Lên men là công đoạn rất quan trọng trong sản xuất rượu, xét theo theo tính tuần tự và toàn cục thì nó quan trọng hơn chưng cất. Công bằng mà nói, lên men là bí quyết cốt lõi tạo nên chất lượng, hiệu suất và hương vị đặc trưng của rượu. Khám phá chủ đề này như mở cánh cửa vào một thế giới phức tạp, nơi các vi sinh vật, enzyme làm nên sự biến đổi kỳ diệu, như 1 nhà máy tạo hóa biến đổi từ chất này sang chất khác. Bài viết này, Rượu Việt sẽ cung cấp cho các bạn tổng quan về lên men & lên men rượu, quá trình & các phản ứng cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men rượu, cuối cùng là các “chiêu” ứng dụng có tính khoa học trong lên men rượu truyền thống. Để hiểu một cách toàn diện và tuần tự chúng ta bắt đầu từ khái niệm “lên men” trước đã nhé.
Lên men là gì?
Lên men là quá trình nuôi cấy, phát triển vi sinh vật trong thực phẩm để chúng chuyển đổi đường thành sản phẩm như: rượu, sữa chua, bánh mì, dưa cà muối …
Lịch sử lên men
Trái đất mà chúng ta đã trải qua nhiều kỷ băng hà, kỷ băng hà sớm nhất được cho là cách đây khoảng hơn 2 tỷ năm, kỷ băng hà cuối cùng kết thúc cách đây khoảng 11,5 đến 20 ngàn năm. Ở kỷ băng hà cuối, nhiệt độ “bình quân” của trái đất chỉ khoảng 7-8 độ c (cao hơn ngăn mát tủ lạnh 4 độ) nên vi sinh vật rất khó sinh sôi nảy nở Sau khi kỷ băng hà cuối, nhiệt độ trái đất ấm dần lên, tạo ra môi trường thuận lợi cho các loài thực vật & vi sinh phát triển. Cùng khoảng thời gian này (cách đây 10 ngàn năm) loài người bắt đầu chuyển đổi tập tính săn bắt – hái lượm sang trồng trọt chăn nuôi và tich lũy lương thực. Nhiệt độ ấm lên, tích lũy lương thực là 2 tiền đề cốt lõi cho sự phát triển của nấm men, có người còn vì đường là thức ăn, nhiệt là môi trường, 2 động lực này đã giúp các loại nấm men tiến hóa được như ngày nay. (Hình 1)
Con người ứng dụng lên men từ khi nào?
Loài người biết ứng dụng lên men từ khi nào vẫn chưa có câu trả lời chính xác. Vào khoảng 9500 năm TCN tại Fertile Crescent (vùng đất hình lưỡi liềm ở Trung Đông bao gồm Tây Á, thung lũng sông Nile và đồng bằng sông Nile ở châu Phi), các nhà khảo cổ đã tìm thấy dấu vết của sự canh tác tám loại cây trồng cơ bản gồm các loại hạt cốc, đậu và cây đay, rồi từ đó các nhà khoa học cho rằng con người khu vực này có thể đã biết và ứng dụng lên men vào cuộc sống sau đó không lâu. Bằng chứng có giá nhất thuộc về tiến sỹ Patrick McGovern (đại học Pennsylvania, Mỹ). Ông đã tìm ra dấu vết của đồ uống lên men hay còn gọi là rượu trên một bình gốm cổ niên đại 7000 năm TCN (tức là cách đây 9000 năm) tại tỉnh Hà Nam, Trung Quốc. Còn trước đó, các nhà khoa học cũng nghiên cứu các bình gốm cổ tại Iran và đi đến kết luận loài người đã biết ứng dụng lên men vào sản xuất bia cách đây 5400 năm TCN.
