Giáo trình Kỹ thuật lên men thực phẩm: Phần 1 - PGS.TS. Đỗ Thị Bích Thuỷ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:115

Thêm vào BST

Báo xấu

39
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Kỹ thuật lên men thực phẩm: Phần 1 được biên soạn gồm các nội dung chính sau: Thành phần hóa học của nho và rượu vang; Khoa học về quá trình sản xuất rượu vang; Lên men rượu trong sản xuất rượu vang; Lên men malolactic trong sản xuất rượu vang; Công nghệ sản xuất một số loại rượu uống cao độ. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Kỹ thuật lên men thực phẩm: Phần 1 - PGS.TS. Đỗ Thị Bích Thuỷ

ĐẠI HỌC HUẾ TRƢỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM PGS.TS. ĐỖ THỊ BÍCH THỦY (Chủ biên) TS. TRẦN BẢO KHÁNH GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT LÊN MEN THỰC PHẨM NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC HUẾ Huế, 2022 1
Biên mục trên xuất bản phẩm của Thƣ viện Quốc gia Việt Nam Đỗ Thị Bích Thủy Giáo trình Kỹ thuật lên men thực phẩm / Đỗ Thị Bích Thủy (ch.b.), Trần Bảo Khánh. - Huế : Đại học Huế, 2022. - 186 tr. : hình vẽ ; 27 cm ĐTTS ghi: Đại học Huế. Trƣờng Đại học Nông Lâm. - Thƣ mục: tr. 186 1. Công nghệ thực phẩm 2. Lên men 3. Giáo trình 664.0240711 - dc23 DUF0534p-CIP Mã số sách: GT/159-2022 2
LỜI NÓI ĐẦU Lên men là quá trình chuyển hóa của tế bào vi sinh vật. Đây là một quá trình chuyển hóa khá phức tạp nhờ sự xúc tác của hệ enzyme nội bào. Lợi dụng sự chuyển hóa này mà con người đã điều khiển nó để tạo thành những sản phẩm mong muốn. Trong công nghệ thực phẩm, lĩnh vực công nghệ lên men đã sản xuất ra nhiều sản phẩm nhờ vào các tác nhân gây lên men (nấm men, vi khuẩn, nấm mốc) như: (1) Các loại đồ uống có độ rượu (bia, rượu vang, rượu sake, rượu shochu…); (2) Các sản phẩm lên men lactic (sữa chua, phomat, lactic acid, muối chua ra quả, nem chua, tôm chua…); (3) Lên men sản xuất acetic acid (giấm ăn)… Mỗi tế bào vi sinh vật có một hệ enzyme riêng của nó nên không có một quy trình công nghệ chung nào cho tất cả các quy trình công nghệ sản xuất lên men. Chính vì những lý do đó, chúng tôi tiến hành biên soạn cuốn Giáo trình Kỹ thuật lên men thực phẩm nhằm trình bày cơ sở khoa học, đặc điểm tác nhân gây lên men và quy trình công nghệ, thiết bị sản xuất các sản phẩm lên men rượu, lactic acid và acetic acid trong 3 phần, 9 chương như sau: Phần 1. Kỹ thuật sản xuất rượu vang và một số rượu cao độ (Biên soạn: Đỗ Thị Bích Thủy) Chương 1. Thành phần hóa học của nho và rượu vang Chương 2. Khoa học về quá trình sản xuất rượu vang Chương 3. Lên men rượu trong sản xuất rượu vang Chương 4. Lên men malolactic trong sản xuất rượu vang Chương 5. Công nghệ sản xuất một số loại rượu uống cao độ Phần 2. Lên men lactic trong thực phẩm (Biên soạn: Đỗ Thị Bích Thủy) Chương 6. Vi khuẩn lactic - đặc tính và ứng dụng trong công nghệ thực phẩm Chương 7. Khoa học lên men sản xuất sữa chua Phần 3. Lên men acetic (Biên soạn: Trần Bảo Khánh) Chương 8. Vi khuẩn acetic Chương 9. Công nghệ sản xuất giấm Giáo trình là tài liệu để đào tạo thạc sỹ Công nghệ thực phẩm, đồng thời cũng có thể là tài liệu tham khảo cho sinh viên, các nhà nghiên cứu, các nhà sản xuất có liên quan. 3
Mặc dù đã nỗ lực cỗ gắng trong quá trình biên soạn, nhưng chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót. Chúng tôi rất mong nhận được mọi góp ý của quý đồng nghiệp và bạn đọc để cuốn sách được hoàn thiện hơn trong lần tái bản sau. Trân trọng! Chủ biên PGS.TS. Đỗ Thị Bích Thủy 4
