Sử dụng kỹ thuật lên men tĩnh có bổ sung dịch NHA (FED BATCH) trong quá trình lên men bia nồng độ cao

Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
------------------------------

VŨ TRẦN KHÁNH LINH

SỬ DỤNG KỸ THUẬT LÊN MEN TĨNH CĨ BỔ
SUNG DỊCH NHA (FED-BATCH) TRONG Q
TRÌNH LÊN MEN BIA NỒNG ĐỘ CAO
Chuyên 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

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS. TS. LÊ VĂN VIỆT MẪN

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

TS. LÊ THỊ PHÚ

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 30 tháng 08 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 tháng 12 năm 2007

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: VŨ TRẦN KHÁNH LINH

Giới tính : Nữ

Ngày, tháng, năm sinh : 15 – 08 – 1983

Nơi sinh : Biên Hòa – Đồng Nai

Chuyên ngành : Công nghệ Thực phẩm – Đồ uống
Khoá (Năm trúng tuyển) : K2006
1- TÊN ĐỀ TÀI: Sử dụng kỹ thuật lên men tĩnh có bổ sung dịch nha (fed-batch) trong
quá trình lên men bia nồng độ cao.
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
-

Tổng quan tài liệu về quá trình lên men bia nồng độ cao và kỹ thuật fed-batch.

-

Nghiên cứu thực nghiệm: sử dụng dịch nha được nấu từ 100% malt đại mạch có bổ sung
30% thế liệu high maltose syrup. Khảo sát động học:
o
o
9 Lên men tĩnh dịch nha 16 Bx và 20 Bx
o

9 Lên men tĩnh có bổ sung dịch châm: dịch nha ban đầu có nồng độ 16 Bx, sau 108 giờ
o

lên men tĩnh bổ sung dịch châm là dịch nha có nồng độ 24 Bx sao cho hỗn hợp sau
khi châm đạt 16oBx. Xét các phương án bổ sung chất dinh dưỡng vào dung dịch
châm như sau:
8

Bổ sung chất chiết nấm men vào dung dịch châm (nồng độ 0,25% m/v và 0,4%
m/v)

8

Bổ sung Tween 80 vào dung dịch châm (nồng độ 0,4% v/v và 0,8% v/v)

8

Bổ sung hỗn hợp chất chiết nấm men và Tween 80 vào dung dịch châm (0,25%
m/v chất chiết nấm men + 0,4% v/v Tween 80; 0,25% m/v chất chiết nấm men +
0,8% v/v Tween 80; 0,4% m/v chất chiết nấm men + 0,4% v/v Tween 80; 0,4%
m/v chất chiết nấm men + 0,8% v/v Tween 80)

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 biết ơn sâu sắc đến thầy – PGS.TS. Lê Văn Việt Mẫn,
người đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ, động viên em rất nhiều trong suốt thời gian thực
hiện luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trường Đại học Bách khoa Tp. Hồ Chí
Minh, đặc biệt là quý thầy cô trong Bộ môn Công nghệ Thực phẩm đã nhiệt tình
giúp đỡ, truyền đạt cho em những kiến thức và kinh nghiệm quí báu trong suốt thời
gian nghiên cứu cũng như suốt những năm học qua.
Tôi xin cám ơn quý thầy cô tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí
Minh đã giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và
thực hiện luận văn này.
Con xin cảm ơn ba mẹ và gia đình đã ln là chỗ dựa vững chắc cho con, động
viên, khuyến khích và tạo mọi điều kiện cho con học tập tốt.
Xin gửi đến những người thân yêu nhất, các anh chị, và các bạn – những người
đã luôn sát cánh cùng tôi, giúp đỡ, động viên tơi rất nhiều trong suốt q trình học
tập và thực hiện luận văn này – lời cám ơn chân thành nhất.

Cuối cùng, xin kính chúc quý thầy cô cùng các bạn luôn mạnh khỏe, hạnh
phúc và thành cơng trong cuộc sống.
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08/2008
Học viên
Vũ Trần Khánh Linh


i

T ĨM T Ắ T
ỶZ
Ngày nay các nhà sản xuất ngày càng quan tâm đến kỹ thuật lên men bia nồng
độ cao nhằm tăng hiệu suất sử dụng thiết bị lên men và hiệu quả kinh tế sản xuất.
Tuy nhiên, việc tăng nồng độ đường của dịch nha có thể ảnh hưởng bất lợi đến sinh
lý của nấm men và thay đổi chỉ tiêu hóa lý cũng như mùi vị của bia thành phẩm.
Nhiều phương pháp đã được sử dụng để cải thiện các nhược điểm này như: sử dụng
tỷ lệ giống cấy cao hơn, tăng nhiệt độ lên men, tăng mức độ thống khí hoặc sử
dụng nấm men cố định.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi ứng dụng kỹ thuật lên men tĩnh có bổ sung cơ
chất (fed-batch) trong lên men bia nồng độ cao. Chúng tôi thực hiện các phương án
lên men fed-batch với dịch châm có nồng độ 24oBx được bổ sung thêm các chất
dinh dưỡng như chất chiết nấm men và Tween 80. Chúng tôi nhận thấy khi bổ sung
thêm các chất dinh dưỡng vào dung dịch châm, hoạt tính lên men của nấm men
được cải thiện. Đặc biệt, khi bổ sung đồng thời 0,25% (m/v) chất chiết nấm men và
0,8% (v/v) Tween 80 vào dịch châm sẽ rút ngắn thời gian lên men chính và hàm
lượng ethanol cuối cao hơn so với mẫu lên men fed-batch không bổ sung thêm chất
dinh dưỡng vào dung dịch châm. Nhờ đó thể tích bia thành phẩm thu được sẽ gia
tăng.

