Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sản xuất đồ uống có cồn truyền thống giữ vai trò quan trọng trong đời sống văn hóa và kinh tế của nhiều địa phương tại Việt Nam. Trong các loại ngũ cốc, ngô là cây lương thực được trồng phổ biến tại các vùng núi phía Bắc, cung cấp nguồn tinh bột dồi dào cho nghề nấu rượu thủ công. Rượu ngô Hà Giang là một đặc sản nổi tiếng, mang hương vị đặc trưng nhờ nguồn nguyên liệu ngô bản địa kết hợp với bánh men lá truyền thống được đồng bào dân tộc chế biến từ các loại thảo mộc tự nhiên.

Tuy nhiên, thực trạng sản xuất rượu ngô tại tỉnh Hà Giang còn tồn tại nhiều bất cập. Theo các số liệu thống kê được tác giả tổng hợp, hiện có khoảng 35% hộ sản xuất sử dụng bánh men tự làm, 45% hộ dùng bánh men thuốc bắc từ Thái Bình, 15% sử dụng bánh men có nguồn gốc từ Trung Quốc và 5% sử dụng từ các nguồn khác. Quá trình sản xuất bánh men lá truyền thống chủ yếu dựa vào kinh nghiệm gia truyền, thiếu định lượng chính xác về thành phần nguyên liệu và điều kiện môi trường. Hệ vi sinh vật trong bánh men thủ công khó kiểm soát, dẫn đến hiệu suất lên men thấp, chất lượng rượu không đồng đều qua các mẻ và tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn vệ sinh thực phẩm. Xuất phát từ thực tế đó, đề tài "Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ sản xuất bánh men lá sử dụng trong sản xuất rượu ngô Hà Giang" được thực hiện nhằm mục đích nâng cao năng suất, hiệu suất thu hồi và chất lượng rượu ngô thông qua việc cải tiến công thức và thông số kỹ thuật sản xuất bánh men.

Nhiệm vụ và yêu cầu nghiên cứu của khóa luận bao gồm 5 nội dung chính:

  1. Xác định ảnh hưởng của tỷ lệ nước (độ ẩm) trong sản xuất bánh men đến quá trình lên men rượu ngô.
  2. Xác định ảnh hưởng của tỷ lệ các loại bột cơ chất (gạo, ngô, cám) trong bánh men đến quá trình lên men rượu ngô.
  3. Xác định ảnh hưởng của các loại chế phẩm nấm mốc (được phân lập từ bánh men Hà Giang) bổ sung vào bánh men đến quá trình lên men rượu ngô.
  4. Xác định ảnh hưởng của lượng chế phẩm nấm mốc bổ sung vào bánh men đến quá trình lên men rượu ngô.
  5. Xác định ảnh hưởng của các loại dịch chiết lá cây rừng trong bánh men lá đến quá trình lên men rượu ngô.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Giống ngô vàng LVN10; bánh men lá truyền thống đối chứng thu thập từ Hà Giang; các chủng nấm men và nấm mốc (Aspergillus flavus, Aspergillus niger, Rhizopus) phân lập từ bánh men Hà Giang nuôi dưới dạng chế phẩm Tane-Koji; các loại dịch chiết thảo mộc tự nhiên (Cỏ tranh, Thóc lép, Trầu rừng, Ớt, Răm).
  • Không gian thực hiện: Phòng thí nghiệm Bộ môn Công nghệ Đồ uống, Viện Công nghiệp Thực phẩm.
  • Thời gian thực hiện: Từ tháng 3/2021 đến tháng 7/2021.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận dựa trên cơ sở lý thuyết về quá trình thủy phân tinh bột và lên men rượu đồng thời trong công nghệ sản xuất rượu truyền thống phương Đông:

  • Quá trình đường hóa: Nấm mốc (Aspergillus, Rhizopus, Mucor) sinh tổng hợp hệ enzyme amylase ($\alpha$-amylase, glucoamylase) để phân giải tinh bột ngô (chứa amylose và amylopectin) thành các loại đường có khả năng lên men, chủ yếu là glucose.

