Ứng dụng của enzyme trong sản xuất bia

Brewing là một trong những quy trình thực phẩm lâu đời nhất của nhân loại. Công nghệ sản xuất bia đã diễn ra cách đây sáu ngàn năm và đã được thực hiện bởi các nền văn minh lâu đời nhất thế giới như người Ai Cập cổ đại và người Mesopotami. Ngày nay, sản xuất bia là một trong những ngành công nghiệp thực phẩm hàng đầu trên thế giới nói chung và đặc biệt là phương tây. Việc sử dụng enzyme là một trong những trụ cột chính của ngành sản xuất bia và cho dù enzyme là nội sinh trong nguyên liệu hoặc được thêm vào từ các nguồn bên ngoài, việc hiểu và nghiên cứu sâu về các enzyme này là bắt buộc vì mục đích sản xuất tốt hơn và cho chất lượng cao hơn. Mục đích của bài tổng quan này là để giải thích quy trình sản xuất bia và thảo luận về các enzyme khác nhau được sử dụng trong ngành sản xuất bia với mô tả về cơ chế hoạt động của chúng.

Giới thiệu

Enzyme có tính chất sinh hóa quan trọng đã được chứng minh là không chỉ quan trọng đối với các sinh vật sống mà còn trong lĩnh vực khoa học và công nghệ thực phẩm. Enzyme đang tham gia vào nhiều phản ứng quan trọng trong cơ thể con người như truyền tín hiệu, điều hòa tế bào, tạo ra sự chuyển động, tiêu hóa, hấp thu và trao đổi chất. Các enzyme chủ yếu là các protein hình cầu có cấu trúc bậc ba và cấu trúc chính của chúng được tạo thành từ hàng ngàn axit amin, được liên kết với nhau thông qua các liên kết peptide trong chuỗi tuyến tính.

Ngoài các đặc điểm sinh lý của chúng, các enzyme còn đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp thực phẩm. Từ 6.000 năm trước Công nguyên và cho đến ngày nay, enzyme đã được sử dụng rất nhiều trong nhiều giai đoạn khác nhau trong chế biến thực phẩm (ví dụ: sản xuất bia, làm phô mai, giảm thời gian chín trong sản xuất rượu vang, làm mềm thịt, v.v.). Một trong những ứng dụng chính của enzyme trong ngành công nghiệp thực phẩm là sản xuất bia. Brewing được định nghĩa là quá trình sản xuất bia, trong đó đường trong tinh bột được lên men thành rượu ethyl thông qua hoạt động của men. Đây là một trong những kỹ thuật sản xuất thực phẩm lâu đời nhất; nó còn có ngay cả trước Chúa Kitô.  Ở Ai Cập cổ đại, phụ nữ thường nướng và ủ bia như một nghĩa vụ trong nhà, bia trong thời kỳ này được gọi là heqet. Người Ai Cập cổ đại đã sử dụng bánh mì, nước, chà là, mật ong và men để sản xuất bia dày, đỏ sẫm. Ngày nay, ngành sản xuất bia đang phát triển rất lớn và đã cho thấy một xu hướng tăng lên trong thập kỷ qua. Theo dữ liệu thống kê năm 2015, Trung Quốc (460 tỷ hl) và Hoa Kỳ (189,21 m hl) là những nhà sản xuất bia lớn nhất. Tổng số nhà máy bia ở Hoa Kỳ từ năm 1990 đến năm 2016 được tính là 5301,8. Mục đích của cuộc thảo luận này là để giải thích quá trình sản xuất bia và thảo luận về các enzyme khác nhau được sử dụng trong ngành sản xuất bia và mô tả các cơ chế hoạt động của chúng.

Quy trình sản xuất

Quy trình sản xuất bia chủ yếu gồm chín bước chính là malting, xay, nghiền, tách wort (lautering),  thêm hoa bia, lên men, xử lý, lọc và đóng chai.

