Nghiên cứu các quá trình hóa học nhằm nâng cao tỷ lệ gạo làm nguyên liệu thay thế trong công nghệ sản xuất bia

Bảng I.7;: Thành phần của các loại ngũ cốc Bảng I8: Một số tính chất của tỉnh bột ngũ cốc Bảng 1.9: Thành phần gluxit của gạo và đại mạch Bang 1.10: Thanh phan cac phan doan protein củ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYÊN THỊ THU VINH

NGHIÊN CỨU CÁC QUÁ TRÌNH HOÁ HỌC NHÀM

NANG CAO TY LE GAO LAM NGUYEN LIEU THAY THE

TRONG CONG NGHE SAN XUAT BIA

CHUYÊN NGÀNH: HOÁ HỮU CƠ

MÃ SỐ: 1.04.02

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HOÁ HỌC

| tại filgïm Người hướng dân khoa học:

—Ý-F6/ 3Š PGS.TS Lê Đức Ngọc

TS Nguyên Văn Việt

Hà Nội - 2002

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

1.1 Tinh hinh san xuất bia trên thế giới

1.1.1 Lịch sử phát triển của ngành sản xuất bia trên thế giới

1.1.2 Xu hướng phát triển của ngành bia tới năm 2005

1.2 Tình hình phát triển của ngành bia ở Việt Nam

1.3 Malt đại mạch - nguyên liệu chính để sản xuất bia

1.3.1 Thanh phan hoá học cua malt dai mach

1.3.2 Hệ enzim thuỷ phân có trong malt dai mach

1.4 Các nguyên liệu thay thé trong san xuat bia

1.4.1 Các nguồn nguyên liệu thay thế sử dụng trong sản xuất bia

1.4.2 Ưu điểm của việc sử dụng nguyên liệu thay thế trong sản xuất bia

1.5 Việc sử dụng gạo làm nguyên liệu thay thế

trong sản xuất bia

1.5.1 Ly do st dụng gạo làm nguyên liệu thay thế

1.5.2 Thanh phần và tính chất của gạo

1.5.3 Sử dụng enzim trong sản xuất bia

1.6 Các quá trình hóa học trong sản xuất bỉa

1.6.1 Sơ đồ công nghệ sản xuất bia

1.6.2 Quá trình đường hoá nguyên liệu

1.6.3 Quá trình lên men dịch đường

CHUONG II:

NGUYEN LIEU VA CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Nguyên liệu và hoá chất

2.2 Các phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Các phương pháp xác định chất lượng lúa gạo

2.2.2 Phương pháp xác định hoạt lực điastatic của malt

2.2.3 Phương pháp xác định hiệu suất trích ly và thời gian đường hoá

2.2.4 Phương pháp xác định hàm lượng đường khử trong dịch đường

2.2.5 Phương pháp xác định hàm lượng đạm amin

2.2.0 Phương pháp xác định hàm lượng đạm tổng số

2.2.7 Phương pháp xác định độ đục của bia

2.2.8 Xác định hàm lượng vic - dixeton trong bia bằng phương

pháp sắc ký khí

2.2.9 Xác định hàm lượng cồn bằng phương pháp sắc ký

2.2.10 Phương pháp xác định hàm lượng rượu cao, axetaldehit và các este

trong bia thành phẩm

2.2.11 Phương pháp mô hình hoá thực nghiệm

2.2.12 Phương pháp phân tích cảm quan đánh giá chất lượng bia

CHƯƠNG II: KẾT QUÁ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN

3.1 Nghiên cứu một số đặc tính của gạo dùng cho sản xuất bia

4.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của gạo đến thành phân dịch đường

3.2.1 Ảnh hưởng của gạo đến thành phần hoá lý của dịch đường

3.2.2 Ảnh hưởng của gạo đến tính chất khác của dịch đường |

3.3 Nghiên cứu nâng cao chất lượng dịch đường khi sử dụng

gao làm nguyên liệu thay thế

3.3.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của enzim và nhiệt độ đến thành phần

dịch đường

3.3.2 Ảnh hưởng của chất lượng gạo đến thành phần dịch đường

3.3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hồ hoá và dịch hoá đến thành

phần dịch đường

3.3.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến quá trình đường hoá

3.3.5 Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ cơ chất lên hiệu suất và

thành phần của dịch đường

3.3.6 Ảnh hưởng của chất lượng malt đến thành phần dịch đường

3.3.7 Nghiên cứu quá trình lọc dịch đường và hiệu suất thu hồi

3.4 Nghiên cứu quá trình lên men bia

3.4.1 Sự chuyển hoá đường trong quá trình lên men

3.4.2 Sự hấp thụ đạm của nấm men và tạo ra các hợp chất bay hơi

trong quá trình lên men

3.4.3 Quá trình lên men phụ và hoàn thiện sản phẩm

3.4.4 Lên men nồng độ cao

3.5 Nghiên cứu đặc tính của bia bán thành phẩm

và thành phẩm

3.5.1 Thành phần hoá lý của bán thành phẩm và thành phẩm

3.5.2 Tính ổn định trong quá trình bảo quản

3.5.3 Kha nang tao bọt và độ bền bọt

3.5.4 Đánh giá chất lượng via bang phương pháp cảm quan

3.6 San xuất thử nghiệm và tính toán hiệu quả

3.6.1 San xuất thử nghiệm 6 cong ty bia Kirin (Nhat ban)

3.6.2 Thay thế 50-60% gạo ở công ty Cổ phần Ba lan

3.6.3 Tinh toán hiệu quả kinh tế

3.7 Bàn luận

KẾT LUẬN

Những công trình đã công bố có liên quan đến luận án

Tài liệu tham khảo

Substrate

Product

BANG CAC CHU VIET TAT

Tiéng Viét Đạm tổng số

Đạm tổng số hoà tan Chỉ số chuyển hoá

Dam amin tu do

Enzim

Co chat

Sản phẩm

DANH MUC CAC BANG

Bang 1.1: Sự phát triển của ngành bia trên thế giới

Bảng 1.2: Lượng bĩa tiêu thụ theo các vùng của thế giới năm 1995

và 2001

Bang 1.3: Các loại bia đứng đầu thị trường Mỹ năm 1999

Bang 1.4: T6c độ tăng trưởng của ngành Lia Việt Nam

các năm tới

Bang 1.6: Diện tích và sản lượng lúa của Việt nam

Bảng I.7;: Thành phần của các loại ngũ cốc

Bảng I8: Một số tính chất của tỉnh bột ngũ cốc

Bảng 1.9: Thành phần gluxit của gạo và đại mạch

Bang 1.10: Thanh phan cac phan doan protein của một số loại

ngũ cốc

Bang 1.11: Một số loại chế phẩm enzim dùng trong sản xuất bia

Bảng 1.12: Ảnh hưởng của nhiệt độ đường hóa đến hàm lượng

đường và dextrin tạo thành Bang 1.13: Sự phụ thuộc của hiệu suất đường hóa vào pH và

