Malt

1. Giới thiệu về đại mạch:

Đại mạch là cây nông nghiệp thuộc nhóm ngũ cốc, được trồng nhằm cung cấp tinh bột cho người, động vật và các hoạt động sản xuất khác. Đại mạch được gieo trồng chủ yếu ở vùng ôn đới vào hai vụ mùa là vụ xuân và vụ đông.

Dựa vào sự phân bố hạt trên cuống khi nhìn từ trên xuống, đại mạch được phân loại thành đại mạch hai hàng và loại sáu hàng. Đại mạch hai hàng thường được gieo vào mùa xuân có hạt to tròn đồng đều, vỏ mỏng và sọc mãnh, có hàm lượng chất tan nhiều hơn, nên thường được lựa chọn để sản xuất bia.

Đại mạch sáu hàng thường được gieo vào mùa đông, có cỡ hạt không đều do các hạt không có đủ khoảng trống để nở trọn vẹn. Các hạt ở nhánh bên có kích cỡ nhỏ hơn và cong về hướng nơi kết nối của râu lúa. Các hạt cong này là đặc thù để phân biệt loại sáu hàng.

Đại mạch 2 hàng

 

Đại mạch 6 hàng

Đại mạch nếu sử dụng trong sản xuất bia thì chỉ có vao trò cung cấp tinh bột cho quá trình đường hòa. Đại mạch lúc này chỉ được xem là nguyên liệu phụ, còn để trở thành nguyên liệu chính thì đại mạch cần phải được malt hóa để tạo thêm enzym và chuyển hóa một phần các hợp chất cao phân tử.

2. Malt đại mạch:

a. Định nghĩa:

Malt là sản phẩm của quá trình ngâm ủ các hạt lúa (lúa đại mạch, lúa tiểu mạch, lúa mì, lúa gạo…) để nảy mầm đến một mức độ nhất định rồi đem sấy khô, cắt rễ làm sạch. Tuy nhiên, đại mạch thường được dùng để sản xuất malt hơn, nên chữ “malt” được hiểu ngầm là malt đại mạch. Đối với các loại ngũ cốc khác thì có malt lúa mì (wheat malt), malt lúa gạo (rice malt)…

Con người đã làm mạch nha từ mầm lúa rất lâu nhưng khi bia trở thành một sản phẩm phổ biến thì nhu cầu mạch nha tăng lên. Trước kia, các nhà bia tại Châu Âu đều có riêng nhà máy sản xuất malt. Vào thời bấy giờ thậm chí người ta đưa trực tiếp lúa đang nẩy mầm vào xay nấu mà không qua công đoạn sấy. Trong khi đó các nhà máy bia ở Châu Á, Châu Phi… do không có nguồn đại mạch tại chỗ nên phải mua malt thành phẩm từ Châu Âu và vận chuyển về nhà máy để sản xuất. Từ đó sản xuất malt được tách ra khỏi nhà máy bia và trở thành một ngành công nghiệp riêng. Tùy theo loại bia mà malt được sấy ở điều kiện khác nhau để có màu đậm hơn và mùi thơm khác biệt. Các nhà sản xuất malt giờ đây không chỉ cung cấp cho các nhà máy bia mà còn cho các ngành khác như: rượu, bột dinh dưỡng, sữa và sản phẩm từ sữa, mỹ phẩm, dược phẩm…

b. Lưu đồ sản xuất malt:

 

Làm sạch và phân loại

Đại mạch từ các nông trại được đưa qua hệ thống thiết bị tách rác, tách sạn, loại bỏ kim loại (nam châm hút sắt…) trước khi nhập vào kho lưu trữ (silo) của các nhà máy; Hạt có kích thước bé 2,2mm chuyển sang thùng chứa riêng làm thức ăn cho gia súc.

Hạt trên sàng 2,5mm và trên sàng 2,2mm được đưa vào sản xuất theo hai quy trình riêng biệt vì chúng khác nhau về khả năng thấm nước trong quá trình ngâm và ươm mầm cũng như thoát nước khi sấy khô.

