Ứng dụng phương pháo đo độ cồn bằng cảm biến MQ3 trong quá trình khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men rượu gạo truyền thống

Xác định độ cồn trong hỗn hợp dung dịch với hỗn hợp nhiều thành phần, điển hình là hỗn hợp lên men chưa chưng cất, ngoài rượu ethanol còn có chưa furfurol, andehit, tinh bột, .... Với hỗn hợp nhiều thành phần như trên, phương pháp xác định độ cồn trong hỗn hợp là khó, vì vậy đề tài áp dụng cảm biến được lập trình arduino vào xác định độ cồn trong hỗn hợp lên men để xác định độ cồn trực tiếp và dễ dàng

1

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Rượu đặc sản là một loại đồ uống mang hương vị truyền thống, đậm đà bản sắc dân tộc, một sản phẩm tiêu biểu của nền văn hóa ẩm thực Việt Nam Từ lâu đời, rượu gắn liền với sinh hoạt văn hóa của của nhân dân ta như là biểu tượng của nền văn minh lúa nước, trong các dịp lễ hội hay trong các ngày tết cổ truyền không thể thiếu những chén rượu dâng lên tổ tiên thể hiện tấm lòng thành kính Ở nước ta nghề nấu rượu thủ công đã có từ ngàn xưa đến nay Theo dân gian thì rượu được nấu từ các loại nông sản như gạo, ngô, sắn… cùng với các loại men như men thuốc bắc hay men lá… Theo kinh nghiệm cổ truyền việc nấu rượu thủ công được tiến hành qua nhiều bước: nguyên liệu được đồ chín, làm nguội rồi tiến hành trộn men, qua giai đoạn lên men ẩm, lên men lỏng rồi chưng cất thành rượu Rượu sản xuất ra có mùi thơm, vị đặc trưng, uống rất ngon, đậm và êm dịu Chất lượng rượu thu được phụ thuộc rất nhiều yếu tố như nguyên liệu là gì, men tốt hay xấu, nhiệt độ khi ủ và lên men, cũng như tiến hành chưng cất lấy sản phẩm Ảnh hưởng đến chất lượng của rượu và cũng tạo ra điểm đặc trưng cho sản phẩm là nguyên liệu và đặc biệt là loại men giống sử dụng để lên men với những công thức khác nhau theo từng vùng và theo những bí quyết riêng của từng gia đình Trong xã hội ngày nay, đời sống người dân ngày càng được cải thiện, chất lượng cuộc sống được nâng cao, cùng với đô thị nhu cầu về một sản phẩm đồ uống truyền thống có chất lượng cao được đặt ra,

do đó cần có sự đầu tư và nghiên cứu nghiêm túc về rượu cổ truyền Nghề nấu rượu thủ công vẫn tồn tại ở nhiều làng quê Việt Nam, nhiều sản phẩm rượu đã trở nên quen thuộc với người dân như: rượu làng Vân, rượu nếp cẩm, rượu San Lùng, rượu Bản Phố… Tuy nhiên vấn đề sản xuất rượu theo phương pháp thủ công còn nhiều vấn đề cần quan tâm về năng suất cũng như sự ổn định về chất lượng sản phẩm

Từ những vấn đề cấp thiết trên, đặc biệt là về vấn đề nâng cao chất lượng rượu

trong công đoạn chưng cất, tôi mạnh dạn chọn đề tài: “Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men rượu gạo truyền thống và ứng dụng phương pháp đo độ cồn bằng cảm biến MQ - 3”

2

1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Thực trạng trong sản xuất và sử dụng rượu truyền thống ở địa bàn thành phố Long Xuyên nói riêng và các khu vực tỉnh thành khác trên của nước nói chung chủ yếu hình thành ở phạm vi nhỏ do thói quen của đại bộ phận người dân do đó chất lượng của rượu không phải là vấn đề được người dân quan tâm cao, thêm vào đó là việc sản xuất rượu ở các cơ sở qui mô nhỏ dẫn đến thiếu kiến thức chuyên môn, không đầu tư nhiều vào qui trình sản xuất, pha trộn bánh men và nước chưa hợp lí ảnh hưởng lớn đến chất lượng và hiệu suất thu hồi của rượu

Đề tài được thực hiện nhằm tìm ra các yếu tố ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng rượu gạo truyền thống góp phần hoàn thiện quy trình, ứng dụng thành tựu khoa học vào sản xuất rượu gạo truyền thống

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Để đạt được mục tiêu nghiên cứu trên thì nội dung nghiên cứu gồm:

- Khảo sát hàm lượng men phối trộn tối ưu đối với một số loại men thường được người dân và các hộ sản xuất rượu truyền thống thường sử dụng nhằm nâng cao sản lượng và chất lượng rượu thành phẩm

- Khảo sát số lần bổ sung và hàm lượng nước bổ sung vào hỗn hợp lên men tối ưu nhằm nâng cao sản lượng và chất lượng rượu thành phẩm

- Chế tạo thiết bị cảm biến có khả năng xác định độ cồn trong hỗn hợp dung dịch chứa nhiều thành phần mà điển hình là hỗn hợp dung dịch trong quá trình lên men

từ cảm biến nồng độ cồn MQ – 3 và vi điều khiển Arduino Nano CH340

1.4 NHỮNG ĐÓNG GÓP CỦA ĐỀ TÀI

Sự thành công của đề tài sẽ góp phần hoàn thiện khả năng sản xuất rượu gạo truyền thống đối với quy mô hộ gia đình và các cơ sở sản xuất rượu, góp phần nâng cao năng suất, sản lượng và chất lượng sản phẩm rượu gạo truyền thống đến tay người tiêu dùng Mặt khác, đề tài củng góp phần thúc đẩy sự tự học hỏi, tự khám phá, giúp sinh viên Trường Đại học An Giang nói riêng và toàn thể sinh viên đang theo học tại các Trường Đại học, Cao đẳng nói chung đặc biệt là về lĩnh vực ứng dụng khoa học công nghệ trong học tập, nghiên cứu và sản xuất

3

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

2.1 TỔNG QUAN VỀ RƯỢU VÀ RƯỢU GẠO CỔ TRUYỀN VIỆT NAM 2.1.2 Rượu ethanol và ứng dụng

Rượu ethanol (etylic) là một chất lỏng không màu, trong suốt, có vị nóng gắt và mùi đặc trưng Công thức phân tử là C2H5OH, tỉ trọng d20 = 0.7894, nhiệt độ sôi ở 760mmHg là 78℃, bốc cháy ở 12℃, hòa tan trong nước theo bất kỳ tỉ lệ nào Từ

xa xưa, loài người đã biết sản xuất ra rượu ethanol làm đồ uống và cho đến ngày nay, nghề làm rượu - cồn vẫn đang phát triển mạnh (Lương Đức Phẩm, 2005) Rượu ethanol ngoài công dụng làm đồ uống, còn được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau: để pha chế thức uống, làm dung môi cho công nghiệp sản xuất nước hoa; trong dược để trích ly các hoạt chất sinh học; nguyên liệu cho các ngành công nghiệp khác như trong công nghiệp sản xuất acid acetic, andehyde acetic, etyl acetate và các este có mùi thơm khác; trong sản xuất giấm ăn; trong công nghiệp sản xuất cao su tổng hợp; làm nhiên liệu (chất đốt) Tùy tình hình phát triển ở mỗi nước, tỷ lệ cồn dùng trong các ngành rất khác nhau Tuy nhiên, cồn đưa vào sản xuất đồ uống hầu như luôn chiếm tỷ lệ lớn nhất 40 - 60% lượng cồn sản xuất được, cồn được dùng để tăng thêm nồng độ cồn của rượu vang, dùng pha chế các loại rượu mạnh, rượu uống cao độ như Whisky, Martin, Brandy, Napoleón, Rhum; cồn còn là nguyên liệu trong sản xuất các thức uống pha chế có cồn như rượu Vodka, rượu mùi … Ở một số nước châu Á như Việt Nam và Trung Quốc, có dòng rượu ngâm thuốc được xem là có tác dụng tốt đôi với cơ thể: tăng sự sảng khoái, ăn và ngủ tốt hơn, tăng sức khỏe (Nguyễn Đình Thưởng, 2002)

