Đề tài Ứng dụng công nghệ vi sinh rong sản xuất rượu vang, bia

Trong thời buổi công nghiệp hóa - hiện đại hóa như hiện nay, cùng với sự phát triển của Công nghệ thông tin, Công nghệ vật liệu mới, …Công nghệ sinh học đang góp phần không nhỏ trong sự phát triển mọi mặt của xã hội. Với vai trò là một khoa học mũi nhọn trong các khoa học sự sống, Công nghệ sinh học bao gồm ( Sinh học phân tử, Hóa sinh học, Vi sinh vật học, Di truyền học) nhằm tạo ra các công nghệ khai thác ở quy mô công nghiệp, các hoạt động sống của vi sinh vật, thực vật và động vật. Tuy vậy, ở nước ta hiện nay việc tiếp cận nó chủ yếu mới dừng ở mức độ lý thuyết và ở quy mô phòng thí nghiệm . Việc ứng dụng Công nghệ sinh học vào các quá trình sản xuất ở quy mô công nghiệp còn nhiều hạn chế và chưa được phổ biến. Do đó việc trang bị cho sinh viên đang học tập nghiên cứu nghành Công nghệ sinh học những kiến thức và kỹ năng cần thiết trong vấn đề thực nghiệm sản xuất là hết sức cần thiết. Bia - một loại nước uống phổ biến trên thế giới. Đó là loại nước uống với nồng độ cồn nhẹ, khoảng 50 nhưng rất giàu dinh dưỡng vì chứa nhiều acid amin và các thành phần dinh dưỡng khác. Hiện nay ngành công nghệ thực phẩm sản xuất đồ uống đang phát triển mạnh, đặc biệt là sản xuất bia. Với sự đa dạng về sản xuất đã tạo ra nhiều sản phẩm bia khác nhau như: bia hơi, bia chai, bia đen, bia vàng….Với những loại thương hiệu như: Heineken, Carlsberg, Halida, Huda, Bia Sài Gòn, Bia Hà Nội,….Hàng năm theo thống kê thị trường tiêu thụ, bia của nước ta chiếm một phần lớn trong ngành kinh tế hàng hóa và dịch vụ. Ngày nay hầu như tất cả các nước trên thế giới đều sản xuất và tiêu thụ bia với số lượng rất lớn (hơn 1,5 tỷ lít bia/ năm), bên cạnh việc thay đổi mẫu mã hình dáng sản phẩm nhằm thu hút người tiêu dùng thì việc nâng cao chất lượng đặc biệt phải đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm là rất quan trọng. Với những kiến thức đã học cùng với quá trình học tập tại trường, trong thời gian thực tập sản xuất cuối khóa học giành cho sinh viên, về bản thân tôi chuyến đi thực tập này đã giúp tôi mở mang thêm sự hiểu biết của mình qua đó có điều kiện vận dụng kiến thức đã học, từ đó tìm ra những thiếu sót và bổ sung cho hoàn thiện hơn. Để hiểu rõ hơn về công nghệ sản xuất bia, nhằm ứng vào thực tiễn sản xuất tại TN, để đem lại năng suất và hiệu quả kinh tế cao, góp phần thúc đẩy nền kinh tế tỉnh nhà phát triển, đó là lý do chúng tôi thực hiện bài báo cáo xê-mi-na: “ứng dụng công nghệ vi sinh rong sản xuất rượu vang, bia”. 2. GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIA HƠI 2.1. Quy trình sản xuất bia Bia được sản xuất từ các nguyên liệu chính là Malt đại mạch, nước, hoa houblon và nấm men. Nhiều loại nguyên liệu thay thế Malt trong quá trình sản xuất là gạo, đường và các loại dẫn xuất từ ngũ cốc. Các nguyên liệu phụ khác được sử dụng trong quá trình lọc và hoàn thiện sản phẩm như bột trợ lọc, các chất ổn định. Nhiều loại hóa chất được sử dụng trong các quá trình sản xuất như các chất tẩy rửa, các loại dầu nhờn, chất hoạt động bề mặt. tỷ lệ các thành phần nguyên liệu phụ thuộc vào chủng loại bia sẽ được sản xuất. Gạo và Malt trước khi đưa vào nấu cần được nghiền nhưng đối với Malt không nghiền nhỏ mà chỉ làm giập vỏ còn với gạo cần nghiền càng nhỏ càng tốt. Sau đó chuyển gạo và malt đã nghiền vào nồi nấu cháo( thiết bị hồ hóa), nồi nấu malt( đường hóa). Sau khi kết thúc quá trình đường hóa bắt đầu chuyển sang công đoạn lọc dịch đường rồi đun sôi cùng với hoa houplon, lắng trong, làm lạnh và tiến hành quá trình lên men. Sau khi lên men xong dùng bia đẩy hết nước trong ống vào máy lọc, khi hết nước thì khóa van, lấy bia vào thùng phủ bột rồi bật cánh khuấy và cho 4 kg bột, kiểm tra các van sau đó mở van để cấp bia vào thùng lọc và bật bơm cấp bột. Lấy mẫu kiểm tra độ trong ta có thể tiến hành mở vào tank bão hòa, đầy thùng thì tắt bơm lọc và đuổi bia vào thùng bia hồi. Tiến hành nạp CO2 trước tiên xả van nóc thùng bão hòa để áp suất thùng bằng 0 và đóng van nóc lại, buộc đường ống nạp CO2 từ bình CO2 vào van nạp CO2 của tank bão hòa. Mở CO2 từ từ vào tank bão hòa để áp suất của tank lên 2,5 atm, sau đó xả nhẹ van nóc để áp suất về 0, kết thúc nạp để bia ổn định 2h sau đó kiểm tra lượng CO2 hòa tan trong bia. Cuối cùng đến công đoạn chiết rót, đóng chai, thanh trùng, dán nhãn và nhập kho. Nghiền Nước Hồ hóa Malt Nghiền Đường hóa Nấu hoa Lắng trong Làm lạnh Lên men chính Lên men phụ Lọc trong Bão hòa CO2 Chiết chai Chiết keg Thanh trùng Dán nhãn Nhập kho Nhân giống Men giống Gạo Hình 2.1: Quy trình công nghệ sản xuất bia HƠI Rửa chai Chai, nước, xút, điện 2.2. Mục đích công nghệ của từng quá trình 2.2.1. Nghiền nguyên liệu * Nghiền Malt: tạo điều kiện thuận lợi cho sự biến đổi lý, sinh hóa trong quá trình đường hóa, nhằm thu được chất hòa tan cao nhất. Malt được nghiền nhỏ theo tỷ lệ vỏ chấu: 20 – 25%, tấm: 45 – 55%, bột: 20 – 30%. * Nghiền gạo: nhằm đưa nguyên liệu ở dạng hạt về dạng bột để dễ dàng thấm nước, tạo điều kiện thuận lợi cho các công đoạn chế biến sau này. Gạo là nguyên liệu mà tinh bột của chúng khi được hồ hóa, chưa được tác động bởi các enzyme. Cấu trúc tinh bột của chúng rất cứng, ở trạng thái như vậy chúng rất khó bị thủy phân, do đó gạo phải được nghiền càng nhỏ càng tốt, nhằm tách triệt để được các chất tan trong tinh bột. Malt và gạo được đưa đến bộ phận nghiền nguyên liệu thành mảnh nhỏ, sau đó được chuyển đến nồi nấu để tạo điều kiện cho quá trình chuyển hóa nguyên liệu và trích ly tối đa các chất hòa tan trong nguyên liệu. Sử dụng các thiết bị nghiền khô, máy nghiền búa (nghiền gạo), máy nghiền trục (nghiền malt). 