Nghiên cứu đặc tính của đại mạch trồng trong nước và sử dụng đại mạch làm nguyên liệu thay thế trong công nghệ sản Xuất bia

n trên 20% một năm. Năm 1991 sản lượng bia là 75 triệu lít, đến năm 1997 sản lượng bia đạt 669 triệu lít (tăng gấp 9 lần so với năm 1991). Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp sản xuất bia thì nhu cầu về nguyên liệu cũng ngày một tăng, đặc biệt là malt đại mạch. Năm 1991 nhu cầu về malt là 8.400 tấn, đến năm 1997 đã tăng lên 74,868 tấn. Dự kiến đến năm 2005 nguyên liệu malt dùng cho sản xuất bia ở nước ta là 125.000 tấn .Lượng ngoại tệ hiện dùng để nhập nguyên liệu này tốn khoảng 20 - 30 triệu USD một năm và ngày càng gia tăng. Do vậy, việc giảm lượng malt đại mạch nhập ngoại để tiết kiệm ngoại tệ, nâng cao hiệu quả kinh tế của các nhà máy bia đang là một vấn đề bức, xúc đáng được nhiều ngành quan tâm. [8]. Những nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ sản xuất bia trong thời gian gần đây đã chú trọng đến việc sử dụng các nguyên liệu có nguồn gốc khác nhau để thay thế cho malt. Hầu hết các nhà máy bia trong nước đã sử dụng nguyên liệu thay thế là gạo, đường... Việc sử dụng đại mạch ở nước ta vẫn còn khá mới mẻ do trước đây việc trồng đại mạch mới chỉ dừng lại ở mức độ nghiên cứu thử nghiệm. Tuy nhiên, những công trình nghiên cứu đó đã cho thấy một số tỉnh miền núi nước ta có khả năng trồng đại mạch và cho năng suất cao. Nhưng muốn sử dụng đại mạch nội để chế biến malt đòi hỏi phải có vốn đầu tư lớn để xây dựng cơ sở hạ tầng, thiết bị, tuyển nhân công.... Việc phát triển cây đại mạch và sử dụng nó làm nguyên liệu thay thế trong công nghệ sản xuất bia không chỉ làm phong phú thêm nguồn nguyên liệu trong nước mà còn đem lại hiệu quả kinh tế to lớn cho các tỉnh miền núi: Tận dụng được quỹ đất trồng trọt, tạo công ăn việc làm và tăng thêm thu nhập cho các đồng bào dân tộc góp phần hỗ trợ một cách thiết thực cho chương trình xoá đói, giảm nghèo của các tỉnh miền núi của chính phủ. Từ những lợi ích trên, nhiệm vụ của bản khóa luận này là: "Nghiên cứu đặc tính của đại mạch trồng trong nước và sử dụng đại mạch làm nguyên liệu thay thế trong công nghệ sản xuất bia". Tổng quan I. Giới thiệu về đại mạch : I.1. Tình hình phát triển và sản lượng đại mạch trên thế giới và ở Việt Nam: Đại mạch thuần hoá ( Hordeum sativum - jessen) thuộc nhóm thực vật có hạt (Spermophyta), phân nhóm bí tử (Angiosopermae), lớp một lá mầm (Monocotyledonae), họ lúa mỳ (Gramineae). Đại mạch là loại thực vật một năm. Chúng được chia thành hai nhóm : đại mạch mùa xuân (gieo hạt vào mùa xuân , thu hoạch vào mùa thu) và đại mạch mùa đông (gieo hạt mùa đông , thu hoạch vào mùa hè). Cây đại mạch có thể sinh trưởng và phát triển bình thường trên đất phù sa kiềm thổ, trong điều kiện khí hậu khô, lạnh, lượng mưa thích hợp là 700 mm. Chu kỳ sinh trưởng của đại mạch thường là 100 - 120 ngày. Kết thúc quá trình này cây sẽ ra hoa và kết hạt. Cây đại mạch thường có ba hoa, dựa vào số hoa kết thành hạt mà người ta chia đại mạch thành hai loại : đại mạch hai hàng và đại mạch đa hàng. Đại mạch hai hàng có dấu hiệu đặc trưng là chúng chỉ có một hoa kết thành hạt lúc đó bông đại mạch sẽ có hai hàng và hình dáng rất cân đối. Loại đại mạch này được dùng chủ yếu trong công nghệ sản xuất bia. Đại mạch đa hàng bao gồm đại mạch bốn hàng và đại mạch sáu hàng, được dùng chủ yếu làm thức ăn cho gia súc, gia cầm. Trên thế giới, sản lượng đại mạch hàng năm khoảng 200 triệu tấn/năm. Năm 1990 là 177,6 triệu tấn, năm 1993 là 169,5 triệu tấn, đến năm 1995 là 142,7 triệu tấn. Nó được dùng chủ yếu để chế biến thành malt sử dụng trong công nghệ sản xuất bia và một phần làm thức ăn trong chăn nuôi. Đại mạch được trồng chủ yếu ở các vùng có khí hậu ôn đới như châu âu, Bắc Mỹ. Ngày nay, với