Công nghệ lên men ứng dụng trong công nghệ thực phẩm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ Hồ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

BÙI ÁI

CÔNG NGHỄ LÊN MEN

ỨNG DỤNG TRONG

CÔNG NGHÊ Ĩ E * PHÀM

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP H ồ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Bùi Ái

CÔNG NGHỆ LÊN MEN

ỨNG DỤNG TRONG

CÔNG NGHỆ THựC PHẨM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

________ t h ư viện _______

í W P - H T ọ q ,

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC Q u ố c GIA

T P HỒ CHÍ M INH - 2013

CÔNG NGHỆ LỌC VÀ CHẾ BIÊN DAU

Nhà xuất bản ĐHQG-HCM và tác giả/đối tác liên kết giừ bản quyền®

c pyright © by VNƯ-HCM Publishing House and author/co-partnership

All rights reserved

f*

TRƯ Ờ N G ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ĐHQG-HCM

Tái bản không SC/BS, lần thứ 2, năm 2013

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU

Chương 1 CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CỒN ETYLIC

1.1 Nguyên liệu - yêu cầu kỹ thuật

1.2 Các phương pháp công nghệ sản xuất cồn etylic

1.2.1 Sơ đồ tổng quát

1.2.2 Các phương pháp sản xuất điển hình

Chương 2 CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT MALT VÀ BIA

2.1 Nguyên liệu dùng trong sản xuất bia

(raw material producing beer)

2.1.1 Nước (water)

2.1.2 Đại mạch (barley)

2.1.3 T hể liệu

2.1.4 Nấm men (yeast)

2.1.5 Huplông

2.1.6 Các chất phụ gia

2.2 Sản xuất m alt đại mạch

2.2.1 Mục đích, ý nghĩa, định nghĩa m alt

2.2.2 Qui trìn h công nghệ sản xuất m alt đại mạch

2.3 Sản xuất bia

2.3.1 Chế biến dịch đường - nấu bia

2.3.2 Lên men - ủ chín bia

2.3.3 Hoàn thiện sản phẩm bia

Chương 3 CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT RƯỢU VANG NHO

3.1* Tổng quan - Phân loại sản phẩm

3.2 Công nghệ sản xuất vang nho trắng,

rượu champagne và rượu nguyên liệu cho cognac

3.3 Công nghệ sản xuất vang nho đỏ

3.4 Nấm men dùng trong sản xuất rượu vang

3.5 Yêu cầu đô'i với những nấm men rượu vang

Chương 4 CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT MỘT s ố LOẠI

RŨỢU u ố n g c a o Độ

4.1 Công nghệ sản xuất rượu cognac

4.2 Công nghệ sản xuất rượu whisky

4.3 Công nghệ sản xuất rượu rum

TÀI LIỆU THAM KHẢO

7

7

10

10

11

43

43

43

50

62

64

73

82

82

82

83

129

129

159

175

190

190

191

201

210

218

223

224

228

231

235

LỜI NÓI ĐẨU

Hiện nay việc trình bày ứng dụng của công nghệ lẽn men nói chung

trong các lĩnh vực kinh tổ quốc dân là quá rộng, đa dạng và phức tạp,

cho nôn trong cuốn sách CÔNG NGHỆ L Ê N M EN ỨNG DỤNG TRONG

CÔNG NGHỆ THỰC PHẤM Tác giả chỉ giới hạn bằng việc trình bày

ứng dụng công nghệ lên mcn trong ngành công nghiệp chế biến thực

phẩm. Muốn xác định được tính riêng biệt của ngành công nghiệp chế

biến thực phẩm, trước hét ta cần quan tâm đến các yểu tố:

- Mục tỉ cu của cồng nghệ chế biến thực phẩm.

- Nguyên liệu và sản phẩm cuối cùng của qui trình công nghệ chẽ

biến thực phẩm.

- Định hình qui trình công nghệ chế biến thực phẩm.