2.2.2. Nấu 2.2.2.1. Hồ hóa và đường hóa Nguyên liệu sau khi say nghiền được chuyển vào thiết bị hồ hóa (nồi nấu cháo) và đường hóa (nồi nấu malt) bằng cách điều chỉnh hỗn hợp ở các nhiệt độ khác nhau nhờ hệ enzyme thích hợp chuyển hóa các chất không hòa tan (tinh bột) thành các chất hòa tan trong dung dịch (đường glucose, maltose, các acid amin). Sau đó được đưa qua nồi lọc để tách dịch đường và các chất hòa tan ra khỏi bã bia. Hồ hóa: mục đích làm trương nở hoàn toàn nguyên liệu lên mới tối đa. Ở 860C sau thời gian 30 phút tinh bột xem như trương nở hoàn toàn, độ nhớt cao, khuấy đảo chậm, dễ bén nồi nếu không có một lượng malt nhỏ cùng nấu. Tinh bột đã hồ hóa thủy phân dễ dàng hơn tinh bột chưa hồ hóa. Đường hóa: là giai đoạn quan trọng nhất quyết định hiệu suất nấu. Nguyên liệu qua qua giai đoạn hồ hóa – đường hóa với mục đích chuyển tinh bột từ dạng không hòa tan sang dạng hòa tan, sau đó được đưa vào quá trình đường hóa cùng với malt, ở đây dưới tác dụng của hệ enzyme trong malt trong điều kiện nhiệt độ nhất định và môi trường thích hợp, các enzyme hoạt động cắt các chất cao phân tử thành các chất thấp phân tử. 2.2.2.2. Lọc dịch đường Sau khi kết thúc quá trình đường hóa, toàn bộ khối dịch được chuyển sang nồi lọc nhằm mục đích tách dịch đường ra khỏi bã. 2.2.2.3. Đun sôi với hoa houblon Dịch đường sau khi nấu với hoa houblon và đun sôi trong 60 – 90 phút. Ở đây dịch được đun sôi với hoa houblon nhiệt độ hơn 1000 C, các chất đắng, tinh dầu thơm, polyphenol và các thành phần của hoa houblon được hòa tan vào dịch đường tạo cho bia có vị đắng, mùi thơm đặc trưng của hoa houblon và khả năng giữ bọt cho bia. Polyphenol của hoa khi hòa tan vào dịch đường ở nhiệt độ cao sẽ tác dụng với các protein cao phân tử tạo các phức chất dễ kết lắng làm tăng độ trong của dịch đường và ổn định thành phần sinh học của bia thành phẩm. Mục đích của quá trình nhằm ổn định thành phần của dịch đường, tạo cho sản phẩm có mùi thơm đặc trưng của hoa houblon, vị đắng, gia tăng nồng độ đường, độ axit, cường độ màu đồng thời quá trình đun hoa còn có tác dụng thanh trùng, tiêu diệt các vi sinh vật và các hệ enzyme còn lại trong dịch đường. 2.2.2.4. Lắng xoáy Dịch sau khi nấu được đưa qua nồi lắng xoáy để tách cặn hoa trước khi đưa vào lên men. Dịch đường trong được đưa qua thiết bị làm lạnh nhanh, mục đích đưa dịch đường xuống nhiệt độ lên men thích hợp (8 – 90 C) đồng thời tránh sự xâm nhập của vi sinh vật vào dịch đường dẫn đến bất lợi cho quá trình lên men. Dịch đường được bổ sung oxy đến mức độ cần thiết và với lượng men giống thích hợp được đưa vào tank lên men, ở đây quá trình lên men chính xảy ra, dưới tác dụng của tế bào nấm men bia, dịch đường được chuyển hóa thành rượu, CO2 và các sản phẩm phụ khác. Quá trình nấu sử dụng nhiều năng lượng dưới dạng nhiệt năng và điện năng cho việc vận hành các thiết bị, hơi nước phục vụ mục đích gia nhiệt và đun sôi. Hình 2.2: Nồi nấu gạo và nồi nấu malt 2.2.3. Lên men 2.2.3.1. Chuẩn bị men giống Nấm men được nuôi cấy trong phòng thí nghiệm, sau