Tìm hiểu công nghệ sản xuất bia

CHƯƠNG I.TỔNG QUAN2I.1.Tổng quan về bia2I.1.1.Lịch sử phát triển của bia3I.1.2.Bia là gì3I.1.3.Giá trị dinh dưỡng của bia4I.1.4.Thành phần của bia4I.2.Tổng quan của về nấm men4I.2.1.Hình thái4I.2.2.Cấu tạo của nấm men6I.2.3.Dinh dưỡng cho nấm men8I.2.4.Sơ đồ tăng trưởng của nấm men8I.3.Tổng quan về nguyên liệu9I.3.1.Malt9I.3.2.Gạo12I.3.3.Nước12I.3.4.Hoa houblon13I.3.5.Nấm men15I.3.6.Phụ gia được sử dụng16I.4.Cơ sở khoa học của quá trình lên men bia17I.4.1.Sinh tổng hợp của các quá trình lên men bia17I.4.2.Sinh tổng hợp các sản phẩm bậc hai (sản phẩm phụ):21I.4.3.Các phương pháp lên men bia24I.4.4.Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men25I.4.5.Các quá trình xảy ra trong quá trình lên men bia28I.4.6.Hệ ezyme xúc tác quá trình lên men29CHƯƠNG II.QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ30CHƯƠNG III.KẾT LUẬN, BÀN LUÂN, ĐỀ NGHỊ.43TÀI LIỆU THAM KHẢO46

MỤC LỤC

I.1. Tổng quan về bia

I.1.1. Lịch sử phát triển của bia

Bằng việc lên men tự nhiên, bia đã được phát minh một cách độc lập giữa các nền văn minh trên toàn thế giới

Hình 1.1

Việc kiểm định hóa học các bình gốm cổ phát hiện ra rằng bia (tương tự như rượu vang) đã được sản xuất khoảng 7.000 năm trước công nguyên ở vùng Lưỡng Hà, ngày nay là Iran

Hình 1.2

Tại Lưỡng Hà, bức vẽ 6.000 năm tuổi của người Sumeria (có nền văn minh ở phía Nam Mesopotamia, Iraqngày nay) miêu tả những người đang uống một thứ đồ uống bằng các cần hút từ thùng công cộng được cho là chứng cứ lâu đời nhất về bia.Trong Thiên sử thi Gilgamesh (3.900 năm tuổi) của họ chứa những công thức làm bia cổ nhất còn sót lại và việc sản xuất bia từ lúa mạch Điều này để tỏ lòng tôn

đã trở thành thiết yếu đối với tất cả các nền văn minh trồng ngũ cốc ở thế giới phương Tây cổ xưa, đặc biệt là ở Ai Cập và Lưỡng Hà.

Tại châu Âu, trong thời Trung cổ, bia chủ yếu được sản xuất trong gia đình Vào thế kỷ 14 và 15, việc sản xuất bia đã dần dần chuyển từ hoạt động gia đình sang hoạt động thủ công, với các quán bia và tu viện sản xuất bia của mình hàng loạt để tiêu thụ

I.1.2. Bia là gì

Bia là một loại nước uống chứa cồn được sản xuất bằng quá trình lên men của đường lơ lửng trong môi trường lỏng và nó không được chưng cất sau khi lên men Nói một cách khác, bia là loại nước giải khát có độ cồn thấp, bọt mịn xốp và có hương

vị đặc trưng của hoa houblon Đặc biệt CO2 hòa tan trong bia có tác dụng giải nhiệt nhanh, hỗ trợ cho quá trình tiêu hóa, ngoài ra trong bia còn chứa một lượng vitamin khá phong phú (chủ yếu là vitamin nhó B như vitamin B1, B2, PP .) Nhờ những ưu điểm này, bia được sử dụng rộng rãi ở hầu hết các nước trên thế giới với sản lượng ngày càng tăng Đối với nước ta bia đã trởthành loại đồ uống quen thuộc với sản lượng ngày càng tăng và đã trở ngành công nghiệp mũi nhọn trong ngành công nghiệp nước ta

Quá trình sản xuất bia được gọi là nấu bia Do các thành phần sử dụng để sản xuất bia có khác biệt tùy theo từng khu vực, các đặc trưng của bia như hương vị và màu sắc cũng thay đổi rất khác nhau và do đó có khái niệm loại bia hay các sự phân loại khác

I.1.3. Giá trị dinh dưỡng của bia

Bia là loại thức uống giải khát rất giàu chất dinh dưỡng Nếu được sử dụng với hàm luongj thích hợp, bia sẻ giúp cho co thể thoải mái, dễ chịu tăng sức lực cho cơ thể So với trà và cafe, bia không chứa các kim loại gây hại, so với rượu thì hàm lượng cồn trong bia khá thấp (2-6%V)

Trong bia nước chiếm 80%: bên cạnh giải khát bia còn cung cấp cho con người nguồn dinh dưỡng nhất định: cung cấp nguồn năng lượng cho cơ thể hoạt động, cung cấp vitamin và khoáng chất