Lưu trữ đại mạch

Đại mạch sau làm sạch và phân loại được đưa vào tồn trữ trong kho chứa. Độ ẩm đại mạch trong quá trình tồn trữ được duy trì khoảng 12% và phôi không bị tổn hại. Đại mạch là dạng hạt còn sống, nên vẫn tiếp tục hô hấp và trao đổi chất trong suốt thời gian tồn trữ. Tùy theo nhiệt độ và độ ẩm trong kho chứa mà cường độ các hoạt động này cao hay thấp. Mục tiêu của nhà làm malt là tối thiểu chi phí lưu giữ và tổn thất chất tan do hoạt động hô hấp, trao đổi chất của hạt. Ở vùng có khí hậu lạnh hầu như người ta chẳng phải làm gì vào mùa đông. Trong đều kiện nhiệt độ cực thấp (dưới 0C) hoặc độ ẩm dưới 50% thì các hoạt động này của hạt gần như đạt trạng thái “ngủ”. Ở những vùng có khí hậu nóng ẩm như Việt nam thì muốn giữ hạt đại mạch được lâu thì kho chứa phải có hệ thống thông gió bằng khí lạnh để duy trì trạng thái thoáng mát cho hạt. Hiện nay, kỹ thuật bảo quản hạt ngũ cốc trong trạng thái yếm khí được áp dụng phổ biến. Khí CO2 hoặc Nitơ được bơm vào khối ngũ cốc sau khi đã hút hết oxy. Kỹ thuật này có thể bảo quản hạt ngũ cốc đến 3 năm, tuy nhiên trạng thái yếm khí cũng sẽ ảnh hưởng đến khả năng sống của hạt đại mạch.

Ngâm nước (Steeping)

Nước là điều kiện đầu tiên và quan trọng nhất để khởi phát quá trình sống của hạt đại mạch. Công đoạn ngâm có hai mục đích chính là làm cho hạt đại mạch hấp thu đủ lượng nước cần thiết cho sự nẩy mầm và làm sạch hạt đại mạch cũng như loại bỏ các hạt bị lép, sâu mọt. Nước xâm nhập vào hạt bằng quá trình thẩm thấu làm cho độ ẩm của đại mạch tăng 12% đến 40%, ở độ ẩm 30% các tế bào sống ở phôi bắt đầu hình thành, hạt bắt đầu nảy mầm.

Quá trình ngâm được kiểm soát thông qua yếu tố nhiệt độ, thời gian sinh dưỡng, luân phiên giữa ngâm ẩm và ngâm khô, và thổi khí.

Chất lượng nước ngâm ít nhất phải đạt chất lượng nước ăn uống. Lượng nước sử dụng cho quá trình ngâm vào khoảng 2 -3,5m3/tấn đại mạch. Nước ngâm không phân bố đều trong toàn bộ hạt đại mạch mà tập trung ở phần phôi, lớp vỏ lụa nhiều hơn so với đuôi và tâm nội nhũ. Khi nhiệt độ cao và thời gian ngâm ẩm dài sẽ làm độ ẩm của hạt tăng nhanh hơn làm rút ngắn tổng thời gian của công đoạn ngâm nhưng hạt có nguy cơ bị úng, vi sinh vật gây hại phát triển làm thối, chết hạt.

Quá trình hấp thu nước và nầy mầm sẽ được đẩy nhanh với công nghệ ngâm có sục khí. Sau quá trình ngâm ướt (khoảng 50-80% độ ẩm của tổng quá trình) là giai đoạn ngâm khô kéo dài trong 6-24h tại độ ẩm 30%. Sau đó, độ ẩm hạt được nâng lên 38% bằng việc ngâm ướt lần hai trong thời gian 6h, sau đó tiếp tục là quá trình ngâm khô cho đến hết thời gian của bước ngâm. Hạt sẽ bắt đầu xuất hiện những chồi mầm đầu tiên trong vòng 14-20h sau quá trình ngâm ướt lần hai. Độ ẩm sẽ được nâng lên đến giá trị cuối cùng (khoảng 43%) trong quá trình nảy nầm bằng cách tưới ẩm. Một ví dụ của quá trình ngâm được mô tả trong đồ thị sau.

Nhiệt độ của khối hạt có sự gia tăng trong suốt quá trình ngâm khô. Đây là dấu hiệu của quá trình hô hấp của hạt. Hạt cần phải được đảo trộn hoặc bơm tuần hoàn để đuổi CO2, tránh để hạt bị vón cục và nóng cục bộ. Khi kết thúc bước ngâm, nhiệt độ của khối hạt đạt khoảng 18oC.