những tiến bộ của khoa học công nghệ, đại mạch đã được trồng ở một số nước như ấn Độ, Trung Quốc, châu Phi, Thái Lan... Năng suất trung bình trên thế giới khoảng 2,8 tấn/ha, một số vùng ở châu âu, Bắc Mỹ có thể đạt tới 3 - 4 tấn/ha. {5,8} Năng suất, chất lượng của đại mạch phụ thuộc rất nhiều vào giống, kỹ thuật trồng trọt, chăm bón, điều kiện khí hậu, thổ nhưỡng,.... Bảng 1 : Sản lượng đại mạch trên thế giới năm 1996 [ 9 ] Đơn vị: Triệu tấn TT Tên nước Sản lượng 1 Nga 15,9 2 Canada 15,5 3 Đức 19,0 4 Tây Ban Nha 9,6 5 Anh 9,5 6 Pháp 7,7 7 Thổ Nhĩ Kỳ 7,2 8 Australia 6,3 9 Đan Mạch 4,1 10 Trung Quốc 4,0 ở Việt Nam, việc nghiên cứu trồng thử cây đại mạch đã sớm được quan tâm. Trước đây, trong thời kỳ Pháp thuộc, cây lúa mỳ và đại mạch đã được trồng thử tại một số tỉnh miền núi phía bắc như: Cao Bằng, Lạng Sơn, Lai Châu... Đến những năm 1970 Đảng và nhà nước đã đầu tư nhiều đề tài, dự án cho trồng thí nghiệm cây đại mạch. Tuy nhiên các đề tài chủ yếu chỉ dừng ở việc nghiên cứu thăm dò các điều kiện khí hậu, thổ nhưỡng và chọn các bộ giống phù hợp cho từng vùng khí hậu. Một số công trình nghiên cứu trồng thử giống lúa đại mạch nhập ngoại đại mạch của các viện như Viện Khoa học kỹ thuật Nông nghiệp (KHKTNN) Việt Nam, Viện Công nghệ sinh học (CNSH) - Trung tâm Khoa học và Công nghệ Quốc gia..., các kết quả trồng thử nghiệm ban đầu cho thấy : Một số tỉnh miền núi phía bắc Việt Nam như Cao Bằng, Lạng Sơn, Lai Châu, Sơn La (có các điều kiện khí hậu, thổ nhưỡng phù hợp cho sự sinh trưởng và phát triển của cây đại mạch), đều có khả năng trồng đại mạch vào vụ đông từ tháng 10 đến tháng 4. Năng suất có thể đạt từ 1,5 - 3,5 tấn/ ha. Một số tỉnh thuộc khu vực đồng bằng sông Hồng như Hà Nam, Hải Dương, Ninh Bình... cũng có điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của cây đại mạch. Đây là vùng có tiềm năng lớn, tuy nhiên cho đến nay ta vẫn chưa chọn được giống đại mạch thích hợp cho vùng này. Mặt khác, do không cạnh tranh được với cây lúa nên hầu như các hướng nghiên cứu ít tập trung vào vùng này. ở một số huyện của các tỉnh vùng Tây Nguyên đại mạch cũng phát triển tốt trong vụ đông từ tháng 10 đến tháng 4. ở huyện Đức Trọng, tỉnh Lâm Đồng lúa mỳ và đại mạch có thể trồng được ba vụ một năm. Do không cạnh tranh được về hiệu quả kinh tế với cây chè, cà phê, cao su,... nên các vùng này không thích hợp để triển khai trồng đại trà đại mạch. Tiềm năng về quỹ đất có điều kiện khí hậu và thổ nhưỡng phù hợp cho trồng cây đại mạch ở nước ta là rất lớn : đồng bằng phía bắc khoảng 600.000 ha, các tỉnh miền núi trung du khoảng 140.000 ha. Trong số các tỉnh đã được chọn và trồng thử cây đại mạch thì tỉnh Cao Bằng là một trong những tỉnh có đủ các điều kiện đáp ứng cho việc trồng thử cây đại mạch. Năm 1991, tỉnh đã kết hợp với trung tâm mì, mạch của Viện KHKTNN Việt Nam nghiên cứu trồng thử cây đại mạch vụ đông xuân 1991 - 1992. Kết quả cho thấy, các điều kiện khí hậu, đất đai của tỉnh Cao Bằng hoàn toàn thích hợp cho sự sinh trưởng và kết hạt của cây đại mạch. Từ 94 giống đại mạch tuyển chọn của Trung tâm giống cây trồng Việt - Nga mang khảo nghiệm, đã chọn được bảy giống đại mạch có năng suất cao, khả năng chống chịu sâu bệnh tốt và phù hợp với điều kiện khí hậu ở Cao Bằng. Năm 1998 tỉnh lại kết hợp với Viện KHKTNN Việt Nam tiếp tục trồng thử nghiệm trên 20 giống. Kết quả khảo nghiệm đã chọn được 10 giống có chất lượng cao nhất đạt sản lượng 3 - 4 tấn/ha, có khả năng chống chịu sâu bệnh tốt. Năm 1999, tỉnh Cao bằng đã ký kết hợp đồng với tỉnh Vân Nam, Trung Quốc, chuyển một số giống đại mạch sang trồng ở Cao Bằng, kết quả cho thấy có bốn giống có năng suất cao ( từ 3 - 4 tấn/ha), có chất lượng tốt, có khả năng chống chịu sâu bệnh cao, thời gian sinh trưởng ngắn, phù hợp để phát