Dự án cần tư vấn

Nghiên cứu công nghệ sản xuất bia không cồn

Đăng ngày 26/03/2018
  • Tên dự án:
  • Tên nhà đầu tư: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
  • Tiến độ dự án:
1. Phương pháp Hạn chế sự tạo thành đường có khả năng lên men trong quá trình đường hóa.
Một số nhà nghiên cứu đã tập trung vào nghiên cứu quá trình nấu và phát triển các chế độ đường hóa nhằm thu được dịch đường có thành phần hóa học phù hợp cho quá trình tạo ra bia có nồng độ cồn thấp. Việc tăng nhanh nhiệt độ qua khoảng hoạt động của enzim ß – amylaza sẽ hạn chế được sự tạo thành đường có khả năng lên men. Paul R. Witt đề xuất giải pháp tạo ra bia có nồng độ cồn thấp, quá trình đường hóa được thực hiện ở nhiệt độ 78 – 80 oC trong thời gian 30-60 phút với sự tham gia của các chế phẩm enzym alpha-amylase và xellulase để giảm độ nhớt của dịch đường. Bia sau lọc cần phải được pha loãng với nước đã loại khí và axit hóa để tạo ra thành phẩm chứa không nhiều hơn 0,5% cồn (17). Patent US5384135A_2 của Henri J.J. Caluwaerts đề xuất quy trình sản xuất bia nồng độ cồn thấp, trong đó quá trình đường hóa được thực hiện ở 74-76 0C trong khoảng thời gian từ 35-50 phút nhằm khống chế lượng đường có khả năng lên men đến mức 50% so với hàm lượng chất khô của dịch đường. Sau đó cồn tiếp tục được tách ra khỏi bia bằng phương pháp bay hơi dưới áp suất cao bởi CO2 và nhiết độ bia nằm trong khoảng 50-65 OC (10). Phương pháp đường hóa ở nhiệt độ cao 76oC nhằm giảm hàm lượng đường có khả năng lên men cũng được thể hiện trong công trình của Kabzev (2).
Satoshi Sekibata và các đồng tác giả đã ứng dụng α-glucozidase trong quá trình đường hóa nhằm chuyển hóa các đường lên men thành dạng không lên men và bằng cách đó giảm hàm lượng cồn trong bia thành phẩm (19).  
2. Phương pháp Hạn chế sự tạo thành cồn trong quá trình lên men.
2.1. Sử dụng chủng nấm men đặc hiệu hoặc chủng nấm men biến đổi gen.
Nhiều tài liệu trong và ngoài nước thông báo rằng, Saccharomycodes ludwigii là loài nấm men chỉ có thể lên men glucoza, sucroza và fructoza chứ không lên men maltoza, trong khi chỉ một số tài liệu nước ngoài cho rằng Saccharomyces diastaticuss, Brettanomyces intermedius cũng được sử dụng để lên men bia không cồn (12). So sánh với các chủng nấm men bình thường, đặc điểm của chủng nấm men đặc hiệu hoặc chủng nấm men biến đổi gen là tự bản thân chúng có những khác biệt trong đặc điểm di truyền so với các chủng nấm men bình thường. Điều đó làm nên sự khác biệt trong khả năng đồng hoá các nguồn dinh dưỡng cacbon từ môi trường dịch đường và kết quả là chúng có khả năng tạo ra hàm lượng cồn thấp trong dịch lên men. Bằng phương pháp đột biến nhân tế bào người ta đã tạo ra các chủng nấm men đột biến như Saccharomyces cerevisiae JS10-3C; S. cerevisiae JS164; S. cerevisiae E2, S. cerevisiae EF2, S. cerevisiae W303; S. cerevisiae 3Cx9b (1)