2.1.2 Phân loại rượu

Trước đây, rượu là tên gọi chung chỉ những hợp chất hữu cơ có nhóm chức hydroxide (-OH) đính trực tiếp vào gốc ankyl Tuy nhiên, ngày nay rượu thường dùng để chỉ những thức uống có chứa cồn ethanol Rượu ethanol dùng trong sản xuất các loại thức uống phải là cồn sản xuất bằng phương pháp lên men Hay nói cách khác, tất cả những ngành công nghiệp sản xuất thức uống có cồn đều dựa trên quá trình sản xuất ethanol bằng con đường lên men - sử dụng các giông nấm men

để lên men dịch chiết trái cây, rau củ hoặc lên men ngũ cốc để chuyển hóa đường thành rượu Có nhiều khóa phân loại rượu khác nhau; nhưng thường phân loại theo nồng độ ethanol thành 3 loại chính: rượu uống cao độ (rượu mạnh) có nồng độ cồn

4

trên 30% V, rượu thường có nồng độ cồn từ 15-30% V và rượu uống thấp độ (rượu nhẹ) có nồng độ dưới 15% V (Nguyễn Đình Thưởng, 2002) Ngoài ra có thể phân loại theo sự khác nhau trong qui trình sản xuất - rượu uống qua chưng cất và không qua chưng cất … rượu có qua lên men và rượu không qua lên men (rượu pha chế như rượu Vodka, rượu mùi); theo nguồn nguyên liệu - từ trái cây, ngũ cốc, rỉ đường (Lương Đức Phẩm, 2005)

2.1.3 Rượu gạo truyền thống Việt Nam

Phương pháp chung để sản xuất rượu gạo là: sử dụng những canh trường vi sinh vật dạng bột trộn với gạo đã đồ chín, để lên men tạo đường (saccharifying proccess) trong vại miệng rộng và sau đó chuyển sang vại miệng hẹp hơn để lên men tạo ethanol (alcohol fermentation) Những canh trường vi sinh vật dạng bột sẽ khác nhau tùy vùng (Việt Nam: bánh men, Thái Lan: loogpang, Indonesia và Malaysia: ragi, Lào: bubod, Myanma: mochikouji, Trung Quốc: laochao v.v.), nhưng nhìn chung phương pháp sản xuất cơ bản giông nhau: bột gạo trộn với các loại lá, rau mùi, thảo dược, hoặc gừng và bánh men giống, định hình dạng viên, ủ, hong khô

và để dành dùng dần (Nguyễn Đức Lượng, 2002)

Rượu cổ truyền Việt Nam rất đa dạng Mỗi vùng, miền đều có những sản phẩm đặc trưng riêng và đều rất nổi tiếng: rượu đế Làng Vân - Hà Bắc, rượu Bầu Đá - Bình Định, rượu Gò Đen - Long An (các sản phẩm qua chưng cất); rượu cần Tây Bắc, Tây Nguyên, rượu nếp than ở miền Nam (các sản phẩm không qua chưng cất) … (Nguyễn Đức Lượng, 2002) Chế phẩm bánh men dùng sản xuất rượu cũng rất đa dạng và độc đáo, phân thành hai loại chính men lá và men thuốc bắc Tùy mỗi địa phương có thể dùng những bài lá, bài thuốc bắc khác nhau Mùi vị rượu thành phẩm phụ thuộc rất nhiều vào các loại lá, các vị thuốc và số lượng dùng trong bánh men Men thuốc bắc có thể dùng bài 6 vị, 8 vị hay 10 vị Men lá ở vùng Tây Nghệ An dùng nhiều loại lá: lá mít, lá mía, lá nhân trần, lá quế Trong khi men lá ở Tây Nguyên dùng chỉ một, hai hoặc ba thứ lá: cây ‘đoòng’, cây ‘me-khà-zút’ (tên các loại cây của người Tây Nguyên) , dùng cả thân cây và lá cây (Lương Đức Phẩm, 2005)

có hàm lượng tinh bột cao thông dụng như gạo tẻ, gạo nếp, gạo lứt, gạo nương lúa mạch, ngô hạt, mầm thóc, sắn, hạt mít, hạt dẻ, hạt bo bo Người dân ta thường sử dụng nhất là gạo tẻ và gạo nếp để nấu rượu Các loại gạo nếp như nếp cái bông vàng, nếp bông chát, nếp ruồi, nếp mỡ, nếp mường và các loại gạo tẻ như gạo cúc, gạo co, gạo trì, gạo ba trăng, gạo trăng biển, gạo nàng hương (Võ Tấn Tài, 2008)

Bảng 1 Thành phần của gạo trong 100g

Trong phương pháp sản xuất rượu truyền thống được dân ta sử dụng cho đến nay

là dùng bánh men rượu truyền thống Bánh men là môi trường để chứa và duy trì giống vi sinh vật gồm: nấm mốc, nấm men và vi khuẩn Có hai loại bánh men: bánh men ngọt dùng để làm rượu nếp (thường ăn trong ngày Diệt Sâu Bọ), bánh men đắng dùng để nấu rượu trắng Bánh men trắng có 3 loại: loại có thuốc Bắc (gọi là men Bắc); loại có Lá thuốc (gọi là men Lá); và loại không có thuốc Bắc hoặc lá thuốc (gọi là men thường) Thành phần chính của bánh men thường là bột gạo và men giống (vi sinh vật) Ở men thường, người ta bổ sung một ít kháng sinh để ức chế sự phát triển của một số vi sinh vật Men Bắc, người ta không bổ sung kháng sinh mà dùng một số loại thuốc Bắc (có khả năng sát trùng và tạo hương vị) Tương

6

tự như men bắc, ở men lá, người ta dùng một số loại lá thuốc thay cho thuốc bắc (có tác dụng tương tự) Tuy nhiên, ở mỗi địa phương, mỗi nhà nấu rượu lại có bí quyết tạo bánh men riêng Người ta có thể thay đổi thành phần thuốc bắc hay lá thuốc trong men Nên chất lượng rượu nấu không đồng đều

Hệ vi sinh vật trong bánh men gồm:

– Nấm men Saccharomyces Serevisiae

– Giả nấm men Endomicopsis (vừa có khả năng đường hóa, và có khả năng rượu

hóa)

– Các loại Nấm mốc có khả năng đường hóa

– Các vi khuẩn (chủ yếu là Lactic và Acetic) (Võ Tấn Tài, 2008)

2.2.2.1 Nấm men

Trong mỗi gam bánh men có vài chục triệu đến vài trăm triệu tế bào nấm men

Chúng gồm hai chi khác nhau là Endomycopsis (chủ yếu là Endo fibuligenes) và

Saccharomyces (chủ yếu là S serevisiae) Endo fibuligenes là loại nấm men rất giàu

enzyme amylase, glucoamylase Do đó chúng vừa có khả năng đường hóa vừa có

khả năng rượu hóa Saccharomyces serevisiae có khả năng lên men nhiều loại

đường khác nhau như glucose, sacarose, maltose, fructose, rafinose, galactose Chúng có khả năng lên men ở nhiệt độ cao (36 − 40℃), chúng có khả năng chịu được độ acid Đặc biệt chúng có khả năng chịu được thuốc sát trùng Na2SiF6 với

nồng độ 0,02 − 0,0025% Đặc điểm này rất thuận lợi cho lên men khi cần sử dụng thuốc sát trùng Đặc điểm quan trọng hơn hết chính là chúng có khả năng lên men nhiều loại nguyên liệu khác nhau như gạo, ngô, khoai, sắn, với lượng đường trong dung dịch từ 12 − 14% có khi 16 − 18% Nồng độ cồn trong dung dịch lên men

từ 10 − 12% Nhiệt độ lên men thích hợp khoảng 28 − 32℃ (Võ Tấn Tài, 2008) Ngoài hai chi nấm men cơ bản trên, trong bánh men còn thấy nhiều loại nấm men dại khác, chúng vừa có khả năng thủy phân tinh bột vừa có khả năng chuyển đường thành rượu, tuy sự chuyển hóa này thấp Điều đặc biệt là các loại nấm men dại này chịu nhiệt rất cao, có khi lên đến 60 − 65℃ và chịu được chất sát trùng nồng độ 0,05 − 1% Vai trò của nấm men là chuyển hóa đường thành rượu, trong suốt quá trình lên men ngoài rượu ra còn có CO2 và các sản phẩm phụ sinh ra fusel, aldehyde, este

