Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong lĩnh vực công nghệ thực phẩm và đồ uống lên men, công nghệ sản xuất bia, rượu và nước giải khát đóng vai trò nòng cốt trong việc tạo ra các sản phẩm đồ uống đa dạng phục vụ nhu cầu tiêu dùng. Khóa luận tập trung nghiên cứu toàn diện cơ sở hóa sinh, các quy trình kỹ thuật và động học chuyển hóa trong dây chuyền sản xuất bia từ khâu xử lý nguyên liệu thô (malt đại mạch, hoa houblon, nước, thế liệu gạo) đến các công đoạn đường hóa, đun sôi và lên men chuyên biệt.

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đề tài bao gồm:

  1. Xác định các tiêu chí hóa lý, cảm quan và nguyên liệu để phân biệt rõ nét giữa hai phân nhóm đồ uống lên men chính là rượu và bia.
  2. Thiết lập quy trình công nghệ chuẩn gồm 11 công đoạn trong sản xuất bia, đi kèm hệ thống chỉ tiêu phân tích hóa học, kỹ thuật và vi sinh vật đối với nước nấu bia, hoa houblon và malt đại mạch.
  3. Khảo sát các biến đổi sinh lý, enzym và hóa học trong quá trình sấy malt; đánh giá mức độ thủy phân tinh bột thông qua phương pháp TMA và xác định ảnh hưởng của thời gian nảy mầm cũng như phương pháp nghiền đến hiệu suất trích ly.
  4. Phân tích động học, đặc tính hoạt động và điều kiện tối ưu (nhiệt độ, pH, ion hoạt hóa/kìm hãm) của hệ enzym thủy phân tinh bột và protein (α-amylase, β-amylase, γ-amylase, endo-β-glucanase, dextrinase giới hạn, maltase, peptidase).
  5. Khảo sát các phương pháp đường hóa (ngâm chiết, phân đoạn 1-2-3 lần đun sôi, đường hóa có thế liệu gạo, đường hóa Hochkurz), kỹ thuật axit hóa dịch đường và các quy trình công nghệ sản xuất bia đặc thù như bia có nồng độ cồn thấp (dưới 0,5% hoặc 1–2% khối lượng) và bia ăn kiêng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Đại mạch nảy mầm (malt vàng, malt đen), thế liệu gạo, hoa houblon (hoa nguyên cánh và sản phẩm hoa houblon), nấm men, nước sản xuất bia, hệ enzym thủy phân nội sinh/ngoại sinh và dịch đường (wort).
  • Phạm vi nghiên cứu: Các thông số kỹ thuật, biến đổi sinh hóa và kiểm soát chất lượng từ giai đoạn xử lý nguyên liệu, sấy malt, nghiền, đường hóa, đun sôi dịch đường đến các phương pháp xử lý lên men đặc biệt trong công nghệ sản xuất bia.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng trên nền tảng hóa sinh học thực phẩm, động học enzym học và công nghệ lên men công nghiệp:

  • Cơ sở lý thuyết: Quá trình thủy phân tinh bột (chứa liên kết α-1,4 và α-1,6 glucoside) thành đường lên men (maltose, glucose, fructose) và dextrin không lên men; quá trình phân cắt protein thành amino acid tự do (FAN - Free Alpha Amino Nitrogen) và chuỗi peptide; vai trò của tanin, anthocyanin trong việc tạo độ trong/độ đục của bia; cơ chế biến tính protein và phản ứng tạo màu, chất thơm ở nhiệt độ cao.
  • Hệ thống phương pháp phân tích và kiểm tra thực nghiệm:
    • Phương pháp TMA (Thermal Mechanical Analysis): Ứng dụng để xác định mức độ thủy phân tinh bột của malt sau các mốc thời gian nảy mầm khác nhau.
    • Phép thử I-ốt (Iodine test): Kiểm soát mức độ triệt để của quá trình đường hóa (phản ứng tạo màu xanh/đen khi còn tinh bột phân tử lượng cao).
    • Sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC): Xác định thành phần phổ đường (sugar spectrum) trong dịch đường wort.
    • Phương pháp phân tích dịch đường chuẩn (Congress wort): Đánh giá độ nhớt, hàm lượng chất trích ly, đạm tổng số, đạm hòa tan, chỉ số FAN, thời gian đường hóa, chỉ số Hartong VZ 45 °C, độ lên men cuối cùng (Final attenuation), tiền chất DMS (DMS-Precursor) và độ màu trước/sau đun sôi.
    • Hệ thống chỉ tiêu hóa lý - vi sinh: Đo độ cứng tổng, độ cứng cacbonat/phi cacbonat, hàm lượng canxi, magie, độ kiềm dư, clo dư, nitrat, độ dẫn điện, chỉ số p và m trong nước; xác định hàm lượng α-acid trong hoa houblon; đánh giá độ nhiễm mốc Fusarium.