triển trên diện rộng tại Cao Bằng. [ 8]. Việc phát triển cây đại mạch tại các tỉnh miền núi và sử dụng nó trong công nghệ sản xuất bia sẽ tận dụng được quỹ đất trồng trọt. Sử dụng được lao động nhàn rỗi, tạo thêm công ăn việc làm cho đồng bào các dân tộc. Tăng thêm thu nhập cho người lao động, góp phần hỗ trợ thiết thực cho chương trình xoá đói, giảm nghèo của các tỉnh miền núi. Đồng thời cũng mở ra một hướng phát triển mới cho ngành công nghệ sản xuất bia, tiến tới sử dụng các nguyên liệu trong nước thay thế dần nguồn nguyên liệu nhập từ nước ngoài. I.2. Cấu tạo của hạt đại mạch: Hạt đại mạch được cấu tạo từ ba bộ phận chính là vỏ, phôi và nội nhũ. Tuỳ thuộc vào giai đoạn phát triển và chức năng từng phần của hạt mà các bộ phận đó có thành phần hoá học khác nhau. I.2.1. Vỏ: Vỏ là bộ phận có chức năng bảo vệ phôi và nội nhũ khỏi bị tác động cơ học, hoá lý của môi trường. Trọng lượng của vỏ chiếm từ 10 - 13 % trọng lượng của hạt. Vỏ đại mạch thường có ba lớp : lớp vỏ trấu, lớp vỏ quả và lớp vỏ hạt. Thành phần hoá học của vỏ chủ yếu là cenluloza, hemicelluloza và lignin. Vỏ chiếm một tỷ lệ khá lớn trong hạt nhưng không có giá trị dinh dưỡng. Trong công nghệ sản xuất bia, vỏ có tác dụng hai mặt. Một mặt trong vỏ có chứa các chất màu và chất đắng, chúng sẽ làm giảm chất lượng của bia khi tan vào dịch đường. Mặt khác lớp vỏ đóng vai trò như một "máy lọc thiên nhiên" trong quá trình tách bã khỏi khối cháo. 1.2.2. Nội nhũ: Nội nhũ là phần lớn nhất đồng thời cũng là phần giá trị nhất của hạt. Cấu trúc của nội nhũ gồm các tế bào lớn có thành mỏng chứa đầy các hạt tinh bột, một ít protein, celluloza, chất béo, tro và đường. Ngoài cùng của nội nhũ, nơi tiếp giáp với lớp vỏ hạt là lớp alơron. ở đại mạch hai hàng, lớp alơron gồm hai lớp tế bào hình lăng kính, có thành dày, còn ở đại mạch đa hàng thì số lớp tế bào nhiều hơn. Lớp alơron rất giàu protein, chất béo, đường, pentozan, vitamin và chất tro. Nội nhũ là nơi tập trung chất dinh dưỡng của toàn hạt và là nguồn cung cấp chủ yếu chất hoà tan cho dịch đường. 1.2.3. Phôi: Phôi là phần sống của hạt, trọng lượng của phôi chiếm khoảng 2,5 - 5 % trọng lượng của hạt. Phôi nằm ở gần đế của hạt, bao gồm phôi lá, phôi thân và phôi rễ. Tiếp giáp giữa phôi và nội nhũ là một lớp tế bào gọi là lớp ngù. Lớp ngù này đóng vai trò như một màng bán thấm, chỉ cho các chất hoà tan từ nội nhũ đi vào phôi và nước từ phôi đi vào nội nhũ. Trong phôi có chứa khá nhiều các chất ding dưỡng dễ chuyển hoá như protein, gluxit hoà tan, chất béo..., và là nơi tập trung hầu hết các enzym có trong hạt. Phôi chiếm một tỷ lệ không đáng kể so với trọng lượng của hạt. Trong công nghệ sản xuất bia, khi dùng làm nguyên liệu thay thế, giá trị dinh dưỡng của phôi hầu như là không đáng kể mà vai trò quan trọng của nó là nơi cung cấp và hoạt hoá các enzym trong quá trình sản xuất malt. I.3. Thành phần hoá học của hạt đại mạch: Thành phần hoá học của đại mạch phụ thuộc rất nhiều vào giống, kỹ thuật trồng trọt, chăm bón, điều kiện khí hậu... Bảng 2 : Thành phần hoá học của đại mạch [1] TT Thành phần Hàm lượng (%) 1 Tinh bột 63 - 65 2 Đường 1,8 - 2,0 3 Celluloza 4,0 - 5,0 4 Hemi celluloza 8,0 - 10,0 5 Chất gôm 1,0 - 1,5 6 Lipit 2,0 - 3,0 7 Protein 8,0 - 11,0 8 Chất khoáng 2,0 9 Các chất khác 5,0 - 6,0 I.3.1. Thành phần cacbonhydrat: Cacbonhydrat chiếm một tỷ lệ lớn trong hạt đại mạch (70 - 85 %) và là thành phần quan trọng có ảnh hưởng lớn tới quá trình chế biến và chất lượng của sản phẩm trong quá trình sản xuất malt và bia. Trong hạt đại mạch, nguồn cacbonhydrat tồn tại chủ yếu dưới dạng tinh bột, các loại đường, celluloza, hemicelluloza và chất gôm. 1. Tinh bột: Trong hạt đại mạch tinh bột là thành phần chủ yếu. Nó chiếm tới 63 - 65% hàm lượng chất khô của hạt. Trong công