Nghiên cứu khả năng sử dụng một số giống lúa gạo ở Đồng bằng sông Cửu Long trong sản xuất bia.

Nghiên cứu khả năng sử dụng một số giống lúa gạo ở Đồng bằng sông Cửu Long trong sản xuất bia.Nghiên cứu khả năng sử dụng một số giống lúa gạo ở Đồng bằng sông Cửu Long trong sản xuất bia.Nghiên cứu khả năng sử dụng một số giống lúa gạo ở Đồng bằng sông Cửu Long trong sản xuất bia.Nghiên cứu khả năng sử dụng một số giống lúa gạo ở Đồng bằng sông Cửu Long trong sản xuất bia.Nghiên cứu khả năng sử dụng một số giống lúa gạo ở Đồng bằng sông Cửu Long trong sản xuất bia.Nghiên cứu khả năng sử dụng một số giống lúa gạo ở Đồng bằng sông Cửu Long trong sản xuất bia.Nghiên cứu khả năng sử dụng một số giống lúa gạo ở Đồng bằng sông Cửu Long trong sản xuất bia.

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG SỬ DỤNG MỘT

SỐ GIỐNG LÚA GẠO Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG

CỬU LONG TRONG SẢN XUẤT BIA

LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

2022

NGUYỄN TẤN HÙNG

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG SỬ DỤNG MỘT

SỐ GIỐNG LÚA GẠO Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG

CỬU LONG TRONG SẢN XUẤT BIA

LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

MÃ NGÀNH: 954.01.01

NGƯỜI HƯỚNG DẪN PGS TS NGUYỄN CÔNG HÀ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

2022

TÓM TẮT

Mục tiêu của nghiên cứu này là đánh giá khả năng sử dụng một số giốnglúa ở đồng bằng sông Cửu Long trong công nghệ sản xuất malt và thử nghiệmquy trình nấu và lên men hoàn từ malt lúa gạo Năm giống lúa phổ biến đượclựa chọn trong nghiên cứu là OM4900, IR50404, OM5451, OM6976 vàJasmine85 Thí nghiệm lựa chọn giống lúa phù hợp được thực hiện dựa trênviệc khảo sát các điều kiện ngâm (nhiệt độ 30-50oC trong thời gian 12-72 giờ)và nẩy mầm ở 30oC trong thời gian 1-8 ngày Đặc tính kháng nhiệt và khángprotease trong dịch chiết malt lúa được đánh giá bằng đường kính khuếch tánđối với enzyme proteinase K trên môi trường casein agar Với giống lúa đượclựa chọn, quy trình chế biến malt vàng và malt rang được thực hiện bằngphương pháp ủ nhiệt (40-70oC) giúp thực hiện quá trình tiền dịch hóa (pre-mashing) trong malt tươi Đồng thời, quá trình rang được khảo sát (125-200oCtrong thời gian 30-120 phút) nhằm tạo ra loại malt đặc biệt từ lúa gạo Chươngtrình nhiệt phù hợp cho malt lúa được thực hiện trên cơ sở đánh giá các điềukiện pH, nhiệt độ và thời gian dịch hóa thích hợp cho 2 nhóm enzyme α-amylase và glucoamylase trong malt Dịch nha ngọt sau thủy phân từ maltvàng và các mẫu có bổ sung malt rang (5÷15%) được tiến hành nấu hoa

houblon và lên men bằng nấm men chìm Saccharomyces cereviase (1g/L) ở

nhiệt độ 15oC nhằm thu được hai loại bia nhạt và bia sậm màu

Kết quả thí nghiệm cho thấy, trên 5 giống lúa khảo sát, bước đầu đánhgiá được thành phần protein có đặc tính kháng nhiệt và kháng protease (có vaitrò quan trọng trong việc hình thành và ổn định bọt bia) đều cơ bản đáp ứngđược yêu cầu trong sản xuất bia và kết quả đánh giá gần như tương đồng vớimalt đại mạch Qua đó, giống lúa IR50404 được sử dụng là đại diện chonghiên cứu sâu về quá trình làm malt và bia Lúa được ngâm trong nước ởnhiệt độ 30oC trong 24 giờ, sau đó cho nẩy mầm ở nhiệt độ 30oC trong 4 ngàygiúp cải thiện thành phần acid amin hòa tan và đường khử lên 2 lần và 8 lần,tương ứng so với lúa nguyên liệu Hoạt tính của enzyme amylase tăng lên 32lần từ 1,76 U/gCK lên 56,39U/gCK và hoạt tính enzyme protease tăng lên hơn 2lần so với lúa nguyên liệu từ 0,07 U/gCK lên 1,44 U/gCK Nhiệt độ và thời gianđường hóa (ủ nhiệt) ảnh hưởng lớn đến thành phần dinh dưỡng của malt lúa Ởnhiệt độ 50oC trong 60 phút giúp gia tăng lượng đường khử và acid amin hòatan (FAN) so với malt tươi (188,71 mg/g và 9,08 mg/g), tương ứng với sự giatăng của hoạt độ enzyme amylase và protease Mặt khác quá trình ủ nhiệt cũnggiúp gia tăng thành phần polyphenol tổng (TPC) trong malt đạt 4,26(mgGAE/gCK) gấp gần 2 lần so với nguyên liệu Malt được rang ở nhiệt độ caogiúp cải thiện màu sắc, TPC, hoạt tính chống oxi hóa và sự sụt giảm thành

phần FAN, đường khử cũng được ghi

nhận Sự thay đổi của các thành phần hóa học thể hiện khác nhau có ý nghĩathống kê theo nhiệt độ rang và không có ý nghĩa theo thời gian rang Mặt khác,sự thay đổi thành phần các acid amin cũng được nhận thấy trong suốt quá trình

xử lý và chế biến malt Điều kiện rang malt thích hợp là 150oC trong 45 phútđối với malt rang từ malt non và 125oC trong 75 phút đối với malt rang từ malt

đã qua ủ nhiệt Trong quá trình nấu bia, thời gian dịch hóa có tác động rõ rệtđến hàm lượng đường khử và FAN sản sinh đối với từng mức nhiệt độ khảosát Đối với nhiệt độ 52,2±0,5oC là 40 phút (tối đa cho hoạt tính enzymeglucoamylase) và 50 phút ở 70±0,5oC cho hoạt tính α-amylase Thêm vào đó,việc sử dụng malt lót từ malt vàng (5%) bổ sung vào nồi nấu sau khi tiến hành

hồ hóa tinh bột (85±0,5oC trong 30 phút) của quá trình dịch hóa trong 60 phútlàm tăng hàm lượng đường khử và FAN phục vụ cho quá trình lên men Dịchnha sau khi nấu sôi 60 phút với hoa houblon có sự sụt giảm về hàm lượngFAN và đường khử nhưng gia tăng về hàm lượng TPC và màu sắc Quá trình

lên men chìm bởi Saccharomyces cereviase ở nhiệt độ 15oC sau 4 ngày chothấy dịch bia non đạt độ cồn 5%V và thể hiện sự sụt giảm về hàm lượng TPC,và màu sắc trong suốt quá trình lên men Kết quả thu được từ phân đoạnprotein (SDS- PAGE) chỉ ra rằng hầu hết protein trong dịch nha và bia là cácprotein có trọng lượng phân tử thấp (~14 kDa) Đối với các protein bền nhiệt,quá trình chuyển đổi từ malt đến bia kèm theo những thay đổi trong các mẫuprotein của gel SDS- page, đặc biệt là trong khoảng 14,4–25,5 và 35–66,2kDa Kích thước protein 47 kDa chỉ được tìm thấy trong dịch nha trước và sauđun sôi và không có trong mẫu bia Do đó, các protein bền nhiệt của malt lúalà những chỉ số tốt cho thấy các chất được thu hồi trong bia Bên cạnh đó, mẫubia lúa được nấu với 5 và 10% malt rang cho chất lượng cảm quan ban đầukhá Kết quả thực nghiệm cho thấy, khả năng sản xuất malt và bia hoàn toàn từlúa gạo của một số giống lúa ở Đồng bằng sông Cửu Long là khả thi bằng việckiểm soát các yếu tố quan trọng trong quá trình chế biến malt và nấu bia

Từ khóa: bia gạo, kháng nhiệt, kháng protease, IR50404, SDS-page.

This study aimed to evaluate the applicability of several rice varietiesgrown in the Mekong Delta for malt production, and investigate the brewingand fermentation processes of these rice-derived malts The selected ricevarieties included OM4900, IR50404, OM5451, OM6976 and Jasmine85 Theexperiment on the selection of suitable rice varieties was conducted byinvestigating soaking conditions at temperatures of 30-50oC for 12-72 h andgermination conditions at 30oC for 1-8 days Heat resistance and proteaseresistance in rice-derived malt extracts were analyzed by measuring the zoneinhibition diameter resulting from proteinase K activities on casein agarmedium With the selected rice variety, the processing of yellow malt and thecaramel malt (roasted) was performed by the tempering method (40-70oC) toenable the mashing in green malts At the same time, roasting process wasinvestigated (125-200oC for 30-120 min) to produce special group of rice-derived malt A suitable brewing process of rice-derived malt was chosen onthe basis of optimizing pH and temperature conditions, and saccharificationtime suitable for the two groups of enzymes α-amylase and glucoamylase inthe malt The wort, which was obtained from saccharification of yellow malt

and was added with 5-15% roasted malt, was fermented by Saccharomyces

cereviase (submerged fermentation yeast) at a temperature of 15oC to obtainlight beer and dark beer

The results showed that, among the 5 rice varieties investigated, initialevaluation on the protein composition which has heat resistance and proteaseresistance characteristics (important roles in the formation and stabilization ofbeer foam) basically met the requirements in beer production, and theevaluation results are almost identical to those of barley malt The rice varietyIR50404 was selected as a representative variety for further investigation onthe malt production and beer making The rice was soaked in water at 30oC for

24 h, then germinated at 30oC for 4 days to increase amount of free aminoacids (FAN) and reducing sugars by 2 and 8 times, respectively as compared toinitial raw rice α-amylase enzyme activity was increased by 32 times from1.76 U/g to 56.39U/gCK, and protease activity was increased by more than 2times compared to initial raw rice from 0.07 U/g to 1.44 U/g The temperatureand time of saccharification (tempering) greatly affected the nutritionalcomposition of rice-derived malt At 50oC for 60 min, there was an increasedamount of reducing sugar and FAN compared to fresh malt (188.71 mg/g and9.08 mg/g, respectively), corresponding to an increased activity of amylaseand protease On the other hand, the tempering process increased the totalcontent of total

phenolic compounds (TPC) in malt to 4.26 (mgGAE/g), nearly double to those

in green malt Malt was roasted at high temperature to improve color, TPC,antioxidant activity and the decrease of FAN and reducing sugar content Thechanges in chemical compositions exhibited a statistically significantdifference in the roasting temperature, but insignificant at the roasting time

On the other hand, the changes in the composition of FAN was also observed

in malt during treatment and processing The suitable roasting conditions was

at 150°C for 45 min for roasted malt obtained from green malt and 125°C for

75 min for roasted malt obtained from tempered malt The saccharificationtime had a significant effect on the content of reducing sugar and acid aminsproduced at each temperature investigated For a temperature of 52.2±0.5oC, itwas 40 min (maximum for glucoamylase activity), and 50 min at 70±0.5oC forα-amylase activity In addition, the addition of 5% yellow malt to the cookingpot after starch gelatinization (85±0.5oC for 30 min) of the saccharificationprocess for 60 min increased the content of the reducing sugar and FAN which

is necessary for fermentation There was a decrease of FAN and reducingsugars content, and an increase of TPC content in the saccharification fluidobtained after boiled for 60 min with houblon flowers Fermentation

(submerged fermentation) by Saccharomyces cereviase at 15°C for 4 days

showed that the beer liquor reached 5%V alcohol content, and exhibited adecrease in the TPC content and color during fermentation Protein fractions(SDS-PAGE) indicated that most boiled protein and low molecular weight ricebeer (~14 kDa) For thermostable proteins, the malt-to-beer transition wasaccompanied by changes in the protein samples of the SDS-page gel,especially between 14.4–25.5 and 35–66.2 kDa Protein size 47 kDa wasfound only in wort before and after boiling, and not in beer samples.Therefore, the heat stable proteins of rice malt are good indicators of therecovered substances in beer Rice beers brewed with 5 and 10% roasted malthad high sensory quality The overall results show that it is completely feasible

to produce the malt and beer from some rice varieties grown in Mekong Delta

by controlling the key factors in malt production and brewing

Keywords: heat resistance, IR50404, protease resistance, rice beer, page.