Nội dung chính theo từng chương

1. Phân biệt rượu - bia và Quy trình tổng thể sản xuất bia

Tác giả thiết lập hệ thống so sánh các tiêu chí kỹ thuật giữa rượu và bia, đồng thời chuẩn hóa sơ đồ công nghệ sản xuất bia qua 11 bước kế tiếp nhau.

Tiêu chí so sánh Rượu Bia
Mùi Mùi Ethanol Mùi tinh dầu hoa hops (houblon)
Vị Cay nồng Vị đắng đặc trưng
Màu sắc Trong suốt Màu vàng rơm (hoặc sẫm màu)
Độ trong Trong suốt Trong suốt
Hàm lượng ethanol > 30% < 5% (bia truyền thống)
Hàm lượng CO2 Không có Có bão hòa CO2
Nguyên liệu tinh bột Tinh bột từ gạo Malt đại mạch (barley)
Vi sinh vật lên men Men thuốc bắc Nấm men thuần khiết
Nguyên liệu khác Nước Nước loại O2, hoa Hops

Quy trình sản xuất bia gồm 11 công đoạn liên hoàn:

  • (1) Nghiền malt và nguyên liệu
  • (2) Nấu malt
  • (3) Lọc bã
  • (4) Đường hóa
  • (5) Lọc ly tâm
  • (6) Làm lạnh nhanh
  • (7) Lên men nổi (hoặc lên men chìm)
  • (8) Lên men phụ
  • (9) Lọc trong
  • (10) Bảo ôn
  • (11) Chiết chai thành phẩm

Hệ thống phân tích chất lượng nguyên liệu tập trung kiểm soát độ sạch vi sinh và thành phần khoáng của nước, hàm lượng α-acid của hoa houblon (dạng nguyên cánh và sản phẩm hoa tinh chế), cùng các chỉ tiêu ngoại quan, độ thuần chủng giống.

2. Các quá trình sấy malt và công đoạn làm sạch, nghiền nhỏ

Quá trình sấy malt tươi thành phẩm được phân tích qua 3 pha biến đổi nhiệt - ẩm và sinh hóa liên tiếp:

Pha sấy Khoảng nhiệt độ Độ ẩm hạt Đặc điểm sinh hóa và biến đổi cấu trúc
Pha sinh lý Bắt đầu $\rightarrow$ $45^\circ\text{C}$ Giảm đến $30%$ Rễ và lá mầm tiếp tục phát triển mạnh nhờ độ ẩm và nhiệt độ thích hợp.
Pha enzym $45^\circ\text{C} - 70^\circ\text{C}$ Còn $10%$ (malt vàng), $>20%$ (malt đen) Hoạt động sống bị ức chế, mầm ngừng phát triển. Amylase đường hóa tinh bột, protease thủy phân protein. Quá trình dừng khi ẩm còn $15%$.
Pha hóa học $70^\circ\text{C} - 105^\circ\text{C}$ Giảm xuống $< 4%$ Tốc độ phản ứng phụ thuộc nội nhũ; hình thành chất thơm, vị đặc trưng, chất màu và xảy ra hiện tượng biến tính protein.

Đối với công đoạn chuẩn bị nguyên liệu, làm sạch giúp loại bỏ tạp chất cơ học. Công đoạn nghiền nhỏ nhằm mở rộng diện tích tiếp xúc với nước, gia tăng tốc độ thấm và tối đa hóa hiệu suất trích ly. Nghiên cứu nhấn mạnh việc làm ẩm malt trước khi nghiền để vỏ trấu dẻo dai hơn, nội nhũ dễ vỡ vụn, hạn chế chất màu và chất đắng hòa tan quá mức, đồng thời tạo lớp vật liệu lọc xốp, chống hiện tượng hồ hóa cục bộ. Malt cần được nghiền đập dẹp chứ không nghiền quá mịn.