7

2.2.2.2 Nấm mốc

Trong các loại bánh men có nhiều loại nấm mốc phát triển như Aspergillus,

Penicillium, Mucor, Rhizopus phát triển nhiều hơn cả Loài Mucor, đặc biệt là Mucor rouxii có nhiều đặc tính rất quý như khả năng chịu được nhiệt độ cao 32 −

35, chúng vừa có khả năng đường hóa vừa có khả năng rượu hóa Vai trò của nấm mốc là sinh ra hệ enzyme thủy phân, trong đó chủ yếu là enzyme amylase glucoamylase thủy phân tinh bột thành đường lên men (Võ Tấn Tài, 2008)

2.2.2.3 Vi khuẩn

Trong bánh men có nhiều loại vi khuẩn phát triển Trong đó chủ yếu là các loại vi khuẩn lactic và acetic Các loại vi khuẩn thường làm chua môi trường Thời gian đầu quá trình lên men, quá trình này xảy ra có lợi vì tạo pH môi trường thích hợp cho nấm men và nấm mốc phát triển Tuy nhiên để pH xuống quá thấp sẽ ảnh hưởng xấu đến quá trình lên men Mặc khác, nếu trong dịch lên men có mặt oxy thì vi khuẩn acetic sẽ oxy hóa rượu thành acid acetic, quá trình này làm tổn hao lượng cồn tạo thành (Võ Tấn Tài, 2008)

2.2.3 Nước

Trong quá trình nấu rượu thì nước được sử dụng trong các công đoạn xử lí nguyên liệu, nấu nguyên liệu, pha loãng dung dịch Do đó, để đảm bảo chất lượng rượu thì chất lượng nước củng phải đảm bảo Yêu cầu về chất lượng nước là độ cứng không quá 7mg đương lượng/lít, phải trong suốt, không màu, không mùi Hàm lượng muối không được vượt quá giới hạn sau:

Bảng 2 Giới hạn hàm lượng các ion trong nước

“ Nguồn: Bùi Thị Huỳnh Hoa, 2001 ”

Nước phải không có hoặc rất ít các kim loại nặng như Hg2+, Ba2+ Khả năng oxy hóa một lít nước không quá 2 ml KMnO4 (0,01N) Chất cặn không vượt quá

8

1000ml/l Hàm lượng các chất hữu cơ không vượt quá 4mg/l Vi sinh vật hầu như

không có E coli < 20 tế bào/ lít (Võ Tấn Tài, 2008)

2.3 CÁC QUÁ TRÌNH XẢY RA TRONG SẢN SUẤT RƯỢU GẠO

2.3.1 Những biến đổi lý hóa xảy ra trong khi nấu

Nấu nguyên liệu nhằm mục đích phá vỡ màng tế bào của tinh bột, tạo điều kiện biến chúng thành trạng thái hòa tan trong dung dịch Nhưng biến đổi trong quá trình nấu nguyên liệu chủ yếu bao gồm các biến đổi là sự trương nỡ và hòa tan của tinh bột, những biến đổi của hemicellulose, cellulose và pectin, những biến đổi của đường (Võ Tấn Tài, 2008)

2.3.1.1 Sự trương nở và hòa tan của tinh bột

Sự trương nở của tinh bột là hiện tượng tinh bột hút nước trương lên tăng kích thước và khối lượng hạt Khi nấu tinh bột với nước ở nhiệt độ 40°C hạt bắt đầu trương nở Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ thì hạt tiếp tục trương nở và trương nở cho đến khi tạo thành một thể đồng nhất gọi là sự trương nở vô hạn Khi nhiệt độ tăng đến giới hạn nhất định, thể tích của hạt tinh bột tăng từ 50 đến 100 lần Lực liên kết giữa các phân tử yếu dần đến mức tinh bột tan ra gọi là sự hồ hóa tinh bột Ở trạng thái này chỉ mới một phần nhỏ tinh bột bị phá vỡ Điều này chứng tỏ rằng sự cấu tạo bền vững của tinh bột là do sự kết hợp giữa các phân tử lớn của các chuỗi tinh bột giữa các mạch chính và nhánh thành những mạng Giữa các mạng là amylose và amylopectin Các mạch thẳng trong hạt tinh bột liên kết với nhau bằng lực Vanderval và liên kết hydro Ngoài các liên kết trên trong tinh bột còn có các liên kết chắc chắn hơn (do sự xoắn mạch của các mạch amylose làm cho chúng xiếc chặt lấy nhau) chính hiện tượng này làm cho quá trình hồ hóa muốn phá vỡ chúng cần phải tiêu tốn một nhiệt lượng cần thiết Để quá trình nấu được tốt, khi nấu nguyên liệu hạt, người ta thường bổ sung một lượng nước cần thiết để đảm bảo cho sự hòa tan tinh bột và đạt được nồng độ chất khô theo yêu cầu (Võ tấn Tài, 2008)

2.3.1.2 Những biến đổi của hemicellulose, cellulose và pectin

Trong quá trình nấu nguyên liệu, ở điều kiện môi trường acid yếu, cellulose không

bị thủy phân Hemicellulose cấu tạo chủ yếu từ pentosan có bị thủy phân ít nhiều

Sự thủy phân này bắt đầu từ khi chuẩn bị dịch bột do tác dụng của xitase chứa trong nguyên liệu và được tiếp tục trong quá trình nấu do tác dụng của ion H+ và nhiệt

độ cao Kết quả là tạo ra một lượng nhỏ dextrin và các hợp chất có phân tử thấp,

kể cả đường 5 carbon – arabinose và xylose Bị thủy phân nhiều hơn cả là các chất

9

pectin este của acid polygalacturonic tạo thành các sản phẩm là acid pectic và alcol metylic

Este của acid polygalacturonic Nước, nhiệt độ→ Acid pectic + Alcol Metylic

Đây củng là nguyên nhân chủ yếu tạo thành alcol metylic trong sản xuất rượu từ nguyên liệu tinh bột (Võ tấn Tài, 2008)

2.3.1.3 Những biến đổi của đường

Ở nhiệt độ cao, đường sẽ bị phân hủy và mất nước tạo thành caramen, furfurol, oxymetyl furfurol và melanoidin Mức độ tạo các chất được xếp theo thứ tự sau:

Tạo melanoidin > furfurol > caramen Mức độ phân hủy của đường phụ thuộc vào nhiệt độ và pH Sự tạo thành furfurol

và oxymetyl furfurol do đường mất nước Quá trình xảy ra qua nhiều giai đoạn và cuối cùng của mỗi phân tử đường đơn sẽ mất đi ba phân tử nước Đối với đường pentose, sản phẩm tạo thành là furfurol, đối với đường 6 carbon (hexose) là oxymetyl furfurol Sự tạo thành melanoidin là kết quả của phản ứng oxy hóa khữ giữa đường và các acid amin cũng như các sản phẩm trung gian của quá trình thủy phân protid (Võ tấn Tài, 2008)

2.3.2 Biến đổi trong quá trình đường hóa

Các nguyên liệu như sắn, khoai, ngô, gạo nếp nấm men không thể trực tiếp lên men được, mà cần phải qua giai đoạn đường hóa Trong quá trình đường hóa, hiện tượng

hồ hóa tinh bột có ảnh hưởng khá lớn đến tốc độ thủy phân tinh bột Tinh bột đã qua hồ hóa thủy phân dễ dàng hơn tinh bột chưa qua hồ hóa Biến đổi chủ yếu trong quá trình đường hóa là tinh bột chuyển thành đường dưới tác dụng của enzyme amylase của nấm mốc Ngoài ra trong quá trình đường hóa còn xảy ra những biến đổi của các chất khác như pectin bị phân hủy dưới tác dụng của enzyme pectinase tạo thành acid pectic và alcol metylic, một lượng nhỏ hemicellulose bị thủy phân dưới tác dụng của enzyme hemicellulase trong nấm mốc tạo các dextrin và đường pentose (Võ Tấn Tài, 2008)

