Khảo sát QTCN sản xuất bia tươi chất lượng cao CHƯƠNG : KHẢO SÁT QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT BIA TƯƠI CHẤT LƯỢNG CAO I Quy trình cơng nghệ tổng quát sản xuất bia tươi từ 100% malt Malt đại mạch Nước Sàng Xử lý Cân Nghiền Nấu dịch nha Lọc – rửa bã Houblon viên + houblon cao Houblon hóa Lắng Làm lạnh nhanh O2 vơ trùng Men giống B ã Lên men Lên men phụ Tàng trữ 51 B ã Khảo sát QTCN sản xuất bia tươi chất lượng cao Hình 3.1 : Sơ đồ tổng quát QTCN sản xuất bia tươi từ 100% malt II Khảo sát cơng đoạn quy trình 2.1 Xử lý nước để nấu bia Nước sử dụng để nấu bia phải đạt tiêu chuẩn định trình bày chương II – mục 1.3 Với mục đích sản xuất loại bia có chất lượng cao, đảm bảo vệ sinh an toàn thực nên chất lượng nguồn nước sử dụng trình sản xuất đóng vai trị quan quan trọng Quy trình xử lý nước cho trình nấu bia sau : Nước đầu vào Lắng Lọc sơ Hấp phụ than hoạt tính Trao đổi ion Nước xử lý Hình 3.2 : Sơ đồ quy trình xử lý nước dùng sản xuất bia 2.1.1 Lắng o Mục đích : loại khỏi nước hạt cát cặn lơ lửng, phù sa huyền phù có kích thước lớn o Cơ chế : tác dụng lực trọng trường, hạt cặn có khối lượng riêng lớn khối lượng riêng nước tự lắng xuống đáy Có hai dạng lắng lắng hạt ổn định với tốc độ lắng gần không đổi lắng hạt không ổn định hạt tương tác với o Thiết bị : bể lắng ngang 2.1.2 Lọc sơ o Mục đích : loại khỏi nước hạt lơ lửng hạt keo mà tách từ trình lắng nước Lọc nước trình bắt buộc xử lý nước cấp nhằm 52 Khảo sát QTCN sản xuất bia tươi chất lượng cao đảm bảo nước có độ suốt cần thiết, đạt tiêu chuẩn yêu cầu chất lượng đặt ban đầu o Cơ chế : lọc kết hợp hấp phụ bề mặt ngăn giữ giới vật liệu lọc Tùy theo chất kích thước hạt lơ lửng mà chế đóng vai trị định o Thiết bị : bể lọc nhanh 2.1.3 Hấp phụ than hoạt tính o Mục đích : loại khỏi nước chất gây mùi vị, chất hữu tự nhiên tổng hợp có hại, hóa chất trừ sâu, hóa chất tẩy rửa … o Cơ chế : dựa trình hấp phụ vật lý tạp chất hữu lên bề mặt than hoạt tính cấu trúc lỗ xốp nhỏ (10 – 500 Ao) diện tích bề mặt lớn (500 – 1500 m2/g) than Cân hấp phụ đạt tốc độ hấp phụ với tốc độ giải hấp phụ Lượng chất bị hấp phụ tỷ lệ thuận với nồng độ chúng nước o Thiết bị : bồn lọc than hoạt tính 2.1.4 Trao đổi ion o Mục đích : loại khỏi nước ion gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng bia Fe2+ o Cơ chế : dựa vào tương tác ion mang điện tích trái dấu để loại bỏ ion không mong muốn nước o Thiết bị : cột trao đổi ion 2.2 Sàng – nghiền malt đại mạch 53 Khảo sát QTCN sản xuất bia tươi chất lượng cao Hình 3.3 : Quy trình xử lý nguyên liệu 2.2.1 o Sàng tách bụi Hệ thống từ tính Hệ thống tách bụi Phễu Quạt hút bụi Vít tải Sàng tách sạn malt 10 Hệ thống bổ sung nước Cân định lượng 11 Hệ thống phân phối Gàu tải 12.Máy nghiền Mục đích Sàng : nhằm tách khỏi nguyên liệu thành phần tạp chất không mong muốn bụi, rơm, rác, đá, sỏi