Tổng quan luận án
Luận án tiến sĩ hoá học của tác giả Nguyễn Thị Thu Vinh với đề tài "Nghiên cứu các quá trình hoá học nhằm nâng cao tỷ lệ gạo làm nguyên liệu thay thế trong công nghệ sản xuất bia", chuyên ngành Hoá hữu cơ (mã số 1.02), được thực hiện tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội năm 2002, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Lê Đức Ngọc và TS. Nguyễn Văn Việt.
Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu
Nguyên liệu truyền thống và cơ bản trong công nghệ sản xuất bia là malt đại mạch. Tuy nhiên, cây đại mạch chỉ thích nghi với điều kiện khí hậu của một số quốc gia thuộc châu Âu và Bắc Mỹ. Tại Việt Nam và nhiều quốc gia châu Á, toàn bộ lượng malt phục vụ sản xuất bia đều phải nhập khẩu. Số liệu thống kê năm 1997 cho thấy Việt Nam đã phải nhập khẩu khoảng 75.000 tấn malt với trị giá 26 triệu USD cho sản lượng 269 triệu lít bia; đến năm 2005, khi sản lượng bia dự kiến đạt mốc 1 tỷ lít, nhu cầu malt nhập khẩu ước tính vượt trên 100.000 tấn. Tình trạng này gây áp lực lớn lên nguồn ngoại tệ và khiến ngành công nghiệp bia phụ thuộc vào nguồn cung nước ngoài.
Trong khi đó, lúa gạo là cây lương thực chủ lực, có sản lượng lớn và giá thành rẻ tại châu Á nói chung và Việt Nam nói riêng. Trong công nghiệp xay xát, lượng gạo tấm phụ phẩm chiếm tới 30% với giá thành thấp, chứa hàm lượng tinh bột cao (70–80%) và ít chất béo, cho hiệu suất trích ly chất tan đạt tới 94%. Tuy vậy, việc nâng cao tỷ lệ gạo thay thế malt đại mạch lên mức cao (50–60%) gặp phải những rào cản kỹ thuật nghiêm ngặt về mặt hoá học và hoá sinh:
- Tinh bột gạo có nhiệt độ hồ hoá cao (70–85°C), cấu trúc bền vững khó thuỷ phân hơn tinh bột đại mạch;
- Bản thân hạt gạo không chứa hệ enzim thuỷ phân nội tại như malt nảy mầm;
- Hàm lượng protein và hợp chất chứa nitơ trong gạo thấp hơn đại mạch, dẫn đến dịch đường sau đường hoá bị thiếu hụt nguồn đạm amin tự do (FAN), gây cản trở quá trình sinh trưởng của nấm men;
- Dịch đường có độ nhớt cao, lọc chậm;
- Trong quá trình lên men dễ tích tụ các sản phẩm phụ bất lợi cho mùi vị và chất lượng bia, điển hình là các hợp chất vicinal diketone (vic-dixeton, trọng tâm là diaxetyl).
Trước thời điểm luận án thực hiện, các nghiên cứu trong nước và quốc tế chủ yếu áp dụng tỷ lệ thay thế gạo ở mức trung bình (20–30% hoặc 30–35% tại Nhật Bản, Úc, Mỹ). Việc nâng tỷ lệ thay thế gạo lên 50–60% đòi hỏi phải giải quyết đồng bộ các biến đổi hoá học và xúc tác sinh học từ khâu xử lý nguyên liệu, hồ hoá, dịch hoá, đường hoá, đến lên men dịch đường nồng độ cao và khử tạp chất bay hơi.
Mục tiêu nghiên cứu
Luận án xác định 4 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:
- Sơ bộ đánh giá chất lượng gạo dùng cho sản xuất bia ở Việt Nam.
- Nghiên cứu xác định các điều kiện tối ưu cho quá trình chuẩn bị dịch đường nhằm tạo điều kiện thích hợp cho các phản ứng thuỷ phân của các enzim amylaza, proteaza; nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ và chất lượng gạo đến thành phần dịch đường.