Quá trình bắt đầu với mạch nha, trong đó các hạt (thường là lúa mạch hoặc lúa mì) được sấy khô thành malt để chuyển carbohydrate phức tạp thành dextrin và maltose thông qua ba quá trình liên tiếp đó là ngâm (14 – 18 °C), nảy mầm (16 – 20 °C) và sấy (50 – 110 ° C) bằng cách sử dụng nước, nhiệt và hoạt động của các enzyme (ví dụ: α-amylase và protease). Sau khi malting, nước được thêm vào mạch nha trước khi nghiền để tạo độ đồng nhất mạch nha và thủy phân thêm nữa để tạo ra các loại đường đơn giản bằng quá trình xay và nghiền. Sau đó, wort (kết quả của quá trình nghiền) sẽ đi qua quá trình lautering (từ tiếng Đức abläutern có nghĩa là tách wort), trong đó các hạt được tách ra từ dung dịch đường được chiết xuất trong quá trình nghiền trong bể lauter vì nó chứa các bộ lọc nhỏ chứa vỏ của các hạt trong dung dịch. Trong quá trình thêm hoa bia, wort được đun sôi (100 ° C) cùng với hoa bia để khử trùng wort khỏi mọi ô nhiễm và cải thiện chất lượng và độ ổn định của bia. Wort sẽ được làm lạnh và sục thêm khí cho nấm men được bổ sung vào trong quá trình lên men (6 – 25 °C) để lên men đường thành ethanol và CO2 để sản xuất bia. Sau đó, bia được kiểm soát trong khoảng nhiệt từ ( -2 đến 0 °C) để loại bỏ các thành phần gây hại và không mong muốn, cái có thể tác động đến quá trình carbonate, hương và vị của bia. Sau đó, bia được lọc qua những tấm bảng lọc để loại bỏ các hạt rắn lơ lửng như hoa bia, hạt lúa mì, nấm men… Cuối cùng, bia được đóng gói trong chai, một trong những bước quan trọng trong quá trình đóng gói là loại bỏ Oxi trong sản phẩm để tránh hư hỏng và ảnh hưởng chất lượng bia. Thông qua tất cả các bước được đề cập ở trên trong quá trình sản xuất bia, các enzyme là những nhân tố chủ chốt trong việc duy trì và cải thiện sản phẩm. Vai trò của các enzyme trong sản xuất bia sẽ được đề cập bên dưới đây.

Hạt lúa mạch

Qúa trình sản xuất bia dựa vào tinh bột được ngâm có nguồn gốc từ thực vật như lúa mì sau đó được lên men bởi nấm men. Khi quá trình này diễn ra, các enzyme đóng vai trò quan trọng trong xúc tác các quá trình khác nhau. Lúa mì là một nguồn cung cấp tinh bột tuyệt vời và được sử dụng rộng rãi trong sản xuất bia. Hạt lúa mì chứa hầu hết các enzyme để sản xuất bia khi hạt lúa mì được ngâm trong nước nóng và khi enzyme protease và glucanase được sử dụng. Như đã đề cập trước đó, malting bao gồm ba bước là ngâm, nảy mầm và sấy. Trong quá trình ngâm, lúa mì được ngâm trong nước khoảng hai ngày để hấp thụ độ ẩm sau đó quá trình nảy mầm diễn ra trong 3 – 7 ngày tại đây lúa mạch được chuyển thành malt. Sự nảy mầm dừng lại khi bắt đầu sấy, lúc này malt được sấy khô, màu sắc và hương vị của malt sẽ thay đổi. Malt được lưu trữ sau quá trình malting sẽ trải qua quá trình nghiền với nước nóng  và sự hồ hóa tinh bột xảy ra. Tinh bột trong sản xuất bia là từ hai nguồn chính: lúa mạch và tinh bột bổ sung. Tinh bột bổ sung là nguồn tinh bột bên ngoài được thêm vào như một nguồn bổ sung glucose và chất dinh dưỡng cho quá trình lên men. Các tinh bột được hồ hóa để phá vỡ các hạt để lộ ra chuỗi amyloze và amylopectin cho các enzyme hoạt động. Alpha-amylase bắt đầu tác động lên quá trình thủy phân tinh bột thành dextrin – gọi là hóa lỏng. Sau khi hóa lỏng, các enzyme amylolytic sacar hóa tiếp tục thủy phân tinh bột và dextrin thành glucose để sử dụng cho quá trình lên men. Việc sử dụng enzyme đường hóa phụ thuộc vào chất lượng và loại bia, ví dụ enzyme glucoamylase thường được khuyên dùng và áp dụng tốt trong sản xuất bia nhẹ. Hạt lúa mạch đôi khi có thể được trộn với malt khi các enzyme thương mại được sử dụng vì sự kết hợp này đôi khi dẫn đến một thuộc tính mong muốn trong sản phẩm cuối cùng.