MỤC LỤC Trang Bài mở đầu. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÊN MEN THỰC PHẨM 9 1. Khái niệm về lên men thực phẩm 9 2. Bản chất của các quá trình lên men 11 3. Điều kiện của các quá trình lên men và tác nhân gây lên men 12 PHẦN 1. KỸ THUẬT SẢN XUẤT RƢỢU VANG VÀ MỘT SỐ RƢỢU 14 CAO ĐỘ CHƢƠNG 1. THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA NHO VÀ RƢỢU VANG 14 1.1. Giới thiệu chung 14 1.2. Tổng quan về các nhóm chức hóa học trong nho và rƣợu vang 15 1.3. Thành phần của các hợp chất có trong nho và rƣợu vang 17 CHƢƠNG 2. KHOA HỌC VỀ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT RƢỢU VANG 34 2.1. Giới thiệu chung về rƣợu vang 34 2.2. Quy trình công nghệ sản xuất rƣợu vang tổng quát 35 2.3. Một số kỹ thuật sử dụng trong công nghệ sản xuất rƣợu vang 39 CHƢƠNG 3. LÊN MEN RƢỢU TRONG SẢN XUẤT RƢỢU VANG 60 3.1. Hóa sinh của quá trình lên men rƣợu vang 60 3.2. Vi sinh vật trong sản xuất rƣợu vang - Bệnh vang 69 3.3. Thiết bị lên men 72 3.4. Sự biến đổi của tác nhân vi sinh vật trong quá trình lên men 76 3.5. Sự tạo thành các sản phẩm phụ trong quá trình lên men 79 3.6. Các yếu tố của môi trƣờng ảnh hƣởng đến quá trình lên men 79 5
CHƢƠNG 4. LÊN MEN MALOLACTIC TRONG SẢN XUẤT 89 RƢỢU VANG 4.1. Vi khuẩn lactic trong quá trình lên men malolactic 89 4.2. Ảnh hƣởng của sự lên men malolactic lên chất lƣợng của rƣợu vang 91 4.3. Các yếu tố ảnh hƣởng đến sự lên men malolactic 92 4.4. Kiểm soát sự lên men malolactic 98 CHƢƠNG 5. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT MỘT SỐ LOẠI RƢỢU UỐNG 102 CAO ĐỘ 5.1. Công nghệ sản xuất rƣợu cognac 102 5.2. Công nghệ sản xuất rƣợu whisky 105 5.3. Công nghệ sản xuất rƣợu rhum 108 5.4. Công nghệ sản xuất rƣợu sake và shochu 110 PHẦN 2. LÊN MEN LACTIC TRONG THỰC PHẨM 116 116 CHƢƠNG 6. VI KHUẨN LACTIC - ĐẶC TÍNH VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM 6.1. Khái niệm và phân loại vi khuẩn lactic 116 6.2. Cơ chế lên men lactic của vi khuẩn lactic và ứng dụng 121 6.3. Tiềm năng probiotic của vi khuẩn lactic 127 CHƢƠNG 7. KHOA HỌC LÊN MEN SẢN XUẤT SỮA CHUA 132 7.1. Tác nhân vi sinh vật trong lên men sữa chua 132 7.2. Công nghệ sản xuất sữa chua 133 7.3. Quy trình thiết bị sản xuất sữa chua 148 6
PHẦN 3. LÊN MEN ACETIC 153 CHƢƠNG 8. VI KHUẨN ACETIC 153 8.1. Khái niệm và phân loại 153 8.2. Cơ chế hóa sinh của quá trình lên men acetic 154 CHƢƠNG 9. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT GIẤM 160 9.1. Giới thiệu chung 160 9.2. Tác nhân vi sinh vật trong lên men giấm 161 9.3. Công nghệ sản xuất 162 9.4. Thiết bị 172 TÀI LIỆU THAM KHẢO 186 7
8
Bài mở đầu GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÊN MEN THỰC PHẨM 1. Khái niệm về lên men thực phẩm Lên men thực phẩm là một trong những phƣơng thức chế biến thực phẩm lâu đời nhất. Nhiều loại thực phẩm lên men và đồ uống có cồn đƣợc sản xuất nhờ hệ vi sinh vật có trong tự nhiên hoặc sử dụng giống khởi động đã đƣợc thuần chủng. Hiện nay, trên thế giới có khoảng 5.000 loại thực phẩm và đồ uống lên men. Các loại thực phẩm và đồ uống lên men truyền thống có nhiều nhất ở Trung Quốc, Ấn Độ, châu Phi và các nƣớc Đông Nam Á. Ngƣời ta ƣớc tính rằng có khoảng 20 % trong số thực phẩm đƣợc tiêu thụ trên thế giới là thực phẩm lên men. Sự lên men thực phẩm chính là quá trình chế biến sinh học thực phẩm bằng cách sử dụng vi sinh vật và enzyme của chúng. Mục đích của quá trình chế biến này là tạo ra những sản phẩm với chất lƣợng mong muốn nhƣ sau: - Tăng sự hấp dẫn của sản phẩm nhƣ cấu trúc, mùi vị… - Tăng giá trị sử dụng nhƣ làm giảm thể tích, kéo dài thời