ỨNG DỤNG ENZYM TRONG CÔNG NGHỆ SảN XUấT BIA

ỨNG DỤNG ENZYM TRONG CÔNG NGHỆ SảN XUấT BIATrong công nghệ sản xuất bia, người ta thường sử dụng enzym amylase có trong mầm đại mạch để thủy phân tinh bột có trong mầm đại mạch.. Nhờ sự

I ỨNG DỤNG ENZYM TRONG CÔNG NGHỆ SảN XUấT BIA

Trong công nghệ sản xuất bia, người ta thường sử dụng enzym amylase có trong mầm đại mạch để thủy phân tinh bột có trong mầm đại mạch Ngoài ra, người ta còn sử dụng các enzym khác có trong mầm đại mạch để thủy phân và chuyển hóa các chất không tan sang trạng thái tan như chuyển protein, cellulose,… sang amino acid và glucose Các quá trình công nghệ này đã được thực hiện hàng ngàn năm nay ở nhiều nước trên thế giới so với các loại enzym amylase từ các nguồn khác , amylase từ thóc đại mạch đã nảy mẩm được sử dụng với số lượng nhiều nhất hiện nay

Quá trình hạt đại mạch nảy mầm là quá trình sinh tổng hợp enzym amylase và nhiều enzym khác Nhờ sự tổng hợp ra những enzym này mà hạt tiến hành quá trình tự thủy phân tinh bột, protein và các hợp chất khác để cung cấp nguyên liệu

và năng lượng cho hạt nảy mầm đây là quá trình sinh lý bình thường của quá trình nảy mầm của hạt quá trình nảy mầm là quá trình trao đổi chất và là quá trình sinh

lý hạt chuyển từ trạng thái năng lượng dự trữ sang trạng thái năng lượng phát triển Lợi dụng quy luật sinh lý bình thường này của hạt, loài người đã biết can thiệp rất khoa học để quá trình để quá trình trên được tiến hành nhanh hơn, mạnh hơn và biết ngưng ở giai đoạn nhất dịnh, phục vụ cho mục đích của mình trong việc tạo ra sản phẩm là bia chứ không phải là cây lúa mạch như trong sản xuất nông nghiệp Tuy nhiên, xét về mặt kỹ thuật thấy có một số thiếu sót cơ bản

Thứ nhất : trong kỹ thuật nảy mầm, các chất khô có trong hạt sẽ bị tiêu hao Lượng chất khô bị tiêu hao trong quá trình này khoảng 12% so với tổng lượng chất khô có trong hạt sự tiêu hao này là điều khó tránh khỏi trong bất kì quá trình nảy mầm nào của hạt nếu so với tổng lượng thóc đại mạch được sử dụng để sản xuất bia của những nhà máy bia trên thế giới thì lượng chất khô bị tiêu hao trong quá trình nảy mầm sẽ rất lớn

Thứ hai : quá trình nảy mầm của hạt là quá trình đòi hỏi thời gian cho sinh tổng hợp các loại enzym và quá trình chuyển hóa vật chất quá trình này thường kéo dài khoảng 10-11 ngày Thời gian chi phí cho giai đoạn này không nhỏ nếu đem so sánh với toàn bộ quá trình sản xuất bia

Thứ ba : do sản phẩm malt nên cần phải có một phân xưởng sản xuất malt trong nhà máy bia Do đó, đòi hỏi không chỉ mặt bằng sản xuất, máy móc, thiết bị cho sản xuất mà còn đòi hỏi lao động tiêu hao lao động cho sản xuất malt thường chiếm 1/3 tổng tiêu hao lao động chung của nhà máy bia

Chính vì thế trong thời gian từ những năm 60 của thế kỷ trước đến nay, người ta đã tìm những nguồn enzym khác thay thế cho malt nhằm làm giảm bớt những nhược điểm đã trình bày trên

Những enzym được sử dụng trong sản xuất bia thay thế malt phải bảo đảm những yêu cầu sau:

 Enzym thay thế malt cần phải phù hợp với enzym của malt về đặc tính tác dụng và phải có hoạt tính mạnh hơn enzym có trong malt Các enzym có trong malt bao gồm :