Kết quả đo bằng phương pháp TMA về thời gian nảy mầm và phương pháp nghiền được tổng hợp:

Thời gian nảy mầm (ngày) Tỉ lệ vỡ hạt (%) Tỉ lệ hạt nguyên Phương pháp nghiền Tỉ lệ trích ly (%)
3 62 3 Nghiền thô 73,7
5 83 2 Nghiền mịn 80,9
7 91 1 Nghiền búa 78,7

Về mặt hóa học, vỏ trấu và nội nhũ đều chứa anthocyanin và tanin. Tanin cao phân tử (đặc biệt anthocyanin) kết hợp với protein cao phân tử tạo kết tủa làm đục bia và gây vị khó chịu; ngược lại, tanin phân tử thấp có tính khử giúp loại bỏ oxy hòa tan trong dịch lên men.

3. Động học enzym và các yếu tố công nghệ trong quá trình đường hóa (Mashing)

Đường hóa là quá trình chuyển hóa tinh bột malt thành các hợp chất hòa tan và đường lên men dưới tác dụng của hệ enzym hoặc acid. Nghiên cứu xác định chi tiết đặc tính hóa lý của các enzym tham gia:

Tên enzym Cơ chế tác dụng Nhiệt độ tối ưu pH tối ưu Nhiệt độ vô hoạt / Đặc tính bổ sung
$\alpha$-amylase Endo-enzyme, cắt liên kết $\alpha$-1,4, tạo dextrin $70 - 75^\circ\text{C}$ ($72-76^\circ\text{C}$) $5,6 - 5,8$ Vô hoạt $>80^\circ\text{C}$. Hoạt hóa bởi ion $\text{Cl}^- > \text{Br}^- > \text{I}^-$, bền nhiệt khi có $\text{Ca}^{2+}$, bị ức chế bởi $\text{Cu}^{2+}, \text{Hg}^{2+}$.
$\beta$-amylase Exo-enzyme, cắt liên kết $\alpha$-1,4, tạo maltose $60 - 65^\circ\text{C}$ ($65^\circ\text{C}$) $5,1 - 5,6$ ($5,1$) Vô hoạt $>70^\circ\text{C}$ ($71^\circ\text{C}$). Bền khi không có $\text{Ca}^{2+}$, bị ức chế bởi $\text{Cu}^{2+}, \text{Hg}^{2+}$.
$\gamma$-amylase Nguồn gốc nấm mốc, vi khuẩn $50^\circ\text{C}$ 3,5 Phân giải sâu tinh bột
endo-$\beta$-glucanase Thủy phân $\beta$-glucan, giảm độ nhớt $45 - 50^\circ\text{C}$ — Có trong malt đại mạch và vi khuẩn Bacillus subtilis.
Dextrinase giới hạn Cắt liên kết $\alpha$-1,4 và $\alpha$-1,6 $50 - 53^\circ\text{C}$ ($55-60^\circ\text{C}$) $5,0 - 5,1$ Phân hủy ở $70^\circ\text{C}$ (vô hoạt $>65^\circ\text{C}$).
Maltase Thủy phân maltose thành glucose $35 - 40^\circ\text{C}$ 6,0 Vô hoạt ở nhiệt độ cao
Peptidase (Protease) Thủy phân protein tạo acid amin $45 - 50^\circ\text{C}$ — Tạo thành FAN cho nấm men

Các khoảng nghỉ nhiệt độ trong thực hành đường hóa (Practice of mashing rests) bao gồm:

  • $35 - 45^\circ\text{C}$ ($\beta$-glucan rest): Enzym $\beta$-glucanase hoạt động làm giảm độ nhớt dịch hèm.
  • $45 - 50^\circ\text{C}$ (Protein rest): Enzym peptidase hoạt động hình thành các amino acid tự do (FAN).
  • $62 - 65^\circ\text{C}$ (Maltose rest): Enzym $\beta$-amylase xúc tác tạo thành lượng lớn đường lên men maltose.
  • $72 - 75^\circ\text{C}$ (Saccharification rest): Enzym $\alpha$-amylase hoạt động tạo dextrin không lên men.
  • $76 - 78^\circ\text{C}$ (Final mash pumping): Bơm dịch lọc, $\alpha$-amylase vẫn giữ hoạt tính để hoàn tất đường hóa sót.