gian bảo quản. - Tăng tính chất chức năng nhƣ tính an toàn thực phẩm, chức năng probiotic, khả năng tiêu hóa. Về phƣơng diện sinh hóa, sản xuất lên men dựa trên cơ sở hóa sinh các quá trình trao đổi chất của vi sinh vật. Trong đó, các hợp chất hữu cơ, trƣớc hết là đƣờng bị biến đổi dƣới tác dụng xúc tác của enzyme vi sinh vật thành các sản phẩm tích tụ trong môi trƣờng. Tùy tác nhân vi sinh vật gây lên men và điều kiện lên men, sản phẩm tích tụ chiếm ƣu thế trong môi trƣờng có thể là: các dung môi, acid hữu cơ, kháng sinh, vitamin... Sự lên men trong điều kiện không có sự tham gia của oxy phân tử gọi là lên men yếm khí (ví dụ: lên men rƣợu, lên men lactic, aceton, butanol...). Trong quá trình này, chất nhận H cuối cùng là các hợp chất hữu cơ. Còn sự lên men trong điều kiện có oxy phân tử gọi là lên men hiếu khí (ví dụ: lên men acetic, citric...). Định nghĩa của quá trình lên men thực phẩm khác nhau theo cách giải thích riêng của các nhà nghiên cứu thực phẩm. Một số ví dụ đƣợc đƣa ra dƣới đây: - Thực phẩm lên men là những thực phẩm đƣợc lên men cho đến khi ít nhất một trong số các thành phần đã đƣợc chuyển hóa bởi vi sinh vật trong thời gian lên men. Kết quả là các sản phẩm cuối cùng thƣờng trải qua những thay đổi đáng kể về thành 9
phần hóa học cũng nhƣ một số tính chất khác so với ban đầu do những tác động của vi sinh vật và enzyme. - Thực phẩm lên men truyền thống (địa phƣơng) là những thực phẩm có những thay đổi về sinh hóa trong quá trình lên men dƣới tác dụng của vi sinh vật. Những thay đổi này góp phần làm tăng sự hấp dẫn cho thực phẩm thông qua việc tạo ra hƣơng vị, kết cấu thực phẩm cũng nhƣ kéo dài thời gian bảo quản thực phẩm thông qua quá trình lên men lactic, ethanol, kiềm, acetic. Quá trình lên men thực phẩm còn có tác dụng làm tăng hàm lƣợng protein, acid béo thiết yếu, vitamin, amino acid thiết yếu; giảm thời gian nấu cũng nhƣ nhiên liệu. - Thực phẩm lên men là những thực phẩm đã chịu tác động của vi sinh vật hoặc enzyme dẫn đến những thay đổi sinh hóa mong muốn làm thay đổi thực phẩm một cách đáng kể và có thể đƣợc tiêu thụ trực tiếp. - Đối với dân tộc (chủng tộc), thực phẩm lên men đƣợc sản xuất bởi ngƣời dân tộc bằng kiến thức bản địa của họ. Nguồn nguyên liệu là thực vật hoặc động vật sẵn có tại địa phƣơng. Tác nhân gây lên men từ tự nhiên hoặc bổ sung giống khởi động của các vi sinh vật chức năng cùng với cơ chất. Sản phẩm lên men này đƣợc sử dụng để bổ sung vào thức ăn của họ phù hợp với văn hóa và xã hội của ngƣời tiêu dùng. Thực phẩm và đồ uống lên men có thể phân loại dựa theo sản phẩm cuối cùng gồm: - Nhóm thực phẩm có vị acid (Acidic in taste). - Nhóm thực phẩm có bản chất kiềm (Alkaline in nature). - Nhóm thực phẩm có cồn (Alcoholic). Thực phẩm lên men cũng có thể đƣợc phân nhóm dựa vào: - Hình thức lên men: Lên men bề mặt (lên men bán rắn (semi-solid)) và lên men chìm (lên men trong môi trƣờng lỏng). - Sử dụng vi sinh vật: Lên men tự nhiên (sử dụng vi sinh vật trong tự nhiên) và lên men có kiểm soát (sử dụng vi sinh vật đã thuần chủng có thể 1 loài hoặc kết hợp nhiều loài). - Cơ chất sử dụng để lên men nhƣ rau quả, củ, đậu nành, ngũ cốc, sữa, cá, thịt… Dựa vào vi sinh vật gây lên men, trong sản xuất, ngƣời ta phân biệt 3 nhóm lên men cơ bản: - Lên men ứng dụng nấm men nhƣ trong sản xuất rƣợu, glycerol, bia, rƣợu vang, lên men trong sản xuất bánh mỳ. - Lên men ứng dụng vi khuẩn nhƣ trong acetone, butanol, acid acetic, lactic, butyric... 10