- Các enzym thủy phân tinh bột thành đường đây là nhóm enzym quan trọng nhất, đóng vai trò quyết định chất lượng bia qua quá trình đường hóa, quá trình lên men

- Các enzym protease tham gia thủy phân protein

- Các enzym tham gia thủy phân cellulose, hemi-cellulose

 Enzym thay thế malt phải bảo đảm cho việc lọc, lên men dịch đường, làm trong bia, cũng như tạo ra những đặc tính bia phù hợp như tạo bọt, độ trong

và tính ổn định trong bảo quản

Sử dụng ex từ VSV là hướng nghiên cứu và ứng dụng ở nhiều nước hướng nghiên cứu và ứng dụng này đã đạt được rất nhiều kết quả Sau một thời gian dài, các ứng dụng này cho thấy những ưu điểm quan trọng sau :

- Thay thế được 30-50% malt trong sản xuất bia Khả năng thay thế malt bằng chế phẩm enzym từ VSV có ý nghĩa rất lớn không chỉ mặt kỹ thuật

mà còn có ý nghĩa rất lớn về kinh tế, đặc biệt là đối với các nước không sản xuất được thóc đại mạch, giảm ngoại tệ để nhập malt

- Hạ giá thành sản phẩm bia

- Giảm giá đáng kể vốn đầu tư xây dựng

1 Enzym VSV trong sản xuất bia

Khi tiến hành đường hóa để tạo thành nước mu trong sản xuất bia bằng enzym amylase của malt , người ta được nước mu có thành phần đường như bảng 7.23

Số lượng các loại đường trong bảng 7.23 cho thấy đường lên men trực tiếp

(glucose) thường chiếm số lượng không nhiều nếu không cho thêm các loại

enzym từ bên ngoài vào thì rất khó nâng cao được mức độ lên men Do đó trong sản xuất bia , người ta thường cho enzym có nguồn gốc từ VSV và từ thực vật Các loại enzym khi cho thêm vào trong sản xuất bia thường nhằm vào những mục đích sau :

- Nâng cao chất lượng dịch đường hóa

- Nâng cao khả năng lên men bia

- Nâng cao chất lượng và ổn định chất lượng bia

- Giảm giá thành sản phẩm khi tiến hành thay malt bằng những nguyên liệu phi malt

Những ưu điểm của enzym từ nguồn VSV được sử dụng trong sản xuất bia như sau:

- Các chế phẩm enzym từ VSV thường có hoạt tính xúc tác rất mạnh và chứa khá đầy đủ các loại enzym cần thiết cho sự chuyển hóa tinh bột thành các loại đường đặc biệt là tạo ra các loại đường có khả năng lên men với số lượng lớn

- Các chế phẩm enzym từ VSV thường có khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao Điều này rất thuận lợi cho việc vận hành quá trình dịch hóa và

đường hóa

2 ứng dụng enzym trong sản xuất bia

Ngày nay, nhiều nước trên thế giới sử dụng enzym có nguồn từ VSV để sản xuất bia có thay thế 30-40% nguyên liệu không phải từ malt và để nâng cao, ổn định chất lượng bia

Công nghệ sản xuất bia là dạng công nghệ rất phức tạp, qua nhiều công đoạn sản xuất khác nhau Việc ứng dụng enzym từ nguồn VSV vào sản xuất bia không phải

là nhằm mục đích thay thế hoàn toàn amylase có trong malt mà chỉ ứng dụng vào từng công đoạn nhất định để hoàn thiện hơn quá trình sản xuất các nước trên thế giới thường ứng dụng enzym trong các công đoạn sản xuất bia sau :

