MỞ ĐẦU Bia được con người sản xuất và sử dụng từ 7000 năm trước công nguyên. Thành phần hóa học chính của bia gồm có nước, ethanol và CO2. Ngoài ra, bia còn chứa nhiều loại muối vô cơ và hơn 800 hợp chất hữu cơ khác [1]. Hiện nay, nguyên liệu chính để sản xuất bia là malt đại mạch, thế liệu, hoa houblon và nước [2], [3].
Sản phẩm bia đã trở nên phổ biến trên toàn cầu. Nhu cầu về bia của người tiêu dùng và sự cạnh tranh sản xuất của các doanh nghiệp ngày càng gia tăng. Hiện nay, các nhà sản xuất đã và đang tìm nhiều giải pháp để nâng cao năng suất và chất lượng bia. Trong nhóm kỹ thuật mới được áp dụng để gia tăng năng suất sản xuất bia thì kỹ thuật lên men bia nồng độ cao ngày càng trở nên phổ biến [4], [5].
Thành công của kỹ thuật lên men bia nồng độ cao phụ thuộc vào khả năng của nấm men bia chịu được 2 kiểu stress: stress áp lực thẩm thấu do nồng độ chất khô tăng cao trong dịch nha ban đầu và stress ethanol do nồng độ ethanol tăng cao trong dịch lên men. Hiện nay, việc sản xuất bia nồng độ cao đã được triển khai ứng dụng ở nhiều nơi trên thế giới và hàm lượng chất khô có thể gia tăng đến 18-24oPt [6], [7], [8]. Trong những năm gần đây, có rất nhiều loại vật liệu được sử dụng để cố định nấm men như các polymer (alginate, agar, gelatin, κ-carrageenan, chitosan, pectin, polyacrylamide, epoxy resin, silica sol) và vật liệu xốp (dăm bào, đá núi lửa, vải cotton, mẫu thủy tinh xốp, ceramic, diatomite). Alginate là vật liệu được sử dụng phổ biến nhất để cố định tế bào.
Nedovic & cộng sự (2005) cho rằng có hơn 80% các nghiên cứu trên thế giới về cố định tế bào đã sử dụng chất mang alginate [9]. Dựa trên kết quả nghiên cứu của nhiều nhà khoa học, hãng Proenol-Industria Biotechnologica, Ltd (Bồ Đào Nha) đã thương mại hóa các chế phẩm nấm men cố định trong gel alginate để ứng dụng trong sản xuất ethanol, bia và rượu vang với các sản phẩm như ProDessert® QA23 (S. bayanus), ProRestart® QA23 (S. bayanus), ProDessert® BA11 (S.
cerevisiae), ProELIF® DV10 (S. bayanus) và ProRestart® DV10 (S. Trong lĩnh vực sản xuất bia, chế phẩm nấm men cố -2- định trong gel alginate được sử dụng chủ yếu trong quá trình lên men bia truyền thống với dịch nha từ malt đại mạch có nồng độ chất khô dao động trong khoảng 10-12oPt [12], [12], [14], [15]. Ở nước ta hiện nay, ngành công nghiệp Bia-Rượu-Nước giải khát đã được quy hoạch phát triển thành một ngành kinh tế mạnh.
Các doanh nghiệp sản xuất bia trong nước đã và đang từng bước hiện đại hóa công nghệ để nâng cao sản lượng bia sản xuất. Một số công ty bia ở Việt Nam như Tổng công ty Bia-Rượu-Nước giải khát Sài Gòn và công ty Bia Việt Nam đã áp dụng kỹ thuật sản xuất bia nồng độ cao với hàm lượng chất khô từ 13-16oPt, sử dụng thế liệu gạo chiếm từ 20-30%. Cần lưu ý là các nhà máy sản xuất bia Việt Nam áp dụng kỹ thuật lên men bia nồng độ cao với hàm lượng chất khô thấp hơn nhiều so với thế giới và chưa sử dụng nấm men cố định trong quy trình sản xuất bia nồng độ cao. Dựa trên những phân tích về nhu cầu thị trường, tình hình nghiên cứu và sản xuất bia trong nước, cũng như định hướng phát triển của ngành bia trong những năm tới, chúng tôi thực hiện đề tài nghiên cứu quá trình lên men bia nồng độ cao sử dụng nấm men cố định trong gel alginate nhằm mục đích nâng cao năng suất sản xuất, tiết kiệm nhân công, năng lượng và chi phí đầu tư cho ngành công nghiệp sản xuất bia.