ii

A BS TR A C T
YÛZ
Economic demands to intensify the brewing process and increase the fermenter
productivity have stimulated interest in high-gravity brewing. However, increasing
original wort concentration can have a detrimental effect on fermentation
performance, adversely affecting yeast physiology and altering the physicochemical and flavor properties of the finished beer. Many methods such as:
application of higher pitching rate, higher fermentation temperature, supplemented
aeration, and immobilised yeast were used to improve this process.
This study focused on the application of fed-batch fermentation in high-gravity
brewing. High gravity worts of 24oBx (using 30% high maltose syrup adjunct)
added with yeast extract or Tween 80 were used as feeding media in fed-batch
cultures. The nutrients added to feeding media improved the yeast fermentation
performance. Especially, supplementation of feeding medium with 0,25% (w/v)
yeast extract and 0,80% (v/v) Tween 80 resulted in shorter fermentation time and
higher concentration of ethanol compared with unsupplemented feeding medium,
which leads to the possibility of increasing the final beer volume.


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 TÀI LIỆU ...................................................................................3
2.1. Tổng quan về kỹ thuật lên men bia nồng độ cao .............................................................3
2.1.1. Khái niệm kỹ thuật lên men bia nồng độ cao ..............................................................3
2.1.2. Sơ đồ quy trình sản xuất bia sử dụng kỹ thuật lên men nồng độ cao ..........................3
2.1.3. Giải thích quy trình ......................................................................................................5
2.1.4. Ưu – nhược điểm của kỹ thuật lên men bia nồng độ cao ............................................ 6
2.1.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men bia nồng độ cao.................................... 7
2.1.6. Ảnh hưởng của lên men bia nồng độ cao đến chất lượng sản phẩm .........................26
2.2. Sơ lược về kỹ thuật lên men tĩnh có bổ sung cơ chất (Fed-batch) ...............................27
2.2.1. Định nghĩa kỹ thuật lên men fed-batch .....................................................................27
2.2.2. Những ưu điểm của kỹ thuật lên men fed-batch.........................................................27
2.2.3. Những nhược điểm của kỹ thuật lên men fed-batch ..................................................29
2.2.4. Phân loại lên men fed-batch ......................................................................................30
2.2.5. Ứng dụng của kỹ thuật lên men fed-batch..................................................................31


ii
CHƯƠNG 3. NGUYÊN LIỆU – PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU....................................39
3.1. Nguyên liệu nghiên cứu.....................................................................................................39
3.1.1. Nguyên liệu để sản xuất dịch nha...............................................................................39
3.1.2. Nấm men ....................................................................................................................39
3.2. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................................39
3.2.1. Mục đích – nội dung nghiên cứu ...............................................................................39
3.2.2. Quy trình cơng nghệ sản xuất bia trong nghiên cứu...................................................44
3.2.3. Các phương pháp phân tích .......................................................................................49
3.2.4. Xử lý số liệu thực nghiệm ..........................................................................................51
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ..............................................................................52
4.1. Khảo sát động học quá trình lên men tĩnh ......................................................................52
4.1.1. Giới thiệu....................................................................................................................52
4.1.2. Kết quả và bàn luận ....................................................................................................52

4.1.3. Kết luận ......................................................................................................................59
4.2. Khảo sát động học q trình lên men chính có bổ sung thêm cơ chất (dịch nha) .......59
4.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của chất chiết nấm men bổ sung vào dung dịch châm ..............60
4.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của Tween 80 bổ sung vào dung dịch châm..............................95
4.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của hỗn hợp chất chiết nấm men và Tween 80 bổ sung vào
dung dịch châm...................................................................................................................113
4.2.4. Kết luận chung..........................................................................................................136
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................141
5.1. KẾT LUẬN ......................................................................................................................141
5.2. KIẾN NGHỊ .....................................................................................................................144
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................................145
PHỤ LỤC