- Nghiên cứu các điều kiện lên men như nhiệt độ, thời gian lên men chính, lên men phụ; nghiên cứu sự tạo thành các sản phẩm bay hơi trong quá trình lên men, hạn chế sản phẩm phụ diaxetyl trong bia thành phẩm.
- Đánh giá chất lượng của bia thành phẩm và tính toán hiệu quả kinh tế.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Các giống gạo thuần nông và lúa lai phổ biến tại Việt Nam (các giống gạo P4, P6 cùng một số giống lúa vụ đông xuân tại các tỉnh phía Bắc); malt đại mạch thương phẩm; các chế phẩm enzim công nghiệp; nấm men bia; dịch đường hoá và sản phẩm bia thử nghiệm.
- Phạm vi không gian: Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành tại các phòng thí nghiệm chuyên ngành thuộc Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội; sản xuất thử nghiệm quy mô pilot và công nghiệp tại Công ty Cổ phần Bia Ba Lan và Công ty Bia Kirin (Nhật Bản).
- Phạm vi thời gian: Số liệu thực nghiệm, khảo sát ngành bia và quy hoạch phát triển được thu thập và đánh giá trong giai đoạn từ năm 1990 đến năm 2001, định hướng đến giai đoạn 2005–2010.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Luận án điểm lại lịch sử công nghệ sản xuất bia và kinh nghiệm sử dụng nguyên liệu thay thế của thế giới và Việt Nam:
| Quốc gia / Vùng lãnh thổ |
Nguyên liệu thay thế chính |
Tỷ lệ thay thế ghi nhận trong tài liệu |
| Hoa Kỳ |
Gạo, hỗn hợp ngô |
Lên đến 33% ngô kết hợp gạo |
| Anh |
Đường, siro ngũ cốc, ngô, gạo |
20 – 25% |
| Nhật Bản |
Gạo, ngô |
30 – 35% |
| Úc |
Đường, siro ngũ cốc, ngô, gạo |
20 – 30% |
| Nigeria |
Lúa miến (sorghum), ngô |
58% lúa miến phối hợp 40% ngô |
Về mặt công nghệ và quản lý chất lượng dịch đường, tác giả trích dẫn các kết quả kinh điển:
- Khuyến nghị của Mark: dịch đường ban đầu cần đảm bảo hàm lượng đạm amin tự do (FAN) chiếm khoảng 22% so với lượng nitơ hoà tan tổng số (TSN) để nấm men phát triển bình thường và quá trình lên men tiến triển thuận lợi.
- Quy định của Luật Tinh khiết Đức (năm 1516): chỉ sử dụng malt đại mạch, hoa huplon và nước; đối chiếu với xu hướng hiện đại của thế giới áp dụng các chất thế liệu tinh bột (ngô, gạo, lúa mì, lúa miến) để hạ giá thành, đa dạng hoá sản phẩm và tạo ra dòng bia nhẹ, sáng màu, có độ bền keo tốt.
Khoảng trống mà luận án tập trung giải quyết là: xác lập căn cứ động học và xúc tác hoá học để đẩy tỷ lệ thay thế gạo lên ngưỡng 50–60% trong điều kiện nguồn nguyên liệu lúa gạo Việt Nam, sử dụng hệ chế phẩm enzim ngoại sinh để cân bằng tỷ lệ đường/dextrin và FAN, đồng thời áp dụng kỹ thuật lên men dịch đường nồng độ cao (14,5–16°Bx) kết hợp xử lý nhiệt kiểm soát nồng độ diaxetyl dưới ngưỡng cảm quan (< 0,1 mg/L).
