Công nghệ sản xuất bia

Công nghệ sản xuất bia  Bia là một loại đồ uống phổ biến có độ cồn thấp, giàu dinh dưỡng.  Bia được sản xuất từ các loại nguyên liệu chính là đại mạch nảy mầm (malt), hoa houblon và nước.  Qui trình công nghệ khá đặc biệt, tạo cho bia có tính cảm quan rất hấp dẫn:  Hương thơm đặc trưng, vị đắng dịu, lớp bọt trắng mịn,  Với hàm lượng CO2 khá cao (4-5g/l) giúp cơ thể giải khát một cách triệt để khi uống. Các nguyên liệu sản xuất bia  Nước.  Malt (đại mạch nẩy mầm).  Hoa Houblon.  Nguyên liệu thay thế (thế liệu).  Các enzym điều chế bổ sung. Cấu tạo hạt đại mạch Cánh đồng đại mạch 1. Malt đại mạch - Là nguyên liệu rất quan trọng trong sản xuất bia. - Là sản phẩm được chế biến từ hạt đại mạch sau khi cho nảy mầm ở điều kiện nhân tạo và sấy đến độ ẩm nhất định. - Nhiệt độ cần bảo quản ≤ 300C. Thời hạn tối đa có thể bảo quản: 2 năm. Sản xuất malt  Rửa hạt đại mạch Hạt đại mạch sau khi thu hoạch được làm sạch và sấy khô để bảo quản trước khi chế biến. Ẩm độ hạt phải đạt từ 10-12%.  Ngâm hạt Mục đích hạt hút nước cho đủ độ ẩm 40-44% trước khi đem ủ để hạt nẩy mầm. Sản xuất malt  Ươm mầm  Mục đích : tích lũy và làm giàu hệ enzym có trong đại mạch.  Yếu tố ảnh hưởng đến sự nẩy mầm  Nhiệt độ 14-160C (malt vàng) 17-180C (malt đen)  Sự thông thoáng  Độ ẩm  Thời gian ươm mầm 75% hạt có chiều dài rễ bằng 1,5-2 lần chiều dài hạt 75% hạt có chiều dài mầm bằng 2/3-3/4 lần chiều dài hạt Sản xuất malt  Sấy malt: Mục đích của quá trình sấy là chấm dứt sự phát triển của rễ mầm và chồi mầm giúp bảo quản malt được lâu, duy trì hoạt tính của các enzym và điều chỉnh quá trình tạo các chất thơm chất màu thích hợp cho các loại bia sản xuất sau này  Yêu cầu kỹ thuật sấy Thời gian và nhiệt độ sấy khác nhau được áp dụng để tạo ra các màu malt khác nhau từ cùng một loại ngũ cốc. Các loại malt sậm màu hơn sẽ sản xuất ra bia sẫm màu hơn. Sản xuất malt  Chế độ sấy  Malt tươi sau đó phải được sấy khô nhanh trong vòng 24 giờ ở nhiệt độ 850 C (malt vàng) hoặc 48 giờ ở 1050C (malt đen).  Chất lượng malt  Chế độ sấy hạt phải đảm bảo không làm thay đổi thành phần hóa học của hạt và không tổn hại đến các enzym trong malt .  Ẩm độ malt sau khi sấy là 3-4%.  Malt sau khi sấy phải được tách rễ mầm và chồi mầm trước khi bảo quản. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng malt Màu sắc malt ảnh hưởng đến màu sắc của bia thành phẩm Hệ enzym có trong đại mạch - Hệ enzym amylase (α,β –amylase, amylophosphatase) để thủy phân tinh bột. Amylophosphatase được hình thành sau 2-3 ngày đầu của quá trình nảy mầm. - Hệ enzym sitase (nhóm sitoplastase, nhóm sitase) thủy phân hemicellulose, phá vỡ màng ngăn cách vỏ hạt và nội nhũ, cung cấp thức ăn cho mầm sống và phát triển. - Hệ enzym protease: thủy phân các protid, hoạt tính cực đại sau ngày thứ 5 của quá trình nảy mầm,tạo ra các chất chứa nitơ hòa tan và sản phẩm cuối cùng là các acid amin, NH3. - Hoạt lực của protease trong đại mạch là không đáng kể nhưng đến giai đoạn ươm mầm nó tăng lên rất nhiều lần. - Sự thủy phân protein bắt đầu bằng hoạt động của proteinase