- dịch hóa

- đường hóa

- giai đoạn lên men

- giai đoạn làm trong bia và ổn định chất lượng bia

sử dụng enzym trong quá trình dịch hóa : dịch hóa là quá trình thủy phân sơ bộ tinh bột và protein trong khối bột ở nhiệt độ cao ở giai đoạn này người ta thường sử dụng enzym amylase và protease của vi khuẩn các loại enzym thu nhận từ vi khuẩn thường có hoạt tính cao và khả năng chịu nhiệt rất tốt nhiệt độ cao thường làm biến tính enzym có trong malt Do đó, việc bổ sung enzym có khả năng chịu nhiệt từ nguồn vi khuẩn là điều hết sức cần thiết

khi người ta cho nguyên liệu thay thế (bột bắp hay bột gạo) vào trong hỗn hợp, các loại nguyên liệu này không được thủy phân, dễ dàng tạo ra độ nhớt cao, ảnh hưởng nhiều đến quá trình đường hóa và lên men sau này Nếu ta cho thêm enzym chịu nhiệt từ nguồn VSV thì độ nhớt các nguyên liệu trên sẽ giảm, sẽ làm tăng quá trình đường hóa và lên men sau này

Các thí nghiệm dùng 10% malt trong dịch hóa bột bắp và sử dụng enzym từ vi khuẩn cho thấy độ nhớt trong dung dịch bột khi sử dụng enzym từ vii khuẩn giảm nhiều hơn dùng malt

Hiện tượng độ nhớt giảm cũng thấy ở bột gạo khi dịch hóa có sử dung enzym từ vi khuẩn

3 sử dụng enzym trong quá trình đường hóa

đường hóa là công đoạn sản xuất bia rất quan trọng, trong dó lượng đường được tạo thành sẽ quyết định khả năng lên men và chất lượng bia sau này Chính vì thế, nhiều nhà máy bia trên thế giới đã cho thêm enzym với số lượng lớn trong giai đoạn này Các enzym cho vào trong giai đoạn này là những enzym vi khuẩn chịu nhiệt

4 ổn định khả năng lên men

trong nước mu, sau khi đường hóa có chứa 90% là các chất carbohydrat, trong số này có đến 75% đường có khả năng lên men Phần còn lại 25% là các loại dextrin mạch thẳng và mạch nhánh

Trong các trường hợp, lượng đường tạo thành không đạt mức độ trên do nhiều nguyên nhân Trong đó nguyên nhân chính là chất lượng malt kém Có ba cách để làm tăng lượng đường trong nước mu :

- kéo dài thời gian đường hóa

- sử dụng thêm đường

- sử dụng enzym để đường hóa hết lượng tinh bột

trước đây người ta thường áp dụng hai cách trên Sau này, việc sử dụng enzym thường được sử dụng hơn Người ta thường sử dụng các loại chế phẩm enzym sau ( bảng 7.26)

khi thêm các chế phẩm enzym vào trong dịch đường hóa sẽ làm tăng độ lên men biểu kiến của dịch đường hóa

Khi sử dụng enzym , chúng ta có khả năng sản xuất bia không có các dextrin dư thừa và do chứa ít calori hơn ( ít năng lượng hơn) loại bia thông thường mức giảm này có thể đạt tới 25%

Các enzym sau khi tham gia vào các quá trình đường hóa sẽ còn sót lại và lẫn vào trong dịch lên men Về nguyên tắc, hoạt tính còn sót lại này không ảnh hưởng gì đến chất lượng bia, mà ngược lại chất lượng biia sau này thường tốt hơn

ở Nga, người ta đã sử dụng rất hiệu quả trong sản xuất bia Các chế phẩm enzym được sử dụng nhiều trong sản xuất bia là Cytorozemin.Px, Amylorizin, Px1 Bằng cách sử dụng các chế phẩm enzym này , các nhà máy bia ở nước Nga có thể tiết kiệm được 50% số lượng malt cần thiết trong sản xuất bia Mặt khác, chất lượng dịch đường hóa được tăng lên, các chất thải bỏ theo bã sẽ ít đi

Hiệu quả đường hóa khi sử dụng các chế phẩm enzym sẽ thấy ngay sau 20-25 phút Việc tăng thêm lượng enzym vào không chỉ làm tăng lượng đường hay mức độ trích ly những chất hòa tan mà còn tăng khả năng lọc và lên men sau này

5 Sử dụng enzym để làm bền vững chất lượng bia và làm trong bia

Độ bền của bia khi bảo quản là một trong những chỉ tiêu rất quan trọng trong sản xuất bia