Tình hình phát triển của ngành công nghiệp sản xuất bia Việt Nam Hiện nay, Việt Nam có khoảng 350 nhà máy sản xuất bia và tiếp tục tăng về số lượng. Trong số này, có hơn 20 nhà máy đạt công suất trên 20 triệu lít/năm; 15 nhà máy có công suất lớn hơn 15 triệu lít/năm và có tới 268 cơ sở có năng lực sản xuất dưới 1 triệu lít/năm. Lượng bia Việt Nam sản xuất tăng dần trong những năm qua: từ 1,29 tỷ lít trong năm 2003 tăng đến 2,7 tỷ lít trong năm 2010 (Hình 1. Mức tiêu thụ bia bình quân đầu người của Việt Nam vào năm 2010 là 28 lít/năm, tương đối thấp so với Hàn Quốc, Nhật Bản (43 lít/năm) và Ireland, Đức, Séc (88 lít/năm).
Mức tiêu thụ bia ở nước ta dự kiến sẽ gia tăng trong thời gian tới nhờ vào mức thu nhập của người dân tăng lên và sự thay đổi tập quán uống (chuyển từ uống rượu sang uống bia) của người dân ở nhiều vùng nông thôn… [16] 3.0 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Năm sản xuất Hình 1.1: Sản lượng bia của Việt Nam từ năm 2003 đến năm 2010 [16] Ở nước ta hiện nay, ngành Bia-Rượu-Nước giải khát đã được quy hoạch phát triển thành một ngành kinh tế quan trọng. Bộ trưởng Bộ Công thương đã ra quyết định số 2435 vào năm 2009, theo đó đến năm 2015 sản lượng bia đạt khoảng 4,0 tỷ lít với lượng vốn đầu tư dự kiến cho ngành khoảng 18.042 tỷ đồng và đến năm 2025 sản lượng sản xuất đạt 6,0 tỷ lít với lượng vốn đầu tư dự kiến khoảng 24. Nấm men bia cố định 1. Định nghĩa Nấm men cố định là nấm men được gắn trên chất mang hoặc được nhốt trong chất mang hoặc có vị trí hoạt động bị 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 [18].
Cố định nấm men là sự mô phỏng những gì xảy ra trong tự nhiên khi nấm men phát triển trên bề mặt hoặc bên trong cấu trúc vật liệu tự nhiên [19]. Nấm men cố định có thể được sử dụng với những mục đích khác nhau trong quá trình lên men bia như lên men chính hoặc lên men phụ trong phương pháp lên men bia truyền thống, lên men bia không cồn hoặc bia có độ cồn thấp, lên men bia nồng độ cao [9], [19], [20]. Trong quá trình lên men bia, việc sử dụng nấm men cố định có những thuận lợi như: Ổn định hoạt tính lên men của nấm men trong một khoảng thời gian dài [21], [22], [23]; tăng mật độ tế bào trong một đơn vị thể tích dịch lên men [24], [25]; sử dụng phương pháp lên men liên tục [24], [25]; tăng số lần tái sử dụng nấm men trong phương pháp lên men chu kỳ [26]; giảm khả năng tạp nhiễm của vi sinh vật [27]; tăng năng suất của thiết bị lên men [24]. Tuy nhiên, sử dụng nấm men cố định có một số nhược điểm như: Một số loại chất mang có thể giới hạn sự truyền khối của cơ chất và sản phẩm trao đổi chất [24]; cấu trúc của chất mang có thể bị thay đổi và/hoặc phá vỡ trong quá trình lên men [24].
