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.

Call-to-action: 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.