề nghiêm túc, đòi hỏi các nhà kỹ thuật phải quan tâm một cách thỏa đáng.
- 12 -
Khi nghiên cứu về ảnh hưởng của chủng nấm men đến chất lượng của bia,
theo một số tác giả đã chỉ ra rằng: hàm lượng dầu fuzel tạo thành trong q trình lên
men chính và tồn tại ở trong bia phụ thuộc vào chủng nấm men đem dùng. Ở cùng
một điều kiện, chủng này chỉ sinh tổng hợp được khoảng 40mg/l dầu fuzel nhưng
với chủng khác, con số đó lên tới 200mg/l. Tác giả này cũng khẳng định rằng, hàm
lượng diacetyl, mercaptan, ester và nhiều cấu tử khác cũng chịu chung ảnh hưởng
tương tự như vậy [1] .
Khi đánh giá chất lượng của một chủng men sản xuất, cần xem xét các chỉ
số sau đây:
- Tốc độ và mức độ lên men;
- Hàm lượng sản phẩm phụ tạo thành;
- Tốc độ và khả năng kết lắng;
- Mức độ suy giảm các đặc tính kỹ thuật (tức là mức độ thối hóa);
- Khả năng chống chịu khi bị tấn cơng.
Một chủng nấm men phù hợp và có chất lượng tốt có thể tái sử dụng đến
đời thứ bảy thứ tám (sau mỗi lần lên men là một đời).
Đối với quá trình lên men bia đen, yêu cầu nấm men phải chịu được sự tác
động của thành phần dịch nha và sự thiếu hụt về lượng các chất dinh dưỡng (acid
amin, vitamin), có thể chịu được nồng độ cồn cao và cũng có thể chịu được áp
suất thẩm thấu cao(do nồng độ chất hòa tan ban đầu trong dịch nha cao hơn 16oP).
Thông thường tùy theo thị hiếu ở mỗi quốc gia, người ta sẽ sử dụng những chủng
nấm men riêng biệt dành cho quá trình lên men bia này. Đối với những nước
Anh, Mỹ, Bỉ, Scotlen thường dùng chủng men Ale còn đối với Đức, Cộng hòa Séc
dùng chủng men Lager cho quá trình lên men bia đen [33] .
2.2.2.2 Lượng nấm men gieo cấy ban đầu
Lượng nấm men gieo cấy ban đầu liên quan mật thiết đến tiến trình lên
men qua các chỉ số sau đây:
- 13 -
- Thời gian để thiết lập được thế cân bằng động giữa quần thể nấm men với
môi trường lên men (cơ chất);
- Lượng tế bào nảy chồi, từ đây dẫn đến lượng chất hòa tan (chất dinh dưỡng)
bị tiêu phí cho việc xây dựng tế bào mới và cường độ trao đổi chất trong tế bào non;
- Thời gian lên men;
- Hàm lượng các sản phẩm phụ tạo thành và tỷ số tương quan giữa chúng.
Thời gian để đạt được trạng thái cân bằng động phụ thuộc vào lượng nấm
men gieo cấy ban đầu. Nếu mật độ gieo cấy càng nhiều thì thời gian đó càng ngắn
và ngược lại. Nếu lượng nấm men gieo cấy quá ít, khả năng nảy chồi của chúng
không thể đạt được mức tối đa cần thiết. Trong trường hợp như vậy, quá trình lên
men bị “ỳ”, nghĩa là mức độ lên men thấp, thời gian lên men kéo dài.
Tỷ lệ nấm men gieo cấy sử dụng cho quá trình lên men bia truyền thống
nhỏ hơn 12oP thường là 10-15 triệu tế bào/mL dịch nha. Theo O, Connor-Cox và
Ingledew (1991), quy luật chung là cần tăng thêm 1-2 triệu tế bào/mL khi nồng độ
dịch nha tăng 1oP. Tuy nhiên, để khắc phục vấn đề về việc bổ sung chất dinh dưỡng
vào dịch nha ở các loại bia được sản xuất với tỷ lệ nguyên liệu thay thế cao và bia
lên men nồng độ cao, một số nghiên cứu đã đưa ra giải pháp lên men với tỷ lệ giống
cấy cao hơn mức thông thường, cơ sở lý thuyết của giải pháp này nhằm tận dụng
một lượng lớn tế bào nấm men để tăng tốc độ chuyển hóa cơ chất. Các nghiên cứu
theo mục tiêu này đã được thực hiện bởi Edelen và cộng sự (1996) với tỷ lệ giống
cấy là 30; 53; 74 triệu tế bào/mL), Erten và cộng sự (2007), với tỷ lệ giống cấy là
(10-100 triệu tế bào/mL).
