enzyme trong sản suất bia

Nguồn enzyme truyền thống được sử dụng cho việc chuyển đổi các loại ngũ cốc thành bia là hạt mạch nha, lúa mạch và là một thành phần quan trọng trong sản xuất bia.. Trong chương này, một

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM

KHOA CNSH & KTMT

TIỂU LUẬN

ENZYME TRONG SẢN SUẤT BIA

Mục Lục

Mở đầu

Bia là một trong những đồ uống lâu đời nhất thế giới,lịch sử bia có niên đại đến

6000 năm TCN Ngày nay, ngành công nghiệp sản xuất bia là một nền kinh doanh toàn cầu, bao gồm một số công ty đa quốc gia chiếm ưu thế trên thị trường và hàng ngàn các nhà sản xuất nhỏ từ các cơ sở nhỏ tới các cơ sở lớn của vùng Hơn 133 tỉ lít (35 tỉ gallon) được bán mỗi năm - doanh thu toàn cầu là 294,5 tỉ USD (147,7 tỉ bảng Anh) năm 2006.Ở Việt Nam, bia xuất hiện chưa lâu lắm (chỉ Khoảng 100 năm), nghành công nghiệp sản xuất bia vẫn còn rất nhiều tiềm năng phát triển

Bia là một loại đồ uống chứa cồn được sản suất bằng quá trình lên men đường lơ lửng trong môi trường lỏng và nó không được chưng cất sau lên men Thành phần chính của bia là nước, lúa mạch đã mạch nha hóa, hoa bia và men bia.Các thành phần khác, chẳng hạn các chất tạo mùi vị hay các nguồn tạo đường khác được thêm vào như là các phụ trợ Các phụ trợ phổ biến là ngô và lúa gạo trong sản xuât bia, giai đoạn lên men đóng vai trò quan trọng và nó có sự tham gia của các loại enzyme thủy phân Ngày nay, các loại enzyme này không chỉ có ở nội tại trong lúa mạch mà còn được bổ sung từ bên ngoài nhằm nâng cao năng suất cũng như chất lượng của bia

Để hiểu rõ hơn về chức năng của những enzyme này nhóm chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: “Enzyme trong sản xuất bia”

1. Giới thiệu

2

Sản xuất bia là một quá trình cũ và truyền thống mà sử dụng một loạt các nguyên liệu, trong nhiều thế kỷ, nhiều quá trình sản xuất bia đã phát triển, và chúng cho thấy tính linh hoạt và trình độ tay nghề của người nấu bia thời xưa Đến nay phong cách sản xuất bia quan trọng nhất là “lager”-loại bia màu vàng trong , đặc trưng bởi việc sử dụng nước rất tinh khiết, quá trình lên men ở nhiệt độ thấp, và một thời gian dài giai đoạn trưởng thành Ngay cả trong phong cách bia tương đối trẻ này, nhiều sự thay đổi đã phát triển Mẫu số phổ biến trong sản xuất bia của bia là bộ phận của tinh bột ngũ cốc được biến đổi thành cồn Trong giai đoạn đầu enzyme thủy phân tinh bột thành đường lên men Ở giai đoạn quá trình thứ hai, đường này được chuyển thành cồn và carbon dioxide bởi men rượu (Không phải tất cả các loại bia sử dụng nấm men để lên men, ví dụ như, trong trường hợp bia gueuze và weissen, vi khuẩn có liên quan.)

Nguồn enzyme truyền thống được sử dụng cho việc chuyển đổi các loại ngũ cốc thành bia là hạt mạch nha, lúa mạch và là một thành phần quan trọng trong sản xuất bia

Ủ mạch nha phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm sự đa dạng và chất lượng lúa mạch, chế

độ lò sấy mạch nha và các kỹ năng của malter Mức độ và thành công của quá trình ủ mạch nha tùy theo phát triển, phân phối, và tồn tại của enzyme lúa mạch bản địa, và trong trường hợp (và trong trường hợp của enzyme malt nổi tiếng là không bền nhiệt), chất lượng thay đổi từ mùa này đến mùa khác và từ vùng này đến vùng khác

Trong mạch nha lúa mạch một loạt các enzyme protease, amylase, glucanase, và cellulose phát triển trong mạch nha Các enzyme như β-amylase, exo-peptidase, và carboxy-peptidase có mặt trong nội nhũ tinh bột của lúa mạch, và là

