Lên Men Bia

Định nghĩa:
Lên men (theo nghĩa rộng) là quá trình chuyển hóa các cơ chất (các loại đường, tinh bột,..) thành các chất khác (như acid, khí hoặc rượu,..) được thực hiện bởi nấm men, nấm mốc, vi khuẩn. Khái niệm lên men được sử dụng rất rộng trong các ngành sản xuất rượu, bia, sữa, lên men chua các lại thực vật, động vật, …. Ngoài ra, lên men cũng là quá trình tăng sinh khối vi sinh vật để sản xuất các loại enzym. Tóm lại, lên men là quá trình chuyển hóa chất được thực hiện bởi các loại vi sinh vật (nấm mốc, nấm men, vi khuẩn).
Lên men bia là quá trình nấm men chuyển hóa đường (lên men được) trong dịch nha thành cồn, CO2 và vô số sản phẩm phụ khác.

Diễn biến của quá trình lên men bia

Quá trình lên men chìm diễn ra qua các giai đoạn như sau:

Lên men chính

Giai đoạn thích nghi (lag phase)

Giai đoạn này kéo dài trong khoảng 6-18 giờ đầu tiên sau khi nấm men được cấy vào dịch nha. Nấm men nhanh chóng hấp thu oxy, các dưỡng chất trong dịch nha để tổng hợp các hợp chất khác cho quá trình tăng trưởng sinh khối và lên men sau này. Khí CO2 chưa được hình thành ở giai đoạn này. Nấm men có thể được hoạt hóa trước để rút ngắn giai đoạn này bằng cách bổ sung một lượng nhỏ dịch nha vào khối “men sữa” và trộn đều.

Nhiệt độ dịch nha duy trì trong khoảng 8-120C.

Đồ thị theo thời gian của quá trình lên men chìm (bia Lager) với fa: mức độ cồn bậc cao (ppb), e: mức độ este (ppb), t: nhiệt độ (oC)

Giai đoạn nấm men bắt đầu phát triển

Tiếp theo, tế bào nấm men bắt đầu phát triển và phân chia, CO2 hình thành là dấu hiệu của quá trình lên men kỵ khí. Giai đoạn này diễn ra trong thời gian rất ngắn và thông thường được gộp chung vào giai đoạn phát triển cấp số nhân; thậm chí việc xác định thời điểm nó bắt đầu xảy ra cũng không đơn giản.

Giai đoạn phát triển cấp số nhân (exponencial phase)

Tế bào nấm men phân chia và quá trình lên men kỵ khí bắt đầu. Giai đoạn này kéo dài trong khoảng 24-72h, tế bào nấm men trải qua khoảng 3 lần phân bào và tổng số tế bào tăng lên khoảng 23 lần. Như vậy, nếu lượng men cấy ban đầu là 20 triệu tế bào/ml thì khi kết thúc giai đoạn này theo lý thuyết lượng tế bào có thể đạt 20*23=160 triệu. Thực tế không phải tất cả các tế bào đều có thể phân chia nên số lượng cực đại trong bồn lên men là khoảng 60-100 triệu tế bào/ml. Các nhà làm bia công nghiệp thường quan tâm đến hệ số tăng sinh khối của nấm men (được xác định bằng khối lượng nấm men thu hồi chia cho khối lượng nấm men cấy vào). Hệ số này phụ thuộc vào loại nấm men sử dụng, lượng oxy cấp vào dịch nha và mật độ men cấy ban đầu. Thông thường hệ số này nằm trong khoảng giá trị 2,5-3 và không bao gồm lượng men xả cặn hàng ngày trong quá trình lên men cũng như lượng men lắng chậm được xả ra trong giai đoạn lên men phụ.

Giai đoạn này, trong bồn lên men xảy ra song song 2 quá trình là: quá trình tăng sinh khối và quá trình lên men kỵ khí. Quá trình trao đổi chất diễn ra mãnh liệt. Bọt khí CO2 xuất hiện ngày càng nhiều dâng cao lên khoảng không trên bồn lên men (được gọi là “high krausen”). Để tránh hiện tượng trào bọt, bồn lên men phải dành riêng khoảng 20-25% dung tích cho bọt hình thành.