Kết luận: quá trình ngâm (steeping) nhằm mục đích nâng độ ẩm của hạt đại mạch lên khoảng 40%. Đây là điều kiện tiên quyết cho quá trình nảy mầm.

Nẩy mầm

Nảy mầm là một quá trình sinh lý khi hạt bắt đầu khởi phát sự sống với sự hình thành rễ, chồi, cây. Trong quá trình này, các chất dinh dưỡng dự trữ trong nội nhũ được sử dụng cho nhu cầu sống của hạt. Mục đích của bước nảy mầm:

  • Chuyển hóa, phân cắt các chất dự trữ trong hạt thành các hợp chất đơn giản, hòa tan. Như tinh bột thành đường lên men được, protein thành các axit amin tự do,…
  • Sản xuất một lượng tối ưu các enzym thủy phân.
  • Thủy phân màng tế bào làm cho hạt malt xốp, trở nên dễ xay nghiền.
  • mà không cho phép sự phát triển của một cây đại mạch mới để tối thiểu hóa lượng chất tan thất thoát.
Điều kiện nẩy mầm

Trong sản xuất bia thì quá trình nảy mầm được kiểm soát trong điều kiện thích hợp để đạt được những mục đích mong muốn trong thời gian cần thiết. Các thông số kiểm soát quá trình là: độ ẩm, nhiệt độ, tỷ lệ Oxy/CO2, thời gian và chất kích thích nảy mầm. Điều kiện này phải được thiết kế phù hợp với từng chủng loại đại mạch, vụ mùa, độ nhạy nước, sức sống, và hơn nữa là hàm lượng protein cũng như cấu trúc tinh bột trong nội nhũ của hạt. Độ ẩm không được giảm trong suốt thời gian nảy mầm. Nhiệt độ thuận lợi cho quá trình nảy mầm 14-18°C.

Thổi khí nhằm mục đích cung cấp oxy cho hoạt động sống của hạt và loại bỏ khí CO2. Sự nẩy nầm với biểu hiện đầu tiên là xuất hiện rễ từ phần phôi hạt. Các mầm cũng phá vỡ lớp Aleurone để phát triển dưới lớp vỏ trấu về phía cuối của hạt đại mạch. Trong sản xuất Malt sự phát triển của rễ cũng như mầm được mong muốn chỉ đến một giới hạn nhất định.

Bên cạnh những biểu hiện bên ngoài của sự phát triển thì hạt đại mạch có sự chuyển đổi bên trong như: các loại vật chất dự trữ trong nội nhũ được chuyển hóa thành hợp chất đơn giản hơn có thể hòa tan, sự kích hoạt và gia tăng số lượng của các loại enzym trong lớp aleurone và nội nhũ.

Sự hình thành enzym

Nước sau khi xâm nhập vào phôi sẽ hòa tan axit Gibberellin (còn gọi là Gibberellin A3, GA, GA3) có sẵn. Gibberellin là một dạng hormon thực vật đóng vai trò kích thích các tế bào sinh ra các phân tử mRNA đem theo mã hóa để sinh tổng hợp các enzym thủy phân. Ngoài ra, Gibberellin còn có vai trò kích thích sự giải phóng các enzyme thủy phân vào nội nhũ nhằm xúc tiến quá trình thủy phân các polime thành các monome. Về mặt sinh học, thì các enzym này được tạo ra nhằm chuyển hóa các chất dự trữ trong nội nhũ thì đường, axit amin cho sự nảy nầm của hạt.

Như trong hình dưới, hạt đại mạch được chia thành 3 vùng: phôi, nội nhũ và lớp vỏ. Trong đó, các loại enzym đa phần được hình thành ở lớp vỏ lụa Aleuron.

Ngoài những chuyển hóa nhất định của các vật chất trong hạt đại mạch, mục đích chính của quá trình malt hóa là hoạt hóa và gia tăng các enzym thủy phân. Các nhóm quan trọng nhất là: hệ các enzym phân cắt màng tế bào (cytolytic), hệ các enzym thủy phân protein, hệ các enzym thủy phân tinh bột, hệ các enzym phân cắt chất béo (gồm lypaza và một phần lipoxygenaza), phosphataza…