đó được nhân giống trong các điều kiện thích hợp để đạt được mật độ nấm men cần thiết cho lên men và tiếp men với tỉ lệ 10% so với dịch lên men. Men sữa được sử dụng lại qua mỗi đợt lên men, được tiếp men với tỉ lệ 0,5 – 1% so với dịch lên men. Loại nấm men được sử dụng trong lên men bia gồm hai loại là: Saccharomyces cerevisiae Saccharomyces carlsbergensis Hình 2.3: Loại nấm men được sử dụng Saccharomyces cerevisiae được dùng trong quá trình lên men bia nổi còn Saccharomyces carlsbergensis được dùng trong lên men bia chìm. 2.2.3.2. Lên men chính Dịch đường được cấy bổ sung oxy, làm lạnh đến nhiệt độ 100 C và tiếp men giống với tỷ lệ quy định để tiến hành lên men chính với thời gian và nhiệt độ thích hợp. Việc lên men có thể tiến hành trong các tank có bảo ôn được đặt ngoài trời với hệ thống kiểm soát tự động hóa. Hình 2.4: Tank lên men Khí CO2 sinh ra trong quá trình lên men được thu hồi. Thời gian lên men chính thường là 5 – 7 ngày. Kết thúc lên men chính nấm men lắng xuống đáy các tank lên men và được cấy 1 phần để tái sử dụng cho lên men các tank tiếp theo hoặc được thải bỏ (gọi đó là men sữa). Kết thúc quá trình lên men chính, men sữa được thu hồi để tái sử dụng còn bia non được chuyển sang chế độ lên men phụ, ở điều kiện nhiệt độ thấp (0 – 50 C) và áp suất bề mặt 0,5 – 1 bar. Mục đích của quá trình lên men chính là để tạo ra thành phẩm rượu etylic, CO2 và một số sản phẩm có trong bia thành phẩm nhằm định hình hương và vị của bia. Sau quá trình lên men chính thì từ dịch đường houblon hóa đã được chuyển thành sản phẩm bia non, do tác động của tế bào nấm men. Tuy lượng chất hòa tan trong bia non là thấp hơn so với dịch đường trước khi lên men nhưng trong thành phần bia non là một hỗn hợp chất hòa tan, đảm nhận việc tạo hương vị đặc trưng của bia thành phẩm sau này. Ngoài hai sản phẩm chính là rượu etylic và khí CO2, trong quá trình lên men chính còn tạo ra nhiều sản phẩm bậc hai. Những sản phẩm này có vai trò quan trọng trong việc hình thành hương và vị của bia. Lượng glixerin: có trong bia từ 2 – 3g/l được hình thành khi phân giải đường C6H12O6, sự có mặt của glixerin trong bia sẽ làm cho bia có vị mềm hơn, tăng độ đậm đà của sản phẩm và tăng khả năng giữ CO2. Este: là sản phẩm bậc hai của quá trình lên men chính. Nó được hình thành là kết quả của sự phản ứng giữa axit bay hơi và không bay hơi với các loại rượu khác nhau. Tổng lượng este trong bia dao động vào khoảng 30 – 80mg/l. Este có ý nghĩa rất quan trọng trong việc hình thành hương thơm dịu của bia. Andehit: là cấu tử được hình thành từ sự thay đổi chất ở nấm men hoặc có thể được tạo thành qua con đường oxy hóa các loại rượu. Lượng andehit làm tăng thêm hương cho bia Diaxetyl: được tạo thành do quá trình hoạt động sống của tế bào nấm men, một chất lỏng màu vàng có khả năng kích thích rất mạnh lên hệ thần kinh con người gây đau đầu cho người uống. Giai