SDS-LỜI CẢM ƠN

Luận án Tiến sĩ chuyên ngành Công nghệ Thực phẩm này là kết quả củanhiều năm học tập, tiếp thu kiến thức trong nhà trường Trong quá trình thựchiện luận án tôi luôn nhận được sự giúp đỡ và hỗ trợ tận tình của Quý Thầy

Cô, đồng nghiệp và cơ quan công tác Tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơnđến:

- PGs.Ts Nguyễn Công Hà đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt kinh

nghiệm, khuyến khích, động viên và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiệnluận án tốt nghiệp

- Quý Thầy, Cô, Nghiên cứu viên Bộ môn Công nghệ thực phẩm, Khoa

Nông nghiệp, Phòng thí nghiệm Sinh học Đất, Trường Đại học Cần Thơ tậntình truyền đạt tri thức và hỗ trợ tôi trong suốt chương trình khóa học

- Ban điều phối Dự án Nâng cấp trường Đại học Cần Thơ (VN14-P6

bằng nguồn vốn vay ODA từ chính phủ Nhật Bản, Chương trình A15) đã hỗtrợ kinh phí cho nghiên cứu này

- Quý chuyên gia phân tích tại Trung tâm chất lượng nông lâm thuỷ sảnvùng 6 (Tp Cần Thơ), Trung tâm Công nghệ Sinh học Tp Hồ Chí Minh, ViệnHàn Lâm và Khoa học Công nghệ Việt Nam (Hà Nội) đã hỗ trợ các phân tíchchuyên sâu cho luận án

- Các anh chị học viên Cao học Công nghệ thực phẩm khóa 23 và khóa25; các em sinh viên các khóa 40, khóa 41, khóa 42 và khóa 43 đã nhiệt tìnhgiúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án này

Xin chia sẽ niềm vui với gia đình, đồng nghiệp và các anh chị, Thầy Côcùng lớp Nghiên cứu sinh Công nghệ Thực phẩm khóa 2016

Cần Thơ, ngày tháng năm 2022

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Tấn Hùng

CHẤP THUẬN CỦA HỘI ĐỒNG

Luận án này với tựa đề là “Nghiên cứu khả năng sử dụng một số giống

lúa gạo ở đồng bằng sông Cửu Long trong sản xuất bia”, do nghiên cứu sinh

Nguyễn Tấn Hùng thực hiện theo sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn CôngHà Luận văn đã báo cáo và được Hội đồng đánh giá Luận án tiến sĩ thông quangày:

… /… /… Luận án đã được chỉnh sửa theo góp ý và được Hội đồng đánh giáluận án xem lại

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên là Nguyễn Tấn Hùng, là NCS ngành Công nghệ Thực phẩm, khóa

2016 Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu khoa học thực sựcủa bản thân tôi được sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Công Hà

Các thông tin được sử dụng tham khảo trong luận án được thu thập từ cácnguồn đáng tin cậy, đã được kiểm chứng, được công bố rộng rãi và được tôitrích dẫn nguồn gốc rõ ràng ở phần Danh mục Tài liệu tham khảo Các kết quảnghiên cứu được trình bày trong luận án này là do chính tôi thực hiện mộtcách nghiêm túc, trung thực và không trùng lắp với các đề tài khác đã đượccông bố trước đây

Tôi xin cam kết luận án này được hoàn thành dựa trên các kết quả nghiêncứu của tôi trong khuôn khổ của dự án “Nâng cấp Trường Đại học Cần ThơVN14-P6 bằng nguồn vốn vay ODA từ chính phủ Nhật Bản; Chương trình: A-

15: Phát triển các sản phẩm giá trị gia tăng từ nông sản và phụ phẩm ở Vùng

Đồng bằng sông Cửu Long (MDR)” Dự án có quyền sử dụng kết quả của luận

án này để phục vụ cho mục tiêu báo cáo của dự án

Tôi xin lấy danh dự và uy tín của bản thân để đảm bảo cho lời cam đoannày

Cần Thơ, ngày tháng năm 2022

MỤC LỤC

TÓM TẮT i

ABSTRACT iii

LỜI CẢM ƠN v

CHẤP THUẬN CỦA HỘI ĐỒNG vi

LỜI CAM ĐOAN vii

MỤC LỤC viii

DANH SÁCH HÌNH xii

DANH SÁCH BẢNG xv

DANH SÁCH TƯ VIẾT TẮT xvi

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 3

1.2.1Mục tiêu chung 3

1.2.2Mục tiêu cụ thể 3

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4

1.4 Ý nghĩa của luận án 4

1.4.1Ý nghĩa khoa học 4

1.4.2Ý nghĩa thưc tiễn 4

1.5 Điểm mới của luận án 4

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 6

2.2Giới thiệu về lúa gạo 6

2.2.1 Vai trò của lúa gạo 6

2.1.2 Thành phần hóa học hạt lúa 6

2.1.3 Sản xuất protein từ gạo 9

2.2Quá trình nẩy mầm 9

2.2.1Sự nẩy mầm ở hạt ngũ cốc 9

2.2.2Các yếu tố ảnh hưởng đến sự nẩy mầm 10

2.2.3Sự thay đổi dinh dưỡng trong hạt nẩy mầm 11

2.3Công nghệ sản xuất bia đại mạch 11

2.3.1Sản xuất malt 11

2.3.1.1Ngâm (steeping) 12

2.3.1.2Nẩy mầm (Germination) 13

2.3.1.3Sấy (kilning) 14

2.3.1.4Các loại malt đặc biệt 15

2.3.2Quá trình đường hóa (mashing) 17

2.3.3Nấu hoa houblon 19

2.3.4Lên men 21

2.3.5Làm chín (lão hóa) và kết thúc 22

2.4Phản ứng hóa nâu không enzyme và ảnh hưởng đến đặc tính màu sắc và mùi vị23 2.4.1 Sự hình thành màu 23

2.4.2 Sự hình thành hương vị 25

2.5Thành phần protein kháng nhiệt và kháng protease của đại mạch 26

2.5.1Thành phần protein kháng nhiệt và kháng protease 26

2.6Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về sản xuất malt và bia 33

2.6.1Sự thay đổi hoạt tính enzyme trong quá trình nẩy mầm và chế biến malt ngũ

cốc 33

2.6.2Sự thay đổi thành hệ protein chức năng và tính chất tạo bọt 34

2.6.4 Ứng dụng lúa gạo trong sản xuất bia 36

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 40

3.1Phương tiện nghiên cứu 40

3.1.1Địa điểm và thời gian thí nghiệm 40

3.1.2Dụng cụ, thiết bị 40

3.1.3Hóa chất 40

3.1.4Nguyên liệu sử dụng 41

3.2Phương pháp nghiên cứu 41

3.2.1Phương pháp phân tích và đo đạc các chỉ tiêu hóa 41

3.2.2Phương pháp thu thập và xử lý số liệu 42

3.3Sơ đồ bố trí thí nghiệm tổng quát 42

3.4.2 Nội dung 1: Xác định giống lúa phù hợp cho công nghệ đường hóa và nấu bia bia 44

3.4.2.1Thí nghiệm 1 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian ngâm đến sự

thay đổi chất lượng hạt lúa 45

3.4.2.2Thí nghiệm 2: Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nẩy mầm đến sự thay đổi chất lượng malt lúa 46

3.4.2.3Thí nghiệm 3: Đánh giá đặc tính kháng nhiệt và kháng protease của thành

phần protein trong malt lúa 47

3.4.3Nội dung 2: Xác định các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chế biến malt vàng và malt rang 48

3.4.3.1Thí nghiệm 4: Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian ủ đến chất lượng malt 48

3.4.3.2 Thí nghiệm 5: Ảnh hưởng của nhiệt độ và pH đến hoạt tính của enzyme α- amylase trong malt vàng 49

3.4.3.3 Thí nghiệm 6: Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian rang đến chất lượng malt từ malt ủ nhiệt 50

4.3.3.3 Thí nghiệm 7: Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian rang từ malt non đến chất lượng malt rang 50

3.4.4Nội dung 3: Xây dựng quy trình nấu bia cho malt lúa 51

3.4.4.1Thí nghiệm 8: Xác định thời gian dịch hóa phù hợp cho enzyme glucoamylase 51

3.4.4.2Thí nghiệm 9: Ảnh hưởng thời gian dịch hóa đối với enzyme α-amylase đến hàm lượng đường khử sinh ra 52

3.4.4.3Thí nghiệm 10 Đánh giá khả năng sử dụng malt lót trong quá trình đường hóa 52

3.4.4.4Thí nghiệm 11 Đánh giá sự thay đổi chất lượng dịch nha và thành phần

protein sau quá trình nấu sôi với hoa houblon 53

3.4.5Nội dung 4: Khảo sát quá trình lên men và đánh giá chất lượng bia được chế biến từ malt lúa 54

3.4.5.1Thí nghiệm 12: Ảnh hưởng của quá trình lên men chính đến sự thay đổi chất lượng của bia vàng 55

3.4.5.2Thí nghiệm 13: Ảnh hưởng của tỷ lệ malt rang đến chất lượng bia sậm màu

sau quá trình lên men chính 56

3.4.6.4 Đánh giá cảm quan sản phẩm bia vàng và bia sậm màu 56

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 57

4.1Thành phần hóa học của nguyên liệu 57

4.2Ảnh hưởng của thời gian ngâm đến sự thay đổi tính chất của hạt lúa 59

4.2.1Sự thay đổi độ ẩm của các giống lúa theo thời gian 59

4.2.2Sự thay đổi thành phần protein và hoạt tính enzyme protease 61

4.2.3Sự thay đổi hàm lượng tinh bột, đường khử và hoạt tính enzyme α-amylase 66

4.3Sự thay đổi thành phần chất lượng hạt lúa theo thời gian nẩy mầm 70

4.3.1 Sự thay đổi hoạt tính enzyme α-amylase, hàm lượng tinh bột, hàm lượng đừng khử theo thời gian nẩy mầm 70

4.3.2Sự thay đổi hoạt tính protease, hàm lượng protein và acid amin 72

4.3.3Sự thay đổi hàm lượng polyphenol tổng số (TPC) theo thời gian nẩy mầm ở các giống lúa 77