Tương quan giữa nước nấu và lượng bột nghiền:

  • Sản xuất bia vàng (Pale beers): $4,0 - 5,0\text{ hl}/100\text{ kg}$ bột nghiền, phản ứng enzym diễn ra nhanh.
  • Sản xuất bia đen (Dark beers): $3,0 - 3,5\text{ hl}/100\text{ kg}$ bột nghiền, phản ứng enzym chậm hơn, tích lũy nhiều dextrin, tăng hợp chất caramen và chất thơm.

Sự biến đổi thành phần carbohydrate từ malt sang chất khô trong dịch đường (wort) được xác định như sau:

  • Trong malt: Tinh bột chiếm $85,8%$, glucan và pentosan chiếm $2,4%$. Malt chứa $10 - 12%\text{ w/w}$ protein và $58%\text{ w/w}$ tinh bột.
  • Trong thế liệu gạo: Hàm lượng tinh bột đạt $70%\text{ w/w}$, tuy nhiên gạo không có hệ đệm photphat nên không tự hạ pH trong quá trình nấu.
  • Trong chất khô dịch đường (wort): Dextrins, glucans và pentosans chiếm $22,2%$ (nấm men không chuyển hóa được nhóm dextrin); Maltotetraose chiếm $6,7%$; Glucose và fructose chiếm $8,8%$.

4. Các phương pháp đường hóa, axit hóa dịch đường và công nghệ sản xuất bia đặc thù

Khóa luận phân loại các phương pháp đường hóa:

  1. Đường hóa toàn khối (phương pháp ngâm chiết): Toàn bộ khối cháo được nâng nhiệt và đường hóa ở $75^\circ\text{C}$ mà không qua đun sôi.
  2. Đường hóa phân đoạn (phương pháp đun sôi): Từng phần khối cháo được đun sôi tuần tự rồi hòa nhập trở lại khối chính (quy trình đun sôi 1 lần: nâng các nấc $52^\circ\text{C} \rightarrow 62^\circ\text{C} \rightarrow 72^\circ\text{C} \rightarrow 100^\circ\text{C} \rightarrow 76^\circ\text{C}$; đun sôi 2 lần; đun sôi 3 lần áp dụng cho sản xuất bia vàng).
  3. Đường hóa hai giai đoạn có sử dụng thế liệu (gạo): Phối hợp nồi malt và nồi gạo. Nồi gạo được bổ sung malt lót (lần 1 ở $50-55^\circ\text{C}$, lần 2 ở $72-75^\circ\text{C}$), nâng lên $90^\circ\text{C}$ rồi đun sôi $100^\circ\text{C}$, điều chỉnh bằng $\text{H}_2\text{SO}_4$ và kiểm tra tinh bột bằng $\text{I}_2$. Nồi malt duy trì ở $30-32^\circ\text{C}$ đến $40^\circ\text{C}$ trong 30 phút nhằm tránh hiện tượng hồ hóa cục bộ trước khi hòa trộn ở $63-65^\circ\text{C}$ và $72-75^\circ\text{C}$.
  4. Đường hóa hai giai đoạn Hochkurz.

Kỹ thuật nâng cao hiệu suất và axit hóa dịch đường:

  • Bổ sung $\text{CaSO}_4$ hoặc $\text{CaCl}_2$ để làm mềm nước, hạ độ kiềm.
  • Bổ sung acid lactic, malt chua hoặc acid thực phẩm để hạ pH dịch đường. Axit hóa mang lại các hiệu quả: rút ngắn thời gian đường hóa, tăng độ lên men cuối, thúc đẩy thủy phân protein sâu tạo phân tử lượng thấp, giảm độ nhớt giúp lọc nhanh hơn, hạn chế sẫm màu khi đun sôi, tăng độ bền bọt, ổn định hàm lượng kẽm và làm vị bia hài hòa.