3

Hình 1: Sơ đồ quá trình sản xuất bia

grist hopper: phễu lúa mạch

mash vessel: bồn thủy phân

yeast: men bia

cooked adjuncts: chất phụ trợ nấu chín

lauter tun: thùng chứa

spent grains: hạt tận thu

wort kettle: hèm rượu ấm

whirlpool tank: bể tạo sóng

wort cooler: hèm rượu mát fermenter: lên men

chillers: thiết bị làm lạnh centrifuge: máy ly tâm filter: bộ lọc

lager tank:bể bia bright beer tank:

packaging:bao gói

4

kích hoạt trong ủ mạch nha Trong lớp aleurone của lúa mạch, b glucanase, endo -proteases, enzyme amylase và pentosanases được hình thành trong ủ mạch nha Sự hình thành và hoạt hóa các enzym được thúc đẩy bởi tăng nồng độ độ ẩm và oxy trong quá trình ngâm, và sau đó được xử lí bởi các lò sấy mạch nha xanh Ở giai đoạn này mỗi enzyme với thuộc tính riêng của nó có mặt ở từng nồng độ riêng của nó

Các bước chi tiết của quá trình sản xuất bia không bao giờ phổ quát do tính đa dạng của nó trong cả nguyên liệu ban đầu, phong cách sản xuất bia, sở thích kỹ thuật và khả năng Trong chương này, một chương trình sản xuất bia đơn giản hóa được thông qua (Hình 1)

- Cắt: giảm kích thước của mạch nha

- Thủy phân: thêm nước vào mạch nha; kiểm soát sự gia tăng của nhiệt độ để cho phép các enzym phân huỷ protein và carbohydrate

- Sản xuất bia: thủy phân ở nhiệt độ cao

- Lọc: hạt tách riêng biệt và hầu hết (làm sạch)

- Làm mát

- Quá trình lên men: chuyển đổi đường thành cồn và carbon dioxide

- lọc : men bia riêng biệt từ bia tươi

- Nuôi chín: giải quyết các không chất tan, giảm diketones nối đôi

- Đóng gói: trong thùng, thùng chứa, chai, lon

- Thanh trùng: cải thiện sự ổn định vi sinh

Các bước trong chương trình này, bốn bước bị ảnh hưởng trực tiếp bởi các enzyme (thủy phân, quá trình lên men, sự nuôi chín, và đóng gói); gián tiếp, một vài bước lọc cũng bị ảnh hưởng mạnh mẽ Các enzyme có tác động trên một số phẩm chất của sản phẩm cuối cùng, chẳng hạn như bề ngoài, hương vị, và kinh tế

Bắt đầu từ mạch nha, nồng độ của mỗi enzyme sẽ thay đổi đến mức độ nào đó trong quá trình lưu trữ, xay xát, và ủ, tức là, trước khi bước thủy phân Mỗi enzyme thiết lập các thuộc tính nội tại (sự ổn định nhiệt độ, mối liên hệ chất nền, sự phụ thuộc pH, vv) không thay đổi, nhưng sự biểu hiện của hoạt động của enzym phụ thuộc vào điều kiện phản ứng (thời gian, nhiệt độ, pH [536], muối [537], các enzyme khác, vv), tức là, các điều kiện thủy phân Từ sản xuất bia, và do đó thủy phân, là một quá trình tối ưu hóa cao [538], có một số hậu quả không mong muốn nếu quá ít của hoạt động của enzyme được thể hiện trong thủy phân, ví dụ:

- Năng suất chiết xuất quá thấp

- Hèm rượu tách mất quá lâu

- Quá trình lên men là quá chậm

- Quá ít cồn được sản xuất

- Tốc độ lọc bia giảm

- Hương vị của bia (diacetyl)

- Bia kém ổn định

Enzym phụ trợ được sử dụng để bổ sung enzym nội sinh mạch nha để giải quyết hoặc ngăn chặn những vấn đề này (xem phần 3) Hơn nữa, các enzyme có thể được sử dụng cải thiện quá trình sản xuất bia (ví dụ, hóa lỏng chất phụ trợ tốt hơn, rút ngắn thời gian nuôi chín bia, sản xuất bia từ nguyên liệu rẻ hơn, xem Phần 4) Cuối cùng, bằng cách sử dụng các enzyme mới nó đã trở thành khả thi để sản xuất'''' phi truyền thống các loại bia (-calo thấp'' light beer'', bia IMO,'' rượu vang''; xem Phần 5)

