Luận văn thạc sĩ về công nghệ sinh học trong sản xuất bia nồng độ cao sử dụng nấm men cố định

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích công nghệ sinh học thử nghiệm lên men bia nồng độ cao sử dụng nấm men cố định trên chất mang, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải

• Tác giả: Hồ Thị Mỹ Nhân
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Thúy Hương
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM
• Chuyên ngành: Công Nghệ Sinh Học
• Đề tài: Nghiên Cứu Công Nghệ Sinh Học Trong Sản Xuất Bia Nồng Độ Cao Với Nấm Men Cố Định
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: TP.HCM

Mục lục chi tiết

• LỜI CÁM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Lên men bia nồng độ cao
• 1.2. Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến quá trình lên men bia nồng độ cao
• 1.2.1. Ảnh hưởng của hàm lượng vật chất khô ban đầu trong dịch nha
• 1.2.2. Ảnh hưởng mật độ nấm men gieo cấy ban đầu
• 1.2.3. Ảnh hưởng của hàm lượng oxy hòa tan trong dịch nha ban đầu
• 1.2.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên men
• 1.2.5. Ảnh hưởng của nồng độ ethanol trong dịch lên men
• 1.3. Nấm men cố định
• 1.3.1. Định nghĩa
• 1.3.2. Chất mang trong kĩ thuật cố định tế bào
• 1.3.3. Các phương pháp cố định tế bào nấm men
• 2. CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Nguyên liệu nấu dịch nha
• 2.2. Chất mang cố định cellulose vi khuẩn
• 2.3. Bố trí thí nghiệm
• 2.3.1. Thí nghiệm 1: Khảo sát các điều kiện lên men thích hợp đối với chủng nấm men Saccharomyces cerevisiae chịu được nồng độ cao có nguồn gốc tại cơ sở sản xuất bia Viễn Đông
• 2.3.2. Thí nghiệm 2: Khảo sát điều kiện thích hợp để cố định nấm men trên chất mang cellulose vi khuẩn
• 2.3.3. So sánh biến động của quá trình lên men bởi nấm men cố định trên chất mang cellulose vi khuẩn và nấm men tự do trong quá trình lên men chính
• 2.3.4. Khảo sát khả năng tái sử dụng nấm men cố định trên cellulose vi khuẩn để lên men bia nồng độ cao
• 2.3.5. Thử nghiệm lên men bia với nấm men cố định trên chất mang cellulose vi khuẩn quy mô phòng thí nghiệm tại cơ sở sản xuất bia Viễn Đông
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Khảo sát các điều kiện lên men thích hợp cho chủng nấm men chịu được nồng độ cao có nguồn gốc tại cơ sở sản xuất bia Viễn Đông
• 3.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của mật độ giống cấy ban đầu đến biến động của quá trình lên men chính
• 3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng vật chất khô ban đầu đến biến động của quá trình lên men chính
• 3.1.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên men đến sự sinh tổng hợp ethanol (% v/v)
• 3.2. Khảo sát điều kiện thích hợp để cố định nấm men trên chất mang cellulose vi khuẩn
• 3.2.1. Ảnh hưởng của mật độ tế bào trong huyền phù giống
• 3.2.2. Ảnh hưởng của khối lượng chất mang
• 3.2.3. Ảnh hưởng của tốc độ lắc đảo
• 3.2.4. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ nấm men
• 3.3. Đánh giá khả năng lên men bia nồng độ cao bởi nấm men cố định trên chất mang cellulose vi khuẩn
• 3.3.1. So sánh biến động lên men của nấm men cố định trên chất mang cellulose vi khuẩn và nấm men tự do trong quá trình lên men chính
• 3.3.2. Khả năng tái sử dụng nấm men cố định trên cellulose vi khuẩn để lên men
• 3.3.3. Thử nghiệm lên men bia với nấm men cố định trên chất mang cellulose vi khuẩn quy mô phòng thí nghiệm tại cơ sở sản xuất bia Viễn Đông
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Giới thiệu về công nghệ sinh học trong sản xuất bia

Công nghệ sinh học đã trở thành một phần quan trọng trong ngành sản xuất bia, đặc biệt là trong việc nâng cao chất lượng và hiệu suất sản xuất. Việc áp dụng công nghệ sinh học trong sản xuất bia nồng độ cao không chỉ giúp cải thiện quy trình sản xuất mà còn tạo ra những sản phẩm mới với chất lượng vượt trội. Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng nấm men cố định trên chất mang cellulose vi khuẩn, nhằm tối ưu hóa quá trình lên men và tăng cường khả năng sản xuất bia nồng độ cao. Theo nghiên cứu, việc sử dụng nấm men cố định cho thấy hiệu quả vượt trội so với nấm men tự do, đặc biệt trong điều kiện lên men khắc nghiệt.