- Lên men ứng dụng nấm mốc nhƣ trong sản xuất acid citric, gluconic, fumaric, penicilin, streptomycin... 2. Bản chất của các quá trình lên men CO2 Chu trình Hexosose Pentoso P Amino acid Acid béo Glycerine Hexoso P Oxaloacetic acid Glycerophosphate Acetoglutaric acid Trioso P Fumaric acid (Từ alanine) CO2 Chu trình Ethanol Krebs Acetyl CoA Pyruvic acid pyruvic Lactate CO2 CO2 Lên men O2 yếm khí 2H FN CoQ Cyt b Cyt c1 Cyt c Cyt a Cyt a3 H2O Sơ đồ 1. Mối tƣơng quan của các đƣờng hƣớng chuyển hoá cơ chất lên men Về bản chất, lên men là quá trình oxy hoá khử sinh học đƣợc tiến hành do hoạt động sống của vi sinh vật dƣới sự xúc tác của enzyme nhằm cung cấp năng lƣợng và các hợp chất trung gian cần thiết cho chúng. Sơ đồ tóm tắt chuyển hóa của các hợp chất trong tế bào vi sinh vật đƣợc thể hiện trên Sơ đồ 1. Cũng nhƣ trong quá trình oxy hoá khử sinh học ở mọi cơ thể khác, các mạch phản ứng của sự đƣờng phân, chu trình Krebs, chu trình Pentosophosphate là những phản ứng hoá sinh cơ bản nhất của các quá trình lên men ở tế bào vi sinh vật. Khác với các quá trình hô hấp, trong quá trình lên men, hydro (gồm e- và H+) tách khỏi cơ chất đƣợc chuyển tới chất nhận cuối cùng là các hợp chất hữu cơ khác nhau tạo thành các sản phẩm tích tụ trong môi trƣờng. Cơ chế cụ thể cho các quá trình lên men khác nhau sẽ đƣợc trình bày chi tiết ở chƣơng sau. 11
Năng lƣợng giải phóng ra từ sự phân giải các hợp chất hữu cơ trong quá trình sản xuất lên men tuy không nhiều, song đó chính là nguồn năng lƣợng đáp ứng nhu cầu về năng lƣợng cần cho hoạt động sống của vi sinh vật trong các quá trình lên men tƣơng ứng. 3. Điều kiện của các quá trình lên men và tác nhân gây lên men Điều kiện chi tiết cho các quá trình lên men khác nhau là không giống nhau và sẽ đƣợc trình bày một cách cụ thể trong các chƣơng sau. Phần này chỉ trình bày các điều kiện chung nhất cho tất cả các quá trình lên men. Các điều kiện này bao gồm: thành phần môi trƣờng, tác nhân vi sinh vật và các tác nhân khác (nhiệt độ, pH, nồng độ oxy, độ ẩm…). 3.1. Thành phần của môi trường Thành phần cơ bản của môi trƣờng lên men là: 3.1.1. Carbohydrate Carbohydrate là nguồn dinh dƣỡng quan trọng của vi sinh vật, đóng vai trò chủ chốt trong sự tạo năng lƣợng cho tế bào vi sinh vật. Ngoài ra, nó còn là nguồn cung cấp vật liệu tạo nên các thành viên của tế bào. Trong môi trƣờng lên men, carbohydrate thƣờng đƣợc sử dụng dƣới dạng dịch chiết có đƣờng, mật rỉ hoặc các nguyên liệu và bã thải chứa đƣờng, tinh bột. Các vật liệu chứa tinh bột thƣờng đƣợc thủy phân thành đƣờng trƣớc khi lên men. 3.1.2. Phosphate vô cơ Phosphate vô cơ đóng vai trò quan trọng trong sự trao đổi năng lƣợng. Trong lên men, các muối phosphate vô cơ đƣợc dùng phổ biến là (NH4)3PO4 và K3PO4. 3.1.3. Nitơ Nitơ tham gia quá trình tạo protein và nhiều chất có đặc tính sinh học khác của tế bào vi sinh vật. Trong môi trƣờng lên men, nitơ thƣờng đƣợc dùng dƣới dạng muối nitrat và các hợp chất amoni hoặc một số chất có nguồn gốc vi sinh vật. 3.1.4. Vitamin và nguyên tố vi lượng Vitamin và nguyên tố vi lƣợng là các chất sinh trƣởng cần cho hoạt động sống của vi sinh vật. Chúng thƣờng đƣợc sử dụng với lƣợng rất ít nhƣng tác dụng của chúng rất lớn và đa dạng đối sự sống bình thƣờng của vi sinh vật. 3.2. Tác nhân vi sinh vật gây lên men Vi sinh vật là tác nhân quan trọng đối với quá trình lên men. Tế bào vi sinh vật có khả năng tổng hợp phức hệ gồm nhiều enzyme khác nhau tùy loại vi sinh vật. Vì vậy, 12