*Ảnh hưởng của tỷ lệ giống cấy đến khả năng sống sót, sự sinh trưởng của nấm
men, khả năng sử dụng chất dinh dưỡng của nấm men, tốc độ lên men
Mật độ nấm men gieo cấy ban đầu càng lớn thì tỷ lệ số tế bào nảy chồi
càng thấp, tốc độ sinh sản tương đối càng bé. Khi lượng tế bào nảy chồi ít thì cường
độ trao đổi chất của tế bào non cũng thấp hơn. Theo nghiên cứu của Edelen và cộng
sự (1996), khi tăng tỷ lệ giống cấy từ 12,8 lên 74,9 triệu tế bào/mL, thì khả năng
- 14 -
sinh trưởng của nấm men giảm. Nghiên cứu gần đây của Verbelen và cộng sự
(2008) đã khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ giống cấy (20-80 triệu tế bào/mL) đến động
học của 11 chủng men chìm cũng cho kết quả tương tự .
Theo nghiên cứu O,Connor-Cox và Ingledew (1991), khi tăng tỷ lệ giống
cấy từ 16-80 triệu tế bào/mL và kết hợp bổ sung chất dinh dưỡng (FAN) vào môi
trường (0-750mg/l), kết quả cho thấy tổng số tế bào nấm men, tốc độ lên men tăng
không đáng kể so với mẫu không bổ sung chất dinh dưỡng. Hiện tượng này chứng
tỏ ở tỷ lệ giống cấy cao, tốc độ và thời gian lên men không phụ thuộc vào nguồn
dinh dưỡng bổ sung; còn với tỷ lệ giống cấy thấp, khi đó nấm men sử dụng nguồn
dinh dưỡng bổ sung để tăng số lượng tế bào nấm men đến mức cực đại, do đó tốc
độ lên men và thời gian lên men phụ thuộc đáng kể vào nguồn dinh dưỡng bổ sung.
Edelen (1996) cũng khảo sát khả năng sử dụng chất dinh dưỡng của nấm men ở tỷ
lệ giống cấy cao. Khả năng sử dụng chất dinh dưỡng của nấm men giảm khi tăng tỷ
lệ giống cấy. Theo tác giả này, hoạt tính đa số các enzyme giảm khi tỷ lệ giống cấy
tăng (các tác giả đã thực hiện đánh giá hoạt tính một số enzyme chuyển hóa của
nấm men trong suốt quá trình lên men).
*Ảnh hưởng của mật độ giống cấy đến tỷ lệ sống sót của nấm men khi kết
thúc q trình lên men chính đã được khảo sát. Theo nghiên cứu của Erten và cộng
sự (2007), phần trăm tế bào sống sót giảm trong suốt quá trình lên men.
Bảng 2.4. Số tế bào sống sót khi kết thúc quá 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 bình Erlen 1L chứa 800mL
mơi trường, nhiệt độ lên men 10oC, quá trình lên men kết thúc khi độ lên men đạt
80%
Tỷ lệ giống cấy ban đầu (triệu tế bào/mL)
10
25
50
75
100
Số tế bào sống sót khi kết thúc
q trình lên men chính(%)
63,3
62,9
69,6
70,0
72,2
- 15 -
*Ảnh hưởng của tỷ lệ giống cấy cấy đến sự sinh tổng hợp cồn
Theo nghiên cứu của O,Connor-Cox và Ingledew (1991), khi tăng tỷ lệ
giống cấy từ 16 triệu tế bào/mL lên 80 triệu tế bào/mL, hàm lượng cồn trong bia
non tăng từ 6.13% đến 7.63%(v/v) (dịch nha có hàm lượng chất hịa tan 16oP).
Nhưng theo Erten và cộng sự (2007), hàm lượng cồn trong bia non không
khác nhau có nghĩa khi tỷ lệ giống cấy ban đầu tăng (25, 50, 75, 100 triệu tế
bào/mL). Nghiên cứu của Verbelen và cộng sự (2008) cũng cho kết quả tương tự.
