Quá trình lên men rượu, điều kiện và diễn biến

Những sản phẩm lên men: rượu, sữa chua, nước mắm, hoa quả,… từ lâu đã trở nên phổ biến trong mâm cơm của con người. Các sản phẩm lên men đang trên đà phát triển theo sự phát triển của xã hội, đặc biệt là rượu – thức uống được ưa chuộng top đầu tại Việt Nam. Và để sản xuất ra rượu thì lên men chiếm yếu tố và vai trò tối quan trọng, vậy lên men trong sản xuất rượu có quá trình thế nào? diễn biến và điều kiện ra sao? Hãy cùng Rượu Việt tìm hiểu dưới bài viết này.

Khái niệm và phân loại lên men

Lên men là quá trình trao đổi vật chất và chuyển hóa vật chất, qua đó các chất hữu cơ bị tác động bởi vi sinh vật bổ sung vào quá trình lên men, nhờ enzyme nội tại của chúng để chuyển hóa thành các sản phẩm thứ cấp mong muốn.

Lên men rượu (ethanol) là quá trình lên men nhờ nấm men. Trong quá trình lên men, nấm men trao đổi chất trong môi trường chứa đường, chúng lên men và các chất dinh dưỡng cần thiết khác, từ đó tạo ra các sản phẩm đặc thù chủ yếu trong môi trường lên men rượu.

Phân loại:

1. Phân loại dựa theo tác nhân: lên men bởi nấm mốc, lên men bởi nấm men, lên men bởi vi khuẩn và nấm men, lên men bởi nấm mốc và nấm men
2. Phân loại theo nguyên liệu: sản phẩm lên men từ tinh bột, đường; sản phẩm lên men từ rau quả; sản phẩm lên men từ thủy sản và thịt; sản phẩm lên men từ sữa;…
3. Phân loại theo điều kiện: lên men yếm khí và hiếu khí
4. Phân loại theo tính chất sản phẩm cuối cùng: dựa vào tính chất của sản phẩm người ta thường chia ra: công nghiệp lên men cổ điển và công nghệ lên men hiện đại

Xem thêm:

Các giai đoạn hóa học của quá trình lên men rượu

Quá trình lên men rượu (hay còn gọi là lên men ethanol) diễn ra qua ba giai đoạn chính, thường được gọi là pha lên men trong tài liệu khoa học. Ba pha này bao gồm: pha thích nghi (lag phase, hay còn gọi là Thời kỳ cảm hứng), pha phát triển mạnh (log phase), và pha suy giảm (stationary phase).

1. Pha thích nghi (Lag Phase – Thời kỳ cảm hứng)

Đây là giai đoạn đầu tiên khi nấm men vừa được đưa vào môi trường chứa đường và chất dinh dưỡng. Trong giai đoạn này, nấm men chưa bắt đầu sản xuất ethanol ngay, mà đang thích nghi với môi trường mới. Các tế bào nấm men bắt đầu hấp thu các chất dinh dưỡng từ môi trường và kích hoạt các enzyme (chất xúc tác sinh học để sinh ra rượu, etanol) cần thiết cho quá trình lên men. (nấm men không trực tiếp sinh ra rượu, mà nó sinh ra enzyme, để enzzyme xúc tác tạo ra rượu)

Do nấm men cần thời gian để điều chỉnh hệ thống enzyme và tăng trưởng, nên tốc độ sản sinh ethanol trong giai đoạn này còn thấp. Một số hợp chất khác cũng được tạo ra trong giai đoạn này, trong đó có glycerol (một loại rượu đa chức giúp điều chỉnh áp suất thẩm thấu bên trong tế bào nấm men). Tuy nhiên, glycerol chỉ là sản phẩm phụ và không phải mục tiêu chính của quá trình lên men.

Về mặt hóa học, lúc này hàm lượng acetaldehyde (CH₃CHO, ta quen gọi là aldehid) trong môi trường còn thấp. Acetaldehyde đóng vai trò quan trọng trong việc tiếp nhận hydro trong quá trình lên men. Do acetaldehyde chưa có nhiều, hydro từ phản ứng của alcol dehydrogenase (enzyme giúp tạo ethanol) sẽ được chuyển sang một hợp chất trung gian khác là phosphoglyceraldehyde, tạo thành một chất gọi là photpho glyceryl. Sau đó, photpho glyceryl bị thủy phân (phản ứng phân hủy bằng nước), giải phóng ra acid phosphoric và glycerol.

2. Pha phát triển mạnh (Log Phase)

Sau khi đã thích nghi với môi trường, nấm men bắt đầu sinh sản và phát triển rất nhanh. Đây là giai đoạn quan trọng nhất trong quá trình lên men rượu

Lúc này, hàm lượng acetaldehyde đã được tạo ra nhiều hơn, nên hydro từ alcol dehydrogenase sẽ được chuyển sang acetaldehyde thay vì glycerol, dẫn đến sự hình thành mạnh mẽ của ethanol (C₂H₅OH) và khí CO₂ 

Trong pha này, các bọt khí CO₂ được sinh ra nhiều, ta có thể thấy rõ bằng mắt thường dưới dạng bọt sủi lên trên bề mặt dung dịch lên men. Đồng thời, nhiệt độ hỗn hợp lên men có thể tăng lên do quá trình trao đổi chất của nấm men sinh nhiệt. Nếu nhiệt độ tăng quá cao (trên 35-38 độ), có thể ảnh hưởng tiêu cực đến sự phát triển của nấm men và làm giảm hiệu suất lên men nên các nhà sản xuất cần có giải pháp và thường xuyên kiểm soát nhiệt độ này (bồn có đường kinh vừa phải, có ống tản nhiệt, làm mát …)

3. Pha suy giảm (Stationary Phase – Thời kỳ tĩnh)

Sau một thời gian lên men mạnh, lượng đường trong môi trường dần cạn kiệt, đồng thời nồng độ ethanol tăng cao. Ethanol là sản phẩm chính của quá trình lên men, nhưng nếu tích tụ quá nhiều (sinh ra đậm đặc, thường trên 10 -12 độ cồn), nó có thể gây độc cho chính nấm men, làm giảm tốc độ lên men và thậm chí có thể khiến nấm men ngừng hoạt động hoàn toàn.