Các enzym phân cắt màng tế bào phá vỡ các hemicelluloses để thành hợp chất có phân tử lượng thấp, trong đó enzyme beta-glucanaza hiệu quả hơn so với pentosanaza. Mức độ phân cắt màng tế bào có thể được xác định bằng thực nghiệm bởi sự gia tăng độ xốp của nội nhũ; giá trị chênh lệch chất chiết giữa xay thô và xay mịn hay độ nhớt của dịch nha tiêu chuẩn cũng thể hiện được mức độ chuyển hóa của nội nhũ. Mức độ phân cắt màng tế bào lý tưởng đạt được dưới điều kiện độ ẩm cao, nhiệt độ trung bình 18oC, giàu oxy, và quá trình nẩy mầm kéo dài. Trước khi màng tế bào bị phá vỡ thì protein phải được thủy phân bời enzym proteasa. Enzym này hoạt động lý tưởng ở độ ẩm cao, nhiệt độ thấp và thời gian nảy mầm vừa đủ. Khi thời gian nảy mầm kéo dài thì các chất thấp phân tử của quá trình thủy phân protein sẽ sinh tổng hợp thành rễ và chồi. Mức độ thủy phân protein được đo lường bằng tỷ lệ nitơ hòa tan trên nitơ tổng và bởi tổng lượng nitơ hòa tan.

Hàm lượng protein trong malt sẽ giảm so với đại mạch vì phần rễ giàu protein sẽ bị loại bỏ sau quá trình sấy. Sự chuyển hóa tinh bột được thực hiện bởi enzym alpha và beta amylaza vớ mức độ trung bình. Việc kích hoạt, giải phóng và gia tăng số lượng β-amylaza, cũng như sự hình thành của alpha-amylaza trong quá trình nảy mầm, đều rất quan trọng. Alpha-amylaza chỉ hình thành khi có mặt của oxy, độ ẩm cao trong suốt quá trình nẩy mầm, nhiệt độ thấp và thời gian nẩy mầm đủ kéo dài.

Sấy

Malt non sau nảy mầm được chuyển sang thiết bị sấy. Tại đây, độ ẩm của malt non giảm xuống đến giá trị mong muốn bằng cách trao đổi ẩm với khí nóng luân chuyển qua hạt. Có nhiều loại thiết bị sấy khác nhau, trong đó các thiết bị hiện đại sau này có thể thống thu hồi nhiệt, với nhiều tầng để tiết kiệm tối đa năng lượng. Mục tiêu của quá trình sấy:

  • Chấm dứt quá trình chuyển hóa và phát triển của hạt đại mạch.
  • Giảm độ ẩm để giá trị cần thiết cho việc bảo quản.
  • Bảo tồn lượng enzym đã hình thành trong quá trình nảy mầm.
  • Tạo màu và mùi cho malt.
Quá trình làm khô

Hệ enzym trong malt non rất nhạy cảm với nhiệt độ khi độ ẩm cao, do đó, cần thiết phải có quá trình thổi lượng lớn khí với nhiệt độ thấp (40-60oC) qua khối malt để giảm độ ẩm về mức khoảng 18 – 20%.  Trong quá trình làm khô, hoạt động sống của hạt malt non vẫn tiếp tục cho đến khi điều kiện môi trường trở nên khắc nghiệt. Cụ thể:

  • Khi độ ẩm của hạt malt > 25% và nhiệt độ < 40oC thì hạt vẫn tiếp tục sống và nảy mầm.
  • Khi độ ẩm của hạt < 20% và nhiệt độ < 70oC thì sự sống của hạt bị đừng lại, tuy nhiên hệ enzym vẫn tiếp tục hoạt động chuyển hóa cần thiết như đạm hóa, phân cắt β-glucan (40÷50oC), đường hóa (60÷630C).
  • Khi độ ẩm của hạt < 20% và nhiệt độ > 70oC thì hạt động của hệ enzym cũng dừng lại, và các phản ứng hóa học, vật lý được bắt đầu như hồ hóa tinh bột, phản ứng Maillar, phản ứng chuyển hóa tiền chất DMS thành DMS.