Đây là giai đoạn quan trọng nhất của quá trình lên men chính vì những gì xảy ra trong giai đoạn này điều mang tính quyết định trong việc tạo nên hương vị đặc trưng cho bia. Các quá trình hấp thu, chuyển hóa, tổng hợp tăng sinh khối và bài tiết ra các sản phẩm phụ làm nền tảng cho các giai đoạn tiếp theo nhằm tạo ra sản phẩm bia hoàn chỉnh với chất lượng như mong muốn.

Nguồn sinh khối dồi dào với nhiều tế bào trẻ khỏe mới được hình thành sẽ đảm bảo cho một giai đoạn lên men mãnh liệt và triệt để tiếp theo.

Các axit hữu cơ và axit béo, các axit amin, các loại cồn bậc cao, các loại este, các hợp chất carbonyl và các tiền chất của chúng, cũng như các hợp chất lưu huỳnh, các loại phenol và một số hợp chất nhỏ lẻ khác đều hình thành trong giai đoạn này. Tuy nhiên việc thúc đẩy quá trình tăng trưởng sẽ làm tăng nồng độ cồn bậc cao và lại làm giảm hàm lượng este; vì vậy cần có sự dung hòa của các yếu tố kiểm soát lên men để có được chất lượng bia như ý muốn.

Giai đoạn nấm men phát triển giảm tốc

Khi nguồn oxy bắt đầu khan hiếm thì tốc độ phát triển của nấm men cũng giảm rất nhanh. Giai đoạn này xảy ra nhanh và nối tiếp với giai đoạn ổn định. Từ giai đoạn này dịch lên men bắt đầu được gọi là bia non

Giai đoạn phát triển ổn định của nấm men, bắt đầu quá trình ủ chín (maturation)

Trong giai đoạn này nấm men kết thúc quá trình tăng sinh khối, quá trình ủ chín bắt đầu. Mật độ nấm men đạt đỉnh và giữ ổn định. Quá trình lên men kỵ khí diễn ra mãnh liệt. Cồn và khí CO2 sinh ra rất nhiều. Nồng độ chất hoà tan giảm nhanh tới 2-3oP/ngày.

Ở giai đoạn nảy không còn sự hình thành ester và cồn bậc cao nên có thể nâng nhiệt lên 14-160C để đẩy nhanh tiến trình chuyển hóa các tiền chất vicinal diketone (chủ yếu là α-acetolactate) thành các hợp chất vicinal diketone (chủ yếu là diacetyl) trong bia non để nấm men với mật độ dày đặc lúc này tái hấp thu và chuyển hóa chúng. Nhiệt lượng trong giai đoạn này cũng sinh ra nhiều nhất nên chỉ cần cài đặt giá trị cần thiết van cấp lạnh đóng lại và nhiệt độ sẽ tự động tăng lên. Cho đến giai đoạn này việc giữ nhiệt cho bồn lên men còn có vai trò tăng cường dòng đối lưu cho khối dịch, vì vậy chỉ cho phép mở vùng lạnh trên cùng để làm lạnh dịch nha.

Mặt khác việc tăng nhiệt độ này cũng đẩy nhanh quá trình lên men kỵ khí giúp tế bào nấm men nhanh chóng tích lũy thêm nguồn năng lượng dự trữ cần thiết cho sự kết lắng trong giai đoạn tiếp theo khi nguồn đường trong dịch nha dần cạn kiệt.

Giai đoạn nấm men bắt đầu lắng

Khi lượng chất hòa tan trong bia non giảm xuống 4-5oP (đối với đa phần các dòng bia lên men chìm) thì nấm men bắt đầu lắng, độ Plato giảm chậm, CO2 sinh ra ít hơn. Bọt xẹp xuống rất nhanh. Mật độ tế bào nấm men trong bia non giảm dần do một bộ phận sinh khối nấm men (chủ yếu là các tế bào già) bắt đầu lắng.