4.3.4Thành phần protein trong lúa gạo 79

4.3.5Sự thay đổi hệ protein của lúa, malt lúa sau quá trình nẩy mầm 80

4.4Các thuộc tính chất lượng của malt từ 5 giống lúa 82

4.5Đánh giá đặc tính kháng nhiệt và kháng protease của thành phần protein trong

malt lúa 83

4.6Xây dựng quy trình chế biến malt từ giống lúa IR50404 89

4.6.1Ảnh hưởng của quá trình ủ nhiệt đến chất lượng malt 89

4.6.1.1Sự thay đổi hoạt tính enzyme α-amylase và hàm lượng đường khử 89

4.6.1.2 Sự thay đổi hoạt tính enzyme protease và hàm lượng acid amin hòa tan (Free acid amins – FAN) 91

4.6.1.3Sự thay đổi hàm lượng polyphenol (TPC) và khả năng kháng oxi hóa (%DPPH) 95

4.6.2Khảo sát ảnh hưởng của quá trình rang đến chất lượng của malt rang 97

4.6.2.1Sự thay đổi hàm lượng đường khử 97

4.6.2.2Sự thay đổi hàm lượng acid amin hòa tan (FAN) 98

4.6.2.3Sư thay đổi chỉ số màu của dịch chiết malt rang 100

4.6.2.4Sự thay đổi hàm lượng polyphol (TPC) và hoạt động chống oxy hóa (AOC)

103

4.7Xây dựng quy trình nấu bia cho malt lúa 110

4.7.1 Xác định nhiệt độ và pH tối ưu của glucoamylase và -amylase từ malt lúa IR50404 110

4.7.2Xây dựng quy trình dịch hoá phù hợp cho malt lúa IR50404 113

4.7.2.1Ảnh hưởng của thời gian dịch hóa đối với enzyme glucoamylase đến hàm

lượng đường khử và acid amin hòa tan sinh ra 113

4.7.2.2 Ảnh hưởng của thời gian dịch hóa đối với enzyme α-amylase đến hàm lượng đường khử và acid amin hòa tan sinh ra 118

4.7.3Đánh giá khả năng sử dụng malt lót (5%) từ malt lúa để cải thiện khả năng

đường hóa 121

4.7.4Đánh giá chất lượng dịch nha sau quá trình nấu hoa houblon 123

4.8 Khảo sát sự thay đổi chất lượng của dịch nha trong suốt quá trình lên men chính 126

4.8.1Sự thay đổi hàm lượng đường khử và acid amin hòa tan của dịch nha trong suốt quá trình lên men chính 126

4.8.2Sự thay đổi giá trị Brix, pH và độ cồn trong suốt quá trình lên⁰ men chính 129

4.8.3Sự thay đổi TPC, màu sắc dịch bia trong quá trình lên men chính 131

4.9 Ảnh hưởng của tỷ lệ malt rang bổ sung đến chất lượng dịch đường hóa và bia sau quá trình lên men chính 133

4.9.1Sự thay đổi thành phần hóa lý theo tỷ lệ malt rang bổ sung 133

4.9.2Ảnh hưởng của tỷ lệ malt rang bổ sung đến điểm cảm quan 137

4.9.3Ảnh hưởng của tỷ lệ malt rang bổ sung đến điểm cảm quan 138

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 143

5.1Kết luận 143

5.2Kiến nghị 144

TÀI LIỆU THAM KHẢO 145 PHỤ LỤC 1: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH I PL1 Xác định hoạt tính protease I PL2 Định lượng nitơ tổng số bằng phương pháp Kjeldahl II PL3 Xác định ẩm IV PL4 Xác định hàm lượng chất béo tự do (theo phương pháp Soxhllet) V PL5 Xác định hoạt tính enzyme α-amylase theo phương pháp Smith và Roe V PL6 Tổn thất chất khô (phương pháp của Hammond và Ayernor (2001) VII PL7 Xác định năng lực nẩy mầm (theo phương pháp Aubry) VIII PL8 Xác định chiều dài của chồi và rễ mầm VIII PL10 Phương pháp xác định hàm lượng amin tự do ( – FAN ) IX PL11 Xác định hàm lượng đường khử (Phương pháp Bertrand) X PL13 Hàm lượng tổng phenolic phương pháp Folin–Ciocalteu XI PL14 Phương pháp thử hoạt tính chống oxy hóa DPPH XI PL15 K ỹ thu ậ t đi ệ n di trên gel SDS-PAGE XII PL16 Độ tạo bọt XIII

PC 17 Đánh giá cảm quan XIV

DANH SÁCH HÌNH

Hình 2.1: SDS-PAGE của protein tổng trong gạo 8

Hình 2.2: Quy trình sản xuất malt đại mạch 12

Hình 2.3: Màu sắc của các loại malt khác nhau 17

Hình 2.4: Một số chương trình nhiệt trong quá trình đường hóa 19

Hình 2.5: Tổng quan về lên men của nấm men 22

Hình 2.6: Bản đồ protein của đại mạch 27

Hình 2.7: Bản đồ protein của lúa mì 27

Hình 3.1: Sơ đồ bố trí thí nghiệm tổng quát 43

Hình 3.2: Sơ đồ nghiên cứu Nội dung 1 45

Hình 3.3: Sơ đồ nghiên cứu Nội dung 2 48

Hình 3.4: Sơ đồ nghiên cứu Nội dung 3 51

Hình 3.5: Sơ đồ bố trí thí nghiệm 10 53

Hình 3.6: Sơ đồ bố trí thí nghiệm 11 54

Hình 3.7: Sơ đồ nghiên cứu Nội dung 4 55

Hình 4.1: Sự thay đổi hàm lượng ẩm theo thời gian ngâm ở nhiệt độ 30o C 59

Hình 4.2: Sự thay đổi hàm lượng ẩm theo thời gian ngâm ở nhiệt độ 40o C 60

Hình 4.3: Sự thay đổi hàm lượng ẩm theo thời gian ngâm ở nhiệt độ 50o C 60

Hình 4.4: Sự thay đổi hàm lượng acid amin hòa tan theo thời gian ngâm ở nhiệt độ 30o C 63

Hình 4.5: Sự thay đổi hàm lượng acid amin hòa tan theo thời gian ngâm ở nhiệt độ 40o C 63

Hình 4.6: Sự thay đổi hàm lượng acid amin hòa tan theo thời gian ngâm ở nhiệt độ 50o C 64

Hình 4.7: Ảnh hưởng của thời gian ngâm đến hàm lượng protein ở nhiệt độ ngâm 30 o C 64

Hình 4.8: Ảnh hưởng của thời gian ngâm đến hàm lượng protein ở nhiệt độ ngâm 40 o C 65

Hình 4.9: Ảnh hưởng của thời gian ngâm đến hàm lượng protein ở nhiệt độ ngâm 50 o C 65

Hình 4.10: Hoạt tính enzyme α-amylase ngâm ở 30o C 66

Hình 4.11: Hoạt tính enzyme α-amylase ngâm ở 40o C 67

Hình 4.12: Hoạt tính enzyme α-amylase ngâm ở 50o C 67

Hình 4.13: Sự thay đổi hàm lượng tinh bột theo thời gian nẩy mầm 72

Hình 4.14: Sự thay đổi lượng đường khử theo thời gian nẩy mầm 72

Hình 4.15: Gel điện di protein từ dịch chiết của các giống lúa 80

Hình 4.16: Gel điện di protein từ dịch chiết của malt từ các giống lúa 81

Hình 4.17: Kết quả đánh giá vùng ức chế trên môi trường casein agar 84

Hình 4.18: Gel điện di protein từ dịch chiết của malt từ các giống lúa 85

Hình 4.19: Quy trình tuyển chọn giống lúa phù hợp 88

Hình 4.20: Sự thay đổi hoạt tính enzyme α-amylase theo nhiệt độ và thời gian ủ 89

Hình 4.21: Sự thay đổi đường khử theo nhiệt độ và thời gian ủ 90

Hình 4.22: Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian ủ nhiệt đến hoạt tính của enzyme protease 91

Hình 4.23: Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian ủ nhiệt đến hàm lượng acid amin hòatan 92

Hình 4.24: Sự thay đổi hàm lượng polyphenol theo nhiệt độ và thời gian ủ nhiệt 95

Hình 4.25: Sự thay đổi %DPPH theo nhiệt độ và thời gian ủ nhiệt 96

Hình 4.26: Hàm lượng đường khử trong malt rang từ malt ủ nhiệt 97

Hình 4.27: Hàm lượng đường khử trong malt rang từ malt malt tươi 98

Hình 4.28: Hàm lượng acid amin trong malt rang từ malt ủ nhiệt 99

Hình 4.29: Hàm lượng acid amin trong malt rang từ malt tươi 99

Hình 4.30: Sự phát triển màu malt (đơn vị EBC) trong giai đoạn caramel hóa malt ở các nhiệt độ rang khác nhau đối với malt rang từ malt ủ nhiệt 100

Hình 4.31: Sự phát triển màu malt (đơn vị EBC) trong giai đoạn caramel hóa malt ở các nhiệt độ rang khác nhau đối với malt rang từ malt tươi 101

Hình 4.32: Sự thay đổi độ ẩm của malt trong quá trình rang từ malt ủ nhiệt 102

Hình 4.33: Sự thay đổi độ ẩm của malt trong quá trình rang từ từ malt tươi 103

Hình 4.34: Sự thay đổi TPC trong mat rang từ malt đã ủ nhiệt 104

Hình 4.35: Sự thay đổi TPC trong malt rang từ malt tươi 104

Hình 4.36: Khả năng bắt gốc tự do (%DPPH) ở malt rang từ malt đã ủ nhiệt 106

Hình 4.37: Khả năng bắt gốc tự do (%DPPH) ở malt rang từ malt tươi 107

Hình 4.38: Quy trình chế biến malt từ giống lúa IR50404 109

Hình 4.39: Mô hình bề mặt đáp ứng thể hiện tương quan giữa nhiệt độ và pH đến

hoạttính enzyme glucoamylase 110

Hình 4.40: Mô hình bề mặt đáp ứng thể hiện tương quan giữa nhiệt độ và pH đến

hoạttính α-amylase trong malt lúa 111

Hình 4.41:Sự thay đổi hàm lượng đường khử và FAN theo thời gian dịch hóa ở 52,2oC 114

Hình 4 42: Sự thay đổi hàm lượng TPC và màu của dịch đường hóa theo thời gian ở nhiệt độ 52,2o C 116

Hình 4 43: Tương quan giữa hàm lượng TPC và chỉ số màu (EBC) theo thời gian dịchhóa ở 52,2o C 117

Hình 4 44: Sự thay đổi đường khử, FAN theo thời gian dịch hóa ở nhiệt độ 70o C 118 Hình 4.45: Sự thay đổi hàm lượng TPC và màu của dịch đường hóa theo thời gian ở nhiệt độ 70o C 120

Hình 4.46: Tương quan giữa hàm lượng TPC và chỉ số màu (EBC) theo thời gian dịchhóa ở 70o C 120

Hình 4.47: Sự thay đổi hệ protein của dịch bia non (A); dịch nha sau houblon (B) và dịch nha ngọt (C) 125

Hình 4.48: Sự thay đổi hàm lượng đường khử và acid amin trong quá trình lên men

127

Hình 4.49: Hàm lượng TPC và màu sắc thay đổi trong quá trình lên men chính 131

Hình 4.50: Tương quan giữa TPC (mgGAE/L) và %DPPH trong quá trình lên

men

131

Hình 4.51: Tương quan giữa chỉ số màu (EBC) và %DPPH trong quá trình lên men

132

Hình 4.52: Sự thay đổi độ cồn (%V) trong quá trình lên men chính theo tỷ lệ malt rang 135