i

D A N H MỤ C C Á C BẢ N G
Trang
Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
Bảng 2.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ gieo cấy nấm men khi lên men dịch nha (bổ sung syrup từ
bắp) nồng độ 29%, không bổ sung các chất dinh dưỡng .....................................9
Bảng 2.2. Ảnh hưởng của 5 tỷ lệ giống cấy khác nhau lên nồng độ của các hợp chất dễ
bay hơi................................................................................................................10
Bảng 2.3. Thời gian lên men các dịch nha nồng độ 12 – 30% (w/w) ở 13oC, sử dụng S
cerevisiae (nhóm nấm men chìm) cố định trong gel alginate ...........................24
Bảng 2.4. Các thông số của quá trình lên men các dịch nha nồng độ 12 – 30% (w/w) ở
13oC, sử dụng S. cerevisiae (nhóm nấm men chìm) cố định trong gel alginate
............................................................................................................................24
Bảng 2.5. Ứng dụng lên men fed-batch trong sản xuất nấm men bánh mì ........................32
Bảng 2.6. Ứng dụng lên men fed-batch trong sản xuất sinh khối vi sinh vật ....................33

Bảng 2.7. Ứng dụng lên men fed-batch trong sản xuất các chất kháng sinh .....................34
Bảng 2.8. Ứng dụng lên men fed-batch trong sản xuất các acid amin ...............................35
Bảng 2.9. Ứng dụng lên men fed-batch trong sản xuất enzyme ........................................36
Bảng 2.10. Ứng dụng lên men fed-batch trong sản xuất các sản phẩm trao đổi chất khác..37
Chương 3: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Bảng 3.1. Thơng số kỹ thuật cho các biến đổi hóa sinh trong quá trình nấu dịch nha.................46
Bảng 3.2. Khối lượng nguyên liệu sử dụng cho một mẻ nấu dịch nha trong nghiên cứu ..46
Chương 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN


ii

Bảng 4.1. So sánh q trình lên men chính trong sản xuất bia bằng phương pháp lên men
tĩnh và phương pháp lên men tĩnh có bổ sung cơ chất trong thí nghiệm khảo sát
ảnh hưởng của việc bổ sung chất chiết nấm men vào dung dịch châm .............87
Bảng 4.2. So sánh q trình lên men chính trong sản xuất bia bằng phương pháp lên men
tĩnh và phương pháp lên men tĩnh có bổ sung cơ chất trong thí nghiệm khỏa sát
ảnh hưởng của Tween 80 bổ sung vào dung dịch châm. .................................110
Bảng 4.3. Hàm lượng chất khô trong các mẫu khi kết thúc q trình lên men chính ......117
Bảng 4.4. Hàm lượng đường khử trong các mẫu khi kết thúc q trình lên men chính ..120
Bảng 4.5. So sánh q trình lên men chính trong sản xuất bia bằng phương pháp lên men
tĩnh và phương pháp lên men tĩnh có bổ sung cơ chất trong thí nghiệm khảo sát
ảnh hưởng của hỗn hợp chất chiết nấm men và Tween 80 bổ sung vào dung
dịch châm .........................................................................................................133
Bảng 4.6. So sánh các phương án cho kết quả tốt nhất trong các đợt thí nghiệm............137


i

D A N H M Ụ C C Á C HÌ N H V Ẽ

Trang
Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
Hình 2.1. Sơ đồ quy trình sản xuất bia sử dụng kỹ thuật lên men nồng độ cao ..................4
Hình 2.2. Sự thay đổi hàm lượng chất khô trong lên men truyền thống (13oP), lên men
nồng độ cao (17,1oP) và nồng độ rất cao (23oP) sử dụng các chủng Saccharomyces
pastorianus CMBS33, GT336 và GT334..................................................................8

Hình 2.3. Sự thay đổi hình thái của các tế bào nấm men chìm trước khi chịu tác động của
áp lực thẩm thấu và sau 15 phút tiếp xúc với dung dịch sorbitol 20% (w/v). ...11
Hình 2.4. Thời gian lên men kỵ khí các dịch nha có bổ sung maltose syrup và các chất
dinh dưỡng; nồng độ chất khô ban đầu của dịch nha là 27,9%; 29,2%; 30,9%;
31,9%; 33,3% và 35%........................................................................................12
Hình 2.5. Ảnh hưởng của việc bổ sung các chất dinh dưỡng vào dịch nha nồng độ 27%
đến quá trình lên men.........................................................................................14
Hình 2.6. Sự thay đổi nồng độ chất khơ trong q trình lên men dịch nha nồng độ 27% .15
Hình 2.7. Sự sinh trưởng của nấm men khi lên men dịch nha nồng độ 27%.....................15
Hình 2.8. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến q trình lên men kỵ khí dịch nha nồng độ 27%
bổ sung 0,8% chất chiết nấm men, 24 ppm ergosterol và 0,24% (v/v) Tween
80: ......................................................................................................................17
Hình 2.9. Sự thay đổi nồng độ chất khơ trong q trình lên men các dịch nha có nồng độ
ban đầu 30%.......................................................................................................18
Hình 2.10. Sự thay đổi hàm lượng chất khô khi sục oxy 12 giờ sau khi cấy giống. Các ký
hiệu cho biết nồng độ oxy hòa tan (mg/L) ở thời điểm sục ...............................20
Hình 2.11. Sự thay đổi hình thái của các tế bào nấm men chìm trước khi chịu tác động của
ethanol, sau 15 phút tiếp xúc với dung dịch ethanol 10% (v/v).........................21