Các phản ứng chuyển hóa trong quá trình lên men rượu
Lên men rượu là một quá trình mà trong đó sẩy ra hàng loạt các phản ứng sinh hóa phức tạp giữa các vi sinh và hoặc enzyem (vi nấm, vi men, vi khuẩn, các loại enzyme) với các chất dinh dưỡng trong nguyên liệu. Trong khuôn khổ bài này, chúng ta chỉ điểm danh các phản ứng cơ bản mà thôi Đúng bản chất, thì lên men tức là giai đoạn phản ứng sinh hóa do nấm men tạo ra để chuyển hóa đường thành rượu. Nhưng trong đời sống thì chúng ta coi quá trình lên men bắt đầu từ đoạn biến đổi tinh bột thành đường và kết thúc là tạo ra rượu (cồn) và khí CO2, vì vậy các phản ứng cơ bản trong quá trình lên men rượu sẽ gồm:
Giai đoạn 1 (thủy phân tinh bột):
* Amylase trong men chuyển hoá tinh bột trong gạo/ngũ cốc thành đường maltose
* Đường maltose tiếp tục được chuyển hoá thành glucose bởi enzyme maltase.
Trong sản xuất rượu truyền thống thi 2 loại Enzyme này được nấm mốc trong bánh men sản sinh ra.
Chuỗi phản ứng thủy phân tinh bột:
(C6H10O5)n (tinh bột) + nH2O (nước) → nC12H22O11 (maltose, đường mạch nha, đường đôi)
C12H22O11 (maltose) + H2O (nước) → 2C6H12O6 (glucose, đường đơn, đường nho)
Giai đoạn 2 (lên men):
* Glucose được chuyển hoá thành ethanol và CO2 bởi enzyme zymase trong men.
Phương trình ứng lên men:
C6H12O6 (glucose, đường nho) + Dưới tác dụng của nấm men (hay enzyme zymase trong nấm men) → 2 C2H5OH (cồn) + 2 CO2 (carbon dioxide).
Còn bên trong tế bào nấm men, phản ứng xảy ra như nào?
Giai đoạn 1 (đường phân):
*Glucose (C6H12O6) được chuyển hoá thành pyruvate (C3H4O3) và ATP (C40H38O15P3) thông qua glycolysis.
Trong đó ATP là nguồn năng lượng cho các hoạt động của tế bào nấm men.
Phương trình phản ứng: C6H12O6 + 2 ATP + 2 NADH --> 2 C3H4O3 + 2 ADP + 2 NADH2
Giai đoạn 2: Chuyển hoá pyruvate:
* Pyruvate (C3H4O3) được chuyển hoá thành acetaldehyde (CH3CHO) và CO2 (CO2) thông qua quá trình decarboxylation.
* Acetaldehyde (CH3CHO) được chuyển hoá thành ethanol (C2H5OH) thông qua quá trình reduction.
Phương trình phản ứng:
C3H4O3 + NADH --> CH3CHO + CO2 + NADH2
CH3CHO + NADH2 --> C2H5OH + NADH
Tổng phương trình: C6H12O6 --> 2 C2H5OH + 2 CO2 + 2 ATP
Lưu ý: Trong đó nấm men sử dụng ATP để điều khiển các enzyme tham gia vào quá trình lên men.
Các phản ứng tạo ra sản phẩm phụ: Aldehit, methanol trong quá trình lên men.
Aldehyde:
Acetaldehyde (CH3CHO) được tạo ra từ pyruvate (C3H4O3) trong quá trình chuyển hoá sinh hoá từ glucose (C6H12O6) thành ethanol (C2H5OH).
Methanol:
Methanol (CH3OH) có thể được tạo ra từ pectin trong nguyên liệu (củ quả, vỏ cám gạo, vỏ thóc, xơ mía…) qua quá trình methanogenesis.
Pectin là một polymer (hợp chất cao phân tử) của các acid polygalacturonic và các este methyl của chúng. Pectin có nhiều trong quả, củ hoặc thân cây (cenlulose).
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men rượu
Đây là chủ đề được các chuyên gia rượu bia, các giáo trình công nghệ rượu bia đặc biệt chú trọng. Bởi có hiểu sâu về các yếu tố này mới có thể làm chủ để tạo ra các sản phẩm rượu bia chất lượng cao, hiệu suất lớn và đồng đều. Đúc kết giúp các bạn dễ hấp thu nắm bắt thì chúng ta chỉ cần tập trung nghiên cứu, xoáy sâu vào đặc điểm sinh trưởng của nấm men, nấm mốc, enzyme, vi khuẩn. Từ đặc điểm đó sẽ lộ ra hết các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men rượu.