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết và các phản ứng hoá học, hoá sinh
Quá trình chuẩn bị dịch đường và lên men bia bản chất là chuỗi phản ứng hoá học và xúc tác men:
- Quá trình thuỷ phân tinh bột:
Tinh bột gồm amylozơ (17–24%, mạch thẳng liên kết $\alpha$-1,4-glucozit) và amylopectin (76–83%, mạch nhánh liên kết $\alpha$-1,4 và $\alpha$-1,6-glucozit). Phản ứng thuỷ phân tổng quát biểu diễn dưới dạng:
$$(C_6H_{10}O_5)n + nH_2O \xrightarrow{\text{amylaza}} n C_6H{12}O_6$$
Về mặt lý thuyết, lượng glucozơ thu hồi bằng 111,11% khối lượng tinh bột. Trong thực tế công nghệ, sản phẩm tính theo đường maltozơ:
$$(C_6H_{10}O_5)n + \frac{n}{2}H_2O \rightarrow \frac{n}{2}C{12}H_{22}O_{11}$$
Các enzim xúc tác chính gồm:
- $\alpha$-Amylaza: Là metaloenzim chứa ion $\text{Ca}^{2+}$ (từ 1 đến 30 nguyên tử gam Ca/mol protein) giúp ổn định cấu trúc bậc hai và bậc ba. Enzim này bẻ gãy ngẫu nhiên các liên kết $\alpha$-1,4-glucozit nội mạch, làm giảm nhanh độ nhớt của khối cháo tinh bột, tạo ra maltozơ, glucozơ và các dextrin phân tử lượng thấp. Nhiệt độ tối ưu: 70–75°C (bị vô hoạt ở 80°C); pH tối ưu: 5,5–5,8.
- $\beta$-Amylaza: Cắt từng đơn vị maltose (2 gốc glucoza) từ đầu không khử (cực kín) của mạch amylose và nhánh ngoài của amylopectin, không cắt được liên kết $\alpha$-1,6-glucozit. Nhiệt độ tối ưu: 60–63°C (vô hoạt ở 70°C); pH tối ưu: 4,8–5,0.
- Amylophotphataza: Cắt gốc photphat khỏi mạch amylopectin, xúc tác quá trình hồ hoá và photphoryl hoá tinh bột.
- Quá trình thuỷ phân protein:
Hàm lượng protein trong dịch đường chiếm 5–7% chất khô hoà tan. Quá trình phân giải gồm:
- Endopeptidaza (proteinaza): Cắt liên kết peptit nội mạch tạo albumoza, pepton, polypeptit; hoạt động tối ưu ở pH 4,6–4,9 và nhiệt độ 50–60°C.
- Exopeptidaza (peptidaza: aminopeptidaza và cacboxypeptidaza): Cắt polypeptit thành dipeptit và axit amin tự do; hoạt động tối ưu ở pH 7,0–8,0 và nhiệt độ 40–42°C.
- Cơ chế lên men rượu và sinh tổng hợp sản phẩm phụ:
Đường trong dịch lên men chuyển hoá theo chu trình Embden – Meyerhof – Parnas thành axit pyruvic, sau đó khử cacboxyl và hydro hoá thành rượu etylic và khí $\text{CO}_2$:
$$\text{C}6\text{H}{12}\text{O}_6 \rightarrow 2\text{C}_2\text{H}_5\text{OH} + 2\text{CO}_2 + \text{Năng lượng}$$
Sản phẩm phụ diaxetyl (vic-dixeton) hình thành qua con đường sinh tổng hợp valin và izoloxin của tế bào nấm men; lượng diaxetyl dư thừa tạo mùi bơ ủng khó chịu cho bia thành phẩm.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
Luận án sử dụng các phương pháp hoá lý, hoá phân tích và công cụ toán học:
- Xác định chất lượng lúa gạo và malt: Đo độ ẩm, hàm lượng tinh bột, hàm lượng protein tổng số; xác định hoạt lực điastatic của malt (theo phương pháp Windisch – Kolbach), xác định hiệu suất trích ly chất tan và thời gian đường hoá bằng phương pháp đo tỷ trọng và phản ứng iốt.
