5. SƠ ĐỒ NGUYÊN TẮC CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIA
Hoa Houblon
Malt
Thế liệu
Làm sạch
Làm sạch
Cân
Cân
Nghiền
Nghiền
Đường hóa
Hồ hóa
Lọc dịch đường
Bã
Houblon hóa
Lọc hoa houblon
Men giống
Bã hoa
Lắng
Làm lạnh nhanh
Nhân giống
Lên men chính
Lên men phụ
Thu hồi CO2
Xử lý
Lọc bia
Chai
Bão hòa CO2
Chiết rót
Thanh trùng
Dán nhãn
Bia sản phẩm
Hình 7.3. Sơ đồ nguyên tắc công nghệ sản xuất bia.
77
Xử lý
Chương 8. NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT BIA
Nguyên liệu dùng sản xuất bia gồm đại mạch, hoa houblon, nước, nấm men và
nguyên liệu thay thế.
- Đại mạch [barley]: nguyên liệu chính của nghề sản xuất bia, được dùng chủ
yếu dưới dạng malt.
Malt đại mạch thu được từ sự ươm và sấy khô mầm đại mạch.
- Hoa houblon [hop]: dùng để đun sôi với dịch đường [wort] trước khi lên men
nhằm mục đích chính là tạo vị đắng và hương đặc trưng cho bia.
- Nước [water]: thành phần chiếm lượng lớn nhất trong bia, đồng thời cũng
được dùng cho nhiều mục đích khác nhau trong sản xuất.
-Thế liệu [adjuncts]: Các loại hạt cốc khác như lúa gạo, lúa mỳ, cao lương, ngô,
đường, và các sản phẩm thủy phân từ chúng [syrup,] có thể được dùng để thay thế
một phần malt đại mạch, gọi là thế liệu [nguyên liệu thay thế].
Hiểu biết đầy đủ về các tính chất của các nguyên liệu và tác dụng của chúng đối
với quá trình sản xuất và và sản phẩm bia là cơ sở của quá trình điều hành sản xuất và
xử lý, từ đó có thể điều hành quá trình công nghệ một cách hợp lý nhất. Chương này
giới thiệu các yêu cầu chính của các nguyên liệu chính và nguyên liệu thay thế dùng
trong sản xuất bia hiện nay.
1. ĐẠI MẠCH
1.1. Đặc điểm thực vật
Đại mạch thuộc lớp một lá mầm [monocotyledonae], họ lúa mỳ, chu kỳ sinh
trưởng khoảng 100 120 ngày, thích hợp với khí hậu ôn đới.
Theo thời vụ, có đại mạch mùa đông và đại mạch mùa xuân; năng suất đại
mạch đông khoảng 6 tấn/ha, đại mạch xuân khoảng 4 tấn/ha.
Theo bố trí hạt trên trục bông, có đại mạch hai hàng và đại mạch đa hàng.
Đại mạch hai hàng hạt to và đều hơn, vỏ trấu mỏng, tỷ lệ vỏ trấu/hạt thấp.
Trong quá trình gieo trồng đại mạch cần chú ý một số thông số về chất lượng
như sau:
- Khả năng kháng côn trùng và bệnh tật;
- Sức khỏe của thân cây;
- Khả năng hút dinh dưỡng cao;
- Năng suất hạt cao;
- Hình dạng và sự phân bố hạt đều, đẹp;
- Tốc độ hút nước cao;
- Hàm lượng chất chiết cao;
- Hàm lượng nitơ thấp;
- Năng lực nẩy mầm cao;
- Khả năng hình thành enzyme cao.
Hình 8.1. Đại mạch
Đại mạch để làm bia được trồng khắp Châu Âu, trong đó Trung Âu trồng nhiều
đại mạch hai hàng. Đại mạch của Canada chủ yếu nhằm xuất khẩu, mỗi năm Canada
xuất khoảng 1 triệu tấn đại mạch hai hàng và 0,4 tấn đại mạch sáu hàng. Sản lượng đại
mạch Hoa Kỳ khoảng 10 triệu tấn/năm, 80% được dùng sản xuất bia, cơ bản là đủ cho
78
ngành bia nội địa. Tại Nam bán cầu, Australia là nước xuất khẩu đại mạch với lượng
đáng kể, sản lượng đại mạch hàng năm của Australia khoảng 4,8 triệu tấn.
1.2. Cấu trúc đại mạch
Tương tự các loại hạt trong họ lúa mỳ, hạt đại mạch có cấu trúc cơ bản gồm bốn
phần chính là vỏ, aleurone, nội nhũ và phôi.
.
