Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Rượu trái cây là dòng đồ uống có độ cồn nhẹ được lên men trực tiếp từ dịch ép của các loại quả tươi. Đây là loại thức uống giàu giá trị dinh dưỡng, cung cấp các vitamin, acid hữu cơ, muối khoáng tự nhiên và có lợi cho sức khỏe người sử dụng khi dùng ở mức độ điều độ. Trên thế giới cũng như tại Việt Nam, nhiều loại hoa quả phổ biến như nho, táo, dứa đã được nghiên cứu và đưa vào sản xuất rượu vang ở quy mô công nghiệp và gia đình.

Tuy nhiên, tại Việt Nam, ngành sản xuất rượu vang từ các loại trái cây nhiệt đới bản địa vẫn chưa phát triển tương xứng với tiềm năng nguồn nguyên liệu. Đa phần các cơ sở chế biến hoạt động ở quy mô nhỏ lẻ, sản xuất thủ công dựa vào quá trình lên men tự nhiên, thiếu các luận cứ khoa học và quy trình kiểm soát thông số công nghệ đồng bộ, dẫn đến chất lượng và năng suất thành phẩm chưa ổn định.

Khu vực Đồng bằng sông Cửu Long có nguồn nguyên liệu trái cherry (còn gọi là trái sơri) rất dồi dào, tập trung chủ yếu tại các vùng chuyên canh như Gò Công (Tiền Giang) và Bình Phú (Bến Tre). Do đặc thù khí hậu nhiệt đới ẩm cùng hàm lượng nước trong quả rất cao (80 – 90%), trái sơri sau thu hoạch rất nhanh hỏng, dễ dập nát và suy giảm chất lượng nếu vận chuyển xa. Việc tiêu thụ chủ yếu dừng lại ở dạng ăn tươi hoặc sơ chế xuất khẩu với sản lượng hạn chế. Vì vậy, nghiên cứu chế biến quả cherry thành rượu lên men là giải pháp kỹ thuật cần thiết nhằm giảm tổn thất sau thu hoạch, gia tăng giá trị kinh tế cho nông sản địa phương và đa dạng hóa chủng loại sản phẩm đồ uống trên thị trường.

Đề tài "Nghiên cứu sản xuất rượu trái cây từ cherry" được thực hiện bởi sinh viên Trần Văn Phong, dưới sự hướng dẫn của KS. Phạm Minh Nhựt tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP.HCM (Khoa Môi trường và Công nghệ Sinh học).

Mục tiêu nghiên cứu

  1. Hoàn thiện quy trình công nghệ để tạo ra sản phẩm rượu cherry.
  2. Xác định các thông số kỹ thuật tối ưu cho quá trình lên men dịch quả cherry bằng nấm men.

Nhiệm vụ nghiên cứu

  1. Nghiên cứu hoàn thiện quy trình công nghệ sản xuất rượu trái cây từ cherry.
  2. Phân lập chủng nấm men Saccharomyces cerevisiae từ dịch quả cherry lên men tự nhiên.
  3. Thử nghiệm kỹ thuật cố định nấm men Saccharomyces cerevisiae trong hạt gel alginate.
  4. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ pha loãng dịch quả với nước cất đến quá trình lên men.
  5. Khảo sát nồng độ chất khô hòa tan (°Bx) thích hợp cho quá trình lên men.
  6. Khảo sát khoảng pH tối ưu của dịch quả trước khi lên men.
  7. Khảo sát tỷ lệ nấm men bổ sung vào dịch lên men (so sánh giữa dạng cấy trực tiếp và dạng cố định trong gel alginate).
  8. Khảo sát thời gian lên men thích hợp nhằm đạt chất lượng sản phẩm tốt nhất.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Trái cherry (sơri) thu mua tại chợ Bà Chiểu, quận Bình Thạnh, TP.HCM (chọn quả chín đỏ, tươi, không bầm dập, hư hỏng) và chủng nấm men thuần khiết Saccharomyces cerevisiae.
  • Phạm vi không gian: Phòng thí nghiệm Vi sinh, Khoa Môi trường và Công nghệ Sinh học, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP.HCM.
  • Phạm vi thời gian: Đề tài thực hiện từ ngày 01/04/2009 đến ngày 30/06/2009.
  • Phạm vi kỹ thuật: Nghiên cứu tập trung tạo ra sản phẩm rượu vang cherry có độ cồn mục tiêu dao động từ 9 – 11° (%V).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và đối tượng nghiên cứu

1. Thực vật học và hóa sinh quả cherry

Quả cherry được trồng tại miền Nam Việt Nam (còn gọi là sơri, kim đồng nam, cherry vuông) có danh pháp khoa học là Malpighia glabra, thuộc chi Malpighia, họ Malpighiaceae, bộ Malpighiales, lớp Magnoliopsida, ngành Magnoliophyta. Đây là loài cây bụi nhiệt đới có nguồn gốc từ khu vực Trung và Nam Mỹ, khác biệt hoàn toàn với cherry xứ lạnh thuộc họ Rosaceae (hoa hồng).

