Kiểm tra chất lượng nước trong sản xuất bia

Chất lượng của nước pha chế ảnh hưởng đến hoạt động của Enzyme trong hỗn hợp nghiền, độ tan của khoáng chất, hương vị và chất lượng của bia, cũng như là tình trạng của thiết bị pha chế. Để đạt được hương vị tuyệt vời của Bia và đảm bảo được độ sạch của thiết bị sau quá trình làm sạch, việc kiểm tra chất lượng nước phải được thực hiện trong các giai đoạn của quá trình sản xuất bia bằng các dụng cụ đáng tin cậy và đo chính xác. Với thiết kế có ưu điểm ít bảo trì hơn, yêu cầu mẫu khối lượng thấp và vận hành trơn tru, các bút đo LAQUAtwin, điện cực và máy đo nồng độ Oxy hòa tan (DO) cầm tay được khuyên dùng cho các nhà sản xuất bia gia đình và thương mại

Giới thiệu

Bia là một trong những đồ uống có cồn có lượng tiêu thụ lớn nhất và đứng thứ ba thế giới các loại đồ uống phổ biến nhất nói chung (sau nước lọc và trà). Bia đã trở thành một phần văn hóa của nhiều quốc gia và thường gắn liền với những truyền thống xã hội như các lễ hội và trò chơi.

Ủ là quá trình sản xuất bia. Bốn nguyên liệu chính của Bia là ngũ cốc (lúa mạch mạch nha, lúa mì, ngô gạo) làm nguồn tinh bột, nước, chất tạo hương vị (hoa bia, hỗn hợp thảo mộc, trái cây) và men. Lúa mạch mạch nha và hoa bia là loại ngũ cốc và chất tạo hương được sử dụng phổ biến nhất. Trong sản xuất bia, nguồn tinh bột được trộn cùng với nước và chuyển hóa thành dạng chất lỏng có đường gọi là nước mạch nha. Sau đấy, nước mạch nha được chuyển hóa thành dạng đồ uống có cồn bằng cách lên men bằng men.

Với bia chủ yếu là nước, thành phần của nước ủ có thể ảnh hưởng đến chất lượng bia. Nước ủ phải được làm sạch và không mùi. Nước có thể xuất phát từ hai nguồn như mặt nước và nước ngầm. Loại trước có ít khoáng chất hòa tan nhưng có hàm lượng chất hữu cơ cao hơn trong khi loại thứ hai thường có hàm lượng khoáng chất hòa tan cao hơn và ít chất hữu cơ thấp. Để xác định thành phần khoáng chất của nước, các nhà sản xuất bia có thể yêu cầu báo cáo từ các công ty cấp nước địa phương, gửi nước mẫu đến phòng thí nghiệm hoặc tự thực hiện các thử nghiệm bằng thiết bị thích hợp. Các thông số thử nghiệm phổ biến được giải thích dưới đây. Dựa trên kết quả, các nhà sản xuất bia có thể thực hiện các điều chỉnh nước cần thiết để tạo ra một loại bia tuyệt vời.

Do kiểm tra chất lượng nước trong quá trình sản xuất bia là một bước quan trọng để đạt được hương vị và chất lượng bia vượt trội, bút đo bỏ túi HORIBA LAQUAtwin cùng với máy đo và điện cực oxy hòa tan (DO) cầm tay LAQUA được khuyên dùng cho các nhà sản xuất bia. Bên cạnh thao tác đơn giản và dễ dàng, bút đo LAQUAtwin còn sở hữu các cảm biến phẳng độc đáo có thể đo lượng mẫu nhỏ ở mức 0,05 ml chỉ trong vài giây. Máy đo DO cầm tay LAQUA được đóng gói cùng với điện cực DO (có đầu đo DO cải tiến có thể thay thế và cảm biến nhiệt độ tích hợp) trong hộp đựng tiện dụng cho các phép đo thường quy hiện trường.

Độ cứng của nước

Độ cứng của nước được định nghĩa là lượng canxi và magie hòa tan trong nước. Canxi là ion chính quyết định độ cứng của nước. Nó có thể vượt qua khả năng đệm của phốt phát mạch nha, làm giảm độ pH của hèm bia (mash) xuống mức chấp nhận được và thúc đẩy độ trong, hương vị, cũng như tính ổn định của thành phẩm bia. Nồng độ canxi lý tưởng trong nước nấu bia là từ 50 đến 150 ppm. Có thể bổ sung Canxi sunfat (CaSO4), hay còn gọi là thạch cao, hoặc canxi clorua (CaCl2) để tăng lượng ion canxi trong nước. Magie cũng đóng góp vào độ cứng của nước và do đó ảnh hưởng đến pH của hèm bia, nhưng ở mức độ thấp hơn so với canxi.

