tiểu luận tìm hiểu quá trình lên men trong công nghệ sản xuất bia

Để tạo ra được bia đạt chất lượng thu hút sự quan tâm củanhiều người thì quá trình lên men bia là một trong những nhân tố quan trọng.. Cơ sở khoa học của quá trình lên men: Khi tiến hành

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HCM

KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

Môn: Công nghệ sản xuất rượu, bia, nước giải khát



TIỂU LUẬN TÌM HIỂU QUÁ TRÌNH LÊN MEN TRONG CNSX BIA

GVHD: Hoàng Thị Ngọc Nhơn

SVTH: NHÓM 5

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành tiểu luận này, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô Hoàng Thị Ngọc Nhơn đã truyền đạt kiến thức và kinh nghiệm cho chúng em trong suốt quá trìnhthực hiện đề tài

Dù đã cố gắng nhưng không thể tránh khỏi những sai sót Rất mong sự thông cảm vàđóng góp ý kiến của cô và các bạn để đề tài được hoàn thiện

Cuối cùng, xin kính chúc cô và các bạn sức khỏe, luôn thành công trong công việc vàcuộc sống

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

TP Hồ Chí Minh, tháng 10, năm 2021

SVTH

MỤC LỤC

MỤC LỤC 3

DANH MỤC HÌNH ẢNH 4

MỞ ĐẦU 5

1 Tìm hiểu chung về lên men bia 6

2 Sinh tổng hợp các sản phẩm của quá trình lên men bia 7

2.1 Sinh tổng hợp các sản phẩm chính của quá trình lên men bia 7

2.2 Sinh tổng hợp sản phẩm phụ 9

3 Kỹ thuật lên men bia 9

3.1 Các giai đoạn lên men bia 9

3.2 Mục đích của quá trình lên men 13

3.3 Các phương pháp lên men 14

4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men bia 17

4.1 Chất lượng của nấm men sản xuất 17

4.2 Lượng nấm men gieo cấy ban đầu 18

4.3 Nồng độ chất hòa tan của dịch đường houblon hóa 18

4.4 Nhiệt độvà áp suất lên men chính 19

4.5 Cường độ khuấy đảo dịch lên men 19

4.6 Nồng độ của sản phẩm lên men 20

5 Thiết bị lên men và mặt bằng lên men bia 20

5.1 Thiết bị và mặt bằng lên men chính 20

5.2 Mặt bằng và thiết bị lên men phụ 23

KẾT LUẬN 26

TÀI LIỆU THAM KHẢO 27

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hìhh 1 Bọt khí phủ bề mặt dịch nha 10

Hình 2 Tank lên men dạng hình phễu 11

Hình 3 Sự bão hòa CO2 13

Hình 4 Một số thương hiệu điển hình bia Lager 15

Hình 5 Thương hiệu bia ale 15

Hình 6 Bia lên men tự nhiên 16

Hình 7 Nấm men cấy lên men 18

Hình 8 Thiết bị lên men chính 21

Hình 9 Thiết bị lên men phụ 24

MỞ ĐẦU

Bia được nói là tổng thể của loại đồ uống chứa cồn được sản xuất bằng quá trình lênmen của đường lơ lửng trong môi trường lỏng và nó không được chưng cất sau khi lênmen Bia là loại đồ uống có độ cồn thấp, giàu dinh dưỡng Ngoài việc cung cấp mộtlượng calori khá lớn, trong bia còn chứa một hệ enzim khá phong phú, đặc biệt là nhómenzim kích thích tiêu hóa amylaza Được sản xuất từ các nguyên liệu chính là đại mạchươm mầm, hoa houblon và nước với một quy trình công nghệ khá đặc biệt, cho nên bia

có tính chất cảm quan rất hấp dẫn đối với con người: hương thơm đặc trưng, vị đắng dịu,lớp bọt trắng mịn, với hàm lượng C02 khá cao (4 – 5g/l) giúp con người giải khát mộtcách triệt để khi ta uống Nước ta nằm trong vành đai khí hậu nhiệt đới có ưu điểm là thịtrường giải khát lớn Mặt khác, các nhà sản xuất bia lon xuất khẩu không nhiều Do chínhsách mở cửa của nhà nước các thương hiệu bia nước ngoài tràn ngập vào thị trường ViệtNam tạo ra sức cạnh tranh rất lớn

