So sánh khả năng của các loại bánh men thuốc bắc trên thị trường thành phố Cần Thơ

in chân thành cám ơn thầy NGUYỄN BẢO LỘC và cô LÂM THỊ VIỆT HÀ đã tận tình hướng dẫn và truyền đạt những kinh nghiệm quý báu để giúp em hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp. Đồng thời, em cũng vô cùng biết ơn quý thầy cô bộ môn Công Nghệ Thực Phẩm và toàn thể giảng viên trường Đại Học Cần Thơ đã tận tình giảng dạy và truyền đạt cho em nhiều kiến thức bổ ích trong suốt 5 năm qua. Chính tinh thần tận tụy cống hiến hết mình cho sự nghiệp trồng người của quý thầy cô mà em đã lớn thêm lên, trưởng thành hơn, hiểu biết được nhiều hơn nhờ tiếp thu được nhiều kiến thức về khoa học và xã hội cũng như kiến thức chuyên môn. Đây là những yếu tố vô cùng cần thiết, là hành trang cho tất cả sinh viên sau khi ra trường. Xin chân thành cám ơn mái trường Đại Học Cần Thơ và tập thể lớp Công Nghệ Thực Phẩm 28 đã sát cánh bên tôi, cùng tôi chia sẻ những buồn vui trong suốt khoá học vừa qua. Cần Thơ, ngày 11 tháng 6 năm 2007 Sinh viên thực hiện Nguyễn Thị Pha Liên Ngành Công Nghệ Thực Phẩm-Khoa Nông Nghiệp và Sinh Học Ứng Dụng 3 TÓM TẮT Với mục tiêu nghiên cứu của đề tài: so sánh khả năng lên men của các loại bánh men thuốc bắc, tôi đã tiến hành lên men gạo nếp than từ 6 loại bánh men khác nhau. Mỗi loại bánh men cần phân tích được thí nghiệm với 3 lần lặp lại. Trong quá trình lên men: sau khi ủ mốc 3 ngày, tôi tiến hành xác định hàm lượng đường khử tạo thành và hàm lượng tinh bột còn lại trong cơm rượu; sau khi kết thúc quá trình lên men chính (4 ngày sau), tôi tiến hành chưng cất để xác định độ rượu. Qua thời gian khảo sát tốc độ lên men của các loại bánh men, thu được kết quả: khi sử dụng bánh men Gò Đen để làm rượu nếp than thì hiệu suất của quá trình đường hoá và rượu hoá cao nhất còn khi sử dụng bánh men Làng Vân - Hà Bắc thì cho kết quả ngược lại. Điều này có thể kết luận: bánh men thuốc bắc với thương hiệu Gò Đen có khả năng lên men rượu tốt nhất còn Làng Vân - Hà Bắc thì thấp nhất. Ngành Công Nghệ Thực Phẩm-Khoa Nông Nghiệp và Sinh Học Ứng Dụng 4 MỤC LỤC Trang CHƯƠNG I. ĐẶT VẤN ĐỀ ......................................................................................................................8 1.1. GIỚI THIỆU ............................................................................................................... 8 1.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ........................................................................................ 8 CHƯƠNG II. LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU....................................................................................................9 2.1. GIỚI THIỆU RƯỢU NẾP THAN ............................................................................... 9 2.1.1. Nếp than............................................................................................................... 9 2.1.2. Nước dùng trong sản xuất rượu nếp than............................................................... 9 2.2. BÁNH MEN THUỐC BẮC DÙNG TRONG SẢN XUẤT RƯỢU NẾP THAN........ 10 2.2.1. Giới thiệu ........................................................................................................... 10 2.2.2. Các thành phần chủ yếu của bánh men thuốc bắc................................................ 10 2.2.3. Hệ vi sinh vật trong bánh men thuốc bắc............................................................. 11 2.3. KỸ THUẬT SẢN XUẤT RƯỢU NẾP THAN CỔ TRUYỀN ................................... 13 2.3.1. Khái quát quá trình lên men rượu........................................................................ 13 2.3.2. Cơ sở lý thuyết của quá trình lên men ................................................................. 14 2.3.3. Cơ chế quá trình chuyển hóa các chất trong lên men rượu................................... 16 CHƯƠNG III. PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................................................18 3.1. PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU............................................................................... 18 3.1.1. Thời gian - địa điểm ........................................................................................... 