mảnh vụn kim loại để làm tăng độ tinh cho nguyên liệu, hạn chế tác động không mong muốn trình o Nghiền : nhằm phá vỡ cấu trúc tế bào, tạo điều kiện thuận lợi thúc đẩy q trình sinh lý, sinh hố xảy nguyên liệu nấu nhằm thu dịch đường có nồng độ chất hồ tan cao từ nguyên liệu ban đầu 2.2.2 Các biến đổi trình nghiền Nhiệt độ malt, hàm lượng nước malt thể tích hạt tăng Sau nghiền, malt có kích thước nhỏ mịn ban đầu nhiều 2.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình nghiền Độ mịn cần đạt khối bột : gạo thực nghiền khơ sau o bổ sung nước, malt cần thực nghiền ướt Nhiệt độ nghiền : nhiệt độ nghiền q cao làm vơ hoạt enzyme Nhiệt độ o thích hợp 50-52oC Khoảng cách hai trục nghiền : ảnh hưởng đến độ mịn khối bột nghiền o Để nghiền malt, khoảng cách hai trục thường 0.3-2.5mm Đối với gạo, yêu cầu nghiền mịn nên khoảng cách hai trục nghiền gần so với nghiền malt 54 Khảo sát QTCN sản xuất bia tươi chất lượng cao Tốc độ nghiền : tốc độ nghiền chậm suất nghiền thấp, ngược lại tốc độ o nghiền nhanh suất lớn bột nghiền mịn 2.2.4 Các yêu cầu kỹ thuật nghiền Vỏ malt giữ ngun vẹn tốt, nhằm khơng cho chất tannin trích ly dung dịch làm cho bia có vị đắng Đồng thời vỏ malt cịn ngun có tác dụng lớn cho trình lọc bia sau này, làm cho q trình lọc dễ dàng Trong trình nghiền phải khống chế cho hạt malt nghiền không lớn không nhỏ Nếu hạt malt có kích thước lớn q khơng thể trích ly hết thành phần malt, hạt q nhỏ gặp khó khăn cho q trình lọc sau 2.2.5 Phương pháp thực Trước nghiền, malt cho qua hệ thống phun nước làm ẩm malt, nước dùng để phun vào nước ấm có nhiệt độ 58C, nước hồ trộn với malt khơ tạo thành hỗn hợp có nhiệt độ 52C Nghiền ướt làm cho vỏ malt mềm không bị nghiền nát, giảm bớt lượng tannin bị trích từ vỏ trình nấu, hạt malt nghiền khơng q nhỏ nên dễ dàng cho q trình lọc, nhiệt độ nghiền không cao nên không ảnh hưởng lớn đến hoạt tính enzym, tạo mơi trường pH thích hợp Ngược lại, q trình nghiền khơ khó tự động hóa, bụi nhiều, hạt nhỏ nên lọc chậm 2.2.6 o Một số cố cách khắc phục Vỏ malt bị nát Nguyên nhân khoảng cách hai cặp trục nghiền q hẹp malt có độ ẩm thấp khơng đạt yêu cầu Khắc phục: kiểm tra điều chỉnh khoảng cách hai cặp trục cho hợp lý, điều chỉnh độ ẩm malt cho thích hợp o Malt bi kẹt trục nghiền Nguyên nhân nhiệt độ nước dùng để phun ẩm cao làm cho hạt malt trương nở làm kẹt trục nghiền Khắc phục: kiểm tra điều chỉnh nhiệt độ nước phun cho hợp lý o Gạo malt có mức độ nghiền không hợp lý Nguyên nhân khe hở hai cặp trục không hợp lý, cần điều chỉnh khoảng cách hai cặp trục nghiền o Nguyên liệu bị ứ đọng trục nghiền Nguyên nhân khe điều chỉnh lưu lượng rộng nên nguyên liệu chảy xuống nhiều Khắc phục: kiểm tra điều chỉnh lại khe phân phối lưu lượng cho hợp lý 2.3 Nấu dịch nha (đường hóa) 55 Khảo sát QTCN sản xuất bia tươi chất lượng cao 2.3.1 Mục đích Chuyển dạng