  • Quá trình rượu hóa: Nấm men (Saccharomyces cerevisiae) chuyển hóa dịch đường thành ethanol ($C_2H_5OH$) và khí carbon dioxide ($CO_2$) theo phương trình phản ứng hóa sinh:

    $$(C_6H_{10}O_5)n + nH_2O \rightarrow nC_6H{12}O_6$$ $$C_6H_{12}O_6 \rightarrow 2C_2H_5OH + 2CO_2$$

  • Vai trò của thực vật trong bánh men lá: Khóa luận dẫn xuất tư liệu của Vũ Đức Chiến (2020) chỉ ra 64 loài thực vật thuộc 29 họ, 55 chi được sử dụng làm men lá tại Hà Giang (trong đó lớp Ngọc lan chiếm 44 loài, lớp Hành chiếm 19 loài), phân bố theo 3 vùng địa lý: vùng núi cao đá phía Bắc, vùng núi cao đất phía Tây và vùng núi thấp. Các loại lá đóng vai trò kích thích lên men, làm êm dịu, tạo hương và ức chế vi sinh vật tạp nhiễm.

Quy trình công nghệ sản xuất bánh men thực nghiệm: Nguyên liệu bột $\rightarrow$ Làm sạch $\rightarrow$ Ngâm nước (tỷ lệ 1:2, thời gian 1,5–2 giờ ở 28°C) $\rightarrow$ Nghiền mịn bằng máy cối đá $\rightarrow$ Lọc giảm ẩm $\rightarrow$ Phối trộn men giống và dịch chiết thảo mộc $\rightarrow$ Nhào trộn $\rightarrow$ Tạo hình dạng viên bánh (khoảng 50g/viên) $\rightarrow$ Ủ trong khay lót trấu ở 30°C trong 24 giờ $\rightarrow$ Hong thoáng 1–2 ngày rồi sấy ở 35–38°C trong 24 giờ $\rightarrow$ Bánh men thành phẩm.

Quy trình lên men rượu ngô thực nghiệm: Ngô hạt $\rightarrow$ Làm sạch $\rightarrow$ Hầm nhừ $\rightarrow$ Để nguội $\rightarrow$ Trộn bánh men nghiền nhỏ (tỷ lệ 3g men/200g ngô) $\rightarrow$ Lên men ẩm ở 30°C trong 48 giờ $\rightarrow$ Lên men lỏng trong 96 giờ $\rightarrow$ Chưng cất thu nhận rượu.

Phương pháp phân tích hóa lý và xử lý số liệu:

  • Độ ẩm nguyên liệu: Phương pháp sấy khô đến khối lượng không đổi ở 105–106°C.
  • Nồng độ chất khô hòa tan: Đo bằng chiết quang kế điện tử ATAGO PAL-1 (0–53°Bx).
  • Độ chua dịch dấm chín: Chuẩn độ bằng dung dịch $NaOH$ 0,1N với chỉ thị phenolphthalein, tính ra hàm lượng $g\ H_2SO_4/l$.
  • Độ cồn dịch lên men: Phương pháp chưng cất và đo nhiệt độ sôi trên thiết bị Dujardin-Salleron (Pháp).
  • Hàm lượng đường khử và tinh bột: Phương pháp Graxianop (chuẩn độ dung dịch kali ferixyanua $K_3Fe(CN)_6$ trong môi trường kiềm $KOH$ 2,5N với chỉ thị xanh metylen; tinh bột được thủy phân bằng $HCl$ 2% trước khi chuẩn độ).
  • Hiệu suất thu hồi (HSTH %): Tính theo tỷ lệ giữa độ cồn thực tế và độ cồn lý thuyết suy ra từ hàm lượng tinh bột nguyên liệu.
  • Xử lý thống kê: Phân tích phương sai (ANOVA) và so sánh giá trị trung bình bằng phép thử Tukey ở mức ý nghĩa $\alpha = 0,05$ (độ tin cậy 95%) trên phần mềm Microsoft Excel 2013 và Minitab 16.