Một lít bia có thể cho 500-600kcal ( tùy theo từng loại bia) mà năng lượng cần thiết cho cơ thể con người là 3000-3500kcal.do vậy nếu ta sử dụng đúng mức thì sẻ tiết kiệm năng lượng lấy từ nguồn dinh dưỡng khác ( thịt, trứng, sửa, bánh mì ).Ngoài ra bia còn cung cấp một lượng vitamin, trung bình trong 1 lít bia có 20-50mg titamin; 340-560mg riboflavin; 5800-9000mg acid nicotinic (PP)

I.1.4. Thành phần của bia

Trong bia nước chiếm 80% bia có độ rượu nhẹ (3-6%V), có gas hàm lượng

CO2khoãng từ (3-4g/l), có bọt min xốp, có hương vị thơm ngon đặc trưng

Hương và vị của bia là do các hợp chất triết từ nguyên liệu, cồn CO2 và các thành phần lên men khác tạo nên.

Trong bia có chứa một số chất bổ dưỡng:

Chất đạm đặc biệt là đạm hòa tan chiếm 8-10% chất tan bao gồm: protein, peptid, amino acid

Glucid: glucid tan (70% là dextrin, pentosan, và các sản phẩm caramen hóa)Vitamin: chủ yếu là vitamin nhóm B (vitamin B1, B2, PP)

Lupulin và hoa hublong tring bia có tính an thần đẽ ngủ

Đặc biệt CO2 hòa tan trong bia có tác dụng làm giảm nhanh cơn khác cho người uống bia, giúp tiêu hóa nhanh thức ăn và ăn uống ngon miện, giảm mệt mỏi, tăng phần tĩnh táo nếu như người uống sử dụng lượng thích hợp

I.2. Tổng quan của về nấm men

I.2.1. Hình thái

Tế bào nấm menSaccharomyces cerevisiae có dạng hình cầu hay hình trứng, nếu

môi trường nuôi cấykhông đủ chất dinh dưỡng ( đặc biệt là nguồn nito) và không khí quá mạnh thì tế bào nấm nem thường bị kéo dài ra

Kích thước của nấm nem cũng khác nhau, đều phụ thuộc vào chủng nấm nem và điều kiện nuôi cấycó kích thuớc nhỏ, thường là (2.5-4.5µm) x (10.5-20 µm), sinh sản bằng cách tạo chồi và tạo bào tử

Nguồn dinh dưỡng chủ yếu của chúng là sử dụng đường glucose, galactose, saccharose, maltose như nguồn cacbon, chúng sử dụng axit amin và muối amon như nguồn nitơ

Nấm men dùng trong sản xuất bia thường là các chủng thuộc giống Saccharomyces, chúng có khả năng hấp thụ các chất dinh dưỡng trong môi trường nước mạch nha như các loại đường hoà tan, các hợp chất nitơ (các acid amin, peptit), vitamin và các nguyên tố vi lượng…qua màng tế bào Sau đó, hàng loạt các phản ứng sinh hóa mà đặc trưng là quá trình trao đổi chất đểchuyển hoá các chất này thành những dạng cần thiết cho quá trình phát triển và lên men của nấm men được tiến hành.Dựa vào đặc tính công nghệ ta phân làm hai loại: nấm men nổi và nấm men chìm, giữa chúng có sự khác nhau cơ bản sau:

Về đặc tính hình thái:

Nấm men chìm:Saccharomyces carlsbergensis Hầu hết các tế bào khi quan sát

thì nảy chồi đứng riêng lẻ hoặc cặp đôi Hình dạng chủ yếu là hình cầu

Nấm men nổi:Saccharomyces cerevisiae tế bào nấm men mẹ và con sau nảy

chồi thường dính lại với nhau tạo thành như chuỗi các tế bào nấm men, hình dạng chủ

Saccharomyces cerevisiae

hô hấp, vì vậy sinh khối nấm men nổi thu được nhiều hơn nấm men chìm

Nấm men chìm có nồng độ enzym thấp hơn nấm men nổi Khả năng tạo bào tử của nấm men chìm lâu hơn và hạn chế hơn nấm men nổi

Về công nghệ lên men:

Tên gọi nấm men nổi hay nấm men chìm xuất phát từ quan sát quá trình lên men Nấm men nổi nổi lên bề mặt dịch trong và cuối quá trình lên men chính, trong khi đó nấm men chìm lắng xuống đáy thiết bị khi kết thúc lên men chính

Nấm men chìm còn chia ra 2 loại tuỳ thuộc khả năng kết lắng của nó là nấm men bụi và nấm men kết bông Nấm men bụi là loài nấm men phân ly mịn trong dịch lên men và lắng từ từ khi kết thúc lên men chính Nấm men kết bông là loài nấm men có thể kết dính với nhau trong thời gian ngắn khi kết thúc lên men chính và tạo thành khối kết bông lớn nên lắng nhanh xuống đáy thiết bị Còn loài nấm men nổi không có khả năng này.

