III. Quy trình sản xuất bia
2. Quá trình đường hóa
Nấu - đường hoá nguyên liệu
Mục đích của quá trình đường hoá: nhằm chuyển hoá các thành phần chính của Malt và thế liệu thành những chất hoà tan trong nước và loại bỏ những chất không hoà tan ra ngoài.
Các chất hoà tan có sẵn trong Malt thường là: đường, dextrine, các chất vô cơ và một phần là protein.
Các chất không hoà tan trong Malt cần chuyển hoá gồm phần lớn là tinh bột, vỏ trấu, một số protein có phân tử lượng cao và một số chất hỗn hợp khác, khi nấu xong sẽ được giữ lại trong bã hèm.
Trong bột Malt tồn tại 3 loại enzyme rất quan trọng là: protease, a-amylase, b-amylase và một số enzyme khác chiếm số lượng không đáng kể.
Việc điều chỉnh nhiệt độ để 3 loại enzyme này phát huy được khả năng xúc tác của chúng là công việc quan trọng nhất trong quá trình nấu bia.
Thực tế nghiên cứu và sản xuất cho thấy nhiệt độ thích hợp cho từng loại enzyme có trong Malt như sau :
Protease hoạt động mạnh ở 47 – 520C a-amylase hoạt động mạnh ở 70 –750C b-amylase hoạt động mạnh ở 60 – 650C
Do đặc điểm bột gạo không qua nảy mầm, nên về cấu trúc của cơ chất gần như giữ nguyên vẹn, mặt khác các hệ thống enzyme (amyloase và protease) có trong bột thế liệu rất nghèo, không được hoạt hóa, do đó tính chất hồ hóa của tinh bột thể hiện rất mạnh, sau khi qua điểm hồ hóa, ở điều kiện gia công nhiệt nước (nấu sôi) tinh bột sẽ chín, từ đó sự xâm nhập và tác dụng phân cắt của các enzyme (amylase) sẽ dễ dàng và thuận lợi hơn nhiều.
Trong quá trình nấu, các hợp chất hòa tan trong Malt và các thế liệu dễ dàng chuyển từ hạt vào nước mà không cần có sự tác động của enzym. Phần lớn nhất của Malt và thế liệu là tinh bột, là hợp chất không hòa tan trong nước. Do vậy để chuyển chúng thành những chất hòa tan cần phải có sự tác động của các enzym. Đây là một quá trình sinh hóa phức tạp nên chúng ta cần phải biết điều chỉnh thật hợp lý tỷ lệ giữa enzym và nguyên liệu nhằm đảm bảo đến chất lượng của bia.
Những biến đổi chính trong quá trình nấu Quá trình đường hóa
Sự phân giải tinh bột thành các sản phẩm thấp phân tử trong quá trình đường hóa là do tác động của tập hợp enzym amylase (α, β- amylase và amilophosphatase)
Ở giai đoạn đầu của quá trình thủy phân tinh bột, α-amylaza sẽ tác dụng ngẫu nhiên lên những mạch polyme của amylopectin, kết quả là các phân tử polyme của tinh bột sẽ bị cắt thành những phân tử có số gốc glucozit thấp hơn làm cho độ nhớt của dịch cháo giảm đáng kể và tạo thành những dạng dextrin khác nhau.
Quá trình trên sẽ giảm dần và khi sang giai đoạn cuối của quá trình thủy phân sẽ tạo nên một lượng ít Maltose và glucose.
β-amylase: Cắt liên kết 1, 4 glucozit theo từng đôi một bắt đầu từ những cặp gốc glucose tận cùng của mạch nhánh (đối với amylo), tạo thành đường Maltose (42%, theo lý thuyết).
Phần còn lại của amylopectin sẽ tạo thành dextrin bậc cao. Còn đối với phân tử amyloza của tinh bột, chúng sẽ tác dụng dễ dàng và hoàn toàn để cho ra đường Maltoza.
Sự tác động đồng thời của α-amylase và β-amylase lên tinh bột sẽ cho ta một tỷ lệ nhất định giữa dextrin và Maltose. Tỷ lệ này phụ thuộc vào hoạt tính của hai enzym riêng biệt. Lượng dextrin do α-amylase phân giải tinh bột tạo thành sẽ giảm dần dưới sự tác dụng của β- amylase.
Amylophosphatase: Enzym này tham gia vào quá trình thủy phân tinh bột bằng cách phá hủy các mối liên kết ester giữa acid phosphoric và phân tử amylopectin. Kết quả của quá trình sẽ tạo ra các dextrin khác nhau về số gốc glucose và các tính chất hóa lý.
Trong quá trình đường hóa, tinh bột không những bị thủy phân mà còn chịu sự tác động bởi quá trình phosphoryt hóa. Dưới tác dụng của enzym phosphorylase sẽ tạo thành glucoza-1- phosphat, và sau đó qua nhiều biến đổi ta sẽ thu được các loại đường khác nhau: Fructose và Saccharose.