nghệ sản xuất bia, nó có ý nghĩa rất quan trọng, là nguồn cung cấp chất tan chủ yếu cho dịch đường. Tinh bột đại mạch được phân bố chủ yếu ở nội nhũ và một phần ở phôi. Nó tồn tại chủ yếu dưới dạng các hạt hình cầu hoặc hình ôvan hoặc hình que, có kích thước từ 20 - 35 mm hoặc 2 - 10 mm. Tinh bột là một phức hợp của amyloza và amylopectin. Trong tinh bột đại mạch, amyloza chiếm 17 - 24 %, còn amylopectin chiếm 76 - 83 %. Hai cấu tử này khác nhau về cấu trúc phân tử và tính chất hoá lý. Các chỉ số lý học của hạt tinh bột đại mạch: Tỷ trọng 1,5 - 1,6; nhiệt lượng riêng 0,27 kcal/kg.0C; dễ kết lắng trong nước; quay mặt phẳng phân cực sang phải 201,5 - 204,30. Tinh bột đại mạch không tan trong nước lạnh và các dung môi hữu cơ trung tính. Nhiệt độ hồ hoá của nó trong khoảng 61 - 64 °C tuỳ thuộc chủng giống đại mạch. Dưới tác dụng của các axit mạnh hoặc enzym các mối liên kết glucozid bị phá vỡ, tinh bột bị thuỷ phân thành maltoza, dextrin, một lượng nhỏ glucoza và một số oligosaccharid. 2. Celluloza: Celluloza của hạt đại mạch được phân bố chủ yếu ở lớp vỏ trấu và chiếm khoảng 20% chất khô của vỏ. Phân tử celluloza bao gồm 2.000 - 10.000 gốc glucoza sắp xếp thành mạch dài, xoắn lại thành từng chùm. Celluloza không tan trong nước nóng và hầu như không thay đổi về thành phần và cấu trúc hoá học trong suốt quá trình sản xuất malt và bia. Trong công nghệ sản xuất bia, celluloza không có giá trị về mặt dinh dưỡng nhưng nó đóng vai trò quan trọng trong quá trình lọc dịch đường. 3. Hemicelluloza: Hemicelluloza là thành phần chủ yếu tạo nên thành tế bào. Nó là một phức hệ bao gồm pentozan, hexozan và axit uronic. Dưới tác dụng xúc tác của enzym sitaza, hemicelluloza bị thuỷ phân thành hexoza (galactoza, manoza) và pentoza (arabioza, xilôza). Tất cả các đường đơn này hoà tan bền vững vào dịch đường và góp phần tạo thành chất chiết cung cấp chất dinh dưỡng cho nấm men. 1.3.2. Các hợp chất chứa nitơ: Các hợp chất chứa nitơ trong hạt đại mạch tuy chiếm tỷ lệ thấp (8 - 11 %) nhưng lại đóng một vai trò rất quan trọng trong công nghệ sản xuất bia. Vì ở một chừng mực nào đó, chúng quyết định chất lượng của sản phẩm cuối cùng. Phần lớn các hợp chất này tồn tại dưới dạng cao phân tử gọi là protit, còn một phần rất nhỏ tồn tại dưới dạng thấp phân tử có tính chất khác với nhóm cao phân tử gọi là nhóm hợp chất chứa nitơ phi protit. 1. Protit: Protit là chỉ số quan trọng thứ hai (sau tinh bột ) để đánh giá đó có đủ tiêu chuẩn để sản xuất bia hay không. Nếu hàm lượng cao quá (> 14% chất khô), bia dễ bị đục, rất khó bảo quản. Ngược lại nếu hàm lượng quá thấp, không cung cấp đủ nitơ cho nấm men hoạt động, quá trình lên men sẽ không triệt để, bia kém bọt, vị kém đậm đà và kéo theo nhiều chỉ tiêu khác làm ảnh hưởng tới chất lượng bia thành phẩm. Hàm lượng protit tốt nhất cho mục đích sản xuất bia là 8 - 10%. Trong hạt đại mạch protit được phân bố chủ yếu ở lớp alơron và một phần rất nhỏ ở lớp tế bào bao quanh nội nhũ. Protit được chia thành hai nhóm protein và proteid. Protein là nhóm protit đơn giản bao gồm albumin, globulin, hodein và glutein. Trong quá trình sản xuất bia thì chỉ có albumin, globulin và một phần rất nhỏ hodein hoà tan vào dịch đường và tồn tại trong bia. Protein có chứa đầy đủ các axitamin không thay thế ( trừ tryptophan). Proteid là nhóm protit phức tạp. Nó là những họp chất được tạo thành từ một phân tử có bản chất protein và một phân tử có bản chất phi protein. Đại diện của nhóm này là nucleoproteid, lipoproteid, glucoproteid và phosphoproteid. Proteid là thành phần khó hoà tan, gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng của bia nên cần phải loại bỏ tối đa cấu tử này ra khỏi dịch đường. 