1.2.1. Vỏ
- Vỏ trấu: Ở ngoài cùng, chiếm khối lượng chủ
Lớp aleurone
yếu của vỏ. Với đại mạch hai hàng, vỏ trấu khá
mỏng và mềm, chiếm khoảng 7 8% khối
lượng chất khô của hạt. Với đại mạch đa hàng,
Nội nhũ
vỏ trấu dày và thô hơn, có thể đến 11%. Thành
phần chủ yếu của vỏ trấu là cellulose và
hemicellulose. Vỏ trấu chứa một số chất có thể
gây những tác dụng xấu đến quá trình sản xuất
Lớp tế bào bao
và hương, vị, độ bền của bia, như polyphenol,
chất đắng và acid testinic. Tuy vậy, vỏ trấu lại
Phôi
là vật liệu hỗ trợ lý tưởng cho công đoạn lọc bã
sau quá trình thủy phân. Vì vậy nếu đại mạch
Lớp vỏ trấu
không có vỏ trấu sẽ không được sử dụng để làm
malt bia.
Hình 8.2. Cấu trúc hạt đại mạch
- Vỏ quả: nằm dưới vỏ trấu, cấu tạo từ khoảng 3
[mặt cắt dọc]
lớp tế bào sắp xếp theo cách tạo độ dai và bền
cơ học cao.
- Vỏ hạt: bên trong vỏ quả, chỉ gồm khoảng hai lớp tế bào đóng vai trò màng bán
thấm. Nước có thể thấm vào bên trong nhưng chất tan không thấm ra được bên ngoài
màng này. Vỏ quả và vỏ hạt liên kết chặt với nhau và chúng dễ được tách ra khỏi vỏ
trấu.
Vỏ chiếm 10,5 13% khối lượng hạt, ở đại mạch mùa xuân là khoảng 10
12%. Kích thước hạt càng bé thì tỷ lệ vỏ/hạt càng cao.
1.2.2. Lớp aleurone
Tế bào lớp aleurone rất giàu protein, chất béo, đường, cellulose, hemicellulose,
vitamin và khoáng. Aleurone là nơi enzyme được tổng hợp mạnh mẽ trong quá trình
nảy mầm; từ đó enzyme sẽ xâm nhập vào nội nhũ tạo nên những thay đổi sâu sắc của
hạt đại mạch trong quá trình nẩy mầm và sấy.
1.2.3. Nội nhũ
Thành phần lớn nhất và giá trị nhất của hạt đại mạch, gồm các tế bào kích
thước lớn có thành mỏng bên trong chứa đầy các hạt tinh bột, một ít protein,
cellulose, chất béo, chất khoáng và một ít đường đơn giản. Thành tế bào nội nhũ gồm
một mạng lưới bền vững tạo nên bởi cellulose và protein phân tử lớn liên kết nhau nhờ
các phân tử β-glucan.
1.2.4. Phôi
Phôi chỉ chiếm khoảng 2,5 5% khối lượng hạt, nằm ở phía dưới, gần đế hạt.
Cấu tạo phôi gồm: phôi lá, phôi rễ và nằm giữa là phôi thân. Ngăn cách giữa phôi và
nội nhũ là ngù là một màng bán thấm. Ngù chỉ cho các chất hòa tan từ nội nhũ thấm
79
qua đi về phôi và nước đi vào nội nhũ để thủy phân chất dự trữ trong quá trình ươm
mầm.
Có thể coi phôi là nhà máy hoạt hóa và sản xuất enzyme trong quá trình ươm
hạt. Hoạt động của phôi là cơ sở để tạo ra malt, trong khi đó malt là nguyên liệu trực
tiếp, cơ bản của ngành bia.
1.3. Thành phần hóa học
Thành phần hóa học của hạt đại mạch phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó
quan trọng nhất là giống, điều kiện canh tác, thu hoạch và bảo quản hạt. Chọn giống
đại mạch làm bia trước hết căn cứ vào các chỉ số về thành phần hóa học của hạt.
1.3.1. Nước [thủy phần]
Thủy phần của đại mạch có ảnh hưởng lớn đến quá trình vận chuyển và bảo
quản hạt. Hàm ẩm cao sẽ kích thích quá trình hô hấp và tự bốc nóng của hạt và tạo
điều kiện cho vi sinh vật phát triển làm hao tổn chất khô, giảm chất lượng và nhanh
hư hỏng khối hạt.
Đại mạch có thủy phần cao sẽ làm tăng chi phí vận chuyển một cách vô ích. Đại
mạch đem bảo quản thường có độ ẩm 13 - 14%.
1.3.2. Hợp chất carbohydrate [glucid]
Là nhóm lớn nhất về lượng và ý nghĩa nhất trong hạt đại mạch, được phân
thành các phân nhóm: đường đơn giản, tinh bột, cellulose, hemicellulose và các chất
keo.
* Đường đơn giản
- Monosaccharide: gồm glucose và fructose, chiếm khoảng 0,3 0,4%.
- Disaccharide: chủ yếu là saccharose, chiếm khoảng 1,8% chất khô của hạt đại
mạch.