18 3.1.2. Nguyên liệu - hóa chất - thiết bị .......................................................................... 18 3.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.............................................................................. 19 3.2.1. Phương pháp phân tích ....................................................................................... 19 3.2.2. Nội dung nghiên cứu .......................................................................................... 19 CHƯƠNG IV. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...........................................................................................20 CHƯƠNG V. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ................................................................................................24 5.1. KẾT LUẬN............................................................................................................... 25 5.2. ĐỀ NGHỊ .................................................................................................................. 25 PHỤ LỤC...............................................................................................................................................26 Phụ lục A. Các phương pháp phân tích .................................................................................................26 Phụ lục 1: Xác định hàm lượng đường khử trong dịch đường hóa bằng phương pháp BERTRAND.................................................................................................................... 26 1. Hóa chất sử dụng.......................................................................................................... 26 2. Phương pháp xác định .................................................................................................. 26 Ngành Công Nghệ Thực Phẩm-Khoa Nông Nghiệp và Sinh Học Ứng Dụng 5 Phụ lục 2: Xác định hàm lượng tinh bột còn lại. ............................................................... 28 1. Hóa chất sử dụng.......................................................................................................... 28 2. Phương pháp xác định .................................................................................................. 28 Phụ lục 3 : Xác định nồng độ rượu theo phương pháp chưng cất ...................................... 28 Phụ lục B. Phân tích thống kê........................................................................................... 30 Ngành Công Nghệ Thực Phẩm-Khoa Nông Nghiệp và Sinh Học Ứng Dụng 6 DANH MỤC BẢNG Trang Bảng 1. Thành phần hóa học của gạo nếp than ....................................................................9 Bảng 2. Kết quả so sánh tốc độ lên men của các loại bánh men thuốc bắc...............21 Bảng 3. Bảng tra thể tích dung dịch chuẩn đường.............................................................27 Ngành Công Nghệ Thực Phẩm-Khoa Nông Nghiệp và Sinh Học Ứng Dụng 7 DANH MỤC HÌNH Trang Hình 1. Nguyên liệu gạo và cơm nếp .........................................................................................9 Hình 2. Các loại bánh men thuốc bắc được dùng để nghiên cứu .................................10 Hình 3. Một số nấm mốc thường gặp trong lên men rượu .............................................11 Hình 4. Nấm men Saccharomyces cerevisiae .......................................................................13 Hình 5. Sơ đồ thí nghiệm khảo sát khả năng lên men của các loại bánh men thuốc bắc. .......................................................................................................................................................20 Hình 6. Mẫu rượu sau khi chan nước (1 ngày) ...................................................................21 Hình 7. Đồ thị biểu hiện hàm lượng đường khử tạo thành của các loại bánh men ................................................................................................................................................................22 Hình 8. Đồ thị biểu hiện hàm lượng tinh bột còn lại của các loại bánh men............23 Hình 9. Đồ thị biểu hiện thể tích rượu tạo thành của các loại bánh men ....................1 Hình 10. Hệ thống chưng cất rượu...........................................................................................29 Ngành Công Nghệ Thực Phẩm-Khoa Nông Nghiệp và Sinh Học Ứng Dụng 8 CHƯƠNG I. ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1. GIỚI THIỆU Rượu nếp than là thức uống lên men truyền thống nổi tiếng của người Việt Nam. Giá trị của nó không chỉ thể hiện ở hàm lượng chất dinh dưỡng cao mà còn thu hút người tiêu dùng bởi màu sắc và hương vị đặc trưng. Trong thời kỳ hội nhập hiện nay, để có thể cạnh tranh với các loại rượu nổi tiếng trên thế giới như: Cognac, Whisky, rượu Rhum,….thì vấn đề cấp thiết đặt ra là phải không ngừng hoàn thiện và nâng cao chất lượng rượu nếp than. Mà trong quá trình sản xuất yếu tố có ý nghĩa quyết định đến chất lượng rượu là men rượu hay còn gọi là bánh men thuốc bắc. Trên thị trường hiện nay, có rất nhiều bánh men thuốc bắc được sản xuất từ những cơ sở khác nhau. Để xác định được loại nào có khả năng lên men tốt nhất, tôi tiến hành nghiên cứu đề tài “So sánh khả năng lên men của các loại bánh men thuốc bắc trên thị trường thành phố Cần Thơ”. 1.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Để giải quyết vấn đề trên, các công việc cần thực hiện trong đề tài này là: - So sánh hàm lượng đường khử, tinh bột còn lại khi kết thúc giai đoạn lên men hiếu khí. - So sánh thể tích rượu tạo thành khi kết thúc thời gian lên men kỵ khí. Ngành Công Nghệ Thực Phẩm-Khoa Nông Nghiệp và Sinh Học Ứng Dụng 9 CHƯƠNG II. LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU 2.1. GIỚI THIỆU RƯỢU NẾP THAN 2.1.1. Nếp than Đây là nguyên liệu chính để sản xuất rượu. Hiện nay, ở vùng Đồng bằng Nam Bộ nếp than được phân biệt theo màu sắc, có 2 loại: - Nếp than đen huyền. - Nếp than đỏ hồng. Sắc tố của gạo nếp than là anthocyan, dễ tan trong nước nên sản phẩm cũng mang màu đặc trưng của nguyên liệu. Tuy khác nhau về màu sắc, nhưng nhìn chung, nếp than đều chứa các thành phần hóa học tương tự nhau. Bảng 1. Thành phần hóa học của gạo nếp than Thành phần Hàm lượng (%) Nước 14 Protein 8,2 Lipid 1,5 Glucid 74,9 Acid hữu cơ 0,6 Tro 0,8 Nguồn: Nguyễn Thị Hiền, 2004 Hình 1. Nguyên liệu gạo và cơm nếp 2.1.2. Nước dùng trong sản xuất rượu nếp than Nước chiếm phần lớn trong sản phẩm rượu nếp than. Do đó, nước sử dụng trong sản xuất rượu cần phải đạt các tiêu chuẩn: - Độ cứng không vượt quá 7mg đương lượng/lít, phải trong suốt, không màu, không mùi. - Không có hoặc có rất ít muối ion kim loại nặng như: Hg2+, Ba2+,…. - Khả năng oxy hóa 1 lít nước không vượt quá 2ml dung dịch KMnO4 (0,01N). a) Gạo nếp than b) Gạo nếp than sau khi đã nấu thành cơm a) b) Ngành Công Nghệ Thực Phẩm-Khoa Nông Nghiệp và Sinh Học Ứng Dụng 10 - Chất cặn không vượt quá 1000mg/l. - Muối CaSO4, MgCl2, NaCl với hàm lượng từ 300 - 400mg/l thích hợp cho hoạt động của enzyme amylose, lượng đường khử tăng lên. - Muối CaCO3, MgCO3, Fe2+, Fe3+ với lượng 400mg/l, muối nitrit 400mg/l sẽ ảnh hưởng không tốt đến quá trình lên men. - Ecoli < 20 tế bào/l. 2.2. BÁNH MEN THUỐC BẮC DÙNG TRONG SẢN XUẤT RƯỢU NẾP THAN 2.2.1. Giới thiệu Hình 2. Các loại bánh men thuốc bắc được dùng để nghiên cứu Hiện nay ở nước ta có nhiều loại men để sản xuất rượu. Men lá dùng sản xuất rượu cần, men cơm rượu dùng làm cơm rượu, bánh men thuốc bắc dùng sản xuất rượu đế, rượu nếp than. Trong các loại trên, bánh men thuốc bắc được sử dụng phổ biến hơn cả, hầu hết địa phương nào cũng có lò sản xuất bánh men thuốc bắc. Nguyên liệu chủ yếu là bột gạo, nấm men và một số vị thuốc bắc. Các thành phần này với liều lượng khác nhau ở mỗi lò men, đây được xem là bí quyết gia truyền. 