Glucoam ylase trong giai đoạn nấu malt

Nếu lượng dextrin không lên men còn lại quá cao thì cần phải b á sung th êm glucoamylase ngoại sinh vào giai đoạn nấu m alt để ph ân cắt các liên k ết a-l,6-glycosiđe trong phân tử oligosaccharide, nhờ đó làm tăn g thêm lượng đường có khả năng lên men trong dịch nha. Do glucoamylase chỉ có tác dụng đối với

các oligosaccharide dài tối đa 10-15 đơn vị glucose, vì vậy enzyme này không ngăn được hiện tượng vẩn dục gây ra bởi sự thoái hóa amylose và amylopectin là những th àn h phần có khối lượng phân tử lớn.

4.3. S ử d ụ n g e n z y m e đ ể c ả i t h iệ n q u á tr ìn h s ả n x u ấ t 4.3.1. Lên m en bìa có sử dụng th ế liệu

Trong sản xuất bia người ta có th ể thay th ế một phần m alt đại mạch bằng các nguồn tinh bột khác như bắp, gạo vì lý do kinh tế hoặc tạo ra loại bia có hương vị nhẹ hơn. Khi tỷ lệ th ế liệu sử dụng cao, trước giai đoạn nấu m alt, có th ể cần thêm một bước xử lỷ nguyên liệu với các enzyme ngoại sinh. Do enzyme amylase chịu n h iệt có độ bền cao hơn so với amylase nội sinh trong m ait, nên quá trìn h dịch hóa xảy ra dễ dàng hơn, thời gian sản xuất ngẩn với hiệu quả cao hơn. Thông thường nhà sản xuất có th ể dùng lúa mạch dể thay th ế với tỷ lệ 10-20% (trong trường hợp sử dụng m alt chất lượng tốt). Nếu tỷ lệ lúa mạch thay th ế vượt quá 30%, quá trìn h sản xuất sẽ trở nên khó khăn hơn và n h à sần xuất buộc phải bổ sung thêm nguồn enzyme từ bên ngoài (ngoài a-amylase có th ể phải sử dụng thêm cả p-glucanase và endo-peptidase). Một số nguồn tinh bột khác cũng được sử dụng để thay thê một phần m alt đại mạch với vai trò cung câp carbohydrate. Việc sử dụng a-amylase vi khuẩn bền n h iệ t cũng tạo điều kiện để quá trìn h nấu có thể thực hiện ở n h iệt độ cao hơn, cần th iế t cho quá trìn h dịch hóa một số nguồn tin h bột như gạo, bắp...

Trong quy trìn h công nghệ sản xuất bia sử dụng nhiều loại th ế liệu n hư gạo, bắp, lúa miến, giai đoạn nấu các nguyên liệu này cần p hải được thực hiện riêng, do n h iệt độ nấu có thể iên tới 108°c. Trong trường hợp này, amylase trong m alt không còn phù hợp m à phải sử dụng amylase chịu n h iệ t của vi khuẩn. Trong trường hợp nấu chung với malt, th ế liệu cần phải được hồ hóa trước và sử dụng thêm a-amyiase vi khuẩn (không bền n hiệt) để bảo đảm dịch m alt không còn lẫn tin h bột. Enzyme sẽ thủy ph ân tin h bột trong cả th ế liệu, trong m alt và chuyển

chúng th à n h những đoạn dextrin hòa tan. H oạt động của enzyme sẽ hỗ trợ thêm cho hoạt động của a-am ylase và p- amylase có sẵn trong m alt đại mạch.