Các đường này là sản phẩm trao đổi chất được sử dụng khi hạt nẩy mầm. Do
sau thu hoạch, hạt đại mạch ở trạng thái nghỉ, nên chỉ có một lượng nhỏ các sản phẩm
trao đổi chất, trong đó chủ yếu là đường saccharose và một ít đường glucose và
fructose.
* Tinh bột
Tinh bột [C6H10O5]n là cấu tử chiếm số một về khối lượng cũng như ý nghĩa đối
với công nghệ sản xuất bia, hình thành 50 63% khối lượng hạt đại mạch. Đối với
công nghệ sản xuất malt và bia, tinh bột có hai chức năng: là nguồn thức ăn dự trữ cho
phôi, là nguồn cung cấp chất hòa tan cho dịch đường trước lúc lên men.
Tinh bột khu trú chủ yếu ở nội nhũ, một phần nhỏ ở phôi; tồn tại dưới dạng các
khối lập thể, kích thước khá bé và có kết cấu chặt chẽ, gọi là các hạt tinh bột. Hạt tinh
bột đại mạch gồm loại cỡ lớn [20 30 μm] và cỡ bé [2 - 6 μm], hầu như không có cỡ
trung gian.
Tinh bột không tan trong nước lạnh nhưng khi tiếp xúc với nước thì hút nước và
trương nở. Ở nhiệt độ cao tinh bột có thể hút nước và trương nở thể tích lên rất nhiều
lần [60 100 lần] và độ nhớt có thể tăng nhanh. Nhiệt độ tại đó tinh bột đạt hệ số
trương nở tối đa và độ nhớt lớn nhất gọi là nhiệt độ hồ hóa. Các tinh bột khác nhau có
nhiệt độ hồ hóa khác nhau: gạo 750C, khoai tây 650C,Với đại mạch và ngô, nhiệt độ
hồ hóa là 800C.
Tính chất hồ hóa của tinh bột có ý nghĩa rất lớn trong công nghệ sản xuất bia:
tinh bột đã được hồ hóa sẽ được đường hóa nhanh hơn và triệt để hơn.
80
Thành phần hạt tinh bột gồm hai chất sau:
Amylose: chiếm 20 đến 25%, tan trong nước nóng, không bị hồ hóa.
Amylopectin: chiếm tới 75 - 80%, không tan trong nước, hồ hóa ở nhiệt độ
cao.
* Cellulose: khoảng 5 6% hạt đại mạch, tập trung ở vỏ trấu và đóng vai trò
chất cấu trúc. Phân tử cellulose gồm các chuỗi glucose 1,4 mạch dài không phân
nhánh, trong đó vị trí β thay thế vị trí α tạo ra tính không hòa tan trong nước và không
bị phân hủy bởi enzyme trong malt đại mạch. Do vậy cellulose không ảnh hưởng đến
chất lượng bia.
Cellulose đóng vai trò là vật liệu lọc phụ rất quan trọng trong công đoạn lọc bã
malt vì lớp vỏ trấu là vật liệu tạo màng lọc phụ lý tưởng.
* Hemicellulose: thành phần chính tạo nên độ bền vững của màng tế bào nội
nhũ; là phức hệ tạo bởi β-glucan [80 90 %] và pentosan [10 20 %].
β-glucan là polymer tạo thành từ các β-glucose theo kiểu mạch thẳng không
nhánh, liên kết nhau bằng β-1,4 glucoside [chủ yếu] và β-1,3 glucoside. Trong màng tế
bào chúng liên kết chặt chẽ với protein; khi phân tán vào trong nước chúng kết hợp
nhau nhờ liên kết hydro tạo thành búi . β-glucan có khả năng tạo gel gây trở ngại cho
các công đoạn lọc. 60 70% hiện tượng khó lọc trong sản xuất bia là do β-glucan.
Liên kết β-1,4
Liên kết β-1,3
Hình 8.3. Cấu trúc β-glucan.
Pentosan được tạo ra từ các đường cylose và arabinose [là các pentose]. Mạch
pentosan chủ yếu tạo bởi xylose liên kết nhau bởi liên kết 1,4 D-xylose; arabinose
thay thế cylose tại một số vị trí. Pentosan bị phá hủy một phần trong quá trình sản xuất
malt và bia, tác động của nó đến quá trình sản xuất và chất lượng bia không quan
trọng.
Dưới tác dụng xúc tác của nhóm enzyme cytase, hemicellulose bị thủy phân
thành hexose và pentose. Tất cả các đường đơn này hòa tan bền vững vào dịch đường
và tạo thành chất chiết, là nguồn cung cấp dinh dưỡng quan trọng cho nấm men.
Quá trình phá vỡ thành tế bào bởi nhóm enzyme cytase đóng vai trò quan trọng
ở giai đoạn ươm mầm vì tạo điều kiện để các enzyme khác xâm nhập và thủy phân sâu
sắc thành phần các tế bào nội nhũ.