thời gian

- Bảng 3.1: Một số thông số về các loại gạo trồng ở Việt Nam

Bảng 3.2: Đặc tính hoá lý của các loại gạo Việt Nam

Bang 3.3: Mười giống lúa có diện tích lớn nhất trong vụ đông xuân

2000 ở các tỉnh phía Bắc

Bang 3.4: Điều kiện thí nghiệm

Bang 3.5: Tinh chat dịch đường với các tỷ lệ gạo khác nhau

Bảng 3.6: Thành phần của các loại gạo

Bảng 3.7 Ảnh hưởng của chế độ nấu cháo đến thành phần dịch

5

6

Bang 1.5: Du bao sản lượng và mức tiêu thụ bình quân đầu người trong 7

20 2I 2I

đường

21 Bảng 3.8: Điều kiện thí nghiệm với các loại mat khác nhau 0Ị

22 Bang 3.9: Đặc tính của các loại malt 0Ị

24 Bang 3.11 Cac mtte thi nghiém 101

25 Bang 3.12: Ma tran thuc nghiém va két qua 102

27 Bảng 3.14: Các thí nghiệm kiểm tra sự thích ứng của mô hình 104

28 Bảng 3.15: Thành phần của bia bán thành phẩm và thành phẩm 110

29 Bảng 3.16: Ngưỡng cảm nhận của một số rượu bậc cao 113

có trong bịa

35 Bang 3.22: Tính toán hiệu quả thay thế nguyên liệu 123

DANH MUC CAC HINH

Hinh 1.1: So d6 cong nghé san xuat bia

Hình 1.2: Co ché phản ứng thuỷ phân @ - 1.4 - glucozit va

a - 1,6 - glucozit

Hình 1.3: Sự phân bố điện tích ở các nguyên tử trên 2 gốc glucoza

của tỉnh bột

Hình 1.4: Tâm hoạt động của enzim

- Hình I.5: Tác dụng của œ - amylaza lên tỉnh bột

Hình 1.0: Tác dụng của B - amylaza lên tỉnh bột

- Hình 1.7: Sơ đồ đồng tác dụng của œ- và ƒ - amylaza lên mạch

tỉnh bột

Hình 1.8: Sơ đồ phản ứng của quá trình lên men

Hình 1.9: Sơ đồ lên men rượu theo Embden - Meyerhof - Parnas

10 Hình 1.10: Chu trình Kreps cho sự trao đổi chất hiếu khí

II

12

18

Hình 3.1: Anh hưởng của tỷ lệ gạo đến tỷ trọng của dịch đường

Hình 3.2: Anh hưởng của tỷ lệ gạo đến hàm lượng đạm amin trong

dịch đương

Hình 3.3: Ảnh hưởng của tỷ lệ gạo đến độ nhớt của dịch đường

.- Hình 3.4: Ảnh hưởng của tỷ lệ gạo đến pH dịch đường

Hình 3.5: Sơ đồ công nghệ nấu

Hình 3.6: Cơ chế xúc tác của amylaza thuỷ phân liên kết glucozIt

- Hình 3.7 Anh hưởng của tỷ lệ gạo và loại gạo đên hàm lượng đạm

amin của dịch đường

Hình 3.8: Anh hưởng của tỷ lệ và chất lượng gạo đến hàm lượng

trong dịch đường Hình 3.11: Ảnh hưởng của pH nước nấu đến hàm lượng đạm tổng

trong dịch đường Hình 3.12: Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất đến thành phần đạm

amin

Hinh 3.13: Thành phần các axit amin nhóm A, B, C, D

trong dịch đường Hình 3.14: Ảnh hưởng của các loại malt và tỷ lệ thay thế đến hàm

lượng valin va izoloxin trong địch đường

Hình 3.15: Ảnh hưởng của tỷ lệ gao 50% tới tốc độ lọc trên máy

lọc lắng

Hình 3.16: Sự chuyển hoá đường trong quá trình lên men

Hình 3.17 Sự hấp thụ các axit amin và tạo ra diaxetyl

Hình 3.18 Mối liên hệ giữa sinh tổng hợp vic-dixeton

Hình 3.22: Bề mặt đáp ứng của Y khi X, = -1 (nhiét do 15°C)

Hình 3.23: Bề mặt đáp ứng của Y khi X; = 0 (nhiệt độ 20,5°C)

Hình 3.24: Bề mặt đáp ứng của Y khi X; = +! (nhiệt độ 26°C)

Động học quá trình lên men dich 16°Bx

Sự thay đối về hàm lượng các este trong bia thí nghiệm

Sự thay đổi về hàm lượng rượu cao trong các mẫu

Độ dục của bia trước và sau bao quản 39 ngày ở 25°C

Độ ổn định của bia trong bảo quản lạnh

Độ bọt và khả năng bền bọt của bia

Kết quả đánh giá cảm quan của bia thành phẩm

Sơ đồ nhiệt độ lên men chính

Sơ đồ công nghệ lên men

MỞ ĐẦU

Bía là một loại đồ uống giàu dinh dưỡng và thông dụng trong đời sống hàng ngày của con người Bia được sản xuất từ 7000 năm trước đây tại các nước Trung Âu sau đó công nghệ này được truyền bá sang các châu lục khác như châu A, chau My, Uc Cong nghệ sản xuất bia ngày càng được quan tâm nghiên cứu và phát triển, đạt đến mức cao của nghệ thuật, mang đến cho người tiêu dùng nhiều loại bia da dạng, với hương vị phong phú Nhờ vậy mà bia đã không thể thiếu được trong sinh hoạt của con người

Mức tiêu thụ bia trên thế giới ngày càng tăng, đặc biệt là ở các nước châu Á-

Thái bình dương Mức tiêu thụ bình quân trên đầu người tăng nhanh từ mức I- 2lí/người/năm từ trước những năm 90 lên 8-10 lí/ngườinăm vào cuối những năm 90 [2| Sự du nhập của các công nghệ mới làm chất lượng bia tăng

lên rất nhiều

Nguyên liệu chính cho sản xuất bia là mailt đại mạch Đại mạch chỉ trồng được ở một số nước châu Âu và châu Mỹ, còn các châu lục khác thì phải nhập

malt vé dé sản xuất bia Nhiều nước không sản xuất được malt rat quan tam

tới việc sử dụng nguồn nguyên liệu sắn có để thay thế để vhủ động, nguyên

liệu và tiết kiệm ngoại tệ

Các nhà sản xuất bia Châu Á quan tâm đến việc sử dụng gạo làm nguyên liệu thay thế vì gạo ở châu A nhiều và rẻ Một trong những ưu điểm của gạo là

khả năng lên men của dịch đường cao, bia có mùi vị tỉnh, đễ uống Việc nâng cao tỷ lệ gạo làm nguyên liệu trong san xuất bia đang được các nhà sẵn xuất

quan tâm tuy nhiên đòi hỏi có những nghiên cứu cơ bản về các quá trình hoá học, các phản ứng hoá sinh trong quá trình chuẩn bị dịch đường và lên men

cũng như ảnh hưởng của nó tới chất lượng sản phẩm Trong khuôn khổ của

luận án, chúng tôi đã tập trung nghiên cứu các vấn đề sau:

t©

4

Sơ bộ đánh giá chất lượng gạo dùng cho sản xuất bia ở Việt nam

Nghiên cứu xác định các điều kiện tối ưu cho quá trình chuẩn bị dịch đường nhằm tạo điều kiện thích hợp cho các phần ứng thuỷ phân của các enzm amylaza, proteaza, nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ và chất lượng gạo đến thành phần dịch đường

Nghiên cứu các điều kiện lên men như nhiệt độ, thời gian lên men chính, lên men phụ Nghiên cứu sự tạo thành các sản phẩm bay hơi trong quá trình lên men, hạn chế sản phẩm phụ: diaxetyl trong bia thành phẩm

Đánh giá chất lượng của bia thành phẩm và tính toán hiệu quả kinh tế

Những đóng góp mới của đề tài là:

1 Xác định được đặc tính của một số loại gạo của Việt Nam dùng cho sản

xuất bia, trong số đó chọn được gạo P4 và P6 có hàm lượng đạm tổng số lớn hơn 10% phù hợp cho việc thay thế gạo ở tỷ lệ cao Xác định điều kiện

cho quá trình hồ hoá và dịch hoá tốt nhất là 121C trong thời gian 30-60

phút

Xác định điều kiện lên men và xử lý nhiệt dịch lên men chính ở 20-25°C trong 3-4 ngày đê giảm hàm lượng đdiaxetyl trong bia thành phdm < 0,1 mg/L Ap dung phương pháp toán học mô hình hoá thực nghiệm để xác

định điều kiện tối ưu trong quá trình xử lý nhiệt

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ lên men dịch đường có nồng độ cao

(14,5-16°Bx), kết hợp xử lý nhiệt dịch sau lên men nhằm đảm bảo chất lượng bia thành phẩm khi sử dụng 50 - 60% gạo thay thé malt trong qua

trình sản xuất bĩa

CHƯƠNG! TONG QUAN

1.1 TINH HINH SAN XUAT BIA TREN THE GIGI

1.1.1 Lịch sử phát triển của ngành sản xuất bia trên thế giới

Bia là loại đồ uống có từ rất lâu đời, khoảng 7 nghìn năm trước đây Theo các nhà khảo cổ học, dụng cụ nấu bia đầu tiên có nguồn gốc từ người Babilon, được chế tạo từ thế kỷ 37 trước công nguyên Sách cổ do một ông vua Arập

đã day cách làm đồ uống này tir dai mach [110] Người cổ ở Trung Quốc

cũng làm ra thứ đồ uống này từ lúa mỳ, lúa mạch gọi là “Kju” Năm 1516 ở Đức có Luật Tỉnh khiết, quy định rằng: bia chỉ được sản xuất từ malt đại mạch, hoa huplon và nước

Nam 1870 người ta bất đầu dùng máy lạnh trong công nghệ sản xuất bia Năm

1897, nha bac hoc Phap Lui Pasteur da phat hiện ra nấm men Từ đó chất lượng bia được nâng lên đáng kể, ngành công nghệ sản xuất bia đã phát triển mạnh, sản phẩm tạo ra đã thành như cầu thiết yếu trong cuộc sống con người Cùng với các ngành công nghiệp khác, sản xuất bia trên thế giới là một ngành công nghiệp có bước phát triển nhanh, sự phát triển đó được thể hiện ở bảng