Thành phần hóa học và dinh dưỡng của cherry gồm:

  • Nước: Chiếm 80 – 90% khối lượng quả.
  • Glucid: Chiếm khoảng 15%, chủ yếu gồm glucose (2,22%), fructose (3,21%), saccharose, dextrose, pectin (0,56 – 0,65%) và cellulose (0,6 – 1,2%).
  • Protein và Lipid: Protein chiếm 0,5 – 1,8%; lipid chiếm tỷ lệ không đáng kể; hàm lượng tro nguyên trái đạt 0,15g (thịt quả đạt 0,49g).
  • Acid hữu cơ: Chiếm 1 – 1,5%, chủ yếu là acid citric, ngoài ra có acid malic, tartaric, adehydroascorbic, diketogulonic và hexadecanoic.
  • Vitamin: Hàm lượng vitamin C (ascorbic acid) đặc biệt cao (trong 100g cherry có thể cung cấp lượng lớn vitamin C, cùng beta carotene 214 U, thiamine B1 0,400 mg, pantothenic acid B5 0,035 mg, folic acid B9 4,2 mcg).
  • Polyphenol: Gồm anthocyanin, flavon và tanin (tập trung nhiều ở hạt gây vị chát, do đó công đoạn ép dịch quả cần loại bỏ hạt).

2. Cơ sở vi sinh vật học và nấm men Saccharomyces cerevisiae

Nấm men Saccharomyces cerevisiae thuộc họ Saccharomycetaceae, ngành Ascomycota. Tế bào có kích thước 2,5 – 10 µm x 4,5 – 21 µm, sinh sản vô tính bằng hình thức nảy chồi và sinh sản hữu tính tạo bào tử túi (4 – 8 bào tử). Trong điều kiện kỵ khí, nấm men thực hiện quá trình đường phân để chuyển hóa đường đơn thành ethanol và khí carbonic theo phương trình: $$\text{C}6\text{H}{12}\text{O}_6 \rightarrow 2\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH} + 2\text{CO}_2 + 33\text{ cal}$$

Nấm men này có hoạt lực lên men tối ưu ở pH 4,5 – 5,0 và nhiệt độ từ 28 – 32°C, có khả năng chuyển hóa glucose, fructose, maltose, saccharose nhưng không đồng hóa trực tiếp lactose và nitrat.

3. Kỹ thuật cố định tế bào (Cell Immobilization)

Kỹ thuật nhốt tế bào nấm men trong khung gel Natri Alginate 2,5% (w/v) tạo liên kết bắt chéo với dung dịch $\text{CaCl}_2$ 2%. Các hạt gel hình cầu có đường kính 3 – 4 mm giúp giữ mật độ tế bào nấm men ổn định, dễ dàng thu hồi và tách khỏi dịch rượu sau khi kết thúc quá trình lên men, hạn chế độ đục cho sản phẩm.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

  • Phương pháp phân lập và nhân giống vi sinh vật: Phân lập nấm men từ dịch quả cherry lên men tự nhiên 5 ngày, nuôi cấy trải đĩa trên môi trường thạch Hansen ở 37°C trong 24 – 48 giờ. Nhân giống cấp 1 trong 10 ml môi trường Hansen lỏng (lắc 150 vòng/phút, 48 giờ). Nhân giống cấp 2 trong 50 ml và 100 ml môi trường Hansen lỏng (lắc 150 vòng/phút, 48 – 72 giờ).
  • Phương pháp cố định men: Trộn dịch nấm men với Natri Alginate 2,5% theo tỷ lệ 1 : 1 (v/v), nhỏ giọt vào dung dịch $\text{CaCl}_2$ 2%, ngâm ổn định hạt trong 2 giờ, rửa lại bằng nước cất và bảo quản trong dung dịch đệm acetate 0,1M (pH = 4,5).
  • Phương pháp hóa lý và phân tích:
    • Xác định nồng độ chất khô hòa tan (°Bx) bằng khúc xạ kế Atago.
    • Đo pH bằng máy đo điện tử Metrohm 744; điều chỉnh pH bằng dung dịch $\text{NaOH}$ 0,1N hoặc $\text{HCl}$ 0,1N và $\text{Na}_2\text{CO}_3$.
    • Xác định hàm lượng cồn (%V) bằng phương pháp chưng cất và đo bằng rượu kế có hiệu chỉnh nhiệt độ.
    • Kiểm nghiệm an toàn vi sinh: Đếm tổng số vi sinh vật hiếu khí bằng phương pháp đổ đĩa trên môi trường PCA (Plate Count Agar), ủ ở 35°C trong 24 giờ.
  • Phương pháp đánh giá cảm quan: Đánh giá mức độ ưa thích của sản phẩm về màu sắc, mùi vị, độ trong và vị hài hòa.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