trong sản xuất lên men cần chú trọng chọn chủng vi sinh vật thích hợp cho việc sản xuất từng loại sản phẩm. Yêu cầu chung là chủng vi sinh vật đƣợc sử dụng phải có hoạt lực lớn, ổn định, có khả năng chống chịu cao với sự tạp nhiễm và điều kiện không thích hợp của môi trƣờng. 3.3. Tác nhân khác Các tác nhân nhƣ độ ẩm, nhiệt độ, độ thoáng khí, thời gian nuôi, pH,... có ảnh hƣởng lớn tới vi sinh vật và các quá trình trao đổi chất của chúng. Mỗi vi sinh vật sinh trƣởng thích hợp, ở một khoảng pH và nhiệt độ, độ ẩm nhất định. Do đó, tùy đặc tính sinh lý, sinh hòa của vi sinh vật và tùy yêu cầu của sự lên men, cần tạo điều kiện môi trƣờng thích hợp cho từng quá trình lên men. Tuy vậy, điều kiện tối ƣu cho sự sinh trƣởng của từng vi sinh vật có thể không trùng với điều kiện tối ƣu cho từng loại sản phẩm lên men. Vì vậy, trong từng công nghệ sản xuất lên men, chúng ta cần phải thiết kế công nghệ nhân giống và công nghệ lên men tạo sản phẩm một cách riêng biệt. CÂU HỎI ÔN TẬP Câu 1. Cơ sở phân loại lên men trong thực phẩm. Câu 2. Cơ chế chuyển hóa tổng quát các cơ chất trong tế bào các tác nhân gây lên men. Câu 3. Điều kiện chung của các quá trình lên men và tác nhân gây lên men. Câu 4. Vai trò của quá trình lên men trong bảo quản và chế biến thực phẩm. 13
PHẦN 1 KỸ THUẬT SẢN XUẤT RƢỢU VANG VÀ MỘT SỐ RƢỢU CAO ĐỘ CHƢƠNG 1 THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA NHO VÀ RƢỢU VANG 1.1. Giới thiệu chung Kể từ cuối những năm 1960, những hiểu biết về bản chất hóa học của nho và rƣợu vang đã phát triển vƣợt bậc. Mặc dù còn nhiều vấn đề cần đƣợc khám phá, hiện nay một số tính chất của rƣợu vang đã đƣợc biết đến nhƣ khả năng chống lão hóa của một số hợp chất có trong rƣợu vang, các hợp chất có trong rƣợu nho cũng nhƣ quá trình biến đổi các chất đó trong quá trình tàng trữ rƣợu vang. Những kiến thức này rất có ích cho những nhà trồng nho và sản xuất rƣợu nho. Sau này, nhờ sự phát triển của kỹ thuật phân tích hiện đại nhƣ sắc ký khí (gas chromatography (GC)), sắc ký bản mỏng (thin-layer chromatography (TLC)), sắc ký lỏng cao áp (high-performance liquid chromatography (HPLC)) và cộng hƣởng từ hạt nhân (nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy),… mà có hơn 700 chất thơm trong rƣợu vang đã đƣợc phân tách và xác định cấu trúc. Trong số các chất thơm đó có hơn 160 ester. Hầu hết các hợp chất này có nồng độ rất nhỏ (10-4–10-9 g/L) nên nằm dƣới ngƣỡng phát hiện của con ngƣời. Vì thế, chúng không ảnh hƣởng đến giá trị cảm quan của rƣợu vang. Thành phần các chất thơm chính có trong rƣợu vang là các sản phẩm phụ trong quá trình lên men bởi nấm men. Chỉ có một lƣợng nhỏ các chất thơm là có trong quả nho nhƣng chúng lại có tác dụng để phân biệt các loại rƣợu vang đƣợc sản xuất từ các giống nho khác nhau. Hàm lƣợng các chất thơm có trong rƣợu vang khoảng 0,8 – 1,2 g/L, chiếm khoảng 1 % so với hàm lƣợng ethanol. Trong đó, phổ biến nhất là các loại rƣợu fusel, các acid dễ bay hơi, acid béo. Dầu fusel thƣờng chiếm 50 % các chất thơm trừ ethanol. Các hợp chất thuộc nhóm carbonyl, các hợp chất polyphenol, lactone, terpene, acetal, hydrocarbon và các hợp chất chứa lƣu huỳnh, nitơ có hàm lƣợng rất nhỏ nhƣng có vai trò rất quan trọng trong đặc tính cảm quan về hƣơng thơm độc đáo sự đa dạng của các loại rƣợu vang. 14