1.1

San luong bịa trên thê giới táng trưởng nhanh, nhưng lai phan bố không đều giữa các châu lục Sản lượng bia tập trung ở khu vực Châu Âu và Bắc Mỹ Nhiều nhãn hiệu sản phẩm bia đã có từ trên một trăm năm, công nghệ kỹ thuật

sản xuất ở trình độ cao và có những hãng bia nổi tiếng thế giới Sản lượng bia

của các khu vực khác trong những năm gần đây cũng tăng khá, đặc biệt là Châu Á có mức tăng nhanh hơn, trong 10 năm từ 1984 đến 1994 tăng 11.000 triệu lít Do sự chuyển dịch phương thức thâm nhập thị trường bằng hàng hóa sang đầu tư sản xuất ở các nước sở tại, kết quả đã làm thay đổi cơ cấu sản

lượng bia trên thị trường thé gidi [2] Chau A tro thành nơi đứng thứ 3 về sản

xuất bia trên thế giới, sau Bắc Mỹ và Châu Âu Bảng 1.2 cho thấy thị phần bia

ở một số khu vực trong năm 1995 va nam 2001

Bang 1.1 Sự phát triển của ngành bia trên thế giới |2]

đại mạch có hạn, nên các nhà nghiên cứu đã ứng dụng những kỹ thuật công nghệ mới để lai tạo giống có chất lượng tỐt, năng suất cao nhằm tăng sản lượng Đối với những nước, những khu vực không trồng được đại mạch, một

| hướng cho san xuất bia là dùng tăng lượng nguyên liệu ngũ cốc có sẵn trong nước làm nguyên liệu thay thế

1.1.2 Xu hướng phát triển ngành bia tới năm 2005

Trong những năm gần đây sự đa dạng về chủng loại bia phát triển mạnh ở

nhiều nước Sự tăng trưởng về các loại bia nhẹ được thể hiện rõ về số liệu bia

giới thiệu ra thị trường Những loại đồ uống này chỉ ra sự cần thiết phải đề

cập tới sự êm dịu và cân bằng trong hương vị để đáp ứng được nhu cầu ngày

càng cao của người tiêu dùng Một số nước đã bắt đầu nghiên cứu đưa ra thị

trường những sản phẩm bia với một lượng malt thấp 20-30% malt dai mach, sản phẩm lên men có độ cồn nhẹ và có hương thơm đặc trưng Những loại sản phẩm này được thị trường chấp nhận Xu hướng phát triển của ngành rượu

bia nước giải khát trong thế kỷ 21 là bên cạnh những sản phẩm truyền thống,

còn cho ra nhiều loại sản phẩm mới nhằm đa dạng hóa sản phẩm, trong đó có bia nhẹ san xuat ttt malt đại mạch và các nguyên liệu thay thế [60]

1.2 TINH HINH PHAT TRIEN CUA NGANH BIA Ở VIỆT NAM

Ngành công nghiệp bia ở nước ta có quá trình phát triển lâu đài từ cuối thế kỷ

XIX đầu thế kỷ XX với 2 nhà máy do Pháp xây dựng là nhà máy bia Hà Nội

và nhà máy bia Sài Gòn Đặc biệt 10 năm trở lại đây, do chính sách đổi mới,

mở cửa của nước ta, đời sống của các tầng lớp dân cư đã có những bước cải thiện quan trọng: lượng khách du lịch, các nhà kinh doanh đầu tư nước ngoài vào Việt Nam tăng nhanh, càng thúc đẩy sự phát triển của ngành Chỉ trong một thời gian ngắn, ngành công nghiệp sản xuất bia đã có những bước phát

triển quan trọng thông qua việc đầu tư khôi phục sản xuất của các nhà sản

xuất bia sẵn có, xây dựng thêm các nhà máy mới thuộc trung ương, địa phương và liên doanh của nước ngoài vào lĩnh vực này Vì vậy, ngành bia có

vị trí quan trong trong nền kinh tế quốc dân Tốc độ tăng trưởng của ngành bia Việt Nam trong những năm qua được thể hiện qua bang 1.4

Bang 1.4 Toc độ tăng trưởng của ngành bia Viét Nam |2, LI,12|

Sản lượng | ` Tăng Sản lượng | Tăng trưởng

Năm (tr lit) vat Nam (tr lit) (%)

Từ những dự báo về thị trường nội địa, thị trường xuất khẩu, dự báo về ngành

bia Việt Nam sau một số năm vừa qua có tốc độ phát triển nhanh Trong chiến lược phát triển của ngành rượu bia nước giải khát Việt Nam dự kiến

mức tăng trưởng là 4 -5%/năm Căn cứ vào mức tăng dân số và dự kiến mức tiêu thụ bía bình quân đầu người và tổng sản lượng bia được thể hiện ở bảng 1.5

Bang 1.5: Du bao san lượng và mức tiêu thịt bình quản đầu người

trong các năm toi |2|

Như vậy trong những năm tới nhu cầu về bia ở nước ta còn tăng, bên cạnh

những sản phẩm bía truyền thống, cần phải cho ra nhiều loại sản phẩm bia

mới như bia không cồn, bia nhẹ độ nhằm đa dạng hóa sản phẩm

Hàng năm nước ta phải nhập hàng trăm ngàn tấn mail, tiêu tốn một lượng

ngoại tệ đáng kể phục vụ cho ngành sản xuất bía và nước giải khát Cụ thể năm [997 nước ta nhập khoảng 75 ngần tin malt tiêu tốn khoảng 26 triệu

USD cho sar lượng bia là 269 tziệu lít Theo mục tiêu chiến tược của ngành đầ

ra đến năm 2005 dự kiến sản lượng bia khoảng [ tỷ lít, như vậy lượng malt phải nhập sẽ khoảng trên 100 ngàn tấn Việc sử dụng nguồn nguyên liệu sản

có trong nước sẽ góp phần giảm lượng malt nhập ngoại tiết kiệm ngoại tệ

Việc tăng cường sử dụng nguồn nguyên liệu trong nước vào sản xuất bia là

chiến lược của ngành rượu bia nước giải khát khi bước vào thiên niên kỷ mới

1.3 MALT DAI MACH - NGUYEN LIEU CHINH DE SAN XUAT BIA

Malt 1a sản phẩm được chế biến từ các loại đại mạch, được nảy mầm ở điều

kiện nhân tạo và sấy đến độ ẩm nhất định ở những điều kiện bắt buộc Trong

malt chứa nhiều chất dinh dưỡng: 16 - 18% các chất có phân tử lượng thấp dễ

hòa tan, chủ yếu là đường đơn giản, dextrin có phân tử lượng thấp, các axIt

amin, các chất khoáng, các nhóm vitamin và đặc biệt có hệ enzim phong, phú,

chủ yếu là proteaza và amylaza [52, 97, 110]

Malt đại mạch là nguyên liệu chính để sản xuất các loại bia Trong malt chứa một hệ enzim thủy phân rất phong phú Nhờ có hệ enzim này các hợp chất

cao phân tử trong nội nhũ của.hạt có thể bị thuỷ phân trong qua trình nấu

thành các sản phẩm có phân tử lượng thấp chủ yếu là đường đơn gian, dextrin bậc thấp, axit amin, albumoza, pepton và nhiều chất khác hoà tan bền vững

vào nước để trở thành chất tan của dịch đường Thành phần và tính chất của

malt là những yếu tố quyết định vị, hương, màu sắc, khả năng tạo bọt và độ bền của bia Mặt khác chất lượng của malt lại được xác định bởi thành phần,

chất lượng của nguyên liệu đại mạch ban đầu và những giải pháp công nghệ

và thiết bị sản xuất ra malt [76, 110]

1.3.1 Thành phần hóa học của malt đại mạch

Thành phần hóa học của malt đại mạch rất phức tạp Nó phụ thuộc vào giống đại mạch, điều kiện đất đai, khí hậu, kỹ thuật canh tác, điều kiện bảo quản và qui trình công nghệ, kỹ thuật sản xuất malt Các chỉ số về thành phần hóa học của malt là nhân tố quyết định để xem xét loại đại mạch đó có đủ tiêu chuẩn

để sản xuất bia hay không Đối với công nghệ sản xuất bia, các hợp phần sau đây có ý nghĩa quan trong hon ca [4, 112]