Quy trình công nghệ sản xuất bia ít cồn và bia ăn kiêng:

  • Phương pháp của Witt (Bia nồng độ cồn $\le 0,5%$): Tăng nhanh nhiệt độ qua vùng hoạt động của $\beta$-amylase để hạn chế đường lên men. Quá trình đường hóa thực hiện ở $78 - 80^\circ\text{C}$ trong $30 - 60$ phút cùng các chế phẩm enzym $\alpha$-amylase và cellulase nhằm giảm độ nhớt. Dịch sau lọc được pha loãng với nước và axit hóa để tạo thành phẩm chứa không quá $0,5%$ cồn.
  • Phương pháp tiếp xúc lạnh: Dịch đường có nồng độ chất khô $7,0 - 7,5%$ tiếp xúc với nấm men ở nhiệt độ $-0,4^\circ\text{C}$ hoặc thấp hơn; hoặc dịch đường có hàm lượng đường tối thiểu $14%$ tiếp xúc nấm men ở $38^\circ\text{F} - 45^\circ\text{F}$ ($3,3^\circ\text{C} - 7,2^\circ\text{C}$) trong thời gian từ $5 - 10$ giờ.
  • Phương pháp sản xuất bia ăn kiêng (ít calo, ít carbohydrate): Lên men chính đạt độ lên men thực $40 - 85%$, sau đó đun sôi bia non để hạ hàm lượng cồn xuống $1%$, bổ sung nấm men và tiếp tục lên men.
  • Quy trình theo Rolf Hiefner: Dịch đường nồng độ $11 - 11,5%$ bổ sung thêm $2%$ mạch nha và tăng lượng hoa houblon; lên men ở $5 - 10^\circ\text{C}$ (tỏa nhiệt có thể lên đến $20^\circ\text{C}$). Tách $2/5 - 3/5$ lượng bia, hòa với $8 - 15%$ nước sôi, đun nóng trong điều kiện thiếu oxy đến khi cồn giảm còn $1 - 2%$ khối lượng. Sau khi làm lạnh, phối trộn với phần còn lại, lọc và lên men tiếp trong điều kiện bổ sung $\text{CO}_2$.
  • Quy trình axit hóa trước lên men: Dịch đường đạt $12 - 20^\circ\text{Plato}$ được axit hóa bằng acid thực phẩm đến $\text{pH } 4,0 - 4,6$, tiếp xúc nấm men ở $0 - 7^\circ\text{C}$ trong $10 - 30$ giờ. Đình chỉ lên men bằng cách bơm dịch vào hệ thống đun sôi khoảng $40 - 50$ phút cho đến khi độ cồn đạt khoảng $1,5%$ khối lượng.

Mục đích của công đoạn đun sôi dịch wort (Boiling):

  • Trích ly và đồng hóa các hợp chất đắng, tinh dầu từ hoa houblon.
  • Tiệt trùng hoàn toàn dịch đường.
  • Làm tăng màu sắc dịch đường.
  • Tạo phức và làm kết tủa phức hệ protein - polyphenol.
  • Vô hoạt toàn bộ hệ thống enzym.
  • Axit hóa dịch đường.
  • Bay hơi loại bỏ tiền chất dimethylsulphide (DMS).
  • Cô đặc dịch đường đến nồng độ quy định.
  • Hình thành hương vị đặc trưng cho sản phẩm bia.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

  • Xác lập đầy đủ các ngưỡng nhiệt độ và độ ẩm cho 3 pha sấy malt, chỉ rõ ngưỡng độ ẩm $15%$ là điểm giới hạn mà tại đó hoạt động của hệ enzym thủy phân bị đình chỉ hoàn toàn.
  • Chứng minh mối quan hệ giữa thời gian nảy mầm và phương pháp nghiền đến tỷ lệ trích ly chất hòa tan: nảy mầm 7 ngày đạt tỷ lệ vỡ $91%$ (tỷ lệ hạt nguyên giảm còn 1); phương pháp nghiền mịn cho hiệu suất trích ly cao nhất ($80,9%$), vượt trội so với nghiền búa ($78,7%$) và nghiền thô ($73,7%$).
  • Phân lập rõ các thông số tối thích của hệ enzym amylase: $\alpha$-amylase tối ưu ở $70 - 75^\circ\text{C}$ ($\text{pH } 5,6 - 5,8$), vô hoạt trên $80^\circ\text{C}$; $\beta$-amylase tối ưu ở $60 - 65^\circ\text{C}$ ($\text{pH } 5,1 - 5,6$), vô hoạt trên $70^\circ\text{C}$.
  • Định lượng cấu trúc carbohydrate trong dịch wort: nhóm dextrin và glucan không lên men chiếm tỷ lệ $22,2%$, maltotetraose chiếm $6,7%$, đường đơn glucose và fructose chiếm $8,8%$.