2. Các hợp chất chứa nitơ phi protit: Các đại diện tiêu biểu của nhóm này là : albumoza, pepton, peptid, polypeptid và axitamin. Albumoza và pepton có vai trò rất lớn trong việc tạo và giữ bọt, đồng thời làm tăng thêm vị đậm đà của bia .Tuy nhiên nếu có hàm lượng quá cao, chúng sẽ làm giảm độ bền keo và gây đục cho bia. Peptit dễ dàng hoà 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. Axit amin tồn tại trong đại mạch với một lượng không nhiều 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 rất lớn, nó là nguồn cung cấp nitơ cho nấm men, là tác nhân tạo melanoit và tồn tại trong bia như một hợp phần dinh dưỡng quan trọng. 1.3.3. Các hợp chất không chứa nitơ: Các hợp chất không chứa nitơ bao gồm: polyphenol, chất đắng, fitin, axit hữu cơ, vitamin và chất khoáng. 1. Polyphenol và chất đắng: Polyphenol trong hạt đại mạch tập trung chủ yếu ở lớp vỏ. Phần lớn những hợp chất polyphenol hoà tan và tồn tại trong bia đều là những dẫn xuất của catechin . Trong sản xuất bia, những chất này dễ dàng kết hợp với protit cao phân tử để tạo thành phức chất dễ kết lắng làm tăng độ bền keo của sản phẩm. Mặt khác, sự hoà tan của polyphenol vào dịch đường lại là nhân tố làm xấu đi hương và vị của bia. Chất chát và chất đắng trong hạt đại mạch thuộc nhóm lipoid là nguyên nhân gây ra vị đắng và vị chát khó chịu cho bia. 2. Fitin: Fitin là muối đồng thời của canxi và magiê với axit inozitphosphoric C6H6O6(H2PO3)6. Chúng tập trung chủ yếu ở vỏ và chiếm đến 0,9% chất khô của vỏ. Khi bị thuỷ phân chúng sẽ tạo thành inozit C6H6(OH)6 và axit phosphoric, cung cấp phospho cho nấm men, đồng thời làm tăng thêm độ chua tác dụng của dịch cháo ở giai đoạn đường hoá , nâng cao hiệu suất thuỷ phân. 3. Vitamin và chất khoáng: Trong hạt đại mạch chất khoáng tập trung nhiều nhất ở phôi là phospho sau đó là Si, K, Ca, Na ... các chất khoáng đóng vai trò quan trọng trong quá trình sản xuất malt và bia. Đặc biệt là nguyên tố phospho vì nó đóng vai trò chủ yếu trong việc hình thành hệ thống đệm của dịch đường. Đại mạch chứa các loại vitamin : B1, B2, B6, C, PP, tiền vitamin A, E, axit pantotenic, biotin ... Phần lớn chúng tập chung ở phôi, vỏ hạt, và lớp alơron với hàm lượng rất thấp. I.3.4. chất béo: Hàm lượng chất béo trong hạt đại mạch dao động trong khoảng 2 - 3% so với trọng lượng chất khô của hạt. Chúng tập trung chủ yếu ở phôi và lớp alơron. Chất béo có màu vàng nhạt hoăc màu cà phê, có mùi thơm nhẹ, dễ chịu. Thành phần chủ yếu của các loại dầu béo bậc cao. Chất béo tồn tại trong bia sẽ làm giảm độ bền keo của bia thành phẩm. I.3.5. Hệ enzym trong đại mạch: Trong hạt đại mạch có chứa một lượng enzym khá phong phú như : amylaza, proteaza, catalaza, sitaza, lipaza ... proteaza tập chung chủ yếu ở phôi, catalaza có trong nội nhũ, amylaza tập trung chủ yếu ở lớp ngù. Tuy nhiên, phần lớn các enzym này ở trạng thái liên kết và không hoạt động. ii. công nghệ sản xuất bia có sử dụng nguyên liệu thay thế : II.1. ứng dụng của chế phẩm enzym trong công nghệ sản xuất bia : Sau chiến tranh thế giới lần thứ hai, sản lượng đại mạch trên thế giới bị thiếu hụt trầm trọng. Do vậy, các công trình nghiên cứu sử dụng nguyên liệu thay thế nhằm giảm bớt lượng malt trong sản xuất bia đã đươc chú trọng, việc nghiên cứu tìm ra chế phẩm enzym từ vi sinh vật và ứng dụng vào sản xuất đã tạo ra bước ngoặt lớn trong ngành sản xuất bia. Trong sản xuất bia theo phương pháp truyền thống, các hệ enzym thuỷ phân quan trọng có trong malt được tạo ra trong quá trình sản xuất malt (quá trình nảy mầm của hạt đại mạch ). Tuy nhiên quá trình này cũng làm tiêu hao một phần tinh bột của hạt (trung bình khoảng 12% chất khô của hạt). Khi thay thế malt bằng chế phẩm enzym vi sinh vật sẽ làm giảm tổn thất tinh bột và tiết kiệm được loại hạt giống có giá trị cao, khả năng nảy mầm rất lớn (96 %) để dùng cho nông