ii

Hình 2.12. Ảnh hưởng của ethanol nồng độ 10%(v/v) lên khả năng sống sót của 3 chủng

nấm men chìm....................................................................................................22
Hình 2.13. Ảnh hưởng của ethanol nồng độ 10% (v/v) đến khả năng sống sót của 3 chủng
nấm men nổi.......................................................................................................22
Hình 2.14. Hàm lượng trehalose tối đa tích lũy trong tế bào nấm men tự do và nấm men cố
định trong gel alginate trước khi gieo cấy và trong quá trình lên men của các
dịch nha có nồng độ từ 12 – 30% (w/w) ở 13oC..................................................25
Hình 2.15. Các kiểu lên men fed-batch................................................................................31
Chương 3: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Hình 3.1. Sơ đồ các giải pháp kỹ thuật sử dụng trong nghiên cứu ......................................41
Hình 3.2. Sơ đồ quy trình sản xuất bia non sử dụng trong nghiên cứu................................45
Hình 3.3. Giản đồ quá trình nấu dịch nha trong nghiên cứu ................................................47
Chương 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
Hình 4.1. Sự thay đổi số lượng tế bào nấm men trong q trình lên men chính dịch nha
có nồng độ chất khơ 16oBx (30% thế liệu high maltose syrup).........................52
Hình 4.2. Sự thay đổi hàm lượng chất khơ trong q trình lên men chính dịch nha có
nồng độ chất khơ 16oBx (30% thế liệu high maltose syrup)..............................53
Hình 4.3. Sự thay đổi hàm lượng đường khử trong quá trình lên men chính dịch nha nồng
độ chất khơ 16oBx (30% thế liệu high maltose syrup).......................................54
Hình 4.4. Sự thay đổi hàm lượng nitơ amin tự do trong quá trình lên men chính dịch nha
có nồng độ chất khơ 16oBx (30% thế liệu high maltose syrup).........................55
Hình 4.5. Sự thay đổi của độ cồn trong q trình lên men chính dịch nha có nồng độ chất
khô 16oBx (30% thế liệu high maltose syrup). ..................................................56
Hình 4.6. Sự thay đổi pH trong quá trình lên men chính dịch nha có nồng độ chất khơ
16oBx (30% thế liệu high maltose syrup). .........................................................57


iii

Hình 4.7. Sự thay đổi hàm lượng diacetyl trong quá trình lên men chính dịch nha có nồng
độ chất khơ 16oBx (30% thế liệu high maltose syrup).......................................58

Hình 4.8. Sự thay đổi số lượng tế bào nấm men trong quá trình lên men chính 1,5L dịch
nha......................................................................................................................61
Hình 4.9. Sự thay đổi hàm lượng chất khơ trong q trình lên men chính 1,5L dịch nha.....
............................................................................................................................65
Hình 4.10. Sự thay đổi hàm lượng đường khử trong q trình lên men chính 1,5L dịch nha .
............................................................................................................................68
Hình 4.11. Sự thay đổi hàm lượng nitơ amin tự do trong q trình lên men chính 1,5L dịch
nha......................................................................................................................71
Hình 4.12. Tổng hàm lượng nitơ amin tự do được nấm men sử dụng khi kết thúc q trình
lên men chính.....................................................................................................73
Hình 4.13. Sự thay đổi độ cồn trong q trình lên men chính 1,5L dịch nha ......................76
Hình 4.14. Sự thay đổi pH trong q trình lên men chính 1,5L dịch nha ............................81
Hình 4.15. Sự thay đổi hàm lượng diacetyl trong quá trình lên men chính 1,5L dịch nha..83
Hình 4.16. Hàm lượng đường khử được nấm men sử dụng.................................................90
Hình 4.17. Tốc độ sử dụng đường khử của nấm men trong các mẫu ..................................91
Hình 4.18. Hàm lượng diacetyl trong bia non khi pha loãng về độ cồn 5% (v/v) ...............93
Hình 4.19. Sự sinh trưởng của nấm men trong q trình lên men chính 1,5L dịch nha ......97
Hình 4.20. Sự thay đổi nồng độ chất khơ trong q trình lên men chính 1,5L dịch nha .....99
Hình 4.21. Biến đổi của hàm lượng đường khử trong quá trình lên men chính 1,5L dịch
nha....................................................................................................................100
Hình 4.22. Sự biến đổi của hàm lượng nitơ amin tự do trong quá trình lên men chính 1,5L
dịch nha............................................................................................................102
Hình 4.23. Tổng hàm lượng nitơ amin tự do được nấm men sử dụng sau khi kết thúc q
trình lên men chính ở các mẫu .........................................................................103


iv

Hình 4.24. Sự thay đổi hàm lượng ethanol trong quá trình lên men chính 1,5L dịch nha.......
..........................................................................................................................105