hịa tan tất chất có phân tử lượng cao nằm dạng khơng hịa tan bột malt; chúng với chất hịa tan có sẵn bột malt tạo thành extract (chất hòa tan chung) dịch đường hóa Trong malt thường có sẵn 15% chất hòa tan Trong nguyên liệu chưa nảy mầm hàm lượng chất hịa tan có sẵn khoảng – 7% Điều chứng tỏ phần thành phần quan trọng ngun liệu dạng khơnh hịa tan Thơng thường sau q trình đường hóa, hiệu suất chất hịa tan dịch đường hóa khoảng 75 – 78% chất khơ malt, nghĩa q trình đường hóa, hàm lượng chất hịa tan tăng lên từ 60 – 63% 2.3.2 Các biến đổi q trình đường hóa Vật lý o - Sự thay đổi cấu trúc hạt tinh bột, có hồ hóa tinh bột - Sự hịa tan chất chát chất đắng vỏ trấu: gây ảnh hưởng đến chất lượng dịch đường bia, tạo cho bia có vị lạ khó chịu Để hạn chế hòa tan ta phải sử dụng nước mềm để đường hóa nguyên liệu tăng cường độ chua cho dịch cháo cách bổ sung acid lactic CaSO4 Sự thay đổi cấu trúc pha hỗn hợp: từ lỏng – rắn thành dung dịch sệt o Hóa học (sự tạo thành melanoid) Trong cháo malt dịch đường hóa có chứa lượng đường lớn lượng acid amin đáng kể Khi nhiệt độ tăng cao đến giới hạn định, hợp chất tác dụng tương hỗ với tạo thành melanoid, đồng thời, thời gian đun sôi cháo malt xảy tượng thủy phân pentosan, cho furfurol oxy methylfurfurol Những chất tham gia vào trình tạo melanoid Lượng melanoid đóng vai trị quan trọng việc tạo màu, mùi, vị khả tạo bọt bia Nếu melanoid nhiều gây ảnh hưởng đến màu vị bia, cần phải điều chỉnh thời gian đun sôi cháo malt lượng melanoid không vượt giới hạn cho phép o Hóa lý 56 Khảo sát QTCN sản xuất bia tươi chất lượng cao Có chuyển pha chất có phân tử lượng thấp pha - rắn chuyển vào pha lỏng - Sự bay nước - Sự kết lắng biến tính protein: điều kiện nhiệt độ cao trình nấu, protein có khả bị biến tính nên kết lắng loại khỏi dung dịch đường Đây q trình có lợi cho cơng nghệ sản xuất bia làm tăng độ bền keo bia, làm giảm khả gây đục cho bia Sự biến tính kết lắng protein có ảnh hưởng hai mặt:  Mặt lợi: loại bỏ mạch polypeptide có khả kết tủa mà thủy phân nữa, giúp tăng độ bền keo bia  Mặt bất lợi: polypeptide mà chưa kịp bị phân cắt để tạo thành acid amin biến tính kết lắng gây hao phí protein Vì cơng nghệ sản xuất bia cần tăng độ bền keo cho bia nên kết lắng biến tính protein nhiều tốt Hóa sinh o Thủy phân tinh bột enzyme - Quá trình thủy phân tinh bột nhờ enzyme giai đoạn ươm mầm, sang giai đoạn đường hóa nhiệt độ thích hợp q trình thủy phân xảy với cường độ lớn, làm thủy phân hòan toàn tinh bột malt Sự thủy phân tinh bột tác động tác động hệ enzyme amylase gồm α – amylase, β – amylase amilophosphatase Sự thủy phân tinh bột tóm tắt: Tinh bột  dextrin  maltose Các phản ứng thủy phân enzyme biến hợp chất cao phân tử thành chất phân tử lượng thấp hơn: phân cắt amylose, amylopectin dextrin bậc cao thành đường đơn giản, dextrin bậc thấp dễ hịa tan nước Q