Hƣơng vị và cảm giác ở miệng của rƣợu vang chủ yếu nhờ vào một số ít các hợp chất có nồng độ trên 0,1 g/L. Các hợp chất đó gồm ethanol, các acid chủ yếu nhƣ tartaric, malic, lactic, các loại đƣờng glucose, fructose và glycerol. Tannine là các hợp chất rất quan trọngtrong rƣợu vang đỏ nhƣng chúng chỉ có một lƣợng vừa phải trong rƣợu vang trắng mà không qua quá trình tàng trữ trong thùng gỗ sồi. 1.2. Tổng quan về các nhóm chức hóa học trong nho và rƣợu vang Rƣợu vang có hai thành phần chính là nƣớc và ethanol. Tuy nhiên, hƣơng vị cơ bản của rƣợu vang phụ thuộc vào hơn 20 hợp chất. Nhờ vào hàm lƣợng của các hợp chất này mà các loại rƣợu vang có sự khác biệt. Bảng 1.1 và 1.2 là thành phần cơ bản của các nhóm các hợp chất có trong rƣợu vang. Hầu hết các nhóm chức hữu cơ trong rƣợu vang và nho phụ thuộc vào liên kết đôi (đặc biệt là các dẫn xuất của benzen) hoặc liên kết với O, N và S. Phổ biến nhất là các liên kết C-O. Ví dụ, nhóm C-OH thể hiện tính chất của chức rƣợu. Từ C-OH có thể phản ứng để hình thành các chức ester, ether. Nhóm C=O cũng khá phổ biến, nó có mặt trong các hợp chất aldehyde hoặc ketone. Nhóm -COOH thể hiện tính acid. Khi -OH trong rƣợu phản ứng với -COOH tạo nên các mối liên kết ester. Sự tƣơng tác của các nhóm -OH trong rƣợu với các nhóm carbonyl của aldehyde tạo nên nhóm acetal. Oxy cũng có liên quan đến việc hình thành cấu trúc vòng. Ví dụ nhƣ nhóm ester vòng đƣợc gọi là các lactone. Nhóm các hợp chất thơm quan trọng trong rƣợu vang là các terpene. Các hợp chất terpen không chứa các nhóm chức ở trên, chúng đƣợc cấu tạo bởi các nhóm 5 C lặp lại gọi là isoprene. Các hợp chất có trong rƣợu vang còn chứa các nhóm chức có chứa liên kết C-N. Quan trọng nhất trong các hợp chất này là nhóm amin (-NH2). Nhóm amin thƣờng liên kết với nhóm carbonyl hoặc carboxyl trong cùng một C tạo nên các amide hoặc amino acid. Nguyên tử N cũng có thể nằm trong mạch vòng C mà quan trọng nhất là các pyrazine và pyridine. Các hợp chất thơm có chứa S cũng rất quan trọng trong rƣợu vang. Ví dụ nhƣ nhóm thiol (-SH) trong mercaptan, thioether và thioester. Nguyên tử S cũng tạo nên cấu trúc vòng cùng với N, ví dụ nhƣ trong thiolane và thiazole. 15
Bảng 1.1. Một số nhóm chức hóa học trong nho và rƣợu vang Các nhóm hợp Cấu tạo chung Nhóm chức Ví dụ chất 16
Bảng 1.2. Một số nhóm chức hóa học trong nho và rƣợu vang (tiếp theo) Các nhóm hợp chất Cấu tạo chung Nhóm chức Ví dụ 1.3. Thành phần của các hợp chất có trong nho và rƣợu vang 1.3.1. Đường Trong nho chín có hai loại đƣờng chính là glucose và fructose với tỷ lệ tƣơng đƣơng nhau. Khi quả nho quá chín, hàm lƣợng fructose thƣờng chiếm tỷ lệ lớn hơn. Saccharose chiếm khoảng 10 % hàm lƣợng đƣờng tổng số và thƣờng đƣợc enzyme thủy phân thành glucose và fructose trong quá trình lên men. Hàm lƣợng đƣờng trong quả nho thay đổi phụ thuộc vào giống, loài, độ chín và sức khỏe của quả. Đối với nho V. vinifera, hàm lƣợng đƣờng thƣờng đạt đến nồng độ đƣờng 20 % hoặc nhiều hơn. Các loài nho dùng để sản xuất rƣợu vang khác nhƣ V. Labruscaand, V. rotundifolia, hiếm khi hàm lƣợng đƣờng đạt đến mức này. Trong các trƣờng hợp này, ngƣời ta thƣờng bổ sung đƣờng vào dịch ép để sản xuất đƣợc các loại rƣợu vang có độ cồn 10–12 %. 17
Hàm lƣợng đƣờng nho quan trọng cho sự phát triển và chuyển hóa của nấm men. Saccharomyces cerevisiae, loài nấm men rƣợu vang chủ yếu thu năng lƣợng từ glucose và fructose trong quá trình chuyển hóa. Bởi vì, khả năng lên men các cơ chất khác của S. cerevisiae hạn chế nên hầu nhƣ nguồn dinh dƣỡng của chúng trong nho là glucose và fructose. Các đƣờng còn lại là không lên men gồm các pentose nhƣ arabinose, rhamnose, và xylose. Một lƣợng nhỏ glucose và fructose cũng còn lại sau lên men. Trong quá trình tàng trữ trong thùng gỗ sồi, hàm lƣợng đƣờng còn lại cũng tăng nhẹ do sự phân giải glycoside của gỗ. Hàm lƣợng đƣờng còn lại trong rƣợu vang khô (dry