Như vậy sau quá trình đường hóa ta sẽ thu được nhiều sản phẩm khác nhau, trong đó sản phẩm chính là đường Maltose (chiếm khoảng 50% chất hòa tan trong dịch đường), ngoài ra còn có những dextrin bậc cao, dextrin bậc thấp, đường fructose, glucose, saccharose.
Tỷ lệ giữa các các loại đường luôn thay đổi, nó phụ thuộc vào chất lượng nguyên liệu và chế độ thủy phân.
Quá trình đạm hóa
Trong quá trình nấu nguyên liệu, các protein sẽ bị phân giải dưới tác dụng của enzym protease:
Hai thành phần chính của protease, bao gồm: Proteinase và peptidase là hai thành phần chủ yếu tham gia xúc tác cho quá trình phân giải protein
Bảng Thành phần chủ yếu tham gia xúc tác cho quá trình phân giải protein
Thành phần, tỷ lệ các sản phẩm thủy phân của protein phụ thuộc vào nhiệt độ nấu. Do vậy, tùy vào những yêu cầu kỹ thuật khác nhau ta sẽ chọn nấu ở những nhuệt độ thích hợp: Nếu cần nhiều sản phẩm thủy phân protein bậc thấp (pepton, polypeptit) thì ta phải tiến hành những khoảng thời gian dừng ở 48-50ºC. Ngược lại nếu cần nhiều sản phẩm thủy phân protein bậc trung bình (albumoza) thì ta phải tiến hành những khoảng thời gian dừng ở 58- 60ºC.
Sản phẩm của quá trình đạm hóa tuy chỉ chiếm một hàm lượng rất ít trong chất hòa tan của dịch đường (khoảng 5- 6%), song chúng đóng một vai trò khá quan trọng trong quá trình công nghệ, trực tiếp tham gia vào sự hình thành chất lượng của bia. Các sản phẩm thủy phân của protein có phân tử lượng thấp (peptit, acid amin) là nguồn cung cấp nitơ chủ yếu cho nấm men. Các sản phẩm có phân tử lượng trung bình (Albumoza, pepton, polypeptit) sẽ tham gia vào việc tạo vị, tạo bọt và giúp cho bia có khả năng giữ bọt tốt hơn. Tuy nhiên, những sản phẩm có phân tử lượng cao thường là nguyên nhân gây nên hiện tượng vẫn đục của bia.
Các quá trình khác
Khi đường hóa, ngoài hai quá trình enzym thủy phân tinh bột và protein, còn diễn ra các quá trình thủy phân khác.
Quá trình enzym thủy phân những hợp chất phospho hữu cơ. Mạnh nhất đó là sự thủy phân phytin dưới tác dụng của phytase, giải phóng ra inozit và acid phosphoric đã làm cho độ chua và tính đệm của dịch cháo tăng lên. Điều này rất có ý nghĩa trong công nghệ sản xuất dịch đường vì sự tạo tính đệm cho môi trường sẽ rất cần thiết cho sự hoạt động bình thường của các enzym và sự tăng độ chua của dịch cháo luôn kèm theo sự gia tăng hiệu suất đường hóa và nhiều ảnh hưởng dương tính đến dịch đường thu được.
Quá trình thủy phân Hemicellulose mang nhiều ý nghĩa là cung cấp, bổ sung chất hòa tan cho dịch đường, phá bỏ rào cản tạo điều kiện cho các enzym còn lại hoạt động, tham gia thủy phân hemicellulose là nhóm enzym Sitase.Ngoài ra còn có quá trình thủy phân Pentose.
Các yếu tố ảnh hưởng Ảnh hưởng của nhiệt độ
Nhiệt độ có ảnh hưởng rất lớn không chỉ đến tốc độ và hiệu suất của quá trình đường hóa, mà còn ảnh hưởng đến tỷ lệ các thành phần của sản phẩm đường hóa.
Loại Enzyme totp (oC) pHotp Cơ chất Sản phẩm
Protease 50 -60 4,6- 5,0 Protein Albumoza, pepton, polypetit
Peptidase 45-48 7,5- 8,0 Peptit Acid amin
Nếu tăng nhiệt độ thủy phân tinh bột lên một giới hạn nhất định, tốc độ đường hóa tăng nhanh, nhưng nếu tiếp tục tăng nhiệt độ quá giới hạn thì các enzym bị giảm hoạt lực hoặc mất hẳn hoạt lực, làm cho quá trình đường hóa chậm lại hoặc ngưng hẳn.
Với những loại enzym khác nhau, ta phải giữ ở một nhiệt độ thích hợp cho chúng hoạt động để có thể tạo ra lượng sản phẩm như mong muốn.
Như vậy ta có thể dùng nhiệt độ để điều chỉnh quá trình thủy phân. Khống chế tỷ lệ của các thành phần trong sản phẩm đường hóa. Để thu được nước nha có chất lượng cao thì nhiệt độ trong quá trình đường hóa phải được giữ đúng quy trình
Bảng. Nhiệt độ tối thích của các loại enzyme
Loại Enzym top( 0C) Sản phẩm chính
α-amylase 70-75 Dextrin
ò-amylsea 60-63 Maltose
Amilophosphatase 70 Dextrin
Ảnh hưởng của pH
Độ chua tác dụng (pH) của dịch cháo là yếu tố ảnh hưởng khá mạnh đến động lực của quá trình thủy phân và đường hóa. Yếu tố này ảnh hưởng khá rõ rệt đến phản ứng enzym. Đa số các enzym bền trong giới hạn pH từ 5- 9.