1.3.3. Các hợp chất nitơ
Đại mạch trung bình chứa từ 7 - 26% chất chứa nitơ. Đại mạch dùng làm bia
được chọn trong khoảng 8 12% , tốt nhất là 9 11%. Trung bình chỉ khoảng 40%
hợp chất chứa nitơ của hạt đại mạch được chuyến vào dịch lên men bia. Một phần hợp
chất dạng đơn giản sẽ là dinh dưỡng nitơ cho nấm men, một phần sẽ kết lắng và bị loại
bỏ qua các quá trình lắng, lọc. Lượng hợp chất chứa nitơ còn lại hòa tan trong bia có ý
81
nghĩa quan trọng trong việc tạo vị, bọt và màu bia. Tuy nhiên, những phần tử hòa tan
có kích thước lớn sẽ dễ kết lắng và sẽ là yếu tố gây đục bia, làm giảm chất lượng và
thời gian lưu hành của thành phẩm.
* Protein
Protein chiếm khoảng 92% hợp chất chứa nitơ hạt đại mạch, gồm albumin
[leucosin], globulin [edestin], prolamin [hordein], glutelin và phân bố chủ yếu ở lớp
aleurone.
Albumin, globulin và một phần nhỏ prolamin sẽ được thủy phân trong quá trình
nấu, hòa tan vào dịch đường đem đi lên men. Phần còn lại không hòa tan sẽ được loại
bỏ cùng với bã malt.
Đại mạch giàu protein sẽ dẫn đến bia nhiều bọt và dễ đục, vị đậm; nếu nghèo
protein bia kém bọt và nhạt. Các melanoidin tạo màu và hương cho bia là sản phẩm
của amino acid với các đường khử. Tính chất của bọt và độ bền hóa keo của bia phụ
thuộc vào mức độ thủy phân và tỷ lệ giữa các sản phẩm của quá trình phân giải
protein.
* Các chất chứa nitơ đơn giản
Trong đại mạch đã tồn tại sẵn một lượng chất chứa nitơ dạng đơn giản dễ dàng
hòa tan vào nước và kết tủa khi đun sôi, chúng chiếm khoảng 8% tổng khối lượng chất
khô đại mạch, gồm:
- Các proteose, có thể coi là các sản phẩm trung gian có phân tử lượng khá lớn
của quá trình thủy phân protein, có tên gọi xuất phát từ tên của protein phân hủy ra nó,
ví dụ albumose, globulose. Các hợp chất này làm tăng độ bọt của bia, tuy nhiên cũng
gây đục bia.
- Amino acid và các đoạn polypeptide có phân tử lượng thấp, gồm amino acid,
dipeptide, các oligopeptide [3 - 9 đơn vị amino acid] và polypeptide [10 - 100 đơn vị
amino acid].
Amino acid và các đoạn peptide ngắn là nguồn dinh dưỡng nitơ cho nấm men.
1.3.4. Chất vô cơ
Chiếm khoảng 2 3% chất khô đại mạch. Những thành phần quan trọng gồm:
- Phosphate, khoảng 35% [tính theo % trọng lượng tro],biểu diễn ở dạng P2O5,
- Silicate, khoảng 25%, biểu diễn dưới dạng SiO2,
- Muối kali, khoảng 20%, biểu diễn dưới dạng K2O.
Muối phosphate có vai trò quan trọng đối với hạt đại mạch. Trong quá trình nấu
bia, muối phosphate tương tác với ion calcium trong nước nấu tạo ra các mức đệm pH
thuận lợi cho hoạt động của các enzyme thủy phân. Phosphate cũng là khoáng chất
thiết yếu đối với sinh trưởng và lên men của nấm men.
Silicate [SiO32-] có nhiều trong vỏ trấu đại mạch, có thể tan vào dịch lên men
dưới dạng keo và có thể thấy trong cặn bia.
Rất nhiều chất vô cơ quan trọng đối với lên men bia bởi là nguồn vi chất cho
nấm men, ví dụ muối kẽm,... Trong 1 lít dịch lên men bia thông thường [12% chất
khô] chứa khoảng 1600 mg chất vô cơ tính theo ôxit, trong đó khoảng 1200 mg xuất
phát từ đại mạch, phần còn lại chủ yếu từ nước.
1.3.5. Chất béo
Đại mạch chứa khoảng 2% chất béo, chủ yếu ở lớp aleurone và phôi. Chất béo
hầu hết là triglyxerit [glyxerol chuyển thành ester khi kết hợp với 3 acid béo, đây là
những acid mạch dài]. Chất béo không tan trong nước, không bị biến đổi trong hạt và
82
hầu như bị loại bỏ cùng với bã malt. Một phần chất béo đi vào bia và sẽ làm giảm khả
năng tạo và giữ bọt của bia.
1.3.6. Một số chất khác
Trong đại mạch còn có một số hợp chất khác, tuy với số lượng nhỏ nhưng
chúng tác động không nhỏ đến chất lượng bia và quá trình sản xuất. Đó là polyphenol,
vitamin, enzyme.