- Phân tích thành phần dịch đường:
- Xác định hàm lượng đường khử bằng phương pháp Bertrand;
- Xác định hàm lượng đạm tổng số (TN) bằng phương pháp Kjeldahl;
- Xác định hàm lượng đạm hoà tan bền vững (TSN) và đạm amin tự do (FAN) bằng phương pháp chuẩn độ tạo phức màu với ninhydrin hoặc đồng;
- Tính toán chỉ số chuyển hoá nitơ: $\text{IoM} = (\text{TSN} / \text{TN}) \times 100$.
- Phân tích bia bán thành phẩm và thành phẩm:
- Xác định độ đục của bia bằng máy đo độ đục quang học (EBC);
- Định lượng hàm lượng vic-dixeton (diaxetyl, 2,3-pentandion) bằng phương pháp sắc ký khí (GC) với detector cộng kết điện tử (ECD) hoặc ion hoá ngọn lửa (FID);
- Xác định hàm lượng cồn bằng phương pháp sắc ký khí;
- Định lượng các hợp chất este, axetaldehit và rượu cao (ancol bậc cao) bằng phương pháp sắc ký khí;
- Đánh giá độ bền bọt và độ ổn định keo của bia khi bảo quản lạnh và bảo quản ở 25°C sau 30 ngày.
- Phương pháp mô hình hoá thực nghiệm: Sử dụng phương pháp toán học quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố, giải phương trình hồi quy và vẽ đồ thị bề mặt đáp ứng để tìm toạ độ tối ưu cho các thông số công nghệ xử lý nhiệt và khử diaxetyl.
- Phương pháp phân tích cảm quan: Đánh giá chất lượng bia theo phương pháp cho điểm chỉ tiêu mùi, vị, độ trong và bọt theo tiêu chuẩn ngành.
Nguyên liệu và hoá chất
- Gạo: Các mẫu gạo nội địa Việt Nam, tập trung phân tích các giống lúa phía Bắc vụ đông xuân 2000, chọn lọc dòng P4 và P6.
- Malt đại mạch: Malt thương phẩm nhập ngoại có các chỉ số phân giải protein và hoạt lực amylaza xác định.
- Chế phẩm enzim công nghiệp: Termamyl 120L, Fungamyl 800L, Promozyme, Neutrase 0.5L, Ceremix 2XL, Finizym 200L, Cereflo (hãng Novo – Đan Mạch); Hitempase, Profix, Promalt, Bioglucanase (hãng Quest – New Zealand).
Nội dung chính theo từng chương
Chương I: Tổng quan
Chương I tổng kết cơ sở lý luận về nguyên liệu, quá trình hoá học và bức tranh phát triển của ngành bia thế giới cũng như Việt Nam:
- Lịch sử và xu thế phát triển: Trình bày lịch sử ngành sản xuất bia từ nền văn minh Babilon (khoảng 7.000 năm trước), Luật Tinh khiết Đức năm 1516, ứng dụng máy lạnh (1870) và phát hiện nấm men của Louis Pasteur (1897). Ngành bia toàn cầu chuyển dịch sản lượng sang khu vực châu Á – Thái Bình Dương (tăng từ 25% năm 1995 lên 34% năm 2001). Ngành bia Việt Nam có tốc độ phát triển mạnh (sản lượng tăng từ 169 triệu lít năm 1992 lên 704 triệu lít năm 2000).