Hình 4.25. Sự biến đổi của pH trong q trình lên men chính 1,5L dịch nha ...................107
Hình 4.26. Sự biến đổi của hàm lượng diacetyl trong q trình lên men chính 1,5L dịch
nha....................................................................................................................108
Hình 4.27. Sự biến đổi số lượng tế bào nấm men trong q trình lên men chính 1,5L dịch
nha....................................................................................................................115
Hình 4.28. Sự thay đổi nồng độ chất khô theo thời gian trong quá trình lên men chính 1,5L
dịch nha............................................................................................................118
Hình 4.29. Sự thay đổi hàm lượng đường khử theo thời gian trong quá trình lên men chính
1,5L dịch nha ...................................................................................................119
Hình 4.30. Sự thay đổi hàm lượng nitơ amin tự do theo thời gian trong q trình lên men
chính 1,5L dịch nha..........................................................................................122
Hình 4.31. Tổng hàm lượng nitơ amin tự do được nấm men sử dụng sau khi kết thúc q
trình lên men chính ở các mẫu .........................................................................124
Hình 4.32. Sự biến đổi của độ cồn trong q trình lên men chính 1,5L dịch nha..............126
Hình 4.33. Sự thay đổi pH theo thời gian trong quá trình lên men chính 1,5L dịch nha...129
Hình 4.34. Sự thay đổi hàm lượng diacetyl theo thời gian trong quá trình lên men chính
1,5L dịch nha ...................................................................................................131


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):

ΔP
t

(g/L.h).

Trong đó:
9

ΔP = P2 – P1, (g/L) : số gam ethanol được tạo thành trong 1lít dịch lên men, trong
đó:
8

P2: lượng ethanol trong dịch nha khi quá trình lên men kết thúc (g/L).

8

P1: lượng ethanol trong dịch nha tại thời điểm ban đầu của quá trình lên men
(g/L).

9

t: thời gian lên men (h).

3. Tốc độ riêng sinh tổng hợp ethanol (giá trị trung bình):

ΔP
Δt

x

1
(g/g.h).
ΔX

Trong đó:
9

ΔP: số gam ethanol được tạo thành trong 1lít dịch lên men (g/L)

9

ΔX = X2 – X1, (g/L): lượng sinh khối nấm men được tạo thành trong 1lít dịch lên
men, trong đó:
8

X1: lượng sinh khối nấm men trong dịch nha tại thời điểm ban đầu của quá trình
lên men (g/L).

8

X2: lượng sinh khối nấm men trong dịch nha khi quá trình lên men kết thúc
(g/L).

9

t: thời gian lên men (h).


ii

4. Hiệu suất sinh tổng hợp ethanol:

ΔP
ΔS

(%).

Trong đó:
9

ΔP: số gam ethanol được tạo thành trong 1lít dịch lên men (g/L).

9

ΔS = S1 – S2: lượng đường đã được nấm men sử dụng trong 1lít dịch lên men (g/L),
trong đó:
8

S1: lượng đường trong dịch nha tại thời điểm ban đầu của quá trình lên men
(g/L).

8

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,
được tính theo cơng thức

ΔS
t

(g/L.h).

Trong đó:
9

ΔS: 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 hịa 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), %.


1

Chương 1

GI Ớ I T HI Ệ U
YÛZ
Bia là loại đồ uống có độ cồn thấp và giàu dinh dưỡng, được sản xuất từ các
loại nguyên liệu chính là malt, hoa houblon, nước và nấm men với một quy trình
cơng nghệ khá đặc biệt. Chính vì vậy bia có các tính chất cảm quan rất hấp dẫn:
hương thơm đặc trưng, vị đắng dịu, lớp bọt trắng mịn, hàm lượng CO2 khá cao (4 –
5 g/L) giúp con người giải khát và tiêu hóa tốt khi uống.
Bia truyền thống thường được lên men từ dịch nha có nồng độ 11 – 12oBx và
sản phẩm cuối có nồng độ ethanol từ 4 – 5% (v/v). Ngày nay, nhu cầu sản xuất
được bia có chất lượng trong thời gian ngắn và chi phí sản xuất ít tốn kém nhất đã
hướng đa số các nhà sản xuất bia tiếp cận kỹ thuật lên men bia nồng độ cao. Kỹ

