Nấu dịch nha


Nấu dịch nha là quá trình chuyển hóa các chất trong nguyên liệu thành chất tan có khả năng lên men được trong dịch nha. Trong nguyên liệu, các chất đa phần là hợp chất cao phân tử như tinh bột (polysaccharide), đạm (poly amino axit), chất béo,…. Trong đó, polysaccharide (hay gọi chung là các hợp chất carbohydrate) chiếm từ 90-92% khối lượng, chất đạm chiếm 4-5%, còn lại là các thành phần khác và các hợp chất vi lượng (khoáng, vitamin,…). Các chất không hòa tan được như vỏ trấu được tách ra bằng quá trình lọc. Dịch đường ngọt này sau đó được bổ sung hoa bia cho quá trình đun sôi hay còn lại là quá trình houblon hóa.

Đường hóa

Đường hóa là quá trình nấu dich nha là chuyển hóa các hợp chất polysaccharide thành các hợp chất thấp phân tử như Maltose, saccharose, gluco, fructose, maltosetrio và các dextrin mạch ngắn có thể hòa tan vào trong dịch nha bởi hoạt động của các loại enzym có sẵn trong malt. Kết thúc quá trình nấu có khoảng 95% lượng tinh bột bị chuyển hóa, phân cắt.

Để việc đường hóa diễn ra dễ dàng và hiệu quả thì tinh bột cần phải được hồ hóa hoàn toàn, đây là bước rất quan trọng và ảnh hưởng đến hiệu quả, chất lượng của dịch nha sau này. Tinh bột trong nguyên vật liệu thô có dạng các hạt với cấu trúc cuộn xoắn (giống như cuộn chỉ len) nên các tác nhân xúc tác không thể tiếp cận để tiến hành quá trình phân cắt.

Quá trình hồ hóa làm cho hạt tinh bột trương nở (giãn mạch) dưới sự tác động của nhiệt độ. Lưu ý: hồ hóa có thể xảy ra trong trường hợp có hoặc không có nước. Khi mạch tinh bột trương nở thì có nhiều điểm tiếp xúc để các enzym tác động cho quá trình phân cắt. Nhiệt độ hồ hóa của các loại tinh bột khác nhau thì khác nhau như bảng bên dưới.

Quá trình nấu dịch nha được diễn ra bới hoạt động của các loại enzym có sẵn trong malt, như sau:

  • Enzym Amylase: thủy phân tinh bột.
  • Enzym protease: thủy phân protein.
  • Enzym lipase: thủy phân hợp chất béo.
  • Và các loại enzym khác.

Thủy phân tinh bột

Có bốn loại enzym chính tham gia quá trình thủy phân tinh bột trong quá trình dịch nấu dịch nha là α- và β-amylaza phân cắt liên kết glucosidic α(1-4) của phân tử tinh bột và dextrin. Enzym thứ ba – limit dextrinaza có thể phân cắt phân tử amylopectin ở điểm liên kết phân nhánh glycosidic α(1-6). Enzym cuối cùng là maltaza phân cắt ra một phân tử gluco từ phần đuôi của nhánh đường đôi hoặc đường phức.

Amylase
Các vị trí hoạt động của enzym Amylase

Enzym α-amylaza

Phân tách ngẫu nhiên mối liên kết α(1-4) trong chuỗi phân tử tinh bột hoặc dextrin, do enzym này cần không gian để tiếp cận phân tử tinh bột nên nó không thể cắt ở ngay bên cạnh nhánh rẽ. Sự phân cắt liên kết của Alpha Amylase còn được gọi là sự dịch hóa vì enzym nhanh chóng làm giảm độ nhớt của dung dịch tinh bột malt đã hồ hóa. α-amylaza rất tốt trong việc phân cắt tinh bột  hoặc dextrin lớn thành dextrin hay dextrin nhỏ hơn; qua đó làm giảm nhanh phản ứng iodin nhưng nó lại không được tốt lắm trong việc tạo thành các đường lên men được.