Vì vậy, nước ta cần tạo ra một loại bia có chất lượng cao và giá thành sản phẩm ổnđịnh, đẩy mạnh xuất khẩu Để tạo ra được bia đạt chất lượng thu hút sự quan tâm củanhiều người thì quá trình lên men bia là một trong những nhân tố quan trọng Chất lượngcủa bia được xem như là kết quả từ các quá trình hoạt động của nấm men Vì thế, để cóđược bia chất lượng đáp ứng được nhu cầu người tiêu dùng thì đây cũng là vấn đề củanhiều nhà sản xuất kinh doanh cũng như những người học công nghệ Sau đây là phầntìm hiểu thông tin chi tiết về công nghệ sản xuất bia nói chung cũng như quá trình lênmen bia nói riêng Trong quá trình tìm hiểu và thu nhận thông tin chắc chắn sẽ khôngtránh khỏi được những sai sót Do đó, nhóm sinh viên chúng em mong nhận được những

ý kiến đóng góp của Cô để có thể hoàn thiện đề tài tiểu luận về: “ Lên men bia”

1 Tìm hiểu chung về lên men bia

Khái niệm lên men: Lên men bia là quá trình chuyển hóa dịch đường houblon hóa thành

bia dưới tác động của nấm men thông qua hoạt động sống của chúng Đây là quyết địnhquan trọng quyết định cho chất lượng bia và hiệu suất sản xuất

Mục đích lên men:

Nhờ tác động của các enzyme trong nấm men chuyển hóa các chất có trong dịch lên menthành rượu Co2 cùng với những sản phẩm khác góp phần tạo mùi tạo hương vị đặctrưng

Cơ sở khoa học của quá trình lên men:

Khi tiến hành lên men dịch đường houblon hoá, một lượng lớn cơ chất, chủ yếu là đường

và dextrin bậc thấp bị nấm men hấp thụ để tạo thành rượu etylic, khí C02 và các sảnphẩm phụ Ngoài ra các glucid bị tác động mạnh, các thành phần khác của dịch đườngcũng chịu những thay đổi lớn Một thành phần do bị nấm men đồng hoá và bị biến đổithành những hợp chất khác nhau, còn một số khác thì chuyển đổi thành trạng thái khônghoà tan và tách ra ngoài dưới dạng kết lắng Tất cả những điều đó dẫn đến một sự thayđổi lớn về lượng và biến đổi sâu sắc về chất trong các cấu tử hợp thành chất hoà tan củadịch đường

Ta thấy rằng hàm lượng chất hoà tan trong bia là thấp hơn so với dịch đường houblonhoá Nguyên nhân giảm này là do 3 lí do sau:

 Do nấm men tiêu tốn một phần để cung câls năng lượng cho việc phát triển sinhkhối

 Do một phần sản phẩm tạo thành là hợp chất dễ bay hơi

 Do một phần bị kết lắng

Tổng lượng chất hoà tan đã bị tiêu hao trong thời gian lên men chính( kể cả phần tiêu hao

do kết lắng) gọi là chất chiết đã lên men Khối lượng chất chiết đã lên men đã lên menbiểu thị bằng phần trăm so với lượng chất hoà tan ban đầu của dịch đường,gọi là mức độlên men hay độ lên men Một phần chất hoà tan ban đầu của dịch đường houblon hoá tồntại trong bia như một cấu tử hợp thành chất hoà tan của nó, gọi là chất chiết không lênmen hay chất khô sót

Trong thành phần của chất hoà tan ban đầu của dịch đường nấm men có thể hấp thụ đượcmột phần rất lớn, phần đó được gọi là chất chiết có khả năng lên men, phần còn lại nấmmen không có khả năng hấp thụ gọi là chất chiết không lên men Khối lượng của chấtchiết có khả năng lên men biểu thị bằng phần trăm theo lượng chất chiết ban đầu của dịchđường houblon hoá, gọi là độ lên men cuối cùng

Độ lên men và độ lên men cuối cùng của các loại bia khác nhau dao động trong khoảngrất lớn Đây là những chỉ số cơ bản và đặc trưng cho chủng loại và chất lượng của bia.Những chỉ số này có thể điều chỉnh được thông qua việc điều khiển các quá trình hoásinh ở giai đoạn sản xuất dịch đường.