* Polyphenol [hoặc tanin]
Chủ yếu trong vỏ trấu và lớp aleurone, với nồng độ cao chúng gây vị đắng khó
chịu. Đại mạch có vỏ dày thường giàu polyphenol.
* Vitamin
Đại mạch chứa các loại vitamin B1, B2, B6, C, PP, tiền vitamin A, E, acid
pantothenic, biotin,
Các vitamin có cấu trúc phức tạp, trong quá trình bảo quản nguyên liệu và chế
biến chúng bị tổn thất đáng kể.
* Các enzyme đại mạch
Có bản chất là các protein tan trong nước, được tiết ra từ các tế bào sống và
hoạt động như các chất xúc tác sinh hóa và giữ một vai trò đặc biệt quan trọng trong
quá trình sản xuất bia.
Ở giai đoạn hình thành hạt, hoạt lực của các nhóm enzyme rất cao. Đến giai
đoạn hạt chín, hoạt lực của các nhóm enzyme giảm một cách đáng kể. Và đến lúc hạt
sấy đến hàm ẩm 13% thì hầu hết hệ enzyme trong hạt trở thành trạng thái liên kết. Đến
giai đoạn ngâm, hạt hút nước bổ sung đến 43 - 44% thì hệ enzyme được giải phóng
khỏi trạng thái liên kết, chuyển thành trạng thái tự do. Đến giai đoạn ươm mầm, hoạt
lực của các enzyme đạt đến mức tối đa, nhờ đó mà đến lúc đường hóa chúng có khả
năng thủy phân gần như hoàn toàn các hợp chất cao phân tử trong nội nhũ của hạt. Các
sản phẩm thủy phân được hòa tan vào nước và trở thành chất chiết của dịch đường.
Đại mạch chứa một lượng enzyme phong phú, trong đó được quan tâm nhất là
các enzyme thủy phân tinh bột, thủy phân protein, thủy phân các thành phần màng tế
bào và các chất keo.
Tuy nhiên lượng enzyme sẵn có trong đại mạch không nhiều, các enzyme này
chủ yếu được tổng hợp với qui mô lớn trong quá trình ươm mầm hạt [sản xuất malt].
2. HOUBLON
Houblon là nguyên liệu cơ bản của nghề sản xuất bia, được con người biết đến
và đưa vào sử dụng từ khoảng 1000 năm nay. Houblon tạo vị đắng dịu, hương thơm
đặc trưng, góp phần tạo bọt và tăng sức kháng khuẩn của bia.
2.1. Đặc điểm thực vật
Houblon [Humulus lupulus] là loại cây lâu năm, đơn
tính, thân gỗ mảnh, cao khoảng 2-5 m. Để dùng cho mục
đích sản xuất bia, chỉ sử dụng hoa cái chưa thụ phấn. Một
giò hoa gồm có trục, cánh và nhị hoa. Cánh hoa có màu
vàng xanh, khi chín thì chuyển sang màu vàng hoa cau, nếu
để chuyển sang màu cánh gián hoặc màu gỗ thì chất lượng
giảm đến 50 %. Khi hoa bắt đầu chín thì bên trong cánh Hình 8.4. Hoa houblon
hoa, đặc biệt ở phần nhụy hoa xuất hiện các hạt màu vàng
óng rất dẻo gọi là các hạt lupuline. Hạt lupuline hình cầu, kích thước 0.15 0.25 mm
83
đính vào cánh hoặc nhụy hoa bằng các cuống rất mảnh và ngắn. Lupuline là nơi tiết ra
và dự trữ chất đắng và tinh dầu hoa.
Houblon phát triển tốt ở Trung Âu và Bắc Mỹ. Houblon trồng ở Tiệp Khắc có
chất lượng hàng đầu thế giới. Năng suất hoa houblon có thể đến 7000 kg hoa tươi/ha,
trung bình 5000 6000 kg/ha [1000 1200 kg hoa khô/ha].
2.2. Thu hoạch, sơ chế, bảo quản
* Thu hoạch: Houblon được thu hái khi đạt độ chín kỹ thuật, có thể được thực
hiện thủ công hoặc bằng máy chuyên dụng.
* Sấy: Về nguyên tắc, hoa houblon có thể dùng ở dạng hoa tươi, nhưng để bảo
quản lâu và dễ vận chuyển, ta cần phải sấy khô đến độ ẩm khoảng 11% bằng cách
phơi hoa thành lớp mỏng 5 8 cm hoặc sấy bởi không khí nóng khoảng 400C.