2.2. Phương pháp lên men ở nhiệt độ thấp.
Khi nấm men tiếp xúc với dịch đường tại -1oC một số aldehid được tạo ra trong quá trình sản xuất malt sẽ bị khử, nồng độ của các axit béo mạch dài bị giảm. Trong khi đó nồng độ của vitamin, axit nucleic và một số thành phần vi lượng được giữ gần như là không đổi, bia giữ được mùi thơm đặc trương. Phương pháp này cần bổ sung tỷ lệ nấm men lớn và thời gian lên men kéo dài. Fritz Schur đề xuất quy trình sản xuất đồ uống lên men không cồn bằng cách cho dịch đường có nồng độ chất khô nằm trong khoảng từ 7,0 đến 7,5% trọng lượng tiếp xúc với nấm men ở nhiệt độ thấp, thường là -0,4°C hoặc thấp hơn (8). Nick J. Huige và các đồng tác giả đề xuất quy trình sản xuất bia chứa ít hơn 0,5% cồn theo phương pháp tiếp xúc lạnh, dịch đường với hàm lượng đường ít nhất là 14% trọng lượng được tiếp xúc với nấm men ở nhiệt độ nằm trong khoảng từ 38°F (3,3 OC) đến 45°F (7,2 OC) trong khoảng thời gian từ 5 đến 10 giờ (15). Theo cách khác, Cameron R. Murray và các đồng tác giả đề xuất quy trình lên men bia bao gồm bước axit hóa dịch đường trước khi lên men có hàm lượng đường nằm trong khoảng từ 12 đến 20 độ Plato bằng axit thực phẩm đến độ pH nằm trong khoảng từ 4,0 đến 4,6; điều chỉnh bước lên men theo lượng nấm men và nhiệt độ tiếp xúc từ 0 đến 7°C trong khoảng thời gian từ 10 đến 30 giờ, bia thành phẩm được bổ sung các chất thơm và pha loãng với nước để tạo thành đồ uống không cồn từ malt (3). Theo Patent GB1309338A  (Switzerland), quá trình sản xuất bia có độ cồn thấp sử dụng malt sáng màu, phương pháp lên men thường với nhiệt độ tối ưu ở nhiệt độ 4-80C đến khi đạt độ lên men thực 40-70% dịch chiết, thời gian lên men là 2-5 ngày (16).
Quá trình lên men bị dừng lại trước khi độ cồn trong bia đạt đến quá cao được miêu tả trong European Patent Application số 213220.  Đình chỉ quá trình lên men bằng cách bơm dịch vào hệ thống đun sôi khoảng 40-50 phút đến khi độ cồn đạt khoảng 1,5% khối lượng. Quy trình sản xuất bia dành cho người ăn kiêng có độ cồn và hàm lượng hydratcacbon thấp, ít calo gồm có: dịch đường được lên men chính để đạt độ lên men thực khoảng 40-85% sau đó bia non được đun sôi để giảm hàm lượng cồn xuống 1%, bổ sung nấm men và tiếp tục lên men để thu về bia thành phẩm. Theo Rolf Hiefner, dịch đường có nồng độ 11-11,5% sau khi thêm khoảng 2% lượng mạch nha và thêm vào một lượng hoa houblon nhiều hơn các quy trình sản xuất thông thường. Quá trình lên men  ở nhiệt độ 5-100C có thể làm nhiệt độ tăng đến 200C do sự tỏa nhiệt của quá trình lên men. 2/5-3/5 bia sẽ được tách ra khỏi thiết bị lên men, trộn với 8-15% nước sôi, đun nóng trong điều kiện thiếu oxy cho đến khi nồng độ cồn xuống đến 1-2% khối lượng. Sau khi làm lạnh bia có độ cồn thấp sẽ được trộn với phần còn lại. Sản phẩm được lọc và được lên men tiếp trong điều kiện có bổ sung CO2 (18). Quy trình sản xuất bia không cồn bao gồm công đoạn sản xuất dịch đường từ hỗn hợp gồm malt và ngũ cốc với nồng độ chất khô đến 14%, nạp O2 theo tỷ lệ từ 15 đến 35 µg/l , sử dụng từ 80 x 106 đến 180 x 106 tế bào nấm men/ml dịch đường để lên men từ 3 – 10 0C trong 1 - 40 h. Sản phẩm được lọc, điện phân bằng điện cực đồng để loại bỏ H2S, và hàm lượng cồn được điều chỉnh bằng cách pha loãng với nước đã nạp CO2 đến mức độ nhất định (7).
2.3. Phương pháp tác động vào quá trình lên men khi nồng độ cồn đạt đến mức yêu cầu.
Để sản xuất bia độ cồn thấp theo phương pháp này, dịch lên men có nồng độ chất khô ban đầu 9 – 11%. Trong quá trình lên men khi hàm lượng cồn tạo thành đạt 0,5%V thì tiến hành đình chỉ quá trình lên men bằng cách ly tâm tách loại nấm men. Sau đó bia được tàng trữ cho lên men phụ ít nhất 10 ngày tại 0-1oC để tránh mùi đậm của các hợp chất sunfua. Cuối cùng, bia được đem lọc, bão hòa CO2 và thanh trùng (1).