1.1. Lên men bia nồng độ cao

Lên men bia nồng độ cao là quá trình lên men dịch nha có hàm lượng vật chất khô ban đầu cao hơn thông thường, dẫn đến nồng độ ethanol trong bia non cao. Quá trình này không chỉ giúp tăng sản lượng bia mà còn giảm chi phí sản xuất. Tuy nhiên, nó cũng gặp phải một số thách thức như kéo dài thời gian lên men và giảm chất lượng sản phẩm. Việc áp dụng công nghệ sinh học trong quá trình này có thể giúp khắc phục những vấn đề này, đặc biệt là thông qua việc sử dụng nấm men cố định.

II. Quy trình sản xuất bia với nấm men cố định

Quy trình sản xuất bia với nấm men cố định bao gồm nhiều bước quan trọng, từ việc chuẩn bị nguyên liệu đến quá trình lên men. Nguyên liệu chính bao gồm malt, hoa bia, nước và nấm men. Việc sử dụng nấm men cố định trên chất mang cellulose vi khuẩn giúp tăng cường khả năng lên men và tạo ra sản phẩm có chất lượng cao hơn. Nghiên cứu cho thấy rằng nồng độ ethanol trong bia non sau lên men có thể đạt tới 11,2% (v/v), cao gấp 2,2 lần so với bia truyền thống. Điều này chứng tỏ rằng công nghệ sinh học có thể cải thiện đáng kể hiệu suất sản xuất bia.

2.1. Các điều kiện lên men

Các điều kiện lên men là yếu tố quyết định đến chất lượng sản phẩm bia. Nghiên cứu đã khảo sát các yếu tố như mật độ giống cấy, hàm lượng vật chất khô, nhiệt độ lên men và nồng độ ethanol trong dịch lên men. Kết quả cho thấy rằng việc tối ưu hóa các điều kiện này có thể giúp tăng cường khả năng lên men của nấm men cố định. Đặc biệt, việc kiểm soát nhiệt độ và mật độ giống cấy là rất quan trọng để đạt được hiệu suất tối ưu trong quá trình sản xuất bia nồng độ cao.

III. Đánh giá chất lượng sản phẩm bia

Chất lượng sản phẩm bia được đánh giá thông qua các chỉ tiêu hóa lý như độ màu, độ chua, hàm lượng CO2 và nồng độ ethanol. Nghiên cứu cho thấy rằng bia sản xuất từ nấm men cố định có độ màu cao, độ chua thấp và nồng độ ethanol đạt 11,2% (v/v). Những kết quả này cho thấy rằng việc sử dụng công nghệ sinh học trong sản xuất bia không chỉ cải thiện chất lượng sản phẩm mà còn mở ra hướng đi mới cho ngành công nghiệp bia. Việc áp dụng công nghệ sinh học trong sản xuất bia nồng độ cao có thể giúp các cơ sở sản xuất nâng cao năng suất và giảm chi phí sản xuất.

3.1. Tính bền vững trong sản xuất bia

Tính bền vững trong sản xuất bia là một yếu tố quan trọng trong bối cảnh hiện nay. Việc sử dụng nấm men cố định không chỉ giúp tăng cường hiệu suất sản xuất mà còn giảm thiểu tác động đến môi trường. Nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng công nghệ sinh học có thể giúp giảm lượng chất thải và tiết kiệm năng lượng trong quá trình sản xuất. Điều này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Lên men bia nồng độ cao (High Gravity Brewing) là quá trình lên men dịch nha có hàm lượng vật chất khô ban đầu cao hơn thông thường, thường từ 16-22°Plato, nhằm tạo ra bia non với nồng độ ethanol cao hơn so với phương pháp truyền thống. Theo báo cáo của ngành, việc áp dụng công nghệ này giúp tăng năng suất sản xuất lên đến 50%, đồng thời giảm chi phí năng lượng và lao động từ 14-30%. Tuy nhiên, quá trình này gặp nhiều thách thức như stress áp suất thẩm thấu và nồng độ ethanol cao gây ức chế hoạt động của nấm men, làm kéo dài thời gian lên men và ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.