2.3.3 Quá trình lên men rượu

2.3.3.1 Khái quát quá trình lên men

Lên men rượu là một quá trình trao đổi chất nhờ tác dụng của các enzyme tương ứng gọi là các chất xúc tác sinh học (được sinh ra từ sự trao đổi chất để duy trì sự sống của nấm men) Tùy theo sản phẩm tích tụ sau quá trình lên men người ta chia

Trong quá trình lên men rượu chia thành hai thời kì chính:

- Thời kì phát triển sinh khối: giai đoạn này sự có mặt của O2 tế bào nấm men phát triển sinh khối

- Thời kì lên men chuyển hoá đường thành rượu và CO2: giai đoạn này nấm men hấp thụ các chất dinh dưỡng và sử dụng các enzyme sẵn có để thực hiện xúc tác sinh hóa trong quá trình trao đổi chất để duy trì sự sống tạo thành rượu và CO2 (Bùi Thị Quỳnh Hoa, 2001)

2.3.3.2 Cơ chế của quá trình lên men

Để lên men người ta cho vào môi trường một lượng tế bào nấm men nhất định thường phải đạt được hơn 100 triệu tế bào trong 1ml dịch lên men Do diện tích bề mặt tế bào nấm men rất lớn nên khả năng hấp thụ các chất dinh dưỡng rất mạnh Đường và các chất dinh dưỡng khác được hấp thụ trên bề mặt của nấm men sau đó khuếch tán qua màng vào bên trong tế bào nấm men, rượu và CO2 sẽ được tạo thành Rượu ethanol tạo thành khuếch tán ra môi trường bên ngoài qua màng tế bào nấm men và hòa tan vô hạn trong nước CO2 cũng hòa tan vào môi trường nhưng

sự hòa tan không lớn Vì thế CO2 sinh ra trong quá trình lên men sẽ khuếch tán vào môi trường và nhanh chóng đạt được trạng thái bão hòa Khi bão hòa CO2 bám vào xung quanh tế bào nấm men hình thành những bọt khí Tế bào nấm men thường dính liền với nhau, bọt khí sinh ra ngày càng nhiều và lớn dần lên hình thành túi lớn, đến lúc nào đó có sự chênh lệch giữa khối lượng riêng của môi trường và tế bào nấm men sẽ nổi lên trên bề mặt Khi đến bề mặt, do có sự thay đổi đột ngột sức căng bề mặt nên chúng bị vỡ ra làm cho khí CO2 bị phóng thích ra bên ngoài Lúc này do khối lượng riêng của nấm men đủ lớn trở lại nên chúng sẽ bị chìm xuống Quá trình này diễn ra liên tục nên tế bào nấm men vốn từ trạng thái tĩnh chuyển sang trạng thái chuyển động, làm gia tăng khả năng tiếp xúc giữa tế bào nấm men

11

và môi trường Điều này làm cho quá trình trao đổi chất diễn ra nhanh hơn, mạnh

mẽ hơn, khi đó sẽ làm tăng nhanh quá trình lên men (Bùi Thị Quỳnh Hoa, 2001)

2.3.3.3 Động học của quá trình lên men

Quá trình lên men chia làm ba thời kỳ chính:

- Thời kỳ đầu: khoảng 60 giờ kể từ khi cho nấm men tiếp xúc với dịch lên men Sự lên men xảy ra rất chậm, đường lên men không đáng kể

- Thời kỳ thứ hai: đây là thời kỳ lên men chính Chiếm khoảng 60 – 120 giờ sau thời kỳ đầu Sự phát triển của nấm men và sự lên men sau mỗi giờ tăng nhanh đáng

kể và đạt đến trị số cực đại

- Thời kỳ cuối: đây là giai đoạn lên men phụ xảy ra rất chậm đồng thời là thời kỳ

ổn định tạo mùi cho sản phẩm Tùy theo phương pháp lên men, loại sản phẩm mà thời gian lên men phụ kéo dài khác nhau

Thời kỳ lên men chính là thời biến đổi sâu sắc các thành phần trong dịch lên men, chúng ảnh hưởng đến kết quả của quá trình lên men Trong giai đoạn này, trong điều kiện lên men bình thường sau mỗi giờ nồng độ đường trong dịch lên men sẽ giảm đi khoảng 1 độ (Brix, balling, %) tùy loại sản phẩm, dây chuyền sản xuất Sự tồn tại của thời kỳ lên men cuối là đặc trưng đối với quá trình lên men dịch đường hóa từ nguyên liệu chứa tinh bột Trong dịch lên men nếu biểu thị hàm lượng đường tồn tại trong dịch lên men là 100% thì 4 - 6% là dạng chất khô không tan, 75 - 77% được chuyển thảnh maltose và 19% là dextrin Trong giai đoạn lên men sự đường hóa cũng xảy ra nhưng rất chậm và không hoàn toàn, đặc biệt khó khăn đối với tinh bột không hòa tan Do đó tốc độ lên men không phụ thuộc vào số lượng tế bào nấm men mà chủ yếu phụ thuộc vào sự thủy phân hàm lượng dextrin không lên men còn lại Tuy vậy, chính những loại đường không lên men này sẽ tạo thành vị ngọt cho sản phẩm Như vậy chu kỳ lên men dịch đường hóa tinh bột phụ thuộc vào thời gian lên men cuối hay phụ thuộc vào khả năng đường hóa của phức hệ enzyme amilase Rất nhiều thí nghiệm cho thấy càng kéo dài thời gian lên men cuối thì càng gia tăng hiệu suất của quá trình lên men Tuy vậy tùy theo sản phẩm của sự lên men, nồng độ đường của dịch đường hóa, phương pháp lên men, nhà sản xuất sẽ tạo ra một qui trình sản xuất riêng biệt với chất lượng và thành phần mong muốn của họ (Bùi Thị Quỳnh Hoa, 2001)

12

2.3.3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quả trình lên men rượu

Mỗi hoạt động sống của vi sinh vật nói chung, của nấm men nói riêng liên hệ mật thiết với ngoại cảnh Có 3 mức độ ảnh hưởng khác nhau đến hoạt động sống của nấm men

- Điểm cực tiểu: là điều kiện tối thích để nấm men tồn tại, ở điều kiện này bắt đầu xuất hiện các hoạt động sống

- Điểm cực thích: là điều kiện tốt nhất cho hoạt động sống Nấm men có cường độ hoạt động sống mạnh nhất

- Điểm cực đại: là điều kiện tối đa và là giới hạn trên tồn tại của hoạt động sống Quá giới hạn này, nấm men sẽ chết

Vì vậy, Vấn đề quan trọng trong quá trình nuôi cấy nấm men là điều chỉnh điều kiện ngoại cảnh sau cho đạt được giới hạn tối ưu (Bùi Thị Quỳnh Hoa, 2001)

* Nồng độ đường

Nấm men chỉ có khả năng lên men đường thành rượu trong khoảng nồng độ đường thích hợp từ 10 - 18%, nồng độ đường quá cao sẽ ức chế nấm men và năng lực lên men rượu giảm khi nồng độ đường 30 - 35%, nồng độ đường thấp quá cũng làm giảm năng lực lên men Khi nồng độ đường cao thì áp suất thẩm thấu sẽ lớn làm ảnh hưởng xấu tới hiệu quả lên men, lên men kéo dài, đường sót lại sẽ cao Còn khi nồng độ đường thấp thì tổn thất do men tạo ra sẽ tăng, giảm năng suất thiết bị, tốn nhiều hơi khi chưng cất và làm tăng tỉ lệ tổn thất rượu trong bã hèm và nước thải (Bùi Thị Quỳnh Hoa, 2001)

13

Ớ pH = 3,8 nấm men phát triển mạnh thì hầu như vi khuẩn chưa phát triển Để tạo

pH thích hợp trong môi trường nuôi cấy nấm men (kể cả lên men) người ta có thể

bố sung vào môi trường bất cứ loại acid nào, miễn là anion của acid không gây ảnh hưởng mạnh đến trung tâm hoạt động của nấm men (Bùi Thị Quỳnh Hoa, 2001)