wine: rượu vang không ngọt) thƣờng nhỏ hơn 1,5 g/L. Ở nồng độ dƣới ngƣỡng phát hiện về độ ngọt và không ảnh hƣởng đến sự ổn định của vi sinh vật trong chai rƣợu. Nồng độ cao hơn sẽ là mối nguy về sự hƣ hỏng do vi sinh vật. Hiện tƣợng này thƣờng đƣợc đặc biệt chú ý đối với loại rƣợu vang ngọt có độ acid và độ cồn thấp. Thông thƣờng, cần phải có những biện pháp kỹ thuật cần thiết để ngăn ngừa sự phát triển không mong muốn của nấm men và vi khuẩn đối với trƣờng hợp nồng độ đƣờng cao. Các đƣờng pentose là nguồn quan trọng để tạo nên furfurol trong rƣợu vang có qua xử lý nhiệt độ cao (>75oC) (baked wine). Ngƣỡng phát hiện đƣợc độ ngọt trong rƣợu vang khi hàm lƣợng đƣờng còn lại lớn hơn 0,2 %. Tuy nhiên, nhìn chung, đa số ngƣời ta phân biệt đƣợc vị ngọt khi hàm lƣợng đƣờng lớn hơn 1 %. Sự cảm nhận đƣợc vị ngọt rõ rệt còn bị ảnh hƣởng bởi các thành phần khác trong rƣợu mà đặc biệt là ethanol, acid và tannine cũng nhƣ phụ thuộc vào độ nhạy của từng ngƣời. Độ ngọt sẽ bị giảm do ảnh hƣởng của vị chua và đắng. Các loại rƣợu để bàn (table wine: Ở Mỹ, loại rượu này được định nghĩa là rượu vang dùng thông thường trong bữa ăn; ở châu Âu, chúng là các loại rượu vang không có dán tem truy xuất nguồn gốc) có độ ngọt cao nhƣ sauternes, trockenbeerenausleses và vang đá (icewine, loại rượu vang được sản xuất từ quả nho đã được làm lạnh đông từ trên cây, có vị ngọt rất cao), hàm lƣợng đƣờng còn lại có thể lên đến 10 %. Mặc dù hàm lƣợng đƣờng dƣ rất quan trọng đến vị ngọt của rƣợu vang, đƣờng đã đƣợc lên men lại rất cần thiết cho quá trình lên men. Bên cạnh chuyển hóa đƣờng tạo ra sản phẩm chính của quá trình lên men là ethanol, đƣờng còn đƣợc chuyển hóa tạo ra các sản phẩm phụ nhƣ rƣợu cao, acid béo, ester và aldehyde. Các sản phẩm phụ này tạo nên sự khác biệt về hƣơng thơm cho các loại rƣợu vang khác nhau. Hàm lƣợng đƣờng còn lại trong rƣợu vang tham gia vào phản ứng Maillard với các amino acid và protein làm tối màu vang trắng. Phản ứng này góp phần tạo hƣơng thơm cho rƣợu vang. Trong rƣợu vang phản ứng caramen hóa là không phổ biến. 18
1.3.2. Pectin, gum và các polysaccharide khác Pectin, gum và một số polysaccharide khác có vai trò liên kết các tế bào thực vật. Chúng thƣờng có cấu trúc mạch nhánh phức tạp. Pectin thƣờng có mạch thẳng, là polyme của các acid galacturonic. Nhiều acid galacturonic trong mạch pectin bị methyl hóa. Mức độ methyl hóa này là khác nhau đối với mạch rhamnogalactan và các mạch chứa arabinan và arabinogalactan. Gum là các polyme của arabinose, galactose, xylose và fructose. Do có khả năng hòa tan một phần trong nƣớc, các polyme này đƣợc chiết xuất vào nƣớc trái cây trong quá trình nghiền và ép. Nếu quả hoặc hỗn hợp thu đƣợc sau khi nghiền đƣợc xử lý nhiệt đƣợc sẽ tăng cƣờng sự giải phóng anthocyanin. Trong quá trình lên men, các polysaccharid tạo thành dạng keo khi có mặt của rƣợu và có xu hƣớng kết tủa. Do đó, pectin, gum và glucosan không làm cho rƣợu bị đục và gây khó khăn cho quá trình lọc rƣợu. Tuy nhiên, pectin có thể gây ra khó khăn khác biệt đáng kể trong quá trình ép nho. Vì vậy, ngƣời ta thƣờng bổ sung pectinase sau quá trình nghiền để làm giảm hàm lƣợng pectin và tạo điều kiện dễ dàng cho quá trình ép và lọc. Hàm lƣợng polysaccharide trong rƣợu vang thành phẩm thƣờng thấp nên không ảnh hƣởng đến giá trị cảm quan. Chỉ có các mannoprotein, là phức của mannan và protein, đƣợc giải phóng khi nấm men tự phân là có ảnh hƣởng đến chất lƣợng của rƣợu vang. Vì vậy, hàm lƣợng protein cao không những ảnh hƣởng đáng kể đến độ bền của tartrate và protein mà còn ảnh hƣởng đến mùi vị của rƣợu. 1.3.3. Rượu Rƣợu là các hợp chất hữu cơ có chứa một hoặc nhiều nhóm hydroxyl (-OH). Rƣợu đơn giản chỉ chứa một nhóm hydroxyl, trong khi các diol hoặc các polyol chứa hai hoặc nhiều nhóm hydroxyl. Các phenol là các hợp chất có vòng 6 C chứa một hoặc nhiều nhóm hydroxyl trên vòng phenyl. 