Hình 4.53: Sự thay đổi nồng độ chất khô ( o Brix) trong quá trình lên men chính theo

tỷlệ malt rang 136

Hình 4.54: Chiều cao bọt theo tỷ lệ malt rang ở 0 và sau 30 phút 138

Hình 4.55: Điểm đánh giá cảm quan bia (Hedonic) theo tỷ lệ malt rang bổ sung 139

Hình 4.56: Quy trình thủy phân (dịch hóa) và lên men bia từ malt lúa IR50404 142

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 2.1: Thành phần hóa học từng phần của hạt lúa 7

Bảng 2.2: Hàm lượng các loại protein của lúa gạo 8

Bảng 2.3: Vai trò của enzyme trong các công đoạn sản xuất bia 18

Bảng 2.4: Mục đích của quá trình đun sối với hoa houblon và tham số ảnh hưởng 20

Bảng 3.1: Phương pháp kiểm tra các thành phần hóa lý cơ bản 42

Bảng 4.1: Thành phần hóa lý và hoạt tính enzyme của 5 giống lúa 57

Bảng 4.2: Ảnh hưởng nhiệt độ và thời gian ngâm đến hoạt tính enzyme protease (U/gCK) 62

Bảng 4.3: Sự thay đổi hàm lượng tinh bột (%) của 5 giống lúa trong quá trình ngâm

68

Bảng 4.4: Hàm lượng đường khử trong quá trình ngâm của các giống lúa (g/100g) 69

Bảng 4.5: Sự thay đổi hoạt tính enzyme α-amylase (U/gCK) theo thời gian nẩy mầm 71 Bảng 4.6: Sự thay đổi hoạt tính enzyme protease (U/gCK) theo thời gian nẩy mầm73 Bảng 4.7: Sự thay đổi hàm lượng protein (g/100g) trong quá trình nẩy mầm 74

Bảng 4.8: Sự thay đồi hàm lượng acid amin (mg/g) trong quá trình nẩy mầm 75

Bảng 4.9: Hao hụt chất khô (%) theo thời gian nẩy mầm 75

Bảng 4.10: Chiều dài mầm và rễ (cm) theo thời gian nẩy mầm của 5 giống lúa 76

Bảng 4.11: Ảnh hưởng thời gian nẩy mầm đến polyphenol tổng số (mgGAE/g) 77

Bảng 4.12: Thuộc tính chất lượng của malt từ 5 giống lúa 82

Bảng 4.13: Thành phần hóa học và hoạt tính enzyme của malt từ 5 giống lúa 82

Bảng 4.14: Ảnh hưởng của protein trong dịch chiết malt lúa đối với hoạt tính phân giải protein của proteinase K trên casein agar thông qua đường kính vùng ức chế (cm) 84Bảng 4.15: Bảng Sự thay đổi hàm lượng các acid amin (mg/g) sau các giai đoạn nẩymầm và ủ nhiệt 94

Bảng 4.16: Chất lượng mẫu dịch hóa có bổ sung malt lót và không bổ sung malt lót

122

Bảng 4.17: Thành phần dịch nha trước và sau quá trình nấu hoa houblon ở 12,5o Brix 123

Bảng 4.18: Sự thay đổi thành phần acid amin (mg/L) trong dịch nha sau quá trình dịchhóa, nấu hoa houblon (ở 12,5o Brix) và bia 128

Bảng 4.19: Sự thay đổi giá trị Brix, pH và độ cồn trong quá trình lên men chính ⁰ 129 Bảng 4.20: Sự thay đổi hàm lượng đường khử và acid amin hòa tan trong dịch nha(12,5 o Brix) và bia theo các tỷ lệ malt rang bổ sung 134

Bảng 4.21: Sự thay đổi hàm lượng TPC, màu sắc, pH và độ cồn trong dịch nha (12,5 o Brix) trong bia theo các tỷ lệ malt rang bổ sung 137

Bảng 4.22: Thành phần hóa lý bia nhạt màu và bia có bổ sung 10% malt rang sau 10 ngày lên men phụ 140

DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT

AOAC Association of analytical communities

DPPH 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl

GAE Gallic acid equivalent (nồng độ đương lượng)

IBU International Bitterness Units

TEAC Trolox equivalent antioxydant capacity

TPC Total phenolic content (tổng hàm lượng polyphenol)

w/v weight/volume (khối lượng/thể tích)

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề

Lúa gạo (Oryza sativa L.) là lương thực chủ yếu của thế giới và là nguồn cung

cấp carbohydrate chính cho hơn một nửa dân số thế giới và là lương thực chính

quan trọng nhất ở châu Á (Wang et al., 2019) Lúa gạo nằm trong họ cỏ Gramineae

và liên quan đến các loại cây cỏ khác như lúa mì, yến mạch và lúa mạch Gạo cũngcung cấp lượng dinh dưỡng đáng kể về thiamin, riboflavin, niacin và kẽm,… với

lượng nhỏ hơn các vi chất dinh dưỡng khác (Megat et al., 2011) Gạo là nguyên liệu

chính được sử dụng rộng rãi để sản xuất đồ uống có cồn cũng như một chất hỗ trợtrong sản xuất bia kể từ khi các nhà sản xuất bia sử dụng gạo để điều chỉnh hương

vị, giảm chi phí và được xem là thế liệu quan trọng trong sản xuất (Okuda et al.,

2018) Một loại “Bia” hoàn toàn từ gạo sẽ đặc biệt hấp dẫn đối với những người bị

bệnh celiac vì gạo không chứa protein gluten (Ceppi & Brenna, 2010; Mayer et al., 2014; Mayer et al., 2016) Tuy nhiên, một trong những bất lợi trong thử nghiệm sản

xuất bia từ malt lúa gạo là malt lúa gạo không chứa nhiều enzyme amylase, nhómenzyme cần thiết để phân hủy tinh bột thành đường lên men (Ceppi & Brenna,

2010a; Mallawarachchi et al., 2016) Bên cạnh đó, gạo chứa hàm lượng protein khá thấp (Van et al., 2001) hay hàm lượng acid amin hòa tan (FAN) thấp (Kongkaew et

al., 2012), có thể dẫn đến thời gian lên men dài hơn và đó là một trong những lý do

giới hạn tỷ lệ bổ sung để sử dụng trong quá trình sản xuất bia

Theo công bố của Pliansrithong et al (2013) có thể nâng tỷ lê gạo lên đến

80% và vẫn đạt được hiệu quả lên men khi mức acid amin hòa tan đạt được sau quátrình dịch hóa là 150 mg/L khi sử dụng enzyme thương mại Neutrase kết hợp vớiviệc điều chỉnh phương pháp dịch hóa Trong suốt quá trình chế biến malt và bia, córất nhiều thay đổi xảy ra đối với các protein lúa mạch Ở góc độ là chất dinh dưỡng,thành phần protein sau thủy phân, các hợp chất dinh dưỡng khác như hàm lượngtinh bột, hàm lượng vitamin B, E; các thành phần thực phẩm có hoạt tính sinh họcnhư acid ferulic (FA), gamma oryzanol (GO) và aminobutyric acid gamma (GABA)

trong mầm và cám của hạt,… (Roohinejad et al., 2009; Sing et al., 2015) có vai trò

rất quan trọng đối với sự sinh trưởng và phát triển của tế bào nấm men trong giaiđoạn lên men bia Bên cạnh đó, thành phần protein ngoài yếu tố dinh dưỡng còn cóyếu tố liên quan đến tính đặc trưng của bia chính là khả năng tạo bọt Trong bia, sựhình thành bọt chủ yếu là do sự tương tác giữa các protein và acid trong hoa bia

(Blasco et al., 2011) Chất lượng của bọt trong bia phụ thuộc vào sự hiện diện của

protein một phần được giải phóng từ tế bào nấm men và phần khác có nguồn gốc từlúa mạch - thậm chí còn quan trọng hơn so với protein được giải phóng từ nấm men

(Mohan et al., 1992; Lesage & Bussey, 2006).

Liên quan đến sự hình thành bọt, LTP1 - một polypeptide 9,7 kDa; protein polypeptide 40 kDa và các polypeptide có nguồn gốc hordein khác nhau có kíchthước từ 10-30 kDa chịu trách nhiệm chính Một phần của các protein tự nhiênkhông hòa tan được chuyển thành protein hòa tan trong quá trình nẩy mầm vàđường hóa (Jones & Budde, 2005) Trong khi hầu hết các protein trong lúa mạch bịkết tụ, bị phân huỷ bởi các protease trong suốt quá trình chế biến (làm malt và nấubia), một số protein chống lại các điều kiện khắc nghiệt này do tính kháng proteasevà sự ổn định nhiệt, đó là các protein giàu cầu nối disulfide (Čakajdová, 2015) Hầuhết các protein trong bia có khối lượng phân tử khoảng 10÷40 kDa, trong đó chủyếu có nguồn gốc từ protein lúa mạch, là sản phẩm của sự phân giải protein và thayđổi hóa học xảy ra trong quá trình sản xuất bia Cả hai protein LTP1 và Z4 có tínhkháng nhiệt độ cao và khả năng kháng protease, góp phần vào khả năng hình thành

Z-và ổn định bọt trong quá trình sản xuất bia (Bei et al., 2009; Berner et al., 2013).

Theo Levis & Young (2001), dịch nha được đun sôi để làm bất hoạt các enzyme,loại bỏ các thành phần hương vị không mong muốn, có tác dụng khử trùng, đồngphân hóa α-acid trong houplon Tuy nhiên, trong công nghệ sản xuất bia, đặc biệt ởcông đoạn nấu, việc gia nhiệt cao là rất cần thiết để hồ hóa, thủy phân các hợp chấtcao phân tử, houblon hóa chuẩn bị cho việc hình thành bọt bia Chính vì vậy, việctìm ra những giống lúa có khả năng sinh tổng hợp protein mạch ngắn chịu nhiệt nhưLTP, khó bị thủy phân bởi hệ enzyme protease có trong quá trình chế biến malt, dịchhóa và lên men là một trong những vấn đề cần được nghiên cứu

Hiện tại, đã có nhiều nghiên cứu về khả năng sử dụng nguyên liệu lúa gạo vàcác loại ngũ cốc khác trong sản xuất malt và bia Việc sử dụng và phát triển các loạimalt ngũ cốc khác nhau bên cạnh malt lúa mạch để sản xuất bia đã được quan tâm ởnhiều nước trên thế giới, điển hình như sản phẩm bia từ lúa mì, bia “kaffir” châuPhi từ lúa mạch đen, “tesguino” ở Trung Mỹ từ malt ngô và “zutho” ở Ấn Độ làm từmalt lúa gạo, Các công trình về sản xuất và ứng dụng malt lúa gạo trong sản xuất

bia của Capanzana & Buckle (1997), Usansa et al (2009, 2011), Marconi et al.