và protein đại phân tử bị cắt thành pepton, sau đó chuyển thành polypeptid nhỏ hơn. Hệ enzym có trong đại mạch Hệ enzym có trong đại mạch Hệ enzym esterase. Enzym oxyde synthase và hydroperoxy delyase -Tạo ra hương vị không mong muốn cho bia. -Để giải quyết vấn đề này,trong quá trình sản xuất người ta sử dụng protein LTP - là protein vận chuyển lipid nhằm giảm bớt những hương vị khó chịu và tạo bọt cho bia thành phẩm. 2. Thế liệu: Gạo - Dùng để thay thế một phần lúa mạch. - Có thể sử dụng dưới 2 hình thức: dùng trực tiếp chế biến lẫn với bột malt, dùng thóc ươm mầm. - Gạo có hàm lượng tinh bột khá cao, protein ở mức vừa phải, cellulose ở giới hạn thấp là các yếu tố lý tưởng cho việc sản xuất bia. - Bảo quản ở nhiệt độ ≤ 300C, độ ẩm ≤ 12%. Chỉ tiêu đánh giá chất lượng gạo: 3. Hoa houblon -Dạng chế phẩm: dạng viên và dạng cao hoa. -Thành phần hóa học: Chất đắng: tạo vị đắng dịu, tạo sức căng bề mặt giúp bia giữ bọt tốt, ức chế sự phát triển của vi sinh vật. Tinh dầu thơm: tạo mùi thơm đặc trưng (terpen, rượu, ceton, aldehyt, este và acid, hydrocacbon (75%)) Polyphenol: kết lắng và loại bỏ hợp chất protit cao phân tử ra khỏi dịch đường, ổn định thành phần và tăng độ bền keo của bia thành phẩm. Hoa houblon dạng viên Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng houblon 4. Nước  Là thành phần cơ bản trong quá trình sản xuất bia.  Chiếm 77-90% trọng lượng bia thành phẩm.  Dùng trong quá trình trộn, nấu, đường hóa và pha loãng dịch lên men, rửa nấm men, vệ sinh thiết bị…  Thành phần của nước ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng bia thành phẩm. Chất lượng nước dùng chế biến bia Không cóVi sinh vật gây bệnh <100 tế bào/mlVi sinh vật Không cóCác kim loại nặng 150-200 mg/lHàm lượng CaSO4 <75-150mg/lHàm lương muối Cl <80mg/lHàm lượng muối Mg <100 mg/lHàm lượng muối Ca 6.5-7Độ pH Nước được sử dụng phải là nước mềm,độ cứng tạm thời <=7mg đương lượng / lít Độ cứng không mùi,không có vi lạ,không chứa các chất gây mùi khó chịu như:H2S,Cl2,NH3… Mùi trongMàu sắc 5. Nấm men: - Thuộc Saccharomyces. Trong sản xuất bia, người ta sử dụng cả nấm lên men nổi (Saccharomyces cerevisiae) và nấm men chìm (Saccharomyces carsbergensis, S. uvanium). 6. Các chất phụ gia - H2SO4 đậm đặc: điều chỉnh pH của dịch đường, giúp quá trình lắng và lọc nhanh hơn. - CaCl2: tăng khả năng chịu nhiệt, giúp trao đổi chất của nấm men trong tổng hợp protein, tăng độ bền tàng trữ bia, chống đục bia, tạo điều kiện thuận lợi để các enzyme hoạt động trong quá trình lên men. - Formol công nghiệp 10%: tăng khả năng kháng khuẩn của bia, làm kết tủa tannin và althocyanin có trong vỏ malt tránh làm đục bia. - Caramel: dùng trong giai đoạn đầu của nồi nấu hoa houblon, tạo màu vàng cho bia, tăng độ đường của nước nha. - ZnCl2: thúc đẩy quá trình lên men. - Các chất trợ lọc: lọc trong dịch đường, lọc bia sau lên men, được tạo từ rong biển, xương động vật. - Các chất chống oxi hóa (acid ascorbic, collupulin): phân hủy những chất có phân tử lượng cao trong bia (chủ yếu là protit) để hạn chế hiện tượng đục bia. - Hóa chất dùng