nghiệp. Mặt khác, việc sử dụng các chế phẩm enzym vi sinh vật trong công nghệ sản xuất bia cho phép ta có thể gia tăng thêm tỷ lệ nguyên liệu thay thế mà vẫn đảm bảo được chất lượng của bia. Những enzym có nguồn gốc khác nhau dùng để thay thế cho enzym của malt cần có hoạt lực cao và đặc hiệu, không chứa độc tố và vi sinh vật có hại, thích ứng với các quá trình sản xuất bia. Trong phạm vi khoá luận, em xin giới thiệu một số chế phẩm enzym chủ yếu của hãng Novo Industry - Đan Mạch đã và đang được ứng dụng phổ biến cho công nghệ sản xuất bia. II.1.1. Giới thiệu về Termamyl 120L: [17] Termamyl 120L là chế phẩm dạng nước có chứa a - amylaza chịu nhiệt được sản xuất từ vi khuẩn Bacillus licheniformis. Enzym này là một endo - amylaza, thuỷ phân mối liên kết 1,4 - a - glucozit trong phân tử amyloza, amylopectin làm tinh bột nhanh chóng bị phân giải thành dextrin và oligosaccharid tan trong nước. Termamyl dễ tan trong nước ở mọi nồng độ trong điều kiện thường dùng, không độc và không có vi sinh vật gây bệnh. Termamyl hoạt động tối ưu trong điều kiện nhiệt độ là 90°C, pH trung tính (pH = 6). Nó có thể hoạt động ổn định ở nhiệt độ 95 - 105°C nếu bổ xung vào dịch 50 - 70 ppm ion Ca2+. Termamyl sẽ bị vô hoạt khi xử lý nhiệt độ ở pH thấp (3,5 - 4,5). Nếu được bảo quản ở 5°C thì hoạt tính của nó có thể duy trì tối thiểu một năm. Trong sản xuất bia, Termamyl được dùng để trợ giúp cho quá trình dịch hoá được dễ dàng. Do độ ổn định nhiệt cao nên quy trình nấu được đơn giản hơn. Termamyl thường được sử dụng với tỉ lệ 0,05 - 0,1 % khối lượng nguyên liệu thay thế. II.1.2. Giới thiệu về Fungamyl 800L: [11] Fungamyl 800L ( thực chất là 1,4 - a - D - glucan glucano - hydrolaza) là chế phẩm dạng nước có chứa a - amylaza, được thu nhận từ giống nấm mốc Aspergillus oryzae. Enym này thuỷ phân mối liên kết a - 1,4 glucozid trong amyloza, amylopectin hoặc trong phân tử dextrin, oligosaccharid tạo thành một lượng lớn đường maltoza. Fungamyl hoàn toàn tan trong nước và an toàn nếu sử dụng theo đúng hướng dẫn. Điều kiện hoạt động tối ưu của nó là ở nhiệt độ 55°C, pH = 5, bị vô hoạt khi xử lý ở nhiệt độ 70°C trong 15 phút. Fungamyl nếu được bảo quản ở 5°C thì hoạt tính của nó sẽ được duy trì ít nhất là một năm. Trong sản xuất bia, Fungamyl được bổ sung vào trong quá trình nấu hoặc trong quá trình lên men để tăng khả năng đường hoá và khả năng lên men của dịch đường. Fungamyl thường được sử dụng với tỷ lệ 0,02 - 0,05 % so với tổng nguyên liệu tuỳ theo yêu cầu sử dụng. II.1.3. Giới thiệu về Neutrase 0,5L: [14] Neutrase 0,5L là một chế phẩm proteaza trung tính có chứa ion Zn2+, được thu nhận từ dịch nuôi cấy vi khuẩn Bacillus subtilic (cũng được ổn định bằng ion Ca2+). Nó phân cắt protein thành peptid hoà tan và axit amin. Neutrase 0,5L không cháy và hoàn toàn tan trong nước. Nó hoạt động tối ưu ở nhiệt độ 45 - 55°C, pH = 5,5 - 6,5, bị vô hoạt khi xử lý ở nhiệt độ 55°C trong 2 phút. Nếu được bảo quản ở 5°C thì hoạt tính của Neutrase sẽ được duy trì ít nhất là một năm. Trong sản xuất bia, Neutrase được dùng để hỗ trợ các proteaza có trong malt để thuỷ phân các protit có trong nguyên liệu nấu chưa nảy mầm như gạo, ngô, đại mạch... Neutrase không bị ức chế bởi các chất ức chế proteaza có trong malt. Với pH của malt , nó có thể hoạt động ở nhiệt độ 50 - 550C. Neutrase 0,5L thường được dùng với tỷ lệ 0,3 - 0,7 kg / tấn nguyên liệu. II.1.4. Giới thiệu về Ceremix 2XL: [10] Ceremix 2XL là chế phẩm enzym tổng hợp dạng nước có hoạt tính a - amylaza (80KNU/g), b- glucanaza (300BGU/g) và proteaza (0,33AU/g) , được thu nhận bằng cách pha trộn các enzym tiêu chuẩn được tạo ra từ những quá trình lên men riêng rẽ vi khuẩn Bacillus subtilic. Các enzym thành phần của Ceremix hoàn toàn tan trong nước. Ceremix hoạt động