đoạn đầu của lên men chính diaxetyl được tạo nên tương đối nhiều, nhưng quá trình lên men phụ và tàng trữ diaxetyl giảm đi rõ rệt, lượng diaxetyl quy định phải nhỏ hơn 0,2 mg/l, đây là cấu tử có ảnh hưởng xấu tới chất lượng của bia. Axit hữu cơ: hàm lượng trung bình của chúng trong bia khoảng 150 – 200 mg/l. chúng được tạo thành do sự trao đổi chất của nấm men, vi khuẩn lactic…Một số axit hữu cơ thường có trong bia như axit axetic, axit photphoric…các axit hữu cơ này rất có giá trị trong việc hình thành chất lượng của bia. Rượu bậc cao: thông thường hàm lượng rượu bậc cao có trong bia khoảng 50 – 60mg/l và khi tồn tại trong bia sẽ làm cho bia có hương, vị hơi khó chịu. Các loại rượu bậc cao đều gây ảnh hưởng xấu tới tính chất cảm giác của bia. 2.2.3.2. Lên men phụ Dịch sau khi kết thúc giai đoạn lên men chính được chuyển sang giai đoạn lên men phụ để hoàn thiện chất lượng bia (tạo hương và vị đặc trưng). Quá trình lên men này diễn ra chậm, tiêu hao một lượng đường không đáng kể, bia được lắng trong và bão hòa CO2. Thời gian lên men từ 14 – 21 ngày hoặc hơn tùy từng loại bia. Hình 2.5: Sản phẩm lên men phụ Trong thời gian lên men phụ, nấm men trong bia non tiếp tục lên men lượng đường còn lại để tạo thành CO2 và các sản phẩm khác. Đồng thời trong lúc này lượng diaxetyl tạo thành ở giai đoạn lên men chính được chính nấm men khử và chuyển thành axeton, các chất hữu cơ tác dụng với rượu để tạo thành các este, tức là ở đây xảy ra các quá trình nhằm ổn định thành phẩm và tính chất cảm quan của sản phẩm. Qúa trình lên men phụ là quá trình quan trọng để ổn định thành phần chất lượng của bia (tạo hương vị, tạo bọt và giữ bọt cho bia) là quá trình khử rượu bậc cao, diaxetyl và andehit đến mức độ cho phép làm cho bia thơm hơn đồng thời nhiệt độ và áp suất thấp, bọt bia được tạo ra ở dạng liên kết bền vững, lâu tan và mịn. Dịch nha ở thùng lắng xoáy Dịch nha lạnh Hạ lạnh Oxy nấm men Bồn lên men Lên men chính Lên men phụ Bia chưa lọc Hạ lạnh Thu hồi men Thải bỏ Đạt yêu cầu Tái sử dụng Không đạt * Sơ đồ lên men: 2.2.4. Lọc bia và bão hòa CO2 * Lọc bia Sau khi lên men bia được lọc để đạt được độ trong theo yêu cầu. Lọc bia được tiến hành bằng thiết bị lọc ống. Việc lọc bia luôn thực hiện với sự duy trì nhiệt độ lạnh cho bia trước và sau khi lọc khoảng 1 đến -10 C. Bia chưa lọc Các chất ổn định bia Bột trợ lọc Máy lọc ống CO2 Bồn bia trong + Sơ đồ lọc: * Bão hòa CO2: Khí CO2 trong bia là nhờ quá trình lên men rượu. Nấm men chuyển hóa đường thành rượu etylic và CO2 hòa tan trong bia, tuy nhiên do các công đoạn sau lên men (nhất là khâu lọc bia) CO2 bị thất thoát khá nhiều. Vì vậy phải tiến hành nạp đủ CO2 cần thiết cho bia, việc nạp được tiến hành bằng cách sục CO2 từ dưới lên nhằm tăng lượng CO2 hòa tan trong bia đảm bảo chất lượng của bia thành phẩm trước khi đóng chai. 3. NHU CẦU NGUYÊN LIỆU CHO MỘT MẺ NẤU CỦA CÔNG TY 3.1. Nhóm nguyên