Sự hiện diện cửa ion Ca2+ (nồng độ 200ppm) là r ấ t quan trọ ng khi dùng a-amylase không bền nhiệt, đặc b iệ t k h i quá trìn h thủy phân xảy ra ở n h iệt độ cao. Enzyme sẽ bị b ấ t h oạt ở 100°c trong 1-20 phút. Trong thực tế, t ấ t cả các enzyme phải bị tiêu diệt trong giai đoạn nấu sôi địch nha,

T hế liệu cũng có th ể là các dung địch xi-rô từ dường mía hay củ cải đường, xi-rô maltose từ tin h bột bắp với th à n h phần đường gần giống với dịch n h a - loại th ế liệu r ấ t phổ biến tạ i Anh, Nam Phi và một số nước Châu Á. Loại xi-rô này được tạo ra trong các nhà máy chế biến tin h bột, sử dụng các enzyme công nghiệp hiệu đại như a-am ylase chịu n h iệ t từ vi khuẩn, pullulanase, p-amylase chiết tách từ m alt đại m ạch. B ằng cách sử dụng các loại enzyme (có th ể sừ dụng th êm a-am ylase từ nấm mốc và glucoamylase) và diều chỉnh các diều kiện ph ản ứng khác nhau, sản phẩm của các nhà m áy chế biến tin h bột hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu eủa các n h à s ả n xuất bia, cả về th àn h phần lẫn giá của sản phẩm;

4.3.2. Quá trình nấu malt cải tiến

Protease

Các protease nội sinh (endo lẫn exo) đều không bều với nhiệt độ, trừ carboxyl-peptidase có phần ít nhạy cảm hơn. Các protease (và cả P- glucanase) sẽ bị bất hoạt nhanh chóng ở 63-€6°C. Trong bước dìtog nhiệt cho protein (30 phút & 40-50°C), protease làm giảm kích thước các protein có phân tử iượag lốn là những protein gây hiện tượng kém bền bọt và dục sản phẩm. Các endo-protease chịu trách nhiệm phân cắt các phân tử protein thành những chuỗi peptiđe dơn gtói\ thủy phân các globulin khòng tan và các albumin đã hòa tan trong dịch nha thành những polypeptide có độ dài trung bình. Giảm nồng dộ globulin và albumin sẽ giúp giâm bớt nguy cơ vẩn đục sân phẩm (gây ra bởi phức protein và polyphenol từ vô malt và hoa bia). Các polypeptide mạch trung binh mặc dù khống' có vai trò (tinh dưỡng đối với nấm. men 74

nhưng lại giúp làm bền bọt cho bia thành phẩm. Một số nhà sản xuất bia thường giới hạn thời gian dừng nhiệt protein nhằm làm tăng chất lượng bọt bia. Đã có nhiều loại endopeptidase dược sử dụng, trong đó enzyme từ Bacillus amyloUquefaciens có hoạt tính protease phù hợp cho giai đoạn sản xuất này.

P u lỉu la n a se

P-Amylase (1,4-a-D-glucan maltohydrolase, E .c. 3.2.1.2) là một exo-enzyme cắt liên kết a-l,4-glucoside trong phân tử tinh bột, tạo ra maltose và các p-đextrin giới hạn. Các dextrin này. tồn tại trong dịch nha trong suốt quá trình lên men VI chúng là loại đường không lên men. Enzyme nội sinh có thể thủy phân các dextrin này là dextrinase (dextrin a-1,6-glucanohydrolase, E.c. 3.2.1.142) không bền nhiệt nên sẽ bị bất hoạt trong giai đoạn nấu malt. Pullulanase (pullulan 6-glucanohydrolase, E .c. 3.2.1.41) là enzyme thủy phân liên kết a-l,6-g]ycoside trong các polysaccharide phân nhánh (như amylopectin). Trong hoạt động xúc tác của mình, enzyme này đòi hỏi phải có ít nhất hai gốc a- 1,4-glucose bên cạnh liên kết a-1,6, vì th ế sản phẩm cuối cùng của phản ứng là dường maltose. Hoạt tính và độ bền của enzyme sử dụng phải phù hợp với điều kiện của quá trình nấu malt, vì th ế không phải tấ t cả pullulanase dùng trong ngành công nghiệp chế biến tinh bột đều thích hợp để sử dụng trong sản xuất bia.