2.2.2. Các thành phần chủ yếu của bánh men thuốc bắc Bột gạo: phải chọn nguyên liệu tốt, đặc biệt không được nhiễm vi sinh vật hoặc côn trùng vì sẽ ảnh hưởng đến hệ vi sinh vật của bánh men. Có thể sử dụng bột gạo hay bột nếp với độ ẩm khoảng 11.3%. Men giống: sử dụng ở dạng đông khô, gồm 2 chủng chủ yếu là: Saccharomyces và Endomycopsis. Nấm men được hoạt hoá bằng nước trước khi cho vào hoà trộn với bột. Thuốc bắc: thành phần hoá học của các vị thuốc bắc có thể chia thành 2 nhóm: nhóm các chất độn và nhóm hoạt chất. Nhóm các chất độn bao gồm: nước, muối vô cơ, đường, tinh bột, chất béo,…Nhóm hoạt chất gồm: acid hữu cơ, acid vô cơ, tinh dầu, chất béo,…Nhóm này, tác động đến hệ thần kinh, hệ tuần hoàn, hệ hô hấp, hệ vận động. Ngoài ra, một số chất như: dầu, phenol, ancaloit còn chứa các chất kháng sinh. Ngành Công Nghệ Thực Phẩm-Khoa Nông Nghiệp và Sinh Học Ứng Dụng 11 Nhìn chung, vai trò của các vị thuốc bắc trong viên men được quan tâm chủ yếu ở 2 tác dụng: kháng khuẩn và tạo hương cho rượu .Tuy nhiên, vấn đề này hiện nay chưa được nghiên cứu nhiều. Một số công trình nghiên cứu cho thấy, các vị thuốc bắc có ảnh hưởng tốt đến sự phát triển sinh khối của nấm men và nấm mốc trong giai đoạn đầu của quá trình lên men. Hiện nay, có khoảng 20 vị thuốc bắc được sử dụng phổ biến trong sản xuất rượu nếp than như: bạc hà, thảo quả, đinh hương, cam thảo bắc, … 2.2.3. Hệ vi sinh vật trong bánh men thuốc bắc
Vi khuẩn Trong bánh men có rất nhiều vi khuẩn, nhưng chủ yếu là vi khuẩn lactic và vi khuẩn acetic. Trong thời gian đầu của quá trình lên men, các vi khuẩn này phát triển tạo ra pH môi trường thích hợp cho sự phát triển của nấm men. Tuy nhiên, nếu pH 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 làm giảm lượng rượu hình thành.
Nấm mốc * Các loại nấm mốc thường gặp trong viên men Trong bánh men thuốc bắc, chủ yếu là các loại: Mucor, Aspergillus, penicillium, Rhizopus. Trong đó, đặc biệt là loài Mucor rouxii có nhiều đặc tính quý như: có khả năng chịu nhiệt độ cao 32-350C, vừa có khả năng đường hóa vừa có khả năng rượu hóa. Hình 3. Một số nấm mốc thường gặp trong lên men rượu * Vai trò của nấm mốc trong lên men rượu Nấm mốc có khả năng sinh ra các enzyme amylase, đặc biệt là α-amylase & amyloglucosidase để thủy phân tinh bột thành đường, chủ yếu là glucose. Nguồn tinh bột ban đầu được nấu hay hấp sau đó hóa lỏng bằng α-amylase, đường hóa bằng amyloglucosidase. a) Rhizopus b) Penicillum c) Mucor d) Aspergillus niger a) b) c) d) Ngành Công Nghệ Thực Phẩm-Khoa Nông Nghiệp và Sinh Học Ứng Dụng 12 - α-amylase cắt ngẫu nhiên các liên kết 1-4 glicozid trong mạch amylose và amylopectin thành hỗn hợp các oligomer bao gồm các đoạn phân nhánh và không phân nhánh. - Amyloglucosidase cắt các nối α – 1,4 từ đầu không khử của amylose phóng thích các monomer đơn D-glucose, đồng thời các nối α – 1,6 cũng được thủy giải nhưng chậm hơn. Enzyme này có khả năng thủy phân hầu như hoàn toàn tinh bột thành glucose (đến 98%). * Các yếu tố ảnh hưởng đến việc sản sinh enzyme đường hóa của nấm mốc - Các chất dinh dưỡng: Glucose là nguồn carbon tối hảo cho tất cả các sợi nấm. Tuy nhiên, muốn cho sợi nấm sinh ra enzyme đường hóa thì tinh bột là nguồn carbon thích hợp. Khi nuôi sợi nấm sinh enzyme thì nguồn nitrogen được sử dụng dưới dạng sulfat amon. Tỷ lệ carbon và nitơ trong môi trường có ảnh hưởng lớn đến tổng hợp sinh nấm và khả năng tạo ra enzyme. Khi nguồn carbon và nitơ đầy đủ thì sợi nấm mới tích lũy enzyme tối đa. - Hàm lượng nước trong môi trường: Hàm lượng nước thích hợp sẽ tạo điều kiện tốt cho sự phát triển của nấm. Nếu môi trường thừa nước thì sẽ làm giảm trạng thái xốp của môi trường, giảm lượng oxy khuếch tán, vi khuẩn dễ dàng phát triển. Nếu thiếu nước thì bề mặt môi trường bị khô là nguyên nhân kìm hãm sự phát triển của sợi nấm và gây hiện tượng sinh bào tử sớm. - Nhiệt độ: Trong quá trình phát triển của nấm sợi, sinh ra lượng nhiệt khá lớn làm tăng nhiệt độ của môi trường. Nhiệt độ thích hợp nhất cho nấm phát triển là 32- 330C, thông thường chỉ cần điều chỉnh nhiệt độ vào giai đoạn đầu của quá trình nuôi cấy nhằm kích thích bào tử nấm mọc ra sợi nấm tốt. - Thời gian: phụ thuộc vào từng loại nấm, thông thường sau thời gian nuối cấy từ 30-32 giờ thì nấm sợi sẽ phát triển mạnh nhất và sự tạo thành enzyme đường hóa nhiều nhất kết thúc, khi sợi nấm bắt đầu sinh bào tử (Nguyễn Đức Lượng).