Giải pháp kỹ thuật đề xuất

  • Đề xuất chế độ làm ẩm malt sơ bộ trước khi nghiền nhằm bảo toàn độ dai của vỏ trấu, chống đục dịch do anthocyanin và tanin cao phân tử, đồng thời tạo lớp màng lọc tự nhiên.
  • Đưa ra giải pháp phối hợp malt lót 2 lần và kiểm soát nhiệt độ nghiêm ngặt khi sử dụng thế liệu gạo ($70%$ tinh bột) để bù đắp việc thiếu hụt hệ đệm photphat và ngăn ngừa hiện tượng hồ hóa cục bộ.
  • Chuẩn hóa các giải pháp sản xuất bia có nồng độ cồn thấp ($\le 0,5%$ hoặc $1 - 2%$) thông qua việc kiểm soát vùng nhiệt độ $\beta$-amylase (phương pháp Witt), kỹ thuật tiếp xúc lạnh ($-0,4^\circ\text{C}$ hoặc $3,3 - 7,2^\circ\text{C}$), và phương pháp tách cồn cục bộ (Rolf Hiefner).

Đóng góp về mặt học thuật

  • Hệ thống hóa toàn diện cơ sở hóa sinh và kỹ thuật phân tích chất lượng từ nguyên liệu đến các giai đoạn xử lý nhiệt dịch đường.
  • Cung cấp dữ liệu thực nghiệm về tương quan nước/bột nghiền cho bia vàng ($4 - 5\text{ hl}/100\text{ kg}$) và bia đen ($3 - 3,5\text{ hl}/100\text{ kg}$), cùng tác động của việc axit hóa dịch đường đối với độ bền bọt và cấu trúc mixen protein.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Các nội dung thực nghiệm và phân tích tập trung chủ yếu vào khâu xử lý nguyên liệu, sấy malt, động học đường hóa và đun sôi dịch đường; các công đoạn lên men chính, lên men phụ, công nghệ lọc trong và chiết rót thành phẩm chưa được trình bày chi tiết về mặt số liệu cân bằng vật chất và năng lượng.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Mở rộng nghiên cứu thực nghiệm về động học hấp thụ chất dinh dưỡng của nấm men trong điều kiện lên men tiếp xúc lạnh; tối ưu hóa tỷ lệ thế liệu gạo vượt trên mức $30 - 50%$ bằng việc bổ sung các chế phẩm enzym ngoại sinh; khảo sát sâu cơ chế loại bỏ DMS và kiểm soát hàm lượng polyphenol trong quy mô sản xuất công nghiệp liên tục.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn dữ liệu chuyên môn phù hợp cho:

  • Sinh viên, học viên cao học và giảng viên thuộc các ngành Công nghệ Thực phẩm, Công nghệ Sinh học, Kỹ thuật Hóa học chuyên ngành Đồ uống và Lên men.
  • Kỹ sư công nghệ và cán bộ kỹ thuật tại các nhà máy sản xuất malt, nhà máy bia và nước giải khát.
  • Phần đáng tham khảo nhất bao gồm: Bảng thông số tối ưu của hệ enzym đường hóa, bảng các bước nghỉ nhiệt độ (mashing rests), kỹ thuật phối trộn thế liệu gạo và các quy trình công nghệ sản xuất bia nồng độ cồn thấp.

Câu hỏi thường gặp

1. Quá trình sấy malt trải qua những pha nào và hoạt động của hệ enzym bị đình chỉ ở điều kiện nào?

Quá trình sấy malt diễn ra qua 3 pha: pha sinh lý (bắt đầu đến $45^\circ\text{C}$, độ ẩm giảm về $30%$), pha enzym ($45 - 70^\circ\text{C}$, độ ẩm giảm còn $10%$ với malt vàng và $>20%$ với malt đen), và pha hóa học ($70 - 105^\circ\text{C}$, độ ẩm dưới $4%$). Hoạt động của hệ enzym thủy phân phụ thuộc chặt chẽ vào độ ẩm của hạt và bị đình chỉ hoàn toàn khi độ ẩm giảm xuống còn $15%$.