Chương 1 thiết lập tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ thực trạng nguồn nguyên liệu cherry Nam Bộ dồi dào nhưng dễ hư hỏng sau thu hoạch. Tác giả phân tích ý nghĩa khoa học và thực tiễn của việc nghiên cứu ứng dụng chủng nấm men Saccharomyces cerevisiae cố định trong hạt gel alginate nhằm tối ưu hóa các thông số công nghệ lên men rượu vang cherry. Chương này cũng nêu chi tiết các mục tiêu, nội dung thực nghiệm cụ thể và giới hạn phạm vi nghiên cứu ở quy mô phòng thí nghiệm với độ cồn mục tiêu từ 9 – 11° (%V).

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

Chương này tổng hợp các tài liệu khoa học liên quan đến:

  • Nguyên liệu quả cherry: Hệ thống phân loại học của Malpighia glabra, nguồn gốc địa lý từ châu Mỹ Latinh và sự phân bố tại Việt Nam (tập trung ở Tiền Giang và Bến Tre). Phân biệt đặc tính của hai giống chính: giống cherry chua Gò Công (năng suất cao, vị chua ngọt đậm đà, phù hợp chế biến nước ép, purê, xuất khẩu) và giống cherry ngọt Bình Phú (trái bóng đẹp, tiêu thụ nội địa và làm vang).
  • Giá trị dinh dưỡng và hóa học: Phân tích chi tiết hàm lượng ẩm (80 – 90%), glucid (15%), acid hữu cơ (1 – 1,5%), hệ vitamin phong phú (đặc biệt là ascorbic acid) và các chất chuyển hóa thứ cấp như anthocyanin, flavonoid.
  • Sinh học nấm men: Khảo sát chi nấm men Saccharomyces, cấu trúc tế bào, 4 pha sinh trưởng trong hệ kín (lag, log, stationary, death), nhu cầu dinh dưỡng khoáng (P, K, Mg, S) và vitamin nhóm B. So sánh đặc tính lên men của S. cerevisiae với các loài nấm men vang khác như Saccharomyces uvarum (lên men chìm, tạo 12 – 13° cồn), Saccharomyces chevalieri (chịu cồn đến 16°), và Saccharomyces oviformis (chịu đường và cồn cao tới 18°).

CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Chương 3 mô tả toàn bộ quy trình công nghệ và bố trí các bước thực nghiệm:

  • Vật liệu và thiết bị: Sử dụng cherry tươi chợ Bà Chiểu, đường tinh luyện Biên Hòa, môi trường Hansen, máy đo pH Metrohm 744, tủ ấm, máy lắc, khúc xạ kế Atago, thiết bị chưng cất cồn.
  • Quy trình công nghệ sản xuất đề xuất: Gồm các công đoạn: Cherry nguyên liệu $\rightarrow$ Xử lý (loại bỏ quả xanh/dập, ép lấy dịch, lọc bã và hạt) $\rightarrow$ Pha loãng với nước vô trùng $\rightarrow$ Phối trộn bổ sung đường và điều chỉnh pH $\rightarrow$ Thanh trùng dịch quả (70 – 80°C trong 15 phút, làm nguội về 28 – 30°C) $\rightarrow$ Lên men bằng men giống $\rightarrow$ Làm lạnh ($< 10^\circ\text{C}$) lắng men $\rightarrow$ Lọc dịch rượu $\rightarrow$ Chiết rót chai thủy tinh $\rightarrow$ Thanh trùng thành phẩm (65 – 75°C trong 35 – 40 phút) $\rightarrow$ Kiểm tra vi sinh và hoàn thiện sản phẩm.
  • Bố trí 5 thí nghiệm đơn yếu tố:
    • Thí nghiệm 1: Khảo sát tỷ lệ pha loãng dịch cherry : nước cất (1:0, 1:1, 1:2, 1:4).
    • Thí nghiệm 2: Khảo sát nồng độ chất khô hòa tan ban đầu (18, 20, 22, 24 °Bx).
    • Thí nghiệm 3: Khảo sát giá trị pH ban đầu (3,5; 4,0; 4,5; 5,0).
    • Thí nghiệm 4a & 4b: Khảo sát tỷ lệ nấm men bổ sung (5%, 10%, 15%, 20% v/v) ở hai dạng: cấy tự do trực tiếp và cố định trong hạt gel alginate.
    • Thí nghiệm 5: Khảo sát thời gian lên men (6, 8, 10, 12 ngày).