Về lý thuyết thì toàn bộ lượng chất chiết có khả năng lên men, có thể sẽ được lên menhoàn toàn Lúc đó độ lên men sẽ có giá trị bằng độ lên men cuối cùng Nhưng trong thực

tế sản xuất,không bao giờ độ lên men của một dịch đường lại có thể đạt đến độ lên mencuối cùng của nó Vấn đề ở đây là hoàn chỉnh chu trình lên men, xác định được điều kiện

ở mức độ tối ưu với mục đích cao nhất là giảm đến mức thấp nhất giữa hai chỉ số độ lênmen đó Và đây là một trong những tiền đề quan trọng nhất để thu nhận được các loại bia

có độ bền sinh học cao

Ở những nhà máy sản xuất bia theo phương thức cổ điển, quá trình lên men được thựchiện bằng các thùng hoặc các bể dạng hở Trong điều kiện như vậy, không phụ thuộcnhiệt độ cao hay thấp một nhiệt độ thì một lượng C02 cần thiết cho bia đã bị bay ra ngoài.Nghĩa là sau khi lên men chính hàm lượng C02 trong bia non chưa đạt đến mức bão hoàcần thiết Thực tế đó đaz buộc các nhà công nghệ phải đình chỉ quá trình lên men chínhkhi mà trong dịch lên men đó( bia non ) còn một lượng đáng kể các chất hoà tan, mà nấmmen có thể hấp thụ được ở điều kiện đoa để chuyển chúng sang một điều kiện khác: lênmen trong các thùng kín ở nhiệt độ thấp hơn Đây chính là giai đoạn của hai quá trình lênmen chính nhưng với tốc độ lên men thấp hơn nhiều so với giai đoạn đầu

Bình thường thì hàm lượng C02 ở trong bia thành phần phải đạt ít nhất là 0.35% khốilượng Con số này ở trong bia non sau khi lên men chính kết thúc là khoảng 0.15-0.2%.Như lượng C02 thiếu hụt đi ít nhất 0.2% Để bù vào lượng đó cần thiết phải lên men tiếp0.4% cơ chất nhưng vì quá trình bơm chuyển bia non từ khu vực lên men chính sang mặtbằng lên men phụ một phần C02 lại tiếp tục mất đi Do đó từ một lượng 0.4% lượng cơchất chắc chắn là không đủ lượng C02 cần thiết Hơn nữ, mức độ lên men như trên đã nói

là không bao giờ đạt đến độ lên men cuối cùng Cho nên thời điểm đình chỉ quá trình lênmen giảm xuống còn khoảng 30-35% so với lượng chất chiết ban đâù có như vậy trongquá trình lên men phụ, một lượng cơ chất 1-1.2% tiếp tục bị lên men thìay ra bù đủ lượngC02 cần có

2 Sinh tổng hợp các sản phẩm của quá trình lên men bia

2.1 Sinh tổng hợp các sản phẩm chính của quá trình lên men bia: rượu etylic + CO2:

Quá trình lên men rượu bao gồm 11 giai đoạn (11 phản ứng):

 Phản ứng 1: Glucose được phosphoryl hóa ở C 6 để cho sản phẩm glucose-6-P, nguồn phosphate là ATP

Phản ứng xảy ra được là do sự xúc tác của hexokinase với sự có mặt bắt buộc của

Mg2+ Hexokinase không những xúc tác sự phosphoryl hóa glucose mà còn xúc tác sựphosphoryl hóa các hexose khác như fructose, manose

 Phản ứng 2: Chuyển hóa glucose-6-P thành fructose-6-P

Enzyme phosphohexose isomerase xúc tác sự chuyển hóa đồng phân glucose-6-Pthành fructose-6-P, biến một aldose thành một ketose

 Phản ứng 3: Phosphoryl hóa fructose-6-P thành fructose1,6 biphosphate

 Phản ứng 4: Phân cắt Fructose 1,6 biphosphate

Fructose1,6 biphosphate bị phân cách thành 2 phân tử triozophosphat cụ thể làaldehit 3 – phosphoglyxerinic và phosphodioxyaxeton Phản ứng này được sự xác tác củaenzim aldolase