Nấm men Nấm men là tên chung chỉ nhóm nấm men có cấu tạo đơn bào, thường sinh sản bằng nẩy chồi hoặc phân cắt. Nhóm này, có nhiều trong tự nhiên và có thể sử dụng trong sản xuất, rượu, bia, bánh mì,….Tế bào nấm men giàu protein, vitamin (đặc biệt là vitamin nhóm B và tiền vitamin D2). * Các loại nấm men thường gặp trong men rượu Mỗi gam bánh men chứa vài chục triệu đến vài trăm triệu tế bào nấm men. Chúng gồm 2 giống: Endomycopsis (chủ yếu là endo.fibuligenes) và Saccharomyces (chủ yếu là S.cereviriae). - Endo.fibuligenes là loài nấm men rất giàu enzyme amylase, glucoamylase nên chúng vừa có khả năng đường hóa, vừa có khả năng rượu hóa. - Saccharomyces cerviriae có khả năng lên men nhiều loại đường như: glucose, saccharose, maltose, fructose, rafinose, galactose. Đồng thời, chúng có thể lên men ở nhiệt độ cao (36 - 400C) và có khả năng chịu được độ acid. Ngoài ra, chúng còn có khả năng chịu được thuốc sát trùng Na2SiF6 với nồng độ 0,02-0,025%. Đặc điểm này rất thuận lợi trong trường hợp lên men có sử dụng thuốc sát trùng. Điều quan trọng hơn là có khả năng lên men nhiều loại nguyên liệu: gạo, ngô, khoai, sắn với lượng đường Ngành Công Nghệ Thực Phẩm-Khoa Nông Nghiệp và Sinh Học Ứng Dụng 13 trong dung dịch 12-14%, có khi 16-18%. Nồng độ rượu cao nhất trong dịch lên men mà nấm men có thể chịu được là 10-12%. Nhiệt độ lên men thích hợp nhất là 28-320C. Ngoài 2 chi nấm men cơ bản trên, trong men thuốc bắc còn nhiều loài 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. Đặc biệt, các loài nấm men dại này chịu được nhiệt độ rất cao (60-650C) và chịu được chất sát trùng ở nồng độ 0,05-1% (Nguyễn Đức Lượng). Hình 4. Nấm men Saccharomyces cerevisiae * Vai trò của nấm men trong quá trình chuyển hóa đường thành rượu Nấm men đóng vai trò quan trọng trong quá trình lên men rượu cổ truyền. Trong suốt thời gian lên men ngoài ethanol, CO2 còn tạo ra nhiều sản phẩm phụ như: Glycorol, dầu fusel, ester, acid hữu cơ, diacetyl và aldehyde. Sự hiện diện của các hợp chất này tùy thuộc vào dòng nấm men và điều kiện lên men, chúng góp phần quan trọng tạo nên hương vị đặc trưng cho sản phẩm. Để thu được năng suất rượu cao, nấm men thường được lựa chọn dựa vào 2 đặc tính: Lên men với tốc độ mạnh và khả năng chịu được nồng độ rượu cao trong môi trường lên men. Ethanol là sản phẩm chính của quá trình rượu hóa nhưng ở một nồng độ nào đó ethanol có thể: làm thay đổi cấu trúc và tính thấm của màng tế bào nấm men, ảnh hưởng đến sự phát triển và các hoạt động biến dưỡng của nấm men, ức chế quá trình lên men. So sánh khả năng chịu cồn cao của các dòng nấm men bằng cách cho lên men trong dung dịch đường có nồng độ cao (15-30%v/v) hoặc có thể dùng phương pháp lên men liên tục rồi bổ sung glucose vào từ từ đến khi đến thúc quá trình lên men. Đo độ rượu của các dòng nấm men khác nhau, mẫu nào có nồng độ cao chứng tỏ dòng nấm men đó có khả năng chịu đựng độ cồn cao nhất. * Các yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của nấm men - Nhiệt độ: Nấm men có thể chịu đựng được giới hạn nhiệt độ khá rộng từ 0-500C. Nếu lên men ở nhiệt độ lớn hơn 500C, nấm