Trong quá trình lắng nấm men có xu hướng dính kết lại với nhau và lôi kéo cả những thành phần keo tụ của protein, tanin, nhựa đắng hoa bia…lắng xuống.

  • Hàm lượng CO2 hòa tan tự nhiên trong bia non khoảng 2g/l, trong khi đó, bia thành phẩm cần ít nhất là 4,5g/l. Để có đủ lượng CO2 hòa tan bổ sung, theo công thức của ông Balling cần phải lên men 0,50P lượng đường. Căn cứ kinh nghiệm lên men nổi truyền thống thì khi độ đường sót còn lớn hơn giá trị đường sót cuối 0,5-10P thì khi chuyển bia non sang tàng trữ mà vẫn đảm bảo hàm lượng CO2 bảo hòa cho bia thành phẩm.
  • Độ hòa tan của CO2 trong bia phụ thuộc vào:
  • Nhiệt độ: tăng thì độ hòa tan của CO2 giảm.
  • Áp suất: tăng thì độ hòa tan của CO2 tăng.
  • Hàm lượng ethanol: tăng thì độ hòa tan của CO2 tăng.
  • Hàm lượng chất hòa tan: tăng thì độ hòa tan CO2 giảm.
  • Một phần nhỏ CO2 trong bia tồn tại dưới dạng tự do, phần chủ yếu còn lại ở dạng liên kết. Liên kết của H2CO3 là liên kết hấp phụ và liên kết hoá học. Ngoài ra, CO2 còn liên kết với các phân tử protein bằng liên kết Vanderwaals.

Khi lượng đường lên men cạn kiệt nấm men ngừng các hoạt động trao đổi chất và kết lắng đồng loạt.

Khi hàm lượng diacetyl đạt ngưỡng chấp nhận (<0,1ppm), đây cũng là căn cứ để xác định thời điểm kết thúc quá trình ủ chín bia, nhiệt độ được hạ nhanh xuống nhiệt độ tàng trữ (2-50C).

Tàng trữ bia

Bia tại thời điểm kết thúc quá trình ủ chín với một ít CO2 hòa tan, độ đục cao và có mùi vị chưa ”dịu” so với bia thành phẩm cuối cùng. Bia non cần tiếp tục trải qua quá trình tàng trữ. Quá trình tàng trữ bia được thực hiện trong ngay bồn lên men bia ban đầu hoặc được chuyển sang bồn lên men khác. Các bồn lên men này phải được làm kín để tăng mức độ bảo hòa CO2 cho bia. Đối với dòng bia lên men chìm thì đây còn được gọi là quá trình ”lagering” bia. Từ ”Lager” có nguồn gốc từ nước Đức có nghĩa là nhà kho hay nhà dự trữ (storeroom, warehouse). Tức là loại bia được tồn trữ trong nhà kho ở nhiệt độ < 00C trước khi bán cho người tiêu dùng. Thời gian tồn trữ bia trước đây thời kéo dài vài tháng, nhưng hiện nay quá trình tàng trữ bia chỉ kéo dài 1-2 tuần.

Kỹ thuật tàng trữ bia có nhiều cách khác nhau như sau:

  • Tàng trữ ở nhiệt độ thấp, đây là cách truyền thống được áp dụng rộng rãi đến ngày nay.
  • Tàng trữ kết hợp với quá trình ”dry hopping”- bổ sung thêm hoa bia khô vào thùng tàng trữ bia.

Các biến đổi của bia trong quá trình tàng trữ:

  • Hàm lượng các hợp chất Carbonyl giảm đến mức mong muốn.
  • Các hợp chất lưu huỳnh như H2S tiếp tục chuyển hóa thành SO2 bởi nấm men hoặc bay hơi.
  • CO2 bão hòa đến giá trị mong muốn, có thể tăng lượng bão hòa CO2 bằng cách tăng áp suất CO2 trên bề mặt bồn lên men.

Các cặn bia bao gồm hoa bia, cặn protein, nấm men, cặn lạnh (phức chất protein-polyphenol), các hợp chất tạo màu lắng xuống đáy bồn lên men làm cho bia trở nên trong và sáng màu hơn.