 Phản ứng 5: Chuyển hóa nội phân tử triose phosphate

Chỉ một trong hai triose phosphate là aldose: 3-P glyceraldehyde tham gia tiếp vàoquá trình đường phân Nhưng dihydroxyaceton-P có thể được chuyển hóa thành 3-Pglyceraldehyde nhờ triose phosphate isomerase

 Phản ứng 6: Oxy hóa 3-P glyceraldehyde thành 1,3 biphosphoglycerate

Xúc tác cho phản ứng này là enzyme 3-P glyceraldehyde dehydrogenase, cócoenzyme NAD+, trong trung tâm hoạt động có nhóm –SH

 Phản ứng 7: Trong phản ứng này gốc phosphate cao năng của 1,3

biphosphoglycerate chuyển cho ADP để tạo ATP ( oxy hóa phosphoryl hóamức cơ chất) và 3P glycerate

 Phản ứng 8 : Chuyển hóa 3P glycerate thành 2P glycerate

(chuyển gốc P nội phân tử) nhờ enzyme phosphoglycerate mutase cần Mg2+ cho

hoạt động của nó Đây là phản ứng thuận nghịch:

 Phản ứng 9: 2P glycerate bị loại nước để tạo thành phosphoenolpyruvate là

phản ứng thuận nghịch được xúc tác bởi enzyme enolase

 Phản ứng 10: Chuyển nhóm phosphate từ phosphoenolpyruvate đến ADP,

phản ứng được xúc tác bởi pyruvat kinase, để tạo ATP và pyruvate

Pyruvat kinase bị kìm hãm bởi ATP, khi nồng độ ATP cao thì nó gây kìm hãm dịkhông gian Ở động vật có xương sống pyruvat kinase có ít nhất 3 isozyme, hơi khácnhau trong phân bố ở các mô và trong việc đáp ứng đối với những chất điều hòa(modulator)

Phản ứng 11: Chuyển hóa pyruvat thành rượu etylic:

Trong bước 1, pyruvate bị khử cacboxyl-hóa vốn được xúc tác bởi enzymepyruvate decarboxylase, enzyme này cần Mg2+ và có coenzyme là TPP Bước 2,acetaldehyde bị khử thành ethanol với NADH+H+ được tạo ra từ sự oxy hóa khử 3Pglyceraldehyde

Ngoài 2 sản phẩm chính là rượu etylic và khí cacbonic, trong quá trình lên men chínhcòn tao ra nhiều sản phẩm bậc hai hay còn gọi là sản phẩm phụ Những sản phẩm này đều

có vai trò quan trọng trong việc hình thành hương và vị của bia, mặc dù vai trò đó có thể

là tích cực và cũng có thể là tiêu cực Một số trong những sản phẩm bậc hai này là sảnphẩm trung gian của quá trình chuyển hóa đường thành rượu, còn một số khác là kết quảcủa những biến đổi hóa sinh phức tạp của những cấu tử khác trong dịch đường khi chúngtham gia vào quá trình trao đổi năng lượng trong tế bào nấm men

3 Kỹ thuật lên men bia

3.1 Các giai đoạn lên men bia

Nấm men bia thuộc giống rượu Saccharomyces, là loại nấm đơn bào đa công dụng dùngtrong sản xuất bia, rượu, rượu vang, bánh mì,

Lên men bia là một quá trình phức tạp và dẫn tới nhiều biến đổi sâu sắc trong dịchđường Nó được chia làm 2 giai đoạn chính: Lên men chính, lên men phụ

3.1.1 Lên men chính :

Là giai đoạn đặc trưng bằng tốc độ lên men cao có sự thay đổi nhanh chóng thành phầnhóa học dịch lên men; tạo nhiều nượu và CO2.Nhiệt độ của lên men cao hơn khi lên menphụ Tùy thuộc phương pháp lên men, sản phẩm của quá trình là bia non.