men sẽ chết. - Ảnh hưởng của pH: Nấm men có thể phát triển được trong môi trường pH = 2-8 nhưng thích hợp nhất là pH = 4,5-5 - Ảnh hưởng của oxy: Trong giai đoạn đầu của quá trình lên men, nấm men cần oxy để tăng sinh khối nhưng ở các giai đoạn sau thì không cần. - Ảnh hưởng của độ rượu: Hàm lượng ethanol sinh ra, nếu vượt quá giới hạn chịu đựng sẽ ức chế sự phát triển của nấm men. 2.3. KỸ THUẬT SẢN XUẤT RƯỢU NẾP THAN CỔ TRUYỀN 2.3.1. Khái quát quá trình lên men rượu Ngành Công Nghệ Thực Phẩm-Khoa Nông Nghiệp và Sinh Học Ứng Dụng 14 Lên men rượu là 1 quá trình trao đổi chất nhờ tác dụng của các enzyme tương ứng gọi là 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 thành nhiều kiểu lên men khác nhau. Tuy nhiên, có 2 hình thức lên men chính: lên men yếm khí và lên men hiếu khí. + Lên men yếm khí: là sự thủy phân đường không có sự hiện diện của O2, như quá trình lên men lactic, lên men rượu, lên men butylic,… + Lên men hiếu khí: là sự thủy phân đường với sự hiện diện của O2 như quá trình lên men acetic, lên men citric. Lên men rượu là quá trình lên men yếm khí với sự hiện diện của nấm men (yeast). Nấm men chuyển hóa đường lên men thành rượu etylic và CO2. Đôi khi, người ta còn gọi là quá trình rượu hóa, cồn hóa. Quá trình lên men rượu được chia thành 2 giai đoạn chính: + Thời kỳ phát triển sinh khối: giai đoạn này với sự hiện của O2, tế bào nấm men sẽ phát triển sinh khối để gia tăng về kích thước và số lượng. + Thời kỳ lên men chuyển hóa đường thành rượu và CO2: Nấm men hấp thụ các chất dinh dưỡng và sử dụng enzyme sẵn có để xúc tác các phản ứng sinh hóa trong quá trình trao đổi chất. 2.3.2. Cơ sở lý thuyết của quá trình lên men
Cơ chế của quá trình lên men Để lên men, người ta cho vào môi trường một lượng tế bào nấm men nhất định, tùy thuộc vào phương pháp lên men. Thông thường, khi lên men, lượng tế bào nấm men phải >10 triệu/ml dung dịch lên men. Do điện tích của tế bào nấm men lớn nên khả năng hấp thụ các chất dinh dưỡng rất mạnh. Đường lên men và các chất dinh dưỡng khác được hấp thụ trên bề mặt nấm men sau đó khuếch tán qua màng vào bên trong, tạo ra rượu và CO2. Rượu etylic tạo thành sẽ khuếch tán ra môi trường bên ngoài qua màng tế bào nấm men. Rượu hòa tan vô hạn trong nước nên tốc độ khuếch tán rất nhanh. CO2 cũng hòa tan trong môi trường nhưng sự hòa ta không lớn, ở áp suất 800mmHg, nhiệt độ 25- 300C thì lượng CO2 hòa tan là 0,837-0,856 lít CO2/lít nước. Vì thế, CO2 sinh ra trong quá trình lên men sẽ khuếch tán vào môi trường và nhanh chống đạt trạng thái bão hòa. Khi đó, CO2 bám xung quanh tế bào nấm men hình thành những bọt khi. Tế bào nấm men thường dính liền nhau, bọt khí sinh ra ngày càng nhiều và lớn dần lên thành túi lớn, đến lúc nào đó sẽ có sự chênh lệch khối lượng riêng của môi trường và tế bào nấm men sẽ nổi lên. Khi nổi lên, do có sự thay đổi đột ngột sức căng bề mặt nên chúng bị vỡ ra làm cho CO2 phóng thích ra bên ngoài. Lúc này, khối lượng riêng của nấm men đủ lớn trở lại nên chúng chìm xuống. Quá trình tế bào nấm men nổi lên rồi chìm xuống diễn ra liên tục làm cho nấm men từ trạng thái tĩnh chuyển