Nấm men chìm kết bông rất có ý nghĩa quan trọng trong thực tế sản xuất bia, làm cho bia nhanh trong nhưng khả năng lên men hết đường không bằng nấm men bụi và nấm men nổi

Ngoài ra nhiệt độ lên men của mỗi chủng cũng khác nhau Nấm men chìm có thể lên men 4 - 12oC, nấm men nổi là 14 - 25oC

I.2.2. Cấu tạo của nấm men

Thành tế bào

Thành tế bào bao quanh tế bào, có độ bền chawcscao, chiều dày là 150-250nm Trên thành tế bào có những lỗ li ti với đường kính khoãng 3.6nm để nước, đường các chất dinh dưỡng cần thiết cho tế baofcos thể đi qua dược Thành tế bào chiềm khoảng 20% tổng khối lượng chất khô của tế bào

Nhiệm vụ của thành tế bào là bảo vệ tế bào trước các tác động bên ngoài, khống chế các quá trình trao đổi chất và áp suất thẩm thấu ở trong và ngoài tế bào Chính thành tế bào quyết định hình dáng tế bào.tế bào trẻ thì có độ đàn hồi cao, mỏng trong suốt, càng phát triển thì càng dày lên và càng dể nhìn thấy dưới kính hiển vi Đặc biệt thành tế bào dày chịu tác động xấu từ bên ngoài như : nhiệt độ bên ngoài tăng cao quá mức nấm men có thể chịu được, thiếu chất dinh dưỡng, độ acid hay nồng độ các chất độc trong môi trường cao Khi tế bào già, vỏ có độ đàn hồi kém, dòn dễ vỡ Thành tế bào quyết định tương tác giữa các tế bào với môi trường bên ngoài

Hình 1.4

Không gian chu chất

Đây là khoảng không giữa thành tế bào và màng nguyên sinh chất Mặc dù nó không phải là một cơ quan cụ thể, nhưng mọi chất dinh dưỡng đi vào hay các sản phẩm trao đổi chất đi ra khỏi tế bào đều phải đi qua

Không giang chu chất có chức năng làm lớp bảo vệ giữa thành tế bào và màng nguyên sinh chất

Màng nguyên sinh chất ( màng tế bào chất )

Màng nguyên sinh chất bao quanh tế bào là lớp rào cản bên trong giữa lớp thành

tế bào và khoảng không gian chu chất Thành phần chính là các lipid và các protein.Chức năng chính của màng nguyên sinh chất là điều chỉnh sự thấm qua tế bào của các chất dinh dưỡng Màng có tính thẩm thấu chon lọc Một chức năng quang trọng khác là phát hiện và phản ứng với các kích thích bên ngoài Các chất nhận thông tin từ tế bào nằm ở những vị trí phù hợp trên màng tế bào chất Màng tế bào chất còn

có những vùng chứa các enzyme liên quan đén các chu trình tổng hợp khác nhau của

tế bào, phân bố các vùng này phù hợp với cấu trúc không gian và chức năng

Tế bào chất

Tế bào chất là phần của tế bào được bao quanh bởi màng tế bào mà không phải các cơ quan tế bào được bao bọc bở các màng khác Nó là một dung dịch keo có chứa

vô số cac sản phẩm trao đổ chất Tế bào chất của mấn men đặc biệt chứa nhiều RNA-

là một acid, nên pH của tế bào chất ~ 5.2, các hoạt động trao đổi chất có thể làm cho môi trường sát xung quanh có tính acid mạnh hơn hoặc yếu hơn

Ty lạp thể

Ty lạp thể có cấu tạo đa hình( dạng sợi dạng hạt, phân nhánh) với số lượng phân

bố từ 2-24 phân bố đều trong tế bào Chức năng chính của chúng là thực hiện các quá trình liên quan đến cung cấp năng lượng cho tế bào Các phản ứng oxy hóa xảy ra trong ty lập thể, năng lượng được giải phóng ra và chuyển đến ATP là chất thu năng lượng Bên cạnh quá trình này, trong ty lpj thể còn xảy ra quá trình tổng hợp các chất cần thiết cho tế bào

khử rất mạnh được thực hiện nhờ các enzyme có trong đó Điểm đặc biệt nhất trong

tế bào chất của nấm men là có volunin, không bào nhìn thấy rỏ hơn ở tế bào già

Riboxom

Các riboxom là các cơ quan tế bào chất có chứa hàm lượng RNA cao và một số protein Vai trò của chúng là tập hợp các protein từ các amino acid đã hoạt hóa thành chuỗi tương ứng với mã có trong các phân tử của RNA truyền tin

Hạt lipid

Hạt lipid được tích tụ do chuyễn hóa các saccarit hoặc được tổng hợp trong môi trường giàu lipid Ở trong môi trường nguyên chất, các hạt lipid nằm ở dạng các hạt nhỏ li ti Thông thường tỉ lệ lipip chiếm 1-2 % trọng lượng khô của tế bào

I.2.3. Dinh dưỡng cho nấm men

Nuôi cấy men bia trong sản xuất cũng theo nguyên tắc tăng dần thể tích và số lượng tế bào để đảm bảo khả năng lên men:giống từ ống nghiệm cấy qua các bình, các thùng rồi chuyển vào thùng lên men chính

Nếu nhà máy có thiết bị Greyner thì việc nhân giống sẽ từ ống nghiệm qua các bình Carlsberg , lên men ở 7-80C trong 5-6 ngày và tiếp tục tăng dần qua 200-300 lit rồi đưa vào thiết bị này cho lên men ở 80C trong 3 ngày, sau đó đưa vào các thùng lên men

I.2.4. Sơ đồ tăng trưởng của nấm men

Đồ thị tăng trưởng của nấm men trong lên men bia

Phát triển trong quá trình lên men chính Có 4 pha trong suốt quá trình lên

Pha thích nghi (lag) ( từ 12 – 24 giờ): trong giai đoạn này nấm men làm quen với môi trường dinh dưỡng mới, chúng sử dụng oxy nhiều để hô hấp và glycogen được tạo thành trong tế bào nấm men Lượng glycogen này là tác nhân kích hoạt men sử dụng glucose để tổng hợp sản phẩm.