Trong quá trình lên men diễn ra sự trao đổi glucid ở tế bào nấm men, sự trao đổi lipid, sựtrao đổi các hợp chất nitơ, sự thay đổi pH, sự tạo thành các ester, sự thay đổi hàm lượngchất khô trong quá trình lên men, nấm men sử dụng đường trong dịch nha để tăng sinhkhối và lên men ethanol Tùy theo từng loại bia mà kết thúc quá trình lên men chính vàlên men phụ có độ Balling khác nhau

Hình 1 Bọt khí phủ bề mặt dịch nha

Giai đoạn sinh trưởng

Giai đoạn sinh trưởng hiếu khí: Đây là giai đoạn đầu của quá trình lên men Ở giai đoạnnày, nấm men nảy chồi và phát triển nhanh chóng, đạt cực đại là ở cuối ngày thứ 3 đồngthời là sự giảm nhanh nồng độ chất hòa tan trong dịch đường, nhiệt độ tăng dần và sựxuất hiện của nhiều bóng khí to, phủ kín bề mặt dịch nha

Giai đoạn sinh trưởng kỵ khí: Trong giai đoạn này nấm men vẫn tiếp tục sinh trưởngnhưng trong điều kiện không có oxy và nồng độ đường thấp Quá trình lên men chuyểndần từ kiểu lên men hiếu khí (để tăng sinh khối) sang lên men kỵ khí (len men rượu tạoC2H5OH, CO2 và một số sản phẩm phụ khác)

Nhiệt độ lên men

Nhiệt độ trong quá trình lên men tăng dần do quá trình trao đổi chất của nấm men có kèmtheo hiện tượng giải phóng nhiệt Do đó, để đảm bảo nhiệt độ luôn ổn định người tathường điều chỉnh nhiệt độ trong quá trình lên men một cách tự động, hay bán tự độngbằng cách tiếp khí CO2 lạnh vào tank, khuấy đảo để giảm nhiệt độ

Khi đón dịch vào tank lên men thì nhiệt độ điều chỉnh là 12°C, sau mẻ dịch cuối cùng12h thì tăng nhiệt độ lên 16°C Khi nhiệt độ tank ổn định ở 16°C thì tiếp giống, giốngđược tiếp vào tank ở nhiệt độ 18°C, ổn định sau 2h thì hạ nhiệt độ xuống 16°C để tiếnhành lên men chính.

Thực tế thì nhiệt độ đặt tự động trong tank và nhiệt độ thực luôn chênh lệch nhau, do đó,khi mực chênh lệch quá cao thì tiến hành tiếp khí CO2 lạnh và khuấy đảo để hạ nhiệt độtrong tank

Tank lên men có hai tầng nhiệt khác nhau, phía trên của tank lên men nhiệt độ cao hơnphía dưới (hình phễu), mặc dù nhiệt độ đặt là như nhau, nhưng nhiệt độ thật thì thay đổi

Hình 2 Tank lên men dạng hình phễu

Kết thúc quá trình lên men chính thì hạ nhiệt độ từ từ xuống 4°C tạo điều kiện cho quátrình lắng men và chuẩn bị cho lên men phụ

Áp suất lên men

Quá trình lên men thì áp suất của tank lên men sẽ tăng dần do giải phóng lượng CO2trong quá trình phân giải glucose, và quá trình tiếp CO2 lạnh để điều chỉnh nhiệt độ vì thếtank lên men trang bị hệ thống điều áp tự động

Áp suất lên men luôn duy trì ở 1atm, mặc dù áp suất luôn dao động, tuy nhiên không lớn

Áp suất của tank lên men trong quá trình đón dịch là 0.4atm

3.1.2 Lên men phụ:

Quá trình lên men phụ được tiến hành sau khi lên men chính nhằm chuyển hoá phầnđường còn lại sau quá trình lên men chính để tạo thành CO2 và các sản phẩm khác Ngoài

ra, quá trình lên mên phụ còn góp phần ổn định hương vị và độ trong cho bia thành phẩm

Điều kiện lên men phụ

Quá trình lên men phụ được thực hiện trong các tank lên men, được ổn định nhiệt độ và

áp suất Trong tank lên men có đặt ống dẫn CO2, đồng hồ đo áp lực, van an toàn, đườngống nhập và tháo liệu Nhiệt độ lên men là -0.5°C với áp suất P=1atm