Trẽn cơ sở đó, ta dễ dàng tìm được “chỗ đặ t” cho công nghệ lèn

men ở những điểm, đoạn và thậm chí toàn bộ quá trình công nghệ một

cách hợp lý, khoa học và hiệu quả nhất.

Đẽ tạo ra dược một sản phẩm thực phẩm mang tính ti.cn bộ, và

hoùìì thiện, mà troììg qui trình công nghệ đã có “chỗ đặt” của công nghệ

lòn men, thì nhất, thiết phủi thấy rõ tính tiến bộ và hoàn thiện cua hai

mặt sau:

- Phẩn cứng: máy móc, trang thiết bị, dụng cụ đáp ứng ở mức độ nào?

- Phần mềm: qui trình công nghẹ được áp dụng trốn phần cứng đó

đà hợp lý, thỏa đáng chưa?.

Sự dỏng góp tích cực của công nghệ lẽn men trong việc tạo ra

những sàn phẩm mới, làm phong phú và đa dạng hóa mặt hùng trong

công nghiệp chò biển thực phẩm là điều đã du'ợc khẳng định.

Dù có nhiều năm làm công túc giáng dạy đại học và NCKH trong

lĩnh vực công nghệ lẽn men, Tác giả dã rất cố gắng hoàn thành tài liệu

“CÔNG NGHỆ LÊN MEN ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ TI lự c PHẨM”

VỜI mong muôìì giúp ích cho sinh vicn ngành Công nghệ Thực phàm tự

đinh hướng vờ phát huy sự học hỏi của mình vảo thực tế cuộc. sông.

Tuy nhiên, sự mong muốn và hy vọng của tác giả là vô cùng lớn,

trong khi sự hiếu biết và khả năng lại vồ cùng nhỏ, vì vậy khi cuôn sách

này được ra đời, chắc chán là những lời chè sẽ nhiều hơn gấp nliiểu lần

nhừng lời klicn, dù vậy, đối với tác giả thì đều quý trọng như nhau, miễn

là những lời ehe, khen đó xuất phát từ thiện tâm.

Rât mong nhận được sự chỉ giáo của các bậc Giáo sư, Tiên sĩ, học

giảK sự chia sẻ của các đồng nghiệp, đặc biệt là những ý kiên đóng góp

của các em sinh viên ngành Công nghệ Thực phẩm đ ể cho cuốn sách này

hoàn thiện hơn trong những lần tái bản sau.

Địa chỉ liên hệ: Bộ môn Công nghệ Thực phẩm , Trường Đại học

Bách khoa - Đại học Quốc gia TP HCM, 268 Lý Thường Kiệt, Q10, TP HCM.

Điện thoại: 8646251.

Tác g iả

GVC- Bùi Ái

Chương 1

CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CỒN ETYLIC

N g u y ê n tắ c cơ b ả n

Có thể sử dụng tấ t cả các loại nguyên liệu chứa đường lên men

được, hoặc nguyên liệu chứa gluxit có thể chuyển hóa thành đưốrng lên

men được để sản xuất cồn etylic.

Dựa trên nguyên tắc đó, người ta chia ra ba nhóm nguyên liệu sau:

- Nguyên liệu chứa nhiều tinh bột (gạo, ngô, khoai, sắn, lúa mì,

đại mạch....).

- Nguyên liệu chứa dường (rỉ đường, nước mía, trái cây chín,....).

- Nguyên liệu chứa nhiều xenlulo (cellulose) (rơm rạ, gỗ vụn, mùn cưa,...).

1.1 NGUYẾN LIỆU-YÊU CẦU KỸ THUẬT

Trên thực tế, chỉ có hai nhóm nguyên liệu đầu được sử dụng trong

sản xuât, nhóm thứ ba do hiệu quả kinh tế kém không được sử dụng.

Đôi với nước ta, gạo là cây lương thực chính, vì vậy không chủ

trương dùng gạo để nâu rượu, mà khuyên khích dùng các loại ngũ cô'c

thay th ế như ngô, khoai, sắn,....