trong công nghiệp (HCl, NaOH, nước Clo…): thanh trùng - Acid lactic: tạo pH cho dung dịch. - Diatomit: dùng lọc cặn khô. - Maturex: rút ngắn thời gian lên men phụ và hạn chế tạo diacetyl. - PVPP: hấp phụ polyphenol tăng cường độ trong của bia. - Nhựa trao đổi ion: làm sạch nước. - Than hoạt tính: làm sạch nước và CO2. Enzym điều chế dùng trong chế biến bia Enzym protease: Papain (EC: 3.4.22.2) - Là một endoprotease, có khả năng thủy phân sâu, chịu nhiệt tương đối cao. pH hoạt động 5-9. Papain thô hoạt tính cao hơn papain tinh khiết. Bị bất hoạt do tác nhân oxyd hóa. - Sử dụng papain để giảm keo Haze. Haze là dạng sương mà của bia, do sự kết hợp của polypeptit và tanin xảy ra khi bia được làm lạnh đến dưới 10 0C. Ưu điểm của việc sử dụng enzym protease vào quá trình sản xuất bia * Tăng tỉ lệ nguyên liệu thay thế (gạo) so với trước đây (từ 30% lên 50%). Hiệu suất trích ly nguyên liệu tăng từ 1-2%. * Giảm thời gian lên men chính 1 ngày do nấm men phát triển mạnh, đạt hiệu suất lên men cao. Do vậy, tiết kiệm được chi phí điện lạnh cho quá trình sản xuất. * Giống nấm men kết lắng tốt cho hiệu suất thu hồi tăng 2,5%. * Bia thành phẩm đạt các chỉ tiêu hoá lý qui định, hương thơm, vị đậm đà, độ tạo bọt tốt hơn so với bia sử dụng 30% gạo thay thế mà không sử dụng enzym. Nhóm enzym thủy phân carbohydrate Termamyl  Termamyl là tên thương mại của enzym thuộc nhóm enzym α –amylase là chế phẩm enzym có dạng lỏng. Có nguồn gốc từ vi khuẩn, chịu nhiệt (105-110 0C).  Trong quá trình nấu bia, giúp dịch hoá tinh bột trước khi lên men, đơn giản hoá qui trình công nghệ Nhóm enzym thủy phân carbohydrate α- amylase (fungamyl):  Trong sản xuất bia, enzym được ứng dụng trong quá trình lên men bia để gia tăng hệ thống lên men của mạch nha.  Độ lên men trong bia có thể gia tăng 2-5%. Nhóm enzym thủy phân carbohydrate Pullulanase:  Thuỷ phân liên kết α -1,6.  Cơ chất pullulane có nhiều trong bột mì.  Pullulanase kết hợp với α-amylase thuỷ phân hèm bia dextrin thành đường lên men. II. QUY TRÌNH SẢN XUẤT Công nghệ sản xuất bia Nấu malt (90- 1000C). Nấu gạo Phối hợp hỗn hợp malt – gạo Để lắng (lọc bỏ xác hoa Hublon) Nước gạo –malt nấu 600C+ hoa Hublon (15- 20g/10 lít) Hạ bằng nhiệt độ lên men nhiệt độ Ép –lọc (lọc ép khung bản) Lên men chính (5 ngày ở 80C) Lên men phụ (10 ngày ở 40C) tạo hương, tạo bọt, lắng trong Đóng thùng (bia hơi) Vô chai ( bia chai , bia lon) Thanh trùng 700C Dán nhãn, vào két Thành Phẩm Giai đoạn 1 Chuẩn bị malt Giai đọan 2:Chuẩn bị dịch lên men Giai đọan 3: lên men Giai đọan 4: thành phẩm bảo quản Sản xuất dịch lên men  1. Nghiền, xay malt thế liệu Mục đích : Tạo điều kiện tăng tốc quá trình đường hóa, giúp thu nhiều chất hòa tan. Yêu cầu:  Nội nhũ càng mịn càng tốt và nằm nhiều trong vỏ.  Vỏ trấu càng nguyên vẹn càng tốt tránh sự hòa tan tanin, chất đắng vào dung dịch sẽ tạo màu, vị không tốt cho nước nha. Vỏ trấu nghiền quá nhỏ sẽ ảnh hưởng đến quá trình lọc sau này. Sản xuất dịch lên men 2. Ngâm  Trộn bột với nước nóng nhằm tạo hỗn hợp đồng nhất  Tỷ lệ : 1kg bột malt /4-5 lít nước 1kg bột thế liệu /1,5-2 lít nước Nhiệt độ trộn 35-380C Nấu (Đường hóa)  Malt và thế liệu có thể được nấu ở hai nồi khác nhau (nồi cháo và nồi malt)  Chế độ nấu cũng khác nhau.  