Thời gian lên men: tuỳ thuộc vào từng loại bia, mùa sản xuất mà có thời gian lên men

khác nhau

Những biến đổi trong qúa trình lên men phụ cũng tương tự như các biến đổi trong quátrình lên men chính Trong đó, có những biến đổi rất quan trọng ảnh hưởng đến nhữngbiến đổi bia thành phẩm Đó là sự chín của bia non kèm theo sự điều chỉnh các tính chấtcảm quan của bia thành phẩm như: độ trong, độ bền, đặc trưng keo, màu sắc và hương vịbia

Sự giảm diacetyl

Trong giai đoạn này, nấm men sử dụng Diacetyl làm cơ chất và chuyển hoá chất nàythành aceton và 2,3-butadiol trong điều kiện kỵ khí Quá trình phân huỷ Diacetyl phụthuộc vào nhiệt độ, nhiệt độ càng lạnh thì càng chậm.Thông thường, giới hạn cho phépcủa diacetyl là ≤ 0,2mg/l thì mới được gọi là đã chín

Sự giảm acetaldehyde

Vì quá trình lên men phụ hàm lượng acetaldehyde tiếp tục giảm xuống do hoạt động traođổi chất của nấm men

Sự thay đổi hàm lượng các acid béo dễ bay hơi

Sự tổng hợp các acid béo mặt ngắn (từ C4÷C10) sẽ bị đình chỉ trong giai đoạn đầu củaquá trình lên mên phụ.Sau đó, nấm men sẽ kết nối các acid béo mặt ngắn thành triglycide

dự trữ trong tế bào Tuy nhiên, nếu quá trình lên men phụ kéo dài thì hàm lượng acid béotrong dịch lên men sẽ tăng do quá trình thuỷ phân glycide Sự có mặt các acid béo nàyảnh hưởng đến mùi vị của bia thành phẩm

Sự bão hoà CO 2 trong bia

Sự bão hoà CO2 phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất và thời gian lên men phụ Trong giaiđoạn này, quá trình lên men ethanol vẫn tiếp tục diễn ra kèm theo sự giải phóng CO2 vàotrong dịch lên men Tuy nhiên, chỉ có 15% lượng CO2 tạo thành được hấp thụ trong bia,tồn tại ở dạng hoà tan hoặc liên kết với các thành phần khác của dạng lên men

Hình 3 Sự bão hòa CO 2

Trong quá trình lên men phụ có những hợp chất không bền như este của acid cacbonic,chính những chất này làm cho CO2 thất thoát nhanh mỗi khi thay đổi áp suất đột ngộttrong tank lên men Acid cacbonic có thể liên kết với glycerin và glycol tạo nên các este

và còn có thể kết hợp với các acid lactic, aceton, 2,3-butylenglycal Như vậy, trong biaxuất hiện nhiều dạng liên kết hóa học và hoá lý khác nhau của CO2 Do đó, CO2 sinh rakhông chỉ tồn tại ở dạng khí, dạng hoà tan mà còn tồn tại ở dạng liên kết, ba dạng này cómối quan hệ qua lại với nhau

Trong quá trình này, ta nạp thêm CO2 vào tank lên men phụ để đạt áp suấtP=0,8÷1,13atm nhằm ngăn cản sự xâm nhập của vi sinh vật lại và tăng khả năng hoà tancủa CO2 trong bia

Sự tự trong của bia

Bia sau khi lên men chính chứa một lượng đáng kể tế bào nấm men và các hạt cặn mịn,

các hạt này bao gồm α-glucanglucan, ß-glucanglucan, pentosan, xác vi sinh vật và các muối oxalate

calcium Trong quá trình lên men phụ, dưới tác dụng của nhiệt độ thấp (2÷4°C) và ápsuất P=0,8÷1,13atm, các hạt này có xu hướng kết hợp lại với nhau thành những hạt lớn

và lắng xuống đáy bồn lên men Ở điều kiện này, qúa trình đông tụ nhựa houblon, đông

tụ các hợp chất tanin-protein cũng diễn ra.Tế bào nấm men cũng chịu ảnh hưởng củanhiệt độ thấp, áp suất cao cũng từ từ lắng xuống đáy thùng

3.2 Mục đích của quá trình lên men