1- Ngô (bắp): được trồng nhiều ở vùng nhiệt đới và á nhiệt đới như

Trung Mỹ, châu Á,.... H ạt ngô có chứa nhiều tinh bột, một ít đường, dùng

để sản xuất rượu êtylic rấ t tốt. Câu tạo của h ạt ngô gồm có phôi và nội

nhũ. Phôi chiếm từ 12 -ỉ- 15% trọng lượng hạt, còn lại 85 88% là nội

nhũ. Tinh bột ngô chủ yếu nằm trong nội nhũ, trong đó khoảng 10 -r 15%

là amyloza (amylose) và 85 -ỉ- 90% là amylopectin. Ngoài ra, trong nội nhũ còn

có 0,5 -ỉ- 0,6% axít béo. Các hợp chất chứa nitơ trong h ạt ngô hầu hết là

protein, phần lớn thuộc nhóm zein, ngoài ra còn có prolam in, glutelin;

albumin hầu như không có; globulin chiếm khoảng 0,4% trọng lượng hạt.

Zein là một dạng protein không đầy đủ vì thiếu các axit amin không thay

th ế như triptophan, lysin (lysine). Đặc biệt, hàm lượng chất béo ở ngô

nhiều hơn những h ạt ngũ côc khác và tập trung chủ yếu ở phôi, - chiếm

từ 30 40% trọng lượng phôi, - chất béo này đa số là axit chưa no, màu

vàng nhạt, chiếm 72% tổng lượng chất béo, thường ta tách phôi ra để ép

lây dầu làm bơ nhân tạo hay dầu ăn, ngô đã tách phôi dùng để nấu rượu.

Gluxit trong ngô gồm có:

- Tinh bột chiếm 43,47 -r 61,8%;

- Đường chiếm 1,76 4,62%;

- Destrin và pectin: 1,09 -ĩ- 14,67%.

Theo V.L.Cretovich, th àn h phần % trọng lượng của m ột sô' loại ngũ

cốc'như bảng 1.1.

B ảng 1.1

^^^^X hành phần

Loại hạt

NƯỚC Protit Chất béo Gluxit Xenlulo Tro

Ngô 14,0 10,0 4,6 67,9 2,2 1,3

Thóc 12,0 . 6,7 1,9 63,8 10,4 5,2

Đại mạch 14,0 10 5 2,1 66,4 4,5 2,5

Lúa mì mểm 14,0 12,0 1,7 68,2 2,0 1,6 .

2- Sắn (khoai mì): thường được trồng nhiều ố các vùng đâ't đồi,

không cần nhiều đến chăm bón, năng suâ't trung bình từ 8 -í- 10 tân/ha.

Thời gian sinh trưởng từ 10 ^ 12 tháng. Có nhiều loại sắn khác nhau như

sắn đắng và sắn ngọt, hoặc dựa vào màu sắc của vỏ chia ra sắn vỏ vàng

hoặc sắn trắng. Thành phần hóa học của sắn tươi và khô như bảng 1.2

(theo % trọng lượng)

Bảng 1.2

^ ^ \ T h à n h phẩn

Loọi NƯỚC Protit Chất béo Gluxlt Xenlulo Tro

sắn tươi 70,25 1,120 0,41 26,58 1,11 0,54

Sắn khô 13,12 0,205 0,41 74,74 1,11 1,69

Đặc biệt, trong sấn có axit HCN râ't độc, với hàm lượng từ

0,007 -ỉ- 0,24% trọng lượng, thường tập trung ở vỏ và xơ. Sắn càng đắng

càng chứa nhiều HCN. Để tách HCN thường ta phải ngâm sắn trong nước

lạnh hay nước vôi.