Thứ nhất: nhiệt độ
Đây là nhân tố lớn nhất ảnh hưởng lớn nhất đến quá trình và hiệu suất lên men. Chúng ta đã biết, nấm men cũng là một loài vi sinh, mỗi loài vi sinh thích nghi và sinh sôi nảy nở tốt trong một môi trường nhất định. Nhắc đến nấm men trong sản xuất rượu bia, là nhắc chủng Saccharomyces Cerevisiae, đây là chủng men ưu việt và được dùng rộng dãi nhất. Chủng này sinh trưởng tốt nhất trong môi trường 22-30 độ C (các chi loài nhỏ của chủng này có thể thích nghi ở nhiệt độ cao hơn hay thấp hơn 2-3 độ). Vì vậy, nhiệt độ khối dịch thấp quá hoặc cao quá, ví dụ dưới 15 độ, hoặc trên 35 độ thì nấm men sinh trưởng kém, yếu dẫn đến dễ hỏng rượu hoặc giảm hiệu suất sinh rượu (nấu được ít rượu) Ngoài ra trong thực tế, không thể tồn tại khối dịch lên men chỉ có chủng Saccharomyces Cerevisiae, vì luôn có các vi sinh khác. Các vi sinh đó có thể là vi nấm, men dại, các loài tạp khuẩn. Khi khối dịch trên 32-33 độ là hoạt lực của nấm men giảm dần, đồng thời lại là môi trường lý tưởng cho tạp khuẩn, men dại phát triển. Hệ quả là làm cho các sản phẩm phụ của quá trình lên men nhiều hơn, làm hỏng mùi vị rượu, hoặc giảm hiệu suất sinh cồn. Cụ thể ở nhiệt độ trên 30 độ thì men dại phát triển nhanh hơn Saccharomyces 2-3 lần, còn từ 35-38 độ C chúng sinh sôi nảy nở nhanh hơn từ 6-8 lần.
Thứ 2: Nồng độ rượu etylic
Trong quá trình lên men, nấm men sẽ sinh sôi phát triển cấp số nhân và sản sinh (hay tích tụ) rượu etylic bắt đầu sau 2 giờ đầu (con men “ăn” đường để sản sinh ra rượu). Hàm lượng rượu trong khối dịch tăng dần theo thời gian. Nhưng chính con men sẽ suy yếu và không thể sinh trưởng tốt khi môi trường có nông độ cồn cao quá, độ cồn tăng dần sẽ làm chậm dần sinh trưởng của con men, đến một ngưỡng cồn nào đó con men sẽ dừng hẳn. Các tài liệu nêu các con số khác nhau đôi chút, chúng tôi thấy nhắc nhiều nhất là ngưỡng 13 độ cồn. Thực tế lại khác đôi chút, nhiều công ty có bí quyết riêng, tôi luyện được con men sống trong môi trường có độ cồn cao hơn lý thuyết từ 3-5 độ, tức là con men khỏe hơn. Ví dụ như công ty Angel Yeast Co., Ltd tại Vũ Hán – Trung Quốc đã “tôi luyện” được loại men “Hulk”, có hiệu suất sinh cồn cực kì cao và sống khỏe mạnh trong môi trường có độ cồn >15%. Cụ thể giống men rượu vang có thể sinh ra độ cồn tới 7 độ, còn giống men rượu mạnh (chuyên sinh cồn) có thể sinh sống trong môi trường 18 độ cồn. Chính vì vậy các nước có khí hậu nóng, các công ty muốn an toàn rất ưa chuộng men của hãng này.