(2014), Mayer et al 2016) là những tiền đề quan trọng cho việc thử nghiệm sản

xuất bia từ malt gạo Trong đó, việc sản xuất malt từ lúa gạo được thực hiện với thờigian ngâm 24 giờ ở 25°C hoặc 16 giờ ở 35°C, thời gian nẩy mầm 3, 6 hoặc 8 ngàytùy theo giống, nhiệt độ nẩy mầm 30°C giúp cải thiện hoạt động của enzyme nộisinh, kết hợp với quá trình sấy phù hợp để tạo ra malt lúa có màu sắc và mùi thơmmong muốn (Georgiana & Okafor, 1989; Capanzana & Buckle, 1997; Usansa,

2008; Ceppi and Brenna, 2010; Owusu-Mensah et al., 2014; Chandrasekar & Arasaratnam, 2015; Odo et al., 2016) Quá trình dịch hóa (thủy phân) cho malt lúa

và lên men được thực hiện trên cơ sở điều chỉnh công thức nấu tiêu chuẩn(Congress Mash) hay kết hợp với việc bổ sung enzyme amylase và enzymeprotease thương mại giúp cải thiện chất lượng

dịch nha và đáp ứng yêu cầu dinh dưỡng (chủ yếu là FAN) cho nấm men trong quá

trình lên men (Artit Kongkaew, 2012; Agu et al., 2012; Mayer et al., 2014; Mayer

et al., 2016; Deka et al., 2018; Ceccaroni et al., 2019).

Hiện tại, ở Việt Nam chưa có những nghiên cứu sâu về sự đóng góp và vai tròcủa lúa gạo nẩy mầm (malt lúa) trong công nghệ sản xuất bia cũng như không cóbáo cáo nào cho thấy quá trình này đã được thực hiện thành công tại một nhà máysản xuất của Việt Nam Một khía cạnh quan trọng khác của nghiên cứu này là lúagạo là một loại ngũ cốc không chứa gluten Tiêu thụ sản phẩm không chứa gluten là

phương pháp điều trị duy nhất cho những người bị bệnh celiac (Ceccaroni et al.,

2019) Như vậy, ngoài việc gia tăng tỷ lệ thế liệu như gạo thì khả năng sử dụng maltlúa để sản xuất bia tại các nhà máy của Việt Nam sẽ là một thách thức mới Do đó,việc tìm kiếm các giống lúa có chất lượng phù hợp cho công nghệ sản xuất malt vàbia là vấn đề cần thiết được thực hiện nghiên cứu nhằm góp phần trong việc chọnlựa, nâng cao giá trị kinh tế cho lúa gạo ở ĐBSCL nói riêng và Việt Nam nói chung.Nghiên cứu này nhằm cung cấp các thông tin về việc tuyển chọn và sử dụng giốnglúa phù hợp cho việc nẩy mầm (tạo malt lúa) như một nguồn nguyên liệu chínhcung cấp các thành phần như protein và carbohydrate để sản xuất bia Những thôngtin liên quan đến yếu tố thành phần dinh dưỡng, protein chức năng (kháng nhiệt,kháng protease), hệ enzyme trong quá trình chế biến malt và các công đoạn chế biếntiếp theo sẽ làm cơ sở cho việc tuyển chọn giống lúa thích hợp cho công nghệ sảnxuất bia

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

1.2.1 Mục tiêu chung

Đánh giá sự phù hợp của một số giống lúa ở đồng bằng sông Cửu Long chocông nghệ sản xuất malt và bia trên cơ sở sự biến động của các protein chịu nhiệt vàkháng protease trong quá trình chế biến

1.2.2 Mục tiêu cụ thể

Dựa trên sở của mục tiêu đề ra, nghiên cứu đuợc tiến hành với các mục tiêuchủ yếu như sau:

- Xác định giống lúa phù hợp cho công nghệ sản xuất bia

- Xác định điều kiện nẩy mầm và chế biến malt phù hợp cho công nghệ sảnxuất malt lúa

- Xây dựng quy trình nấu bia (dịch hóa) phù hợp cho malt từ giống lúa đượcchọn Đánh giá sự biến động của thành phần protein chức năng (kháng protease vàkháng nhiệt) sau quá trình nấu bia và lên men cho khả năng hình thành và ổn địnhbọt bia

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đề tài tiến hành nghiên cứu với đối tượng là năm giống lúa được trồng phổbiến ở Đồng bằng Sông Cửu Long (Việt Nam) gồm: IR50404, OM4900, OM5451,OM6976 và Jasmine85 Tiến hành xác định điều kiện ngâm và nẩy mầm thích hợptrong các khoảng thời gian và nhiệt độ khác nhau Giống lúa phù hợp được lựa chọnthông qua việc đánh giá các đặc tính chức năng của malt Từ giống lúa được chọn,xây dựng điều kiện chế biến malt vàng và rang với các thông số thích hợp phục vụcho quá trình dịch hóa Quá trình nấu và lên men dịch nha từ malt vàng có bổ sungmalt rang nhằm thu được bia từ malt lúa gạo Đồng thời đánh giá vai trò của cácprotein có chức năng hình thành và ổn định bọt trong bia

1.4 Ý nghĩa của luận án

1.4.1 Ý nghĩa khoa học

Luận án đạt ý nghĩa về cơ sở khoa học trong việc nghiên cứu ứng dụng cácphương pháp nghiên cứu vật lý, sinh học kết hợp với kỹ thuật sinh học phân tử(Điện di 1 chiều) để xác định tính phù hợp của giống lúa ở ĐBSCL cho công nghệsản xuất bia bên cạnh việc đánh giá sự thay đổi của thành phần axit amin, thànhphần polyphenol, đặc tính kháng oxi hóa của malt và dịch nha trong suốt quá trìnhsản xuất malt và bia từ lúa gạo

1.4.2 Ý nghĩa thưc tiễn

Việc lựa chọn giống lúa phù hợp được trồng phổ biến ở ĐBSCL có khả năngchế biến malt phù hợp và tạo được bia hoàn toàn từ lúa gạo Từ đó ứng dụng vàochuyển giao quy trình chế biến sản phẩm mang tính sinh học và sản phẩm đảm bảotiêu chuẩn Việt Nam Những thông tin, phương pháp, kết quả và tiềm năng ứngdụng của sản phẩm nghiên cứu sẽ giúp bổ sung kiến thức cho sinh viên ngành côngnghệ thực phẩm

Kết quả của đề tài góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế của lúa ở ĐBSCL Bêncạnh đó, từ giống lúa được chọn sẽ sản xuất được một loại bia hoàn toàn từ maltlúa, từng bước thay thế nguồn malt đại mạch nhập khẩu, góp phần hạ giá thành sảnphẩm bia và giúp người tiêu dùng có cơ hội tiếp cận một loại bia mới

1.5 Điểm mới của luận án

- Khẳng định được việc sử dụng lúa gạo và cụ thể là giống lúa IR50404 hoàntoàn có khả năng để thay thế malt đại mạch trong sản xuất malt và bia

- Tuyển lựa được giống lúa được trồng phổ biến ở ĐBSCL, có giá thành thấplàm nguyên liệu để sản xuất bia

- Đánh giá được đặc tính quan trọng của giống lúa có ảnh hưởng đến hiệu quảvà chất lượng bia lúa gạo là khả năng sinh tổng hợp protein mạch ngắn chịu nhiệtnhư LTP, khó bị thủy phân bởi hệ enzyme protease có trong malt – hay vai trò và sựtồn tại của protein bền nhiệt và kháng protease.

- Xây dựng các điều kiện nảy mầm và chế biến malt lúa gạo phù hợp

- Đề xuất các thông số kỹ thuật cho quy trình sản xuất bia từ malt lúa gạo giống IR50404

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.2 Giới thiệu về lúa gạo

2.2.1 Vai trò của lúa gạo

Lúa gạo là một trong những loại ngũ cốc cơ bản được tiêu dùng khắp thế giới,đặc biệt tại châu Á Gạo Indica trắng dài được sản xuất và tiêu thụ nhiều nhất, tiếp

đến là các loại gạo thơm (cũng thuộc họ Indica) và gạo Japonica (Marconi, 2017).

Sản xuất lúa gạo ở châu Á có nguồn gốc chính trị và xã hội sâu sắc và chiếm

khoảng 90% sản lượng toàn cầu (Hoogenkamp et al., 2017) Các quốc gia sản xuất

gạo lớn hiện nay là Trung Quốc, Ấn Độ, Indonesia, Bangladesh, Việt Nam và TháiLan (Juliano, 2015) Gạo đóng một vai trò quan trọng trong an ninh lương thực củacác nước đang phát triển trên thế giới Mức tiêu thụ gạo hàng ngày cao nhất trongcác nước châu Á, ước tính hiện tại Trung Quốc và Ấn Độ cùng chiếm 50% tổnglượng gạo tiêu thụ toàn cầu Gạo cung cấp gần 20% lượng calo cho con người trêntoàn thế giới, khiến nó trở thành cây trồng quan trọng nhất trong chế độ dinh dưỡngtoàn cầu của con người Ngoài ra, gạo là một trong những nguồn cung cấp proteinchính ở các nước châu Á và là nguồn protein thực vật dồi dào nhất ở Nhật Bản

(Hoogenkamp et al., 2017).

Lúa gạo chủ yếu là nhóm Oryza sativa L với một số nhóm Oryza glaberrima

L trồng ở Tây Phi Ước tính có khoảng 100.000 giống lúa, nhưng chỉ có một

tỷ lệ nhỏ được trồng Chúng khác nhau về trọng lượng, kích thước, hình dạng hạt,

độ trong suốt, tuổi thọ, sức sống của cây con và sắc tố (không màu, đỏ, đến tím đen) Việc lập trình tự hoàn chỉnh bộ gen lúa vào năm 2002 đã thúc đẩy việc sửdụng các chỉ thị phân tử trong nhân giống để tạo ra năng suất, khả năng chống chịustress phi sinh học và sinh học, và gần đây là đánh giá chất lượng hạt (Juliano,2015)

-Gạo được phân loại theo chiều dài hạt (dài, trung bình, ngắn), theo hình thức(japonica, indica, thơm, dại), theo hình thức chế biến (trắng, nâu, nấu chín) và theobất kỳ sự kết hợp nào của chúng (Hoogenkamp, 2015) Mặc dù gạo trắng, hạt dài làphổ biến nhất, nhưng các loại gạo khác nhau vẫn được giao dịch với khối lượng nhỏ

(Hoogenkamp et al., 2017).

2.1.2 Thành phần hóa học hạt lúa

Thành phần hóa học được phân bố đều trong hạt; trong nội nhũ chủ yếu là tinhbột, trong phôi là protein và có chứa khá nhiều chất béo Thành phần hóa học củahạt lúa phụ thuộc vào giống, đất đai trồng trọt, khí hậu và độ lớn của hạt lúa Cùngchung điều kiện trồng trọt và sinh trưởng, nhưng thành phần hóa học của gạo vỏngoài đỏ khác so với gạo vỏ trắng, thông thường hàm lượng chất béo và proteintrong gạo vỏ

ngoài đỏ cao hơn Cùng một giống lúa nhưng trồng tại các địa phương khác nhau thì

thành phần hóa học cũng khác nhau (Lề và ctv., 2009).

Bảng 2.1: Thành phần hóa học từng phần của hạt lúa

Carbohydrate: bao gồm tinh bột, đường, dextrin, cellulose và hemicellulose.