* Bảo quản:
Nếu cần bảo quản trong thời gian dài [để sử dụng dưới dạng hoa khô], hoa khô
sẽ được phân loại, xông SO2 trong buồng kín để hạn chế ôxy hóa và vi sinh vật. Hoa
khô sau khi xông được ép chặt thành bánh dưới áp lực khoảng 300 kG/cm2, đóng bao
polyethylene có các lớp chống ẩm và không khí hoặc thùng kim loại. Bảo quản nơi
khô ráo, nhiệt độ thấp và không có ánh nắng mặt trời. Bảo quản hoa trong môi trường
CO2 hoặc nitơ là rất tốt.
Tuy nhiên, hiện nay houblon khô chủ yếu làm nguyên liệu cho các quá trình chế
biến thành các chế phẩm hoa như hoa viên, cao hoa, Do vậy, chỉ cần bảo quản trong
thời gian ngắn.
2.3. Thành phần hóa học
Thành phần hóa học của houblon phụ thuộc vào giống và điều kiện canh tác.
Các số liệu trung bình:
Nước
:
11 - 13%
Cellulose
:
12 14%
Chất đắng :
15 21%
Chất khoáng
:
5 8%
Polyphenol :
2,5 6%
Dầu hoa
:
0,3 3%
Protein
:
15 21,5% Các chất khác
:
26 28%.
Trong đó giá trị nhất là chất đắng, tiếp đến là dầu hoa và polyphenol.
2.3.1. Chất đắng
Chất đắng tạo vị đắng đặc trưng cho sản phẩm, ngoài ra còn tham gia tạo và giữ
bọt
bia, ức chế vi khuẩn [loại gram dương] tăng cường sức kháng khuẩn cho bia thành
phẩm.
Chất đắng tổng cộng của houblon là hỗn hợp tan được trong methanol lạnh và
diethyl ether, gồm nhiều cấu tử được phân thành 2 nhóm: nhựa mềm và nhựa cứng.
- Nhựa mềm là phần đắng tan được trong hexane: gồm chủ yếu là các α-acid
đắng, các β-acid đắng và các đồng đẳng của chúng.
- Nhựa cứng là phần đắng không tan trong hexane, có thành phần không đặc
trưng, ít có ý nghĩa trong sản xuất bia.
Khi bảo quản hoa trong điều kiện kỹ thuật kém như độ ẩm cao, có mặt của ôxy,
chịu tác dụng của ánh sáng hoặc bảo quản qua thời gian dài thì hợp phần nhựa mềm
trong hoa bị suy thoái và chuyển dần thành nhựa cứng.
* Nhóm các α-acid đắng và đồng đẳng của nó là thành phần giá trị nhất trong
chất đắng của houblon.
84
Nhóm
α-acid
đắng theo thứ tự gồm
humulone, cohumulone,
adhumulone. Chúng có
công thức phân tử cơ
bản giống nhau, chỉ
khác nhau ở nhóm -R.
Tuy không có nhóm
carboxyl nhưng các chất
này vẫn có thể tạo ra
nhiều loại muối, vì vậy
được gọi là các acid.
Hình 8.5. Cấu trúc của các humulone và lupulone.
Khả năng hòa tan của αacid đắng vào nước là khoảng 500 mg/l, vào dịch đường ít hơn còn vào bia hầu như
không đáng kể.
Trong công đoạn đun hoa, các α-acid đắng không trực tiếp tan vào dịch mà biến
đổi thành các đồng phân có khả năng tan tốt hơn và độ đắng cao hơn, quá trình này gọi
là đồng phân hóa. Sản phẩm đồng phân hóa là các iso-α-acid đắng, gồm isohumulone,
isocohumulone, isoadhumulone,. Đồng phân hóa quyết định hiệu suất khai thác chất
đắng và sắc thái của vị đắng.
* β-acid đắng và đồng đẳng gồm lupulone, colupulone, adlupulone. Giống như
với α-acid đắng, các β-acid đắng có công thức phân tử cơ bản giống nhau. Lupulone là
hợp chất tinh thể so với humulone thì kém đắng hơn, ít hòa tan trong nước hơn nhưng
tính kháng khuẩn mạnh hơn.
Các chất đắng có thể bị biến đổi dưới tác dụng của ánh sáng thành các đồng
phân, các chất này thường thể hiện vị của bia đã bảo quản quá lâu [bia cũ].
2.3.2. Dầu hoa
Dầu hoa là chất lỏng trong suốt màu vàng nhạt, có cường độ hương mạnh. Dầu
hoa trong bia với hàm lượng nhỏ [thích hợp] sẽ cho mùi thơm đặc trưng dễ chịu.
Dầu hoa houblon gồm khoảng 200 cấu tử, trong đó chủ yếu là terpen, rượu
[alcohols], ketone, aldehyde, ester và acid hữu cơ [organic acids]; có thể chia thành
các nhóm:
- Nhóm hydrocarbon, chiếm khoảng 75%, các hợp chất này chiếm chủ yếu
nhưng cũng dễ bay hơi nhất, do vậy chúng còn lại rất ít sau quá trình đun sôi dịch
đường [ngay cả bổ sung hoa vào muộn]. Trong số hydrocarbon, myrcene [là một loại
terpene] chiếm 60% tổng dầu hoa, dễ bay hơi và dễ bị ôxy hóa, có mùi mạnh, khó
chịu, β-caryophyllene [tối đa 15%], β-farnesene và humulene [0 - 40%] là các cấu tử
có mùi thơm dễ chịu.