* Nồng độ cồn

Quá trình nuôi cấy nấm men chủ yếu là tạo điều kiện cho nấm men phát triển sinh khối, đạt số lượng theo yêu cầu Song nấm men cũng thực hiện một quá trình lên men rượu đáng kể (còn phụ thuộc vào thông không khí) Thường trong dịch nấm men có khoảng 4 - 6% rượu Nồng độ cồn sinh ra có ảnh hưởng đến tốc độ và khả năng phát hiển của nấm men Nồng độ cồn ảnh hưởng đến tốc độ phát hiển riêng của nấm men còn phụ thuộc vào thời gian, số lượng tế bào và nguyên liệu chuẩn bị cho môi trường nuôi cấy Cùng một môi trường nuôi cấy, số lượng nấm men cho vào bằng nhau, điều kiện nuôi cấy giống nhau thì nồng độ cồn ban đầu 1% chưa có ảnh hưởng đến tốc độ và khả năng phát hiển của nấm men, từ 4 - 6% đã có ảnh hưởng xấu (Bùi Thị Quỳnh Hoa, 2001)

* Oxy

Nấm men là loại vi sinh vật kị khí không bắt buộc Trong điều kiện không có oxy nấm men sẽ lên men đường tạo thành rượu và CO2 Còn trong điều kiện đủ oxy nấm men có khả năng oxy hóa đường thành CO2, nước và tăng sinh khối “Hiệu ứng Pasteur” kìm hãm sự lên men rượu bằng O2 Oxy là thành phần không thể thiếu được ở giai đoạn phát hiển sinh khối, tuy nhiên nó lại là nguyên nhân gây hư hỏng cho rượu, bia trong các giai đoạn chế biến còn lại Với sự có mặt của oxy nấm men

sẽ lên men không hoàn toàn vì chúng sẽ phát hiển sinh khối Trong giai đoạn bảo quản thì chúng sẽ làm cho sản phẩm có nhiều aldehyde, sản phẩm rất dễ bị biến màu do các phản ứng oxy hóa, phản ứng hóa nâu gây tối màu của sản phẩm, làm chua sản phẩm do hình thảnh các acid hữu cơ (vi khuẩn lactic, acetic ) gây thối cho sản phẩm rượu, bia theo thời gian bảo quản (do rượu, bia là môi trường rất giàu chất dinh dưỡng thích hợp cho sự phát hiển của nhiều vi sinh vật gây thối) Một số quá trình lên men trong giai đoạn đầu diễn ra quá chậm do không đủ lượng O2 cho

sự phát hiển sinh khối, do vậy không đủ lượng tế bào nấm men lên men ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm và dây chuyền sản xuất Tuy nhiên, lại có một số chủng nấm men phát hiển nhanh và tạo ra hàm lượng rượu nhiều hơn trong môi trường không khí, chủng này thường nuôi cấy và phát triển trong môi trường ban đầu có đầy đủ O2 (Bùi Thị Quỳnh Hoa, 2001)

14

2.2.3.5 Các quá trình sinh hóa trong lên men rượu

* Hoạt đông của vi sinh vật

Thực chất của quá trình này là quá trình sinh sản và sinh trưởng của vi sinh vật Quá trình này xảy ra rất nhanh ở giai đoạn đầu lên men khi cho bánh men thuốc bắc vào nguyên liệu Sự phát triển mạnh của các vi khuẩn giai đoạn này kéo theo

sự tạo thành một số acid hữu cơ Kết quả là làm pH của môi trường giảm xuống tạo điều kiện thuận lọi cho các loài nấm mốc phát triển Song song đó là các loài nấm men bắt đầu phát triển nhưng với tốc độ yếu hơn Nấm mốc phát triển thuỷ phân tinh bột thành đường, lúc này mới tạo điều kiện cho các loài nấm men phát triển mạnh Việc phân rõ ràng các giai đoạn phát triển của vi khuẩn, nấm men, nấm mốc rất khó vì thực tế việc phát triển của các loài vi sinh vật trong khối lên men diễn ra đồng thời Chỉ có một điều khẳng định là sự phát triển không cùng một mức

độ Sự phát triển của vi khuẩn, nấm mốc đòi hỏi phải có sự có mặt của oxy nhất định trong môi trường, chính vì thế các loài vi sinh vật này phát triển mạnh ở giai đoạn đầu Nấm men cũng cần sự có mặt của oxy để tăng sinh khối, tuy nhiên mức

độ không cao như nấm mốc Mặt khác nấm men phát triển cần đường, do đó cần

có thời gian để nấm mốc chuyển hóa đường từ tinh bột (Bùi Thị Quỳnh Hoa, 2001)

* Quá trình sinh hóa

Quá trình chuyển hóa đường và các thành phần khác thành các acid hữu cơ trong

đó có hai quá trình tạo acid hữu cơ cơ bản: quá trình tạo acid acetic và quá trình tạo acid lactic Quá trình tạo acid lactic mạnh hơn, cả hai quá trình này xảy ra với cường độ không mạnh vì giai đoạn đầu lượng đường tạo thành trong khối lên men chưa cao Quá trình chuyển hóa tinh bột thành đường: do sự phát triển của nấm

men Endomycopsis, tinh bột được chuyển hóa thành đường Các loài nấm mốc và

nấm men trong quá trình phát triển tạo ra rất nhiều enzyme amylase, glucoamylase Các enzyme này hoạt động rất thuận lợi trong giai đoạn đầu và được kéo dài trong suốt thời gian tiếp theo Bản chất của các enzyme này là enzyme cảm ứng, do đó nguyên liệu chứa nhiều tinh bột kích thích mạnh mẽ quá trình sinh tổng hợp Điểm quan trọng thứ hai cần đề cập đến các enzyme này chịu sự điều khiển bởi sản phẩm cuối cùng là glucose Bình thường thì glucose sẽ ức chế phản ứng thủy phân tinh

bột, nhưng các loài nấm mốc Mucor rouxii, Rhizopus delermar, các loài nấm men

Endomycopsis vừa có khả năng sinh tống hợp amilase, glucoamilase, vừa có khả

năng chuyển đường thành rượu, mặt khác các loài nấm men Saccharomyces cũng

tích cực chuyển hóa đường glucose thành rượu Kết quả là lượng glucose tạo thành bao nhiêu ngay lập tức sẽ chuyển hóa thành rượu, một phần phục vụ cho sinh trưởng

15

của chính các loài vi sinh vật đó Do đó trong khối lên men thường không xảy ra

cơ chế kiềm hãm ngược bởi glucose (Bùi Thị Quỳnh Hoa, 2001)

* Quá trình chuyển hóa đường thành rượu

Quá trình này được thực hiện bởi Saccharomyces sp, Mucor, Rhizopus,

Endomycopsis sp Trong đó, các loài nấm men Saccharomyces đóng vài trò cơ bản

Song song với quá trình này là các quá trình chuyển hóa đường, các acid hữu cơ thành các sản phẩm phụ khác Đặc biệt lưu ý là tất cả các quá trình chuyển hóa được xảy ra xen kẽ nhau, hỗ trợ nhau và tạo nên một quá trình chung hài hòa để cuối cùng tạo ra sản phẩm không chỉ có nước, rượu mà là một hỗn hợp sản phẩm bao gồm nhiều thành phần khác nhau (Bùi Thị Quỳnh Hoa, 2001)

