Diketon và 5 kỹ thuật loại bỏ diacetyl trong công nghệ sản xuất bia

Diacetyl (2,3-butanedione) là một vicinal diketone mang lại hương vị bơ (butter/butterscotch). Trong đồ uống lên men, diacetyl được cảm nhận tích cực hoặc tiêu cực tùy thuộc vào sản phẩm. Đối với bia larger, giai đoạn lên men thứ cấp dài (ủ chín) được thực hiện với mục tiêu chính là loại bỏ diacetyl khỏi hệ thống.

1. Diacetyl là gì?

Tiền thân của diacetyl, α-acetolactate, được tạo ra bởi nấm men trong quá trình lên men. Sau khi giải phóng, α-acetolactate bắt đầu chuyển hóa thành diacetyl thông qua phản ứng khử carboxyl tự phát không enzyme (spontaneous non-enzymatic). Phản ứng này xảy ra tương đối chậm, hàm lượng tiền chất thường cao hơn hàm lượng diacetyl.

Ngoài ra, khi diacetyl hình thành, nó sẽ nhanh chóng được nấm men hấp thụ và tạo thành các thành phần ít hoạt tính hơn như acetoin. Do đó, nấm men gián tiếp tham gia vào quá trình sản xuất và trực tiếp tham gia vào quá trình loại bỏ diacetyl.

Bất kỳ tiền chất nào còn lại trong bia sau khi loại bỏ men đều có thể chuyển hóa thành diacetyl trong quá trình bảo quản bia và ảnh hưởng trực tiếp đến hương vị bia. Do đó, điều quan trọng là lượng α-acetolactate (tiền chất diacetyl) được giữ ở mức tối thiểu trong quá trình sản xuất.

2. Nguyên tắc loại bỏ diacetyl

Quá trình chuyển hóa các vicinal diketon mà đại diện của nó là diacetyl là nhiệm vụ quan trọng nhất trong quá trình ủ chín (maturation) hướng tới. Khi hàm lượng diacetyl còn dưới ngưỡng cảm quan 0,1 ppm cũng là lúc quá trình này kết thúc. Và có các biện pháp kỹ thuật mà nhà sản xuất bia đang áp dụng để làm giảm nhanh hàm lượng diacetyl trong bia non.

3. Kỹ thuật loại bỏ diacetyl trong bia non

Có nhiều hướng giải quyết được đưa ra để tăng tốc quá trình ủ chín nhằm giảm nhanh hàm lượng diacetyl như:

• Giữ ấm tại thời điểm kết thúc quá trình tăng trưởng;
• Cải tạo gen của các chủng nấm men;
• Sử dụng bình phản ứng nấm men cố định;
• Xử lý nhiệt dưới điều kiện yếm khí để kích thích việc chuyển hóa trực tiếp α- acetolactate thành aceton…

Sau đây, chúng ta sẽ xem xét cụ thể từng phương pháp.

3.1. Sử dụng dưỡng chất nấm men

Ta thấy sự hình thành diacetyl có mối liên hệ chặt chẽ với sự phát triển của nấm men. Bằng cách bổ sung dưỡng có chứa các axit amin leucine và valine, nấm men sẽ hạn chế quá trình tổng hợp các hợp chất tiền diacetyl và sự hình thành diacetyl bị giới hạn.

3.2. Ủ chín bia ở nhiệt độ cao

Điều này có nghĩa là sử dụng nhiệt độ cao hơn trong quá trình ủ chín bia. Tổng hàm lượng diketons kế cận phụ thuộc vào nhiệt độ trong quá trình ủ chín.

Với phương pháp tăng tốc này, bia tạo thành không có sự khác biệt nào so với bia truyền thống về các chỉ tiêu hóa lý. Tuy nhiên luôn có một giới hạn nhiệt độ khi áp dụng phương pháp này để hạn chế quá trình tự phân hủy của nấm men và sự hình thành các axit béo caporic, caprylic. Các axit béo này có ngưỡng cảm nhận thấp và làm cho bia có mùi dê (goaty), mùi xà phòng (soapy), và vị thô (harsh taste).