trình thủy phân tinh bột malt diễn theo ba giai đoạn: hồ hóa, dịch hóa đường hóa α – amylase, β – amylase Tinh bột - maltose + dextrin + đường đơn Sự thủy phân β – glucan enzyme β – 1,4 – glucanase 57 Khảo sát QTCN sản xuất bia tươi chất lượng cao toopt = 37 – 45oC pHopt = 4.7 – 4.8 Sự thủy phân số hợp chất hữu acid photphoric - (phytate) tạo sản phẩm H3PO4, tạo thành dạng đệm phosphate giúp ổn định pH dịch nha Nhiệt độ tối thích α – amylase q trình đường hóa 70 – 75 oC, β – amylase thể tính hoạt động mạnh 60 – 65 oC, amilophosphatase 70oC Tuy nhiên, nhiệt độ cịn phụ thuộc vào pH mơi trường đường hóa [4] Thủy phân protein - Sự phân giải protein tác động enzyme protease diễn theo trình tự sau: Protein  albumose  polypeptide  peptone acid amin Sản phẩm thủy phân protein chiếm hàm lượng nhỏ chất hòa tan (khoảng – 6%), quan trọng q trình cơng nghệ, trực tiếp tham vào hình thành chất lượng bia Trước hết, sản phẩm thủy phân protein có phân tử lượng thấp (như peptide acid amin) nguồn cung cấp nitơ chủ yếu cho nấm men, sản phẩm có phân tử lượng trung bình (như albumose, peptone, polypeptide) tham gia vào việc tạo vị, bọt giúp cho bia có khả giữ bền bọt Tuy nhiên, sản phẩm có phân tử lượng cao thường nguyên nhân dẫn đến tượng đục bia Một phần nitơ hòa tan sau đường hóa q trình cơng nghệ sau đun sôi với bia, làm nguội,… bị kết tủa thải bỏ, phần khác lại dung dịch đường trạng thái hòa tan sau đun sơi nhiệt độ cao Đây phần protein hòa tan bễn vững nhất, phần khác sau trình lại bị kết tủa Xúc tác cho thủy phân protein hai thành phần chủ yếu protease: proteinase peptidase  Proteinase thủy phân protein đến albumose polypeptide, vùng nhiệt độ tối thích điều kiện đạm hóa 50 – 60 oC Ở nhiệt độ 50oC tạo nên nhiều sản phẩm bậc thấp pepton, polypeptide (nhiệt độ pepton hóa) Nhiệt độ 60oC thích hợp cho hình thành sản phẩm bậc trung hòa tan thường dạng albumose, pHopt = 4.6- 5.0 58 Khảo sát QTCN sản xuất bia tươi chất lượng cao Peptidase thủy phân peptide đến acid amin, enzyme  chịu nhiệt nên sấy malt hầu hết chúng bị phá hủy, điều kiện đường hóa topt = 45 – 48oC, pHopt = 7.5 – 8.0 Nếu yêu cầu kỹ thuật cần nhiều sản phẩm thủy phân protein bậc thấp, ta cần phải tiến hành khoảng thời gian dừng to = 48 – 50oC Nếu yêu cầu kỹ thuật cần nhiều albumose khoảng dừng tiến hành t oC = 58 – 60oC, bia sánh hơn, khả tạo bọt tốt hơn, số protein bậc cao theo nên thường gây đục keo cho bia (do chúng dễ thay đổi điều kiện kỹ thuật thay đổi dẫn đến kết tủa) Sinh học : tiêu diệt số vi sinh vật có nguyên liệu o 2.3.3 Các yếu tố ảnh hường q trình đường hóa Sự hoạt hóa tham gia phân cắt hợp chất hữu cao phân tử malt hoàn toàn phụ thuộc vào số lượng chất lượng hệ enzym có malt Hoạt động hệ enzym chịu ảnh hưởng yếu tố khách quan o Nhiệt độ : enzym có nhiệt độ tối ưu riêng, tức nhiệt độ enzym thể hoạt tính mạnh Thơng