Phytase

Là enzyme sử dụng trong bưđc dừng acid (trong các quá trìn h nấu m alt truyền thống để sản xuất bia lager), giúp giảm pH trong giai đoạn đầu của quá trình nấu maỉt. Phytase của m alt đại mạch thường hoạt động ỗ 30-53°C, có tác dụng phân cắt phytin (một hợp chất phosphate hữu cơ chứa cả calcium và magnesium) không tan th àn h acid phytic. Phản ứng sẽ giải phóng ion H+, quá trìn h này sẽ hiệu quả hơn nếu sử dụng thêm enzyme phytase chịu nhiệt nguồn gốc vi khuẩn. Các loại m alt đã biến đổi thường chứa ít phytase nội sinh do nhiệt độ quá trình sấy m alt cao, vì th ế giai đoạn acid hóa phụ thuộc nhiều vào phytase ngoại sinh. Tuy nhiên, độ acid của những loại m alt được sấy ở nhiệt độ cao thường đã đủ

thấp để có thể tạo ra một giá trị pH phù hợp cho. quá trìn h nấu malt mà không cần thực hiện giai đoạn acid hóa.

D iastaselP-Am ylaae

Phương pháp hiệu quả n hất để tăng hoạt tính enzyme của malt là thêm dịch chiết enzyme từ malt. Nồng độ của các loại enzyme trong dịch chiết thay đổi và phụ thuộc vào loại m alt và quá trình chiết tách. Vì lý do kinh tế, dịch chiết m alt chỉ được bổ sung thêm trong trường hợp sử dụng m alt chất lượng thấp và nên sử dụng enzyme từ vi khuẩn trong quá trìn h sản xuất bia.

4.3.3. T ă n g th ờ i g ia n b ả o q u ả n cho s ả n p h ẩ m

Trong suốt quá trìn h lên men, nấm men đã sử dụng h ết lượng oxy hòa tan nên trong các giai đoạn tiếp theo, trong bồn lên men chỉ chứa toàn khí CO2. Nềng độ oxy trong bia thường dưới 200ppm. Sau giai đoạn đóng gói, nồng độ oxy có thể dao động trong khoảng từ dưới 500ppm đến lOOOppm. Sự h iện diệu của một lượng nhỏ oxy và polyphenol như delphinitin (hoạt dộng như một chất tiền oxy hóa) sẽ dẫn tới việc tạo ra các aldehyde dễ bay hơi và làm bia có mùi ôi, cũ. Các chất chống oxy hóa như sulfite, acid ascorbic và catechin có th ể giúp bảo vệ bìa khỏi hiện tượng hư hỏng này.

Nhiều chất chống oxy hóa như vitamin c đã được sử dụng để loại bỏ oxy hoặc h ạn chế ảnh hưởng của chúng. Ở nồng độ l,5g/l.h, vitam in c giúp làm giảm hiện tượng vẩn đục do oxy hóa và làm giảm lượng oxy hòa tan. Quá trìn h khử các hợp chất chứa sulfur cũng làm giảm hiện tượng đục sản phẩm. Sodium hyposulflte cũng có tác dụng n h ấ t định khi sử dụng ở nồng độ 20ppm. Sodium metabisulfite và acid ascorbic mỗi loại 10-20ppm có th ể bảo vệ h oạt tánh của papain trong bia trong và sau giai đoạn th a n h trùng. Không giống như cốc chất khử (để phản ứng xảy ra, cần phải có một lượng chất khử tương đương về nồng độ moi với lượng oxy hòa tan), để loại bỏ oxy bằng enzyme, chỉ cần một lượng nhỏ glucose làm chất cho điện tử. Loại bỏ oxy bằng glucose oxidase ((3-D-glucose.oxygen 1-oxidoreductase, E .c. 1.1.3.4) k ết hợp với catalase (H20 2 oxireductase, E .c. 1.11.1.6) là sự tổng 76

hợp của h ai phản ứng: glucose oxidase chuyển glucose và oxy th àn h acid gluconic và hydroperoxide, sau dó catalase sẽ chuyển hydroperoxide th àn h oxy và nước (phản ứng chung: glucose + Vá 0 2 -> acid gluconic).