- Nguyên liệu malt và ngũ cốc thay thế: Phân tích cấu trúc hoá học của malt đại mạch và so sánh với các loại ngũ cốc khác:
| Loại ngũ cốc |
Tinh bột (%) |
Protein (%) |
Lipit (%) |
$\beta$-D-Glucan (%) |
Pentosan (%) |
| Đại mạch |
65 |
10,0 |
3,5 |
3,0 – 4,5 |
9,0 |
| Lúa mì |
64 |
11,0 |
3,0 |
0,2 – 0,5 |
8,5 |
| Ngô |
72 |
11,0 |
4,0 |
0,1 |
5,5 |
| Gạo |
78 |
8,0 |
2,0 |
0,1 – 0,2 |
3,5 |
| Lúa miến |
65 |
10,0 |
3,0 |
0,1 |
5,5 |
| Tiểu mạch |
60 |
13,0 |
2,0 |
0,5 |
6,0 |
| Kê |
60 |
13,0 |
5,0 |
0,1 – 0,3 |
4,0 |
So sánh phân đoạn gluxit giữa gạo và đại mạch cho thấy: gạo chứa 55,2% tinh bột (cao hơn đại mạch 48,1%), nhưng hàm lượng hemixenlulozo thấp hơn (4,1% so với 6,7%), xenlulozo 9,0% so với 4,3%, và pectin 1,0% so với 2,0%. Về protein, phân đoạn chính của gạo là glutelin (75–90%), albumin (2–5%), globulin (2–10%) và prolamin (2–5%), với hàm lượng lyxin đạt 3,8 g/16g nitơ.
- Ảnh hưởng của điều kiện đường hoá đến sản phẩm: Luận án trích dẫn số liệu về tương quan nhiệt độ đến tỷ lệ đường/dextrin:
| Nhiệt độ đường hoá (°C) |
Hàm lượng đường (theo maltozơ, %) |
Hàm lượng dextrin (%) |
Tỷ số Đường / Dextrin |
| 62,5 |
78,64 |
21,36 |
3,68 |
| 65,0 |
79,28 |
20,72 |
3,82 |
| 70,0 |
70,00 |
30,00 |
2,33 |
| 75,0 |
59,96 |
40,04 |
1,50 |
Sự phụ thuộc của thời gian đường hoá và hiệu suất trích ly vào pH dịch đường hoá được dẫn chứng: tại pH 5,3 thời gian đường hoá là 15 phút, hiệu suất đạt 78,8%; tại pH 5,7 thời gian đường hoá 25 phút, hiệu suất 78,4%; tại pH 6,3 thời gian kéo dài lên 45 phút và hiệu suất giảm còn 77,0%.
Chương II: Nguyên liệu và các phương pháp nghiên cứu
Chương II mô tả hệ thống quy trình phân tích và thiết bị phục vụ các mục tiêu nghiên cứu:
- Thiết lập quy trình công nghệ chuẩn bị mẫu gạo, nghiền mịn, phương pháp hồ hoá dịch cháo dưới áp suất và nhiệt độ cao.
- Trình bày chi tiết nguyên lý định lượng các cấu tử hoá học: hoạt lực điastatic của malt, đường khử theo phương pháp Bertrand, đạm tổng số theo Kjeldahl, đạm amin theo phản ứng so màu ninhydrin.
- Xây dựng quy trình sắc ký khí để phân tích vic-dixeton (diaxetyl và 2,3-pentandion), hàm lượng cồn etylic, axetaldehit, các rượu bậc cao (propanol, izobutanol, izoamylactol) và hệ este (etyl axetat, izoamyl axetat) trong bia thành phẩm.
- Áp dụng phương pháp mô hình hoá thực nghiệm đa biến: định nghĩa các mức yếu tố mã hoá ($-1, 0, +1$) cho nhiệt độ xử lý, thời gian lưu và nồng độ diaxetyl ban đầu để tối ưu hoá thông số công nghệ.
Chương III: Kết quả nghiên cứu và bàn luận
Chương III là phần thực nghiệm trọng tâm của luận án, tập trung vào các kết quả sau:
- Đặc tính của nguyên liệu gạo Việt Nam: Khảo sát thành phần hoá lý các giống gạo trồng tại Việt Nam, đặc biệt là 10 giống lúa có diện tích gieo trồng lớn nhất vụ đông xuân 2000 ở phía Bắc. Tác giả xác định hai giống lúa P4 và P6 có các chỉ tiêu vượt trội: hàm lượng đạm tổng số đạt trên 10% (cao hơn mức trung bình 6–8% của các giống thông thường), tạo tiền đề giải quyết vấn đề nghèo đạm khi nâng tỷ lệ thay thế malt lên cao.