Để bảo tồn hoạt lực của hệ enzym trong malt thì nhiệt độ của quá trình làm khô sẽ tăng dần khi độ ẩm giảm:

  • 12h đầu ở 50oC
  • 12h tiếp theo ở 65oC
Quá trình sấy

Tiếp diễn ngay sau quá trình làm khô là quá trình sấy diễn ra ở nhiệt độ cao hơn, trong thời gian ngắn nhằm giảm độ ẩm của malt về giá trị 3,5-4%. Lưu lượng khí thổi khô được điều chỉnh ở mức độ tối ưu nhất thông qua giá trị độ ẩm của khí đầu ra. Trong giai đoạn đầu, độ ẩm tương đối của khí đầu ra luôn đạt mức 100%. Tuy lượng khi lượng nước thấm ướt trong hạt malt bay hơi hết thì tốc độ thoát ẩm giảm xuống, độ ẩm tương đối của khí thoát không đạt giá trị bão hòa và giảm dần về cuối quá trình sấy. Đây được gọi là điểm “Breakthrough”. Sau điểm này, nước liên kết bắt đầu bay hơi, nhiệt độ khí sấy được điều chỉnh tăng dần và lưu lượng khí giảm dần. Để tiết kiệm năng lượng, một phần khí sau sấy sẽ được tuần hoàn trở lại.

Tùy thuộc vào từng loại malt mà nhiệt độ trong quá trình sấy dao động từ 80-100oC và thời gian sấy diễn ra trong khoảng 4-6h. Trong quá trình sấy chỉ xảy những biến đổi vật lý và hóa học như sau:

  • Phôi hạt bị chết bởi nhiệt độ cao.
  • Giảm nhẹ lượng đường khử và axit amin bởi phản ứng Maillard, sự phân hủy axi amin và protein, hình thành Nitrosamine.
  • Các biến đổi liên quan đến Dimetylsulfite: DMS-P chuyển thành DMS, DMS bay hơi và DMS bị oxy hóa thành DMSO.

Làm nguội

Malt sau khi sấy xong có nhiệt độ 80-100oC cần phải được làm nguội về nhiệt độ phòng. Trong quá trình làm nguội, độ ẩm của malt có tăng lên chút ít do độ ẩm tương đối của không khí luôn cao hơn độ ẩm của malt 3,5-4%. Những hệ thống sản xuất malt cũ trước đây (hiện nay không còn sử dụng nhiều) thì quá trình làm nguội được tiến hành tự nhiên bằng cách tắt thiết bị giai nhiệt của hệ thống sấy. Malt tiếp tục được ủ nóng với nhiệt độ giảm dần nhằm tạo thêm mùi, màu cho malt (de Clerck, 1952; Vermeylen, 1962; Narziss, 1976). Khi nhiệt độ của malt đạt yêu cầu thì malt được chuyển đi tách rễ.

Hiện nay, các hệ thống sản xuất malt hiện đại, công suất lớn không cho phép malt lưu lâu trong thiết bị sấy. Đối với, hệ thống sấy 1 sàn thì quạt làm mát sẽ hoạt động sẽ tiếp tục thổi khí lạnh (không khí từ môi trường) để làm nguội malt. Còn đối với thiết bị sấy malt 2 sàn, malt ở sàn dưới được làm nguội bằng cách thổi khí lạnh, sau đó không khí này sẽ hấp thu nhiệt của lớp malt đạt nhiệt độ 40-60oC sẽ tiếp tục thổi qua lớp malt ở sản trên đang trong quá trình làm khô. Như vậy, lượng nhiệt trong malt sẽ được tái sử dụng và tăng hiện quả sử dụng năng lượng.

Tách rễ, phân lô và phối trộn

Ngay sau khi sấy, rễ của hạt trở nên giòn nên dễ dàng được cắt bỏ. Thiết bị cắt rễ bao gồm lưới với lỗ nhỏ vừa đủ để rễ malt mắc vào, trong quá trình hoạt động các thanh gạt xoay tròn tì lên mặt lưới để cắt rễ hạt malt.

Thiết bị tách rễ dạng cổ điển (sau Narziss, 1976)

Hạt được chuyển vào máy cắt rễ và làm bóng hoàn thiện malt thành phẩm. Malt sau đó được đưa vào lưu kho theo từng lô riêng biệt.

Căn cứ kết quả kiểm nghiệm của các lô malt thành phẩm nhà sản xuất malt sẽ phối trộn các lô malt lại với nhau để đạt được các thông số kỹ thuật yêu cầu của nhà sản xuất bia trước khi đóng bao hoặc container xuất xưởng.

Tồn trữ

Malt sau khi sản xuất phải được tồn trữ tại nhà máy tối thiểu 15 ngày để ổn định các đặc tính kỹ thuật trước khi được phân phối đến các nhà máy bia.

1.1 Malting