Hàm lượng gluxit ở các phần khác nhau của hạt lúa rất khác nhau và là nguồn chủyếu cung cấp calo Tinh bột là thành phần chủ yếu của hạt lúa chiếm đến 90% lượngchất khô của hạt gạo xát chủ yếu trong nội nhũ, trong khi đó trong toàn hạt gạo chỉchiếm khoảng 75% Thành phần cấu tạo của tinh bột lúa tẻ thường khoảng 17% làamylase và 83% là amylopectin, còn trong tinh bột nếp hầu như không có amylosemà gần như là 100% amylopectin Nhiệt độ hồ hóa của tinh bột gạo khoảng65÷70oC Đường trong lúa gạo tồn tại ở dạng chủ yếu là saccharose, ngoài ra còn cómột ít đường glucose, fructose và rafinose Trong hạt lúa nẩy mầm tồn tại đườngmaltose

Protein: hàm lượng protein trong lúa gạo không cao, tùy thuộc giống, điều

kiện canh tác khoảng 4,3÷18,2% Các giống lúa Việt Nam trong khoảng 7÷8% Cácgiống lúa nếp có hàm lượng protein cao hơn lúa tẻ Protein của lúa chủ yếu làglobulin và gluten (orizein), ngoài ra còn có một ít leucosin và promalin Gluten tậptrung nhiều ở nội nhũ, còn trong cám thì chứa nhiều globulin và leucosin hơn gạo,nghĩa là globulin và leucosin chủ yếu phân bố ở lớp vỏ trong, vỏ ngoài, lớp aleuronvà phôi hạt

Protein gạo chiếm khoảng 6-10% trọng lượng và bị ảnh hưởng bởi các điềukiện như lượng phân bón sử dụng và sự thay đổi thời tiết, và giống lúa (Juliano,

2015; Okuda et al., 2018) Khoảng 90% protein gạo tồn tại dưới dạng protein dự trữ

trong hạt được gọi là thể protein (PBs), bao gồm albumin (2-4%), globulin (5-13%),

prolamin (1-5%) và glutelin (60-80%) (Hoogenkamp et al., 2017; Okuda et al.,

2018) Phần albumin chứa protein có trọng lượng phân tử trong khoảng 10-200kDa, với protein 16 kDa và 60 kDa glycoprotein là chủ yếu Các phân đoạn proteinlà polypeptide có 16 kDa là γ-globulin và 21 kDa là α-globulin

Bảng 2.2: Hàm lượng các loại protein của lúa gạo

Hình 2.1: SDS-PAGE của protein tổng trong gạo

M: marker chuẩn; giếng 1: lúa đột biến protein nội nhũ; giếng 2: gạo tẻ

(Nguồn: Okuda et al., 2018)

Phần prolamin chứa các protein trong khoảng trọng lượng phân tử 10-17 kDa(chủ yếu là prolamin 13 kDa, 16 kDa và 10 kDa) Glutelin trong gạo bao gồm cácprotein có trọng lượng phân tử cao nằm trong khoảng từ 45-150 kDa Trong đó, một

số polypeptide 57 kDa, 34-37 kDa, 25 kDa, 21-23 kDa, 16 kDa và 14 kDa

(Hoogenkamp et al., 2017) Gạo thường không gây dị ứng, nhưng trong một số

trường hợp vẫn có người bị dị ứng với chất ức chế alpha-amylase/trypsin 14–16kDa và Oryza glyoxalase 33 kDa Cả hai chất này vẫn hoạt động trong gạo xát đãnấu chín Cho đến nay, trình tự acid amin duy nhất được xác định là chất ức chếtrypsin 15 kDa thuộc loại Bowman-Birk, một chất ức chế giả định 10 kDaproteinase/α-amylase và oryzacystatin 15 kDa - chất ức chế cysteinyl proteinase

(Ohtsubo & Richardson, 1992) Theo Izquierdo-Pulido et al (1994), các chất ức chế

protease đặc hiệu đối với protease cysteine (oryzacystatin), trypsin, chymotrypsinvà subtilisin được tìm thấy trong gạo Ngoại trừ chất ức chế subtilisin, mỗi chất ứcchế chủ yếu nằm trong phần

cám của gạo Điện di trên gel polyacrylamide bề mặt cho thấy rằng các chất ức chếprotease này là các protein trọng lượng phân tử thấp khác nhau, có kích thước từ11,5- 22,0 kDa Đặc tính của các chất ức chế này cho thấy độ ổn định pH rộng, ổnđịnh nhiệt lên đến 100oC (Izquierdo-Pulido et al., 1994).

Hầu hết các protein được tìm thấy trong gạo thể hiện tính chất hòa tan kém vìmức độ cầu nối S-S giữa các phân tử cao làm cho protein cám khó hòa tan hơn Độhòa tan là mối quan tâm chính đối với protein gạo và tùy thuộc vào quy trình được

sử dụng, quá trình thủy phân một phần (do sử dụng protease) có thể xảy ra trongquá trình chế biến để khắc phục điều này Protein cám gạo cho thấy khả năng tạobọt và độ ổn định tương đương với albumin trứng và các đặc tính tạo nhũ tươngđương với casein Nhiệt độ biến tính của albumin gạo, globulin và glutelin lần lượtlà 73,3°C, 78,9°C và 82,2°C Prolamin gạo không cho thấy bất kỳ sự biến đổi bởi

nhiệt nào được quan sát thấy trong phép đo nhiệt lượng quét vi sai (Hoogenkamp et

al., 2017).

2.1.3 Sản xuất protein từ gạo

Gần đây, các sản phẩm giàu protein làm từ gạo đã trở nên phổ biến vì nhữnglợi ích sức khỏe được công nhận và đặc tính không gây dị ứng Các sản phẩmprotein hòa tan từ gạo có thể cải thiện công thức của sữa bột dành cho trẻ sơ sinh.Cám gạo, hạt gạo tấm và cả phụ phẩm của quá trình sản xuất tinh bột gạo, có giá trịkinh tế thấp hơn nội nhũ gạo, là nguồn thứ phẩm tốt để thu hồi protein từ gạo.Ngoài ra, các sản phẩm làm từ gạo nẩy mầm cũng có mặt trên thị trường

Trong quá trình nẩy mầm, có rất nhiều thay đổi diễn ra mà cuối cùng có thểảnh hưởng đến chất lượng của ngũ cốc nẩy mầm (malt) Sự thay đổi bao gồm sựphá hủy

các thành tế bào và chuyển đổi tinh bột thành đường do hoạt động của các enzyme.Các enzyme được giải phóng khỏi lớp aleurone và có thể là scutellum cũng làmthay đổi cấu trúc của nội nhũ (Palmer, 1988; Box, 1989) Sự bắt đầu của quá trìnhnẩy mầm liên quan đến việc sản xuất acid giberellic hoạt động như một chất xúc tác

để sản xuất các enzyme thủy phân từ "pre-enzyme" có trong lớp aleurone Enzymeđược tạo ra trong lớp aleurone sau đó khuếch tán vào nội nhũ và hoạt động như mộtchất xúc tác cho sự biến đổi (Palmer, 1980) Hoạt động của enzyme là cao nhấttrong giai đoạn đầu của sự nẩy mầm từ 2÷3 ngày đầu trùng với sự di chuyển củaacid gibberellic

Bên cạnh đó, các hoạt động sinh lý trong hạt ngũ cốc tăng lên do hoạt độngcủa các enzyme dẫn đến việc sử dụng các nguồn dự trữ trong hạt để sinh nănglượng và tăng trưởng (Ayernor & Ocloo, 2007) Tinh bột trong hạt giảm khi sự nẩymầm tiến triển do hoạt động của các enzyme thủy phân như α và β-amylase Cácenzyme này thủy phân tinh bột thành các carbohydrate trọng lượng phân tử thấp

như maltose, glucose và dextrin (Zeeman et al., 2007) Điều này ngụ ý rằng khi thời

gian nẩy mầm lâu hơn, tinh bột còn lại ít hơn trong nội nhũ Các loại đường và acidamin được giải phóng trong giai đoạn này được sử dụng để xây dựng các tế bào và

mô mới cho hạt nẩy mầm (Ayernor & Ocloo, 2007) Dấu hiệu nhận biết kết thúc quátrình nẩy mầm có thể dễ dàng nhìn thấy đó là sự xuyên thủng cấu trúc bề mặt quanh

vị trí của phôi trên hạt gạo của các rễ mầm, sau đó là các quá trình chuyển hóa cácchất dự trữ kết hợp cùng với quá trình phát triển của cây con (Bewley, 1997)

2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự nẩy mầm

Theo trích dẫn của Srimany (2012) thì sự nẩy mầm của hạt phụ thuộc vào cảđiều kiện bên trong và bên ngoài, gồm có:

- Nước: yếu tố cần thiết cho sự nẩy mầm, việc hấp thụ nước bởi hạt được gọilà sự thấm hút, dẫn đến trương nở và phá vỡ lớp vỏ hạt Khi hạt hút nước, cácenzyme thủy phân được kích hoạt làm phá vỡ các nguồn chất dự trữ này thành cácchất có ích cho sự chuyển hóa Sau khi mầm xuất hiện từ lớp vỏ hạt và bắt đầu có rễvà lá, chất dự trữ thường bị cạn kiệt; tại thời điểm này quang hợp cung cấp nănglượng cần thiết cho sự tăng trưởng liên tục thành cây con đòi hỏi phải cung cấp liêntục nước, dinh dưỡng và ánh sáng

- Ô-xi: được sử dụng trong hô hấp, nguồn năng lượng của cây con cho đến khi

nó mọc lá Một số hạt có lớp vỏ hạt không thấm nước ngăn ngừa ô-xi xâm nhập vàohạt gây ra một kiểu ngủ đông, khi lớp vỏ hạt mở ra đủ để cho phép trao đổi khí vànước hấp thu từ môi trường

- Nhiệt độ: ảnh hưởng đến tỷ lệ trao đổi chất và tăng trưởng tế bào Hạt thường

có một phạm vi nhiệt độ thích hợp cho quá trình nẩy mầm Nhiều hạt nẩy mầm ởnhiệt độ hơi cao hơn nhiệt độ phòng 16÷24oC, trong khi những hạt khác nẩy mầm ở

nhiệt độ thấp hơn và một số khác nẩy mầm chỉ để phản ứng với sự thay đổinhiệt độ giữa nóng và lạnh Một số hạt cần phơi nhiễm với nhiệt độ lạnh để phá vỡtrạng thái ngủ Hạt giống trong trạng thái không hoạt động sẽ không nẩy mầm ngay

cả khi điều kiện thuận lợi Hầu hết các loại thực vật thường gặp đều có nhiệt độ nẩymầm tối ưu trong khoảng 24÷32oC, mặc dù nhiều loài có thể nẩy mầm ở nhiệt độthấp hơn đáng kể, ở mức 4oC

- Ánh sáng hoặc bóng tối: hầu hết các hạt giống không bị ảnh hưởng bởi ánhsáng hoặc bóng tối, nhưng nhiều hạt giống, kể cả các loại được tìm thấy trong môitrường mát, sẽ không nẩy mầm cho đến khi một có ánh sáng đầy đủ cho sự pháttriển của cây con

2.2.3 Sự thay đổi dinh dưỡng trong hạt nẩy mầm

Theo mô tả của Srimany (2012), thì các thành phần hóa học dự trữ nhưprotein, tinh bột và chất béo bị phân hủy bởi các enzyme thành các hợp chất đơngiản được sử dụng để tạo ra các hợp chất mới

- Tăng chất lượng protein: việc chuyển đổi các protein dự trữ trong hạt ngũcốc (albumin và globulin) trong quá trình nẩy mầm có thể cải thiện chất lượng củacác protein ngũ cốc Nhiều nghiên cứu đã cho thấy sự gia tăng hàm lượng acid aminlysine trong quá trình nẩy mầm Sự gia tăng hoạt tính protease trong suốt quá trìnhnẩy mầm, quá trình thủy phân prolamin và các acid amin được tạo ra như glutamicvà proline được chuyển thành các acid amin như lysine

- Sự gia tăng hàm lượng chất xơ thô: sự tổng hợp các carbohydrate cấu trúcnhư cellulose và hemicellulose Hàm lượng chất xơ tăng từ 3,75% trong hạt lúamạch không nẩy mầm đến 6% sau 5 ngày nẩy mầm

- Tăng acid béo thiết yếu: Sự gia tăng hoạt tính lipolytic trong quá trình nẩymầm và gây ra sự thủy phân triacylglycerol thành glycerol và các acid béo

- Sự gia tăng hàm lượng vitamin: quá trình nẩy mầm giúp cải thiện giá trịvitamin, đặc biệt là các vitamin nhóm B Một số vitamin như α-tocopherol(Vitamin-

E) và β carotene (tiền vitamin-A) được sản xuất trong suốt quá trình tăng trưởng(Srimany, 2012)

2.3 Công nghệ sản xuất bia đại mạch

2.3.1 Sản xuất malt

Sản xuất malt (malting) là một quá trình nẩy mầm có kiểm soát nhằm mụcđích thay đổi chất lượng hạt Điều này liên quan đến việc giải phóng các hạt từ nộibào tế bào nội mô không hoạt động bằng các enzyme hoạt động trong quá trình nẩymầm và cân bằng tỷ lệ của các vật liệu dự trữ khác nhau của hạt (Ted, 2000;

Wolfgang, 2004).