1.3.1.1 Các hợp chát hydratcacbon

Tinh bot

Tinh bot la cau tr chiém vi tri sé 1 vé khối lượng cũng như về ý nghĩa đối với công nghệ sản xuất bia Hơn một nửa khối lượng chất khô của đại mạch là tỉnh bột Trong một số trường hợp, nếu đại mạch là giống có chất lượng cao thì con số đó có thể lên tới 70% Đối với công nghệ sản xuất malt và bia, tinh bột có hai chức năng: đó là nguồn thức ăn dự trữ cho phôi trong quá trình nảy

mầm và là nguồn cung cấp chất hoà tan cho dịch đường trong quá trình thuỷ

phan [29, 43, 48]

Tình bột được phân bố chủ yếu ở nội nhũ và một phần rất ít ở phôi Chúng tồn tại dưới dạng những khối lập thể, có kích thước khá bé, thường gọi là “hạt tỉnh bột” Hạt tỉnh bột của đại mạch có hai kích cỡ: hạt to và hạt bé, còn loại hạt trung bình thì rất ít khi gặp trong tự nhiên Đối với loại hạt kích thước to, chúng thường có dạng hình cầu hay hình ovan, đường kính khoảng 20 - 30

tm, còn loại bé có dạng hình cầu hay hình que, kích thước khoảng 2 - 10 tm [4, 80, 113] Tinh bét không tan trong nước lạnh và các dung môi hữu cơ không phân cực Khi tiếp xúc với nước thì tĩnh bột sẽ trương nở Ở nhiệt độ cao, nếu lượng nước không tương ứng với lượng tỉnh bột thì thể tích trương nở

của tỉnh bột sẽ tăng lên rất nhiều lần (60 - 100 lần) so với bình thường và độ

nhớt của nó cũng tăng lên rất lớn Nhiệt độ mà tại đó, hệ số trương nở và độ nhớt của tỉnh bột đạt giá trị lớn nhất, gọi là điểm hồ hóa Với các loại tỉnh bột

khác nhau, nhiệt độ hồ hóa của chúng cũng khác nhau: ngô : 80C, gạo: 75C,

khoai tay 65°C [29]

Tỉnh bột bao gồm hai polysacarit hợp thanh: amylozo va amylopectin Khdi lượng của amylozơ chiếm khoảng 17 - 24%, amylopectin chiếm khoảng 76 - 83% Chuỗi phân tử của amylozơ bao gồm từ 60 - 600 gốc œ-glucozơ, liên kết với nhau qua cầu oxi œ - 1,4 và tạo thành mạch thẳng, phía đầu mạch gọi là

cực kín, đầu còn lại là cực andehit Mạch amylozơ được xoắn theo vòng và có

cấu trúc không gian giống như một chiếc là xo Khi tiếp xúc với dung dịch tôt thì chúng bị hấp thụ vào khoảng không của chiếc “lò xo” này và tạo thành phức chất phản quang màu xanh Khi cấu trúc lò xo bị phá vỡ thì tính chất này không còn [62, 4]

Amylozơ có dạng tỉnh thể Phân tử lượng của chúng khoảng 10.000 - 100.000 đơn vị Dễ hoà tan trong nước nóng để tạo thành dung dịch không bền vững

9

với độ nhớt khá thấp Dưới sự xúc tác của enzim amylaza, mạch amylozơ sẽ

bị phân cát thành các đường đơn giản maltozơ và glucozơ [4]

Phan tu amylopectin được tạo nên bởi khoảng 2000 gốc œ-glucozơ, xếp thành

một trục chính, trên đó có nhiều mạch nhánh Tại những điểm phân nhánh, các gốc œ- glucozơ liên kết với nhau qua cầu oxi œ - 1,6; còn tại tất cả các điểm khác, mối liên kết là œ - 1,4 glucozit Amylopectin là chất vô định hình, với khối lượng phân tử đao động từ 400.000 - 1.000.000 đơn vị Nó không tan trong nước nóng mà chỉ tạo thành hồ, với dung dịch iôt, amylopectin chuyển thành màu tím Trong môi trường giàu nước, tinh bot bị thủy phân bởi hệ enzim amylaza tạo thành dextrin, dường maltozo, glucozo va mot sd oligosacarit nhu maltotriozo, maltotetraozo, maltopentaozo, maltohecxaozo va

maltoheptaozo Cac oliposacar1 này cùng với dextrimn có phân tử lượng thấp hoà tan bền vững vào nước để trở thành chất hòa tan của dịch đường trước lúc

lên men Tỷ lệ về khối lượng giữa các loại hydratcacbon trong thành phần

chất hòa tan của dịch đường có ảnh hưởng rất lớn đến tiến trình lên men và

chất lượng của bia [29, 86]

Xenlulozơ không tan trong nước, hầu như không thay đổi về thành phần và cấu trúc trong suốt tiến trình công nghệ sản xuất bia Nó đóng vai trò đặc biệt

quan trọng trong quá trình lọc dịch đường vì lớp vỏ trấu là vật liệu tạo màng

lọc phụ lý tưởng [4]

10

Hemixenlulozơ

Hemixenlulozơ là thành phần chủ yếu tạo nên thành tế bào, nó là một phức hệ bao g6m pentozan, hexozan va axit uronic Dưới tác dụng xúc tác của nhóm enzim sitaza thì hemixenlulozơ bị thủy phân thành hexozơ (galactoZơ và manozo) va pentozo (arabinozo và xilozơ) Tất cả những đường đơn này hòa tan bền vững vào dịch đường và tạo thành chất chiết, là nguồn cung cấp dinh dưỡng quan trọng cho nấm men [80, 110] sq ng

Cac hop chat pectin và các chất dạng keo

Các chất dạng keo vì khi chúng hòa tan vào nước nóng thì tạo thành dung dịch

có độ nhớt cao Các chất này có bản chất là hydratcacbon cho nên khi bị thủy

phân tạo thành đường đơn galactozo và xilozo Cac hop chat pectin phan bố ở thành tế bào để tạo ra màng trung gian Sự tồn tại của các hợp chất pectin và

các chất dạng keo trong dịch đường mang tính chất hai mặt Mặt tiêu cực là chúng làm cho dịch đường có độ nhớt cao, khó lọc, còn mặt tích cực là tạo cho bia cé6 vị đậm đà, làm tăng khả năng tạo và giữ bọt của bia [29, 86]

1.3.1.2 Các hợp chất chứa nữơ

Hàm lượng các hợp chất chứa nitơ trong đại mạch khoảng 9 - 11% Tuy

chiếm tỷ lệ thấp nhưng vai trò của chúng đối với công nghệ sản xuất bia thì lại

rất quan trọng vì ở mức độ nào đó, chúng quyết định chất lượng sản phẩm

cuối cùng Phần lớn các hợp chất này tồn tại dưới dạng cao phân tử - chúng được gọi là protein, còn một phần rất nhỏ tồn tại dưới dạng có phân tử lượng

thấp, dễ hòa tan, có các tính chất khác với nhóm cao phân tử [43, 54, 110]

Protit

Protit là chỉ số quan trọng thứ hai (sau tỉnh bột) để đánh giá tiêu chuẩn của

nguyên liệu để sản xuất bia Nếu hàm lượng quá cao, bia dễ bị đục, rất khó

bảo quản Ngược lại, nếu quá thấp, quá trình lên men sẽ không triệt để, bia

kém bọt, vị kém đậm đà Khả năng tạo bọt và giữ bọt của bia cũng như độ bền

kco của chúng (độ bền coloit) phụ thuộc trước hết vào mức độ thủy phân của

protit Không những thế, các thông số này còn phụ thuộc vào tỷ lệ giữa các cấu tử sản phẩm tạo thành trong quá trình thủy phân

Trong nhóm protein, các đại diện tiêu biểu là lekozin, edestin, hodein và plutelin Trong quá trình sản xuất bia thì lekozin, edestin và một phần nhỏ của hodein hòa tan vào dịch đường và tồn tại trong bia, còn những cấu tử khác thì

bị kết lắng và bị thải ra ngoài theo bã malt va can lang [29, 86]

Proteit là những hợp chất được tạo thành từ một phân tử có bản chất protein và một phân tử khác có bản chất phi protein Đại diện tiêu biểu của nhóm này là

nucleoproteit, lipoproteit, glucoproteit va photphoproteit Đặc điểm chung của proteit là kém hòa tan hoặc hòa tan không bên vững Trong công nghệ sản

xuất bia, proteit gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng bia Loại bỏ tốt đa cấu tử này ra khỏi dịch đường là công việc cần thiết nhưng cũng rất khó khăn của các

nhà công nghệ [97]