Để làm ổn định chất lượng bia, người ta thường sử dụng các chế phẩm protease Nhiều nghiên cứu cho thấy pepsin, ficin, chế phẩm protease nấm sợi và papain đều

có tác dụng rất tốt trong quá trình ổn định chất lượng bia Trong đó papain được ứng dụng nhiều hơn cả khi tiến hành lên men phụ, người ta thường cho papain vào Kết quả của những tác động của papain, dịch bia trở nên trong hơn và quá trình bảo quản bia, chất lượng bia không thay đổi

II ỨNG DỤNG ENZYM TRONG SảN XUấT CỒN

Cồn được sản xuất chủ yếu bằng phương pháp lên men Người ta lên men cồn từ nguyên liệu chứa đường (như mật rỉ) hoặc nguyên liệu hydro carbon Trong nội dung phần này chỉ trình bày sản xuất cồn từ hydro carbon Đây là quá trình sản xuất có ứng dụng enzym

Ngày nay cồn được ứng dụng rất rộng rãi trong đời sống, trong công nghiệp trước đây, sản xuất cồn từ nguyên liệu chứa tinh bột , người ta thường dùng malt giống như trong sản xuất bia Sau khi các nhà khoa học Nhật đưa ra phương pháp sản xuất amylase từ nấm sợi, người ta thay thế amylase của malt bằng amylase của nấm sợi amylase nấm sợi đầu tiên được ứng dụng trong sản xuất cồn từ nguồn nguyên liệu tinh bột amylase của Aspergillus oryzae Sau này nhiều amylase từ các loài VSV khác nhau được sản xuất và được áp dụng rất rộng rãi

Vng sản xuất cồn từ người chứa tinh bột qua nh

ững công đoạn cơ bản sau:

- Xử lý nguyên liệu gồm nghiền nhỏ nguyên liệu , dịch hóa nguyên liệu có thể xử lý nguyên liệu bằng acid hoặc kiềm

- Chuyển hóa tinh bột bằng ɑ-amylase để tạo thành dextrin

- Chuyển hóa dextrin bằng β-amylase hay amyloglucosidase để tạo ra đường có khả năng lên men

- Lên men dịch đường bằng nấm men Saccharomices cerevisiae

- Chưng cất thu nhận cồn

- Tinh chế cồn để thu nhận cồn có chất lượng cao

Trong các quá trình trên enzym được ứng dụng ở công đoạn đường hóa ( chuyển hóa tinh bột thành đường)

1 Chuyển hóa tinh bột

Quá trình thùy phân tinh bột được thực hiện theo sơ đồ sau

Nguyên liệu chứa tinh bột

Nấu chín ở nhiệt độ cao

Amyloglucosidase hoạt động ở 55oC làm nguội Amylase hoạt động ở 55oC

Đường hóa

Quá trình đường hóa đóng vai trò quyết định đến khả năng lên men và hiệu suất cồn thu được các chế phẩm sử dụng trong công nghệ sản xuất cồn bao gồm những chế phẩm thô được thu nhận từ phương pháp nuôi bề mặt, nuôi chìm hoặc các chế phẩm đậm đặc, tinh khiết tuy nhiên, các nhà máy sản xuất cồn hiện nay thường sử dụng chế phẩm thô do tính kinh tế sau khi tiến hành đường hóa , phần thô còn lại được sử dụng để sản xuất thực phẩm gia súc

Vì sử dụng các loại chế phẩm enzym ở dạng thô nên trong chế phẩm không chỉ chứa các thành phần không phải enzym mà còn chứa trong đó nhiều loại enzym khác nhau Phức hợp enzym này vừa có lợi cũng vừa có hại có lợi vì sản phẩm được tạo ra do phức hợp enzym, đó là môi trường rất thuận lợi cho nấm men phát triển trong giai đoạn đầu của quá trình lên men Nhưng không có lợi ở chổ, có thể tạo ra những phản ứng không mong muốn giữa các sản phẩm đó, tạo ra những sản phẩm xấu trong dịch men và trong sản phẩm chính vì thế điều cần làm trước khi đưa chế phẩm enzym vào quá trình đường hóa là phải xác định hoạt tính enzym của từng loại enzym, từ đó điều chỉnh hoạt động của chúng Việc điều chỉnh hoạt động và quá trình tạo ra enzym là cả một nghệ thuật dựa trên đặc điểm sinh lý và

cơ chế tổng hợp enzym của VSV Từ đó, ta có thể chia các chế phẩm enzym thanh

ba nhóm sau :

