Tổng quan nghiên cứu

Thị trường đồ uống có cồn tại Việt Nam ghi nhận mức tiêu thụ lên tới 3.918 triệu lít vào năm 2016, đưa nước ta đứng thứ 16 trên toàn cầu về quy mô sử dụng rượu bia. Tại khu vực Đông Nam Á, lượng đồ uống có cồn tự sản xuất hoặc không qua đăng ký chính thức chiếm khoảng 45,4% tổng sản lượng tiêu thụ. Các dòng rượu cổ truyền nấu bằng bánh men lá rừng mang bản sắc văn hóa độc đáo nhưng thường gặp hạn chế lớn về chất lượng không đồng đều và tiềm ẩn nguy cơ tạp chất độc hại do hệ vi sinh vật chưa được kiểm soát.

Vấn đề cốt lõi đặt ra là việc sản xuất rượu men lá thủ công phụ thuộc hoàn toàn vào hệ sinh thái tự nhiên của 10 đến 12 loài thảo mộc bản địa, khiến quá trình lên men dễ tạp nhiễm và hiệu suất biến đổi tinh bột thành cồn chưa tối ưu. Nghiên cứu được thực hiện nhằm mục tiêu phân lập, tuyển chọn các chủng nấm men thuần khiết có hoạt lực cao từ bánh men lá tại bản Đá Bàn, xã Ba Nang, huyện Đakrông, tỉnh Quảng Trị. Trên cơ sở đó, đề tài xây dựng quy trình ứng dụng các chủng nấm men tuyển chọn vào chế biến rượu gạo Khang Dân, chuẩn hóa các thông số kỹ thuật để nâng cao độ cồn và cải thiện hương vị.

Nghiên cứu được triển khai từ tháng 12 năm 2018 đến tháng 5 năm 2019 tại Viện Công nghệ Sinh học và Trường Đại học Nông Lâm thuộc Đại học Huế. Kết quả của luận văn mang lại giá trị thực tiễn to lớn khi tạo ra sản phẩm rượu đạt nồng độ cồn từ 46,4% v/v đến 46,8% v/v, hoàn toàn không phát hiện độc tố methanol, đáp ứng đầy đủ các chỉ tiêu an toàn theo quy chuẩn TCVN 7043:2013 và mở ra tiềm năng thương mại hóa dòng rượu đặc sản truyền thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Cơ sở sinh hóa của quá trình sản xuất rượu dựa trên lý thuyết đường phân Embden - Meyerhof - Parnas (EMP) và chu trình acid carboxylic. Cơ chất glucose được chuyển hóa thông qua chuỗi 10 phản ứng enzyme liên hoàn để tạo thành acid pyruvic, sau đó bị khử carboxyl tạo acetaldehyde và tiếp tục nhận hydro từ NADH để tạo thành ethanol theo phương trình: $$\text{C}6\text{H}{12}\text{O}_6 \rightarrow 2\text{C}_2\text{H}_5\text{OH} + 2\text{CO}_2 + 113,4\text{ kJ}$$

Hệ thống lý thuyết lên men rượu truyền thống dựa trên cơ chế cộng sinh giữa nấm mốc sinh phức hệ enzyme amylase để đường hóa tinh bột và nấm men thực hiện rượu hóa. Trong đó, các khái niệm sinh học then chốt bao gồm: hoạt lực lên men đường, khả năng chịu ethanol, hoạt tính sinh khí carbonic trong ống Durham và sinh tổng hợp các hợp chất este tạo hương. Ngoài nấm men chủ đạo Saccharomyces cerevisiae, các giống nấm men non-Saccharomyces như PichiaCandida giữ vai trò quan trọng trong việc tăng cường hương vị và cải thiện chất lượng cảm quan của sản phẩm.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu thu thập mẫu bánh men lá nguyên bản tại huyện Đakrông, tỉnh Quảng Trị và nguồn nguyên liệu gạo Khang Dân đồng nhất tại huyện Phú Vang, tỉnh Thừa Thiên Huế. Cỡ mẫu thực nghiệm được bố trí theo mô hình ngẫu nhiên hoàn toàn với 7 công thức tỷ lệ men từ 6g đến 12g trên 1000g gạo, khảo sát 4 dải nhiệt độ từ 25°C đến 35°C và 6 mốc thời gian từ 6 đến 21 ngày, mỗi nghiệm thức lặp lại 3 lần để đảm bảo độ tin cậy thống kê ANOVA.