Glucose

↓ Hexokinase

Glucose - 6 - phosphate

↓ Phosphoglucose isomerase Fructose - 6 - phosphate

↓ Phosphofructokinase Fructose - 1,6 - diphosphate

↓ Aldolase _

Triophosphat izomerase

Glyceraldehyd - 3 - phosphate Dihydro aceton phosphate

↓ Glyceraldehyd phosphatdehydrogenase Acid - 1,3 - diphosphoglyceric

↓ Phosphoglycerate kinase Acid - 3 - phosphoglyceric

↓ Phosphoglycerate mutase Acid - 2 – phosphoglyceric

Acid phosphoenolpyruvic

↓

16

↓ Pyruvat kinase Acid - enol – pyruvic ↓

Acid pyruvic ↓ Pyruvate - decarboxylase

Ethanal ↓ Aldodehydrogenase

nhiệt độ sôi của rượu ethanol nguyên chất là 78°C và của nước là 100°C, do đó

rượu dễ bốc hơi hơn nước Dịch lên men rượu từ tinh bột sau khi kết thúc thường

có nồng độ cồn ethanol vào khoảng 8 - 10%, thường được gọi là giấm chín Dịch giấm chín bao gồm các chất dễ bay hơi như rượu ethanol, este, aldehyde, rượu bậc cao Ngoài ra trong dịch giấm chín còn có tinh bột, dextrin, protit, các acid hữu cơ, chất khoáng, xác nấm men v.v Do đó, giấm chín là một hỗn hợp nhiều cấu tử Nhưng hiện nay, lý thuyết về chưng cất mới chỉ nghiên cứu hệ hai cấu tử, mặt khác, thành phần chủ yếu trong giấm chín là nước và rượu ethanol Vì vậy, ta xem giấm chín như là một hỗn hợp hai cấu tử rượu và nước để nghiên cứu Dịch giấm chín là hỗn hợp cồn - nước Khi chưng cất ở áp suất khí quyển (p = 760mmHg) hỗn hợp

này có điểm sôi là 78,15°C, khi sôi nồng độ của hỗn hợp là đẳng phí, có nghĩa là

thành phần trong pha lỏng và pha hơi bằng nhau Giấm chín sau khi chưng cất ta thu được cồn thô Trong cồn thô có gần 50 các tạp chất khác nhau mà dựa theo tính chất hóa học thường được chia làm bốn nhóm: aldehyde, este, rượu bậc cao và acid, hoặc dựa vào tính chất lý học (đặc tính phân tách các tạp chất) mà chia làm ba nhóm: tạp chất đầu, tạp chất cuối và tạp chất trung gian

- Tạp chất đầu: là tạp chất dễ bay hơi hơn rượu ethanol Nhiệt độ sôi của các tạp chất đó thấp hơn nhiệt độ sôi của rượu ethanol Các tạp chất đầu gồm có: aldehyde acetic, acetat etyl, fomiat etyl, acetat metyl v.v Trong thực tế sản xuất, các tạp

17

chất này có tên gọi chung là este-aldehyde

- Tạp chất cuối: có nhiệt độ sôi cao hơn của rượu ethanol và khó bay hơi Các tạp chất cuối gồm có rượu cao phân tử như: amylic, iso-amylic, iso-butylic, propylic, isopropylic v.v .Các tạp chất này ở dạng dầu không hòa tan trong nước, do đó mà tạp chất cuối trong thực tế sản xuất còn gọi là dầu fusel

- Tạp chất trung gian: là những chất phụ thuộc vào nồng độ cồn và tính chất vật lý của các tạp chất đó mà có thể bay hơi cùng với tạp chất đầu hay ở lại tạp chất cuối, khi nồng độ cồn thay đổi thì độ bốc hơi của tạp chất này cũng thay đổi, do đó chúng

có thể vừa là tạp chất đầu, vừa là tạp chất cuối Các tạp chất trung gian khó tách ra khỏi rượu Các tạp chất trung gian gồm có isobutyrate etyl và isovalerianate etyl (Võ Tấn Tài, 2008)

2.3.4 Sản phẩm phụ và sản phẩm trung gian trong lên men rượu

2.2.4.1 Sự tạo thành acid

Theo Võ Tấn Tài (2008), trong quá trình lên men rượu luôn tạo các acid hữu cơ bao gồm: acid acetic, acid lactic, acid citric, acid pyruvic và acid succinic nhưng nhiều hơn cả là acid acetic và acid latic

- Acid acetic có thể được tạo thành từ phản ứng oxy hoá khử giữa hai aldehyde acetic - 1 phân tử bị oxy hoá, phân tử thứ hai sẽ bị khử:

CH3CHO + CH3CHO + H2O → CH3COOH + C2H5OH

- Acid lactic được tạo bởi pyruvate dehydrogenase theo phản ứng:

CH3CO-COOH + NAD.H2 → CH3CHOHCOOH + NAD

Hoặc:

CH2O(H2PO3)CHOHCHO + H2O → CH3CHOHCOOH + H3PO4

- Acid citric theo Laphon được tạo từ aldehyde acetic Phản ứng được biểu diễn tổng quát như sau:

9CH3CHO + 4H2O → (CH2COOH)2C(OH)COOH + 6CH3CH2OH

- Acid succinic được tạo thành có thể theo hai con đường: dehydro và trùng họp hai phân tử acid acetic với một phân tử aldehyde acetic:

2CH3-COOH + CH3CHO → COOHCH2CH2COOH + C2H5OH

Hoặc được tạo thành do deamin acid glutamic Trường họp này aldehyde glyceric

18

tiếp nhận hydro và tạo ra cả glycerin Phương trình tổng quát tạo acid succinic cùng với glycerin từ acid glutamic được biểu diễn như sau:

C6HI206 + COOH-CH2-CH2-CHNH2COOH + 2H20 →

COOH-CH2CH2COOH + 2C3H8O3 + NH3 + CO2

2.2.4.2 Sự tạo thành rượu bậc cao

Một trong những sản phẩm phụ quan trọng được tạo thảnh trong quá trình lên men rượu, là các rượu có số nguyên tử carbon lớn hơn hai Các alcol này tuy ít nhưng nếu lẫn vào ethanol sẽ gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm Đó là các alcol propylic, izobutylic, izoamylic, amylic v.v Hàm lượng của chúng chỉ khoảng 0,4

- 0,5% so với cồn ethanol nhưng gây cho sản phẩm có mùi khó chịu Các alcol này

có tên chung là dầu fusel và vì có mùi hôi khó chịu nên còn gọi là dầu khét

Nguyên nhân hình thảnh chủ yếu là nấm men sử dụng nitơ của acid amin (theo thuyết Erlix):

2.2.4.3 Sự tạo thành este

Theo Võ Tấn Tài (2008), song song với việc tạo ra acid và alcol, dưới tác dụng của enzyme estease của nấm men, các acid và alcol sẽ tác dụng lẫn nhau để tạo ra những este tương ứng Có thể viết dưới dạng sau:

R1CH2OH + R2COOH → R2COO-CH2R1 + H2O

Sự tạo thành sẽ dễ hon khi các cấu tử tham gia phản ứng là các aldehyde:

R1CHO + R2CHO → R1COO-CH2R2

19

2.2.4.4 Sự tạo thành aldehyde

Theo Võ Tấn Tài (2008), aldehyde là sản phẩm bậc hai thường trực của quá trình trao đổi chất ở nấm men và cũng có thể được tạo thành qua con đường oxy hóa các loại rượu Chủ yếu là hàm lượng acetaldehyde:

2.4 SƠ LƯỢC VỀ THIẾT BỊ CẢM BIẾN ĐỘ CỒN SỬ DỤNG TRONG THỰC NGHIỆM ĐỀ TÀI

Hình 2 Thiết bị cảm biến nồng độ cồn tự chế tạo 2.4.1 Cấu tạo của thiết bị

Thiết bị là gồm nhiều linh kiện mà chủ yếu là sự kết hợp giữa “cảm biến nồng độ cồn MQ – 3” và vi điều khiển “Arduino Nano CH340”

20

cảm biến thì khi đó cảm biến sẽ xuất ra một tín hiệu analog với độ nhạy cao và thời gian đáp ứng nhanh

Hình 3 Cảm biến nồng độ cồn MQ - 3

Hình 4 Sơ đồ cấu tạo cảm biến nồng độ cồn MQ – 3

Trong mạch điện của cảm biến MQ3, có 2 đầu dây áp đầu ra của cảm biến,

RL là điện trở mạch ra được nối nối tiếp với cảm biến, trị số được cấp điện áp: VH là điện áp cấp cho mạch sấy và Vc điện áp cấp cho cảm biến, VRL là điện của RL có thể điều chỉnh được Các điện áp VH và Vc thường được cấp cùng trị số Trong mạch đo, các điện áp này được cấp 5 Vol DC Các tín hiệu

ra của cảm biến được gửi về bộ vi điều khiển để tính toán xử lý.