* Ảnh hưởng của tỷ lệ giống cấy cấy đến sự tạo thành ester và cồn bậc cao
Theo nghiên cứu Erten và cộng sự (2007) cũng như của Verbelen và cộng
sự (2008), khi tăng tỷ lệ giống cấy, hàm lượng cồn bậc cao có xu hướng tăng nhưng
hàm lượng ester và một số các chất hương khác lại có xu hướng giảm.
Tóm lại, việc sử dụng tỷ lệ giống cấy cao hơn so với tỷ lệ thơng thường sẽ
có ưu điểm như tốc độ lên men nhanh và khả năng sinh trưởng của nấm men ít phụ
thuộc vào thành phần dinh dưỡng của dịch nha.
Nghiên cứu của của Stefan Coghe(2005) khảo sát lên men bia đen với độ
màu {21-162OEBC và 9.5- 39OEBC}. Trong quá trình lên men ở các mẫu có độ
màu cao hơn 96oEBC thì độ lên men và khả năng sinh tổng hợp cồn càng giảm,
diacetyl trong bia non còn rất cao (0.9mg/l ứng với độ màu 200oEBC) [17 ] .Vì vậy
trong quá trình lên men bia đen, việc tăng tỷ lệ giống cấy có thể là giải pháp để khắc
phục việc kéo dài thời gian lên men, tăng tốc độ sinh tổng hợp cồn và giảm được
lượng diacetyl trong bia…
2.2.2.3 Nồng độ chất hòa tan của dịch đường houblon hóa
Nồng độ chất hịa tan trong dịch đường houblon hóa có ảnh hưởng rất lớn
đến sự phát triển của nấm men và tốc độ lên men. Từ thực tế sản xuất đã chứng
minh được rằng, dịch đường houblon hóa có nồng độ chất hịa tan 11-12% lên men
tốt hơn các loại dịch đường có nồng độ cao hơn hoặc thấp hơn.
- 16 -
Khi lên men dịch đường houblon hóa với nồng độ trung bình cường độ sinh
sản và phát triển của tế bào nấm men, tỷ lệ tuyến tính với hàm lượng chất hòa tan và
hàm lượng nitơ chứa trong đó. Nếu hàm lượng chất hịa tan ở trong dịch đường
houblon hóa tăng lên trên 14,5% thì sự sinh sản của nấm men cũng khơng vì thế mà
tăng lên, nó dừng ở một trị số xác định.
Hiện nay, nhờ sự phát triển của kỹ thuật di truyền, các chủng nấm men có
thể chịu được áp suất thẩm thấu cao trong kỹ thuật lên men nồng độ cao (do nồng
độ chất hịa tan trong dịch đường q cao có thể từ 16-24oP) được tạo ra nhờ các
phương pháp đột biến và tái tổ hợp gen. Kỹ thuật lên men bia nồng độ cao mang lại
hiệu quả kinh tế rất cao cho các nhà máy bia sản xuất với công suất nhỏ nhưng mức
tiêu thụ quá lớn, công nghệ này hiện nay được áp dụng rộng rãi trên thế giới ở các
nước Mỹ, Canada, Nam Mỹ…Một số nhà máy bia ở Việt Nam cũng đã áp dụng kỹ
thuật này (Sài Gòn, Foster) nhưng nồng độ chất hòa tan trong dịch nha ban đầu
không lớn hơn18oP.
Trong dịch nha sản xuất bia đen, nồng độ chất hòa tan dao động rất lớn 1022oP phụ thuộc vào “gu” của từng vùng hoặc từng mỗi quốc gia. Do đó trong q
trình lên men bia đen, nấm men chịu tác động không những các thành phần trong
dịch nha như thiếu hụt về hàm lượng acid amin, đường lên men, các nguyên tố vi
lượng và một số các loại vitamin cần thiết mà cịn có thể chịu áp lực thẩm thấu đối
với dịch nha có nồng độ chất khô ban đầu cao trên 16oP.
2.2.2.4. Hấp thu dinh dưỡng của nấm men
*Hấp thu cacbon
Nguồn dinh dưỡng cacbon cho nấm men ở trong dịch đường houblon hóa
là các loại đường và dextrin thấp phân tử. Các loại đường đơn phân tử như Dglucoza, D-fructoza, D- manoza và D-galactoza bị lên men trực tiếp. Các loại
disaccharid và một số ít oligosaccharid được lên men, sau khi bị thủy phân bởi
enzyme của nấm men.