Nội dung chính theo từng chương

Phần thứ nhất - Mở đầu

Tác giả trình bày tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu về rượu truyền thống và vai trò của nguyên liệu ngô vùng cao; phân tích thực trạng sản xuất rượu ngô Hà Giang còn thiếu ổn định do chất lượng bánh men không đồng đều; xác định mục đích nghiên cứu, 5 nhiệm vụ cụ thể cùng giới hạn phạm vi nghiên cứu tại phòng thí nghiệm Bộ môn Công nghệ Đồ uống – Viện Công nghiệp Thực phẩm.

Phần thứ hai - Tổng quan tài liệu

Chương này khái quát lịch sử phát triển rượu thế giới (Shochu, Sake Nhật Bản, Mao Đài Trung Quốc, Rao Khao Thái Lan) và các dòng rượu truyền thống Việt Nam (rượu làng Vân, Mẫu Sơn, Bản Phố, Bó Nặm, Thanh Vân, Nà Hang). Tác giả tổng hợp cấu tạo và thành phần hóa học hạt ngô (nội nhũ chiếm 72–75%, tinh bột trong nội nhũ chiếm 77–84%); hệ vi sinh vật trong bánh men gồm nấm mốc (Rhizopus oryzae, Mucor indicus, Amylomyces rouxii), nấm men (Saccharomyces cerevisiae, Saccharomycopsis fibuligera) và vi khuẩn; thống kê 64 loài thực vật làm men lá tại Hà Giang; phân tích quy trình công nghệ nấu rượu ngô và làm bánh men truyền thống; đánh giá các yếu tố kỹ thuật ảnh hưởng đến quá trình lên men (nhiệt độ, tỷ lệ men, thời gian, pH, oxy).

Phần thứ ba - Vật liệu – Thiết bị – Nội dung – Phương pháp nghiên cứu

Trình bày nguồn gốc nguyên vật liệu (ngô LVN10, men giống, chế phẩm Tane-Koji MV, MX, MĐ, dịch chiết lá); danh mục thiết bị, dụng cụ, hóa chất phân tích; sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất bánh men cải tiến; phương pháp bố trí 5 thí nghiệm đơn yếu tố (khảo sát lượng nước, tỷ lệ phối trộn bột, loại chế phẩm mốc, hàm lượng chế phẩm mốc, loại dịch chiết lá) và công thức so sánh chất lượng bánh men cải tiến với bánh men đối chứng; thuyết minh chi tiết các phương pháp phân tích vật lý, hóa lý và công thức tính toán hiệu suất thu hồi.

Phần thứ tư – Kết quả và thảo luận

Trình bày các kết quả thực nghiệm đạt được:

  • Chất lượng ngô nguyên liệu: Ngô hạt LVN10 đạt độ ẩm 10,0%, hàm lượng tinh bột chiếm 67,6% khối lượng hạt (tương đương 74,4% tính theo chất khô), đáp ứng tiêu chuẩn sản xuất rượu.
  • Ảnh hưởng của tỷ lệ nước làm bánh men: Khảo sát 4 mức nước (55, 60, 65, 70 ml/100g bột). Tỷ lệ 65 ml/100g bột (CT1.3) đạt kết quả tối ưu: bánh men phồng xốp, dịch lên men đạt 10,85°Bx, hàm lượng axit 4,88 g $H_2SO_4/l$, độ cồn 10,70% v/v và hiệu suất thu hồi đạt 83,52%. Khi tăng lên 70 ml/100g bột, bánh men bị nhão, độ cồn giảm còn 9,98% v/v.
Công thức Lượng nước (ml/100g bột) Cảm quan bánh men Chất khô (°Bx) Axit dịch lên men (g $H_2SO_4/l$) Độ cồn (% v/v) HSTH (%)
CT1.1 55 Khô, nứt vỡ 8,63 ± 0,14 5,20 ± 0,01 8,71 ± 0,07 65,04 ± 0,59
CT1.2 60 Xốp, không nứt 9,35 ± 0,15 4,99 ± 0,01 9,71 ± 0,09 75,84 ± 0,77
CT1.3 65 Xốp, không nứt 10,85 ± 0,32 4,88 ± 0,01 10,70 ± 0,06 83,52 ± 0,49
CT1.4 70 Mềm, ẩm 8,20 ± 0,14 5,11 ± 0,01 9,98 ± 0,10 77,93 ± 0,77
  • Ảnh hưởng của tỷ lệ bột cơ chất: Khảo sát các tỷ lệ phối trộn bột ngô, bột gạo và cám gạo. Công thức phối trộn CT2.3 (50% bột gạo, 40% bột ngô, 10% cám gạo) và CT2.6 (40% bột gạo, 50% bột ngô, 10% cám gạo) cho chất lượng tốt; trong đó tỷ lệ 50% bột gạo, 40% bột ngô, 10% cám gạo giúp hệ sợi nấm phát triển sâu vào trong lòng bánh men, tạo độ xốp và cho độ cồn cao, vị chua thấp.
  • Ảnh hưởng của loại chế phẩm nấm mốc: So sánh mẫu đơn lẻ gồm Mốc Vàng - Aspergillus flavus (MV), Mốc Xanh - Aspergillus niger (MX), Mốc Đen - Rhizopus (MĐ) ở tỷ lệ 1,2% với mẫu phối trộn cả 3 loại tỷ lệ 0,4% : 0,4% : 0,4% (CT3.4). Mẫu phối trộn CT3.4 cho kết quả cao nhất: độ cồn đạt 9,27% v/v, HSTH đạt 77,80%, dịch lên men trong, thơm đặc trưng, khắc phục nhược điểm dịch đục hoặc chua của các chủng đơn lẻ.
Công thức Chế phẩm mốc bổ sung Cảm quan bánh men Chất khô (°Bx) Axit ($g\ H_2SO_4/l$) Độ cồn (% v/v) HSTH (%)
CT3.1 1,2% MV Thơm nhẹ, xốp nhẹ 8,72 ± 0,08 4,32 ± 0,09 8,20 ± 0,08 62,48 ± 0,59
CT3.2 1,2% MX Ít phồng, sợi ít phát triển 9,38 ± 0,08 5,43 ± 0,02 8,01 ± 0,10 62,57 ± 0,77
CT3.3 1,2% MĐ Sợi dày bề mặt, khô 8,36 ± 0,05 5,43 ± 0,03 8,80 ± 0,09 68,70 ± 0,70
CT3.4 0,4% MV + 0,4% MX + 0,4% MĐ Thơm đặc trưng, xốp, sợi đều 10,23 ± 0,08 4,73 ± 0,05 9,27 ± 0,08 77,80 ± 0,64
  • Ảnh hưởng của lượng chế phẩm nấm mốc: Khảo sát tổng lượng chế phẩm mốc (tỷ lệ 1:1:1) ở các mức 0,2%, 0,4%, 0,6%, 0,8%. Mức bổ sung 0,4%/100g bột (CT4.2) cho kết quả tối ưu với độ cồn 10,17% v/v, chất khô hòa tan 9,20°Bx, độ chua 4,40 g $H_2SO_4/l$ và HSTH 79,36%.
  • Ảnh hưởng của dịch chiết thảo mộc: Thử nghiệm 5 loại dịch chiết đơn lẻ (5ml) và hỗn hợp đồng lượng 5 loại (mỗi loại 1ml, tổng 5ml - CT5.6). Hỗn hợp 5 loại dịch chiết (Cỏ tranh, Thóc lép, Trầu rừng, Ớt, Răm) cho độ cồn đạt 9,55% v/v, HSTH đạt 74,54%, tạo hương thơm hài hòa, không bị cay nồng hay sốc như khi dùng riêng lẻ từng loại lá.

Phần thứ năm – Kết luận và kiến nghị

Tổng kết 5 thông số kỹ thuật tối ưu đã xác lập; khẳng định bánh men cải tiến có chất lượng vượt trội so với bánh men truyền thống; đề xuất các kiến nghị nghiên cứu tiếp theo về hệ vi sinh vật và quy mô thực nghiệm.