Thứ 3: Độ PH
PH là yếu tố ảnh hưởng không nhỏ đến sức khỏe và khả năng sinh trưởng của con men. Vì độ PH sẽ làm thay đổi diện tích của vỏ tế bào nấm men, do thay đổi nên nó làm tăng hoặc giảm mức độ thẩm thấu của các chất dinh dưỡng trong quá trình lên men. Trong khối dịch có cả nấm men và vi sinh cũng như tạp khuẩn. Mỗi vi sinh vật đều có mức độ PH ưa thích khác nhau. Nấm men có thể phát triển môi trường PH từ 2-8, nhưng thích hợp nhất trong khoảng PH 3,7-4,5. Còn vi khuẩn lại phát triển tốt trong môi trường có PH = 4 trở lên. Vì thế, trong quá trình lên men, nên giữ PH ở ngưỡng 4-4,5. Trong thực tế, người ta điều chỉnh độ PH khối dịch lên men bằng acid citric (axit chanh) hoặc NaHCO3. Cả hai hoạt chất này không gây ảnh hưởng đến sinh trưởng của nấm men và an toàn thực phẩm. Biết được đặc điểm này chúng ta sẽ ứng dụng vào quá trình sản xuất sau này.
Thứ 4: Độ ngọt
Nồng độ đường cũng là 1 điều kiện ảnh hưởng đến sức khỏe và sinh sản của nấm men. Chính con men ăn đường và cần đường để sinh sôi nảy nở, nhưng độ đường thích hợp nhất cho nó lại chỉ từ 18-22%, nếu cao hơn tức ngọt quá chúng sẽ suy yếu và sinh trưởng kém, còn nếu thấp quá thì môi trường đó làm nó không bắt đầu sinh trưởng được và lại là môi trường tốt cho các loài vi sinh tạp, dại phát triển. Đặc biệt độ ngọt tên 35% thì tất cả nấm men và vi sinh đều chết. Biết được đặc điểm này chúng ta sẽ ứng dụng vào quá trình sản xuất.
Thứ 5: Hàm lượng, chất lượng từng nấm men
Để lên men thì cần vi sinh men giống (nấm men “nguyên chất”), nấm men thương phẩm tồn tại ở dạng bào tử. Sau đó ta cần nhân sinh khối, làm cho nấm men đang từ dạng ngủ bào tử trỏ lại sinh sôi nảy nở theo cấp số nhân. Khối dịch được nhân giống này được bổ sung vào tank dịch đã đường hóa với nồng độ đường thích hợp để bắt đầu quá trình lên men. Hàm lượng giống men trong sinh khối càng đậm đặc, càng nhiều, hay số lượng vi sinh men càng nhiều thì tốc độ nhân sinh khối, tốc độ lên men càng nhanh và thuận lợi. Vì vậy trong các nhà máy sản xuất rượu bia, kiểm soát mật độ vi sinh men trong sinh khối rất kỹ càng Còn trong bánh men truyền thống thì mật độ bào tử men trong mỗi bánh men (hoặc trong mỗi kg bột men) là yếu tố quan trọng, ảnh hưởng đến chất lượng và quá trình lên men. Chính vì thế cùng lên men cho 10kg cơm, nhưng có nhà sản xuất chúng ta phải rắc tới 2-3 lạng men, có bánh men chúng ta chỉ cần rắc 1,5 lạng là đủ.
Dưới đây là những yếu tố chính mà chúng ta có thể điều chỉnh môi trường theo sự phù hợp của quá trình lên men. Còn rất nhiều yếu tố khác ảnh hưởng trực tiếp như nồng độ O2, CO2, thời gian,.. nhưng các yếu tố đó chúng ta khó có thể can thiệp trực tiếp nên Rượu Việt tạm thời không phân tích sâu.
Sự khác biệt giữa quá trình lên men rượu thủ công truyền thống và rượu công nghiệp
Làm rõ khái niệm rượu thủ công truyền thống
Theo Nghị định 105/2017/NĐ-CP: “Sản xuất rượu thủ công là hoạt động sản xuất rượu bằng dụng cụ truyền thống, không sử dụng máy móc, thiết bị công nghiệp”. Còn theo chúng tôi “thủ công” có nghĩa làm bằng tay và các dụng cụ thô sơ, giản đơn (từ điển Wiki). Còn “truyền thống” là chỉ phương thức hay công nghệ được lưu truyền từ sang đời khác đảm bảo tính kế thừa. (ví dụ chủng men và mốc cố truyền, cách lên men liên tục, gia vị thuốc nam/thuốc bắc trong bánh men…).