Enzym β-amylaza

Có vai trò tạo ra các loại đường lên men được. β-amylaza kẹp vào đầu bất khả khử (non-reducing end) của chuỗi tinh bột và phân cắt thành từng phân tử đường malto cho đến khi tới gần điểm rẽ nhánh (liên kết α(1-6)). Tốc độ hoạt động β-amylaza phụ thuộc vào số lượng đầu bất khả khử của tinh bột (dextrin). Vì vậy, để tăng hiệu quả của β-amylaza thì cần có sự hiện diện và hoạt động của α-amylaza hay limit dextrinaza  phân cắt 1 mạch tinh bột thành nhiều mạch tinh bột ngắn hơn để tăng số lượng đầu bất khả khử.

Hình dưới thể hiện dãi nhiệt độ đường hóa tối ưu trong sản xuất dịch nha, điểm mà cả alpha và beta amylase cùng hoạt động.

Các loại enzym trong quá trình nấu dịch nha

Các kỹ thuật đường hóa

Phương pháp nấu đẳng nhiệt

Đây là phương pháp truyền thống thường được sử dụng ở Vương quốc Anh để sản xuất bia lên men nổi (Ale) và bia sẫm màu độ cồn cao (Stout). Quá trình chuyển hóa và lọc bã được thực hiện trên cùng một nồi nấu. Nồi nấu được lắp thêm lớp lưới lọc ở đáy (false bottom) như nồi lọc. Nó không có cánh khuấy và thiết bị trao đổi nhiệt bên ngoài.

Bột malt được pha ở nhiệt độ 65oC và duy trì ở nhiệt độ này liên tục cho đến khi kết thúc nấu. Do nồi nấu không có bộ phần gia nhiệt nên nhiệt độ có bị suy giảm đôi chút trong quá trình nấu. Malt sử dụng cho kiểu nấu này phải làm malt có độ chuyển hóa tốt (well-modified), hoạt lực tốt vì hầu như chỉ xảy ra một thủy phân tinh bột bởi alpha và beta amylaza. Phương pháp này chỉ áp dụng đối với loại bia 100% malt.

Phương pháp nấu đun sôi nhiều lần

Trong quá trình nấu, một phần dịch hèm được chuyển sang đun sôi ở một nồi khác. phần dịch hèm này được rút từ bên dưới của nồi đung số chính với phần nhiều các mảnh malt to chưa được hồ hóa. Sau khi đun sôi thì lại chuyển trả để nồi nấu chính để nâng nhiệt độ lên điểm dừng tiếp theo. Số lần đun sôi này phụ thuộc theo số các điểm dừng mong muốn và có tên gọi kèm theo là hai, ba, bốn…lần đun sôi. Mục đích của việc đun sôi nhiều lần là:

  • Hồ hóa các hạt nguyên liệu nghiền chưa tốt hoặc chưa được chuyển hóa tốt.
  • Nâng nhiệt nhiệt độ nồi nấu chính.

Theo nhận định chủ quan của tác giả thì sự ra đời của phương pháp nấu đun sôi nhiều lần là do khó khăn trong việc kiểm soát nhiệt độ trong quá trình nấu. Trước cuộc cách mạng công nghiệp lần 2 thì nấu dịch nha chủ yếu sử dụng chất đốt là củi, than, và đun nấu trực tiếp bên dưới đáy nồi. Với cách đun nấu này thì người nấu không thể nâng nhiệt tử 50oC lên 65oC rồi dập lửa để giữ nhiệt vì quá tính nhiệt và khó khăn trong việc mồi lại ngọn lửa. Do đó, cách đơn giản là lấy một phần dịch qua nồi khác để đun sôi và bơm chuyển lại để nâng nhiệt đến nhiệt độ mong muốn.

Ngày nay, hơi nước bão hòa trở thành chất dẫn nhiệt vô cùng hiệu quả cho quá trình sản xuất vì dễ kiểm soát, điều khiển, nhiệt năng cao. Khi muốn nâng nhiệt thì mở van cấp hơi nước bão hòa vào áo hơi, hơi nước sẽ ngưng tụ để tỏa nhiệt đun nóng dịch hèm. Khi đạt nhiệt độ mong muốn thì khóa van cấp hơi lại. Vì thế, phương pháp nấu mới là phương pháp ngâm được ra đời.

Phương pháp ngâm (Infusion mashing)

Quá trình nấu được thực hiện trong một nồi với các bước nhiệt tăng dần được điều khiển tự động với việc sử dụng hơi nóng bão hòa. Bột malt được pha ở nhiệt độ Ví dụ là 50oC sau đó được nâng lên 65oC rồi 75oC.