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đã hoàn thiện công thức sản xuất bánh men lá cải tiến dùng cho lên men rượu ngô với các thông số kỹ thuật tối ưu như sau:

  • Lượng nước bổ sung: 65 ml trên 100g bột nguyên liệu (tương đương 65%).
  • Thành phần cơ chất bột: 50% bột gạo, 40% bột ngô, 10% cám gạo.
  • Chế phẩm nấm mốc: Phối trộn 3 chủng Aspergillus flavus (MV), Aspergillus niger (MX) và Rhizopus (MĐ) theo tỷ lệ 1 : 1 : 1, với tổng hàm lượng bổ sung là 0,4% tính theo khối lượng bột.
  • Bổ sung 0,2g men khô và 5ml hỗn hợp dịch chiết lá cây rừng (Cỏ tranh, Thóc lép, Trầu rừng, Ớt, Răm với tỷ lệ 1:1:1:1:1) cho 100g bột.

Thực nghiệm so sánh giữa mẫu bánh men gốc thu nhận tại Hà Giang (CT6.1) và mẫu bánh men cải tiến theo công thức nghiên cứu (CT6.2) cho thấy sự cải thiện rõ rệt về các chỉ tiêu kỹ thuật:

Chỉ tiêu theo dõi Bánh men gốc Hà Giang (CT6.1) Bánh men cải tiến (CT6.2)
Chất khô hòa tan tổng số (°Bx) 8,85 ± 0,05 9,58 ± 0,10
Hàm lượng axit của dịch lên men ($g\ H_2SO_4/l$) 4,85 ± 0,05 4,48 ± 0,04
Độ rượu sau lên men (% v/v) 9,56 ± 0,08 10,48 ± 0,05
Hiệu suất thu hồi (%) 74,67 ± 0,64 81,83 ± 0,59
Cảm quan bánh men Thơm đặc trưng, phồng, hệ sợi phát triển Thơm, phồng xốp tốt, hình thức tương đồng men gốc

Đóng góp của nghiên cứu:

  • Định lượng hóa các thành phần nguyên liệu và điều kiện kỹ thuật sản xuất bánh men lá, thay thế phương pháp ước lượng cảm tính truyền thống.
  • Tuyển chọn và phối hợp thành công 3 chủng nấm mốc thuần khiết giúp cân bằng khả năng đường hóa và giảm hiện tượng chua, đục dịch lên men.
  • Nâng cao hiệu suất thu hồi rượu từ 74,67% lên 81,83% và tăng độ cồn từ 9,56% v/v lên 10,48% v/v trong khi vẫn duy trì được hương vị đặc trưng của rượu ngô vùng cao.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận tự chỉ ra các hạn chế và hướng mở nghiên cứu như sau:

  • Hạn chế về quy mô và thời gian: Nghiên cứu được thực hiện trong thời gian ngắn (từ tháng 3/2021 đến tháng 7/2021) với các thí nghiệm dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm (mẻ lên men 200g nguyên liệu ngô).
  • Hạn chế về cơ chế vi sinh: Nghiên cứu chưa định lượng và khẳng định được cơ chế tác động chi tiết của từng loại dịch chiết thảo mộc đến động thái phát triển của nấm men, nấm mốc và vi khuẩn tạp nhiễm trong bánh men.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo:
    1. Tiếp tục nghiên cứu đánh giá sâu hơn ảnh hưởng của từng loại lá cây rừng đến sự phát triển của hệ vi sinh vật trong bánh men.
    2. Tối ưu hóa tỷ lệ phối trộn giữa các loại dịch chiết thảo mộc bổ sung vào bánh men.
    3. Mở rộng thử nghiệm sản xuất bánh men và lên men rượu ngô ở quy mô bán công nghiệp và quy mô sản xuất thực tế tại địa phương.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên chuyên ngành Công nghệ thực phẩm, Công nghệ sinh học, Công nghệ đồ uống cũng như các cơ sở sản xuất rượu truyền thống:

  • Quy trình công nghệ chế tạo bánh men: Cung cấp chi tiết các thông số về tỷ lệ nước ngâm (1:2), thời gian ngâm (1,5–2 giờ), nhiệt độ ủ men (30°C trong 24 giờ) và chế độ sấy (35–38°C trong 24 giờ).
  • Công thức phối trộn cơ chất và chế phẩm nấm mốc: Cung cấp tỷ lệ phối trộn chuẩn xác giữa bột gạo, bột ngô, cám gạo kết hợp 3 chủng nấm mốc (Aspergillus flavus, Aspergillus niger, Rhizopus) để kiểm soát hoạt lực amylase.
  • Phương pháp phân tích kiểm nghiệm: Minh họa chi tiết quy trình chuẩn độ hóa học xác định độ chua, hàm lượng đường khử và tinh bột theo phương pháp Graxianop, cùng công thức tính hiệu suất thu hồi cồn lý thuyết và thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Giống ngô nào được sử dụng làm nguyên liệu và có thành phần dinh dưỡng ra sao?
Nghiên cứu sử dụng giống ngô vàng LVN10 do Viện Công nghiệp Thực phẩm cung cấp. Kết quả kiểm tra cho thấy ngô có độ ẩm 10,0%, hàm lượng tinh bột đạt 67,6% khối lượng hạt (tương đương 74,4% tính trên chất khô).

2. Tỷ lệ nước tối ưu khi sản xuất bánh men là bao nhiêu và nếu bổ sung quá nhiều nước sẽ gây ảnh hưởng gì?
Tỷ lệ nước tối ưu là 65 ml/100g bột nguyên liệu (CT1.3). Nếu tăng lượng nước lên 70 ml/100g bột, bánh men sẽ bị mềm, nhão, giảm độ xốp, ít thơm và làm giảm độ cồn của dịch lên men từ 10,70% v/v xuống còn 9,98% v/v.

3. Vì sao việc phối hợp 3 loại chế phẩm nấm mốc lại cho kết quả tốt hơn sử dụng từng chủng đơn lẻ?
Mỗi chủng nấm mốc đơn lẻ có nhược điểm riêng: Mốc Vàng (MV) cho độ cồn thấp (8,20% v/v); Mốc Xanh (MX) và Mốc Đen (MĐ) khiến dịch lên men bị chua (độ chua 5,43 g $H_2SO_4/l$) và dịch có màu sẫm/đục. Khi phối trộn cả 3 chủng theo tỷ lệ 1:1:1 với tổng lượng 0,4%, bánh men tận dụng được ưu điểm đường hóa đồng đều, dịch lên men trong, thơm đặc trưng và độ cồn đạt cao nhất (10,17% v/v).

4. Khóa luận sử dụng những loại dịch chiết lá cây rừng nào trong thí nghiệm bánh men lá?
Nghiên cứu khảo sát 5 loại dịch chiết thảo mộc gồm: Cỏ tranh, Thóc lép, Trầu rừng, Ớt và Răm. Kết quả cho thấy công thức phối trộn đồng lượng cả 5 loại (mỗi loại 1ml trên 100g bột) cho chất lượng cảm quan hài hòa nhất, không bị nồng gắt hay cay sốc.

5. Bánh men cải tiến giúp nâng cao hiệu suất thu hồi và độ cồn của rượu ngô như thế nào so với bánh men truyền thống?
So với bánh men gốc Hà Giang (CT6.1), bánh men cải tiến (CT6.2) giúp tăng độ cồn sau lên men từ 9,56% v/v lên 10,48% v/v, giảm độ chua từ 4,85 xuống 4,48 g $H_2SO_4/l$ và nâng hiệu suất thu hồi từ 74,67% lên 81,83%.

Kết luận

Khóa luận đã nghiên cứu và hoàn thiện thành công công thức sản xuất bánh men lá cải tiến sử dụng cơ chất phối trộn (50% bột gạo, 40% bột ngô, 10% cám gạo), 65% nước, bổ sung 0,4% hỗn hợp 3 chủng nấm mốc (A. flavus, A. niger, Rhizopus theo tỷ lệ 1:1:1) và 5ml dịch chiết thảo mộc cho 100g bột. Bánh men cải tiến giúp nâng hiệu suất thu hồi rượu ngô lên 81,83% và đạt độ cồn 10,48% v/v, vượt trội so với men gốc truyền thống (74,67% và 9,56% v/v) trong khi vẫn duy trì được hương vị đặc trưng của rượu ngô Hà Giang. Công trình cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm quan trọng cho việc chuẩn hóa và nâng cao chất lượng sản phẩm rượu truyền thống vùng cao ở quy mô sản xuất lớn hơn.