Tìm hiểu về ngũ cốc trong quy trình sản xuất bia

Quy trình sản xuất bia ở quy mô công nghiệp

Hầu hết các loại ngũ cốc đều có ba thành phần chính: vỏ trấu, lớp cám, nội nhũ và phôi hoặc mầm. Những lớp này có thể có kích thước khác nhau và chứa các tỷ lệ protein, tinh bột và chất béo rất khác nhau.
Trong sản xuất bia, các nhà sản xuất chuộng các loại ngũ cốc cao tinh bột hơn và hàm lượng dầu thấp. Đó cũng là lý do vì sao gạo và lúa mạch là nguyên liệu phổ biến trong sản xuất bia còn vừng và hạt lanh thì ít phổ biến hơn.

Tinh bột ảnh hưởng như thế nào trong sản xuất bia

Amylose và amylopectin trong tinh bột

Tất cả tinh bột đều được tạo thành từ các loại đường đơn giản nhất. Mỗi phân tử glucose bao gồm một vòng gồm sáu nguyên tử carbon, được liên kết với nhau bằng các phân tử oxy và hydro, và các glucose có thể liên kết với nhau tại các điểm cụ thể trong phân tử.

Cấu tạo phân tử amylose

Liên kết phổ biến nhất là liên kết α-1,4-glycosid - liên kết carbon đầu tiên của một phân tử với carbon thứ tư của phân tử tiếp theo). Chuỗi dài 1,4 liên kết tạo ra amylose – dạng tinh bột đơn giản nhất.
Tinh bột cũng sẽ chứa một số liên kết α-1,6-glycosid (cacbon 1 và 6), khiến phân tử phân nhánh theo các hướng mới. Những chuỗi phân nhánh này được gọi là amylopectin.
Tỷ lệ amylose/amylopectin ảnh hưởng đến chất lượng bia như thế nào?
Ở hầu hết các loại ngũ cốc, tỷ lệ amylopectin và amylose dao động từ 70% amylopectin ở mức thấp đến gần như 100% ở mức cao. Tỷ lệ này ảnh hưởng khá lớn đến quá trình sản xuất bia. Lý do là vì:
• Thứ nhất, hầu hết các enzyme sử dụng trong sản xuất bia chỉ có thể tấn công liên kết α-1,4-glycosid, giữ nguyên liên kết α-1,6-glycosid. Kết quả là, các liên kết này sẽ còn trong dịch nha dưới dạng dextrin không thể lên men. Những dextrin này có thể ảnh hưởng đến hương vị và độ sánh của bia.
• Thứ hai, cấu trúc amylopectin phân nhánh tạo nên sự liên kết chặt chẽ theo cấu trúc đan xen. Đây là lý do amylopectin khó bị nghiên nát hoàn toàn và cần dùng nhiệt độ cao và thời gian dài để hòa tan vào dung dịch. Thực nghiệm đã chứng minh càng nhiều amylopectin thì sẽ càng mất nhiều thời gian để đạt năng suất tối đa.

So với amylose thì amylopectin có cấu trúc phân nhánh với các liên kết chặt chẽ nên khó bị nghiền nát hoàn toàn

Vỏ và phenol
Như đã đề cập thì việc dùng nhiệt độ cao cùng các phương pháp đặc biệt để thủy phân amylopectin sẽ đồng thời tạo điều kiện cho phenol bị chiết xuất ra. Phenol là các hợp chất thơm thực vật, có hàng ngàn loại phenol khác nhau và chúng có thể xuất hiện trong quá trình sản xuất bia ở nhiều giai đoạn.
Những yếu tố làm tăng hàm lượng phenol trong bia:
• Ngũ cốc nghiền càng mịn sẽ càng tăng diện tích bề mặt và dẫn đến chiết xuất nhiều phenol trong hỗn hợp nghiền.
• Nhiệt độ nghiền và pH càng cao thì phenol được chiết xuất càng tăng. Điều này tương tự trong việc pha trà, người ta thường ngâm trà dưới mức sôi để hạn chế chiết xuất các hợp chất gây ra hương vị gắt trong lá trà.
Khi nấu bia, một số protein trong nguyên liệu sẽ kết hợp với phenols, tạo thành các hợp chất kết tủa. Quá trình này xảy ra ở cả 2 giai đoạn nghiền và đun sôi.