- Nhóm hợp chất chứa ôxy, chiếm 25%, chúng được tạo thành từ các
hydrocacbua [tinh dầu thơm], đặc biệt trong quá trình tàng trữ. Phân tử ôxy được cộng
vào các liên kết đôi tạo thành các vòng epoxy, các peoxy có thể bị khử thành rượu
trong quá trình lên men. Trong quá trình bảo quản, các tinh dầu thơm bị polyme hóa
tạo thành các sản phẩm gây ra mùi khó chịu và nặng.
- Nhóm lượng nhỏ hợp chất chứa lưu huỳnh, cường độ mùi của chúng rất mạnh,
có thể ảnh hưởng đến hương tổng thể của hoa và bia. Các hợp chất lưu huỳnh chủ yếu
trong hoa [CH3SSSCH3, CH3SSSSCH3, CH3SSSCH2SCH3]là tiền chất của ôxyt S85
metyl xytein [CH3SOCH2[NH2]COOH], quá trình đun nóng làm cho sự biến đổi này
càng dễ dàng.
2.3.3. Polyphenol [tannin]
Polyphenol chiếm khoảng 2 5% chất khô, chủ yếu trong cuống và lõi hoa. Vai
trò quan trọng nhất của polyphenol là liên kết với protein/polypeptide cao phân tử tạo
thành kết tủa. Các kết tủa này sẽ được loại bỏ khi qua công đoạn lắng, lọc, nhờ vậy
làm tăng độ bền hóa lý của bia. Polyphenol cũng tham gia tạo vị, kháng khuẩn, tạo và
giữ bọt bia. Tuy nhiên khi bị ôxy hóa hoặc tác dụng với muối sắt sẽ tạo thành các phức
chất đậm màu làm xấu màu bia, khi hiện diện với hàm lượng lớn, polyphenol cũng
tham gia các phản ứng ngưng kết gây đục bia.
Polyphenol houblon chủ yếu gồm tannin, flavonol, catechin và hợp chất
anthocyanidin. Trong đó anthocyanidin chiếm đến 80%. Polyphenol houblon có khả
năng ngưng tụ và hoạt tính cao hơn của malt đại mạch.
2.3.4. Hợp chất nitơ
Chiếm 12% đến 20% chất khô của houblon; 30 -50% các chất này hòa tan trong
dịch lên men bia dưới dạng hợp chất nitơ đơn giản, dễ dàng được nấm men hấp thụ và
sử dụng. Tuy nhiên do tỷ lệ sử dụng của houblon trong kết cấu nguyên liệu không lớn
nên đóng góp này không đáng kể.
Các hợp phần khác của houblon như carbohydrate, các acid hữu cơ và chất vô
cơ hầu như không có ý nghĩa đối với quá trình sản xuất bia.
2.4. Các dạng sử dụng hoa
Sử dụng các sản phẩm chế xuất từ hoa có nhiều ưu điểm như dễ ổn định độ
đắng cho bia, thời gian bảo quản gần như vô hạn, lực đắng cao hơn so với của hoa
nguyên, chi phí vận chuyển và bảo quản giảm, không cần sử dụng thiết bị tách bã hoa,
dễ dàng được tự động nạp vào nồi đun hoa.
Hai dạng sản phẩm hoa phổ biến là hoa viên và chất chiết xuất từ hoa.
2.4.1. Hoa viên
Hoa viên là dạng bảo quản rất tiện lợi, được sản xuất từ hoa khô. Hoa khô được
xay nhỏ và nén thành dạng viên. Có ba dạng viên houblon: viên dạng 90, viên được
làm giàu, và viên đã được đồng phân hóa.
* Viên 90: [90 kg bột hoa, chứa tất cả các thành phần quan trọng trong houblon
được sản xuất từ 100 kg hoa nguyên].
Sấy khô hoa ở 20 250C, sau đó sấy ở không khí nóng 40 500C đến khi đạt
hàm ẩm 7 9%. Xay thành bột với cỡ hạt 1 - 5 mm, trộn đều và tạo viên trong thiết bị
chuyên dụng. Trong quá trình tạo viên, khống chế nhiệt độ không vượt quá 500C. Sau
đó làm nguội và đóng bao.
* Viên 45: Các tuyến lupulin trong hoa được thu nhận bằng cách kết hợp loại
máy xay chuyên dụng và máy sàng. Bằng cách này thu được bột mịn giàu lupuline.
Bột được ép thành viên và đóng bao.