sang trạng thái động, gia tăng khả năng tiếp xúc của tế bào với môi trường, điều này làm cho quá trình trao đổi chất diễn ra nhanh hơn, mạnh mẽ hơn, khi đó, sẽ gia tăng tốc độ lên men. Khí CO2 ức chế quá trình lên men nhưng trong quá trình thoát CO2 làm tăng khả năng lên men của tế bào nấm men. Kích thước, vật liệu chế tạo thiết bị lên men, các chất hòa tan mang điện tích, các vật lơ lững khác trong dịch lên men cũng ảnh hưởng đến sự thoát CO2 nên cũng tác động đến quá trình lên men. Ngành Công Nghệ Thực Phẩm-Khoa Nông Nghiệp và Sinh Học Ứng Dụng 15
Động học của quá trình lên men Tốc độ của quá trình lên men có thể quan sát được bằng cách theo dõi sự thay đổi hàm lượng đường trong dịch lên men, hàm lượng rượu và CO2 tạo thành. Quá trình lên men chia làm 3 thời kỳ chính: + Thời kỳ đầu: Khoảng 60 giờ kể từ khi cho nấm men tiếp xúc với dịch lên men. Tốc độ lên men rất chậm, đường lên men không đáng kể. + Thời kỳ 2: Đây là thời kỳ lên men chính. Chiếm 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 thời kỳ lên men phụ, tốc độ lên men rất chậm, đồng thời là giai đoạn 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, không quan sát được. Thời kỳ lên men chính là biến đổi sâu sắc các thành phần trong dịch lên men. Trong giai đoạn này, ở điều kiện lên men bình thường sau mỗi giờ nồng độ đường trong dịch lên men giảm đi khoảng 10 Brix, tùy thuộc vào sản phẩm, dây chuyền sản xuất. Trong dịch lên men, nếu hàm lượng đường là 100% thì có 4-6% là dạng chất không hòa tan, 75-77% được chuyển hóa thành maltose và 19% là dextrin. Trong giai đoạn lên men phụ, 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 trong thời kỳ này 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 đường không lên men này sẽ tạo vị ngọt cho sản phẩm. Như vậy, chu kỳ lên men dịch đường phụ thuộc vào thời gian lên men cuối hay phụ thuộc vào khả năng đường hóa của phức hệ enzyme amylase. Rất nhiều thí nghiệm cho thấy càng kéo dài thời gian lên men cuối thì hiệu suất của quá trình lên men càng tăng. Tuy vậy, tùy theo yêu cầu của sản phẩm, nồng độ glucid trong dịch đường, phương pháp lên men mà nhà sản xuất sẽ tạo ra một qui trình sản xuất riêng biệt với chất lượng và thành phần mong muốn.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men Hoạt động của vi sinh vật nói chung và nấm men nói riêng có liên hệ mật thiết với điều kiện ngoại cảnh. Có 3 mức độ khác nhau ảnh hưởng đến hoạt động sống của nấm men. + Điểm cực tiểu: là điều kiện tối thiếu 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 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. Do đó, vấn đề quan trọng là điều chỉnh điều kiện ngoại cảnh sao cho nấm men hoạt động tốt nhất. * Nồng độ đường Ngành Công Nghệ Thực Phẩm-Khoa Nông Nghiệp và Sinh Học Ứng Dụng 16 Nấm men chỉ có khả năng lên men đường thành rượu, trong khoảng nồng độ, đường từ 10-18%, nồng độ cao sẽ ức chế hoạt động của nấm men. Tương tự, nồng độ đường thấp cũng giảm năng lực lên men. * Nồng độ rượu 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 quá trình lên men rượu đáng kể (còn phụ thuộc vào mức độ thông