3- Khoai: trên th ế giới, khoai được dùng như một nguyên liệu chính

để sản xuất cồn etylic, như ở châu Âu hay dùng khoai tây (Nga, Đức,

Pháp...), ở vùng nhiệt đới như Trung Quổc, N hật, Việt Nam... hoặc các

nước châu Phi, Trung Mỹ thường dùng khoai lang. Thành phần hóa học

trung bình của khoai lang như bảng 1.3 (theo c/c trọng lượng)

Bảng 1.3

^^"^-^^Thành phấn

Loại khoai NƯỚC Protit Chất béo Gluxit Xenlulo Tro

Khoai táy tươi 74.9 1,99 0,15 20,8 0,98 1,09

Khoai lang tươi 68,1 1,60 0,50 27 9 0 90 1 00

Khoai lang khô ■ 12.9 6,10 0,50 76 7 1.40 2 40

Công nghệ sản xuất cồn etylic 9

Trong tinh bột khoai có từ 13 -T- 25% là amy loza và 77 -ỉ- 87% là

amilopectin. Khoai lang tươi rấ t khó bảo quản, thường ta phải xắt lát

phơi khô hoặc sấy. Trung bình cứ 3 kg khoai tươi ta thu được 1 kg

khoai khô.

4- Các loại ngũ cốc khác

ở nước ta thường dùng ngô, khoai, sắn để sản xuất rượu etylic là

chủ yếu, ngoài ra còn có thể dùng tấm , cám, gạo phế liệu... Ở châu Âu có

thể dùng lúa mì, đại mạch.... Thành phần hóa học trung bình theo %

trọng lượng của một sô" h ạt ngũ côc như bảng 1.4

Bảng 1,4

^Thành phẩn

Loại

Nước Protỉt Chât béo Gluxit Xenlulo Tro

Gạo giã 12,6 9,00 0,50 77,00 0,40 0,50

Gạo xay 11,6 9,10 2,45 74,79 0 65 1,41

Tấm 11,8 8,90 1,00 77,00 0,60 0,70

Cám 12,5 13,17 10,12 38,72 14,05 11,44

Mi đen 14,0 11,00 1,70 69,60 1,90 1,80

Kiểu mạch 12 8 10 20 5,30 59,70 10,00 3,00

Kê 12,5 10,60 3,90 61,10 8,10 3,80

Những dạng nguyên liệu phế thải có chứa đường

5- Rỉ đường (mật rỉ) là phế liệu chứa đựng nhiều đường không kết

tinh trong sản xuâ"t đường từ mía hoặc củ cải đường. Thông thường tỉ lệ rỉ

dường trong sản xuâ"t đường mía chiếm khoảng 3 -ỉ- 3,5% trọng lượng mía.

Tùy thuộc vào giông mía, điều kiện trồng trọt, công nghệ sản xuất

đường..., thành phần rỉ đường dao động như sau:

Nước: 15 l 20%; Chất khô: 80 -T 85%.

Trong đó, có 60% là đường (40% là đường sacaroza (saccharose),

20% là fructoza (fructose) và glucoza (glucose)) và 40% chất khô còn lại là

chất phi đường (không phải là đường).

Trong th àn h phần phi đường có khoảng 30 ■¥ 32% hợp chât hữu cơ

và 6 V 10% hợp chât vô cơ. Trong hợp chất vô cơ, theo Mắc — Dinit, gồm có

K.O: 3,5% Fe20 3: 0,2% MgO: 0,1% Sulfat: 1,6%

CaO: 1,5% S i0 2: 0,5% p 20 5: 0,2% Clorit: 0,4%

Trong nhừng hợp chât hữu cơ gồm có hợp chất có chứa nitơ và

không chứa nitơ ở dạng amin như: axit aspactic, axit glutamic, leuxin,

izoleuxin. Nitơ tổng sô" chiếm khoảng 0,3 -ĩ- 0,5% (ít hơn so với lượng nitơ

có trong rỉ đường củ cải). Ngoài ra trong ri đường có một sô vitamin (tính

theo micrôgam trên 1 gam rỉ đường) như sau:

10 Chương 1

Thiamin {Thiamine): 8,3 Axit folic (Folic acid): 0,038

Riboflavin: 2,5 Pyridoxin (Pyridoxine): 6,5

Axit niconitic (Nicotimic acid): 21,0 Biotin {Biotin): 12,0

Axit pantothenic {Pantothenic acid): 21,4

Mặt khác, trong rỉ đường luôn có m ặt vi sinh v ật với m ật độ rấ t lớn

‘thường gặp n h ất là những vi sinh vật gây m àng và gây chua, dẫn tới làm

giảm chất lượng của rỉ đường. Vì vậy, trong sản xuất ta hay dùng

$íiosilicat {fluosilicate) natri 2 ỵ so với trọng lượng m ật rỉ để bảo quản.