Các hợp chát chia nito phi protit

Các đại điện tiêu biểu của nhóm hợp chất này là: Albumoza, pepton, peptit, polypeptit va axit amin

Albumoza va pepton có vai trò rất lớn trong việc tạo và giữ bọt, đồng thời làm

tăng thêm vị đậm đà của bia Nhưng khi ở hàm lượng cao, chúng sẽ làm giảm

độ bền keo của bia vì chính chúng là tác nhân gây duc

Peptit là hỗn hợp nhiều hợp chất mà phân tử của chúng cũng được tạo thành từ

các gốc axIt amin Căn cứ vào số gốc axIt amin hợp thành, chúng được chia ra:

di-, tri- và polypeptit Chúng dễ hòa tan vào dịch đường để tạo thành dung dịch bền vững và tồn tại trong bia như là một trong những thành phần dinh

dưỡng [76]

Axit amin tự đo tồn tại trong đại mạch với khối lượng không nhiều: chỉ chiếm

khoảng 0,1% so với lượng chất khô của hạt Tuy chiếm một tỷ lệ rất nhỏ nhưng vai trò của axit amin trong công nghệ sản xuất bia lại rất lớn: là nguồn

cung cấp nitơ cho nấm men, tham gia tạo bọt và tốn tại trong bía như một hợp phần dinh dưỡng quan trọng [41]

Trong công nghệ sản xuất bia, hàm lượng các hợp chất thấp phân tử chứa nitơ

là một chỉ số quan trọng, nhưng quan trọng và ý nghĩa hơn là tỷ lệ giữa các

loại sản phẩm của sản phẩm thuỷ phân

Các thông số nitơ đặc trưng của malt bao g6m nito t6ng (TN), nito hoa tan

hoặc nitơ hòa tan bên vững (TSN) và tỷ lệ của TSN/TN là chỉ số chuyển hoá nito (loM) Nito déng hoa được xác định chủ yếu thông qua hàm lượng đạm

amm (FAN) trong dịch đường Theo Mark [74| dịch đường ban đầu chứa

khoảng 22% đạm amin so với lượng nitợ hòa tan thi sé dam bảo cho một quá

trình lên men tiến triển tốt Điều này cũng giải thích tại sao quá trình ủ malt phải dựa trên mối quan hệ giữa hàm lượng đạm amin và hàm lượng nitơ hòa

tan Trong khi giá trị đạm amin cung cấp một thông tin day đủ về khả năng sắn có của nguồn dinh dưỡng nitơ trong quá trình lên men thì tỷ số chuyển hoá (IoM) là thông số liên quan đến bọt, độ bên vững của bia Dịch đường có

chi s6 IoM cao, bia hay bị đục, trong khi loM trung bình lại gây đục ít hơn Tuy nhiên khi malt nghiền kỹ quá cũng làm tăng độ đục do hàm lượng polyphenol tăng lên Nếu hàm lương protIt cao quá rất khó bảo quản, ngược lại nếu quá thấp thì quá trình lên men không triệt để, bia kém bọt, vị kém đậm

đà Hàm lượng protIt của malt ảnh hưởng đến khả năng tạo bọt và giữ bọt của

bia cũng như độ bền keo của chúng [74, 110, 114}

1.3.2 Hệ enzim thủy phân có trong malt đại mạch

Enzim là protein thuần hay tạp, có hoạt tính xúc tác sinh học rất cao, có cấu tạo phân tử rất phức tạp và giữ một vai trò đặc biệt quan trọng trong công nghệ sản xuất bia Giai đoạn hình thành hạt, hoạt lực của các nhóm enzim rất cao Đến giai đoạn hạt chín, hoạt lực của các nhóm enzim giẩm một cách đáng kể

và đến lúc hạt sấy đến hàm ẩm 13% thì hầu hết hệ enzim trong hạt đại mạch ở

trạng thái liên kết Đến giai đoạn ngâm, hạt hút nước bổ sung đến 43 - 44%, thì hệ enzim được giải phóng khỏi trạng thái liên kết, chuyển thành trạng thái

tự do Trong giai đoạn ươm mầm hoạt lực của các enzim đạt đến mức tối đa

Hệ enzim này sẽ là tác nhân chủ yếu để phân cất các hợp chất cao phân tử

trong nội nhũ của hạt thành các sản phẩm có phân tử lượng thấp (chủ yếu là

đường đơn giản, dextrin bậc thấp, axit amin, albumoza, pepton và nhiều chất khác) dễ dàng hoà tan vào nước trong qua trình thuỷ phân sau này [86, 112,

113]

Trong mailt đại mạch hệ enzim quan trọng nhất là hydrolaza Phụ thuộc vào cơ chất bị thủy phân, các enzimm hydrolaza được chía thành cacbohydraza, proteaza va esteraza (113)

1.3.2.1 Cacbohydraza

Nhóm enzim này thủy phân gluxit cao phan tử thành các sản phẩm có phân tử lượng thấp hơn Trong nhóm này có hai nhóm nhỏ: polyaza va hexozidaza Hexozidaza là những enzim tham gia xúc tác thủy phân disacarit, trisacarit va mot s6 glucozit khác, còn polyaza là những enzim thủy phân gluxit cao phân

tử Chúng bao gồm: diastaza (amylaza) và sitazZa

Diastaza: Diastaza thuỷ phân tính bột thành các đường và dextrin Đây là

nhóm enzim quan trọng nhất trong công nghệ sản xuất bia Diastaza bao gồm hai cnzim: œ- amylaza và B- amylaza

Enzim a - amylaza_ tac dong lén mach amylozo va amylopectin của tỉnh bột

và bẻ gãy liên kết œ - 1,4 - glucozit Sau một thời gian ngắn, toàn bộ mạch amylozơ và mạch chính của amylopectin bị cắt nhỏ thành từng mảnh có năm

hoặc sáu gốc glucozơ Nhờ quá trình phân cắt này độ nhớt của dịch cháo

nhanh chóng giảm xuống Giai đoạn tiếp theo của quá trình thủy phan 1a a -

amylaza phân cắt cục bộ các mảng dextrin để tạo thành sản phẩm cuối cùng là glucozo, maltozo va dextrin có phân tử lượng thấp hơn Dưới tác dụng của œ -

amylaza, amylozơ bị thủy phân tạo thành 13% glucozơ, 87% maltoZơ, còn amylopectn bị thủy phân tạo thành 19% glucozơ, 72% maltozo va 8% dextrin

[5, 86]

Enzim - amylaza cắt từng nhóm hai gốc glucozơ của mạch amylozơ và mach nhánh của amylopectin dé tao thanh đường maltozơ Enzim này không cắt liên két a - 1,6 - glucozit- chúng dừng tác dụng trước điểm rẽ của mạch nhánh amylopectin Tác dung của enzim này trên mạch amylozơ bất đầu từ cực kín (đầu không khử), còn trên mạch amylopectin - từ phía ngoài của mạch nhánh, tạo ra sản phẩm là đường maltozơ [4, 29]

Khác với œ - amylaza, j- amylaza không thủy phân tỉnh bột nguyên (dạng

không hòa tan) mà chỉ thủy phân tinh bot hoa tan B- amylaza có khả năng phân giải 100% amylozơ thành maltozơ và chỉ phân giải được 54 - 58% amylopectin thành maltozơ Dưới tác dụng đồng thời của œ và j- amylaza,

tỉnh bột bị thủy phân 95% [112]

œ - amylaza là một metaloenzim , chtfa ion canxi va ion nay déng vai trò quan trong trong hoạt tính của enzim Người ta đã nghiên cứu cho thấy œ - amylaza của malt đại mạch hoàn toàn không hoạt động nếu tách Ion canxi ra khỏi phân

tỨ cnzim œ - amylaza có chúa từ ¡ -3Ø nguyên tử gam Ca/mol phụ thuộc vào nguồn gốc của enzim Vai trò của ion canxi trong phân tử œ - amylaza là làm

ổn định cấu trúc bậc hai và bậc ba của phân tử protein Các ion Ca”, Zn”', CI,

có tác dụng làn tăng hoạt tính của œ - amylaza, còn các muối sulfat sắt, sulfat crom, sulfat kẽm và sulfat đồng làm giảm hoạt tính của œ - amylaza œ - amylaza két tua trong dung dich 25 - 30% (NH,),SO,, dé tan trong dung dich

cồn loãng nhưng kết tủa ở nồng độ 60% [5,63]