Pha tăng trưởng (log): là giai đoạn nấm men phát triển mạnh nhất đạt mật độ cực đại, quá trình lên men cũng đạt mức độ cực đại (bắt đầu sau khi mật độ đã đạt cực đại) Trong quá trình này glycogen cũng được tổng hợp nhằm giúp tế bào đối phó với tình trạng cạn kiệt dưỡng chất

Pha cân bằng: ngừng sinh sản và lên men

Pha suy vong: Các tế bào kết cụm lại với nhau và chìm xuống đáy thiết bị (giống nấm men chìm), tốc độ phát triển chậm lại Lưu ý nấm men tăng sinh khối trong suốt quá trình lên men, chúng chỉ chậm lại ở cuối quá trình lên men chính.I.3. Tổng quan về nguyên liệu

I.3.1. Malt

Malt là ngũ cốc nảy mầm Nguồn malt nhà máy sử dụng là malt đại mạch hai hàng.Malt là nguyên liệu chính quan trọng nhất trong công nghệ sản xuất bia, chất lượng malt quyết định chất lượng bia.Malt có nhiếu loại ( malt vàng, malt đen và nhiều loại malt khác)

Malt vàng dùng để sản xuất bia vàng, malt đen dùng để sản xuất bia đen

Hình 1.6 Malt

Cấu trúc của hạt đại mạch gồm ba bộ phận chính: vỏ hạt, phôi và nội nhũ.

• Vỏ hạt từ ngoài vào trong chia làm ba lớp: vỏ trấu, vỏ lụa và vỏ aleuron Phần này thường chiếm 8 – 15% trọng lượng hạt

• Phôi là cơ quan sống, hô hấp của hạt Phôi thường chiếm từ 2,5 – 5% trọng lượng hạt

• Nội nhũ: chiếm từ 45 – 60% trọng lượng hạt Phần này của hat đại mạch giữ vai trò quyết định chất lượng của hạt đại mạch trong sản xuất bia Thành phần chủ yếu của nội nhũ là tinh bột

Hạt malt là những hạt đại mạch đã được chuẩn bị sẵn sàng các hệ enzyme quan trọng (amylase và protease) nhằm tác động lên các phần cơ chất của hạt đại mạch ( tinh bột và protein) ở giai đoạn đầu tiên của công nghệ chế biến bia Như vậy malt là nguồn cung cấp các hợp chất thấp phân tử dễ hòa tan được nấm men sử dụng trong quá trình lên men

Bảng 1.1: Chỉ tiêu kiểm tra malt

1 Ngoại quan mốc, không sâu mọtMàu vàng rơm, không có

3 khô xay nhuyễnĐộ hòa tan trên chất ≥ 80%

4 Độ hòa tan trên chất

Thành phần hóa học của đại mạch.

Bảng 1.2: Tính theo phần trăm trọng lượng chất khô

Hordein – protein (prolamin) 3

Hình 1.7 Gạo

Trong công nghiệp sản xuất bia hiện nay người ta thường thay thế một phần malt bằng các loại nguyên liệu có hàm lượng tinh bột cao và hàm lượng chất béo thấp như: gạo, ngô, khoai,…

Khi sử dụng thế liệu, chất lượng của thế liệu sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng bia Vì vậy phải quan tâm đến thành phần hóa học của thế liệu

Ở Việt Nam gạo được coi là một thế liệu hàng đầu trong sản xuất bia, do sản lượng gạo ở nước ta nhiều ngoài ra trong gạo hàm lượng glucid và protein khá cao, khả năng chuyển hóa thành chất hòa tan tốt

Việc sử dụng gạo trong sản xuất bia đem lại những ưu điểm:

• Giảm giá thành sản phẩm

• Đa dạng hóa sản phẩm với nhiều hương vị khác nhau

• Tăng thời gian bảo quản của thành phẩm

Bảng 1.3: Chỉ tiêu kiểm tra gạo

STT Chỉ tiêu kiểm tra Yêu cầu

Bảng 1.4: Chỉ tiêu chất lượng nước

I.3.4. Hoa houblon

Là nguyên liệu cơ bản, đứng thứ 2 sau đại mạch trong công nghệ sản xuất bia Houblon thuộc loại thực vật dây leo, thường chỉ sử dụng hoa cái chưa thụ phấn trong sản xuất bia

Hình 1.9 Hoa houblon và chế phẩm dạng viên

Thành phần hóa học của hoa:

Bảng 1.5 Thành phần hóa học hoa houblon

• Tinh dầu thơm: hòa tan vào trong dịch đường, tồn tại trong bia, tạo cho bia có mùi thơm đặc trưng, nhẹ nhàng và dễ chịu Trong hoa có hơn 200 chất tinh dầu bao gồm terpen, rượu, ceton, aldehyd, ester và acid Trong đó hydrocacbon chiếm 75% khối lượng

• Polyphenol: được dùng để kết lắng và loại bỏ các hợp chất protid cao phân tử ra khỏi dịch đường, làm ổn định thành phần và tăng độ bền keo của bia thành phẩm

• Như vậy, hoa houblon làm cho bia có vị đắng dịu, hương thơm rất đặc trưng, làm tăng khả năng giữ bọt, làm tăng độ bền keo và ổn định thành phần sinh học và tăng khả năng sát trùng của thành phẩm Do đó hoa houblon là nguyên liệu không thể thay thế trong công nghệ sản xuất bia

Các dạng sản phẩm hoa houblon:

 Hoa tươi

 Hoa khô

 Bột hoa khô

 Hoa viên

 Cao hoa

Bảo quản hoa houblon:

Nhằm đảm bảo chất lượng hoa houblon, ổn định các thành phần trong hoa, hoa được chứa trong kho với nhiệt độ 6-7oC Mỗi ngày sẽ chuyển đủ lượng hoa để sản xuất trong ngày cho phân xưởng nấu Tại phân xưởng nấu, hoa cũng được tipế tục bảo quản ở nhiệt độ mát khoảng 18oC để thành phần của hoa ít bị thay đổi

I.3.5. Nấm men

Hình 1.10 Nấm men bia

Nấm men bia là loại sinh vật đơn bào, kích thước tế bào nấm men bia trung bình

6 -9um, sinh sản bằng hình thức nảy chồi Trong sản xuất bia, nấm men sẽ lên men dịch đường thành CO2, C2H5OH Bên cạnh đó còn tạo ra nhiều sản phẩm bậc hai khác

có ảnh hưởng đến chất lượng của bia

I.3.6. Phụ gia được sử dụng

Phụ gia- chất hỗ trợ kĩ thuật Thời điểm sử dụng Vai trò

Điều chỉnh pHTạo kết tủa

Canxi clorua ( CaCl2.2H2O)

Nguồn gốc: sản xuất tại Việt Nam

Hàm lượng CaCl2.2H2O≥ 95%

Tăng tính bền nhiệt cho

Tăng khả năng chịu nhiệt và cải thiện quá trình kết lắng của nấm men

Acid lactic:

Nguồn gốc: sản xuất tại Tây Ban

Nha

Độ đậm đặc: 80%

Quá trình đun sôi với

Hạn chế sự tạo thành diacetyl

Giảm thời gian lên men phụ

Phá bọt, ổn định quá trình lên men và tăng thể tích sử dụng của tank

Diatomit Dùng trong máy lọc ống Bột trợ lọc, tăng tốc

quá trình lọc

Loại bỏ các hợp chất polyphenol, kéo dài thời gian bảo quản bia

Cải thiện độ bềm mùi vị

Cải thiện độ bền keoTốc độ hóa nâu chậm hơn

I.4. Cơ sở khoa học của quá trình lên men bia

Khi tiến hành lên men chính dịch đường houblon hóa , một lượng lớn cơ chất chủ yếu là đường và dextrin bậc thấp bị nấm men hấp thụ để tạo thành rượu etylic, khí cacbonic và các sản phẩm phụ Ngoài glucid bị tác động, các thành phần khác của dịch đường cũng chịu những sự thay đổi lớn Một phần trong đó bị nấm men đồng hóa

và bị biến đổi thành những hợp chất khác nhau, còn một số khác thì bị biến đổi sang trạng thái không hòa tan và bị tách ra ngoài dưới dạng kết lắng Tất cả những điều đó dẫn đến một sự thay đổi lớn về lượng và chất trong các cấu tử hợp thành chất hòa tan của dịch đường Các chất hòa tan bị tiêu hao biến thành rượu etylic và khí cacbonic, đồng thời cũng tạo ra các hợp chất dễ bay hơi như rượu bậc cao, este, aldehid,… Ta thấy rằng hàm lượng chất hòa tan ở trong bia là thấp hơn so với dịch đường houblon hóa Nguyên nhân của việc giảm này là từ 3 lý do sau:

• Do nấm men tiêu tốn một phần để cung cấp năng lượng cho việc phát triển sinh khối

• Do một số sản phẩm tạo thành là những hợp chất dễ bay hơi

• Do một phần bị kết lắng

I.4.1. Sinh tổng hợp của các quá trình lên men bia

Sinh tổng hợp các sản phẩm chính (bậc 1) của quá trình lên men bia: rượu etylic +

CO 2 :

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

Phản ứng 1: Glucose được phosphoryl hóa ở C6 để cho sản phẩm glucose-6-P, nguồn phosphat là ATP

Phản ứng xảy ra được là do sự xúc tác của enzyme hexokinase với sự có mặt bắt buộc của Mg2+