Phenolic có nhiều ảnh hưởng đối với hương vị của bia

Hàm lượng protein cao trong lúa mạch giúp liên kết với nhiều phenol hơn, khiến bia ít bị đục hơn. Các loại nguyên liệu có hàm lượng protein thấp, như gạo, có thể tạo ra các hợp chất kết tủa nhiều hơn, khiến bia bị đục. Tuy nhiên, vẫn chưa rõ nguyên nhân chính xác là do protein hay do phenol. Cần có thêm nghiên cứu để xác định.
Để giảm thiểu tình trạng đục bia, cần chú ý lọc tốt nguyên liệu, tránh dùng quá nhiều vỏ trấu.
Protein và nitơ
Protein trong ngũ cốc có vai trò quan trọng đối với bia không chứa gluten: (i) Giúp tạo phức hợp phenol; (ii) Cung cấp chất dinh dưỡng cho nấm men; (iii) Protein là thành phần quan trọng tạo nên bọt bia. Khi có nhiều protein, các bọt khí sẽ được giữ lại tốt hơn, tạo nên lớp bọt dày và lâu tan.
Bia không chứa gluten thường có bọt kém hơn bia làm từ lúa mạch hoặc lúa mì. Nguyên nhân là do các loại ngũ cốc không chứa gluten có hàm lượng protein thấp hơn.
Có một số cách để cải thiện khả năng giữ bọt của bia không chứa gluten: (i) Bổ sung protein: Protein có thể được bổ sung dưới dạng bột đậu xanh, quinoa, hoặc kiều mạch; (ii) Tăng trọng lượng của bia sau khi lên men: Khi trọng lượng cuối cao hơn, bia sẽ có nhiều protein hơn và khả năng giữ bọt cũng tốt hơn.
Dầu và chất béo trong sản xuất bia
Dầu và chất béo trong bia có thể làm cho bia có mùi ôi thiu. Điều này là do một loại enzyme trong mạch nha có tên là lipoxygenase (LOX). LOX có tác dụng phân hủy chất béo khi tiếp xúc với oxy. Có hai cách để ngăn chặn vấn đề này: sử dụng chế độ nghỉ ở nhiệt độ cao trong quá trình sản xuất bia hoặc sử dụng phương pháp sản xuất bia không có oxy.
Chất béo ngũ cốc không đóng vai trò chính trong quá trình sản xuất bia nhưng chúng có thể tạo ra cặn trong thiết bị lên men, đặc biệt nếu bạn ủ bia có nhiều yến mạch. Điều này là do chất béo kết hợp với các thành phần dịch nha khác và chìm xuống đáy thiết bị lên men.
Thành phần vách tế bào
Thành phần vách tế bào là những phần của hạt không lên men. Hai thành phần quan trọng nhất của thành tế bào là arabinoxylan và β-glucan. Chúng có thể làm cho bia đặc hơn và đục hơn, nhưng chúng cũng có thể ảnh hưởng đến hương vị và cảm giác của bia. Enzyme có thể phá vỡ các thành phần của thành tế bào, từ đó cải thiện chất lượng bia.
Các loại ngũ cốc khác nhau giải phóng lượng thành phần vách tế bào khác nhau vào hỗn hợp nghiền. Kiều mạch đặc biệt có hàm lượng thành phần vách tế bào cao, đó là lý do tại sao bia kiều mạch lại đặc và béo như kem. Malt đã được biến tính sẽ có ít thành phần vách tế bào hơn so với mạch nha chưa được biến tính. Ngũ cốc thô có nhiều thành phần vách tế bào nhất, vì vậy cần thêm enzyme để phá vỡ chúng.