liệu chính 3.1.1. Malt Malt: là nguyên liệu chính để sản xuất bia (chiếm 70%) + Thành phần hóa học của malt đại mạch: - Tinh bột: 55 – 65% tổng hàm lượng chất khô. Hình 3.1: Malt bia chưa nghiền - Protein: 8 – 12% tổng hàm lượng chất khô. - Chất béo: 2,5 – 3% tổng hàm lượng chất khô. - Chất khoáng: 2,5 – 3% tổng hàm lượng chất khô. - Pentozan: 8 – 9% tổng hàm lượng chất khô. - Xenluloza: 4 – 5% tổng hàm lượng chất khô. Hình 3.2: Malt bia đã được nghiền 3.1.2. Gạo Dùng để thay thế một phần lượng malt (chiếm 30%), Hình 3.3: Gạo + Thành phần hóa học của gạo. - Tinh bột: 70 – 75% chất khô. - Protit: 7 – 8% chất khô. - Chất béo: 1 – 1,5% chất khô. - Chất khoáng: 1 – 1,2% chất khô. - Xenlulose: 0,5 – 0,8% chất khô. 3.1.3. Hoa houblon Là nguyên liệu cơ bản thứ hai sau malt đại mạch, dùng để tạo hương vị cho bia, làm bia có vị đắng, vị thơm, hương thơm rất đặc trưng, làm tăng khả năng tạo và giữ bọt, làm tăng độ bền keo và ổn định thành phần sinh học của sản phẩm. Hình 3.4: Hoa houblon 3.1.4. Nước Là nguyên liệu cơ bản nhất không thể thay thế được trong công nghệ sản xuất bia. Trong thành phần hàm lượng nước chiếm 80 – 90%. Thành phần hóa học chất lượng của nước ảnh hưởng trực tiếp tới các quá trình công nghệ và chất lượng của bia thành phẩm. Với một lượng nước được sử dụng rộng rãi như vậy thì việc xử lý nước để có thành phần và tính chất thích hợp với từng mục đích sử dụng trong sản xuất bia là điều hết sức cần thiết. 3.1.5. Nấm men Trong quá trình lên men bia, thường sử dụng loại nấm men chìm Saccharomyces carlsbergensis. Hình 3.6: Nấm men + Yêu cầu kỹ thuật đối với giống nấm men để sản xuất bia: - Nấm men bia phải được nhân giống từ chủng thuần khiết và một đời men giống có thể sử dụng được 6 – 10 chu kỳ lên men - Giống nấm men phải thích ứng được với những điều kiện như: nhiệt độ, pH, thành phần môi trường… - Số lượng men giống ít nhất phải đạt từ 8 – 10.106 tế bào/ 1 cm3 khi cho vào để lên men dịch đường. 3.2. Nhóm các chất phụ gia Bột trợ lọc: Lượng bột trợ lọc (Diatomit) dùng trong lọc bia còn phụ thuộc vào loại nấm men, loại bia, thời gian và nhiệt độ lên men. NaOH: Dùng vệ sinh thiết bị và rửa chai. Mức dùng 5 – 10 kg xút 30%/ 1000 lít bia. Mức tiêu thụ xút cao chứng tỏ việc thu hồi xút từ quá trình vệ sinh kém hoặc quá trình rửa chai có vấn đề. Nếu nước thải không được trung hòa thì khi mức dùng xút cao dẫn đến Ph của nước thải rất cao. Axit, H2O2: Mức tiêu thụ phụ thuộc vào hệ thống CIP. CO2: Để sử dụng cho quá trình bão hòa và chiết chai / keg. Trong quá trình lên men đường được nấm men chuyển hóa thành etanol và CO2. Có thể thu hồi được 3 – 4 kg từ lên men 100 lít dịch đường, phụ thuộc vào nồng độ dịch đường. Lượng CO2 do nồi hơi phát thải do đốt nhiên liệu có thể thu hồi và sử dụng. Enzyme amilaza: tác nhân cho quá trình nấu cháo.Các hóa chất CaCl2, CaSO4: được dùng là tác nhân trong quá trình nấu. 4. KẾT LUẬN