Trong thực tế, chỉ sử dụng enzyme để loại bỏ oxy sẽ không hiệu quả bằng cách dùng kết hợp enzyme và chất khử hỏa học. Hàm lượng glucose tự do trong bia khá thấp đế có thể loại bỏ oxy một cách hiệu quả nhưng nhiều kết quả nghièu cứu cho thấy việc sử dụng gJucose oxidase cùng sulfite cùng làm giảm đáng kể hiện tượng bia sinh mùi ôi. Tuy nhiên, các peroxide tạo ra trong phản ứng dầu tiên khi dùng enzyme glucose oxidase và oxy tạo ra ở phản ứng thứ hai cũng cỏ thể là nguyên nhân gày các phân ứng oxy hóa làm hỏng mùi của bia.

4.3.4. T h ú c đ ẩ y q u á tr ì n h ủ c h ín b ia

Giai đoạn lên men phụ diễn ra trong điều kiện nhiệt độ thấp và với số lượng nấm men rấ t ít. N hiệt độ tháp trong giai đoạn này giúp nấm men lắng xuống đáy và kết tủa các thành phần gây đực sản phẩm (phức protein-polyphenol). Trong giai doạn này, nấm men cùng sẽ chuyển hóa các sản phẩm phụ như diacetyl và 2,3-pentanedìone tạo ra trong giai đoạn lên men chính. 96% diacetyl và 2,3-pentanedione sẽ dược sử dụng cho quá trình sinh tổng hợp của nấm men (như sinh tổng hợp acid amin vaiine/leucine) và 4% a-acetolactate có m ặt trong bia sẽ lại được oxy hóa th àn h diacetyl. Ngưỡng cảm nhận mùi của diacetyl là 0,lmg/L, chính phân tử này sẽ tạo ra vị giống bơ và kẹo bơ không mong muôn trong sẳn phẩm. Đây cũng là một vấn đề đáng quan tâm trong quá trình sản xuất các loại bia lager.

Tùy theo chủng loại nám men và điều kiện vặt lý của môi trường mà giai đoạn lên men phụ có thể kéo dài từ 5-7 tuần. Việc chuyển hóa diacetyl cũng rất quan trọng trong giai đoạn này để tạo ra những sản phẩm có hương vị không quá nặng, đặc biệt đối với quá trình sản xuất bia lager và khi sử dụng nhiều nguyên liệu thay thế malt.

Để đẩy nhanh thời gian sản xuất, bia lager thường được tồn trữ ỗ n h iệt độ cao để giảm bớt nồng độ diketone vì chúng là nguyên nh ân tạo hương vị không mong muôn. Với cách này có thể tạo ra bia có độ trong và độ ổn định hương vị tương tự như bia được trữ lạnh, trong 7-14 ngày. Đôi khi người ta có th ể th êm dịch nha đang lên men vào bia có chứa nhiều diacetyl trong bồn trữ lạnh vì nấm meti đang hoạt động có th ể hấp thu bớt diacetyl.

Với việc sử dụng enzyme a-acetolactate decarboxylase (ALDC) ngoại sinh, các a-acetolactate tích lũy quá nhiều (là nguyên nhân khiến quá trinh lên men phụ bị kéo dài) sẽ được chuyển thành butanediol vô hại thông qua con dường hình thành diacetyl, nhờ đó các nhà sản xuất bia lager có thể cải thiện được năng suất của quá trình sản xuất.

4.3.5, Loại bỏ các vẩn đục do tinh bột

Dịch nha thu được sau quá trình nấu m alt có độ nhớt cao, vì th ế có th ể bị pha loãng quá mức là những vấn dề của quá trìn h lên men. Tinh bột chưa bị phân cắt và các carbohydrate có khối lượng phân tử lớn sẽ không bị lên men và thường tái kết hợp thành các phức không tan làm cho bìa bị vẩn đục. Vì vậy, cần có một phương pháp thích hợp để xử lý. Trong điều kiện nh iệt độ thấp của giai đoạn lên men, ct-amylase từ nếm mốc có th ể thủy phân nhanh chóng liền k ết ct-1,4-glucoside trong phân tử tinh bột của đại mạch, ngũ cốc, tạo ra maltose và các carbohydrate tương tự như khi sử dụng amylase nội sinh của malt.