thuật lên men bia nồng độ cao được thế giới biết đến khoảng 35 năm trước [64].
Đây phương pháp tạo và lên men dịch đường có nồng độ cao hơn bình thường, sau
đó pha lỗng “bia đậm đặc” thu được với nước để tạo ra bia thành phẩm có nồng độ
cồn và các sản phẩm trao đổi chất khác như mong muốn. Hiện nay kỹ thuật này đã
được ứng dụng rộng rãi, nhất là ở Mỹ và Canada do đáp ứng được các yêu cầu về
chất lượng và đem lại hiệu quả kinh tế cao. Người ta đã thống kê rằng khi tăng nồng
độ dịch nha từ 12 đến 15oP, tiêu thụ năng lượng sẽ giảm 14% và năng suất lao động
tăng từ 25 – 30% [48]. Ở nước ta, cơng ty bia Sài Gịn và công ty bia Foster, nhà
máy bia Việt Nam cũng đã áp dụng kỹ thuật mới này vào sản xuất với hàm lượng
chất khô từ 13 – 16%, sử dụng thế liệu gạo chiếm từ 20 – 30%.
Ngoài ra, theo quyết định của bộ Công nghiệp số 18/2007/QĐ-BCN ngày 08
tháng 05 năm 2007, mục tiêu đến năm 2010 là phải xây dựng ngành Bia – Rượu –
Nước giải khát Việt Nam thành một ngành kinh tế mạnh, với chỉ tiêu đến năm 2010


2

sản xuất đạt 3500 triệu lít bia [6]. Để đạt chỉ tiêu trên, chúng ta cần cải tiến quy
trình cơng nghệ nhằm nâng cao năng suất cũng như đem lại hiệu quả kinh tế cao.
Kỹ thuật lên men bia nồng độ cao là một trong những hướng ứng dụng rất khả thi vì
có thể giúp sản xuất được nhiều bia hơn với những trang thiết bị hiện có.
Tuy nhiên, phương pháp lên men bia nồng độ cao vẫn tồn tại một số giới hạn
nhất định như: giảm độ bền bọt của bia thành phẩm, áp lực thẩm thấu và nồng độ
ethanol cao làm giảm khả năng sống sót và phát triển của nấm men, tỉ lệ sử dụng thế
liệu cao gây ra sự thiếu hụt một số chất dinh dưỡng cho nấm men phát triển và làm
chậm quá trình lên men [28].
Để khắc phục các nhược điểm trên, các nhà khoa học đã nghiên cứu áp dụng
nhiều giải pháp kỹ thuật như: sử dụng tỷ lệ giống cấy cao hơn, tăng nhiệt độ lên
men, bổ sung các chất dinh dưỡng vào dịch nha, tăng mức độ thống khí và sử dụng
nấm men cố định [2, 39, 22, 23, 29, 59]. Một trong những hướng đi khả quan có thể

làm giảm sự ảnh hưởng của các yếu tố bất lợi trong q trình lên men bia nồng độ
cao chính là kỹ thuật lên men fed-batch. Kỹ thuật này đang được ứng dụng rộng rãi
trong công nghiệp do kết hợp được những thuận lợi từ lên men tĩnh và lên men liên
tục. Lên men fed-batch là quá trình lên men tĩnh được bổ sung thêm cơ chất vào
bình lên men, sản phẩm được tháo ra một lần khi quá trình lên men kết thúc [73].
Việc này làm tăng tổng hàm lượng cơ chất trong bình lên men nhưng vẫn duy trì
một nồng độ cơ chất nhỏ trong suốt quá trình lên men, hạn chế hiện tượng ức chế vi
sinh vật bởi áp lực thẩm thấu, khơng làm giảm đi tốc độ hình thành sản phẩm.
Tuy nhiên, theo tài liệu chúng tôi tổng hợp được thì hiện nay kỹ thuật lên men
fed-batch vẫn chưa được nghiên cứu ứng dụng trong lên men bia nồng độ cao.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi sẽ khảo sát kỹ thuật lên men fed-batch trong quá
trình lên men chính dịch nha có nồng độ chất khơ cao, nhằm nâng cao hàm lượng
cồn và các sản phẩm trao đổi chất khác trong bia non.


3

Chương 2

T Ổ N G QU A N T À I L I Ệ U
YÛZ
2.1. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT LÊN MEN BIA NỒNG ĐỘ CAO
2.1.1. Khái niệm kỹ thuật lên men bia nồng độ cao
Lên men bia nồng độ cao là một q trình lên men dịch nha có nồng độ chất
khơ cao hơn thơng thường (trung bình khoảng 16 – 18oP), sau đó sản phẩm “bia
đậm đặc” sẽ được pha lỗng để tạo ra bia thành phẩm có nồng độ cồn như bia được
lên men từ dịch nha có nồng độ chất khơ thơng thường (10 – 12oP) [14, 15, 48].
2.1.2. Sơ đồ quy trình sản xuất bia sử dụng kỹ thuật lên men nồng độ cao

4

Malt đại mạch/
Thế liệu

Tách tạp chất

Tạp chất

Nghiền

Nước

Nấu dịch nha

Lọc

Houblon

Đun sôi với hoa houblon

Tách bã houblon

O2 vô trùng

Nấm men

Nhân giống

Nước

Làm lạnh

Bã malt

Bã houblon

Làm lạnh, bão hòa O2

Lên men chính

Sinh khối
nấm men

Lên men phụ

Cặn

Xử lý làm trong bia

Cặn

Pha loãng

CO2

Bão hòa CO2, tàng trữ

Chai/ lon

Chiết chai/ lon

Thanh trùng

Sản phẩm bia
chai/ lon

Hình 2.1. Sơ đồ quy trình sản xuất bia sử dụng kỹ thuật lên men nồng độ cao [1, 3, 15, 64].