2.4. Ứng dụng kỹ thuật cố định tế bào nấm men.
Kỹ thuật này đã được ứng dụng vào sản xuất tại nhà máy bia Bavaria tại Đức năm 1988, bia không cồn được sản xuất bằng phương pháp cố định tế bào nấm men trong thiết bị phản ứng. Dịch đường trước khi lên men được xử lý bằng axit, chảy liên tục qua 5 thiết bị được lắp nối tiếp, tốc độ dòng dịch đường đi qua mỗi thiết bị là 5-20 hl/giờ. Sau 48-60 giờ tạo ra sản phẩm bia có độ cồn 0,1%V (1).
Domeny Zoltan và các cộng sự lên men bằng chủng nấm men biến đổi gen áp dụng công nghệ cố định nấm men. Bia có độ cồn thấp được sản xuất từ chủng nấm men đột biến không tổng hợp các enzyme vòng acid citric. Các nấm men này được cố định vào pectate canxi. Quá trình lên men được tiến hành ở 5-350C với nồng độ oxy hòa tan có thể tới 20mg/l (5). Phương pháp cố định nấm men còn được Heikki Lommi và các đồng tác giả công bố trong patent Patent EP0424794A2; chất mang thích hợp nhất là các siêu sợi diethylaminoethylene cellulose (DEAD-cellulose) được kết hợp với polystyrene (9).
3. Phương pháp Tác động vào sản phẩm sau quá trình lên men.
3.1. Loại cồn bằng màng lọc
Quá trình phân tách cồn bằng màng phổ biến là phương pháp Thẩm thấu ngược. Nguyên lý để loại cồn ra khỏi bia bằng thẩm thấu ngược là bia được pha loãng với nước và bơm liên tục hoặc từng mẻ vào môđun phân tách. Quá trình này tiếp tục cho đến khi bia thành phẩm đạt được hàm lượng cồn  mong muốn. Tuy nhiên để loại được bia có hàm lượng cồn < 0,5% thì chu kỳ thẩm thấu ngược kéo dài và giá bia thành phẩm tương đối cao. 
3.2. Loại cồn bằng nhiệt
a. Phương pháp chưng cất chân không
Theo phương pháp này bia được loại cồn bằng cách chưng cất tại nhiệt độ 45oC dưới áp suất thấp. Bia được đi qua thiết bị trao đổi nhiệt đến 45oC sau đó được đưa qua thiết bị tách loại hương thơm dưới áp suất thấp. Các chất tạo hương có nhiệt độ bay hơi thấp sẽ bị bay hơi trước và được ngưng tụ và giữ lại để phối hương cho sản phẩm cuối cùng. Tiếp đó bia được cất loại cồn tại áp suất thấp và nhiệt độ 40oC. Cuối cùng, bia được làm lạnh đến nhiệt độ 0-2oC và phối lại hương (1) .
b. Phương pháp bay hơi chân không
Bia được nâng nhiệt đến nhiệt độ 30oC trong thiết bị trao đổi nhiệt đặc biệt. Tiếp theo chúng được nâng nhiệt từ từ tại thiết bị bay hơi thứ nhất. Cồn bốc hơi được đi qua hệ thống giảm áp suất và đi ra ngoài. Bia được giữ lại còn nhiều cồn tiếp tục được đốt nóng ở thiết bị bay hơi thứ hai đến nhiệt độ tối đa là 38-40oC, phần hơi cồn còn lại được loại đi. Quy trình lặp lại lần thứ ba tại thiết bị bay hơi được giữ ở 33-35oC và tiếp tục cho đến khi đạt hàm lượng cồn mong muốn. Trong phương pháp cất loại cồn các chất tạo hương như ester, aldehit, các rượu bậc cao cũng bị mất làm cho sản phẩm bị mất đi hương vị đặc trưng ban đầu. Do đó để hoàn thiện sản phẩm cần bổ sung thêm nước bão hòa CO2 đến khối lượng ban đầu và tiến hành phối hương bia của các hãng như: New Zealand, English Hop Produce theo 1 tỷ lệ thích hợp (1).