Hexokinase không những xúc tác sự phosphoryl hóa glucose mà còn xúc tác quá trình phosphoryl hóa các hexose khác như fructose, manose

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

Glucose-6-P bị đồng phân hóa thành fructose-6-P dưới sự xúc tác của enzyme phosphohexose isomerase, biến một aldose thành một ketose

Phản ứng 3: Phosphoryl hóa fructose-6-P thành fructose 1,6 biphosphate

Phản ứng 4: Phân cắt fructose 1,6 biphosphate

Fructose 1,6 biphosphate bị phân cắt thành 2 phân tử triose phosphat cụ thể là 3- phosphate glyceraldehyde và dihydroxyacetone phosphate Phản ứng này được sự xúc tác của enzyme aldolase

Phản ứng 5: Chuyển hóa nội phân tử triose phosphate

Chỉ một trong hai triose phosphate là aldose: 3-P glycerataldehyde tham gia tiếp vào quá trình đường phân Nhưng dihydroxyaceton-P có thể được chuyển hóa thành 3-

P glyceraldehyde 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, có coenzyme 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 hóa mức cao nhất) 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 pyruvate kinase, để tạo ATP và pyruvate

Pyruvate kinase bị kìm hãm bởi ATP, khi nồng độ ATP cao thì nó gây kìm hãm dị không gian

Phản ứng 11: Chuyển hóa pyruvate thành rượu etylic

Nấm men và một số vi khuẩn khác có thể chuyển hóa pyruvate thành ethanol và

CO2 Quá trình trải qua 2 bước:

• Bước 1, pyruvate bị khử cacboxyl-hóa vốn được xúc tác bởi enzzyme pyruvate 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 3P glyceraldehyde

I.4.2. Sinh tổng hợp các sản phẩm bậc hai (sản phẩm phụ):

Ngoài hai sản phẩm chính là rượu etylic và khí cacbonic, trong quá trình lên men chính còn tạo 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 cũng có thể là tiêu cực Một trong số những sản phẩm bậc hai này là sản phẩm trung gian của quá trình chuyển hóa đường thành rượu, còn một

số khác là kết quả của những biến đổi hóa sinh phức tạp của những cấu tử khác trong dịch đường khi chúng tham gia vào quá trình trao đổi năng lượng trong tế bào nấm men

Glycerin

Nếu gọi glycerin là sản phẩm bậc hai của quá trình lên men thì đó đều là hoàn toàn đúng Nhưng nếu nói rằng glycerin là sản phẩm chính thứ ba của quá trình treenthif cũng không sai Ở sơ đồ Embden – Meyerhof Ở phản ứng thứ tư, sau khi tạo thành phosphodioxyaxeton, phản ứng có thể tiến triển theo chiều hướng khác nếu các yếu tố bên ngoài thay đổi Từ hợp chất này dưới sự xúc tác của coenzyme NAD+ sẽ tạo ra thành α-glycerophosphat Sau đó dưới sự có mặt của photphataza, glycerin và axit phosphoric được tạo thành Theo Pasteur thì lượng glycerin trong quá trình lên men có thể tích tụ đến 3 g/l

Glycerin là một cấu tử rất quý đối với bia, vì nó làm mềm vị và làm tăng thêm độ đậm đà cho sản phẩm Glycerin cũng có thể thu nhận được bằng con đường để amin cảu axit glutamic

Rượu bậc cao

Ở trong bia chứa các loại rượu bậc cao như: propylic izopropylic, butylic, izobutylic, amylic, izoamylic và nhiều loại khác Khối lượng của chúng dao động trong khoảng 50 đến 60 mg/l Ở điều kiện lên men nổi hàm lượng rượu bậc cao lớn hơn lên men chìm do lên men ở nhiệt độ cao hơn Trong các loại rượu bậc cao thì hàm lượng izoamylic cao nhất

Từng loại rượu bậc cao đều tạo cho bia có hương, vị riêng biệt nhưng nhìn chung

đó không phải là đăc trưng của bia mà chúng tạo cho khứu giác những cảm giác khó chịu Nói tóm lại các loại rượu bậc cao gây ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng cảm quan của bia

Cơ chế tạo thành rượu bậc cao đến hiện nay chứa được giải thích thỏa đáng do

đó ta không đề cập đến nhiều

Acid hữu cơ

Acid hữu cơ sản phẩm bậc hai của quá trình lên men rượu và quá trình trao đổi sinh dưỡng nitơ trong tế bào nấm men Chúng cũng là sản phẩm của sự đồng lên men

do vi khuẩn gây ra khi dịch đường houblon hóa bị nhiễm

Acid lactic và acid citric được tạo thành từ acid pyruvic Trong trường hợp này acid pyruvic không bị decacbonxyl mà là bị khử thành acid lactic Hàm lượng trung

bình của chúng trong bia là khoảng 150 – 200mg/l Nếu dịch lên men bị nhiễm khuẩn lactic thì hàm lượng của chúng tăng vọt lên rất nhiều lần.