khí). Thường trong dịch nấm men có khoảng 4 - 6% rượu. Nồng độ sinh ra có ảnh hưởng đến tốc độ phát triển của nấm men. Tuy nhiên, sự ảnh hưởng này còn phụ thuộc vào thời gian, số lượng tế bào và môi trường nuôi cấy. Với các điều kiện ban đầu giống nhau thì nồng độ rượu 1% chưa ảnh hưởng đến nấm men nhưng 4-6% thì bắt đầu có ảnh hưởng đến hoạt động của nấm men. * Ảnh hưởng của nhiệt độ Nhiệt độ có tác động mạnh mẽ đến hoạt động của nấm men. Chẳng hạn như Saccharomyces Cerviriae Rasse VII phát triển tốt nhất ở nhiệt độ 30-330C, nhiệt độ tối đa 380C, tối thiếu 50C. Thường nấm men được nuôi cấy ở 17-220C, (thấp hơn nhiệt độ tối ưu) có năng lực lên men rất lớn. Trong quá trình lên men, nấm men chịu được giới hạn nhiệt độ khá rộng (1- 450C), nếu quá 500C nấm men sẽ chết. * Ảnh hưởng của pH Nấm men có thể phát triển trong môi trường pH = 2-8 nhưng thích hợp nhất là pH = 4 - 4,5; vi khuẩn bắt đầu phát triển ở pH = 4,2 và cao hơn khi pH < 4,2 chỉ có nấm men phát triển. Do đó, trong lên men rượu, để ngăn ngừa khả năng nhiễm khuẩn, người ta thực hiện trong giới hạn pH = 3,8 - 4. Tuy nhiên, có những loài vi khuẩn quen dần với pH thấp nên ngoài việc điều chỉnh pH, người ta còn sử dụng thuốc sát trùng. pH = 8, nấm men phát triển rất kém, ngược lại vi khuẩn phát triển rất mạnh, còn pH = 3,8 là điều kiện tối ưu cho hoạt động của nấm men thì hầu như vi khuẩn chưa phát triển. Để tạo pH thích hợp, có thể bổ sung vào môi trường bất cứ loại acid nào, miễn là anion của nó không ảnh hưởng mạnh đến hoạt động của nấm men. * Ảnh hưởng của oxy Nấm men là vi sinh vật kỵ khí không bắt buộc. Nếu trong môi trường không có O2, nấm men sẽ lên men đường tạo thành rượu và CO2, ngược lại thì sản phẩm tạo thành là CO2 và H2O đồng thời tăng sinh khối. Oxy là thành phần quan trọng trong giai đoạn phát triển sinh khối của nấm men. Tuy nhiên, nó lại là nguyên nhân gây hư hỏng rượu ở các giai đoạn chế biến còn lại. Vì sự có mặt của oxy nấm men sẽ lên men không hoàn toàn do phát triển sinh khối. Mặc khác, oxy còn làm cho sản phẩm có nhiều aldehyde, dễ bị biến màu do các phản ứng oxy hóa, hóa nâu, đồng thời làm cho sản phẩm bị chua do sự hình thành các acid hữu cơ và gây thối rượu theo thời gian bảo quản. Tuy nhiên, nếu trong giai đoạn phát triển sinh khối không cung cấp đủ oxy thì sẽ không cung cấp đủ tế bào nấm men cho quá trình lên men làm giảm tốc độ lên men, gây ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Mặc khác, lại có một số chủng nấm men phát triển nhanh và tạo ra hàm lượng rượu nhiều hơn trong môi trường không khí. 2.3.3. Cơ chế quá trình chuyển hóa các chất trong lên men rượu
Các quá trình vi sinh vật Ngành Công Nghệ Thực Phẩm-Khoa Nông Nghiệp và Sinh Học Ứng Dụng 17 Thực chất của quá trình này là sự sinh sản và sinh trưởng của vi sinh vật. Quá trình này xảy ra rất nhanh ở giai đoạn đầu lên men. Sự phát triển mạnh của các vi khuẩn ở giai đoạn này kéo theo sự tạo thành một số acid hữu cơ. Kết quả là pH môi trường giảm tạo điều kiện cho nấm mốc phát triển. Song song đó, các loại nấm men bắt đầu phát triển, tuy với tốc độ chậm hơn nấm mốc. Việc phân chia c._.