Quy trình phân lập và đánh giá hoạt tính được tiến hành qua các bước kỹ thuật chuẩn hóa:

  • Phân lập vi sinh: Tăng sinh mẫu trên môi trường Hansen lỏng, cấy gạt ở các độ pha loãng từ $10^{-4}$ đến $10^{-6}$ trên thạch đĩa ở nhiệt độ 30°C trong 48 đến 72 giờ. Đo chiều cao cột khí carbonic sinh ra trong ống Durham ở các mốc 12, 14, 16 và 18 giờ.
  • Định danh phân tử: Tách chiết DNA tổng số bằng phương pháp CTAB-PCI, khuếch đại đoạn gen ITS1-4 và ITS4-5 bằng phản ứng chuỗi polymerase (PCR) với chu kỳ nhiệt 30 chu kỳ, phân tích giải trình tự nucleotide và xây dựng cây phát sinh loài trên phần mềm MEGA 7.0 theo thuật toán Neighbor-Joining với 1000 lần lặp lại bootstrap.
  • Phân tích hóa sinh: Xác định hàm lượng đường khử và đường tổng số bằng phương pháp Bertrand, chuẩn độ acid tổng bằng dung dịch NaOH 0,1N, đo độ pH bằng máy điện tử Thermo Scientific Orion 3 Star, đo độ cồn bằng tửu kế tiêu chuẩn và định lượng độc tố aldehyde, furfural, methanol theo phương pháp chuẩn TCVN.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thực nghiệm đã phân lập thành công 14 dòng tế bào nấm men từ bánh men lá Ba Nang và tuyển chọn được 12 dòng có khả năng lên men tích cực. Sau khi sàng lọc hoạt lực sinh khí qua ống Durham, 7 dòng nấm men xuất sắc nhất được định danh sinh học phân tử bao gồm: Cystobasidium calyptogenae NML01, Pichia guilliermondii NML02, Dirkmeia churashimaensis NML03, Candida metapsilosis NML04, Saccharomyces cerevisiae NML01(2), Saccharomyces cerevisiae NML05(2) và Saccharomyces cerevisiae NML17.

Các phát hiện kỹ thuật quan trọng trong quá trình tối ưu hóa chế độ công nghệ bao gồm:

  • Giai đoạn lên men ẩm (ủ cơm) đạt trạng thái tối ưu ở mốc 4 ngày, khi đó hàm lượng đường tổng số giảm mạnh và đường khử tăng đột biến, tạo điều kiện thuận lợi nhất cho quá trình rượu hóa tiếp theo.
  • Tỷ lệ phối trộn bánh men lá thích hợp nhất là 0,8g trên 100g gạo (tương đương 8g/kg nguyên liệu), kết hợp thời gian lên men lỏng 9 ngày tại nhiệt độ ổn định 25°C.
  • Việc bổ sung đơn chủng Candida metapsilosis NML04 với tỷ lệ 0,2g/kg gạo giúp nồng độ cồn đạt mức cực đại 46,8% v/v, vượt trội so với các công thức đối chứng thông thường.
  • Phương án phối hợp đồng thời 2 chủng nấm men NML04 (Candida metapsilosis) và NML02 (Pichia guilliermondii) theo tỷ lệ 0,2g : 0,2g trên 1000g gạo đem lại độ rượu đạt 46,4% v/v cùng điểm đánh giá cảm quan cao nhất về độ trong, hương thơm thảo mộc và vị hậu ngọt dịu.

Thảo luận kết quả

Diễn biến động học của quá trình lên men được phản ánh rõ nét qua các đồ thị phân tích hàm lượng đường và tích tụ ethanol. Trong 4 ngày ủ ẩm đầu tiên, hệ enzyme amylase từ nấm mốc thủy phân tinh bột giúp hàm lượng đường khử tăng vọt lên mức cao nhất. Khi chuyển sang giai đoạn lên men lỏng, nấm men tiêu thụ nhanh chóng lượng đường này, đưa hàm lượng đường sót về mức thấp nhất sau 9 ngày và làm tăng nồng độ cồn một cách ổn định.