Từ thực nghiệm và các quan sát, đã chứng tỏ rằng, sự lên men các loại
đường riêng biệt được xảy ra theo một trình tự nhất định và với các tốc độ khác
- 17 -
nhau. Giải thích hiện tượng này phải đi từ thực tế là các loại đường có kích thước
phân tử và cấu trúc khác nhau. Vì vậy khả năng và tốc độ thẩm tích của chúng qua
màng tế bào nấm men cũng khác nhau.
Theo nghiên cứu của một số tác giả đã chứng minh rằng, khối lượng của
saccharoza trong dịch lên men giảm nhanh nhất, điều đó chứng tỏ nó bị thủy phân
dễ nhất. Lên men nhanh nhất thì có glucoza, sau đó là fructoza, maltoza và tiếp theo
là các loại đường khác. Tuy nhiên, trật tự này không phải lúc nào cũng giữ nghiêm.
Gây ảnh hưởng rõ nét nhất đến sự sắp xếp thứ tự này là đặc tính của chủng nấm
men được sử dụng [1] .
Có ý nghĩa lớn đối với tiến trình lên men và chất lượng của bia là sự lên
men của maltotrioza và các loại oligosaccharid khác cùng họ với nó. Nhóm này
chiếm một tỷ lệ khá lớn trong thành phần chất hòa tan của dịch đường khoảng
(16%- 18%). Đã chứng tỏ rằng maltotrioza và các loại oligosaccharid bậc cao hơn
bị lên mem rất chậm. Trong nhiều trường hợp, ở giai đoạn lên men chính, chúng
chưa hề bị tác động. Lý do chính dẫn đến điều đó là đặc điểm của chủng nấm men
được sử dụng. Trong một số tư liệu khoa học có thơng báo rằng, có những chủng
nấm men đột biến, hồn tồn khơng có khả năng hấp thụ maltotrioza. Wildish giải
thích rằng có khả năng hay khơng có khả năng hấp thụ maltotrioza là do sự khác
nhau trong thành phần và đặc tính gen của chủng nấm đó [1] . Kết quả của quá trình
lên men đường cùng với những phản ứng tỏa nhiệt xảy ra đồng thời, một lượng
nhiệt năng đáng kể được giải phóng ra mơi trường. Kết quả là nhiệt độ của dịch lên
men sẽ tăng lên. Sự gia tăng này phụ thuộc vào tốc độ lên men, nhiệt độ của mơi
trường bên ngồi, thể tích của thiết bị lên men và nhiều yếu tố khác.
Xu thế hiện nay là phải hạn chế sự gia tăng nhiệt độ, để ổn định chế độ
nhiệt cho quá trình lên men. Điều đó hồn tồn có thể thực hiện được bằng cách làm
lạnh cục bộ dịch đường lên men.
Trong kỹ thuật sản xuất bia đen, dịch đường được nấu từ các loại malt đen,
lượng đường có khả năng lên men giảm đáng kể do tạo thành sản phẩm melanoidin
- 18 -
và caramen trong quá trình sấy các loại malt đen và q trình đun sơi dịch nha. Kết
quả nghiên cứu của Stefan Coghe và cộng sự về thành phần các đường lên men từ
các loại malt sậm màu như sau [17 ] .
Bảng 2.5. Thành phần đường có khả năng lên men trong dịch đường từ 100%
malt vàng, các mẫu được phối trộn malt sẫm màu và malt vàng theo tỷ lệ 50% có
nồng độ chất hịa tan ban đầu 12oP
Các loại Malt
Màu dịch
đường
Hàm lượng đường có khả năng lên men(g/l)
Glucose
Fructose
Surose Maltose Matotriose
(OEBC)
Malt vàng
5
6.4
1.7
4.8
38.2
9.9
Malt màu I
19
5.6
1.4
5.6
34.0
10.6
Malt màu II
25
6.3
1.4
5.7
34.1
11.1
Malt đen I
37
6.4
1.7
5.5
33.0
10.9
Malt đen II
79
5.3
1.3
4.9
31.1
10.3
Malt caramen
110
5.7
1.4
4.1
26.1
9.2
Rang tạo hương
240
5.8
1.3
4.4
27.7
8.3
Rang
610
4.4
1.1
3.2
31.3
5.9
Từ bảng 2.5, ta thấy: sử dụng các loại malt đen cho dịch đường với cường
độ màu càng cao nhưng hàm lượng đường có khả năng lên men càng giảm, do đó
độ lên men và sự sinh tổng hợp cồn càng thấp trong quá trình lên men bia đen có độ
màu cao.