Tính chất của enzim amylaza có trong malt khác hẳn với enzim có nguồn gốc

từ vi sinh vật So với œ - amylaza của nấm mốc thì œ - amylaza của malt đại

mạch bền nhiệt hơn Ở 70°C, a - amylaza cia nim mốc bị mất 50% hoat lực, Ẵ y | AL Ít

còn enzim này của malt chưa bị mất hoạt lực Nhưng so với œ - amylaza của

vi khuẩn, enzim của malt đại mạch kém bên nhiệt hơn, ơ - amylaza của vi

khuẩn có thể tồn tại ở nhiệt độ 92°C và ở 85°C chỉ mất gần 50% hoạt lực,

trong khi ở nhiệt độ này œ - amylaza của malt đại mạch bị vô hoạt hoàn toàn

[5,69]

a - amylaza co tinh bén nhiét hon B - amylaza Trong dich đường œ - amylaza

bị vô hoạt ở 80°C, con B - amylaza nhiệt độ vô hoạt là 70°C Nhung « -

amylaza lại nhạy với axit hon B - amylaza Ở điều kiện pH =2,3, thậm chí ở

ÓC ơ - amylaza hầu như bị vô hoạt hoàn toàn, trong khi đó - amylaza vẫn

hoạt động

Sitaza: Enzim nay thủy phân hemixenlulozơ tạo thành sản phẩm cuối cùng

la pentozo

1.3.2.2.Proteaza

Các cnzim ở nhóm này thủy phân protein thành các sản phẩm trung gian và

sau đó một số trong các sản phẩm trung gian tiếp tục bị phân cắt đến sản

phẩm cuối cùng là axit amin

Profeza: Nhóm enzim này thủv nhân protein thành albumoza và pepton,

sau đó chúng tiếp tục bị phân cắt thành peptit và polypeptit

Peptidaza: Peptidaza bao gém hai enzim: dipeptidaza va polypeptidaza Chúng tác dụng lên phân tử của các dipeptit và polypepuit để phân cắt thành axit amin Peptidaza kém bền nhiệt hơn proteinaza, nhưng lạt hoạt động tốt ở trong môi trường kiềm, pH tối ưu cho enzim này là 7,0 Ở nhiệt độ 48 - 50C, lượng axit amin tạo thành nhiều nhất [76, 86]

1.3.2.3 Esteraza

Nhóm enzim này phân cắt mối liên kết este piữa các hợp chất hữu cơ và vô cơ

Nhóm này được chia thành 2 nhóm nhỏ: lipaza và phosphataza

16

LIDđzđ: chúng phá vỡ liên kết este giữa rượu dơn hoặc đa chức với các axi béo bậc cao

Amilophotphataza: Enzim nay tham gia vào quá trình thuỷ phân tỉnh bột

với chức năng làm cho quá trình hồ hóa dễ dàng hơn Nó cắt phân tử axit

photphoric khoi mach amylopectin Người ta cho rằng trong quá trình đường hóa, tỉnh bột không những bị thủy phân mà chúng còn bị tác dụng bởi quá trình photphoryl hóa Đưới tác dụng của enzim photphorylaza, sẽ nhận được

ølucozơ - I - photphat, và từ đây qua một loạt biến đổi sẽ thu được sản phẩm

cuối cùng là fructozơ và sacarozơ [ 29, 52,97, 110]

Hệ enzim thủy phân được đặc trưng bởi 2 chỉ số: thời gian đường hóa và chất

lượng dịch đường Nó có ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng lọc, khả năng lên

men, tinh ổn định sinh học và hương vị của bia Thời gian đường hóa dat trong khoảng từ 10 - I5 phút được coi là quá trình đường hóa bình thường Thời gian đường hóa kéo dài là do hoạt lực của ơ - amylaza và B - amylaza thấp, nguyên nhân có thể liên quan đến giống, năm trồng đại mạch, do quá

trình chế biến malt chưa hợp lý hoặc cũng có thể do quá trình đường hóa tiến

hành chậm trễ Tất cả những điều này sẽ làm ảnh hưởng đến tiến trình lên

men đặc biệt là làm giảm hiệu suất lên men (<80%) [97]

1.4 CÁC NGUYÊN LIỆU THAY THẾ TRONG SẢN XUẤT BIA

1.4.1 Các nguồn nguyên liệu thay thế sử dụng trong sản xuất bia

Theo tài liệu của hiệp hội bia Châu Mỹ, nguyên liệu thay thế được định nghĩa

là nguồn hydratcacbon có thành phần và tính chất phù hợp dùng để bổ sung

hoặc thay thế nguyên liệu cơ ban trong sản xuất bia là malt dat mach [29]

Nguyên liệu thay thế về nguyên tắc được sử dụng từ nguồn dễ kiếm, rẻ tiền,

hiệu suất cao để thay thế malt đại mạch Chúng được chia thành 3 nhóm tuỳ thuộc vào phương pháp sử dụng như sau [85, 86]:

e Từ ngũ cốc rắn, chưa hồ hóa như gạo, ngô, đại mạch, lúa mì, kê Đối với

loại nguyên liệu này cần phải có một thiết bị riêng biệt để hồ hóa trước khi

đưa vào đường hóa Đa số các nhà sản xuất bia Châu Mỹ, Châu Âu và Việt Nam dùng loại nguyên liệu này

e Tinh bot đã được hồ hóa đó là các loại cốm ngô, cốm gạo đã được hồ hóa

chỉ việc đưa vào nồi đường hóa

e_ Các loại đường có thể được sản xuất từ mía, củ cải đường hoặc dưới dạng siro được sản xuất từ tính bột Loại nguyên liệu thay thế này chỉ việc đưa trực tiếp vào nồi nấu hoa Ở Úc và Anh thường sử dụng nguyên liệu này Các loại ngũ cốc được trồng nhiều ở các khu vực như sau:

Châu Mỹ: ngô và gạo; Châu Âu: đại mạch

Sản lượng ngũ cốc trên thế giới thay đổi trong những năm gần đây, trong khi

lượng ngô và gao tang thì sản lượng mì, đại mạch lại giảm [8]

1.4.2 Uu điểm của việc sử dụng nguyên liệu thay thế trong sản xuất bia Xuất phát điểm của việc sử dụng nguyên liệu thay thế ở châu Âu là nhằm giảm luong malt dua vao san xuất vì thuế sản xuất lúc đó đánh vào lượng mail

Nguyên liệu thay thế lúc đó dùng siro và các loại đường Sau chiến tranh thế

giới lần thứ 2 toàn thế giới bị thiếu malt trầm trọng nên tất cả các châu lục đều phải sử dụng các nguồn nguyên liệu khác nhau để làm nguyên liệu thay thế như ngô, gạo, đại mạch, các sản phẩm từ ngô, gạo, lúa mì, lúa miến Sau một thời gian dài sử dụng và nghiên cứu ảnh hưởng của các loại nguyên liệu thay thế lên chất lượng của bïa, người ta đã rút ra một số kết luận sau [29, 30, 66,

96, 85]:

-_ Việc sử dụng một phần nguyên liệu thay thế không làm ảnh hưởng tới chất lượng bia, ngược lại làm tăng độ bền vững của bia trong quá trình bảo quản

- Bia được nấu từ gạo có độ bền cao, ít tủa lạnh và tủa keo, việc sử dụng gạo

có lợi cho việc sản xuất bia sáng màu

- Giảm thời gian lên men

- Cải thiện đặc tính bọt

- Gia tăng hiệu quả kinh tế

Một số nước đã sử dụng nguyên liệu thay thế với tỷ lệ cao như ở Mỹ dùng

nguyên liệu thay thế không những có I6% gạo mà còn dùng thêm hỗn hợp 33% ngô Ở Anh dùng 20 - 25%, ở Nhat, My, SNG 30 - 35%, Uc 20 - 30% nguyên liệu thay thế là ngô, gạo Có một số công trình đã nghiên cứu sử dung enzim trong quá trình nấu và tạo hương Ngoài việc sử dụng gạo, ngô, đường

làm nguyên liệu thay thế, ở Nigeria da sử dụng lúa miến tới tỷ lệ 58%, ngô

40% cùng với sự phối hợp của hai hệ enzim đường hóa, đạm hóa mà bia vẫn đạt chất lượng tốt [24, 62]

Vấn đề sử dụng nguyên liệu thay thế trong sản xuất bia đã được đặt ra cho các nhà nghiên cứu từ nhiều năm nay Sự lựa chọn một nguyên liệu thay thế nào

đó tuỳ thuộc vào mức độ sẵn có ở trong nước, giá cả cũng như mục đích của các nhà sản xuất