tối ưu trong khoảng 65 - 700C và pH = 5 - 7. Nếu được bảo quản ở 5°C thì hoạt tính của Ceremix sẽ được duy trì tối thiểu là một năm. Trong sản xuất bia, Ceremix được sử dụng khi thay thế một phần malt bằng đại mạch với liều lượng thường dùng là 1 - 1,5 kg / tấn đại mạch. II.1.5. Giới thiệu về Ultraflo L: [18] Ultraflo L là một chế phẩm enzim có hoạt tính b - glucanaza chịu nhiệt và một phần hoạt tính pentozanaza, cenlulaza, xylanaza, arabanaza. Nó thuỷ phân các chất gôm có trong malt và đại mạch thành oligosaccharid có từ 3 - 5 gốc Glucoza. Nó được thu nhận từ sự lên men nấm mốc Penicillium emersonii. Ultraflo hoàn toàn tan trong nước, điều kiện hoạt động tối ưu của Ultraflo là ở nhiệt độ 55 - 70°C, pH = 5 - 7 (có thể hoạt động trên 750C). Trong sản xuất bia, Ultraflo được dùng để phân giải các chất gôm có trong nguyên liệu, làm giảm độ nhớt của dịch đường, hỗ trợ cho quá trình lọc dịch đường và bia được dễ dàng hơn. Nó nhanh chóng bị vô hoạt trong quá trình đun sôi dịch đường. Ultraflo thường được dùng với liều lượng là 0,2 - 0,5 lít/tấn nguyên liệu. II.2. Công nghệ nấu bia có sử dụng nguyên liệu thay thế: II.2.1. tình hình sử dụng nguyên liệu thay thế trên thế giới và triển vọng ở Việt Nam: Tới giữa thế kỷ XIX, nguyên liệu chính sử dụng trong sản xuất bia là malt đại mạch, hoa houblon và nấm men. Bia được tạo ra có hương thơm dễ chịu của malt và hoa houblon, có mầu vàng sáng. Tuy nhiên, quá trình sản xuất malt đòi hỏi phải có vốn đầu tư lớn và tổn thất chất khô tương đối lớn. Từ năm 1880, trên thế giới đã tiến hành nghiên cứu , sử dụng các loại ngũ cốc chưa nảy mầm để thay thế một phần malt đại mạch trong sản xuất bia. đến nay, việc sử dụng các loại ngũ cốc này đã trở lên rất phổ biến và đóng góp 10 - 25% tổng sản lượng bia. Một số nước đã sử dụng nguyên liệu thay thế trong sản xuất bia với tỷ lệ cao như ở Mỹ dùng gạo 16 % cùng với hỗn hợp ngô 33 %, ở Anh dùng 20 - 25 %, ở Nhật dùng 40 - 50 %, ở úc dùng 30 - 40 %. [12]. Do việc đánh thuế chủ yếu đánh vào bia sản xuất từ hạt nảy mầm, nên một số nước ở châu âu và châu Phi đã sử dụng nguyên liệu thay thế nhằm giảm tỷ lệ malt đưa vào sản xuất. Sau chiến tranh thế giới lần thứ hai, do thiếu hụt malt trầm trọng nên tất cả các châu lục đều phải sử dụng các nguồn nguyên liệu thay thế khác nhau như ngô, gạo, đại mạch, tiểu mạch, kê, bo bo, các loại đường, siro... Những nguyên liệu này khác nhau về thành phần hoá học và đặc tính cơ lý. Do đó việc sử dụng các nguyên liệu thay thế khác nhau sẽ làm thay đổi đặc tính công nghệ và thành phần dịch đường, tạo cho bia có hương vị mới. Ngoài ra, theo các nghiên cứu cho thấy malt sản xuất từ đại mạch trên đất Mỹ có hàm lượng nitơ cao hơn malt ở châu âu. Vì có hàm lượng nitơ cao nên khi sử dụng 100 % malt trong sản xuất bia sẽ dẫn đến hiện tượng bia sẽ không bền về tính chất vật lý. Để khắc phục hiện tượng này người ta đã nghiên cứu sử dụng một số loại ngũ cốc có hàm lượng protein hoà tan ít như gạo, ngô... để thay thế một phần malt làm tăng độ bền vững của bia trong bảo quản. Trong malt còn có hoạt lực diastatic cao có khả năng chuyển hoá một lượng tinh bột lớn hơn so với lượng tinh bột có trong bản thân malt nên có thể sử dụng thêm nguyên liệu khác có chứa tinh bột để tăng hiệu suất thu hồi, giảm giá thành sản phẩm. [7]. ở Việt Nam, cùng với sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghệ sản xuất bia thì nhu cầu về nguyên liệu, đặc biệt là malt đại mạch cũng rất lớn. Hàng năm chúng ta phải nhập hàng ngàn tấn malt (năm 1991 là 8.400 tấn, năm 1997 là 74.868 tấn ) từ các nước như Pháp, Canada, úc...với chi phí hàng chục triệu USD. Do vậy, xu hướng giảm bớt lượng malt đưa vào sản xuất tiết kiệm ngoại tệ, nâng cao hiệu suất của các nhà máy bia là một vấn đề đã và đang được các