CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Thời nay nguồn nhiên liệu sinh học đang được tìm hiểu và sử dụng rộng rãi như bioethanol. Có rất nhiều nguyên vật liệu để sản xuất ethanol như bắp, mía, khoai, sắn, mì,. Tận dụng nguồn nguyên vật liệu phong phú và đa dạng đó, nhiều người đã liên tưởng đến việc dùng gạo để sản xuất ethanol, có thể biết đất nước Việt Nam ta có sản lượng lúa gạo đứng ở vị trí đứng nhất nhì toàn cầu, tận dụng tối đa nguồn nguyên vật liệu có sẵn này như một nguồn nguyên vật liệu tiềm năng để phát triển cho nhu cầu năng lượng trong thời gian tới của mọi người. Về tổng sản lượng lúa là cây trồng mấu chốt đứng thứ ba sau lúa mì và bắp.
Theo khảo sát của FAO, sản xuất lúa gạo bình quân trên thế giới năm 2020 khoảng 508,4 triệu tấn, tăng 1,52% so với 2019. Vừa không bỏ phí nguồn nguyên vật liệu có sẵn trong nông nghiệp nước nhà vừa xử lý được xuất khẩu gạo ra nước ngoài và giá cả cho người làm nông. Thu thập năm 2020, năng suất lúa đạt 58,7 tạ/ha, tăng 1,1 tạ/ha/năm, sản lượng lúa tăng quân bình 0,5 triệu tấn/năm. Nước Việt Nam hiện nằm trong top 3 đất nước xuất gạo ra nước ngoài phổ biến nhất thế giới, chỉ sau Ấn Độ và xứ sở chùa vàng Thái Lan.
Gạo là nguồn nguyên vật liệu khá phù hợp trong sản xuất ethanol.2 Tình hình sản xuất và sử dụng rượu trong và ngoài nước Rượu là sản phẩm đã mang lại nhiều tính năng cho loài người theo năm tháng lịch sử. Từ thời cổ đại đến nay, rượu đóng một vai trò quan trọng trong tôn giáo và thờ cúng. Rượu giữ vai trò tất yếu, góp phần làm tăng chất lượng cuộc sống của con người. Rượu có thể là một xúc tác xã hội có thể mang lại sự thư giãn, sự dể chịu mang tính dược liệu và làm tăng sự ngon miệng.
Do vậy, tuy rượu thường bị sử dụng một cách không đúng bởi một nhóm ít người, rượu vẫn được minh chứng là thức uống có ích lợi đối với đại đa số con người. Rượu etylic là sản phẩm len men được loài người biết biết sử dụng lâu đời nhất và hiện nay cũng là thứ đồ uống được phổ biến rộng rãi ở mọi nước trên toàn thế giới. Thú vui sử dụng rượu đã trở thành một thối quen không thể thiếu của mỗi cá nhân Nhóm: 5 16 Trường Đại học Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM Khoa Công Nghệ Thực Phẩm đang sinh sống trên trái đất này, cho dù có sự khác biệt về màu da, chủng tộc, không gian địa lý, giới tính, tuổi tác hay trình độ,… Uống rượu được đánh giá là một nét văn hóa tiêu biểu, một mặt vừa mang tính cộng đồng cao, mặt khắc lại mang đậm nét đặc trưng cho mỗi quốc gia. Rượu với tư cách là đồ uống rất đa dạng, nhiều mẫu mã khác nhau.
Có loại rượu nặng (trên 400), rượu thông thường (30 - 400) và rượu nhẹ (dưới 300). Độ cồn bằng % cồn tuyệt đối [1]. Sản lượng trung bình hàng năm trên thế giới có thể tới hàng ngàn triệu lít cồn và doanh thu rất đa đáng kể trong thu nhập quốc dân. Trên thị trường hiện nay thấy rất nhiều loại rượu, như vodka – loại rượu trắng làm từ nguyên liệu tinh bột, rượu uytki làm từ đại mạch nảy mầm, rượu vang làm từ quả nho và các loại trái cây (không chưng cất),… Rượu – cồn có thể được sản xuất bằng 2 phương pháp chính đó là lên men (con đường sinh học) và tổng hợp (con đường hóa học) [1].3 Tổng quan về nguyên liệu Nguyên liệu có ý nghĩa rất lớn đến sản xuất lên men.