Ưu điểm của việc sử dụng rỉ đường để sản xuất cồn etylic so với

những nguyên liệu khác là:

- Giá rẻ.

- Khôi lượng lớn, dồi dào.

- Sử dụng tiện lợi.

- Nguồn cung cấp khá phổ biến.

- Đặc biệt ở nước ta, không phạm đến chính sách lương thực.

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP CÔNG NGHỆ SÂN XUẤT CồN ETYLIC

1.2.1 Sơ dồ tổ n g q u á t

Chỉnh pH

Dinh dưỡng

Chất khô

giống

Công nghệ sản xuâ't cồn etylic 11

Tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu ban đầu, các điều kiện khách quan

và chủ quan cụ thể của mỗi nơi, sẽ áp dụng những phương pháp đặc trưng

riêng, ơ mỗi phương pháp đều có thể áp dụng theo ba chiều hướng: gián

đoạn, bán liên tục hoặc liên tục.

1.2.2 C ác p h ư ơ n g p h á p sả n x u ấ t d iê n h ìn h

1- Qui trình còng nghệ sản xuất etanol từ nguyên liệu chứa nhiều tinh bột

Trên cơ sở sử dụng nấm rrmc, chia ra:

A- PHƯƠNG PHÁP AMYLO:

Đây là một phương pháp cố điển. Nấm mốc dùng dường hóa tinh

bột được nuôi cấy ban đầu trong phòng thí nghiệm ở diều kiện môi trường

đặc, nhưng khi đưa vào sản xuất thì nấm mô>c được phát triển và đường

hóa trong môi trường tương đổì loãng (nấm mốc được nuôi và phát triển

theo phương thức chìm sâu). Phương pháp này còn được ứng dụng nhiều ở

các nước Á đông như Trung Quỏ'c, N hật Bản, Việt Nam....

Năm 1892, lần đầu tiên Calmette đã phân lập từ men thuốc Bác

một loại nârn mốc vừa có tác dụng đường hóa vừa cồn hóa được, lúc đầu

gọi là Amylomyces Rouxii, về sau gọi là Mucor Rouxii. Trên* cớ sở đó đến

1895, phương pháp Amylo đã được ứng dụng ở các nhà máy cồn - rượu của

Đông Dương.

Phương pháp Amylo có nhừng đặc điểm sau:

- Nhờ đường hóa khá triệt để nên hiệu suât rượu so với nguyên

liệu cao.

- Tuy nhiên, do chu kỳ một mẻ rượu kéo dài, nên năng suât cùa nhà

máy bị hạn chế.

- Nhược điểm lớn của phương pháp này là kén chọn nguyên liệu: chỉ

thích hợp với gạo, bắp (khoai và sắn khi nấu cho cháo có độ nhớt cao,

khó nuôi cấy chìm - sâu dối với nấm môc). Mặt khác, ờ phương pháp này,

việc ứng dụng vi sinh vật (nấm môc và nấm men) đều cùng trong một

thiết bị là thùng ú, do vậy cần phải có một chế độ vô trùng chặt chẽ.

Hiện nay tại Nhà máy Rượu Bình Tây, phương pháp Amylo được

áp dụng hoàn chỉnh nhât, cho nên ta sè xem xét cụ thế qui trình công

nghệ cùa Nhà máy Rượu Bình Tây theo các bước sau:

- Xử lý, nâu chín nguyên liệu.

- Đường hóa - lên men.

- Chưng cất, tinh chế cồn.

12 Chương* I

Sơ đồ công nghệ sản xuất etanol (ethanol) theo phương ph á p Amylo

NGUYÊN LIỆU BỘT

(ngô, khoai, sắn, tấm ...)