3.3. Tăng mức độ khuấy trộn và rửa CO2

Ý tưởng này bắt nguồn từ việc cải thiện khả năng tiếp xúc của nấm men với bia chứa diacetyl. Nguyên nhân chính là do sự tăng sinh khối của nấm men được gia tăng khi có khuấy trộn.

Vài ngày sau khi thu hồi men, trong bia vẫn còn lại một lượng nấm men nhất định, người ta tiến hành rửa CO2 nhằm phân bố lại nấm men trong bia non.

Đây là những tế bào nấm men chưa tích lũy đủ chất dinh dưỡng trong quá trình lên men trước đó, chúng không thể kết bông khi điều kiện môi trường trở nên bất lợi. Nhưng sau vài ngày, chúng bắt đầu lắng xuống do trọng lượng và sự mất dần điện tích trên màng tế bào. Khi đó rửa CO2 sẽ làm cho lượng nấm men này tiếp xúc với bia non còn chứa lượng diacetyl cao hơn mức mong muốn.

Quá trình này ngoài tác dụng khử diacetyl còn vô tình làm nấm men không lắng được kết dính lại với nhau. Trong quá trình nổi lên mặt thoáng theo dòng CO2, lực căng bề mặt của bọt CO2 đã hút các nấm men lơ lửng làm cho chúng kết dính lại trên bề mặt bọt.

Khi bọt vỡ đám kết bông này lại chìm xuống và lại kéo theo thêm các nấm men lơ lứng khác. Kết quả sau khi rửa CO2 bia trở nên trong hơn và số ngày tàng trữ có thể giảm đi.

3.4. Khử diacetyl bằng phương pháp nấm men cố định

Kỹ thuật này được mô tả như sau:

• Quá trình lên men diễn ra bình thường trong tank lên men. Kết thúc quá trình lên men, nấm men được thu hồi bằng phương pháp ly tâm;
• Sau đó bia được gia nhiệt lên 64-90^oC trong 7-20 phút để decaboxyl thành α- acetolactate và một phần trực tiếp thành aceton;
• Bia sau đó được làm lạnh xuống 15^oC và bơm qua bình phản ứng, nơi mà nấm men được cố định trên chất mang (thông thường là Kieseguhr), thời gian tiếp xúc khoảng 2 giờ;
• Kết thúc quá trình bia được làm lạnh -1,5^oC để chuyển sang hệ thống lọc và chuẩn bị chiết.

Lưu ý khi sử dụng phương pháp này:

• Lượng tế bào nấm men sau khi ly tâm phải ít hơn 10.000 tế bào/ml để hạn chế sự tự phân hủy của tế bào nấm men;
• Hạn chế tối đa sự xâm nhập của oxy;
• Có thể sử dụng nhiều bình phản ứng song song hoặc bơm tuần hoàn để đảm bảo lưu lượng đầu ra và thời gian phản ứng;
• Nấm men dùng trong phản ứng là loại nấm men thông thường. Trong quá trình khử diacetyl nấm men được bơm bổ sung thường xuyên.

3.5. Sử dụng chế phẩm enzyme

Enzyme sử dụng: ALDC (α-acetolactate decarboxylase). ALDC chuyển trực tiếp α-acetolactate thành acetoin mà không qua chất trung gian là diacetyl.

Cùng một cơ chất α-acetolactate tham gia hai phản ứng hóa sinh:

• Một là phản ứng tạo thành diacetyl dưới sự tác động của nhiệt độ. Trong quá trình lên men, nhiệt độ tương đối thấp nên phản ứng này xảy ra rất chậm.
• Hai là do xúc tác của ALDC, α-acetolactate chuyển thành acetoin, phản ứng này xảy ra với tốc độ nhanh.

Nên việc sử dụng enzym này giúp hạn chế tối đa sự hình thành diacetyl do nguyên lý cạnh tranh cơ chất và cân bằng phản ứng.

Hiện nay có rất nhiều hãng cung cấp chế phẩm enzym này với các tên thương mại khác nhau, nhưng cái tên quen thuộc nhất vẫn là Maturex của hãng Novozyme.

Kết luận

Kỹ thuật loại bỏ diacetyl có thể lựa chọn tùy thuộc vào điều kiện tại mỗi nhà máy bia. Cho đến nay, phương pháp sử dụng enzyme vẫn đem lại hiệu quả tốt và được sử dụng phổ biến.