5

2.1.3. Giải thích quy trình
Nhìn chung, qui trình sản xuất bia sử dụng kỹ thuật lên men nồng độ cao cũng
tương tự như qui trình sản xuất bia truyền thống, chỉ khác ở một số điểm sau:
9

Dịch nha ban đầu có nồng độ chất khơ cao. Để thực hiện được điều này, ta
có các giải pháp sau:
8

Giảm hàm lượng nước sử dụng trong quá trình nấu dịch nha (nước phối
trộn với nguyên liệu, nước rửa bã malt…).

8

Bổ sung thêm đường glucose, maltose hoặc saccharose dạng syrup vào
dịch nha trước quá trình lên men.

8

Cơ đặc dịch nha.

Trong đó 2 giải pháp kỹ thuật đầu tiên được sử dụng phổ biến hơn cả.
9

Sau quá trình lên men ta sẽ thu được dịch lên men có nồng độ cồn và các
sản phẩm trao đổi chất khác cao hơn bia thành phẩm được sản xuất theo
qui trình truyền thống. Vì vậy, ta cần tiến hành pha lỗng với nước để tạo
sản phẩm bia có nồng độ cồn và các sản phẩm trao đổi chất khác với giá trị
thích hợp.
Tiêu chuẩn nước dùng để pha lỗng:
8

Trong suốt, khơng màu, mùi.

8

Khơng chứa tạp chất.

8

Khơng chứa vi sinh vật.

8

Phải được loại khơng khí.

8

Có thành phần khống và pH thích hợp để khơng ảnh hưởng đến độ bền
keo của bia sau khi pha loãng [15, 65].

Các nhà máy hiện đại thường sử dụng nước khử khống hồn tồn hoặc nước
đã qua xử lý thẩm thấu ngược RO. Lượng oxy hịa tan tối đa là 0,05 ppm. Q trình


6

làm sạch nước và loại khí phải ln đi kèm với quá trình thanh trùng hoặc xử lý
UV để tiêu diệt vi sinh vật [15].
2.1.4. Ưu – nhược điểm của kỹ thuật lên men bia nồng độ cao
2.1.4.1. Ưu điểm
9

Tăng năng suất: sản xuất được nhiều bia hơn với những trang thiết bị hiện
có [9, 14, 22, 23, 28, 32, 34, 48, 59].

9

Giảm chi phí năng lượng và chi phí nhân cơng trên mỗi đơn vị thể tích bia
thành phẩm [9, 14, 15, 22, 32, 34, 48, 59, 64].

9

Chi phí đầu tư trang thiết bị ít tốn kém: cùng một thiết bị ta có thể tạo được
số lượng sản phẩm nhiều hơn so với quá trình lên men nồng độ thông
thường [14, 22, 64].

9

Do nồng độ ethanol tạo thành sau khi lên men tương đối cao nên đã thúc
đẩy sự kết tủa của polyphenol, protein. Vì vậy bia lên men nồng độ cao có
độ bền keo tốt hơn bia lên men từ dịch nha có nồng độ thơng thường [15].

9

Bán thành phẩm (bia non) có độ bền vi sinh tốt hơn do nồng độ ethanol cao
[15, 46].

9

Tỷ lệ sử dụng thế liệu cao, giúp giảm giá thành sản phẩm[34, 65, 74].

2.1.4.2. Nhược điểm
9

Khi sử dụng thế liệu để làm tăng nồng độ chất khô sẽ gây ra sự thiếu hụt
một số chất dinh dưỡng cho nấm men phát triển, ví dụ như các hợp chất
chứa nitơ [20, 59, 64, 67].

9

Áp lực thẩm thấu cao và nồng độ ethanol cao làm giảm khả năng sống sót
và phát triển của nấm men dẫn đến lên men chậm, số lần tái sử dụng nấm
men thấp [9, 10, 14, 20, 23, 29, 47, 57,59, 63, 64, 66,].

9

Khả năng kết bông của nấm men giảm do áp lực thẩm thấu cao [15].

7

9

Giảm độ bền bọt của bia thành phẩm [29, 66, 32].

2.1.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men bia nồng độ cao
2.1.5.1. Chất lượng nấm men gieo cấy
Để thu được các loại bia có chất lượng cao thì yếu tố đầu tiên cần quan tâm là
chất lượng của men giống. Việc lựa chọn một chủng nấm men thích hợp cho những
điều kiện sản xuất cụ thể là tiền đề của sự thành công trong công nghệ sản xuất bia
[3].
Sản xuất bia có nồng độ cơ chất cao khó thực hiện vì mơi trường có nồng độ
đường cao sẽ làm tăng áp suất thẩm thấu và nồng độ cồn cao trong dịch lên men sẽ
làm ảnh hưởng đến hoạt động trao đổi chất và khả năng kết lắng của nấm men. Do
đó q trình lên men thường kéo dài, không triệt để và số lần tái sử dụng của nấm
men cũng ít hơn.
Yêu cầu quan trọng nhất đối với nấm men sử dụng trong lên men bia nồng độ
cao:
9

Chịu được áp lực thẩm thấu cao.