3.3. Tách cồn bằng chất hấp phụ
Didier Anglerot trình bày phương pháp cho bia tiếp xúc với chất hấp phụ thể rắn dùng để tách cồn ra khỏi bia, có cấu tạo từ zeolite kỵ nước, trong đó tỷ lệ các phân tử Si/Al không nhỏ hơn 12 (4).
4. Các phương pháp khác.
Bia thu được bằng phương pháp chế biến thông thường được tiến hành pha loãng với nước có ga (nước bão hòa CO2) để giảm nồng độ cồn, sau đó bổ sung thêm chất phụ gia, bao gồm các axit, sacharide, chất tạo hương, chất tạo vị, chiết xuất mạch nha (13).
Một số nhà nghiên cứu đã sử dụng ngũ cốc khác dùng làm nguyên liệu thay thế một phần malt đại mạch: Xinda Qian sử dụng đậu tương (20), Navarro Ceballos Mariano sử dụng ngô (14), Hertel Marcus sử dụng smoked malt (11).
5. Kết luận
Công nghệ sản xuất bia không cồn vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện ở quy mô toàn cầu. Hàng loạt các sản phẩm bia không cồn mới liên tục được xuất hiện trên thị trường thế giới minh chứng cho kết luận này. Hiện nay, Trường Đại học Kinh tế kỹ thuật Công nghiệp – Bộ Công Thương là đơn vị chủ trì thực hiện Đề tài “Nghiên cứu sản xuất bia không cồn” thuộc Đề án Phát triển và ứng dụng công nghệ sinh học trong lĩnh vực công nghiệp chế biến đến năm 2020”. Nghiên cứu các công nghệ sản xuất bia không cồn của nước ngoài giúp cho các chuyên gia thực hiện đề tài nâng cao năng lực nghiên cứu và có định hướng cho các thí nghiệm, cũng như sản xuất bia không cồn với những thiết bị hiện có tại các nhà máy bia của Việt Nam. 

Tài liệu tham khảo:
1. Nguyễn Quỳnh Vân và cộng sự. Nghiên cứu công nghệ sản xuất bia độ cồn thấp. Báo cáo khoa học của Đề tài 183.03RD/HĐ – CNCL, Tổng Công ty Rượu – Bia – Nước giải khát Hà Nội. 2004
2. Кабзев Й. Проучване на процесите при мъстуване с цел създаване на технология на нискоалкохолно пиво, Дисертационна работа, ВИХВП, Пловдив, 1978.
3. Cameron M. Murray, Willam J. Van der Meer. Patent US5346706A (USA), 1990
4. Dieder Anglerot. Patent US5308631A  (France), 1994
5. Domeny Zoltan, Navratil Marian, Sturdik Ernest, Smogrovicova Daniela, Subik Julius, Gemeiner Peter. Patent SK10552000 (Slovakia), 2002
6. Dr. Fritz Schur, Peter Sauer. Patent AU625538B2 (Australia), 1989
7. Egbert A. Pfisterer, Robert McCaig, James J. Fitzpatric, Robert M. Graham. Patent AU676180B2 (Canada), 1993
8. Fritz Schur. Patent US4746518A (Switzerland), 1988
9. Heikki Lommi, Wiilhemus Swinkels, Bernanrdus Van Dieren. Patent EP0424794A2 (EU), 1991 
10. Henri J.J. Caluwaerts. Patent US5384135A_2 (Switzerland), 1995
11. Hertel Marcus. Patent DE102007011250 (Germany), 2006
12. Kowalczyk Jorg, Franz-Schuber-Strasse, Patent PCT-EP2004-014402 (Germany)
13. Masao Oono. Patent US7302974 (Japan), 2007
14. Navarro Ceballos Mariano. Patent ES2136020 (Spain), 1999
15. Nick J. Huige, Gilbert W. Sanches, Alan R. Leidig. Patent US4970082A (USA), 1990
16. Patent GB1309338A  (Switzerland), 1971
17. Paul R. Witt. Patent US4788066A (USA), 1988
18. Rolf Hiefner. Patent GB2039947A  (Germany), 1980
19. Satoshi Sekibata, Takatoshi Sekine, Jun Murakami. Patent 1993 (Japan), EP0523333A1
20. XINDA QIAN. Patent CN1123833 (China), 1996

TS. Hồ Tuấn Anh
Giảng viên khoa Công nghệ thực phẩm, Trường Đại học Kinh tế - Kỹ thuật 
Công nghiệp; e-mail: ho_tuan_anh@yahoo.com.vn