- Có hai dạng tính hiệu đầu ra dạng Analog và TTl

- Tín hiệu đầu ra TTL có giá trị thấp

- Đầu ra tương tự 0 ~ 5V, nồng độ cồn càng cao điện áp càng cao

2.4.1.2 Vi điều khiển Arduino Nano CH340

Là phiên bản nhỏ gọn của Arduino Uno R3 sử dụng MCU Atmega328P – AU, sử dụng chip nạp chương trình và giao tiếp UART CH340

Hình 6 Arduino Nano CH340

22

Thông số kĩ thuật:

- Kích thước: 18,542 x 42,18mm

- IC chính: Atmega328P – AU

- IC nạp và giao tiếp UART: CH340

- Điện áp cấp: DC 5V công USB hoặc DC 6 – 9V chân RAW

- Mức điện áp giao tiếp GPIO: TTL DC 5V

- Dòng GPIO: 40mA

- Số chân Digital: 14 chân, trong đó có 6 chân PWM

- Số chân Analog: 8 chân

- Flash Memory: 32KB (2KB Bootloader)

Ngôn ngữ lập trình được sử dụng là ngôn C++ dành cho arduino

Phần mềm phụ trợ: Arduino IDE, mô phỏng mạch Proteus 8.0

2.4.3 Nguyên lí hoạt động toàn mạch

2.4.3.1 Sơ đồ khối

Hình 7 Sơ đồ khối hoạt động của thiết bị

Khối nguồn

Khối hiển thị Khối điều khiến Khối cảm biến

23

- Khối nguồn (nguồn 5V): có chức năng cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống

- Khối cảm biến (cảm biến nồng độ cồn MQ – 3): có chức năng cảm biến luồng khí

để xác định có nồng độ cồn hay không, sau đó gửi tín hiệu tới khối điều khiển

- Khối điều khiển (Arduino Nano CH340): có chức năng điều khiển khối hiển thị khi nhận được tín hiệu từ cảm biến

- Khối hiển thị (màn hình LCD 16 x 02): sẽ hiển thị nồng độ cồn đo được lên màn hình phụ thuộc vào mức độ cồn đo được

Đầu tiên khối nguồn cấp nguồn cho hệ thống gồm khối điều khiển, khối cảm biến

và khối hiển thị Khối cảm biến thu tín hiệu từ môi trường truyền về khối điều khiển dạng tín hiệu tương tự, sau khi đi qua bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số, ở đầu ra tín hiệu ở dạng tín hiệu số, sau đó tín hiệu này được vi điều khiển tiếp nhận

và xử lý tính toán rồi đưa ra kết quả là nồng độ cồn có trong hỗn hợp khí và kết quả này được đưa đến khối hiển thị khối này tiếp nhận và hiển thị thông tin về nồng độ cồn

2.4.3.2 Qui trình xử lý tín hiệu

Cảm biến nồng độ cồn MQ - 3 thể hiện được khả năng nhận diện được rượu etylic trong môi trường nhờ vào thành phần SnO2 có bên trong cảm biến, vật liệu này có tính dẫn điện kém trong môi trường không khí sạch nhưng lại rất nhạy cảm với hơi cồn Trong môi trường có nồng độ cồn càng cao, điện trở của cảm biến càng giảm.ứng với mỗi lượng cồn khác nhau, cảm biến sẽ trả về một tín hiệu điện trở khác nhau, trong mạch điện của cảm biến MQ3, có 2 đầu dây áp đầu ra của cảm biến, RL là điện trở mạch ra được nối nối tiếp với cảm biến, trị số được cấp điện áp: VH là điện áp cấp cho mạch sấy và Vc điện áp cấp cho cảm biến, VRL là điện của RL có thể điều chỉnh được Các điện áp VH và Vc thường được cấp cùng trị số Trong mạch đo, các điện áp này được cấp 5 Vol DC Các tín hiệu ra của cảm biến được gửi về bộ vi điều khiển để tính toán xử thông qua vi điều khiển Arduino Nano CH340 tiếp nhận, ghi nhận, xử lý và xuất thông tin chuyển thể từ tín hiệu điện sang

ký hiệu có khả năng đọc hiểu hiển thị trên màn hình hiển thị LCD 16x2 thông qua lập trình bằng C++, áp dụng các phương trình, hiệu chuẩn phương trình để thông tin trả về LCD là thông tin có khả năng đọc hiểu, thể hiện được mục đích cuối cùng của thiết bị cảm biến

24

Một qui trình xử lý tín hiệu bao gồm các bước:

- Khởi động thiết bị: thiết bị được khởi động trong thời gian 120 giây – thời gian làm nóng điện trở trong cảm biến để có thể thu nhận chính xác lượng cồn trong không khí

- Thu nhận, xử lý và xuất thông tin: sau khi nhận được tín hiệu trả về từ cảm biến,

vi điều khiển lập tức xử lý và xuất thông tin nhanh chóng

2.4.3.3 Cấu tạo chi tiết của thiết bị cảm biến

Hình 8 Các bộ phận cấu tạo nên thiết bị (1) - Arduino Nano CH340

25

Hình 9 Cấp nguồn bằng pin sạc dự phòng cho cảm biến

Cảm biến được thiết kế với chui cắm nguồn là chui USB 2.0 có khả năng kết nối với máy tính nhằm dễ dàng trong việc điều chỉnh cảm biến nếu có sai sót, phần lập trình vào cảm biến cho phép cảm biến xuất tín hiệu song song cả trên LCD và trên máy tính thông qua phần mềm đơn giản Arduino IDE, giúp người dùng dễ dàng ghi nhận kết quả Ngoài ra, với chui USB 2.0 người dùng có thể sử dụng nguồn đơn giản là bất kì loại Pin sạc dự phòng nào dành cho điện thoại – loại nguồn cực

ổn định cho hệ thống vi điều khiển về điện áp, đảm bảo tránh hiện tượng nhiễu tín hiệu sai lệch kết quả

2.4.3.4 Hướng dẫn sử dụng

Cảm biến sẽ được khởi động ngay khi kết nối với nguồn điện phù hợp, không cắm trực tiếp chui nguồn vào nguồn điện trực tiếp tránh gây quá tải điện áp làm hỏng thiết bị Thiết bị có khả năng đọc nồng độ cồn trong môi trường khí cần đo nhờ vào quạt hút vì vậy chỉ cần đặt phần đầu vào của cảm biến gần với khối khí, bề mặt thoáng bất kì, tránh tiếp xúc trực tiếp với phần dung dịch hoặc nước thấm vào đầu vào cảm biến Đối với các mẫu đo cần độ chính xác, phương pháp chung là cho 40ml dung dịch cần đo vào cốc thủy tinh 100ml, sau đó đặt cảm biến lên miệng cốc

và ghi nhận kết quả Cảm biến xuất ra kết quả đúng khi thu nhận đủ lượng hơi cồn không đổi, số chỉ độ cồn đúng sẽ ổn định trong khoản thời gian nhất định – trung bình khoảng 5 giây; ngoài ra, giữa các lần đo cần khoảng thời gian trung bình 15 giây để lượng khí tồn đọng trong cảm biến hoàn toàn bị đẩy ra ngoài, hạn chế làm sai lệch kết quả ở các lần đo tiếp theo Nhiệt độ đo chính xác đối với cảm biến là

26

nhiệt độ phòng mát (28 ± 1℃), thông số độ cồn hiện thị trên cảm biến ở nhiệt độ này đã được quy đổi sẵn về độ cồn chuẩn ở nhiệt độ 20℃ theo TCVN 8008:2009 phụ lục B, bảng B.1: bảng quy đổi độ cồn ở các nhiệt độ khác nhau về 20℃ Khoảng nồng độ cồn cảm biến có khả năng đo chính xác là từ 0 – 45 độ cồn với sai số

± 0,5 độ cồn (sai số do nhiệt độ môi trường và sai số thiết bị) Tránh làm rơi, va đập mạnh làm hỏng, lỏng các mạch điện, hỏng thiết bị, cần để nơi khô ráo tránh môi trường ẩm ướt đảm bảo cảm biến và vi điều khiển hoạt động tốt nhất

2.4.3.5 Ưu và nhược điểm của thiết bị

Ưu điểm:

- Giải quyết được vấn đề thiếu sót về công cụ giúp đo nồng độ cồn trong hỗn hợp dịch chứa nhiều thành phần khác nhau, cần phải qua nhiều công đoạn đo gian tiếp mới có khả năng có thông số của độ cồn trong hỗn hợp

- Cảm biến có khả năng cho kết quả chính xác ở nhiệt độ phòng mát thông thường (28 ± 1℃), kết quả đã được quy đổi sẵn về độ cồn ở nhiệt độ tiêu chuẩn 20℃