Công nghệ sản xuất cồn etylic 13

Thực hiện: Bột và nước được phôi trộn theo một tỷ lệ thích hợp

(1/2 -í- 3) ở thùng ngâm (15 -í- 30’), đồng thời dùng H2S 0 4 có nồng độ 33°Be

(4 4-6 lít/tấn bột) hoặc HC1 20°Be (8 4- 9 kg/tấn bột), sau đó chuyển qua

nồi nâu có cánh khuấy, áp lực nấu trong nồi từ 3,5 4- 4,2 kg/cm2, thời gian

nấu từ 60 4- 90’ tùy loại bột. Sau khi nấu cháo chín, cháo được chuyển qua

thùng ủ (đường hóa và lên men). Dùng nước dội nguội thùng ủ để hạ

nhiệt độ khôi cháo từ 100°c xuông khoảng 39°c, kiểm tra độ chín của

cháo (bằng tốc độ lọc cháo, độ Bal từ 12 4- 18%). Mở van nén khí, đưa một

bình cầu m ột lít môc giông vào thùng ủ, tiến hành đường hóa từ 35 4- 40

h, đồng thời liên tục mở khí nén. Kiểm tra khi độ đường đạt 50 4- 60 g/1

thì tiếp tục đưã một bình cầu một lít nấm men giông vào, mở m ạnh van

nén khí để hạ nhiệt độ xuống khoảng 32°c, nén khí liên tục trong 24 h

để phát triển sinh khối nấm men, đồng thời tiếp tục quá trìn h đường

hóa. Khi kiểm tra thấy độ dường đạt 90 -ỉ- 100 g/1 thì dừng khí nén, thực

hiện quá trìn h lên men kỵ khí để sinh etanol. Sau 72 4- 96 h tiến hành

kiểm tra dộ rượu, đường sót, axit, nhiệt độ và soi kính quan sát tế bào

nấm men... để quyết định thời điểm kết thúc lên men.

Sơ đồ th iết bị nấu (H .l.l):

1- phễu ngâm nguyên liệu

2- cửa nạp nguyên liệu

vào nồi nấu

3- nổi nấu

4- hệ thống truyền động

5- yan an toàn

6- bình đầu chống tắt ống

dẫn ra áp kế

7- áp kế

8' ống xả hơi thừa

9- ống hơi chính

10- ống hơi phụ thuộc vào

nồi

11- ống lấy mẫu

12- ống dẫn khôi nấu sang

thùng ủ

13- bình chứa axít

14- ống nước

H ìn h 1.1

14 Chương 1

Sơ đồ thiết bị thùng ủ (H.1.2)

Hình 1.2

Việc chuẩn bị mốc giống và nấm men giống được tiến hành như (H.Ỉ.3):

Mốc giống:

1- Ống nghiệm đả nuôi cấy được 24 h; 2- bình cầu chửa gạo, 3- btnh cau co 500m dị

. đường 4°Balì,■ Z- bình cẩu gạo có mốc đã phát triển; 4- bình môc giống sản xuất; 1 - ng

nghiệm có chứa sẩn 3ml dịch đường

- Trong ổng nghiệm: 3T1 dịch dường 4°Baii

- Bình cầu: 20 g gạo + 3fvi nước cẩt

H ìn h 1.3

Công nghệ sản xuất cồn etylic 15

Thời gian dể cho mốc phát triển trong bình cầu là 6 -ỉ- 7 ngày.

Men giống:

1- ống giống đã nuôi cấy 24 h

2- bình cầu dịch đường

3- ống nghiệm chửa dịch đường để giữ

giống. Các môi trường dược hấp 30’ ở

p = 1,5 kg/cm2

Ị thùng ủ

r

- Ống nghiệm: 10ml dịch dường 13 -ỉ- 14°Ball

- Bình cầu: 500ml dịch đường 13 -í- 14°Baỉỉ. Thời gian nuôi cấy 24 h

Hình 1.4

Sơ đồ công nghệ sản xuất etanol theo phưctng p h áp M ycomalt