2. Enzymes trong việc ủ và thủy phân mạch nha

Trong quá trình ủ mạch nha, enzyme di cư từ lớp aleurone vào nội nhũ tinh bột Chất thành tế bào được giảm giá trị bằng hemicellulases và β - glucanase, và phá vỡ chất proteinaceous bởi protease cho phép amylase hoạt động trên hạt tinh bột Mỗi enzyme mạch nha đã thiết lập riêng các thuộc tính nội tại Thuộc tính đáng chú ý nhất là sự phụ thuộc của cả hai hoạt động và ổn định trên một loạt các thông số hóa lý [nhiệt độ, chất lượng nước (pH, muối), mạch nha và nồng độ chất phụ trợ và thành phần, vv] Tính phụ thuộc khác đối với mỗi enzyme Hình 2a con số cho thấy enzyme ban đầu hoạt động và

ổn định ( thời gian chu kỳ nửa phân rã ) như chức năng của nhiệt độ ở hai độ pH Hoạt động của một loại enzyme được xác định bởi khả năng chuyển đổi chất nền thành một sản phẩm (tinh bột maltodextrins, hoặc protein oligopeptide), có nghĩa là, hành động enzyme tích hợp trong một khoảng thời gian mà các enzyme đồng thời mất chức năng enzyme của nó do (ví dụ như nhiệt) không ổn định Như một hệ quả, một nơi nào đó giữa nhiệt độ quá thấp để các enzyme có hoạt tính cao, và nhiệt độ quá cao để enzyme sống sót, một hiệu ứng tối ưu cho enzyme sẽ xảy ra Nó phụ thuộc vào nhiều thông số hóa lý,

ví dụ, pH, được minh họa bằng hình 43b, hoặc thời gian (Hình 2c) Rõ ràng, nhiệt độ tối

ưu là một biến có nguồn gốc và không phải là một thuộc tính nội tại của một loại enzyme Cuối cùng, nó là quá trình tổng thể tối ưu mà một enzyme duy nhất sẽ vượt qua Trong thủy phân tình hình rất phức tạp, vì một số phân tử chất được hình thành do tác động của một enzyme, và cạnh tranh cho bằng enzyme khác, và những số liệu này dựa trên một mô hình đơn giản hóa cao

Hình 2: Hoạt động enzyme như một hàm của các thông số khác nhau

Hình 2d cho thấy như vậy một mô phỏng của sự hình thành sản phẩm với thời gian bởi một enzyme điển hình ở nhiệt độ không đổi, và hình 2e trên một đường nhiệt độ thường được sử dụng trong quy trình thủy phân đôi sắc Các đồ thị minh họa điều kiện (ví dụ nhiệt độ) cho enzyme này có thể không hoàn toàn lý tưởng trong thời gian hỗn hợp, và một thời gian thủy phân ngắn hơn sẽ tối ưu hóa kinh tế của enzyme này

Như một minh họa thêm, Hình 2f và Hình 2g cho thấy đối với một enzyme điển hình, một khoảng thời gian dài thủy phân ở nhiệt độ thấp hơn sẽ phù hợp hơn Vì nhiều enzyme đóng vai trò cùng một lúc, và kết quả [ví dụ, FAN cao (free alpha amino nitrogen) vs bọt ổn định] thường mâu thuẫn về quy mô phân tử, quá trình thủy phân là một hành động cân bằng giữa thu thập đủ enzyme hoạt động mà không cần fromone phá hủy khác trước khi mục tiêu của hoạt động đạt được [539] Các mô hình mô phỏng trong hình 2e áp dụng đối với một trường hợp đơn giản hóa cao Ngược lại với các mô phỏng, các thành phần của giải pháp thay đổi nhanh chóng trong thời gian thủy phân thực, một enzyme sử dụng sản phẩm hoạt động của enzyme khác như là chất nền của nó, protease cũng phá hủy các enzyme, và nhiệt độ và độ nhớt thay đổi Ngay cả khi sử dụng mạch nha và điều kiện thủy phân giống hệt nhau, sự khác biệt tương đối nhỏ giữa chất lượng nước sản xuất bia của hai khu vực đã có thể làm phát sinh sự khác biệt đáng kể trong kết quả thủy phân

Mặc dù quá trình thủy phân có thể quá phức tạp để chuyển thành một mô hình động học, ủ bia đạt được kết quả tuyệt vời khi thủy phân bằng cách khéo léo cân bằng và thích ứng với nhiều thông số quá trình [540] Trong thủy phân, một số lượng trước khi đo của hạt được truyền với một khối lượng riêng của nước hòa trộn ở nhiệt độ xác định trước, và

thủy phân được bước qua một loạt các cái gọi là nhiệt độ ngưng Đây là phương pháp được sử dụng để đạt được nhiệt độ của những lần ngưng để phân biệt truyền dịch từ những phương pháp sắc thủy phân, và đơn giản hóa từng phần ngưng được cho một tên theo hiệu ứng được chỉ định chính của nó (Bảng 1)