- Ảnh hưởng của tỷ lệ gạo đến tính chất dịch đường: Khi tăng tỷ lệ gạo thay thế từ 20% lên 50–60%, dịch đường có xu hướng giảm hàm lượng đạm amin tự do (FAN) và đạm tổng số, tăng độ nhớt và kéo dài thời gian lọc nếu không xử lý công nghệ phù hợp.
- Tối ưu hoá quá trình chuẩn bị dịch đường:
- Xác lập chế độ nấu cháo (hồ hoá và dịch hoá tinh bột gạo): Chế độ xử lý nhiệt độ cao tại 121°C trong thời gian 30–60 phút phối hợp enzim chịu nhiệt Termamyl 120L giúp phá vỡ màng bao tinh bột gạo hoàn toàn, dịch hoá triệt để, giảm độ nhớt và tăng tốc độ lọc dịch đường.
- Bổ sung hệ enzim ngoại sinh: Kết hợp enzim amylaza chịu nhiệt và chế phẩm proteaza (Neutrase) giúp phục hồi hàm lượng đạm amin trong dịch đường lên mức tối thiểu đáp ứng nhu cầu của nấm men.
- Khảo sát các thông số pH và nồng độ cơ chất: Điều chỉnh pH nước nấu về vùng 5,4–5,6 và duy trì nồng độ cơ chất hợp lý tạo điều kiện cực đại cho hoạt tính của amylaza và proteaza, giúp tỷ số đường/dextrin đạt giá trị mong muốn cho quá trình lên men.
- Động học quá trình lên men và xử lý nhiệt dịch lên men:
- Ứng dụng công nghệ lên men dịch đường nồng độ cao (14,5–16°Bx): Quá trình chuyển hoá đường, mức tiêu thụ FAN và sự tích luỹ cồn diễn ra ổn định.
- Kiểm soát hàm lượng diaxetyl: Luận án phân tích cơ chế hình thành diaxetyl liên quan đến chu trình sinh tổng hợp valin – izoloxin. Tác giả áp dụng mô hình toán học và kiểm định các phương trình hồi quy, xác định chế độ xử lý nhiệt dịch lên men chính ở nhiệt độ 20–25°C trong thời gian 3–4 ngày. Chế độ này thúc đẩy quá trình khử diaxetyl từ dịch lên men, làm giảm nồng độ diaxetyl trong bia thành phẩm xuống dưới ngưỡng cảm nhận (< 0,1 mg/L).
- Thành phần hoá lý và chất lượng cảm quan bia thành phẩm:
- Các chỉ số hoá lý của bia sản xuất với 50–60% gạo đạt tiêu chuẩn: hàm lượng cồn, độ chua, độ đục EBC, độ bền bọt và nồng độ các este, rượu cao nằm trong giới hạn kiểm soát.
- Độ ổn định keo của bia khi lưu giữ 30 ngày ở 25°C và bảo quản lạnh đạt kết quả tương đương các mẫu bia đối chứng nấu từ malt truyền thống.
- Thử nghiệm sản xuất ở quy mô lớn tại Công ty Bia Kirin (Nhật Bản) và thử nghiệm thay thế 50–60% gạo tại Công ty Cổ phần Bia Ba Lan xác nhận tính khả thi công nghệ và cho sản phẩm có điểm đánh giá cảm quan tốt.
- Hạch toán kinh tế chứng minh việc thay thế 50–60% malt bằng gạo nội địa giúp giảm đáng kể chi phí nguyên liệu đầu vào trên mỗi hectolit bia.