Sự tương tác cộng sinh giữa chủng Saccharomyces cerevisiae bản địa với Candida metapsilosis NML04 và Pichia guilliermondii NML02 tạo ra hiệu ứng chuyển hóa cơ chất triệt để. Nấm men PichiaCandida có khả năng sinh tổng hợp các enzyme ngoại bào và esterase, thúc đẩy quá trình tạo hương este thơm mà không làm hao hụt độ cồn. Kết quả kiểm nghiệm hóa lý cho thấy sản phẩm hoàn toàn không chứa methanol, hàm lượng aldehyde và furfural nằm trong ngưỡng an toàn tuyệt đối theo tiêu chuẩn TCVN 7043:2013. Thử nghiệm mở rộng trên quy mô mẻ 8 kg gạo Khang Dân cho kết quả tương đương với quy mô phòng thí nghiệm, chứng minh tính ổn định và độ tin cậy của quy trình.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các cơ sở khoa học và thực nghiệm của đề tài, các giải pháp mang tính ứng dụng cao được đề xuất nhằm phát triển nghề sản xuất rượu truyền thống:

  1. Chuẩn hóa quy trình nhân giống vi sinh vật: Các trung tâm ứng dụng khoa học công nghệ cần phối hợp cùng cơ sở sản xuất triển khai nhân giống thuần chủng Candida metapsilosis NML04 và Pichia guilliermondii NML02 ở dạng nấm men khô hoặc sinh khối lỏng. Đặt mục tiêu trong 12 tháng giảm thiểu tỷ lệ tạp nhiễm vi sinh xuống dưới 2% và hạ tỷ lệ hư hao lên men trong sản xuất xuống mức dưới 3%.
  2. Kiểm soát thông số nhiệt độ và tỷ lệ phối trộn: Các hợp tác xã và làng nghề nấu rượu cần áp dụng nghiêm ngặt tỷ lệ bánh men 8g/kg gạo và duy trì nhiệt độ lên men lỏng từ 25°C đến 28°C bằng hệ thống phòng ủ mát hoặc bể điều nhiệt. Timeline triển khai trong 6 tháng nhằm đưa tỷ lệ rượu thành phẩm đạt chuẩn chất lượng loại A lên trên 90%.
  3. Bảo tồn nguồn tài nguyên cây thuốc làm men: Chính quyền địa phương huyện Đakrông và Sở Nông nghiệp & Phát triển Nông thôn tỉnh Quảng Trị cần xây dựng kế hoạch khoanh vùng bảo vệ, nhân giống 10 đến 12 loài cây dược liệu làm men lá rừng như Thiên niên kiện, Kinh giới núi, Sài đất giả. Mục tiêu giai đoạn 2024 - 2026 quy hoạch vùng chuyên canh dược liệu men lá đạt quy mô 15 hecta, giảm thiểu việc khai thác cạn kiệt tự nhiên.
  4. Cải tiến thiết bị chưng cất và tách phân đoạn: Viện nghiên cứu và các xưởng sản xuất cần đầu tư cải tiến nồi chưng cất truyền thống sang hệ thống tháp chưng cất ngưng tụ nhiều cấp có kiểm soát nhiệt độ trong vòng 18 tháng tới, nhằm loại bỏ hoàn toàn phần rượu đầu chứa aldehyde và cặn đuôi chứa furfural, khống chế hàm lượng este độc hại dưới 20 mg/l.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang giá trị học thuật và thực tiễn phong phú, phù hợp cho nhiều nhóm đối tượng:

  • Giảng viên và nhà nghiên cứu công nghệ thực phẩm: Nguồn tài liệu chuyên sâu về cơ chế phân lập, định danh phân tử ITS4-5 của các loài nấm men đặc hữu miền Trung, phục vụ công tác giảng dạy và phát triển các đề tài vi sinh vật học ứng dụng.
  • Học viên cao học và sinh viên ngành Công nghệ Sinh học: Khung tham chiếu chuẩn mực về phương pháp bố trí thí nghiệm vi sinh, kỹ thuật PCR, tách chiết DNA bằng CTAB-PCI và quy trình đánh giá động học lên men rượu.
  • Chủ cơ sở sản xuất và doanh nghiệp đồ uống truyền thống: Cẩm nang thực hành chi tiết về tỷ lệ phối trộn men 0,8%, công thức bổ sung men thuần chủng 0,2g/kg và kỹ thuật kiểm soát quá trình lên men để tạo ra sản phẩm rượu chất lượng cao, an toàn vệ sinh thực phẩm.
  • Cán bộ khuyến nông và cơ quan quản lý chất lượng địa phương: Cơ sở khoa học để xây dựng tiêu chuẩn sản phẩm OCOP, định hướng phát triển thương hiệu rượu men lá đặc sản gắn liền với chỉ dẫn địa lý và bảo tồn tri thức bản địa.