Ngừng axit (xem phần 5.1.3.4.2) hiếm khi được sử dụng và đã được thay thế bằng

sử dụng muối sản xuất bia Ngừng protein được sử dụng chủ yếu với số lượng lớn hơn của loại mạch nha không hoàn toàn được sửa đổi để sản xuất axit amin (như các chất dinh dưỡng cho nấm men) và để phá vỡ các protein khác (ví dụ, những loại gây ra sự đục lạnh) mà không phá hủy protein cung cấp bia với một lượng bọt đầu tốt

Bảng 1: Những thời gian ngừng trong phản ứng

Nhiệt độ Enzyme Thời gian ngừng Kéo dài

30-40 oC

40-50 oC

60-66 oC

68-70 oC

Phytase Protease

β-amylase Α-amylase

Ngừng acid Ngừng protein Ngừng chuyển hóa Ngừng chuyển hóa

10-30 phút 20-40 phút 40-70 phút 20-40 phút

Trong một số trường hợp nó có thể mang tính kinh tế hay kỹ thuật khả thi nếu sử dụng enzyme ngoại sinh hoạt động hỗ trợ enzyme malt nội sinh,…, để sản xuất bia đặc biệt, hoặc để đối phó với những ảnh hưởng của sự biến tính malt nghèo Một sự cân bằng mới có thể được thiết lập giữa các thông số như thời gian và nhiệt độ trên một mặt, và những ảnh hưởng kết hợp của cả hai enzyme nội sinh và ngoại sinh trên một mặt khác

Sự kêt hợp của các enzyme khác nhau có thể có kết quả mạnh hơn, nhanh hơn, hoặc tính kinh tế nhiều hơn qua tất cả quá trình sản xuất Nếu malt đã được thay thế đến một mức

độ lớn bởi các sản phẩm phụ sản xuất bia như lúa mạch không malt, hạt vụn ngô, gạo, hoặc mật rỉ đường, mức độ của các enzyme nội sinh sẽ bị giảm tương ứng, và hoạt động của enzyme ngoại sinh cộng thêm trở thành một phần nội tại của quá trình sản xuất Nguồn enzyme ngoại sinh có thể từ thực vật (papain), nấm (glucanase), hoặc vi khuẩn (protease) Công nghiệp sản xuất enzyme đã từng sử dụng nhiều nguồn này từ trước những năm 1960

Sự đa dạng của các loại enzyme ngoại sinh từ malt khép kín đến các enzyme có nguồn gốc từ vi khuẩn extromophile Với việc sử dụng các enzyme vi khuẩn, những thành tựu mới nhất của công nghệ sinh học hiện đại trở nên có sẵn để kiểm soát nấu bia Enzyme cho đến nay không có sẵn là không khả thi về mặt kinh tế để sử dụng trên một

quy mô công nghiệp, với cá nhân hay nhiều tổ chức đứng giữa người sản xuất bia và việc triển khai các enzyme từ sinh vật biến đổi gene

Quá trình sản xuất bia lager hoàn toàn từ malt truyền thống được sử dụng như điểm khởi đầu nếu có thể, và các phần tiếp theo giải quyết 3 lĩnh vực sử dụng enzyme ngoại sinh:

Giải quyết hoặc ngăn ngừa các vấn đề xảy ra trong quá trình sản xuất bia (Mục 3), Cải thiện quá trình sản xuất bia (Mục 4)

Tạo điều kiện cho 1 quá trình sản xuất bia phi truyền thống (Mục 5)

3. Enzyme cho vấn đề phòng chống hoặc giải quyết

3.1. Enzyme vi khuẩn a-Amylase trong thủy phân

Sự thay đổi quan trọng nhất mang lại trong thủy phân là sự chuyển hóa không hòa tan các phân tử tinh bột vào trong hỗn hợp, lên men đường và không lên men dextrin Các enzyme chính chịu trách nhiệm chuyển hóa tinh bột là α và β-amylase Α-amylase (E.C.3.2.1.1) nhanh chóng phân tách tinh bột không hòa tan và hòa tan thành nhiều chuỗi ngắn hơn có thể được phân giải bởi β-amylase (E.C.3.2.1.2) Trong tất cả các loại malt sản xuất bia, nhiệt độ cuối thủy phân tối đa là 78oC sẽ mang lại kết quả tốt nhất trong việc tách dịch nha từ hạt tận thu Bằng cách thêm enzyme vi khuẩn α-amylase, nhiệt độ có thể tăng lên đến 85oC trong giai đoạn cuối của quá trình thủy phân Enzyme ngoại sinh làm tăng sự phân hủy của tinh bột còn lại thành oligosaccharides hòa tan, tiếp tục làm như vậy trong thùng, và do đó ngăn chặn sự gia tăng độ nhớt do hồ hóa tinh bột đến khi dịch nha được phân tách Thêm enzyme vi khuẩn chịu nhiệt α-amylase trước khi dịch chiết được đưa vào thùng phân hủy bất cứ tinh bột còn lại nào Khi dịch ủ trong thùng có nhiệt