Trong quá trình đường hóa thì pH và nhiệt độ có mối quan hệ chặt chẽ với nhau. pH của môi trường thấp sẽ gây ảnh hưởng bất lợi cho tiến trình phản ứng enzym, dẫn đến cơ chất bị phân cắt không triệt để, hiệu suất thu hồi chất hòa tan thấp, khó lọc bã, dịch đường đục, bia thành phẩm có độ bền keo kém, hương vị không hài hòa.
Vì vậy ta phải điều chỉnh pH bằng biện pháp nhân tạo là làm mềm nước trước khi sử dụng và tăng độ chua của dịch cháo bằng cách bổ sung acid lactic hoặc CaCl2 hoặc CaSO4.
Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất
Nồng độ cơ chất trong hỗn hợp đường hóa là tỷ lệ giữa nước với nguyên liệu. Trong sản xuất, nồng độ đường thường được điều chỉnh nhờ sự thay đổi khối lượng nước trộn với nguyên liệu. Người ta phải cho nước và nguyên liệu theo tỷ lệ nhất định để nồng độ chất hòa tan đầu tiên không quá 16%, nếu cao hơn thì thới gian đường hóa sẽ kéo dài.
Nồng độ của cơ chất có ảnh hưởng khá mạnh đến khối lượng và chất lượng của sản phẩm thủy phân do sự phân cắt của nhóm enzym amylase. Nếu dịch cháo càng loãng, lượng đường tạo ra theo tỷ lệ các chất càng nhiều, đặc biệt là nhóm đường thấp phân tử có khả năng lên
men được. Nếu nồng độ bột nghiền trong dịch cháo thấp thì hoạt độ của enzym sẽ mạnh hơn.
Khác với amylase, khi dịch cháo bị loãng, hoạt độ của nhóm enzym protease lại kém đi.
Nồng độ của cơ chất là yếu tố chi phối khá mạnh đến tỷ lệ các cấu tử sản phẩm tạo thành từ sự thủy phân protein, mà quan trọng nhất là tỷ số giữa pha thấp phân tử và pha có phân tử lượng trung bình.
Ảnh hưởng của nồng độ enzym
Cường độ của các quá trình enzym khác nhau phụ thuộc rất nhiều vào khối lượng ; hoạt tính và điều kiện xảy ra phản ứng của enzym. Bằng cách điều chỉnh khối lượng chúng ta có thể tạo ra ưu thế cho sự hoạt động của enzym này hay enzym khác. Ta cũng có thể tạo ra sự thủy phân đến cùng hay phủy phân cục bộ của các chất riêng biệt. Qua đó ta có thể điều chỉnh được tương quan tỷ lệ giữa các pha sản phẩm tạo thành. Đây là nhân tố quyết định để sản xuất loại bia này hay bia khác.
Quá trình đường hoá chia thành 3 giai đoạn Hồ hoá
Nhiệt độ hồ hoá phụ thuộc vào tinh bột của loại hạt và cở to nhỏ của hạt tinh bột.
Tinh bột của gạo bị hồ hoá ở 80-85oC. Đây là nhiệt độ cao nhất, hạt tinh bột của gạo lại nhỏ nhất. Ngô ở 75-78oC, tinh bột của gạo trương nở hơn tinh bột Malt.
Hồ hoá có ý nghĩa rất quan trọng trong quá trình công nghệ sau này, vì tinh bột được hồ hoá sẽ đường hoá nhanh hơn. Hồ hoá có nghĩa là làm trương nở và phá vỡ các hạt tinh bột trong dịch hồ nóng, nhờ vậy các enzym amylase sẽ dễ tác dụng hơn là tinh bột chưa hồ hoá.
Dịch hoá
Dưới tác dụng của α- amylase, các chuỗi dài amylo và amylopectin sẽ nhanh chóng bị cắt đứt thành những chuỗi nhỏ hơn, vì thế độ nhớt trong mẻ nấu giảm rất nhanh. β- amylase chỉ có thể cắt từ từ vào cuối mạch của amylo và cuối mạch nhánh của amylopectin và cứ cắt 2 gốc một. Enzym α- Amylase tác động ở nhiệt độ thích nghi nhất là 70-75oC, pH thích nghi 4,6 và bị huỷ diệt ở 80oC trong thời gian ngắn.
Đường hoá
Là sự biến đổi của tinh bột đã dịch hoá thành dextrin và Maltoza, chỉ xảy ra được khi cháo đã dịch hoá xong. Sự đường hoá xảy ra dưới tác động của 2 enzym.
α- amylaza dextin hoá β- amylaza Maltoza hoá
Mỗi loại enzym có một nhiệt độ thích nghi khác nhau: đối với alpha nhiệt độ thích hợp là 70- 75oC, pH 5,8; với beta nhiệt độ thích nghi là 60-65oC, pH 5,4