Luận văn thạc sĩ của Hồ Thị Mỹ Nhân tại Trường Đại học Bách Khoa TP. HCM tập trung nghiên cứu thử nghiệm lên men bia nồng độ cao sử dụng nấm men cố định trên chất mang cellulose vi khuẩn tại cơ sở sản xuất bia Viễn Đông. Mục tiêu chính là khảo sát các điều kiện lên men thích hợp cho chủng nấm men Saccharomyces cerevisiae chịu được nồng độ cao, xác định điều kiện cố định tế bào trên chất mang cellulose vi khuẩn, và đánh giá khả năng lên men cũng như tái sử dụng nấm men cố định trong quy trình sản xuất bia nồng độ cao quy mô phòng thí nghiệm.

Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 1/2017 đến tháng 12/2017 tại cơ sở sản xuất bia Viễn Đông, TP. HCM. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả công nghệ lên men bia nồng độ cao, cải thiện chất lượng sản phẩm và giảm chi phí sản xuất, góp phần thúc đẩy phát triển ngành công nghiệp bia trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

• Lên men bia nồng độ cao (High Gravity Brewing): Quá trình lên men dịch nha có hàm lượng vật chất khô ban đầu cao, tạo ra bia non với nồng độ ethanol cao, giúp tăng năng suất và tiết kiệm chi phí sản xuất.
• Nấm men cố định (Immobilized Yeast): Nấm men được cố định trên chất mang nhằm tăng mật độ tế bào, ổn định hoạt tính lên men, giảm nguy cơ nhiễm khuẩn và tăng khả năng tái sử dụng.
• Chất mang cellulose vi khuẩn (Bacterial Cellulose - BC): Polymer tự nhiên có cấu trúc mạng lưới bền vững, độ tinh khiết cao, khả năng giữ nước tốt, thích hợp làm chất mang cố định tế bào nấm men.
• Phương pháp hấp phụ-ủ (Adsorption-incubation): Kỹ thuật cố định tế bào nấm men trên chất mang bằng cách hấp phụ tế bào lên bề mặt cellulose vi khuẩn, sau đó ủ để tăng sinh khối tế bào cố định.
• Các chỉ tiêu hóa lý và vi sinh trong lên men bia: Bao gồm mật độ tế bào, nồng độ ethanol, hàm lượng vật chất khô (°Plato), pH, độ màu (EBC), độ chua, hàm lượng CO₂, và các sản phẩm phụ như diacetyl, ester.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nấm men Saccharomyces cerevisiae chịu được nồng độ cao được lấy từ cơ sở sản xuất bia Viễn Đông. Chất mang cellulose vi khuẩn thu nhận từ quá trình lên men Acetobacter xylinum trên nước dừa già.
• Phương pháp cố định tế bào: Sử dụng phương pháp hấp phụ-ủ trên chất mang cellulose vi khuẩn với các biến số được khảo sát gồm mật độ tế bào trong huyền phù giống, khối lượng chất mang, tốc độ lắc đảo và thời gian hấp phụ.
• Thiết kế thí nghiệm:
  • Khảo sát điều kiện lên men thích hợp gồm mật độ giống cấy ban đầu (10⁷ - 4x10⁷ tb/mL), hàm lượng vật chất khô ban đầu (20-24°Plato), nhiệt độ lên men (17-25°C).
  • Xác định điều kiện cố định nấm men trên cellulose vi khuẩn với các yếu tố thay đổi như mật độ tế bào huyền phù giống (10⁷ - 5x10⁷ tb/mL), khối lượng chất mang (5-25g/100mL), tốc độ lắc đảo (0-400 vòng/phút), thời gian hấp phụ (20-60 phút).
  • Thử nghiệm lên men bia nồng độ cao quy mô phòng thí nghiệm (10 lít) so sánh nấm men cố định và nấm men tự do.
• Phương pháp phân tích: Đếm tế bào trực tiếp bằng kính hiển vi, nhuộm xanh methylen xác định tế bào sống/chết, đo các chỉ tiêu hóa lý như nồng độ ethanol bằng phương pháp chưng cất, độ màu (EBC), độ chua, pH, hàm lượng CO₂.
• Cỡ mẫu và lặp lại: Mỗi thí nghiệm được lặp lại 3 lần để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả.
• Xử lý số liệu: Sử dụng Microsoft Excel 2016 để phân tích và trình bày dữ liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Điều kiện lên men thích hợp cho nấm men Saccharomyces cerevisiae chịu nồng độ cao:

   • Mật độ giống cấy ban đầu 2x10⁷ tb/mL cho kết quả lên men ưu thế nhất, với nồng độ ethanol đạt 9,5% (v/v) sau 144 giờ, cao hơn so với các mật độ khác (10⁷ tb/mL đạt 8,4% v/v).
   • Hàm lượng vật chất khô ban đầu 22°Plato là tối ưu, cho nồng độ ethanol 10,4% (v/v), cao hơn 9,5% và 9% ở 20°Plato và 24°Plato.
   • Nhiệt độ lên men 22°C cho mật độ tế bào cực đại 2,38x10⁸ tb/mL và nồng độ ethanol 10,7% (v/v), vượt trội so với 17°C, 20°C và 25°C.

2. Điều kiện cố định nấm men trên chất mang cellulose vi khuẩn:

   • Mật độ tế bào trong huyền phù giống 2x10⁷ tb/mL đạt hiệu suất cố định cao nhất 88%, mật độ tế bào cố định 1,76x10⁸ tb/g chất mang.
   • Khối lượng chất mang 20g/100mL huyền phù giống là tối ưu, hiệu suất cố định đạt 92%, mật độ tế bào cố định 1,84x10⁸ tb/g.
   • Tốc độ lắc đảo 200 vòng/phút cho hiệu suất cố định 92% và mật độ tế bào cố định 1,84x10⁸ tb/g; tốc độ cao hơn không cải thiện đáng kể.
   • Thời gian hấp phụ 30 phút là đủ để đạt hiệu suất cố định 94% và mật độ tế bào cố định 1,88x10⁸ tb/g.

3. So sánh quá trình lên men giữa nấm men cố định và nấm men tự do:

   • Nồng độ ethanol trong bia non lên men bằng nấm men cố định đạt 11,2% (v/v), gấp 2,2 lần so với nấm men tự do (5% v/v).
   • Hàm lượng vật chất khô trong dịch nha ban đầu của nấm men cố định là 22°Plato, cao hơn 1,83 lần so với 12-13°Plato của nấm men tự do.
   • Các chỉ tiêu hóa lý như độ màu (16 EBC), độ chua (2,6 mL), hàm lượng CO₂ (5,6 g/L) đều đạt mức khả quan, đảm bảo chất lượng bia non.
   • Nấm men cố định có khả năng tái sử dụng qua nhiều chu kỳ lên men mà không giảm đáng kể hoạt tính.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc sử dụng nấm men cố định trên chất mang cellulose vi khuẩn giúp cải thiện đáng kể hiệu suất lên men bia nồng độ cao so với nấm men tự do. Điều này phù hợp với các nghiên cứu trong và ngoài nước, trong đó nấm men cố định giúp tăng mật độ tế bào, ổn định hoạt tính lên men và chịu được stress ethanol cũng như áp suất thẩm thấu cao.

Việc lựa chọn mật độ giống cấy ban đầu 2x10⁷ tb/mL, hàm lượng vật chất khô 22°Plato và nhiệt độ lên men 22°C là phù hợp với đặc tính sinh lý của chủng nấm men Saccharomyces cerevisiae tại cơ sở sản xuất bia Viễn Đông, giúp tối ưu hóa quá trình lên men và nâng cao nồng độ ethanol.

Phương pháp hấp phụ-ủ trên chất mang cellulose vi khuẩn được chứng minh là hiệu quả với các điều kiện tối ưu về mật độ tế bào, khối lượng chất mang, tốc độ lắc đảo và thời gian hấp phụ. Hình ảnh SEM cho thấy cấu trúc nấm men cố định không bị biến dạng, đảm bảo hoạt tính lên men ổn định.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ biến động mật độ tế bào, nồng độ ethanol theo thời gian lên men, bảng so sánh các chỉ tiêu hóa lý giữa nấm men cố định và tự do, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của phương pháp cố định.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng quy trình lên men bia nồng độ cao sử dụng nấm men cố định trên cellulose vi khuẩn tại các cơ sở sản xuất bia quy mô nhỏ và vừa nhằm tăng năng suất và chất lượng sản phẩm. Thời gian triển khai: 6-12 tháng.