Các enzymes trong sản xuất bia

Enzyme sử dụng trong ngành sản xuất bia rất đa dạng về cách hoạt động và tính chất của chúng. Các enzyme chính được sử dụng trong ngành sản xuất bia có thể được chia thành bốn quá trình chính là nảy mầm, nghiền, lên men và làm trong. Quá trình sản xuất bia đòi hỏi một kiến thức tuyệt vời về enzyme vì mỗi enzyme có điểm nhiệt độ riêng. Bốn loại enzyme phổ biến nhất được sử dụng trong sản xuất bia là beta glucanase, protease, alpha amylase và beta amylase. Enzyme có thể là enzyme nội sinh hoặc ngoại sinh (thương mại). Enzyme thương mại có thể được sử dụng cho các thuộc tính chất lượng cao như làm trong, màu sắc, cấu trúc hoặc hương vị và đôi khi bắt buộc phải sử dụng các enzyme từ nguồn bên ngoài khi lúa mạch không cung cấp đủ các enzyme để phá vỡ và thủy phân tinh bột, điều này có thể dẫn đến chất lượng bia thấp và năng suất giảm. Trong quá trình malting, β – glucan, chất xơ và các protein được bẻ gãy bởi hoạt động của protease, glucanase and xylanase. Sau khi hồ hóa tinh bột bằng nước nóng, enzyme amylase bắt đầu hoạt động để tạo ra đường thông qua quá trình dịch hóa và đường hóa. Sau đó, α – amylase và β – glucanase có thể được sử dụng lại để cải thiện hiệu quả lên men và quá trình lọc. Thông thường các enzyme khác được sử dụng để nâng cao chất lượng như alpha acetolactate decarboxylase (ALDC) – cái cải thiện quá trình lên men bằng cách giảm thời gian lên men và các loại protease thương mại khác được dùng để giữ cho bia trong trong suốt quá trình làm lạnh bia. Các loại enzyme sản xuất bia và nguồn gốc của chúng được tóm tắt trong bảng 2.

Beta glucanase

Beta glucanase là một trong các enzyme quan trọng trong quá trình sản xuất bia đặc biệt trong quá trình malting và nghiền. Enzyme Cellulase là chất hoạt động đầu tiên trên các hạt tinh bột vì trong bước hồ hóa, chúng thủy phân lớp ngoài của hạt tinh bột và với tác dụng của nước nóng, các hạt tinh bột được mở ra, để cho tinh bột bên trong trở thành chất nền tối ưu cho các enzyme thủy phân khác hoạt động. β -glucanase thường thủy phân các liên kết 1-3 β -glycosidic giữa các phân tử glucose trong glucans (Polysacaride làm từ các phân tử D-Glucose). Phản ứng này là mong muốn trong sản xuất bia vì nó làm giảm độ nhớt của wort, và hỗ trợ các protease trong quá trình thủy phân các hạt tinh bột để làm cho hạt nhân mềm ra trong quá trình nảy mầm. Thông thường, β – glucanase được tìm thấy nội sinh trong chính lúa mạch và được gọi là endo-b1, 3-1, 4-glucanase, tuy nhiên gần đây β-glucanase thương mại từ các vi sinh vật được sử dụng để sản xuất các loại bia nhẹ (ít carbohydrate) và rút ngắn thời gian chín bên cạnh các chức năng ban đầu của nó trong malting và nghiền để cải thiện chất lượng và độ sáng của bia. Mặc dù, độ đục của bia có thể được mong muốn ở một số loại bia như craft beer, đôi khi β- glucanase được thêm vào như một bước bổ sung để làm trong bia, vì β- glucanase giúp phá vỡ hệ thống đục bằng cách thủy phân vật thể đục (protein liên kết với polyphenol, β-glucans và tinh bột). Lượng enzyme được sử dụng thương mại thường là 0,3-1 kg mỗi tấn nguyên liệu wort. β -glucanase có giá trị pH và nhiệt độ tối ưu là 6.0 và 45 – 50 °C; và làm mất màu ở 60 °C, phổ biến là 45 °C được biết đến là nhiệt độ tối ưu thấp nhất cho các enzyme thủy phân thành tế bào.