Ngày nay, cách định nghĩa chỉ quan tâm đến khía cạnh thiết bị của pháp luật đã lỗi thời. Các cơ sở sản xuất rượu truyền thống đã dần dần thay thế thiết bị làm mất dần đi tính “thủ công”. Nếu ngàn năm vẫn nấu cơm rượu bằng nồi gang/nhôm trên bếp củi, với công suất 10-20kg/mẻ thì ngày nay đã, đang chuyển sang nấu bằng tủ cơm công nghiệp dùng điện/ga với công suất gấp 5-7 lần (50-100-120kg/mẻ). Thay vì chưng cất bằng nồi thủy thượng 10-30 kg gạo/mẻ thì nay đã nâng lên nồi thủy hạ ông xoắn, thậm trí còn bằng tháp cất đa tầng chạy điện/ga với công suất gấp 5-10 lần (phổ biến 70-100-150-200kg gạo/mẻ). Xưa kia dùng nhiệt trực tiếp lên thiết bị thì ngày nay đã và đang thay thế sang lò hơi mini không áp.
Làm rõ khái niệm rượu công nghiệp
Theo Nghị định 105/2017/NĐ-CP thì: “Sản xuất rượu công nghiệp là hoạt động sản xuất rượu trên dây chuyền máy móc, thiết bị công nghiệp”. Sản xuất bất cứ thứ gì cũng gồm 2 phần là công nghệ & thiết bị, vì vậy rượu “công nghiệp” theo cách tiếp cận của nghị định vẫn còn nhiều thiếu sót. Theo chúng tôi, rượu công nghiệp là rượu có đủ 2 vế: thứ nhất là sản xuất trên dây chuyền máy móc, thiết bị công nghiệp, thứ 2 là ứng dụng công nghệ sản xuất mới (ứng dụng enzyem, chủng men ưu việt, lên men gián đoạn, chưng cất công nghê chân không…)
Quy trình công nghệ sản xuất rượu công nghiệp: Xử lý nguyên liệu => Hồ hóa (nấu cháo) => Đường hóa => Lên men bằng men công nghiệp => Chưng cất và tinh chế => Hạ độ rượu => Kiểm tra và tàng trữ => đóng chai.
Quy trình công nghệ sản xuất rượu truyền thống Xử lý nguyên liệu => đường hóa và lên men đồng thời => chưng cất => kiểm tra và tàng trữ => đóng chai.
Khác biệt lớn nhất của 2 quy trình trên là lên men và đường hóa. Nếu như trong sản xuát rượu công nghiệp giai đoạn đường hóa tách riêng và đường hóa bằng Enzyme, thì sản xuát rượu thủ công đường hóa và lên men diễn ra liên tục đông thời, đường hóa bằng nấm mốc chứ không bằng Enzymex, quá trình đường hóa xảy ra trước, tạo tiền đề để xảy ra quá trình lên men đường thành rượu. Đa dạng các chủng vi sinh là điều tạo nên hương vị đặc trưng cho rượu truyền thống.
Sự khác biệt quá trình lên men sản xuất rượu truyền thống với sản xuất rượu công nghiệp.
Sản xuất rượu truyền thống (lên men liên tục): nguyên nhân là bánh men rượu có cả nấm mốc và nấm men. Quá trình đường hóa diễn ra trước, lên men đi sau. Bánh men truyền thống có 3 nhóm: nhóm vi nấm, nhóm vi men, nhóm vi khuẩn.
Vi nấm (nấm mốc): có tác dụng biến tinh bột thành đường, một số loại chính như: Amylomyces rouxii, Rhizopus, Mucor, Aspergillus.
Vi men (nấm men): biến tinh bột thành đường, đơn cử như: Saccharomyces cerevisiae, Hansenula, Endomycopsis
Vi khuẩn: nhiều chủng vi khuẩn, một phần tạo nên hương vị “lạ” của rượu truyền thống.