Một sản phẩm thường trực khác trong nhóm acid hữu cơ là acid susinic Nó được tạo thành do quá trình deamin acid glutamic hoặc qua phản ứng chuyển amin Trong trường hợp thứ nhất, chất nhận hydro là aldehit triozoglyxerinic, vì lẽ đó, song song với việc tạo thành acid susinic ta còn nhận được glycerin Phương trình tổng hợp của các quá trình trên được biểu diễn như sau:

Ở trường hợp thứ hai, acid glutamic bị deamin đến acid xetoglutaric, còn acid pyruvic thì bị amin hóa đến alanin Acid xetoglutamic bị decacbonxyl và aldehit thu được tham gia ngay vào phản ứng oxy hóa khử với axetadehit Kết quả của dãy quá trình này là ta nhận được acid susinic và etanol:

Hàm lượng của acid susinic ở trong bia khoảng 60 – 70mg/l

Trong quá trình lên men chính, ngoài những acid trên đây còn tạo thành một số acid bay hơi khác, chủ yếu là acid acetic và acid fomic Acid acetic nhận được bằng con đường phân hóa axetaldehit Trong trường hợp này nó bị oxy hóa thành acid acetic, còn hydro của nước thì liên kết với phân tử aldehit thứ hai để tạo thành ethanol Hàm lượng trung bình của acid acetic ở trong bia là khoảng 80 – 100mg/l còn acid fomic đến 30mg/l

Ester và aldehid

Ester là sản phẩm bậc hai không thường trực của quá trình lên men chính Nó không phải là sản phẩm tạo thành từ hoạt động sống cảu tế bào nấm men mà là kết quả của sự tương tác giữa các sản phẩm bậc hai thường trực: este hóa các axit bay hơi

và không bay hơi với các loại rượu khác nhau Chiếm khối lượng nhiều nhất trong khối este là atyl acetat (15 -20mg/l) chứa ít nhất là izoetyl formiat (0,8 – 1mg/l), còn izoamin acetat thì chỉ có vết Tổng lượng của chúng trong bia dao động trong khoảng

30 – 80mg/l Với rượu etylic, acid cacbonic có thể tham gia phản ứng để tạo thành các este mono và dietylcacbonat không bền vững

Este có ý nghĩa quan trọng trong việc hình thành vòng thơm của bia Tuy không phải là sản phẩm bậc hai thường trực nhưng chúng được tạo thành chủ yếu ở giai đoạn

lên men chính Theo số liệu của các tác giả người Mỹ thì hàm lượng của etylaxet sau khi lên men chính là 18,6% mg/l, còn trong bia thành phẩm là 25mg/l Ở điều kiện lên men nổi lượng este tạo thành nhiều hơn so với lên men chìm Trong cùng một điều kiện, nấm men nổi tạo ra nhiều este hơn nấm men chìm.

Aldehid là sản phẩm bậc hai thường trực của quá trình trao đổi chất nấm men, và cũng có thể được tạo thành qua con đường oxy hóa các loại rượu Chiếm nhiều nhất trong bia thì có axetaldehid, hàm lượng của nó là 5 – 7mg/l Tổng lượng aldehid trong bia dao động từ 9 đến 10 mg/l Ở điều kiện yếm khí, lượng aldehid tạo ra ít hơn so với điều kiện hiếu khí

Ở mức độ vừa phải (10 – 15 mg/l), aldehid làm tăng hương cho bia, nhưng nếu cao quá thì vai trò của nó lại trở thành tiêu cực

Trong giai đoạn lên men phụ hàm lượng aldehid của bia giảm đi rất nhiều

Axetoin, diaxetyl và 2,3 – butandiol

Ba hợp chất này thu nhận được ở chủ yếu giai đoạn lên men chính và là do kết quả của các quá trình hoạt động sống của tế bào nấm men Chúng là sản phẩm bậc hai thường trực của các quá trình lên men yếm khí và hiếu khí Trong ba hợp chất này thì nguy hiểm nhất đến hương và vị của bia là diacetyl Diacetyl không màu đến vàng nhạt, có mùi hôi cực mạnh và vị đắng gắt rất khó chịu, tác động rất mạnh đến hệ thần kinh con người Chỉ số chất lượng N0 – 1 cho tất cả các loại bia được bán ra thị trường được công ước bia quy định là “ hàm lượng diacetyl không vượt quá 0,2mg/l “

Nếu xem acid pyruvic là điểm xuất phát thì diễn biến tạo thành ba hợp chất này

có thể biểu diễn như sau:

Trong quá trình lên men chính thì lượng diacetyl tạo thành khoảng 0,35 – 0,55mg/l Trong thời gian bị khử chúng tàn trữ và hàm lượng giảm xuống dưới mức cho phép Thời gian cần thiết cho quá trình khử này ít nhất là ba tuần ở các hệ thống lên men cổ điển Quá trình khử diacetyl là một trong những chỉ tiêu hàng đầu để xem xét là quá trình tàng trữ đã đạt hay chưa đạt

Hydro sunfua (SH 2 ) và mercaptan

Nguồn gốc tạo thành các hợp chất này là các hợp chất chứa gốc sunfat, sunfit và các amin chứa lưu huỳnh ở trong dịch đường Ở thời điểm lên men chính và đặc biệt

là ở giai đoạn lên men phụ và tàng trữ bia non, điều kiện tạo ra khá thuận lợi cho quá trình khử các nhóm disunfit (-S-S) thành các nhóm sunfơhydryl (-SH) Khi đó là cơ hội cho sự tạo thành các sản phẩm bậc hai không thường trực nói trên