Kết quả và những đóng góp mới
Những đóng góp mới về mặt khoa học và thực tiễn
Tác giả đúc kết 4 đóng góp mới trong bản luận án:
- Xác định được đặc tính của một số loại gạo của Việt Nam dùng cho sản xuất bia; trong số đó đã lựa chọn được hai giống gạo P4 và P6 có hàm lượng đạm tổng số lớn hơn 10%, rất phù hợp cho việc thay thế malt đại mạch ở tỷ lệ cao.
- Xác định được chế độ công nghệ cho quá trình hồ hoá và dịch hoá tinh bột gạo tối ưu nhất là xử lý ở nhiệt độ 121°C trong khoảng thời gian từ 30 đến 60 phút.
- Xác định điều kiện lên men và chế độ xử lý nhiệt dịch lên men chính ở dải nhiệt độ 20–25°C trong 3–4 ngày, giúp hạ thấp hàm lượng diaxetyl trong bia thành phẩm xuống dưới 0,1 mg/L. Áp dụng thành công phương pháp toán học mô hình hoá thực nghiệm để xác định các thông số tối ưu trong quá trình xử lý nhiệt này.
- Nghiên cứu và ứng dụng thành công công nghệ lên men dịch đường có nồng độ cao (14,5–16°Bx), kết hợp xử lý nhiệt dịch sau lên men nhằm bảo đảm các chỉ tiêu chất lượng hoá lý và cảm quan của bia thành phẩm khi nâng tỷ lệ thay thế gạo lên tới 50–60% lượng nguyên liệu thay cho malt đại mạch.
Kiến nghị và giải pháp đề xuất
- Ứng dụng quy trình hồ hoá ở 121°C cùng các chế phẩm enzim thuỷ phân tinh bột và protein thích hợp tại các cơ sở sản xuất bia công nghiệp để chủ động thay thế malt nhập khẩu bằng gạo nội địa.
- Sử dụng quy hoạch thực nghiệm và sắc ký khí để kiểm soát hàm lượng diaxetyl trong quá trình xử lý nhiệt dịch lên men nồng độ cao, rút ngắn chu kỳ lên men phụ mà vẫn đảm bảo độ trong và hương vị bia.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế: Luận án tập trung khảo sát trên các mẫu gạo nội địa miền Bắc (chủ yếu là giống P4, P6 vụ đông xuân 2000), chưa bao quát toàn bộ các giống lúa gạo ở các vùng sinh thái thổ nhưỡng khác như Đồng bằng sông Cửu Long. Các thử nghiệm sản xuất công nghiệp mới dừng lại ở quy mô thử nghiệm tại Công ty Cổ phần Bia Ba Lan và Công ty Bia Kirin.
- Hướng nghiên cứu tiếp:
- Tiếp tục khảo nghiệm và tiêu chuẩn hoá thêm các giống lúa có hàm lượng đạm cao tại các vùng miền khác nhau để xây dựng danh mục nguyên liệu gạo ổn định cho ngành bia.
- Tối ưu hoá hơn nữa tỷ lệ phối trộn các chế phẩm enzim công nghiệp mới nhằm tiếp tục nâng cao hiệu suất thu hồi chất trích ly và giảm thiểu chi phí năng lượng trong giai đoạn xử lý nhiệt 121°C.
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu tham khảo cho:
- Cán bộ nghiên cứu, nghiên cứu sinh và học viên cao học: Chuyên ngành Hoá học, Hoá hữu cơ, Công nghệ sinh học và Công nghệ thực phẩm quan tâm đến động học phản ứng thuỷ phân tinh bột, phân giải protein và cơ chế chuyển hoá hoá sinh trong lên men bia.
- Kỹ sư công nghệ và nhà sản xuất bia: Tham khảo trực tiếp quy trình công nghệ hồ hoá gạo ở 121°C, các thông số phối chế enzim chịu nhiệt, chế độ lên men dịch đường nồng độ cao (14,5–16°Bx) và biện pháp xử lý nhiệt để giảm diaxetyl xuống dưới 0,1 mg/L.