Sản xuất rượu công nghiệp (lên men gián đoạn): ngày nay, người ta đã tách enzyme (từ trong nấm mốc) để enzyme đường hóa tinh bột, sau đó mới bổ sung nấm men vào khối dịch để lên men rượu. Phương pháp này hiệu suất sinh cồn cao nhưng hương vị đặc trưng không như rượu truyền thống.
Tăng hiệu quả quá trình lên men rượu truyền thống dựa vào ứng dụng quá trình lên men
Thời điểm khó vào men và dễ hỏng rượu nhất là vào mùa đông và mùa hè. Mùa hè nóng quá rượu thường bị chua, mùa đông lạnh quá dễ chết men, hiệu suất thấp. Vậy phải làm sao?
Điều chỉnh nhiệt độ
+ Lắp điều hòa: Mùa đông và mùa hè các bạn nên lắp điều hòa trong phòng men, điều chỉnh nhiệt độ theo nhiệt độ ưa thích của nấm men và nấm mốc. Ở trong quá trình lên men khô thì căn cứ vào nhiệt độ ưu thích của nấm mốc (25-30 độ C) và cung cấp oxi trong suốt quá trình.
+ Kiểm tra nhiệt độ khối dịch thường xuyên nếu chưa có kinh nghiệm. Còn dù là nghệ nhân, cũng nên mua 1 máy đo nhiệt độ điện tử cắm sâu vào khối dịch, chỉ 150k/ chiếc, không nên lãng phí mua loại hàng triệu/chiếc. Dù nghệ nhân, cũng sẽ cần dùng cho các ngày nhiệt độ bất thường (lạnh quá, nóng quá).
Điều chỉnh lượng men cho phù hợp với mùa
+ Mùa đông: Do thời tiết lạnh, con men khó sinh sôi, bạn nên tăng thêm 5-7% lượng men so với bình thường. Đồng thời, rắc men khi cơm còn ấm (khoảng 35-40°C) để kích thích hoạt động của con men.
+ Mùa hè: Thời tiết nóng bức khiến quá trình lên men diễn ra nhanh hơn. Do đó, bạn nên giảm 5% lượng men để tránh rượu bị chua hoặc đắng. Ủ rượu ở nơi thoáng mát, tránh ánh nắng trực tiếp.
Các mẹo khác
+ Chuẩn bị tank chứa vào mùa đẹp: chuẩn bị tank chứa các mùa đẹp để có lượng rượu sẵn sàng cho các tháng nhiệt độ khắc nghiệt. Hạn chế sản xuất tháng chính hè vì nhiệt độ nhiệt độ cao.
+ Nấu cơm quá nhão nên khó bắt men vì không có khe hở oxy cho nấm mốc phát triển, nấu cơm khô hay còn sống lõi và vấn đề giảm sản lượng rượu vì còn tinh bột sót. Nên nấu cơm chín tới, hạt dẻo, vừa ăn, hạt cơm có khe hở.
+ Khi ủ ướt mở chậu từ 1-3 ngày đầu cho nấm mốc sinh trưởng. Sau 3 ngày, đổ nước và lên men tiếp trong 4-10 ngày thì đậy kín nắp chậu vì nấm men không thích oxy
+ Vệ sinh thường xuyên bình, bồn, dụng cụ nấu rượu để loại bỏ vi khuẩn, giảm mùi vị khó chịu
+ Trộn đều cơm, đảo tơi cơm trước khi ủ khô để ngấu men dễ hơn
+ Độ ẩm khi lên men rượu truyền thống khoảng 65% đến 75%. Nếu độ ẩm quá cao nên sử dụng máy hút ẩm. Cài đặt sẵn chế độ độ ẩm còn 65%-75%.
Đây là những kiến thức đúc rút từ học thuật áp dụng trải nghiệm hơn 20 năm sản xuất rượu truyền thống của Rượu Việt. Hy vọng các bạn sẽ ứng dụng được nhiều kiến thức hữu ích