Sau đó hòa chung toàn bộ khối hồ malt.  Số lần đun sôi là số lần đun sôi ở nồi đường hóa. Nấu (Đường hóa)  Nhiệt độ dùng để nấu được thay đổi dần nhằm đảm bảo cho các enzym amylase và protease hoạt động.  Thực chất quá trình này là quá trình thủy phân tinh bột và potein.  Sản phẩm thu được là maltose, acid amin và các sản phẩm trung gian. Đường hóa  Khi nâng nhiệt độ khối dịch malt tới 48-52oC, giữ trong thời gian thích hợp để tạo điều kiện cho phitase, protease hoạt động.  Các sản phẩm protein thủy phân phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ.  Khi giữ ở 50oC và pH= 5,6-5,9 là điều kiện thuận lợi cho sự tạo thành các hợp chất protein có phân tử lượng thấp.  Quá trình này được gọi là pepton hóa. Đường hóa  Sau khi đã pepton hóa khối dịch malt và khối dịch hồ đã làm loãng, được giữ ở 63-68oC là nhiệt độ tối ưu cho β-amylasea có hoạt lực tối đa. Một lượng lớn maltose được tạo thành cùng với một lượng nhỏ dextrin.  Sau đó đưa nhiệt độ tới 70-75oC là khoảng nhiệt độ tối ưu của α – Amylase: quá trình thủy phân xảy ra nhanh hơn, nhưng sản phẩm phần lớn là dextrin. Nhiệt độ cao tới 78oC: α – Amylase mất hoạt tính. Lọc cháo  Mục đích  Tách phần lỏng (dịch đường) ra khỏi phần bã là phần không bị hòa tan (vỏ trấu)  Thiết bị lọc : Máy lọc ép khung bản, thùng lọc.  Quá trình lọc gồm 2 giai đoạn  Giai đoạn đầu : thu nước nha (mout)  Giai đoạn sau: rửa bã bằng nước mềm, nóng ở 750C, thu nước mout lần 2. Đun sôi dịch đường với hoa houblon (quá trình houblon hóa):  Mục đích của quá trình là ổn định thành phần dịch đường, truyền cho bia mùi và vị của hoa houblon, keo tụ các protein, vô hoạt enzym và thanh trùng dịch đường.  Trong quá trình phải đảm bảo không để nhiệt độ của dịch đường hạ xuống dưới 70 0C để tránh oxygen của không khí tiếp xúc với dịch đường xảy ra các phản ứng oxy hóa làm giảm chất lượng của bia.  Sau khi nấu xong người ta lọc bỏ hoa houblon để lắng, loại bỏ những phần không tan. Phần dịch trong phải được làm lạnh nhanh để chuyển qua thùng lên men Làm lạnh dịch lên men  Mục đích đưa dịch đường (nước mout) về nhiệt độ thích hợp cho quá trình lên men. Tạo điều kiện để kết tủa, lắng những chất hữu cơ kém chịu nhiệt . - Sau quá trình lắng trong nước nha phải được làm lạnh nhanh để nhiệt độ giảm xuống còn 7- 8 0C. - Nhiệt độ thích hợp cho quá trình lên men chìm là 5-6 0C và lên men nổi là 14-16 0C. - Sục khí : Đồng thời với việc làm lạnh người ta sục không khí đã xử lý vào để tăng nồng độ oxy cần thiết cho tế bào nấm men sống và phát triển, đặc biệt là trong giai đoạn đầu của quá trình lên men * Quá trình lên men chính - Là quá trình chuyển hóa các chất đường và dextrin phân tử thấp trong nước nha thành C2H5OH, CO2 và một số chất hữu cơ khác nhờ tác dụng của nấm men. C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 + Q - Các sản phẩm phụ (các este, acid hữu cơ, rượu bậc cao, aldehyde, glycerin…) đi vào thành phần hòa tan của dịch lên men. - Một số thành phần hòa tan đã bị kết tủa và lắng dần xuống cùng với sinh khối của nấm men. - Sau khi cấy giống vào nước nha ta bắt đầu tính thời gian lên men. Có thể chia quá trình lên men làm 4 giai đoạn: Lên men  Gđ 1 (khoảng 2 ngày đầu): nấm men nẩy chồi, phát triển mạnh dần và sinh khối đạt cực đại ở cuối ngày thứ hai.  