- Nhóm 1 : bao gồm các enzym có khả năng thực hiện các phản ứng sinh hóa cần thiết và nó quyết định đến hiệu quả sản xuất cồn

- Nhóm 2 : bao gồm các enzym tham gia những biến đổi cơ bản cơ chất để tăng cường quá trình chuyển hóa cơ bản

- Nhóm 3 : bao gồm những enzym tham gia các phản ứng, tạo ra những sản phẩm không mong muốn, làm cản trở quá trình lên men hoặc tạo ra những sản phẩm lẫn cồn, gây khó khăn cho quá trình tinh luyện

Sử dụng enzym trong sản xuất cồn biểu diễn rõ nhất của hướng ứng dụng công nghệ enzym trông công nghệ thực phẩm theo đó enzym được sử dụng theo hai hướng :

- Hướng thứ nhất : enzym được tổng hợp cùng với sự phát triển và sinh sản của tế bào VSV Sản xuất cồn theo phương pháp amylo, người ta sử dụng enzym theo hướng này

Trong công nghệ sản xuất cồn theo phương pháp amylo, người ta cho nấm sợi Rhizopus spp hoặc Mucor spp Phát triển hẳn trong dung dịch

cơ chất trong quá trình phát triển, các loài nấm sợi này sinh tổng hợp ra enzym và các loại enzym này tham gia thủy phân tinh bột, protein và cả cellulose Quá trình phát triển, sinh sản của nấm sợi song song với sự thủy phân tinh bột phương pháp này rất có hiệu quả khi ta sử dụng

nguồn tinh bột có độ nhớt cao trong môi trường nước quá trình trên cũng xảy ra song song với sự tăng trưởng của nấm men, sinh sản của nấm men

và quá trình rượu hóa

- Hướng thứ hai : chế phẩm enzym được sản xuất riêng và người ta sử dụng chế phẩm enzym (không phải là chế phẩm VSV) để thủy phân tinh bột phương pháp ứng dụng enzym này được triển khai nhiều trong sản xuất cồn theo phương pháp mycomant Chế phẩm enzym có thể là cac chế phẩm thô, hoặc cũng có thể là các chế phẩm đậm đặc theo phương pháp mycomant, công đoạn đường hóa hoàn toàn tách hẳn với công đoạn lên men Người ta tiến hành quá trình đường hóa nhờ chế phẩm enzym, sau đó mới tiến hành quá trình rượu hóa Phương pháp ứng dụng enzym theo hướng này có rất nhiều ưu điểm ưu điểm lớn nhất là kiểm soát hoàn toàn quá trình rượu hóa

Ngày nay nhiều nhà máy sản xuất cồn, người ta tiến hành quá trình rượu hóa theo phương pháp liên tục và còn sử dụng phương pháp cố định enzym Hai phương pháp này nằm trong hướng sử dụng enzym thứ hai có kiểm soát rất chặt chẽ

2 Vai trò các loại enzym có trong chế phẩm enzym được ứng dụng trong sản xuất cồn

Các chế phẩm enzym dùng để sản xuất cồn từ nguồn VSV thường chứa nhiều loại enzym khác nhau Các enzym này thường thực hiện những phản ứng riêng

Vai trò của α-amylase : các loại α-amylase được thu nhận từ các nguồn khác nhau thường có tính chất giống nhau, nhưng giữa chúng cũng tồn tại những đặc tính riêng

- α-amylase bị kìm hãm bởi kim loại nặng calcium có vị trí và vai trò rất quan trọng trong cấu trúc của α-amylase Chúng bảo vệ enzym khỏi những tác động xấu của điều kiện môi trường chúng đảm bảo tính ổn định của hoạt động enzym, chống lại sự phá hủy bởi các enzym protease