Hydro sunfua và mercaptal là những hợp chất đặc biệt có hại đối với hương thơm

và vị của bia Theo số liệu của nhiều chuyên gia thì hàm lượng của chúng có thể lên tới 0,5 – 0,9 mg/l Nếu dịch đường houblon hóa chứa nhiều cặn, hàm lượng của chúng

có thể cao hơn Hiện tượng tự phân của nấm men cũng là một nguyên nhân làm tăng các hợp chất này

I.4.3. Các phương pháp lên men bia

I.4.3.1. Phương pháp lên men cổ điển

Lên men cổ điển là những quá trình lên men, qua đó người ta thu được những sản phẩm có phân tử lượng nhỏ hơn phân tử lượng của các chất khởi thủy trong nguyên liệu, đồng thời những sản phẩm thu được có thể tạo ra bằng phương pháp hóa học Thực chất của quá trình lên men cổ điển là những phản ứng dị hóa

Đặc trưng của phương pháp:

Lên men chính và lên men phụ được thực hiện trong hai thiết bị riêng biệt

Các thiết bị được đặt trong hầm lạnh

Thực hiện:

Lên men chính: Dịch lên men sau khi làm lạnh được chuyển vào thùng lên men

Dịch men giống được chuyển vào thùng lên men theo luồng dịch đường với tỷ lệ men giống 0,5 lít men giống đặc /100 lít dịch lên men nhằm tạo điều kiện cho nấm men tiếp xúc tốt với môi trường và nhanh bước vào giai đoạn lên men đầu Nhiệt độ lên men chính là 8 -100C, không tạo áp suất dư (với hệ số chứa đầy là ϕ = 0,8 – 0.85)

CO2 sinh ra trong quá trình lên men sẽ hòa tan vào bia non một phần Độ hòa tan của

CO2 vào bia non sẽ tăng khi nhiệt độ giảm, do đó để đảm bảo lượng CO2 hòa tan trong bia nhiều thì nhiệt thời kỳ cuối của quá trình lên men còn khoảng 50C, hàm lượng CO2

trong bia non phải đạt 0,2%

Thời gian lên men chín phụ thuộc vào nồng độ dịch lên men đầu tiên và nhiệt độ lên men Thời gian lên men chính khoảng 8 - 9 ngày đêm Lên men chính được xem là kết thúc khi trong 12h tốc độ lên men chỉ đạt khoảng 0,15 – 0,2%

Lên men phụ: Quá trình lên men được tiến hành trong các thùng kín đặt trong

phòng lạnh từ 1 – 20C Nhiệt độ lên men phụ khoảng 0,5 – 20C, áp suất dư 0,3 – 0,7

at Trong quá trình lên men phụ cần theo dõi áp suất trong thiết bị lên men, mức độ trong của bia, nhiệt độ trong phân xưởng

Các phương pháp lên men cổ điển:

• Phương pháp lên men dịch đường có nhiệt độ cao

• Lên men chìm, gián đoạn, trong thiết bị hở

• Lên men nổi

• Lên men trong thiết bị kín kết hợp thu hồi CO2

I.4.3.2. Phương pháp lên men hiện đại

Lên men hiện đại là quá trình lên men mà sản phẩm thu được phức tạp hơn, khác

xa về bản chất so với chất khởi thủy trong nguyên liệu và không thể thay thế bằng phương pháp hóa học Về thực chất, các quá trình ở đây là những phản ứng tổng hợp

Đặc trưng của phương pháp

Cả quá trình lên men chính và lên men phụ được thực hiện trong cùng một thiết bị

Thiết bị lên men không đặt trong phòng lạnh

Các phương pháp lên men hiện đại:

• Công nghệ lên men một pha

• Phương pháp lên men liên tục

• Phương pháp lên men bán liên tục

I.4.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men

Nói đến “tiến hành lên men” là phải nói đến tập hợp các chỉ số:

• Tốc độ phát triển của sinh khối

• Tốc độ hấp thụ cơ chất (độ giảm cơ chất hằng ngày)

• Mức độ hấp thụ cơ chất (mức độ lên men)

• Nồng độ các sản phẩm chính và các sản phẩm phụ được tạo thành trong quá trình lên men

Các chỉ số trên đây trong quá trình lên men chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố Quan trọng nhất là các yếu tố sau:

I.4.4.1.Chất lượng của nấm men sản xuất

Để thu nhận được các loại bia có chất lượng cao thì yếu tố đầu tiên cần được thỏa mãn là chất lượng của men giống

Khi đánh giá chất lượng của chủng nấm men sản xuất, cần xem xét các chỉ số sau đây:

• Tốc độ và mức độ lên men

• Hàm lượng và sản phẩm phụ tạo thành

• Tốc độ và khả năng kết lắng

• Mức độ suy giảm các đặc tính kỹ thuật (tức là mức độ thoái hóa)

• Khả năng chống chịu khi bị tấn công