Yêu cầu đối với chất mang và phương pháp cố định nấm men bia Chất mang cố định nấm men bia phải thỏa mãn một số yêu cầu như: Có diện tích bề mặt lớn và có khả năng kết dính tế bào; có khả năng chứa lượng sinh khối nấm men càng cao càng tốt; có độ bền cao về vật lý (cơ học, áp lực thẩm thấu, nhiệt độ), hóa học và sinh học; độ xốp của chất mang tương đối đồng nhất và cho phép cơ chất, sản phẩm trao đổi chất và khí di chuyển dễ dàng trong quá trình lên men; chất mang dễ bảo quản và tái sinh, không ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm và được người tiêu dùng dễ dàng chấp nhận [9], [18], [24], [28]. -5- Yêu cầu chung của phương pháp cố định nấm men bia là phải đơn giản, chi phí thấp và phù hợp với quy mô sản xuất, không gây tạp nhiễm vi sinh vật có hại; nấm men có khả năng phát triển tốt và hoạt động ổn định trên hoặc trong chất mang trong thời gian dài; dễ dàng tách chất mang với nấm men cố định ra khỏi dịch lên men [9], [18], [24], [28]. Chất mang cố định nấm men bia Chất mang cố định nấm men bia thường là những polymer tự nhiên, polymer tổng hợp hoặc các vật liệu vô cơ có trong tự nhiên [18]. Chất mang vô cơ Chất mang vô cơ có ưu điểm là chi phí thấp và đa dạng về chủng loại.
Vật liệu vô cơ được sử dụng để cố định nấm men là polygorskite, montmorilonite, hydromica, porcelain xốp, đá bọt [18], hạt γ-alumina [29], [30], [31], ceramic [32] và hạt thủy tinh xốp [5], [26], [33], [34], [35]. Chất mang hữu cơ Chất mang tổng hợp Chất mang hữu cơ tổng hợp có thành phần hóa học ổn định, phổ biến nhất là màng hoặc vòng polyethylene, hạt gel polyvinyl alcohol, polyacrilamide, polyurethane và polyethylenimine [18], [36], [37]. Chất mang tự nhiên Chất mang hữu cơ tự nhiên đa dạng về cấu trúc, chi phí thấp, an toàn và được người tiêu dùng chấp nhận làm vật liệu cố định tế bào [18], [20]. Các loại chất mang tự nhiên để cố định nấm men bia được phân thành 3 nhóm: • Nhóm chất mang giàu cellulose gồm có vỏ trấu, than từ thân cây bắp, thân tre, thân cây cọ [38], [39]; xơ mướp [40]; dăm bào [41]; mẫu táo [42], [43], [44], [45]; mẫu quince (Cotoneum malum) [44], [46]; mẫu lê [46], [47], vỏ nho [48], [49]; vỏ cam [50], mẫu sung [51]; bã mía [39], [52]; bã malt [20], [42], [53], [54], [55], [56]; DEAE cellulose và cellulose đã tách lignin DCM [18], [22], [43], [57], [58], [59], [60], [61], [62], [63], [64].
-6- • Nhóm chất mang giàu các thành phần polysaccharides khác là agar [13], [65]; alginate [13], [15], [66], [67], [68]; chitosan [69], [70]; pectin [66], [68], [71] và κ-carrageenan [13], [19], [66], [68], [72], [73], [74]. • Chất mang tự nhiên giàu protein gồm có hạt gluten [59], [75] và gelatin [76]. Phương pháp cố định nấm men bia Phương pháp cố định nấm men có thể được chia thành bốn nhóm chính [25]: • Cố định nấm men trên bề mặt chất mang rắn Nấm men được gắn trên bề mặt vật liệu rắn là nhờ vào các tương tác vật lý như liên kết tĩnh điện, liên kết ion, liên kết kỵ nước [77] hoặc liên kết cộng hóa trị giữa tế bào và bề mặt chất mang [18], [78], [79], [80]. Chất mang rắn sử dụng trong cố định tế bào bằng phương pháp hấp phụ có thể là vật liệu bản chất là cellulose [49], [54], [55], [56], [81], [82], [83], [84], [85], [86]; vật liệu bản chất là protein [59] và vật liệu là dẫn xuất silicat [18], [35], [83], [87].