2. Đào tạo kỹ thuật viên và công nhân vận hành về kỹ thuật cố định nấm men và kiểm soát quá trình lên men để đảm bảo hiệu quả và ổn định quy trình. Chủ thể thực hiện: phòng kỹ thuật và đào tạo của nhà máy, thời gian 3-6 tháng.

3. Đầu tư nghiên cứu phát triển và thương mại hóa chất mang cellulose vi khuẩn nhằm giảm chi phí nguyên liệu và nâng cao khả năng tái sử dụng nấm men cố định. Chủ thể: các viện nghiên cứu, doanh nghiệp công nghệ sinh học, thời gian 1-2 năm.

4. Xây dựng hệ thống kiểm soát chất lượng sản phẩm bia nồng độ cao theo tiêu chuẩn TCVN và quốc tế, tập trung vào các chỉ tiêu hóa lý và vi sinh để đảm bảo an toàn và chất lượng. Thời gian: liên tục, chủ thể: bộ phận QC nhà máy.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà sản xuất bia quy mô nhỏ và vừa: Nghiên cứu cung cấp giải pháp công nghệ lên men bia nồng độ cao hiệu quả, giúp tăng năng suất và giảm chi phí sản xuất.

2. Chuyên gia và kỹ sư công nghệ sinh học trong ngành thực phẩm: Tham khảo phương pháp cố định nấm men trên chất mang cellulose vi khuẩn, ứng dụng trong lên men bia và các sản phẩm lên men khác.

3. Các viện nghiên cứu và trường đại học: Là tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu về công nghệ lên men, vật liệu sinh học và ứng dụng vi sinh trong công nghiệp.

4. Doanh nghiệp công nghệ sinh học và sản xuất vật liệu sinh học: Tham khảo công nghệ sản xuất và ứng dụng cellulose vi khuẩn làm chất mang cố định tế bào, mở rộng ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm và dược phẩm.

Câu hỏi thường gặp

1. Nấm men cố định trên cellulose vi khuẩn có ưu điểm gì so với nấm men tự do?
   Nấm men cố định giúp tăng mật độ tế bào, ổn định hoạt tính lên men, chịu được stress ethanol và áp suất thẩm thấu cao, đồng thời có thể tái sử dụng nhiều lần, giảm chi phí sản xuất.

2. Điều kiện lên men nào là tối ưu cho quá trình lên men bia nồng độ cao?
   Mật độ giống cấy ban đầu 2x10⁷ tb/mL, hàm lượng vật chất khô 22°Plato và nhiệt độ lên men 22°C được xác định là điều kiện tối ưu giúp đạt nồng độ ethanol cao và thời gian lên men hợp lý.

3. Phương pháp cố định nấm men trên cellulose vi khuẩn được thực hiện như thế nào?
   Phương pháp hấp phụ-ủ gồm hai giai đoạn: hấp phụ tế bào nấm men lên bề mặt chất mang cellulose vi khuẩn trong 30 phút với tốc độ lắc 200 vòng/phút, sau đó ủ để tế bào tăng sinh trên chất mang.

4. Nồng độ ethanol đạt được khi sử dụng nấm men cố định là bao nhiêu?
   Nồng độ ethanol trong bia non lên men bằng nấm men cố định đạt 11,2% (v/v), cao gấp 2,2 lần so với nấm men tự do (5% v/v).

5. Nấm men cố định có thể tái sử dụng bao nhiêu lần trong quy trình lên men?
   Nghiên cứu cho thấy nấm men cố định trên cellulose vi khuẩn có thể tái sử dụng qua nhiều chu kỳ lên men mà không giảm đáng kể hoạt tính, giúp tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả sản xuất.

Kết luận

• Đã xác định được điều kiện lên men tối ưu cho chủng nấm men Saccharomyces cerevisiae chịu nồng độ cao: mật độ giống cấy 2x10⁷ tb/mL, hàm lượng vật chất khô 22°Plato, nhiệt độ 22°C.
• Phương pháp hấp phụ-ủ trên chất mang cellulose vi khuẩn là hiệu quả để cố định nấm men với hiệu suất cố định lên đến 94% và mật độ tế bào cố định 1,88x10⁸ tb/g.
• Nấm men cố định cho hiệu suất lên men vượt trội, nồng độ ethanol bia non đạt 11,2% (v/v), cao gấp hơn 2 lần so với nấm men tự do.
• Nấm men cố định có khả năng tái sử dụng nhiều lần, giúp giảm chi phí và tăng hiệu quả sản xuất bia nồng độ cao.
• Đề xuất áp dụng công nghệ này tại các cơ sở sản xuất bia quy mô nhỏ và vừa, đồng thời phát triển thương mại hóa chất mang cellulose vi khuẩn.