*Hấp thu nitơ
Một phần của các hợp chất chứa nitơ trong dịch đường houblon hóa được
nấm men hấp thu, một phần khác bị keo tụ và kết lắng xuống đáy thùng lên men
hoặc lơ lửng nổi trên bề mặt của bia non. Điều đó dẫn đến là hàm lượng các hợp
chất chứa nitơ bị giảm mạnh. Mặt khác, trong quá trình lên men, một số tế bào bị
- 19 -
phân rã. Các hợp chất chứa nitơ trong tế bào được giải phóng ra và hịa tan vào dịch
lên men. Nhờ có q trình này mà lượng nitơ mất đi đã được phần nào bù đắp lại.
Khoảng 50% lượng nitơ trong dịch đường bị nấm men hấp thụ, nhưng 16 –
17% trong đó (tức là 32 – 34% lượng nitơ đã bị hấp thu) được quay trở lại trong bia
(do nấm men phân rã). Như vậy trên thực tế là lượng nitơ hao phí cho nấm men là
khoảng 16 – 18%, cùng với lượng nitơ kết tủa khoảng 12%, đưa tổng lượng hao phí
nitơ trong q trình lên men chính lên đến 30% và lượng cịn lại trong bia là khoảng
70%. Hàm lượng đạm amin của dịch đường, trong giai đoạn lên men chính bị giảm
dần từ 33 xuống 24mg/100ml, còn lượng đạm khả kết từ 3,5 xuống 1,8
mg/100ml [1] .
Trong thành phần dịch nha được nấu từ các loại malt đen, các chất dinh
dưỡng như các acid amin sẽ giảm gần 50% về lượng do tạo thành sản phẩm
melanoidin và aldehyl trong quá trình sấy các loại malt đen và đun sơi dịch nha. Kết
quả phân tích hàm lượng acid amin của ông Stefan Coghe và cộng sự(2005) ( hàm
lượng chất hòa tan dịch nha 12oP) [17 ] như sau:
- 20 -
Bảng 2.6.Thành phần các acid amin trong dịch đường được chuẩn bị từ 100%
Malt vàng và các mẫu được phối trộn các loại Malt đen theo những tỷ lện 50%
Các loại Malt
Màu dịch đường (OEBC)
Hàm lượng các acid amin (mg/L)
Pro
Leu
Arg
Phe
Val
Gln
Ala
Tyr
Lys
Ile
Malt vàng
5
340
117
105
103
102
89
86
74
65
62
Malt màu I
19
270
99
106
83
84
70
77
63
51
55
Malt màu II
25
305
101
61
83
86
64
83
63
46
55
Malt đen I
37
315
125
109
102
107
73
91
82
Malt đen II
79
220
85
82
73
78
59
59
Malt Caramen
110
210
87
83
67
66
50
Malt rang tạo hương
240
190
72
70
56
52
Malt rang
610
190
70
55
55
49
Các loại Malt
Màu dịch đường (OEBC)
64
69
70
48
47
56
81
51
46
47
43
82
42
35
45
44
44
36
33
Hàm lượng các acid amin (mg/L)
Asn
Asp
Ser
Malt vàng
5
53
49
44
Malt màu I
19
54
43
37
Malt màu II
25
42
39
Malt đen I
37
51
Malt đen II
79
Malt Caramen
Glu
Thr
43
Trp
His
Gly
Met
43
41
41
27
21
46
46
33
33
23
15
35
42
42
29
29
21
13
44
41
46
26
22
44
32
31
31
31
28
28
19
13
110
39
28
29
28
29
23
23
19
12
Malt rang tạo hương
240
33
23
23
28
24
20
20
17
10
Malt rang
610
29
22
20
28
19
19
17
14
8
46
44
44
* Các nguyên tố vi lượng và vitamin
Các nguyên tố Ca, Mn, Mg, Co, Zn là thành phần vi lượng rất cần thiết cho
nấm men sử dụng và là các cofactor của các enzym oxy hóa khử . Trong đó nguyên
tố Zn rất cần thiết cho sự sinh trưởng của tế bào nấm men và ảnh hưởng quyết định
đến tốc độ lên men bia [ 7 ] . Một số nghiên cứu cho thấy lượng Zn trong dịch đường
là 0.15-0.5mg/l [ 40] , nếu hàm lượng cao hơn có thể gây độc tố cho nấm men.Tuy
nhiên, theo nghiên cứu của WO (World Intelltual Property Organization) (1999)