Đại mạch

↓ Làm sạch

↓ Ngâm

↓ Nẩy mầm

↓ Sấy

↓ Làm sạch

↓ Malt

(Nguồn: Gupta et al.,

2010)

Hình 2.2: Quy trình sản xuất malt đại mạch

Mục tiêu chính của việc nẩy mầm là thúc đẩy sự phát triển của các enzyme

thủy phân không có trong các hạt không được nẩy mầm (Dewar et al., 1997;

Ayernor & Ocloo, 2007) Đặc tính quan trọng nhất của malt có chất lượng tốt làmức độ enzyme cao để làm giảm hàm lượng tinh bột và thu được lượng chiết xuất

cao (Subramanian et al., 1995).

Ngoài đại mạch là loại ngũ cốc chủ yếu được sử dụng trong công nghiệp sảnxuất bia thì một số loại ngũ cốc khác cũng được sử dụng để sản xuất malt như lúamiến và kê được sử dụng để chế biến các loại nước uống (Chitsika & Mudimbu,1992) Malt của ngô, lúa miến, lúa gạo và kê đã được sử dụng làm nguồn cung cấpenzyme cho các ngành công nghiệp nước giải khát và chế biến đường ở Ghana

(Dewar et al., 1997).

Sự thất thoát chất khô là kết quả của việc rửa, ngâm hạt đại mạch do các chấthòa tan trong hạt sẽ tan vào nước ngâm và mất đi, sự oxy hóa thành khí carbonic,nước và sinh nhiệt trong quá trình nẩy nầm và cuối cùng là sự loại bỏ rễ, bụi sauquá trình sấy Tổng thất thoát trong quá trình sản xuất malt dao động trong khoảng6÷12% khối lượng vật chất ban đầu của hạt đại mạch Ba bước liên quan đến việcsản xuất malt là ngâm, nẩy mầm và sấy khô

2.3.1.1 Ngâm (steeping)

Khi ngâm, hạt khô hấp thu nước làm tăng hàm lượng nước trong hạt, làm mềm

vỏ hạt, hạt tăng quá trình hô hấp Hoạt động của các enzyme một phần từ sự tái hoạthóa các enzyme dự trữ được hình thành từ sự phát triển của phôi và một phần từ sựtổng hợp các enzyme mới khi hạt bắt đầu nẩy mầm (Bewley & Black, 1994) Ngaysau khi có sự hấp thu nước của hạt, các enzyme sẽ tăng hoạt tính làm phân hủy các

vật chất dự trữ thành các loại đường đơn giản (Gallardo et al., 2001) Quá trình

ngâm giúp làm tăng chất lượng của malt ít nhất là về mặt chất lượng trong sản xuấtnước giải khát (Taylor & Dewar, 2001) Ở độ ẩm khoảng 30%, các tế bào sống củaphôi bắt đầu được kích hoạt – hạt bắt đầu nẩy mầm Quá trình ngâm được kiểm soátthông qua yếu tố nhiệt độ, thời gian sinh dưỡng, luân phiên giữa ngâm ẩm, làm ráovà thổi khí Lượng nước ngâm được sử dụng vào khoảng 2÷3,5 m3/tấn đại mạch.Thường các hạt được ngâm trong một thời gian ngắn và sau đó chất lỏng được thoát

ra để cho phép không khí tiếp xúc hạt Điều này cho phép ngũ cốc trải qua sự hôhấp hiếu khí Sự hô hấp cung cấp hầu hết năng lượng thúc đẩy quá trình trao đổi

chất của ngũ cốc cũng như sự phát triển của chồi và rễ (Wijngaard et al., 2005).

Ngoài ra, quá trình ngâm cũng giúp loại bỏ bụi, hạt lép, hỏng, sử dụng để làm tancác taninn do tannin sẽ kết hợp với enzyme amylase của malt Các phương phápthay thế nhằm khử hoạt tính tannin bằng kiềm loãng (sodium hydroxide) là mộtphương pháp an toàn và gần như hiệu quả hơn và hiện đang được sử dụng thương

mại ở Nigeria (Okolo et al., 2010).

2.3.1.2 Nẩy mầm (Germination)

Nẩy mầm là quá trình làm cho phôi phát triển thành rễ và mầm giúp sản xuấtmột lượng tối ưu các enzyme; thủy phân màng tế bào làm cho malt xốp, dễ xaynghiền; thủy phân các chất cao phân tử như: tinh bột, cellulose, protein thành nhữnghợp chất đơn giản Tuy nhiên, thường không cho phép sự phát triển của phôi thànhcây đại mạch mới để tối thiểu hóa lượng vật chất bị mất (Briggs, 1998) Tốc độ nẩymầm và cường độ biến đổi được kiểm soát bằng cách điều chỉnh độ ẩm và nhiệt độcủa hạt

Ở nhiệt độ 15÷17oC, hoạt tính enzyme α-amylase đạt cực đại ở ngày thứ10÷12 của quá trình nẩy mầm; ở nhiệt độ 28÷30oC hoạt tính enzyme α-amylase đạtcực đại ở ngày thứ 5÷8 Enzyme α-amylase chỉ hình thành khi có mặt của oxy, độẩm cao trong suốt quá trình nẩy mầm, nhiệt độ thấp làm kéo dài thời gian nẩy mầm.Đối với hạt đại mạch trước khi ngâm, hoạt tính enzyme α-amylase thường không cóhoặc thấp, khi trải qua 3÷4 ngày trong giai đoạn nẩy mầm thì hoạt lực tăng lên vàđạt cực đại vào ngày thứ 7 sau đó sẽ giảm xuống (Lượng, 2004) Enzyme β-amylasetồn tại ở dạng liên kết và tồn tại một số ít trong hạt chín hoàn toàn Hoạt tínhenzyme này tăng trong quá trình nẩy mầm, giá trị cực đại của nó còn tùy thuộc vàotừng khoảng nhiệt độ khảo sát Bên cạnh đó, các enzyme oxy hóa khử tăng mạnhnhất ở ngày thứ 4÷6 ở nhiệt độ nẩy mầm 27÷28oC Trong quá trình nẩy mầm cầnhạn chế ánh sáng chiếu vào để ngăn cản sự phát triển của diệp lục tố làm phát triểnthân lá dẫn đến làm tiêu hao chất khô Đồng thời trong giai đoạn nẩy mầm này hàmlượng ẩm của tăng dần do sự hình thành rễ và mầm (Nguyễn Đức Lượng, 2004)

Sự phân chia tế bào xảy ra mạnh Hàm lượng chất khô giảm đáng kể (Bewley

& Black, 1994) Khi quá trình ươm mầm kết thúc, hàm lượng các chất dự trữ thấpphân tử đạt tới 15-17% (đại mạch khô chỉ chứa khoảng 3÷4%) vật chất khô (Hòa,2002) Như vậy, sự tổn thất trong quá trình sản xuất malt là vật chất bị mất, tínhtheo trọng lượng khô trong việc chuyển hạt thành malt, chủ yếu là do sự tăng trưởngvà hô hấp của phôi Sự suy thoái từng phần của vật chất có trọng lượng phân tử caotrong hạt cũng làm thay đổi sản lượng và tăng tổn thất malt (Ayernor & Ocloo,2007) Sự hao hụt tăng lên do gia tăng thời gian nẩy mầm (Ogundiwin & Ilori,1991) Theo Ayernor & Ocloo (2007), mức hao hụt được đánh giá là cao nhất trongmalt sau 9 ngày nẩy mầm (59,75%)

2.3.1.3 Sấy (kilning)

Sấy là quá trình được thiết kế để giảm hàm lượng nước trong hạt nẩy mầm từtrên 43% đến dưới 5% Việc giảm độ ẩm làm ổn định hạt và cho phép khả năng tồntrữ lâu dài, ức chế tất cả quá trình sống trong malt (hoạt động của enzyme và sựthay đổi trong hạt) vì vậy nội nhũ không hoàn toàn cạn kiệt chất dự trữ do hô hấp vàsự phát triển của mầm Sấy là giai đoạn cuối của quy trình làm malt liên quan đếnviệc làm khô malt non trong điều kiện nhiệt độ dao động từ 45÷60oC trong 8÷24 giờtùy theo mục đích của nhà sản xuất bia Quá trình này giúp bảo quản malt và làmthêm màu sắc, và hương vị cho malt thành phẩm Quá trình này được kiểm soát đểngăn chặn sự hoạt hóa của enzyme trong quá trình nẩy mầm Các malt hoàn chỉnhchứa các enzyme như α-amylase, β-amylase và maltase, có thể phân hủy tinh bộtthành maltose, glucose và các loại đường lên men đơn giản khác

Nhiệt độ sấy tối đa khoảng 40÷45oC (Owusu Mensah, 2009) hay 50oC (Okrah,2008) Malt non sau khi nẩy mầm được chuyển sang thiết bị sấy với mục đích: (1)Chấm dứt quá trình chuyển hóa và phát triển của hạt đại mạch; (2) Thực hiện quátrình đạm hóa và một phần các phản ứng thủy phân tạo nguồn chất tan khác hỗ trợcho công đoạn nấu; (3) Giảm độ ẩm đến giá trị cần thiết cho bảo quản, và thuận lợicho quá trình nghiền; (4) Bảo tồn lượng enzyme đã hình thành trong quá trình nẩymầm; (5) Tạo màu và hương vị cho malt Trong quá trình sấy, có sự phát triển củamàu sắc và tăng hương vị được chấp nhận Sự phát triển màu là sắc kết quả từ phảnứng giữa đường và các acid amin ở nhiệt độ cao để hình thành melanoidins theophản ứng Maillard (Palmer, 2006) Sau quá trình sấy, các gốc rễ được cắt và loại bỏ