Kết quả và đóng góp

Các thông số công nghệ tối ưu được xác lập

Qua quá trình thực nghiệm khảo sát các yếu tố ảnh hưởng, tác giả đã xác định được bộ thông số công nghệ tối ưu cho quy trình sản xuất rượu vang cherry:

Thông số công nghệ Giá trị tối ưu được lựa chọn Điều kiện cố định kèm theo
Tỷ lệ pha loãng (Dịch quả : Nước cất) 1 : 1 pH = 4,0 – 4,2; 20 °Bx; Men giống 15%; 30°C; 8 ngày
Nồng độ chất khô ban đầu 20 °Bx Tỷ lệ pha loãng 1:1; pH = 4,0 – 4,2; Men cố định 15%; 8 ngày
Độ pH dịch lên men ban đầu 4,0 Tỷ lệ pha loãng 1:1; 20 °Bx; Men cố định 15%; 8 ngày
Tỷ lệ nấm men S. cerevisiae 15% (v/v) Dạng cố định trong gel alginate ($30 \times 10^6$ tế bào/ml)
Thời gian lên men chính 8 ngày Nhiệt độ phòng (khoảng 30°C)

Kết quả chất lượng sản phẩm

  • Chỉ tiêu hóa lý: Dịch lên men sau 8 ngày chuyển hóa đường kiệt theo yêu cầu kỹ thuật, tạo ra sản phẩm rượu cherry đạt nồng độ cồn trong khoảng thiết kế từ 9 – 11° (%V).
  • Đánh giá cảm quan: Sản phẩm rượu cherry hoàn thiện có màu sắc đặc trưng của dịch quả, hương thơm thanh nhẹ, vị chua ngọt hài hòa, độ trong tốt và được đánh giá cảm quan đạt mức chất lượng loại khá.

Đóng góp kỹ thuật của đề tài

  1. Ứng dụng thành công kỹ thuật cố định nấm men Saccharomyces cerevisiae trong hạt gel Natri Alginate 2,5% để lên men rượu vang trái cây nhiệt đới. Việc này giúp hạn chế phân tán tế bào tự do, hỗ trợ quá trình làm trong và tách sinh khối men nhanh chóng sau khi lên men kết thúc.
  2. Xây dựng hoàn chỉnh sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất rượu vang cherry từ khâu xử lý nguyên liệu, hiệu chỉnh dịch quả, lên men đến thanh trùng và đóng chai, cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm thay thế phương thức lên men tự phát tại địa phương.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Nghiên cứu chỉ được thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm với các mẻ lên men thể tích nhỏ (100 ml trong bình tam giác), chưa khảo sát hiện tượng truyền khối và động học lên men ở các bồn lên men dung tích lớn.
  • Thời gian nghiên cứu giới hạn trong 3 tháng (tháng 4 đến tháng 6/2009), phạm vi nghiên cứu chỉ tập trung tối ưu hóa để thu được rượu có nồng độ cồn 9 – 11° (%V).
  • Nguyên liệu cherry thu mua tại chợ đầu mối theo lô thương phẩm, chưa kiểm soát được độ đồng đều về độ chín và mùa vụ thu hoạch giữa các mẻ thí nghiệm.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng quy mô thử nghiệm lên pilot hoặc bán công nghiệp để đánh giá độ bền cơ học và khả năng tái sử dụng nhiều chu kỳ của hạt nấm men cố định gel alginate.
  • Phân tích chi tiết sự biến đổi hàm lượng các vitamin (đặc biệt là vitamin C) và các hợp chất chống oxy hóa (anthocyanin, polyphenol) trong suốt quá trình lên men và tàng trữ.
  • Khảo sát các điều kiện lão hóa rượu (tàng trữ, ủ chín) và kiểm tra hạn sử dụng ổn định của sản phẩm đóng chai trong thời gian dài trên 3 tháng.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo hữu ích cho các nhóm đối tượng:

  • Sinh viên và học viên ngành Công nghệ Thực phẩm, Công nghệ Sinh học, Kỹ thuật Hóa học: Tham khảo quy trình phân lập nấm men, kỹ thuật cố định tế bào vi sinh vật bằng Natri Alginate và phương pháp bố trí các thí nghiệm khảo sát đơn biến trong công nghệ lên men vang trái cây.
  • Các cơ sở sản xuất và doanh nghiệp chế biến nông sản tại ĐBSCL: Tham khảo các thông số tỷ lệ pha loãng, nồng độ đường, độ pH và chế độ thanh trùng để chuẩn hóa quy trình sản xuất rượu vang từ trái sơri (cherry Việt Nam), nâng cao giá trị thương phẩm cho vùng trồng Gò Công và Bình Phú.

Câu hỏi thường gặp

1. Giống cherry được sử dụng trong đồ án có nguồn gốc và đặc điểm gì?

Trái cherry trong nghiên cứu là cherry nhiệt đới (thường gọi là quả sơri, danh pháp khoa học Malpighia glabra thuộc họ Malpighiaceae), được trồng phổ biến tại Nam Bộ như Tiền Giang (cherry Gò Công) và Bến Tre (cherry Bình Phú). Loại quả này có hàm lượng nước cao (80 – 90%), giàu acid hữu cơ và đặc biệt có hàm lượng vitamin C thuộc nhóm cao nhất trong các loại trái cây.

2. Tại sao dịch quả cherry cần phải pha loãng với nước trước khi lên men?

Dịch ép cherry nguyên chất có độ chua cao và giá trị pH rất thấp (dao động từ pH 2,73 đến 3,07), gây ức chế hoạt lực sinh trưởng và khả năng lên men của nấm men. Việc pha loãng với nước cất theo tỷ lệ tối ưu 1 : 1 giúp đưa môi trường về trạng thái thích hợp, giảm bớt vị chua gắt và tạo điều kiện điều chỉnh pH thuận lợi cho nấm men hoạt động.

3. Phương pháp cố định nấm men trong hạt gel alginate được tiến hành như thế nào?

Dung dịch Natri Alginate 2,5% (w/v) được đun hòa tan, sau đó phối trộn với dịch huyền phù nấm men Saccharomyces cerevisiae theo tỷ lệ thể tích 1 : 1. Hỗn hợp được nhỏ giọt vào dung dịch $\text{CaCl}_2$ 2% để tạo hạt gel hình cầu đường kính 3 – 4 mm, ngâm giữ trong $\text{CaCl}_2$ 2 giờ để ổn định độ bền cơ học, rửa sạch và bảo quản trong đệm acetate 0,1M (pH 4,5) trước khi nạp vào dịch lên men.

4. Quy trình sản xuất áp dụng chế độ thanh trùng như thế nào?

Quy trình thực hiện thanh trùng ở hai công đoạn:

  • Thanh trùng dịch quả trước lên men: Đun nóng ở 70 – 80°C trong 15 phút để ức chế tạp khuẩn tự nhiên mà không làm biến tính vitamin, sau đó hạ nhiệt xuống 28 – 30°C trước khi cấy men.
  • Thanh trùng thành phẩm sau đóng chai: Xử lý nhiệt theo phương pháp Pasteur ở 65 – 75°C trong 35 – 40 phút nhằm ức chế triệt để nấm men còn sót lại, giúp sản phẩm có thời gian bảo quản từ 2 – 3 tháng.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Trần Văn Phong đã nghiên cứu thực nghiệm và xây dựng thành công quy trình sản xuất rượu vang từ nguồn nguyên liệu cherry (sơri) nhiệt đới. Nghiên cứu đã xác lập các thông số công nghệ tối ưu gồm tỷ lệ pha loãng dịch quả 1 : 1, nồng độ chất khô 20 °Bx, pH 4,0, tỷ lệ nấm men Saccharomyces cerevisiae cố định trong gel alginate 15% (v/v) và thời gian lên men 8 ngày. Sản phẩm rượu thu được đạt nồng độ cồn 9 – 11° (%V) với chất lượng cảm quan loại khá, góp phần cung cấp luận cứ kỹ thuật phục vụ mục tiêu đa dạng hóa các sản phẩm chế biến từ nông sản khu vực Đồng bằng sông Cửu Long.