Độ kiềm

Độ kiềm là khả năng của nước chống lại những thay đổi về pH có thể làm cho nước có tính axit hơn. Đây là phép đo nồng độ của tất cả các chất kiềm hòa tan trong nước như cacbonat và bicacbonat, có tác dụng đệm pH trong nước bằng cách trung hòa axit.

Nồng độ canxi phải được cân bằng với mức cacbonat-bicacbonat thấp vì chúng có tác dụng đối kháng với canxi. Nồng độ các ion này nên được giữ ở mức dưới 50ppm. Bicacbonat, vốn là chất đệm kiềm mạnh, có thể làm tăng độ pH của hèm bia lên mức không thể chấp nhận được nếu tồn tại với lượng lớn.

pH

pH rất quan trọng ở các giai đoạn sản xuất bia khác nhau — quá trình đường hóa, dịch nha và thành phẩm bia. Hầu hết các nguồn nước máy đều có tính kiềm nhẹ. Khi nước được kết hợp với ngũ cốc trong bồn ngâm, pH của hỗn hợp này (gọi là hèm bia) sẽ giảm xuống so với pH của nước đơn thuần. Thành phần khoáng chất (tức là canxi, magie, cacbonat và bicacbonat) của nước cùng quá trình axit hóa tự nhiên khi ngâm ngũ cốc mạch nha sẽ quyết định độ pH của hèm bia. Phạm vi pH lý tưởng của hèm bia là từ 5.2 đến 5.5, tốt nhất là nghiêng về mức thấp (5.2) để cải thiện hoạt động của enzym, giúp quá trình chuyển hóa tinh bột thành đường lỏng (dịch đường) diễn ra tối ưu nhất. Sau khi ngâm, dịch đường được rút ra và bã ngũ cốc được rửa sạch. Quá trình này được gọi là rửa bã (sparging). Khi quá trình rửa bã tiến triển, độ pH của dịch đường chảy ra từ hèm bia sẽ tăng lên. pH của dịch đường chảy ra phải ở mức dưới 6 vì mức pH cao hơn sẽ chiết xuất tannin, silicat và các hợp chất khác từ hạt, dẫn đến vị chát và làm bia bị đục.

Dịch đường thu được sẽ được chuyển đến nồi để đun sôi. Trong quá trình đun sôi, canxi photphat tiếp tục kết tủa (chừng nào vẫn còn canxi) và pH tiếp tục giảm, giống như trong quá trình ngâm hèm. Cần đạt được độ pH dịch đường sau khi đun sôi ở mức từ 5.0 đến 5.2. Phạm vi pH này sẽ giúp chiết xuất được đặc tính tốt nhất từ hoa bia, tối đa hóa lượng kết tủa nóng được hình thành và giữ cho sự ám màu ở mức tối thiểu. Một chức năng quan trọng khác của việc đun sôi là làm đông tụ kết tủa nóng. Mức pH tối ưu để hình thành kết tủa là 5.2. Nếu các mảng kết tủa lớn, bông xốp xuất hiện trong dịch đường ở đầu giai đoạn đun sôi, điều đó xác nhận rằng pH đang ở phạm vi thích hợp và cần phải loại bỏ kết tủa nóng để dịch đường nóng được trong.

Khi cấy nấm men vào dịch đường, quá trình lên men bắt đầu — đường chuyển hóa thành cồn và carbon dioxide. Trong quá trình lên men, độ pH tiếp tục giảm vì nấm men hấp thụ các ion amoni (có tính bazơ mạnh) và bài tiết các axit hữu cơ (bao gồm cả axit lactic). Chủng nấm men được chọn có thể ảnh hưởng đến pH cuối cùng của bia — hầu hết các loại bia lager có pH 4.2 – 4.6, một số loại bia ale = pH 3.8, bia chua = khoảng pH 3.0. Mức pH tối ưu dưới 4.4 sẽ tạo điều kiện để bia trưởng thành nhanh hơn, độ trong của bia tốt hơn, độ ổn định sinh học tốt hơn và mang lại hương vị bia tinh tế hơn.

Natri

Natri là một ion mong muốn có mặt trong bia để tạo nên sự đa dạng và phức hợp trong hương vị của thành phẩm. Phạm vi là từ 0-150 ppm Na+. Các thợ nấu bia chuyên nghiệp sử dụng quy trình làm sạch đơn giản hoặc kỹ thuật làm sạch tại chỗ (CIP) để giúp việc vệ sinh định kỳ trở nên hiệu quả và năng suất. CIP bao gồm việc bơm tuần hoàn dung dịch làm sạch hoặc dung dịch sát khuẩn qua một quả cầu phun trong thiết bị kín. Các nhà sản xuất sẽ làm sạch mỗi khi dịch đường hoặc bia được chuyển ra khỏi bồn chứa. Ví dụ, nồi nấu phải được làm sạch sau khi dịch đường được đun sôi, đi qua bộ trao đổi nhiệt và vào bồn lên men. Các chất làm sạch có chứa natri hydroxit (thường được gọi là xút) là thành phần hoạt động được sử dụng rộng rãi nhất trong các nhà máy bia hiện nay. Lượng dư natri trong thiết bị sau quá trình làm sạch / CIP có thể được kiểm tra bằng máy đo và cảm biến chọn lọc ion.