4.4. M ộ t s ố q u á tr ìn h l ê n m e n đ ặ c b iệ t

Các loại bia ít caiori (diet/light lager) được sản xuất dựa trên qui trình sản xuất bia lager theo phong cách Mỹ, thường loãng hơn các loại bia thông thường khác. Bắp là loại thế liệu dược sử dụng chủ yếu, thường chiếm đến 50-65% trong tổng số các loại ngũ cốc khác. Các enzyme ngỏại sinh như giucoamylase được sử đung để phân cắt các loại carbohydrate không thể lèn men. Bia khô (dry beer) bia siêu khô (super dry beer) và rượu vang quả (sparkling wine) là những sản pham lên men chứa nhiều CƠ2 (highly carbonated), trong đó hầu như 78

tấ t cả carbohydrate đều được chuyển hoàn toàn thành cồn và CO2 nhờ tác động của enzyme vi khuẩn và nấm mốc.

Nguyên liệu chính dể sản xuất bia kaffir (sorghum beer) là lúa m iến không qua giai đoạn tạo m alt và bắp. Sau khi điều chỉnh pH=4 bằng acid lactic, người ta cho thêm a-amylase của vi khuẩn vào và đim sôi trong thời gian 90-120 phút. Tiếp theo, hạ nhiệt độ xuống khoảng 60-62°C, m alt từ lúa miến hoặc glucoamylase vi khuẩn được thêm vào để đường hda một phần. Nấm men dược cho vào dịch n h a sau khi lọc và hạ nhiệt độ xuống khoảng 30-35°C. Dịch sau lên men còn đục sẽ được cho vào chai hoặc can không đóng kín. Sản phẩm có th ể sử dụng dược sau 16-24 giờ.

Một sản phẩm còn đang được thử nghiệm là bia IMO isomaltooligosaccharide. Sử dụng IMO (các đường oligo chứa liên kết a-l,6-g!ucoside) được xem là có lợi cho sức khỏe của hệ tiêu hóa (tăng cường sự phát triển của hệ vi khuẩn có ích trong đường ruột như

Bifidobacterium), sản phẩm lại có vị ngọt dịu, chứa ít calori và không

gây vôi răng. Dung dịch xi-rô IMO thường dược sản xuất từ tinh bột bởi sự kết hợp của một số phản ứng, trong đó có phản ứng chuyển gốc glucose (transgìycosylation) sử dụng enzyme cố định có nguỏn gốc từ vi khuẩn. Nhờ phản ứng này, xi-rô giàu maltose sẽ được chuyển thành dung dịch xi-rô chứa ĨMO. Sản phẩm của phản ứng chứa 38% panose, 4% isomaltose, 28% glucose và 23% maltose. Dùng xi-Tồ IMO để thay th ế maltose trong quá trình lên men bia có thể tạo ra những tính chất chức năng cho một sản phẩm truyền thống mà không ảnh hưỏng nhiều tới quy trình công nghệ và hương vị của sản phẩm. Đưa thêm enzyme transglueosiđase vào giai đoạn nấu malt có thể tạo ra IMO ngay trong quy trình sản xuất (in sừu).

Để sản xuất bia nặng (độ cồn cao), người ta thường sử dụng

dịch nha nồng độ cao (18°p, thậm chí cao hơn). Sau giai đoạn lên men và ủ chín, bia được hòa tan cùng với nước đã được nén C02 tới nồng dộ chất khô và độ cồn mong muốn. Thuận lợi trong sản xuất bia nặng là bia ổn định hơn (về độ cồn, trọng lượng riêng), các hợp chất gây đục bị kết tủa dễ dàng hơn do nồng độ cao. Sử dụng dịch nha nồng độ cao sẽ tâng khả năng sử dụng thiêt bị và giảm chi phí năng lượng. Tuy nhiên khó khăn, gặp phải là giai đoạn nấu malt và

i

thời gian lên men dài, hương vị thay đổi, hiệu quả sử dụng hoa bia thấp. Các enzyme ngoại sinh được thêm vào trong giai đoạn nấu maJt gồm protease trung tính, Cí-amylase vi khuẩn và trong giai đoạn lên men là cc-amylase từ nấm móc.

5. NHỮNG ỨNG DỤNG KHÁC CỦA ENZYME