Nguyên liệu càng tốt hàm lượng hydratcacbon cao, chất chiết nhiều, hiệu suất lên men cao và chất lượng sản phẩm tốt. Trong sản xuất lên men, các nguồn nguyên liệu chủ yếu cung cấp hydratcacbon (gluxit), trong đó các hợp chất quan trọng là đường – bột và enzyme cho lên men rượu. Ngoài ra người ta còn chú trọng đến các nguồn nguyên liệu chứa protein, trong sản xuất bia, rượu…[1] Trong tự nhiên, các nguồn chứa tinh bột làm nguyên liệu cho sản xuất lên men chủ yếu là các hạt ngũ cốc (gạo tẻ, gạo nếp, cao lương, đại mạch, hạt mỳ, ngô,…) và các loại củ (khoai tây, sắn), chứa dường (rỉ đường mía và rỉ đường củ cải). Các nguồn nguyên liệu này ngoài tinh bột còn có protein, lipit, vitamin và các chất khoáng [1].
Nhóm: 5 17 Trường Đại học Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM Khoa Công Nghệ Thực Phẩm Bảng 1.1: Thành phần hóa học trong từng nguyên liệu Tên Chất khoáng Năng Nước Gluxit Protei Lipit nguyên Nguyên Vitamin Xenlulozo lượng (%) (%) n (%) (%) (%) liệu tố (kcal) 0.3- P, Ca, B1, B2, D, E, Gạo tẻ 13-14 70-80 7-8 1-2.5- P, Ca, B1, B2, B6, E, Bột mỳ 13-14 72.0 Fe PP, Caroten Khoai P, Ca, B1, B2, C, PP, 68 28.3 122 lang Fe Caroten P, K, Sắn 62 32.5 156 Ca, Fe Khoai 0.1 Nguồn nguyên liệu gạo Lúa gạo là nguồn lương thực chính của nữa số dân trên thế giới. Lúa gạo cũng là nguồn nguyên liệu quan trọng trong sản xuất rượu – cồn. Trong gạo có 3 hợp chất đáng chú ý là tinh bột, protein và vitamin B1. Tinh bột gạo dể dàng đồng hóa trong cơ thể.
Nó gồm hai cấu tử như các nguồn tinh bột khác: amylose và amylopectin. Hàm lượng hai cấu tử này quyết định tính dẻo của gạo. Amylose trong gạo nếp ít (2%), trong gạo tẻ nhiều hơn (9 - 11%). Gạo càng nhiều amylopectin càng dẻo [1].
Cấu tạo của hạt gạo gồm có ba thành phần chính là nội nhũ (chiếm 93% trọng lượng hạt), mầm (4%) và lớp vỏ cám (3%). Hàm lượng các hợp chất hóa học trong các thành phần trên được thể hiện: Nhóm: 5 18 Trường Đại học Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM Khoa Công Nghệ Thực Phẩm Bảng 1.2 Hàm lượng các hợp chất hóa học trong các thành phần của hạt gạo Các chất Các hợp chất Tinh bột Protein Chất béo Chất xơ Khoáng khác Nội nhũ 90.4 Tinh bột là thành phần quan trọng nhất trong gạo để sản xuất rượu. Hàm lượng tinh bột trong gạo càng cao thì hiệu suất thu hồi sản phẩm rượu sẽ càng cao. Tinh bột gạo gồm có amylose (15 – 35%) và amylopectin (65 – 85%).
Trong nội nhũ, tinh bột ở dạng hạt với kích thước trung bình 3 – 8 μm. Các hạt tinh bột gạo có cấu trúc rất chặc chẽ. Đây là lý do khiến cho nhiệt độ hồ hóa của tinh bột gạo (61 – 780C) cao hơn so với các loại tinh bột khác [3]. Protein của lúa gạo có giá trị dinh dưỡng cao nhất so với tất cả các loại protein của các loại ngủ cốc khác.
Thành phần protein trong hạt gồm: albumin 5%, globulin 10%, prolamin 5% và glutelin 80% Độ đồng hóa của protein của gạo đạt tới 98%. Hàm lượng protein của gạo không cao, phần lớn các protein này không hòa tan được vào môi trường lên men. Vì vậy thích hợp cho lên men rượu [1]. Vitamin B1 tập trung ở vỏ gạo, chủ yếu ở lớp cám.