Trong pha này, tốc độ tạo ethanol và CO₂ giảm dần, nấm men bắt đầu chuyển sang trạng thái “nghỉ”, một phần nấm men có thể chết hoặc chuyển sang giai đoạn không hoạt động. Đây là lúc quá trình lên men gần như hoàn tất và dung dịch lên men có thể được đưa sang giai đoạn chưng cất hoặc lọc để thu sản phẩm cuối cùng – rượu ethanol.

Diễn biến của quá trình lên men rượu

Quá trình lên men rượu là quá trình biến đổi đường thành rượu (ethanol) và khí CO₂ nhờ hoạt động của nấm men. Đây là một chuỗi phản ứng sinh học diễn ra trong điều kiện yếm khí (thiếu oxy). Quá trình này chia thành các bước như sau:

1. Nấm men hấp thu đường và chất dinh dưỡng

Khi được đưa vào dung dịch có chứa đường (như nước cơm rượu, nước trái cây, mật mía…), nấm men bắt đầu hấp thu đường và các chất dinh dưỡng khác

Việc hấp thu này được thực hiện qua màng tế bào, trong đó các protein vận chuyển giúp đường đi vào bên trong tế bào nấm men.

2. Đường được phân giải thành năng lượng và sản phẩm trung gian

Khi đường (chủ yếu là glucose hoặc fructose) đã vào trong tế bào, nấm men sẽ sử dụng nó để tạo ra năng lượng thông qua một quá trình gọi là đường phân (glycolysis)

Kết quả của quá trình đường phân:

• Hai phân tử pyruvate (axit pyruvic) – một hợp chất trung gian.
• Một ít năng lượng ATP – giúp nấm men duy trì sự sống.
• Một số hợp chất khác như NADH, đóng vai trò trong phản ứng tiếp theo.
•  

3. Pyruvate được chuyển hóa thành ethanol và CO₂

Vì môi trường yếm khí (thiếu oxy), nấm men không thể thực hiện hô hấp hiếu khí để tạo ra nhiều năng lượng hơn.

Thay vào đó, pyruvate được chuyển hóa theo hai bước:

• Pyruvate được chuyển thành acetaldehyde (CH₃CHO).
• Acetaldehyde tiếp tục chuyển thành ethanol (C₂H₅OH), quá trình này nhờ enzyme alcohol dehydrogenase.
• Khí CO₂ cũng được tạo ra, đó chính là lý do ta thấy bong bóng khí xuất hiện trong quá trình lên men.

4. Giải phóng ethanol và CO₂ ra ngoài môi trường

Sau khi ethanol và CO₂ được tạo ra trong tế bào, chúng khuếch tán ra ngoài môi trường: CO₂ thoát ra dưới dạng bọt khí, có thể quan sát thấy trong quá trình lên men; Ethanol tan vào trong dung dịch, làm tăng nồng độ cồn của hỗn hợp lên men.

5. Ảnh hưởng của nồng độ ethanol đến nấm men

Khi nồng độ ethanol thấp (thường dưới 5%), nấm men vẫn hoạt động tốt. Nếu nồng độ ethanol tăng lên quá cao (thường trên 12-15%), nó sẽ bắt đầu ức chế hoạt động của chính nấm men, khiến quá trình lên men chậm lại hoặc dừng hẳn.
=> Để dễ hiểu, ta hình dung quá trình này giống như nấm men “ăn” đường, rồi “tiêu hóa” để tạo ra rượu & khí CO₂:

Điều kiện của quá trình lên men ethanol

• Điều kiện yếm khí và PH 4-5

Trong điều kiện yếm khí, sự lên men rượu phát triển mạnh, song sự phát triển của nấm men bị hạn chế, khi đó nấm men thu năng lượng để duy trì hoạt động sống của chúng.

Do đó, khi có O2 sẽ kìm hãm lên men ethanol, hiện tượng kìm hãm lên men ethanol dưới ảnh hưởng của oxy là hiệu ứng pasteur (ức chế oxy trong quá trình lên men). Như vậy, trong điều kiện môi trường thật yếm khí và ph 4-5, sự lên men ethanol sẽ xảy ra theo cơ chế nuôi ngược dương. Khi có hiệu ứng pasteur, sự lên men ethanol sẽ xảy ra theo cơ chế nuôi ngược âm. Từ đó, cho thấy lên men ethanol phải được thực hiện trong điều kiện yếm khí.

Trên đây là những diễn thuyết cơ bản về quá trình lên men ethanol, hy vọng bạn đọc sở hữu thêm được nhiều kiến thức. Để có thêm nhiều kiến thức về rượu, hãy thường xuyên truy cập trang website của Rượu Việt.

Xem thêm: Nguyên nhân uống rượu đỏ mặt? Liệu có phải là bệnh lý?