* Tác động của quá trình sấy tới chất lượng malt

Malt tươi có độ ẩm cao (khoảng 45%) nên khó bảo quản, mùi vị và thành phầnhóa học không phù hợp để sản xuất bia: hầu như là không có chất màu, chất thơm,thành phần protein trong malt tươi có thể làm giảm độ bền hóa lý của bia (dễ bị đục,không bền bọt), khó có thể nghiền vỡ thành bột Trong quá trình sấy, ở giai đoạnđầu

khi độ ẩm còn quá cao và nhiệt độ thấp (37÷40oC) thì hoạt động của các enzymethủy phân còn diễn ra và đôi khi xảy ra mạnh hơn trong giai đoạn nẩy mầm Khi độẩm còn cao và nhiệt độ sấy cao sẽ gây biến tính protein gây ảnh hưởng đến hoạt tínhenzyme Vì vậy khi độ ẩm hạt còn cao thì phải tiến hành sấy ở nhiệt độ thấp và khi

độ ẩm hạt hạ xuống đến mức cho phép an toàn cho enzyme thì mới bắt đầu tăngnhiệt độ sấy, nhưng nhiệt độ sấy không làm xảy ra phản ứng caramel hóa, phản ứngmelanoidin (Lượng, 2004)

Theo Nguyễn Xuân Ngạch (2010), malt có độ ẩm cao khi tăng nhiệt độ sấy sẽtạo nên malt ở dạng keo khô vì ở khoảng nhiệt độ trên 60oC, xảy ra hiện tượng hồhóa tinh bột, nếu tiếp tục nâng nhiệt thì tinh bột sẽ chuyễn sang trạng thái thoái hóakhi đó hạt trở nên cứng Trong giai đoạn này, dưới tác dụng của enzyme proteasemột số protein sẽ bị hòa tan và thấm vào hạt tinh bột và chuyển sang dạng keo khi

bị mất nước Khi đó độ hòa tan và dịch chiết của malt sẽ giảm Các giai đoạn biếnđổi của malt trong quá trình sấy gồm:

- Thời kì sinh lý: khi nhiệt độ sấy tăng dần và đạt 45oC, malt và rể vẫn tiếp tụcphát triển, độ ẩm còn khoảng 30%, sự thủy phân do enzyme vẫn còn tiếp tục

- Thời kì men (enzyme): Nhiệt độ sấy tăng từ 45÷70oC, các quá trình sống bịdừng lại Mầm rể ngưng phát triển, hô hấp ngưng nhưng quá trình thủy phân và cácbiến đổi khác trong nội nhủ vẫn xảy ra rất mạnh vì nhiệt độ tối thích của đa số mennằm trong khoảng 45÷60oC

- Thời kì hóa học: Nhiệt độ sấy tăng từ 70÷105oC, hoạt động enzyme bị ngừngtrệ và một số enzyme bị vô hoạt một phần do nhiệt độ cao Ở nhiệt độ 60oC enzymeamylase bị giảm hoạt tính

- Malt thóc khi sấy ẩm giảm xuống 2÷3% thì có thể với nhiệt độ cao enzymetổn thất không lớn (Lương Đức Phẩm, 2011)

2.3.1.4 Các loại malt đặc biệt

Malt đại mạch có thể được phân thành các loại khác nhau như malt nhạt vàmalt đen Các loại malt màu (loại Munich) được sản xuất trong lò sấy (nung) sửdụng nhiệt độ cao (đến 105°C), trong khi loại malt caramel và các malt rang đượcthu được bằng cách gia nhiệt malt non và malt pilsner (lên đến 220-250°C) Đối vớicác loại malt caramel, bước ủ nóng malt non được thực hiện trước quy trình rang

giúp tăng lượng carbohydrate và protein thủy phân (Lucie et al., 2012) Malt đen

(sậm màu) là thành phần quan trọng cho việc sản xuất một số loại bia sậm màu.Những loại malt này không chỉ tạo ra màu sắc, hương vị và hoạt tính chống oxy hoácho bia, chúng còn ảnh hưởng đến quá trình lên men và sản xuất các chất chuyểnhóa trong quá trình lên men (Coghe & D’Hollander, 2005)

Theo trích dẫn của Furukawa Suárez et al (2011) thì các loại malt đặc biệt

được sản xuất bằng cách điều chỉnh chương trình sấy, bắt đầu quá trình sấy nhanhkhoảng 63oC khi malt vẫn có hàm lượng ẩm cao và dần dần nhiệt độ sấy được nânglên đến nhiệt độ cuối cùng khoảng 99oC Chu trình sấy và độ ẩm của không khí cóliên quan trong đến hương vị và màu sắc cuối cùng của các malt Tuy nhiên, các quytrình ủ malt có thể thay đổi tùy thuộc vào tính chất hóa lý và các thuộc tính cảmquan của malt sậm màu mà nhà sản xuất bia yêu cầu Một trường hợp đặc biệt là sảnxuất malt nâu còn được gọi là “turbo Munich”, Brumalt (Brühmalz) và rH malt,trong đó sự tạo thành mong muốn của phản ứng hóa nâu (melanoidin) đặc trưngtrong malt được tạo ra bởi sự nẩy mầm ở 18°C đến 20°C trong 5 đến 6 ngày vớilượng CO2 còn lại trong 36 giờ cuối của giai đoạn này Điều này hạn chế sự hô hấpvà tăng trưởng của cây con, nhưng hoạt tính của các enzyme nội sinh vẫn cònnguyên vẹn ở nhiệt độ cao tương đối (khoảng 40°C đến 50°C) tạo ra lượng lớn cácphân tử đường và phân tử acid amin có liên quan đến các phản ứng hóa nâu khôngenzyme trong giai đoạn sấy 55÷60°C trong 9÷11 giờ và sấy 85°C trong 3÷4 giờ.Bên cạnh đó, các ester và acid hữu cơ được tạo thành nhưng ở mức độ thấp Nhữngloại malt này thúc đẩy sự ổn định hương vị và cảm giác ngon miệng Các loại maltmàu được phân loại như sau: Malt Pale: 5,5÷7,5 EBC, Malt Vienna: 6÷9 EBC, MaltMunich (loại I: 12÷18 EBC, loại II: 22÷28 EBC, Brumalt (Brühmalz): 30÷40 EBC,

Malt Melanoidin: 60÷80 EBC (Furukawa et al., 2011).

 Crytals malt

Crytals malt còn được gọi là malt caramel và sự đường hóa chủ yếu được hìnhthành trong quá trình rang Việc sản xuất loại malt này khác với các loại malt rangchủ yếu là malt non được rang trực tiếp mà không qua công đoạn sấy Phương pháprang này sẽ làm cho bề mặt trấu của hạt khô trong suốt phần đầu của chu trình Hạtsau đó xử lý nhiệt độ cao hơn để tối đa hóa hoạt động của tất cả các enzyme nộisinh của nhân hạt Khi nhiệt độ của malt đã đạt đến 65÷75°C với độ ẩm malt 45%,các enzyme bắt đầu thủy phân tinh bột Sau chuỗi phản ứng này, malt được làm khôxuống 5÷6% độ ẩm với nhiệt độ rang cao hơn từ 80÷145°C Trong giai đoạn cuốinày màu sắc và hương vị được phát triển bởi phản ứng nâu không có enzyme vàphản ứng caramel hoá Nhiệt độ rang cao hơn, hàm lượng của các hợp chất dị vòngthu được nhiều sau đó malt được làm mát để ngăn chặn bất kỳ phản ứng tiếp theo.Dãy màu của nhóm malt này rất rộng trong khoảng 2,5 EBC đến hơn 450 EBC

(Furukawa et al., 2011).

Hình 2.3: Màu sắc của các loại malt đại mạch khác nhau

(Nguồn: http://buhlergroup.com/cocoa-and -nuts - 23/5/2017)

la, cà phê, mùi cháy Trong suốt quá trình rang, tạo ra các sản phẩm phụ phenolic,cung cấp hương vị khói và đinh hương trong các sản phẩm rang Các loại malt này

được phân loại theo độ màu từ 450÷1400 EBC (Furukawa et al., 2011).

2.3.2 Quá trình đường hóa (mashing)

Mục tiêu của quá trình này là thủy phân tinh bột, protein, lipid, beta glucans,

pentosans và xylans để tạo ra môi trường dinh dưỡng có thể lên men (Briggs et al.,

2004; Kuntz & Bamforth, 2007) Nhiệt độ tối ưu cho hoạt động α-amylase trongquá trình này trong khoảng 55°C và 60°C, trong khi β-amylase là nhiệt độ không ổn

định, có hiệu quả giữa 50°C và 55°C (Sivaramakrishnan et al., 2006) Enzyme

protease có thể hoạt động ở nhiệt độ 45÷50°C và lượng acid amin tự do (FAN) đượcxác định là sản phẩm của hoạt động enzyme này Acid amin tự do là điều cần thiếtcho sự phát triển và lên men của nấm men Nhiệt độ tối ưu cho hoạt động của các hệenzyme thủy phân trong quá trình dịch hóa: 45÷50°C cho protein và phần còn lạicủa β-glucanase, 62÷65°C cho sản xuất maltose, 70÷75°C cho việc đường hóa,nhiệt độ cuối cùng 75÷78°C Chỉ có dịch đường hóa được sử dụng cho sản xuất bia,và phần còn lại của ngũ cốc phải được tách ra, loại bỏ được và bán làm thức ăn chănnuôi (Kongkaew, 2010)

Bảng 2.3: Vai trò của enzyme trong các công đoạn sản xuất bia.

Chế biến

nhiệt

- Giảm độ nhớt

bia “sáng”

Debranching enzyme Thủy phân liên kết α-1,6 Đảm bảo khả năng lên

men tối đa

FAN

Cải thiện malt và hoạt động nấm men

Pentosanase/xylanase Thủy phân pentosans Cải thiện chiết xuất và

protein-polyphenolic

Giảm độ đục

(Nguồn: Carvalho, 2004).

Nhiệt độ (oC;oF)

Thời gian (phút)Hình 2.4: Một số chương trình nhiệt trong quá trình đường hóa

(Nguồn: Bosch Codern, 2013)

2.3.3 Nấu hoa houblon

Đun sôi dịch đường hóa với hoa houblon là một quá trình phức tạp, trong đó

có nhiều phản ứng hóa học, vật lý và sinh hóa xảy ra Sản phẩm đun sôi được làmnguội và sử dụng làm dung môi dinh dưỡng cho quá trình lên men Theo trích dẫncủa Willaert (2006) thì sự hình thành kết tủa nóng trong quá trình đun sôi gồm: (1)Các phức chất protein - polyphenol và các phức chất protein - polyphenol oxi hóakhông tan trong nước sôi và kết tủa nóng; (2) Các hợp chất được hình thành từ cácsản phẩm phân huỷ protein và các polyphenol Các polyphenol không liên quan trựctiếp đến sự đông tụ protein bởi vì phức hợp protein-polyphenol được dựa trên cácliên kết hydro Sự hình thành các phức chất nóng bị ảnh hưởng bởi thời gian sôi,khuấy trộn mạnh mẽ của môi trường sôi (làm cải thiện phản ứng giữa các protein vàpolyphenol) và độ pH thấp khoảng 5,2 do sự đông tụ diễn ra ở điểm đẳng điện củaprotein Việc loại bỏ các protein gắn kết là rất quan trọng đối với thành phần và chấtlượng của bia (hương vị và độ ổn định keo) Hàm lượng nitơ kết dính trong dịch nhachưa đun sôi có trong khoảng 35÷70 ppm và giảm trong suốt quá trình đun sôi còn15÷25 ppm với giá trị tối ưu khuyến cáo 15÷18 ppm Nồng độ nitơ kết dính thấp cólợi cho sự ổn định keo tốt trong bia hoàn thành