Amylase

Amylase được sử dụng chủ yếu trong việc phá vỡ tinh bột (Polysacarit được tạo thành từ một số lượng lớn các phân tử alpha-glucose) thành các dextrin, oligosacarit, maltose và các phân tử glucose như là một phần của quá trình malting. Trong quá trình sản xuất cả hai loại enzyme alpha và beta amylase được sử dụng để chuyển hóa tinh bột thành dạng lên men của nó. Alpha amylase (α-amylase) là enzyme hydrolyase xúc tác quá trình thủy phân hai loại đại phân tử lớn của tinh bột là amylose (chuỗi thẳng của tinh bột trong hạt) và amylopectin (chuỗi phân nhánh của tinh bột trong hạt) thành các dextrin bởi bẻ gãy các  liên kết glycoside bên trong (1-4) giữa các phân tử α-glucose trong khi beta amylase xúc tác quá trình thủy phân amylose và amylopectin thành maltose bằng cách phá vỡ liên kết glycosidic bên ngoài. Trong quá trình malting, α và β-amylase được giải phóng khỏi các hạt tinh bột sau khi các lớp bên ngoài đã bị thủy phân bởi các enzyme β-glucanase và xylanase. Cả Alpha và beta amylase tiếp tục thủy phân dung dịch tinh bột trong wort trong giai đoạn nghiền thành đường đơn giản để chuẩn bị cho quá trình lên men. Alpha amylase cũng được sử dụng sau khi malting và nghiền trong quá trình lên men của các loại bia nhẹ vì nó được biết là giúp tăng năng suất carbohydrate có thể được lên men. Kiểm soát amylase cũng có thể đóng một vai trò rất quan trọng đối với chất lượng bia, vì tùy thuộc vào lượng amylase hoạt động và lượng tinh bột có sẵn, sẽ xác định được lượng cồn bia. Nồng độ đường trong wort càng cao, hàm lượng ethanol trong bia càng cao, điều này có thể diễn ra bằng cách sử dụng các amylase thương mại (từ Bacillus Subtilis) kèm theo một loại nội sinh và bổ sung một loại đường hoặc tinh bột, trong khi lượng đường hoặc amylase thấp dẫn đến nồng độ bia rượu thấp. Hai enzyme amylase có giá trị nhiệt độ tối ưu khác nhau, β-amylase có pH và nhiệt độ tối ưu là 5,5 và 62,78 ° C, trong khi α-amylase có nhiệt độ tối ưu cao hơn 73,89 ° C và pH thấp hơn 5,2. Hai enzyme có thể hoạt động ở cùng nhiệt độ, tuy nhiên không có hiệu quả cao như ở nhiệt độ tối ưu và do đó ảnh hưởng đến tỷ lệ của đường lên men và không lên men. Bất cứ khi nào sử dụng α-amylase thương mại ngoài chất nội sinh, các nhà sản xuất khuyên nên sử dụng 1-2kg enzyme cho mỗi tấn lúa mạch để hóa lỏng tinh bột tốt hơn. Tuy nhiên, đối với β-amylase, nên sử dụng liều lượng bổ sung tùy thuộc vào nguồn tinh bột vì β -amylase chủ yếu là quan trọng trong quá trình đường hóa.