Tổng chất rắn hòa tan (TDS)

Nước nấu bia từ các nguồn nước sinh hoạt có thể chứa tổng chất rắn hòa tan (TDS) như khoáng chất, muối và các chất hữu cơ. TDS là một chỉ số về chất lượng nước và, như đã thảo luận ở trên, thành phần khoáng chất của nước ảnh hưởng đến pH của hèm bia trong quá trình sản xuất. Mức TDS khuyến nghị trong nước là 500ppm. Lượng TDS trong nước có thể được ước tính bằng máy đo TDS, máy này đo độ dẫn điện của dung dịch và chuyển đổi nó thành mức TDS bằng một hệ số. Mặc dù TDS không chỉ rõ thành phần khoáng chất chính xác của nước, nhưng nó có thể được sử dụng để theo dõi bất kỳ sự thay đổi nào trong nguồn nước.

Độ dẫn điện (EC)

Độ dẫn điện (EC), thường được gọi đơn giản là độ dẫn điện, là thước đo khả năng truyền dòng điện của một dung dịch nước. Nước tinh khiết không có độ dẫn điện (kết quả đọc không phải là không nhưng rất thấp) vì không có ion hòa tan trong đó. Dung dịch càng có nhiều ion, giá trị độ dẫn điện càng cao. Phép đo độ dẫn điện của nguồn nước dùng sản xuất bia cho biết độ tinh khiết của nước và tạo ra phép đo cơ sở trước khi nhà sản xuất thực hiện bất kỳ điều chỉnh nào, ví dụ như thêm khoáng chất.

Oxy hòa tan (DO)

Sau khi đun sôi trong nồi nấu, dịch đường có chứa hoa bia hoàn toàn cạn kiệt oxy. Nó được làm lạnh nhanh chóng xuống dưới 80°F (27°C) trước khi được sục oxy (oxygenation) để hấp thụ oxy tốt hơn. Lượng oxy hòa tan cần thiết phụ thuộc vào chủng nấm men và tỷ trọng ban đầu của dịch đường. Các dịch đường làm bia ale và lager truyền thống thường không được thu ở mức cao hơn 1045 (12°P) và cần 6 đến 8 ppm oxy hòa tan. Với quy trình sản xuất bia tỷ trọng cao, tỷ trọng ban đầu đã tăng lên đến 1080 (20°P) và yêu cầu nồng độ oxy hòa tan trong dịch đường ở mức 16 ppm hoặc cao hơn. Các chủng nấm men hiện đại có thể yêu cầu DO cao tới 20ppm. Sau khi sục oxy, nấm men được cấy vào dịch đường. Nấm men sử dụng oxy để trở nên khỏe mạnh và sinh sản trước khi lên men dịch đường thành bia. Oxy rất cần thiết để sản xuất các axit béo không bão hòa và sterol cho thành tế bào của nấm men. Thành tế bào vững chắc sẽ tăng cường khả năng chịu cồn của nấm men. Nấm men khỏe mạnh sẽ chuyển hóa dịch đường thành cồn và carbon dioxide mà không tạo ra các mùi hoặc vị lạ. Khi quá trình lên men hoàn tất, bia không còn oxy và phải được bảo vệ khỏi việc tiếp xúc với oxy để ngăn chặn quá trình oxy hóa và mất vị ngon. Việc đưa oxy vào trong quá trình chuyển bia và đóng gói (đóng chai và đóng lon) là điều gần như không thể tránh khỏi, nhưng lượng này không được đủ để nấm men khỏe mạnh phát triển thêm.Các nhà sản xuất bia phải có khả năng đạt được mức tổng lượng oxy trong bao bì ở mức dưới 50 ppb (0,05ppm).

Kali

Mạch nha chứa từ 4-6 g/kg kali, phần lớn trong số đó được hòa tan trong quá trình ngâm hèm; trong bia, nồng độ kali dao động trong khoảng từ 300 – 500 ppm (mg/L). Trên mức 500 ppm, bia có thể có vị mặn. Kali mang lại tác dụng tạo vị mặn thuần túy. Tỷ lệ kali/canxi ảnh hưởng đến quá trình kết bông của nấm men.