1.3.3.1. Ethanol Ethanol là thành phần quan trọng nhất trong sản phẩm rƣợu vang. Nó đƣợc hình thành do sự lên men của nấm men. Dƣới các điều kiện lên men tiêu chuẩn, hàm lƣợng ethanol có thể đƣợc tích lũy trong rƣợu vang khoảng 14–15 %. Muốn có hàm lƣợng ethanol cao hơn, ngƣời ta thƣờng bổ sung thêm đƣờng trong quá trình lên men. Các yếu tố chính kiểm soát ảnh hƣởng đến hàm lƣợng ethanol là hàm lƣợng đƣờng, nhiệt độ lên men và chủng nấm men. Ethanol có vai trò quan trọng trong việc ổn định và tính chất cảm quan của rƣợu. Trong quá trình lên men, hàm lƣợng ethanol tăng có tác dụng ức chế sự phát triển của 19
vi sinh vật lạ. Sự ức chế này của ethanol cùng với độ acid trong rƣợu vang cho phép sản phẩm có thể đƣợc giữ ổn định trong nhiều năm. Bên cạnh đó, ethanol còn là dung môi cùng với nƣớc để tách chiết một số thành phần từ nho, đặc biệt là các chất thơm không phân cực nên làm tăng hƣơng thơm cho sản phẩm. Ethanol có ảnh hƣởng đến sự chuyển hóa của nấm men, từ đó ảnh hƣởng đến thành phần và hàm lƣợng các chất thơm tạo thành trong quá trình lên men. Hơn nữa, ethanol còn có vai trò nhƣ là chất phản ứng cần thiết tạo nên các chất thơm quan trọng. Ethanol còn ảnh hƣởng đến mùi vị của rƣợu. Nó có tác dụng làm tăng độ ngọt, giảm độ chua của acid, tăng độ đắng và giảm độ chát của tannine. Ethanol có một số tác dụng trong quá trình tàng trữ rƣợu. Cùng với các loại rƣợu khác, ethanol có thể tác dụng với là acid hữu cơ tạo nên các ester. Nồng độ của ethanol cũng ảnh hƣởng đến sự ổn định của ester. Hơn nữa, ethanol có thể phản ứng với các aldehyde tạo nên các acetal. 1.3.3.2. Methanol Methanol không phải là thành phần chính trong rƣợu vang. Với hàm lƣợng nhỏ (0,1–0,2 g/L) trong rƣợu vang, methanol không ảnh hƣởng đến cảm quan của sản phẩm. Trong số trên 160 loại ester đã đƣợc tìm thấy trong rƣợu vang, có rất ít loại ester có liên quan đến methanol. Methanol không tích lũy đến mức độ gây độc trong quá trình sản xuất rƣợu vang. Hàm lƣợng rất khiêm tốn của methanol có trong rƣợu vang là do sự thủy phân từ pectin. Tuy nhiên, khác với các loại trái cây khác, hàm lƣợng pectin trong quả nho rất thấp dẫn đến hàm lƣợng methanol trong rƣợu vang thấp. Việc bổ sung các loại rƣợu chƣng cất vào rƣợu vang có thể làm tăng nhẹ hàm lƣợng methanol. 1.3.3.3. Rượu cao (dầu fusel) Rƣợu cao là các loại rƣợu có số nguyên tử C trong phân tử lớn hơn hai. Trong nho, rƣợu cao có hàm lƣợng không đáng kể. Hexanol có trong nho có tác dụng tạo ra mùi thảo mộc cho rƣợu vang. Các hợp chất 2-ethyl-1-hexanol, benzyl alcohol, 2-phenylethanol, 3-octanol, and 1-octen-3-ol có trong rƣợu vang cũng từ quả nho. Hầu hết các rƣợu cao đƣợc tìm thấy trong rƣợu vang là sản phẩm phụ của quá trình lên men của nấm men. Chúng đƣợc sinh tổng hợp đồng thời với methanol. Chúng thƣờng chiếm khoảng 50 % các chất thơm không kể ethanol. Sự hình thành rƣợu cao trong quá trình lên men phụ thuộc nhiều vào kỹ thuật sản xuất rƣợu vang. Khi lên men trong điều kiện có oxy, nhiệt độ lên men cao và dịch lên men chứa nhiều huyền phù sẽ tạo nhiều rƣợu cao. Việc bổ sung CaCO3 để trung hòa acid hoặc bổ sung đƣờng trong quá trình lên men và lên men trong thùng lên men áp 20