Protease

Protease là lớp enzyme xúc tác quá trình thủy phân các liên kết peptide trong protein. Protease được sử dụng trong sản xuất bia vì nhiều lợi ích và hai thứ quan trọng nhất là thủy phân protein để làm trong và tạo điều kiện cho malting. Protease làm tăng mức độ hòa tan của protein và do đó làm giảm độ nhớt của bia, ngoài ra protease tạo ra một điều kiện tốt cho sự phát triển của nấm men bằng cách cung cấp các nitơ amin tự do, cái mà cần thiết cho sự phát triển của nấm men. Trong suốt quá trình mashing, protease làm mềm lớp vỏ của hạt bằng quá trình thủy phân các protein thành tế bào, làm tinh bột tiếp xúc với các enzyme nghiền và do đó làm quá trình nghiền và lên men tốt hơn. Protease phải được theo dõi cẩn thận trong suốt quá trình kiểm soát vì protease có thể tác động đến chất lượng bọt – một chất lượng quan trọng của bia. Protease ủ bia có nhiệt độ tối ưu là 52ºC và bị bất hoạt ở nhiệt độ từ 70 – 75 ºC. Mặc dù protease chủ yếu là có pH acid, nhưng người ta thấy rằng nó vẫn xúc tác ngay cả ở độ Ph cao thậm chí có thể lên tới 10. Mặc dù, protease có mặt tự nhiên trong hạt lúa mạch, nhưng bắt buộc phải sử dụng protein thương mại để duy trì chất lượng bia mong muốn, đặc biệt khi sử dụng tinh bột có chất lượng thấp. Việc sử dụng quá liều protease có thể gây ra các tác dụng không mong muốn như suy thoái enzyme và mất độ ổn định của bọt. Hầu hết các nhà sản xuất khuyến nghị liều lượng dùng protease khoảng 0.3 đến 1kg trên một tấn lúa mạch.

CÁC ENZYME KHÁC ĐƯỢC THÊM VÀO TRONG QUÁ TRÌNH Ủ BIA

Trong thời đại công nghệ enzyme ngày nay, có nhiều enzyme được sử dụng trong ngành sản xuất bia để đạt được và duy trì chất lượng tối ưu của bia trong suốt quá trình xử lý, dự trữ và vận chuyển. Một số enzyme có thể được sử dụng thêm vào đến từ cùng một nhóm enzyme như ficin và papain thuộc nhóm enzyme protease và các enzyme khác được sử dụng như alpha-acetolactate decarboxylase (ALDC) thuộc nhóm enzyme lyases. Proteases như ficin và papain được bán thương mại vì chúng được chiết xuất từ thực vật. Ficin và papain được sử dụng như các enzyme chống lạnh, trong đó chúng thủy phân các protein gây ra khói mù lạnh. Hoạt tính của enzyme chống lạnh dựa trên việc loại bỏ các polyphenol and polypeptide có trọng lượng phân tử lớn bằng quá trình thủy phân dẫn đến sự biến mất các vật thể đục.

Một enzyme khác được sử dụng trong sản xuất bia là alpha-acetolactate decarboxylase. Trong sản xuất bia quy mô lớn, bắt buộc phải giảm thời gian sản xuất để có năng suất cao hơn, alpha-acetolactate decarboxylase được sử dụng với mục đích giảm thời gian lên men dẫn đến quá trình sản xuất bia nhanh hơn mà không ảnh hưởng đến chất lượng.

KẾT LUẬN

Như đã được đề cập ở trên, có thể nói rằng sản xuất bia thời hiện đại không thể tiếp tục mà không sử dụng enzyme. Các enzyme là chất xúc tác sinh học xúc tác các phản ứng sinh hóa và phân tử cần thiết để duy trì và sản xuất nhiều các sản phẩm thực phẩm. Tất cả các enzyme chính như amylase, protease, glucanase và cellulase đều rất quan trọng cho quá trình sản xuất bia. Việc sử dụng alpha và beta – amylase rất quan trọng đối với malting và nghiền lúa mạch, ngoài ra còn tăng sản lượng đường cho quá trình lên men. Việc áp dụng các enzyme carbohydrate khác như glucoamylase và pullulanase cũng được các nhà sản xuất quan tâm, nó được sử dụng để đảm bảo sản xuất glucose nhanh hơn và nhiều hơn, để cho năng suất bia tốt hơn. Vì vậy, mức độ sản xuất của dextrin và khả năng lên men của wort phụ thuộc chủ yếu vào hoạt động của các enzyme amylase. Beta-glucanase là một enzyme chủ chốt cho quá trình malting vì nó phá vỡ thành tế bào của hạt nhân và tinh bột được bổ sung dẫn đến việc tiết ra các enzyme khác tiến hành malting. Ngoài ra glucanase và cellulase giảm độ nhớt của bia và hỗ trợ trong hoạt động trong wort. Các chức năng của Protease có thể được tóm tắt thành ba điểm là cải thiện sự phát triển của nấm men, tăng cường quá trình malting và giảm vật thể đục trong quá trình bảo quản bia.

Science Forecast – Ahmed M. Gomaa* (Alabama Agriculture and Mechanics, USA)