1.5 VIỆC SỬ DỤNG GAO NGUYÊN LIỆU THAY THẾ TRONG SẢN XUẤT BIA

1.5.1 Lý do sử dụng gạo làm nguyên liệu thay thế

Gao dùng để sản xuất bia !à sản phẩm phụ của cêng nghiệp xay xát, có tới 30% gạo tấm tạo thành trong quá trình xay xát Giá của gạo tấm bán cho các nhà máy bia thấp hơn nhiều so với gạo nguyên hạt và giá của | kg chat tan thu được từ gạo rẻ hơn thu được từ malt rất nhiều [96]

Gạo được sử dụng làm nguyên liệu thay thế trong sản xuất bia ở Mỹ, Nhật

bản, Trung Quốc và ở nhiều nước khác Sản lượng gạo ở Châu Á chiếm

khoảng 80% sản lượng gạo thế giới Việc sử dụng gạo trong sản xuất bia là

vấn đề được các nước Châu Á quan tâm Bia sản xuất từ nguyên liệu có thay thế một phần malt dai mạch bằng gạo thì có tính ổn định cao hơn so với bìa được sản xuất từ các loại nguyên liệu thay thế khác [26] Gạo dùng để san

xuất bia ở dạng tấm chứa 80% tỉnh bột, 6 -8% protein Do gạo chứa nhiều tỉnh bột, ít chất béo, hiệu suất hòa tan cao đạt 94% và ngày càng được sử dụng

nhiều trong sản xuất bia [29, 96]

Cây lúa thuộc họ hoà thảo (raminal), là cây lương thực chính của gần nửa dân

số thế giới, đặc biệt được trồng nhiều ở các nước vùng Đông nam Á Về diện

tích canh tác trên thế giới thì lúa chỉ kém lúa mì nhưng năng suất lại cao hơn Diện tích và san lượng lúa gạo của Việt nam trong 10 nam tro lai day cũng

tang ding ké (bang 1.6)

Bang 1.6 Dién tích và sản lượng lúa của Việt nam [12]

So sánh thành phần của gạo và một số tính chất của nó với một số ngũ cốc khác được thể hiện trong bảng 1.7 va 1.8

Bang 1.7 Thanh phan của các loại ngũ cốc |80|

Tinh chat polyme

—————————————

Mitte do polynie hod il" 26c 070 es

+ nhánh

Số lượng tương đương với số nhóm gốc khử và không khử

Chuỗi A dính với chuỗi B và

C Chuỗi B gắn với chuỗi C - Chuỗi B dài hơn A: Chuỗi A

và B có gốc không khử Chi

có chuỗi C có gốc khử

10 - I0” gốc ozơ Nâu hồng

sản phẩm khi bị tác

dụng của ơ - amylaza _

Glucozo, maltozo, maltotriozo, oligosacarit

Dextrinaza giới hạn Không tác dụng

Maltozo (~55%) va B-dextrin

_| Cất mạch nhánh œ-l,6 chậm _ _| Cất mạch nhánh œ-l,6

21

Qua những số liệu trên ta thấy rằng những đặc tính của gạo khác với đại mạch

có liên quan đến những điểm cần chú ý trong quá trình nấu bia khi sử dụng

nó Tỉnh bột gạo bền hon tinh bot dai mach khi bị amylaza tác dung Dé tinh bột gạo thủy phân được tốt nó cần được hồ hóa và dịch hóa tốt Việc thay thế malt đại mạch bằng gạo với tỷ lệ cao làm cho dịch đường nghèo về thành phần dam, do đó ta thường sử dụng thêm nguồn enzim proteaza [32, 45, 96]

Nhiệt độ hồ hóa của gạo nằm trong khoảng 70 - 85C, Các loại lúa được gieo

trồng vào mùa khô nóng thì gạo thường có nhiệt độ hồ hóa cao (80 - 85°C), do

đó cần phải lưu ý điểm này khi sử dụng gạo vào sản xuất bia [30] Thành

phần gluxit của gạo và đại mạch được thể hiện ở bảng 1.9

Bang 1.9: Thanh phan gluxit cua gao va dai mach (%) [14]

và globulin [3, 44, 49| Thành phần các phân đoạn protein có trong øao và các

loại ngũ cốc được thể hiện ở bảng 1.10.

Bang 1.10: Thanh phan cac phan doan protein của một sô loại ngũ cốc

Loai ngũ cốc Các phân đoạn

Albumin | Globulin | Prolamin |_ Giwelin_ | (g/16g Nữơ

1.5.2.3 Thành phần các chất tro, vitamin và lipit của gạo

Chất tro phân bố không đều trong thành phần hạt, chủ yếu tập trung trong vỏ

và có ít nhất trong nội nhũ Chất tro trong hạt chủ yếu là photpho và tập trung

nhiều nhất ở vỏ hạt, thường ở dạng liên kết của phiưn, lexitin và nucleproteit

Photpho có trong phôi hạt 6 dang phitin khoảng 82,9%, axit nucleic - 12,28%,

photphatit - 3,54%, lexitin - 0,64% và muối vô cơ - 0,64% Trong vỏ trấu chất |

tro chủ yếu là oxit silic (94,5% toàn bộ chất tro có trong vỏ trấu) [26, 72]

Trong gạo có chứa nhiều vitamin nhóm B, phần lớn tập trung ở phôi, vỏ và lớp

alơrong Hàm lượng vitamin trong gạo xay xát kỹ B, giảm 70%, B;¿ giảm

60%, B, - 80% [3, 26]

Chất béo ctia gao chiém | - 2%, it hon so vdi các loại hạt hòa thảo khác (dai

mach 2 - 3%, ngô 5 - 6 %) Chất béo trong thành phần của thóc chủ yếu tập

trung ở phôi và lớp alơrong, bao gồm axit oleic, linoic và panmitic [3, 19]

23

Tóm lại, về thành phần hóa học, gạo có nhiều ưu điểm khi sử dụng vào sản xuất bia như: có hàm lượng tình bột cao, ít chất béo, không chứa ƒ} - globulin

và antoxianogen Tuy nhiên trong gạo hàm lượng các hợp chất chứa nơ thấp hơn so với đại mạch Để sử dụng tỷ lệ gạo cao trong công thức nấu bia đòi

hỏi phải có biện pháp bố sung các chất cần thiết

1.5.3 Su dung enzim trong sản xuất bỉa

Trong sản xuất bia quá trình thuỷ phân giữ một vai trò vô cùng quan trọng

Bia muốn có chất lượng cao, quá trình lọc dễ dàng thì quá trình đường hóa

phải tốt Trong quá trình đường hóa các enzim của malt thủy phân các chất có phân tử lượng cao có trong nguyên liệu thành các chất hòa tan mà trong quá trình lên men nấm men có thể sử dụng được Mặt khác quá trình đường hóa tốt giúp cho quá trình lọc dịch đường, lọc bía thuận lợi nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị, do đó góp phần tăng năng suất của các nhà máy sản xuất bia Khi sử

dụng tỷ lệ nguyên liệu thay thế cao, lượng enzim từ malt không đủ để thủy

phân các chất cao phân tử cần có sự bổ sung các enzim từ các nguồn khác nhau (từ vị sinh vật, từ thực vật) [24, 29, 50, 66, 96,] Danh mục một số loại enzim sử dụng cho quá trình sản xuất bia được chi ra trong bang 1.11

Bảng 1.11 : Một số loại chế phẩm enzim sử dung trong san xuat bia

Tén chế phẩm Nguồn gốc Loai enzim Hãng sản xuất

Thermostable Fungal |

ơ - amylaza

a - amylaza Proteaza +-glucanaza

Proteaza

- amylaza B- amylaza

Proteaza; ơ- amylaza -glucanaza

ơ - amylazZa, -glucanaza, Proteaza B-glucanaza

œ,B-glucanaza

Novo - Dan mach

Quest - NewZealand Novo - Dan mach Quest - NewZealand

Novo - Dan mach Novo - Dan mach

Quest - NewZealand

Novo - Dan mach

Novo - Dan mach

Novo - Dan mach

Quest - NewZealand

24

1.6 CÁC QUÁ TRÌNH HÓA HỌC TRONG SẢN XUẤT BIA

1.0.1 Sơ đồ công nghệ sản xuất bia

ye

ho, dich hoa

> Ba hem

1.6.2 Quá trình đường hoá nguyên liệu

Nguyên liệu sau khi đã nghiền nhỏ sẽ được hòa trộn với nước ở trong hệ thống

thiết bị đường hóa Lượng nước phối trộn với bột nghiền phụ thuộc vào chủng loại bia sẽ sản xuất và đặc tính kỹ thuật của hệ thống thiết bị Trong môi

trường giàu nước, các hợp chất có phân tử lượng thấp có san trong nguyên liệu

sẽ hòa tan vào nước và trở thành chất tan của dịch đường Các hợp chất cao phân tử như tỉnh bột, protein, các hợp chất chứa photpho sẽ bị tác dụng bởi các nhóm enzIm tương ứng là amylaza, proteaza, phosphataza khi nhiệt độ của khối dịch được nâng lên đến các nhiệt độ thích hợp cho các enzim này hoạt động Dưới sự xúc tác của hệ enzim thủy phân, các hợp chất cao phân tử

bị phân cắt thành các sản phẩm có phân tử lượng thấp và hòa tan vào nước để

trở thành chất tan của dịch đường |4, 80, 112, 113, 114]