- Các nhà hoạch định chính sách ngành đồ uống: Cung cấp cơ sở khoa học và số liệu tính toán hiệu quả kinh tế cho định hướng gia tăng tỷ lệ nội địa hoá nguồn nguyên liệu nông sản, cắt giảm kim ngạch nhập khẩu malt đại mạch.
Câu hỏi thường gặp
1. Vì sao gạo cần được xử lý hồ hoá ở nhiệt độ lên tới 121°C thay vì các mức nhiệt thông thường?
Tinh bột gạo tẻ có nhiệt độ hồ hoá cao (70–85°C), cấu trúc hạt tinh bột bền và kích thước bé hơn tinh bột đại mạch. Luận án xác định chế độ xử lý nhiệt ở 121°C trong 30–60 phút giúp phá vỡ triệt để màng bao tinh bột, tạo điều kiện cho enzim dịch hoá thâm nhập và cắt mạch nhanh, làm giảm độ nhớt và tránh hiện tượng dịch cháo bị hồ hoá không hoàn toàn gây khó lọc.
2. Tiêu chí quan trọng nhất giúp tác giả chọn hai giống lúa P4 và P6 cho tỷ lệ thay thế cao là gì?
Khác với các giống gạo thông thường chỉ có hàm lượng protein khoảng 6–8%, giống lúa P4 và P6 được xác định có hàm lượng đạm tổng số đạt trên 10%. Hàm lượng này bù đắp lượng nitơ thiếu hụt khi thay thế 50–60% malt, cung cấp đủ đạm amin tự do (FAN) cho nấm men sinh trưởng.
3. Tác giả đã giải quyết vấn đề mùi diaxetyl trong bia khi lên men nồng độ cao bằng biện pháp nào?
Bằng phương pháp mô hình hoá thực nghiệm toán học, tác giả xác định chế độ xử lý nhiệt dịch lên men chính ở dải nhiệt độ 20–25°C kéo dài 3–4 ngày. Quá trình này đẩy nhanh phản ứng chuyển hoá và khử hợp chất vicinal diketone, đưa hàm lượng diaxetyl trong sản phẩm cuối cùng về mức an toàn dưới 0,1 mg/L.
4. Dịch đường nồng độ cao trong nghiên cứu được kiểm soát ở mức nào?
Luận án nghiên cứu và áp dụng dịch đường có nồng độ chất khô hoà tan trong khoảng 14,5 đến 16°Bx, kết hợp xử lý nhiệt sau lên men để đảm bảo chất lượng bia thành phẩm khi thay thế 50–60% gạo.
5. Luận án đã thử nghiệm sản xuất thực tế tại những đơn vị nào?
Các kết quả công nghệ của đề tài đã được đưa vào sản xuất thử nghiệm tại Công ty Cổ phần Bia Ba Lan (Việt Nam) ở quy mô thay thế 50–60% gạo và thử nghiệm tại Công ty Bia Kirin (Nhật Bản).
Kết luận
Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Thị Thu Vinh đã giải quyết trọn vẹn vấn đề nâng tỷ lệ gạo thay thế malt đại mạch lên mức 50–60% trong công nghệ sản xuất bia thông qua việc làm sáng tỏ các biến đổi hoá học và xúc tác sinh học. Công trình đã lựa chọn thành công các giống lúa nội địa giàu đạm (P4, P6), xác lập thông số hồ hoá tối ưu ở 121°C và xây dựng chế độ xử lý nhiệt ở 20–25°C để khử diaxetyl xuống dưới 0,1 mg/L trên dịch đường nồng độ cao 14,5–16°Bx. Các phát hiện của luận án có giá trị khoa học trong lĩnh vực hoá học các hợp chất thiên nhiên và đóng góp giải pháp thực tiễn quan trọng giúp ngành bia Việt Nam chủ động nguồn nguyên liệu, tiết kiệm chi phí ngoại tệ.