Next steps: Triển khai thử nghiệm quy mô công nghiệp, đào tạo nhân lực và phát triển sản phẩm thương mại từ công nghệ nấm men cố định trên cellulose vi khuẩn.

Các nhà sản xuất và nghiên cứu trong ngành công nghiệp bia nên cân nhắc áp dụng công nghệ nấm men cố định để nâng cao chất lượng và hiệu quả sản xuất, đồng thời hợp tác nghiên cứu phát triển vật liệu sinh học mới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TONG QUAN 1. Lên men bia nông độ cao 1. Định nghĩa Lên men bia nông độ cao là quá trình lên men dịch nha có hàm lượng vật chất khô ban đầu cao hơn thông thường. hàm lượng vật chất khô có thé lên đến 16- 18°Plato hoặc thậm chí cao hon, dẫn đến nồng độ ethanol trong bia non cao.

Sau khi lên men, sản phẩm tạo thành (có nồng độ ethanol cao) sẽ được pha loấng để tạo ra bia thành phẩm có nông độ ethanol như bia được lên men theo phương pháp truyền thống từ dịch nha có hàm lượng vat chất khô (10-12°Plato) khi đó nồng độ ethanol sẽ là 5% (v/v) [29]. Lên men bia nông độ cao đã phát triển đáng ké trong nhiều năm qua do một số lợi ich: tăng sản lượng bia, do đó các thiết bị sản xuất tại nhà máy được sử dụng hiệu quả hơn; giảm chi phí năng lượng, lao động, vệ sinh và chi phí nước thải. Vi dụ, khi lên men dịch nha 15°Plato thì năng lượng tiêu thụ có thể giảm tới 14% và tăng năng suất lao động lên đến 25-30% hoặc công suất có thể tăng 50% đối với dịch nha 18°Plato [29]. Tuy nhiên, lên men bia néng độ cao vẫn còn gặp một số khó khăn liên quan đến quy trình sản xuất như: kéo dài thời gian lên men; gia tăng stress cho nắm men do áp suất thắm thấu và nồng độ ethanol cao.

Ngoài ra, sản xuất bia nồng độ cao còn tồn tại một số điểm hạn chế liên quan đến chất lượng sản phẩm như: giảm độ bên bọt bia; thay đổi mùi vị của bia [40]. Anh hưởng của các yếu tố công nghệ đến quá trình lên men bia nồng độ cao Quá trình lên men bia nồng độ cao bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố: hàm lượng vật chất khô ban đầu trong dịch nha, trong đó chủ yếu là đường: thành phần dinh dưỡng trong dich nha; mật độ nam men gieo cấy ban đầu; hàm lượng oxy trong dịch nha ban đầu: nhiệt độ lên men và nông độ ethanol sinh ra trong dịch lên men. Anh hưởng của hàm lượng vật chất khô ban đầu trong dịch nha Trong quá trình lên men bia, đặc biệt lên men bia nồng độ cao, stress áp suất thâm thấu làm cho tế bào co lại và giảm thể tích. Tuy nhiên, thể tích không bào của nam men lại gia tang; ty lệ tê bào sông trong bia non sẽ giảm mạnh.P (1983, 1984, 1985) cho răng quá trình lên men diễn ra chậm han khi gia tăng hàm lượng vật chất khô ban đầu có trong dịch nha cao hơn 18°Plato.

Tuy nhiên, McCaig R. (1996) kết luận rang, quá trình lên men bia diễn ra chậm hăn khi hàm lượng vật chất khô có trong dịch nha gia tăng trên 24°Plato. Nhìn chung, ngưỡng giá trị hàm lượng vật chất khô ban đầu của dịch nha làm cho quá trình lên men diễn ra chậm lại sẽ phụ thuộc vào chủng nắm men sử dụng [4]. Anh hưởng mật độ nam men gieo cấy ban đầu Việc xác định mật độ nam men gieo cây ban đầu phù hợp để tối ưu hóa quy trình lên men bia nông độ cao sử dụng nắm men cô định đã trở thành một vẫn dé cấp thiết.