Thực chất của các quá trình ở giai đoạn này là sự thủy phân các hợp chất cao phân tử dưới sự xúc tác của enzim Trong thành phần của các sản phẩm thủy

phân, chiếm nhiều nhất về khối lượng là đường glucozo, maltozo va dextrin

Vì lý do này mà thường gọi toàn bộ quá trình thủy phân ở giai đoạn này bằng tên gọi đơn giản là quá trình đường hóa Những quá trình cnzim quan trọng

nhất là quá trình thủy phân tỉnh bột, protein và các hợp chất chứa phốt pho

1.6.2.1 Quá trình thủy phán tỉnh bột bằng enzim

Mục đích của quá trình thuỷ phân tỉnh bột bằng enzim là để phân cắt amylozơ,

amylopectin và dextrin bậc cao thành đường đơn giản, dextrin có phân tử

lượng thấp dễ hòa tan vào nước trở thành chất hòa tan của dịch đường Trong phản ứng này, tỉnh bột là cơ chất còn chất xúc tác là nhóm enzim amylaza có san trong malt Trong trường hợp sử dụng nguyên liệu thay thế với tỷ lệ cao,

để thu được lượng chất hoà tan cao, cần thiết phải bổ sung enzim từ ngoài vào

Chế phẩm enzim từ vi sinh vật, ngoài œ, j - amylaza , trong nhiều trường hợp còn bổ sung thêm glucoamylaza và một số enzim khác |48, 50, 52|

26

Co ché phan tng thuy phan

Không phụ thuộc vào nguồn gốc chất bị xúc tác, môi khi liên kết œ- 1,4 và a-

1,6 - glucozit bị phân cát, thì tại các điểm đó ngay lập tức được liên kết với các nhóm của nước (hình 1.2) [113]

Hình 1.2: Co chế phản ứng thuy phan a- 1,4 - glucozit va a - 1,6 - glucozit

Quá trình thủy phan tinh bét o tong moi truong nudc boi enzimi araylaza cho

thấy rằng, các chất xúc tác bẻ gãy liên kết glucozit giữa nguyên tử cacbon số Í

(C,) với nguyên tử oxy, Ở mạch amylozơ, khi liên kết œ - 1,6 - glucozit bị

phân cắt thì nhóm hydroxyl (OH) của nước sẽ liên kết với nguyên tử C¡ ở gốc plucozjt bên trái, còn.cation hydro (H*) sẽ liên kết với nguyên tử C¿ của gốc glucozIt bên phải Đối với mach amylopectin, khi mdi lién két a- 1,6 - glucozit bi phan cat, thi nhóm OH' của nước sẽ liên kết với nguyên tử €¡ ở

mạch chính, còn H" sẽ liên kết với - O' ở nguyên tử Cự Một cách tổng quát, nếu tất cả các mối liên kết glucozit của tỉnh bột bị phân cắt (bao gồm n gốc)

thì cần có n - 1 phân tử nước để liên kết với chúng và sẽ tạo thành n phân tử

27

glucozơ Nhưng vì n_ là một đại lượng lớn cho nên hiệu số giữa n vàn - [ cĩ thể xem là khơng đáng kể Khi đĩ phương trình tổng quát của phần ứng thủy

phân tỉnh bột cĩ thể biểu diễn:

(C,H,JÕ,)„ + nH,O = nC,H,,0,

Nếu chỉ tính cho một gốc glucozơ thì cĩ thể viết ngắn gọn là:

C,H„O., + H,O = C,H,,0,

Như vậy luong glucozo thu hồi theo lý thuyết từ phản ứng thủy phân tình bột

la: 111,11% lượng cơ chất tham gia ở đầu vào

Trong thực tế, sản phẩm thủy phân của tỉnh bột thường được tính theo lượng

đường maltozơ, khi đĩ sự cân bằng của sản phẩm cĩ thể tính theo phương

trình

(C,H,,O5), + n/2 H,O = n/2C,,H,,0,,

Một đặc điểm quan trọng của liên kết glucozit trong các polysacarit là chỉ cĩ

electron o ma khong cé electron m tham gia Trong trường hợp như vậy, đĩng

vai trị phân cực là electron ơ Do hiệu ứng cảm ứng của nguyên tử oxi trung tâm, nên gây ra một sự tập trung điện tích nào đĩ trên nguyên tử oxi, do đĩ

oxi tích điện âm Phân bố điện tích ở các nguyên tử trên hai gốc glucozơ của

tỉnh bột cĩ thể biểu diễn như hình 1.3 (ký hiệu 6- chỉ điện tích âm cịn 5+ chi

Thông thường, các nhóm đặc hiệu đó của amylaza là nhân imidazol và nhóm hydroxyl [4, 112] Ở trong nội nhũ của malt khô, hầu hết các enzim thuộc nhóm amylaza đều năm ở trạng thái tỉnh thể, Khi nội nhữ được nghiền nhỏ và nằm trong môi trường nước, các tỉnh thể enzim này sẽ hòa tan Do cấu trúc

bậc ba của phân tử enzim - protein nên chúng trở nên rất linh động, đặc biệt

là các tâm hoạt động của chúng Khi đó giữa gốc hydroxyl (OH) của nhóm

cacboxyl (-COOH) và nguyên tử nitơ bậc ba của nhân imidazol thể hiện ái lực với nhau Do có khả năng đặc biệt này mà giữa hai tâm hoạt động của enzim hình thành liên kết cầu hydro Khi đó nhóm COO' sẽ mang điện tích âm, còn

nhân imidazol do có H nên nó mang điện tích dương [4, 113] Hinh 1.4 thể

hiện sự phân cực đó

Nhan imidazol

Hình I.4: Tám hoạt động của enzin

Sdn pham thiy phan tw tinh bot

Sản phẩm chính của quá trình thủy phân tỉnh bột là đường maltozo, dextrin va một lượng nhỏ glucozơ Trong giai đoạn ươm mầm đại mạch đã thu được một

lượng nhỏ những sản phẩm này, nhưng đến giai đoạn đường hóa thì điều kiện

thủy phân mới thực sự đáp ứng được yêu cầu thuận lợi nhất cho sự hoạt động

của hệ enzim thủy phân Sự phân cắt tỉnh bột thành các sản phẩm có phân tử lượng thấp là kết quả của quá trình tác động của nhóm enzim amylaza, bao

gồm œ - amylaza, - amylaza và amylophotphataza | 110]

Sự tác dụng của @ - amylaza lén tinh bot

œ - amylaza tác động lên mach amylozo va amylopectin cua tinh bột và bẻ gay liên kết ơ - 1,4 - glucozit Sau một thời gian ngắn, toàn bộ mạch amylozơ và

Zo

mạch chính của amylopectin bi cat nho thành từng mảnh có 5 hoặc 6 gốc

plucozm Nhờ quá trình này, độ nhớt của dịch cháo giảm đi một cách nhanh

chong Giai đoạn tiếp theo của quá trình thủy phân là œ - amylaza phân cat cục bộ máng dextrin để tạo thành sản phẩm cuối cùng là glucozơ, maltozơ và

dextrin có phân tử lượng thấp [30, II0I Sơ đồ tác dụng của enzim này được mình họa bằng hình 1.5

600000000000000900000000000000 Sooaopee 00000 500 00000000000 (a) 600008 * d0000p908 dooco000d Y 6000000

500d 6d doopd 60d & 08 Goo? Sogo Soe

6966 6o áp d ódóở apa

Sự tác dụng của 8- amylaza lén tinh bot

B - amylaza cắt 2 gốc glucozit trên toàn mạch của amylozơ và mạch nhánh của amylopectin để tạo thành đường maltozơ Enzim này không cắt được liên kết œ - 1,6 - glucozit, chúng dừng tác dụng trước điểm rẽ của mạch nhánh

30