- Khối lượng α-amylase vào khoảng 50.000 riêng đối với α-amylase của Bacillus sterothermophilus có khối lượng chỉ khoảng 15.600 α-amylase của vi khuẩn thường hoạt động mạnh ở pH kiềm yếu và pH trung tính, và hoạt động mạnh ở pH 5,5-7,9 α-amylase của nấm sợi thường hoạt động mạnh ở pH acid yếu

- amylase của vi khuẩn thường chịu nhiệt tốt hơn của nấm sợi các α-amylase của vi khuẩn có thể hoạt động ở nhiệt độ 85oC-95oC trong khi

do, α-amylase của nấm sợi chỉ có thể hoạt động ở 65oC

- khi thủy phân tinh bột, α-amylase tác động vào liên kết α-1,4 glucoside

và sản phẩm tạo ra là mantose và dextrin mà mạch của chúng gần bằng

C6 Các dextrin đó phân hủy chủ yếu theo :

C6 C5 + C1

C7 C1 + C6 hay C5 + C2

C8 C2 + C6 hay C3 + C5

α-amylase của vi khuẩn thủy phân tinh bột tạo ra lượng glucose và maltose theo tỷ

lệ 1:5,45 Đối với amylase của nấm sợi thủy phân thì tỷ lệ đó là 1:3,79

α-amylase của vi khuẩn và của nấm sợi hoàn toàn không có khả năng phân giải α-1,6 glucoside của cơ chất trong khi dịch hóa, pH của dung dịch bột thường trùng hợp với hoạt động tối ưu của α-amylase, pH này cũng là pH hoạt động tối ưu khi tiến hành đường hóa Chính vì thế, nếu trong trường hợp sử dụng các loại bột có pH

không trùng với pH hoạt động tối ưu của α-amylase thì phải điều hòa pH cho thích hợp

nhiều nghiên cứu cho thấy rằng, α-amylase của vi khuẩn chỉ hoạt động rất mạnh trong giai đoạn đầu của quá trình đường hóa Nguyên nhân là vì có sự thay đổi pH trong thời gian đường hóa , nhưng nguyên nhân quan trọng là giới hạn hoạt động của α-amylase tới đường không vượt quá 70-80%

Theo giới hạn thủy phân tinh bột bằng α-amylase Bacillus subtilis là dextrin có năm gốc glucose, 1 liên kết α-1,6 và ba liên kết α-1,4 Theo tính toán, người ta cho thấy rằng, giới hạn thủy phân tinh bột đến glucose và mantose là 70-75%

Khi tiến hành thủy phân tinh bột bằng α-amylase của nấm sợi đến dextrin giới hạn

có bốn nguyên tử gluxit và một liên kết α-1,6 Trong trường hợp này, giới hạn đường hóa đến glucose và mantose đạt 84-87% tinh bột ban đầu đường hóa Như vậy, lượng cơ chất ban đầu không phải với số lượng càng lớn, khả năng thủy phân của α-amylase càng cao

Như vậy, vai trò cơ bản của α-amylase trong sản xuất rượu là làm dịch hóa nhanh ở giai đoạn nấu và cả ở giai đoạn đầu của sự đường hóa, dextrin hóa và tích tụ

đường

Vai trò của glucoamylase : glucoamylase thủy phân liên kết α-1,4 trong các

polysaccharide, chúng liên tiếp phân cắt các gốc glucose không khử trong mạch polysaccharide Ngoài ra glucoamylase còn có khả năng phân cắt liên kết α-1,6 glucoside

Glucoamylase thường hoạt động mạnh trong môi trường acid ( pH tối ưu 3,5-5,5) Ngoài ra các glucoamylase còn có thể hoạt động ở môi trường trung tính (pH 6,0-7,5) Các glucoamylase của nấm men thường là những glucoamylase trung tính Vai trò của pululanase : pululanase là enzym tham gia thủy phân liên kết α-1,6 glucoside trong các poly và oligosaccharide Pululanase được tổng hợp bởi

Aerobacter aerogenes

Pululanase có khối lượng phân tử 145.000, hoạt động mạnh ở pH 4,7-5,0 và nhiệt

độ hoạt động tối ưu là 47,5oC