Do vậy, nấu rượu nên dùng gạo lật, không nên dùng gạo sát quá kỹ. Với gạo lật, hoặc cám gạo, cám mỳ dùng nuôi nấm mốc hoặc lên men xạ khuẩn là rất thích hợp. Khi lên men, vitamin B1 có ở lớp cám giúp cho nấm men sinh trưởng thuận lợi và hoạt tính hệ enzyme zimaza sẽ có thể nâng cao [1].2 Vi sinh vật lên men rượu và enzyme Nấm men Ở nước ta hiện nay, nấm men là vi sinh vật truyền thống được sử dụng để sản xuất rượu, vi sinh vật được dùng để lên men rượu trong sản xuất công nghiệp đó là nấm men Saccharomyces cerevisiae. Các chủng của loài này thường được gọi là các Nhóm: 5 19 Trường Đại học Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM Khoa Công Nghệ Thực Phẩm nòi men rượu.
Giữa các nòi cũng có những đặc điểm riêng khác nhau. Các nòi men rượu đều phải có những yêu cầu công nghiệp như sau: Có sức phát triển mạnh trong dịch đường lên men. Có khả năng tiết ra hệ enzyme zimaza để lên men nhanh và hoàn toàn. Có khả năng lên men ở nhiệt độ tương đối cao mùa hè (35 – 380C).
Có khả năng chịu được ở độ cồn tương đối (khoảng trên 10 0C) trong quá trình lên men. Chịu được ở môi trường axit, có độ pH khoảng 4 – 4. Saccharomyces cerevisiae được dùng chính trong công nghiệp cồn – rượu. Loài này có đặc điểm là lên men đường từ tinh bột được triệt để hơn các loài khác, vì chúng có khả năng lên men được các dextrin cuối (sản phẩm trung gian trong quá trình đường hóa tinh bột) [1].
Phương trình tổng quát của quá trình lên men rượu là: Glucozơ CO2 + H2O + E (năng lượng) S. cerevisiae Tăng sinh khối Nhiệt độ thích hợp đối với sinh trưởng của men rượu là 25 – 30 0C, nhiệt độ tối thiểu khoảng 2 – 30C và tối đa 400C. Nhiệt độ cao hơn nữa, mức sinh trưởng và phát triển bị chậm lại hoặc dần bị chết. Trong môi trường có nồng độ đường cao (trên 30%), nấm men ngừng quá trình sống, hoặc bị chết do thay đổi áp suất thẩm thấu.
Các chủng khác nhau, nồng độ đường thích hợp cũng khác nhau. Các chủng của giống này (nòi men rượu) được chia làm 2 loại: men nổi và men chìm [1]. Men nổi: là khi lên men, các tế bào men giống kết thành đám nổi lên trên bề mặt cùng với lớp bọt tương đối dày và duy trì trong suốt thời gian lên men. Sau khi kết thúc, chúng mới lắng dần xuống đáy và tạo thành lớp xác men không chặt chẽ.
Theo cấu trúc thì nấm men nổi thuộc dạng hạt, chúng ít liên kết nhau thành chuỗi, dạng bóng như nấm men chìm Men chìm: là trong lên men, các tế bào kết với nhau thành các bông lơ lửng trong dung dịch lên men và dần lắng xuống đáy thành lớp cặn men khá chặt chẽ. Nhóm: 5 20 Trường Đại học Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM Khoa Công Nghệ Thực Phẩm Các còi men nổi có khả năng lên men mạnh, lên men được đường đôi và đường đơn cũng như các dextrin thấp (chủ yếu là những dextrin cuối) [1]. Các yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển của nấm men: Nhiệt độ Mỗi vi sinh vật đều có nhiệt độ tối ưu cho phát triển của chúng. Đối với nấm men Sacharomyces cerevisiae, nhiệt độ tối ưu nằm trong giới hạn 28 - 32 ℃ , nếu bắt đầu lên men ở nhiệt độ thấp thì khả năng lên men sẽ cao và kéo dài hơn.
Mặc khác, nếu có điều kiện làm lạnh dịch đường tới 20 - 22℃ sẽ hạn chế được phát triển của tạp khuẩn.