Câu hỏi thường gặp

Bánh men lá vùng Ba Nang có đặc điểm gì nổi bật so với men thuốc Bắc?
Bánh men lá Ba Nang được sản xuất từ bột nếp đỏ phối trộn với dịch chiết của hơn 10 loại cây rừng tự nhiên như Riềng nếp, Thiên niên kiện, Kinh giới núi. Quá trình này tạo nên hệ vi sinh vật đa dạng gồm nấm mốc đường hóa và nhiều chủng nấm men non-Saccharomyces đặc hữu, giúp rượu có hương thơm thảo mộc tự nhiên và không gây đau đầu.

Tại sao cần bổ sung kết hợp hai chủng nấm men NML04 và NML02 vào quá trình lên men?
Chủng Candida metapsilosis NML04 có hoạt lực lên men cồn cực mạnh giúp nâng độ rượu lên 46,8% v/v, trong khi Pichia guilliermondii NML02 đóng vai trò quan trọng trong việc sinh tổng hợp các hợp chất este thơm. Việc kết hợp hai chủng với tỷ lệ 0,2g : 0,2g trên 1000g gạo tạo nên sự cân bằng hoàn hảo giữa hiệu suất cồn hóa cao 46,4% v/v và chất lượng cảm quan tối ưu.

Sản phẩm rượu từ nghiên cứu có đảm bảo an toàn đối với sức khỏe người dùng không?
Rượu thành phẩm hoàn toàn không phát hiện sự tồn tại của độc tố methanol, đạt tiêu chuẩn khắt khe của quy chuẩn TCVN 7043:2013. Hàm lượng các tạp chất hữu cơ như aldehyde và furfural đều được kiểm soát ở mức cho phép nhờ sự ức chế vi khuẩn tạp nhiễm của hệ nấm men thuần chủng.

Yếu tố nhiệt độ lên men 25°C ảnh hưởng như thế nào đến chất lượng rượu?
Mức nhiệt độ 25°C là điểm tối ưu giúp nấm men duy trì tốc độ sinh trưởng ổn định, chuyển hóa đường thành ethanol một cách triệt để trong 9 ngày mà không làm bay hơi các hợp chất thơm dễ bay hơi. Nếu nhiệt độ vượt quá 35°C, quá trình lên men bị ức chế, tăng hàm lượng acid hữu cơ và làm rượu bị chua.

Quy trình này có thể áp dụng trên quy mô sản xuất công nghiệp hoặc bán công nghiệp không?
Nghiên cứu đã thử nghiệm thành công trên mẻ 8 kg gạo Khang Dân với kết quả chất lượng và độ cồn tương đương quy mô phòng thí nghiệm. Quy trình sử dụng các thông số định lượng rõ ràng, hoàn toàn khả thi để chuyển giao công nghệ cho các hợp tác xã và nhà máy sản xuất rượu quy mô lớn.

Kết luận

  • Luận văn đã phân lập thành công 14 dòng nấm men từ bánh men lá Ba Nang (Quảng Trị), tuyển chọn và định danh phân tử chính xác 7 chủng nấm men có hoạt tính sinh học vượt trội.
  • Xác định bộ thông số công nghệ chuẩn: ủ ẩm 4 ngày ở 30°C - 32°C, lên men lỏng 9 ngày ở 25°C với tỷ lệ bánh men 8g/kg gạo Khang Dân.
  • Bổ sung phối hợp hai chủng thuần Candida metapsilosis NML04 và Pichia guilliermondii NML02 (tỷ lệ 0,2g : 0,2g / kg gạo) giúp đạt độ cồn 46,4% v/v, tối ưu hóa giá trị cảm quan.
  • Rượu thành phẩm đạt độ an toàn tuyệt đối theo tiêu chuẩn TCVN 7043:2013, không chứa methanol và kiểm soát hoàn hảo các hàm lượng độc tố hữu cơ.
  • Thử nghiệm mở rộng quy mô mẻ 8 kg gạo khẳng định tính ổn định cao và sẵn sàng chuyển giao công nghệ vào thực tế sản xuất.

Kế hoạch trong 12 đến 24 tháng tới tập trung vào việc hoàn thiện chế phẩm nấm men dạng bột khô thương phẩm và thiết lập dây chuyền sản xuất rượu men lá đạt chuẩn OCOP 5 sao. Quý độc giả, nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm đến việc nhận chuyển giao công nghệ hoặc hợp tác phát triển vùng nguyên liệu men lá có thể kết nối trực tiếp với nhóm tác giả tại Khoa Cơ khí Công nghệ, Trường Đại học Nông Lâm - Đại học Huế để cùng hiện thực hóa tiềm năng to lớn của dòng đồ uống truyền thống Việt Nam.