Hiện đang có xu hướng gia tăng việc sử dụng dạng viên làm giàu, do giảm
được lượng bã hoa sau đun hoa và hạn chế polyphenol trong viên. Viên houblon có lực
đắng cao hơn 10% so với của hoa nguyên, chủ yếu do phân tán nhanh trong nồi đun
hoa, tăng được tổng diện tích bề mặt dẫn đến tăng cường độ trích ly và đồng phân hóa.
Hoa dạng viên dễ bị giảm chất lượng bởi ôxy, hơi nước, do vậy phải sử dụng
các loại bao cách khí và cách ẩm. Thường sử dụng loại bao polyethylene 4 lớp, có lớp
86
nhôm kim loại. Để đạt hàm lượng ôxy thấp hơn 0,5% thể tích, bao được nạp đầy khí
trơ. Bao được đóng theo khối lượng viên/bao hoặc theo lượng alpha-acid/bao.
* Viên đã được đồng phân hóa
Đồng phân hóa alpha-acid có thể thực hiện bằng bổ sung magiesium oxide
[MgO]. Dạng đồng phân có ưu điểm hơn dạng viên thường do không cần phải qua
đun hoa lâu để tạo đồng phân hóa, tăng hàm lượng alpha-acid, thời gian đun có thể
được rút ngắn, chi phí houblon và năng lượng giảm, ít tạo cặn nóng ; hoa viên đã đồng
phân hóa không cần bảo quản lạnh
Cách sản xuất gần giống với dạng viên thường, điểm khác là trước khi tạo viên,
MgO được trộn vào bột houblon để xúc tác quá trình đồng phân hóa. Sau khi đóng gói,
viên hoa được đặt trong phòng nhiệt độ 500C cho đến khi đồng phân hóa xảy ra hoàn
toàn. Quá trình này được theo dõi chặt chẽ. Sản phẩm được bảo quản trong bao đặc
biệt để chống ôxy, chống ẩm.
2.4.2. Cao hoa
Hiện nay dung môi dùng để trích ly houblon được ưa dùng nhất là CO2 siêu
lỏng hoặc ethanol, vì methylene chloride dung môi phổ biến trong thời gian dài trước
đây, đã bị cấm vì mục đích bảo vệ môi trường. Hai dung môi kể trên hiện nay tỏ ra đặc
biệt thích hợp cho mục đích trích ly houblon do khả năng hòa tan hoàn toàn nhựa và
tinh dầu hoa. Trong đó trích ly bằng CO2 siêu lỏng [sufercritical CO2] đang được áp
dụng ngày càng rộng rãi.
* Trích ly hoa houblon bằng ethanol
Hoa được đưa vào máy phân loại để loại bỏ các tạp chất nặng và các kim loại,
sau đó trong vít tải xoắn được trộn với ethanol 90%. Hỗn hợp houblon và ethanol được
bơm qua máy nghiền ướt rồi vào máy trích ly nhiều giai đoạn. Cồn chảy qua liên tục
theo chiều ngược với chiều houblon và hòa với các thành phần trong houblon. Phần bã
hoa đã trích ly gần như hoàn toàn sẽ bị loại khỏi máy trích ly và sấy khô.
Dung dịch thu được có chứa các thành phần cần thiết của hoa được gọi là hợp
chất mixella. Hợp chất này phải cô đặc ngay bằng hệ thống bay hơi nhiều tầng cùng
một máy cô đặc, sản phẩm thu được gọi là cao thô.
Sau đó cao thô được cho qua cột rửa nước nóng trong điều kiện chân không,
cồn sẽ bay hơi hoàn toàn, xử lý hơi chỉ cần thực hiện ở 60oC. Cao hoa tạo thành có
hàm lượng tinh dầu được giữ lại nhiều hơn và α-acid bị đồng phân hóa ít hơn.
* Trích ly hoa houblon bằng CO2
Để có thể sử dụng một chất khí như CO2 làm chất trích ly thì nó phải có một tỷ
trọng tương tự như chất lỏng. Bằng phương pháp nén khí CO2, tỷ trọng đạt khoảng 0,9
1,0 kg/l. Thực tế trên thế giới thường sử dụng CO2 để trích ly ở p = 150 300 bar và
nhiệt độ to = 32 100oC [CO2 siêu lỏng]
Trong thiết bị trích ly, với áp suất trích ly cao, khả năng hòa tan có thể thay đổi
do thay đổi nhiết độ và áp suất. Sự oxy hóa và ô nhiễm môi trường đều không thể xảy
ra nên các cấu tử thơm được chiết không có tạp chất.
3. NƯỚC
3.1. Vai trò của nước trong sản xuất bia
Nước là một trong những nguyên liệu chính để sản xuất bia. Thành phần và tính
chất của nước ảnh hưởng trực tiếp đến toàn bộ quá trình công nghệ và chất lượng
thành phẩm. Trong quá trình sản xuất malt và bia cần một lượng nước rất lớn như để
87