Đối với nắm men tự do, khi tăng mật độ giống cấy từ 10—10” tb/mL thì mật độ tế bào trong ImL dịch lên men khi kết thúc quá trình lên men chính không có khác biệt nhiều. Bên cạnh đó, khi tăng mật độ giống cây thi hàm lượng các sản phẩm phụ của quá trình lên men cũng giảm, tốc độ lên men tăng, hàm lượng đường sót giảm. Hon nữa, khi tăng mật độ giống cấy từ 10” — 2.10” tb/mL dịch nha thì hàm lượng diacetyl giảm từ 0,45 mg/L xuống còn 0,32 mg/L, các sản phẩm phụ khác như aldehyde, ester cũng giảm [21]. Anh hưởng của hàm lượng oxy hòa tan trong dịch nha ban đầu Nghiên cứu cua L.

Theo O’Connor-Cox (1993) cũng cho rằng việc cung cấp oxy với nồng độ 25ppm tại giờ lên men thứ 12 sẽ làm tăng hoạt tính lên men, tốc độ sinh tổng hợp ethanol của nam men có sục khí tăng 20% so với không sục khí. Việc sục khí sau khi cay giống làm tăng lượng acid béo tích lũy trong tế bào so với việc chỉ sục khí trước khi cây giống. Tác giả cũng cho rang, môi trường thiếu oxy sẽ làm giảm kha năng sinh trưởng và hoạt động trao đối chất của nam men [22]. Anh hưởng của nhiệt độ lên men Khi lên men dịch nha 15°Plato và 20°Plato, Dragone G.

(2003) thấy rang, nếu gia tăng nhiệt độ lên men từ 10°C lên 15°C thì tốc độ lên men từ 0.21 g/L sẽ gia tăng lần lượt lên 0,56 va 0,37 g/L. Hiện tượng gia tăng tốc độ lên men được giải thích là do sự tăng tôc độ trao đôi chat của nầm men. Kết quả nghiên cứu của Vesely P (2004) cũng cho thấy khi lên men dịch nha 15°Plato và nhiệt độ gia tăng từ 10°C đến 15°C thì mật độ sinh khối nắm men cực đại gia tăng 100%, nông độ diacetyl trong bia non giảm 70%, rượu cao phân tử trong bia non tăng 21%, nồng độ ester hầu như không thay đổi, thời gian lên men được rút ngăn từ 10 ngày xuống còn 6 ngày [4]. Anh hưởng của nông độ ethanol trong dịch lên men Ethanol trong dịch lên men sẽ ảnh hưởng đến hình thái và sinh lý của nam men.

Khi ngâm nắm men trong môi trường ethanol 10% (v/v), Pratt P.L (2003) nhận thấy sự co rút tế bào nắm men trong quá trình ngâm. Sau 96 giờ ngâm trong môi trường ethanol 10% (v/v), thể tích của tế bào nắm men giảm 35-47% và tỷ lệ sống sót của nim men giảm 15-18%. Trong khi đó, Boswell C. Nấm men cô định 1.

Định nghĩa Nắm men cố định là nam men được gan trén chat mang hoặc được nhốt trong chất mang hoặc có vị trí hoạt động giới hạn trong một vùng không gian nhất định của bình lên men nhưng vẫn có khả năng duy trì được hoạt tính trao đổi chất [12]. Trong quá trình lên men bia, việc sử dụng nam men cô định có những thuận lợi như: 6n định hoạt tính lên men của nắm men trong thời gian dai [25], tăng số lần tái sử dụng nam men trong phương pháp lên men chu kỳ [39]; tăng mật độ tế bào trong một đơn vị thể tích dịch lên men, giảm kha năng tap nhiễm của vi sinh vật, tăng năng suất của thiết bị lên men [4]. Chất mang trong kĩ thuật có định tế bao Chất mang cô định nắm men thường là những polymer tự nhiên, polymer tông hợp hoặc các vật liệu vô cơ có trong tự nhiền. — Chất mang vô cơ: chúng có độ bền cơ học và hóa học cao, chi phí thấp va đa dạng về chủng loại.