2. Sự khác biệt về điều kiện hoạt động tối ưu giữa $\alpha$-amylase và $\beta$-amylase là gì?

$\alpha$-amylase là endo-enzyme có nhiệt độ tối thích từ $70 - 75^\circ\text{C}$ (hoặc $72 - 76^\circ\text{C}$), pH tối thích $5,6 - 5,8$, bền nhiệt khi có ion $\text{Ca}^{2+}$ và bị vô hoạt ở nhiệt độ trên $80^\circ\text{C}$. Trong khi đó, $\beta$-amylase là exo-enzyme có nhiệt độ tối thích từ $60 - 65^\circ\text{C}$, pH tối thích $5,1 - 5,6$, bền khi không có ion $\text{Ca}^{2+}$ và bị vô hoạt ở nhiệt độ trên $70^\circ\text{C}$ ($71^\circ\text{C}$).

3. Thời gian nảy mầm và phương pháp nghiền ảnh hưởng như thế nào đến tỷ lệ vỡ và hiệu suất trích ly của malt?

Theo thử nghiệm TMA, khi tăng thời gian nảy mầm từ 3, 5 lên 7 ngày, tỷ lệ vỡ hạt tăng tương ứng từ $62%$, $83%$ lên $91%$, đồng thời tỷ lệ hạt nguyên giảm từ 3, 2 xuống 1. Về phương pháp nghiền, nghiền mịn đạt tỷ lệ trích ly cao nhất là $80,9%$, phương pháp nghiền búa đạt $78,7%$ và phương pháp nghiền thô đạt $73,7%$.

4. Thành phần carbohydrate và protein khác nhau như thế nào giữa malt đại mạch và thế liệu gạo?

Malt đại mạch là nguồn cung cấp đạm chính với hàm lượng protein đạt $10 - 12%\text{ w/w}$ và tinh bột chiếm $58%\text{ w/w}$. Gạo đóng vai trò là nguồn cung cấp carbohydrate chủ yếu với hàm lượng tinh bột đạt $70%\text{ w/w}$, tuy nhiên gạo không chứa hệ đệm photphat nên không có khả năng tự hạ pH trong dịch nấu.

5. Phương pháp của Witt và phương pháp tiếp xúc lạnh được tiến hành như thế nào để sản xuất bia cồn thấp dưới 0,5%?

Phương pháp của Witt thực hiện đường hóa ở nhiệt độ cao $78 - 80^\circ\text{C}$ trong $30 - 60$ phút với sự tham gia của enzym $\alpha$-amylase và cellulase nhằm tăng nhanh qua vùng hoạt động của $\beta$-amylase, hạn chế tạo đường lên men, sau đó dịch bia được pha loãng và axit hóa để nồng độ cồn không quá $0,5%$. Phương pháp tiếp xúc lạnh cho dịch đường ($7,0 - 7,5%$ chất khô) tiếp xúc với nấm men ở $-0,4^\circ\text{C}$ hoặc thấp hơn; hoặc dùng dịch đường $\ge 14%$ đường tiếp xúc nấm men ở $3,3 - 7,2^\circ\text{C}$ trong $5 - 10$ giờ.

Kết luận

Khóa luận đã hệ thống hóa toàn diện các nguyên lý hóa sinh và quy trình kỹ thuật trong công nghệ sản xuất đồ uống lên men, trọng tâm là quy trình sản xuất bia từ nguyên liệu malt đại mạch và thế liệu gạo. Các số liệu thực nghiệm về động học enzym, chế độ nhiệt - ẩm khi sấy malt, phương pháp nghiền và các bước nghỉ đường hóa được xác lập chi tiết và có cơ sở khoa học rõ ràng. Đề tài cung cấp các giải pháp công nghệ có giá trị thực tiễn cao cho việc kiểm soát chất lượng dịch đường và sản xuất các dòng sản phẩm bia đặc thù như bia ít cồn và bia ăn kiêng.