độ cao hơn, nó mỏng hơn và đi qua các hệ thống lọc nhanh hơn và thuận lợi

Thêm vi khuẩn α-amylase trở nên cần thiết khi cấu tử chất bổ trợ cao làm pha loãng nồng độ của các enzyme nội sinh trong thùng ủ Từ yếu tố pha loãng này áp dụng cho tất

cả các enzyme nội sinh, liều lượng enzyme bổ sung hoặc có chứa enzyme cocktails, ví

dụ, β-glucanase và protease them vào amylase, được sử dụng

Nếu vi khuẩn chịu nhiệt α-amylase được sử dụng, người sản xuất bia thường thích

bổ sung riêng các β-glucanase và protease để thêm tính linh hoạt (so sánh loại enzyme cocktail với loại có thành phần cố định) để thích ứng với mạch nha / tình trạng chất phụ trợ cụ thể của chúng

3.2. Nấm α-amylase trong lên men

Lên men chậm có thể do đường hóa không hoàn toàn trong quá trình thủy phân Nếu vấn đề được chẩn đoán ở giai đoạn đầu, bổ sung trực tiếp của nấm α-amylase (E.C.3.2.1.1) trong lên men có thể khắc phục sự cố Hoạt động của enzyme tại nhiệt độ tương đối thấp làm hạ thấp giới hạn pha loãng (mức độ pha loãng là tỷ lệ phần trăm carbohydrate lên men trong dịch chiết dịch nha), tăng lên men, và nhiều hơn nữa đồ uống

có cồn được sản xuất, kết quả là bia “khô” nhiều hơn loãng

3.3. Enzyme β-Glucanase trong thủy phân

Enzyme β-glucanase (E.C.3.2.1.4) từ lúa mạch rất ổn định về nhiệt và tồn tại chỉ một thời gian ngắn ở nhiệt độ thủy phân Nếu không đủ β-glucan được chia nhỏ, các glucans còn lại sẽ phần nào hòa tan, nước kết dính, và gây ra vấn đề sau này trong quá trình bằng cách tăng độ nhớt (và do dó mở rộng số lần dòng chảy dịch nha) và gây ra đục Tối ưu hóa quá trình thủy phân bằng cách thay đổi chế độ nhiệt độ / thời gian thường cải thiện hiệu suất của amylase và làm tăng giá trị FAN Nếu chế độ mới làm giảm hiệu suất b-glucanase, điều này có thể gây ra một số vấn đề liên quan:

- Dòng chảy kém

- Thu hồi chiết xuất thấp

- Hệ thống dẫn lưu hạt tận thu kém

- Lắng yeast chậm, hiệu quả ly tâm kém

- Hiệu suất lọc bia thấp, vấn đề với độ đục

Từ β-glucanase, ví dụ, nguồn gốc nấm, được lựa chọn để cải thiện sự ổn định nhiệt dưới điều kiện thủy phân, dẫn đến một quá trình thủy phân mạnh mẽ và ổn định hơn Chúng hỗ trợ trong việc thủy phân của lúa mạch chứa ngũ cốc không đủ sửa đổi hoặc sửa đổi không đều, hỗ trợ dòng chảy từ các bể thủy phân bằng cách giảm độ nhớt dịch nha,

và cải thiện bia qua lọc và bia cuối cùng

3.4. Sau lên men

Nếu không đủ protein được lấy ra bởi sự lắng nóng và lạnh (protein cần thiết trong suốt như, ví dụ, men dinh dưỡng, FAN, và cho bọt), polypeptide có thể phản ứng chéo với polyphenol trong giai đoạn cuối cùng của sản xuất bia (điều hòa, lagering) để gây ra điều không mong muốn, cái gọi là làm đục lạnh Các enzyme phân giải protein hòa tan, như papain (E.C.3.4.22.2) và ở một mức độ thấp hơn, bromelain (E.C.3.4.22.32) và ficin (E.C.3.4.22.3), thường được sử dụng (chủ yếu là kết hợp với các tác nhân làm ổn định khác như poly (vinyl pyrrolidone) (PVP) hoặc gel silica (ví dụ, Lucilite) trước khi lọc