9

Chịu được nồng độ cồn cao.

Ngày nay sử dụng kỹ thuật đột biến và tái tổ hợp gen, người ta có thể tạo ra

nhiều chủng nấm men chịu được áp lực thẩm thấu và nồng độ cồn cao. Ví dụ,
Blieck và cộng sự (2007) đã phân lập được các giống nấm men có hoạt lực lên men
tốt hơn từ giống nấm men công nghiệp Saccharomyces pastorianus CMBS333 được
gây đột biến bằng tia UV hay chọn lọc tự phát (spontaneous selection) qua các lần
lên men nồng độ cao. Các tác giả nhận thấy 2 biến thể GT336 (biến thể từ các tế
bào không bị gây đột biến) và GT344 (biến thể từ các tế bào bị gây đột biến) có tốc
độ lên men nhanh hơn, lên men hồn tồn và khả năng sống sót cũng được cải thiện
trong điều kiện hàm lượng ethanol cao [14].


8

Hình 2.2. Sự thay đổi hàm lượng chất khơ trong lên men truyền thống (13oP) (A), lên men nồng độ
cao (17,1oP) (B) và nồng độ rất cao (23oP) (C); sử dụng các chủng Saccharomyces pastorianus
CMBS33 (z), GT336 ({) và GT334 („). Nhiệt độ lên men 20 oC, mật độ giống cấy ban đầu 106
tế bào/mL/oP [14].

2.1.5.2. Lượng nấm men gieo cấy ban đầu
Lượng nấm men gieo cấy ban đầu liên quan mật thiết đến quá trình lên men
qua các chỉ số:
9

Thời gian lên men.

9

Hàm lượng ethanol và các sản phẩm phụ tạo thành, tỉ lệ giữa chúng [3].

Nếu mật độ nấm men gieo cấy ít thì q trình lên men chậm, thời gian lên men
kéo dài. Nếu mật độ nấm men gieo cấy ban đầu càng lớn thì tốc độ chuyển hóa cơ

9

chất trong môi trường càng cao, các sản phẩm phụ như aldehyde, rượu bậc cao,…
giảm nhưng nấm men dễ bị thối hóa. Vì vậy việc xác định một lượng nấm men vừa
đủ cho quá trình lên men là hết sức cần thiết [3].
Đối với dịch nha có nồng độ bình thường, tỷ lệ gieo cấy nấm men là 5 x 106
cfu/mL; đối với dịch nha có nồng độ cao, tỷ lệ giống cấy có thể lên tới 20 x 106
cfu/mL [15]. Theo McCaig và cộng sự (1992), trong lên men bia nồng độ cao, tỷ lệ
giống cấy nên vào khoảng 1-2 x 106 cfu/mL/oP. Lựa chọn tỷ lệ gieo cấy phải dựa
vào nồng độ dịch nha sao cho đảm bảo thúc đẩy q trình lên men mà khơng gây
ảnh hưởng xấu đến chất lượng bia [15].
Các nhà khoa học đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ nấm men gieo
cấy đến quá trình lên men dịch nha nồng độ cao có sử dụng thế liệu là syrup từ bắp
(corn syrup). Kết quả được trình bày ở bảng 2.1.
Bảng 2.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ gieo cấy nấm men khi lên men dịch nha (bổ sung syrup từ bắp)
nồng độ 29%, không bổ sung các chất dinh dưỡng [23].
Tỷ lệ gieo cấy nấm
men (cfu/mL)

Thời gian lên men chính (ngày)

Nồng độ chất khơ của dịch nha
khi q trình lên men kết thúc

3,2 x 106

Quá trình lên men ngừng lại ở ngày thứ 21

14,0%

6,8 x 106

Quá trình lên men ngừng lại ở ngày thứ 21

12,5%

1,4 x 107

Quá trình lên men ngừng lại ở ngày thứ 18

11,5%

2,6 x 107

Quá trình lên men ngừng lại ở ngày thứ 18

11,5%

3,7 x 107

Quá trình lên men kết thúc ở ngày thứ 17 – 18

10,0%

4,4 x 107

Quá trình lên men kết thúc ở ngày thứ 17 – 18

10,0%

Ta thấy khi không bổ sung thêm chất dinh dưỡng vào dịch nha, mật độ gieo
cấy nấm men là một thông số kỹ thuật rất quan trọng. Ở 2 mật độ gieo cấy cao nhất
(3,7 và 4,4 x 107 cfu/mL) q trình lên men mới diễn ra hồn tồn (thời gian lên
men chính kéo dài đến 17 – 18 ngày), còn ở 4 mật độ gieo cấy thấp hơn, quá trình
lên men bị cản trở. Như vậy tỷ lệ nấm men gieo cấy ban đầu có thể ảnh hưởng đến