Gđ 2 (2 ngày kế tiếp) sự lên men chuyển từ kiểu lên men hiếu khí (để tăng sinh khối nấm men) sang lên men kỵ khí (để tạo CO2 và ethanol)  Gđ 3 (2 ÷ 3 ngày tiếp theo) thời kỳ lên men mạnh nhất.  Gđ 4 (1 ÷ 2 ngày cuối cùng) cường độ lên men yếu dần) sinh khối nấm men tăng cùng với các thành phần keo tụ của protein, tanin, nhựa đắng hoa houblon… lắng dần xuống đáy thùng lên men.  Mục đích: - Tiếp tục lên men phần chất khô còn sót lại sau lên men chính, - Bão hòa CO2 tạo bọt cho bia - Tăng cường mùi vị cho bia, thực hiện quá trình ủ chín của bia (ổn định chất lượng bia). - Làm trong bia. Đưa bia về nhiệt độ thấp để hạn chế sự xâm nhập và phá hủy của vi sinh vật. Thời gian lên men phụ và tồn trữ: 15 ÷ 35 ngày. Quá trình lên men phụ * Lọc: Mục đích: làm cho bia có độ sáng đúng yêu cầu chất lượng, ổn định và tăng độ bền sinh học, hóa học của bia. - Bia sau khi lọc không mất CO2 đạt độ trong sáng, không bị nhiễm vi sinh vật, không bị loãng bởi nước lọc, không bị oxy hóa. Lọc qua 3 cấp:  Lọc cấp 1 (lọc trong)  Lọc cấp 2 (lọc ổn định)  Lọc chỉ * Lưu trữ Mục đích: là nơi dự trữ bia đã lọc, bia bán thành phẩm, làm chín mùi bia, ổn định về chất lượng, đưa về nhiệt độ thấp để tránh sự xâm nhập của vi sinh vật. Tank chứa Chiết chai  Mục đích  Thuận tiên cho việc phân phối và sử dụng  Các dạng chiết:  Bia hơi : tiêu thụ trong ngày  Bia chai: tiêu thụ từ 3 tháng đến một năm  Bia lon : tiêu thụ tối đa đến một năm  Nguyên lý chiết:  Bia được chiết trong hệ thống kín theo nguyên tắc đẳng áp.  Hạn chế thấp nhất sự xáo trộn bia, sự hao hụt CO2, sự xâm nhập của oxy không khí vào sản phẩm. Thanh trùng  Mục đích : đình chỉ sự hoạt động của nấm men, tiêu diệt vi sinh vật còn sót trong bia  Phương pháp thanh trùng Thanh trùng Pasteur - Bia được hấp trong nước nóng 60-800C - Thời gian : 15- 20 phút - Thanh trùng tấm mỏng Thanh trùng Thanh trùng tấm mỏng  Bia được chảy liên tục thành lớp mỏng qua các tấm thanh trùng có nhiệt độ 60-700C trong 45-50 giây.  Sau đó bia được làm lạnh đến 0 0 C ngay trong thiết bị thanh trùng . Ưu điểm của phương pháp:  Tiêu diệt được hết VSV trong thời gian ngắn không ảnh hưởng đến chất lượng bia. IV. CÁC SẢN PHẨM PHỤ VÀ YÊU CẦU THÀNH PHẨM 1.Các sản phẩm phụ  Bã hèm: Thu từ quá trình lọc, được dùng làm thức ăn gia súc.  Cặn men: Thu từ quá trình lên men chính, bã men được ép thành bánh làm thức ăn gia súc.  Cacbon dioxide (CO2): Thu hồi từ quá trình lên men chính, được sử dụng cho quá trình lên men phụ, chiết chai hay đem bán. 2. Các chỉ tiêu cần xét khi thành phẩm.  Hàm lượng CO2 (g/l)  Hàm lượng diacetyl (tiêu chuẩn cho phép < 0,1 mg/l).  Độ đục  Độ hòa tan biểu kiến, độ cồn, hàm lượng đường sót, độ đường nguyên thuỷ.  Đo độ màu (EBC)  Đo pH