nhà công nghệ lưu tâm nghiên cứu và từng bước đưa vào triển khai sản xuất. Hầu hết các nhà máy bia trong nước đều đã sử dụng các nguyên liệu sẵn có như gạo, ngô, đường kính... để làm nguyên liệu thay thế trong sản xuất bia nhằm giảm bớt những chi phí do phải nhập nguyên liệu và hạ gía thành sản phẩm. II.2.2. những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nấu và đường hoá: Quá trình nấu - đường hoá thực chất là quá trình thuỷ phân do tác dụng của hệ enzim có trong malt hoặc nguồn enzim thương phẩm bổ xung từ bên ngoài nhằm chuyển hoá các thành phần thành chính của malt và nguyên liệu thay thế (như tinh bột, protein,...) thành các chất hòa tan trong nước nhằm thu được dịch đường có thành phần mong muốn để đảm bảo chất lượng bia sau này nhờ chế độ nhiệt độ thích hợp. Hiệu suất của quá trình thuỷ phân bằng enzym phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, trong đó quan trọng nhất là nhiệt độ, pH, nồng độ cơ chất (tinh bột, protein,...), nồng độ và hoạt độ enzim, ..... 1. ảnh hưởng của nhiệt độ: Nhiệt độ thuỷ phân là yếu tố quyết định cường độ và chiều hướng của quá trình enzim. Trong khoảng có ý nghĩa công nghệ, vận tốc của phản ứng thuỷ phân dưới tác dụng của enzim tăng cùng với sự tăng của nhiệt độ và đạt giá trị cực đại ở điều kiện nhiệt độ tối ưu. Nhiệt độ tối ưu không phải cố định mà nó phụ thuộc tương hỗ vào rất nhiều yếu tố khác như pH, nồng độ chất kìm hãm, nồng độ cơ chất, ...ở điều kiện đường hoá trong sản xuất bia, nhiệt độ tối ưu của các enzym thường có sự sai khác với nhiệt độ tối ưu ở môi trường thuần khiết. Điều chỉnh nhiệt độ khối dịch đường hoá, để điều hòa phản ứng là giải pháp hữu hiệu nhất để định hướng tiến triển của quá trình enzym, tạo ra tỷ lệ tương quan giữa các pha sản phẩm như mong muốn khi tiến hành đường hoá. Đáng chú ý là khi đạt đến nhiệt độ tối ưu cần phải duy trì nhiệt độ đó một thời gian để enzym thực hiện quá trình xúc tác thuỷ phân một cách triệt để. Sự thuỷ phân tinh bột trong dịch đường hoá xảy ra dưới tác dụng của 2 enzim a - và b - amylaza mà nhiệt độ tối ưu của a - amylaza là 750C và b - amylaza là 650C. Do đó, có thể dùng nhiệt độ để điều chỉnh tỷ lệ đường lên men và đường không lên men. Maltoza được tạo thành nhiều nhất ở 60 - 650C, còn ở điều kiện 70 - 750C chủ yếu là dextrin. Trong quá trình nấu, khoảng 28 - 40% lượng protein có trong malt được chuyển sang dạng hoà tan đi vào thành phần của dịch đường. Quá trình thuỷ phân protein diễn ra trong khoảng nhiệt độ 40 - 700C, nhưng tốt nhất là ở 45 - 550C. Mức độ thuỷ phân protein ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền hoá lý của bia. Bia sẽ được ổn định khi giảm hàm lượng protein cao phân tử bằng cách kết tủa , hấp phụ hay thuỷ phân bằng enzim proteaza. 2. ảnh hưởng của pH: pH cũng là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thuỷ phân bằng enzym. Các hệ enzym khác nhau có vùng pH tối ưu khác nhau: + a - amylaza : pH = 5,7 + b - amylaza : pH = 4,8 - 5 + Proteaza : pH = 5,2 - 6 Trong quá trình nấu, pH giảm dần. pH bình thường của dịch đường hoá là 5,7 - 5,8. Trong điều kiện nhiệt độ cao, các chất điện ly phân ly mạnh hơn do đó ion H+ tăng lên dẫn đến pH giảm. ở 500C độ chênh lệch pH là 0,2; còn ở 700C là 0,3 so với điều kiện nhiệt độ bình thường. Vùng pH tối ưu cho các enzim có trong malt hoạt động phần lớn nghiêng về vùng axit. ở những điều kiện cần thiết, để điều chỉnh pH người ta có thể điều chỉnh trực tiếp bằng cách thay đổi thành phần hoá học của nước, hoặc có thể dùng axit lactic, H3PO4, ....để điều chỉnh pH. 3. ảnh hưởng của nồng độ: ở nhiệt độ thường, kết quả phản ứng thuỷ phân phụ thuộc vào nồng độ cơ chất, enzim và các sản phẩm tạo thành. ở nhiệt độ cao, enzim trong dịch chá loãng thường bị ức chế mạnh hơn so với dịch ._.