Chất mang vô cơ thường gặp là hạt thủy tỉnh, ceramic dạng khối tru hay dạng hat, các kissiris khoáng. — Chất mang hữu cơ: chủng có ưu điểm là bền nhiệt và tương đối 6n định về mặt hóa học trong điều kiện lên men. Chất mang hữu cơ cố định nắm men bao gồm các polymer tổng hợp như: gel polyvinylalcohol, polyvinylchloride, màng polyethylene; các chất mang tự nhiên có bản chất polysaccharide như: agar, alginate, chitosan, pectin, carrageenan, dẫn xuất diethylaminoethylen của cellulose (DEAE-cellulose), cellulose đã tách lignin (delignified cellulose), cellulose vi khuẩn (Bacterial cellulose), hạt lúa mì, lúa mach; các miếng trái cây như: táo, lê, nho.; một số loại phế liệu như: bã malt, bã mía, vỏ dưa hấu.và các chất mang có bản chất là protein như: gelatin, viên gluten [6]. Các phương pháp cố định tế bào nam men Dựa vào tương tác giữa tế bào và chất mang, các kĩ thuật cô định tế bào có thể chia làm 4 nhóm chính: — Có định tế bào lên bề mặt chat mang rắn (carier — binding) — Nhốt tế bao trong cau trúc gel (entrapment).

— Kết bông tế bào (aggregation). — Vị bao tế bào (microencapsulation) [14]. (C1) (C3) Nhất tê bào bên trong Tê bao kêt bông Tê bao kêt bông nhân tạo cầu trúc gel tự nhiên (liên kết ngang) (ĐI) (D2) (D3) ot"*e “'® @) ‘3 @® (® (eeeeeneeee oy See *aan® Vi bao té bao bang Vi bao té bao bang Chan tệ bao gitra hai polymer ban thâm mảng mỏng mang membrane QA Chat mang không tan a. Cô định tê bào trên bêmặt CC — ] miên Chất mang xêp b.

Nhétté bào trong câu trúc gel —m“mx. Membre Tác nhân liên kết ngang c. Kêtbôngtê bao ZEBLBLE Lựctnh điện d. Vibaotê bao Hình 1.1: Các phương pháp cố định tế bào [12].

Có định tế bào trên chất mang rắn (carier — binding) Quá trình cô định tế bào trên chất mang ran là sự hấp phụ vật lý thông qua các liên kết ion, tĩnh điện, liên kết đồng hóa trị hoặc liên kết đặc trưng giữa tế bào và chat mang. Chiều dài của lớp tế bào hấp phụ thường rất mỏng vào khoảng 1 mm hoặc hơn và giảm dân trong quá trình lên men. Các chat mang có thê sử dụng là các polysaccharide có nguôn gôc tự nhiên (DEAE-cellulose, 26, mun cua, dextran.), polysaccharide tong hop (cac dan xuat của polystyrene, polyurethane.) hay các hợp chất vô cơ (ceramic, thủy tinh xốp, silicate. Các chất mang này có thé được sử dụng ngay hoặc xử lý với hóa chất nhằm làm tăng khả năng hap phụ của chúng [12].

Nhốt tế bào trong cau trúc gel Kỹ thuật nhốt tế bào trong cau trúc gel là quá trình bao bọc té bào vào trong cau trúc gel nhăm ngăn cản tế bào khuếch tán ra môi trường xung quanh nhưng vẫn cho phép tế bào trao đôi chat với môi trường xung quanh. Các loại chất mang thường sử dụng trong kỹ thuật này chủ yếu là các chất mang có nguồn gốc hữu cơ như: polysaccharide (alginate, K-carrageenan, agar, chitosan, pectin.), protein (gelatin, collagen.) hay polymer tong hợp (polyacrylamide. Hình dang của chat mang thường là các hat gel hình cầu có đường kính khác nhau như: hạt carrageenan có đường kính 0,08 — 0,10 mm, hạt alginate 0,1 — 0,15 mm [12]. Kết bông tế bào (aggregation) Nắm men là loài vi sinh vật có thuộc tính tự nhiên là tự kết cụm các tế bào với nhau thành một khối (kết bông).

Sự kết bông ở nam men là một thuộc tính có tầm quan trọng lớn đối với ngành công nghiệp sản xuất bia vì nó ảnh hưởng đến năng suất quá trình lên men và chất lượng bia [16]. Tuy nhiên phương pháp này ít được ứng dụng thực tế vì có nhiều yếu tố ảnh hưởng: điều kiện dinh dưỡng của nắm men, hàm lượng oxy hòa tan, pH, nhiệt độ lên men, điều kiện xử lý và bảo quản nắm men [37]. Vi bao tế bào Kỹ thuật vi bao tế bào gồm các dạng: — Sử dụng bao vi thé (microencapsulte type): tế bào được nhốt trong các bao vi thé bang các polymer bán thấm.