- Độ nhạy của cảm biến cao

- Thời gian cảm biến hoạt động chính xác dài, có khả năng hoạt động liên tục trong nhiều giờ

- Sai số kết quả thấp: ± 0,5 độ cồn (sai số do nhiệt độ môi trường và sai số thiết bị)

- Tiện lợi, đơn giản, dễ học cho người không chuyên về kỹ thuật, dễ sử dụng, chi phí thấp, khả năng ứng dụng trong học tập và nghiên cứu cao

Nhược điểm:

- Khoảng đo độ cồn có giới hạn thấp, chỉ từ 0 – 45 (có thể nâng cao giới hạn đo)

- Cấu tạo thiết bị chưa đồng nhất, lắp ráp rời rạc (cần thiết kế thêm về vị trí lắp đặt các chi tiết, xây dựng bản vẻ in 3D nhằm tạo hình cho thiết bị đồng nhất về hình dạng, cấu trúc, vật liệu)

- Hạn chế về thông số nhiệt độ dung dịch và môi trường, kết quả hiện tại chỉ chính xác ở nhiệt độ 28 ± 1℃

27

2.4.3.6 Một đoạn mã nguồn chương trình sử dụng trong cảm biến

void warm(){

lcd.init();

lcd.backlight(); // Khai báo LCD là loại 16x02

Serial.begin(9600); // Khai báo lệnh Serial

lcd.setCursor(0,0);

lcd.print("KHOI DONG SENSOR");

for(int i = 1; i <= 120; i++) // 120 giây để làm nóng cảm biến {

else if(r < 0.9 && r >= 0.8) alcohol = -1*r + 1.4;

else if(r < 0.8 && r >= 0.7) alcohol = -1*r + 1.4;

else if(r < 0.7 && r >= 0.65) alcohol = -2*r + 2.1;

else if(r < 0.65 && r >= 0.6) alcohol = -2*r + 2.1;

else if(r < 0.6 && r >= 0.55 ) alcohol = -2*r + 2.1;

else if(r < 0.55 && r >= 0.35) alcohol = -5*r + 3.75;

else if(r < 0.35 && r >= 0.25) alcohol = -10*r + 5.5;

else if(r < 0.25 && r >= 0.2) alcohol = -20*r + 8;

else alcohol = -66.6667*r + 17.3333;

if(alcohol < 0) alcohol = 0.00;

29

2.5 CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN

Đỗ Tiến Thành (2011), qua nhiều nghiên cứu đã rút ra một số kết luận: khảo sát hàm lượng men sử dụng: hàm lượng bánh men là 2,5% cho độ cồn và hiệu suất thu hồi cao nhất Khảo sát ảnh hưởng của thời gian lên men ẩm: thời gian lên men ẩm tối ưu là 48 giờ bởi các nguyên nhân sau: độ cồn giảm ít, cơm nhuyễn, có mùi thơm ngọt, đảm bảo tính kinh tế, hương vị rượu tốt Khảo sát ảnh hưởng của thời gian lên men lỏng: ở thời gian lên men lỏng là 72h, nồng độ cồn, hiệu suất thu hồi và độ chua của dịch lên men là ổn định nhất

Nguyên Kim Đông (2012), qua nghiên cứu đã rút ra một số kết luận: thời gian lên men hiếu khí và yếm khí thích hợp cho loại men Hoàng Anh, Tân Phát Lợi trên hai loại nguyên liệu gạo tấm Jasmine và nếp Phú Tân (An Giang) là 48 giờ và 144 giờ Trong quá trình chưng cất rượu, các hợp chất acetaldehyde, isobutanol, isopentanol bay hơi và ngưng tụ tập trung ở giai đoạn đầu sau đó giảm dần đến khi kết thúc quá trình chưng cất Các hợp chất furfurol và acid tổng bay hơi và ngưng tụ tập trung ở cuối quá trình chưng cất Hợp chất methanol bay hơi và ngưng tụ theo hướng không

có biến động trong quá trình chưng cất Các hợp chất este bay hơi và ngưng tụ nhiều ở giai đoạn đầu và cuối quá trình chưng cất

Lý Nguyễn Bình (2015), từ nghiên cứu phân lập và tuyển chọn các loại nấm men thường sử dụng đã tìm ra nhiệt độ và pH thích hợp trong quá trình lên men của 3 loại men rượu: men Nàng Thơm, men Hoàng Anh và men Nàng Hương là ở khoảng nhiệt độ 28 - 32℃ và pH từ 4 – 4,8

30

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 NGUYÊN LIỆU NGHIÊN CỨU

Gạo IR50405 được mua cửa hàng gạo tại chợ Mỹ Xuyên, TP Long Xuyên

Nấm men được mua tại chợ Long Xuyên, TP Long Xuyên với ba loại men đặc trưng thường được sử dụng là men Nàng Hương, men Nàng Thơm và men Hoàng Anh

3.2 THIẾT KẾ NGHIÊN CỨU

3.2.1 Quy trình thực hiện

Hình 10 Sơ đồ quy trình sản xuất rượu gạo truyền thống từ gạo IR50404

Gạo IR50404

Làm sạch NấuLàm nguội (30℃)Trộn men Lên men ẩm Lên men lỏng Chưng cất

Hoàn thiện Rượu thành phẩm Men nấu rượu

Nước

31

3.2.2 Thuyết minh quy trình

Đối với nghiên cứu, loại gạo được sử dụng để tiến hành nghiên cứu là gạo 504 vụ

hè thu được mua tại tiểu thương gạo thuộc khu vực chợ Mỹ Xuyên, thành phố Long Xuyên, An Giang Gạo sử dụng nguyên hạt, trước khi nấu gạo phải được rữa sạch qua nước để rữa trôi các chất bẩn, bùn đất Sau đó cho vào nồi, thêm nước và nấu chín, nấu như nấu cơm bình thường sao cho sau khi nấu cơm không quá nhão cũng không quá khô, đảm bảo hạt gạo chín, mềm và trương nở tối đa nhằm tạo thuận lợi cho giai đoạn lên men Gạo sau khi nấu chín được trải đều trên một bề mặt phẳng

để làm nguội đến nhiệt độ phòng (khoảng 28℃) để tiếp tục công đoạn trộn bánh men rượu Bánh men rượu phải được nghiền mịn trước khi trộn vào cơm đã làm nguội, rắc đều lên bề mặt lớp cơm và trộn men với hàm lượng % được tính toán trước Sau đó cho tất cả vào bình thủy tinh, đậy nắp để bắt đầu quá trình lên men rượu Quá trình lên men gồm hai giai đoạn tiến hành nối tiếp nhau là lên men ẩm (lên men hiếu khí) và lên men lỏng (lên men yếm khí) Riêng đối với quá trình lên men lỏng cần bổ sung nước theo tỉ lệ gạo và nước đã tính toán Sau thời gian lên men đã được xác định, tiến hành công đoạn chưng cất rượu

3.2.3 Nội dung nghiên cứu

3.2.4.1 Thí nghiệm 1: Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng men phối trộn đến chất lượng và hiệu suất quá trình lên men

Mục đích: tìm ra hàm lượng men tối ưu của từng loại men để sử dụng trong quy trình thực hiện nhằm tạo ra hỗn hợp dịch lên men tốt với hiệu suất lên men cao

Bố trí thí nghiệm: thí nghiệm được bố trí hoàn toàn ngẫu nhiên với hai nhân tố và

ba lần lặp lại:

Nhân tố A: Loại men sử dụng

A1 = Men Nàng Thơm (NT) A2 = Men Hoàng Anh (HA)

A3 = Men Nàng Hương (NH)

Nhân tố B: hàm lượng men phối trộn (% so với khối lượng gạo)

B1 = 1 B2 = 2 B3 = 3

Tổng số nghiệm thức thực hiện là 3*3*3 = 27 mẫu

Cách tiến hành: gạo sau khi nấu và làm nguội sẽ tiến hành trộn men Cố định lượng gạo sử dụng để nấu là 0,5kg cho mỗi mẫu Sau khi trộn men xong, hỗn hợp men và gạo sẽ được cho vào bình chứa thủy tinh cùng kích thước, bình đậy nắp không quá