thường, q trình đường hóa, nhiệt độ tối ưu enzym không trùng với nhiệt độ môi trường Do việc điều chỉnh, thay đổi nhiệt độ đường hóa biện pháp quan trọng hữu hiệu giúp ta điều khiển trình thủy phân enzym Trong quy trình cơng nghệ, ta cần thiết lập chế độ nhiệt độ thích hợp cho q trình đường hóa, tức thích hợp cho số hệ thống enzym quan trọng để đạt hiệu suất chất lượng dịch đường hóa yêu cầu Muốn ta cần lưu ý đến “điểm dừng” cần thiết cho trình thủy phân sâu xa, nhằm tạo nhiều chất hòa tan mà yêu cầu kỹ thuật đòi hỏi Đối với bia vàng, yêu cầu dịch đường hóa phải có mức độ thủy phân sâu xa hơn, nghĩa hàm lượng đường lên men nhiều hơn, hàm lượng đường khơng lên men bia đen Đồng thời dịch đường bia vàng hàm lượng phân tử chứa nitơ dạng trung cao phân tử bia đen o pH mơi trường đường hóa : độ pH mơi trường (dao động từ – 7) thường cao pH tối ưu hệ thống enzym (thường 5,3 – 5,6) Độ acid môi trường thấp thường làm châm q trình hoạt hóa enzym, làm giảm hiệu suất chất hòa tan, dịch đường bị đục khó lọc làm cho sản phẩm bia có màu sẫm vị đắng khó chịu 59 Khảo sát QTCN sản xuất bia tươi chất lượng cao Vì ta phải điều chỉnh pH phương pháp nhân tạo, dùng nước mềm để nấu axit hóa mơi trường axit lactic Tuy nhiên chất lượng nước tốt, malt tốt khơng cần hiệu chỉnh pH o Nồng độ dịch đường hóa : giới hạn định, dịch đường cao kìm hãm trình enzym (trừ enzym protease) Nếu nồng độ 16% trình enzym bị đình trệ, enzym  - amlylase Trong sản xuất, nồng độ dịch đường thường điều chỉnh nhờ thay đổi khối lượng nước trộn với bột malt Thông thường 100kg bột dùng sản xuất bia vàng cần khoảng hl nước, bia đen hl o Các yếu tố khác : chất nước cơng nghệ dùng q trình đường hóa; chủng loại, hoạt tính hàm lượng chế phẩm enzym sử dụng; cấu trúc, kích thước hạt nguyên liệu; cường độ khuấy trộn; thời gian đường hóa 2.3.4 o Phương pháp thực Malt dùng cho mẻ nấu malt vàng có xuất xứ từ Đức, khối lượng sử dụng 200kg, lượng nước hl o Nước dùng để nấu bia bơm vào nồi nấu Cấp nhiệt cho nồi nấu để gia nhiệt nước lên 40oC Điều chỉnh pH nước pH = 5,4 – 5,6 acid lactic Độ pH nước đo máy đo pH o Malt sau nghiền ướt cho vào nồi nấu, cánh khuấy nồi nấu bắt đầu hoạt động để hòa trộn malt vào nước, phối trộn khoảng phút Tỉ lệ bột : nước 1:4, q khơng đủ hịa tan bột với nước, làm giảm khả tiếp xúc bột với nước, giảm hiệu suất đường hóa; nước nhiều tốn thời gian để gia nhiệt, giảm tính kinh tế o Nâng nhiệt độ nồi nấu lên 50oC 15 phút giữ nhiệt 10 phút Trong giai đọan này, enzym protease thủy phân protein thành polypeptit, peptid, axitamin nguồn dinh dưỡng cho nấm men trình lên men Thời gian đạm hóa khơng nên kéo dài cần phải lại lượng protein định cần thiết cho tạo độ bền bọt cho sản phẩm bia o Tiếp tục nâng nhỉệt khối nấu lên 65oC vòng 10 phút giữ nhiệt ổn định 25 phút Tại nhiệt độ này, enzym -amylase hoạt động mạnh thủy 60