Con người đã biết ủ bia từ hơn 100 năm trước, một số thành phần hóa học cơ bản có trong bia cũng đã được làm rõ. Nhưng nhờ vào kỹ thuật phân tích tiên tiến, các nhà khoa học tiếp tục tìm ra nhiều loại hợp chất hóa học khác góp phần tạo nên hương vị và mùi thơm của các loại bia khác nhau.
Gần đây nhất, một nhóm các nhà khoa học Đức đã phân tích hơn 400 mẫu bia thương mại từ 40 quốc gia. Theo báo cáo đăng tải trên Tạp chí Frontiers in Chemistry, các nhà khoa học đã xác định có ít nhất 7.700 công thức hóa học khác nhau và hàng chục nghìn phân tử có trình tự độc nhất. Và họ đã làm được điều này chỉ trong 10 phút với cách tiếp cận hoàn toàn mới.
Các nhà khoa học Đức đã phân tích 467 mẫu bia thương mại khác nhau trên thế giới. (Ảnh: Enlarge).
“Bia là một ví dụ rõ nét về sự phức tạp của hóa học”, đồng chủ nhiệm công trình nghiên cứu Philippe Schmitt-Kopplin cho biết, hiện ông làm việc tại Trường Đại học Kỹ thuật Munich và Trung tâm Helmholtz ở Munich. “Và nhờ vào sự tiến bộ trong kỹ thuật phân tích hóa học thời gian gần đây, có thể nói nó tương đương với sự phát triển của công nghệ màn hình hiển thị với độ phân giải ngày càng cao vậy, chúng tôi có thể bóc tách sự phức tạp này một cách chi tiết chưa từng có. Ngày nay, việc theo dõi các biến thể hóa học nhỏ xuyên suốt quá trình sản xuất thực phẩm khá dễ dàng, việc này nhằm đảm bảo an toàn chất lượng hoặc phát hiện tạp chất lẫn vào”.
Như chúng ta đã biết, tất cả các loại bia đều có hoa bia, là thành phần chính tạo nên mùi vị của bia, đồng thời bổ sung tính kháng khuẩn có lợi. Để làm ra loại đồ uống này, các nghệ nhân phải nghiền ngũ cốc và ngâm trong nước nóng để chuyển hóa tinh bột thành đường. Với bia truyền thống, hoa bia sẽ được thêm vào dung dịch thu được (gọi là hèm bia - wort) và đun sôi. Quá trình này làm biến đổi nhựa hoa bia (axit alpha) thành các axit iso-alpha, đây chính là thành phần tạo nên vị đắng của bia. Sau đó, men được thêm vào để kích hoạt phản ứng lên men, chuyển hóa đường thành cồn.
Một số nghệ nhân làm bia thủ công ưa chuộng kỹ thuật ủ bia lạnh (dry-hopping) – hoa bia sẽ được thêm vào trong hoặc sau giai đoạn lên men, khi hèm bia đã nguội. Kỹ thuật này giúp làm tăng hương vị hoa bia mà vẫn giữ vị đắng không quá trội do không có sự đồng phân hóa các axit alpha.
Một số nghiên cứu trong những năm gần đây đã tìm hiểu nhiều khía cạnh khác nhau về mặt hóa học của bia. Ví dụ, một nghiên cứu năm 2019 tìm ra rằng vị hoa bia của bia ủ bằng phương pháp late-hopping (hoa bia được thêm vào cuối quá trình đun sôi) phần lớn phụ thuộc vào hợp chất (3R)-linalool (có hương cam quýt và hương hoa).
Một số hợp chất có hương thơm thường gặp khác như myrcene (có hương hoa phong lữ) và geraniol (có hương hoa hồng). Đến nay, hợp chất tạo mùi mạnh nhất có trong hoa bia là 4-mercapto-4-methylpentan-2-one (4MMP). Đây là hợp chất mang lại mùi thơm nho đen đặc trưng của một số dòng bia thủ công.
Để giúp các nghệ nhân ủ bia hiểu sâu hơn cách phát triển hương vị đặc biệt phức tạp của loại đồ uống này, các nhà hóa học tại Đại học Redlands ở California đã lần theo một số hợp chất hóa học góp phần tạo nên hương vị đặc trưng đó, và theo dõi cách chúng biến đổi theo thời gian trong suốt quá trình ủ bia. Các nhà hóa học đã sử dụng máy quang phổ NMR để nghiên cứu các nồng độ khác nhau của axit axetic, axit lactic và axit succinic; cả ba đều được tạo ra khi bia lên men và góp phần hình thành nên vị chua đặc trưng của một số loại bia.
Các nhà hóa học cũng sử dụng kỹ thuật sắc ký lỏng (liquid chromatography) và phương pháp khối phổ thời gian bay (ToF mass spectrometry) để xác định và theo dõi sự thay đổi trong các hợp chất vi lượng có thể làm thay đổi hương vị tổng thể của bia, như phenol hay vanilin.
Đầu năm nay, các nhà khoa học Đức cũng đăng tải báo cáo về phương pháp mới giúp tự động đo và theo dõi các hợp chất tạo mùi thơm một cách hiệu quả. Phương pháp này được gọi là thiols (hay mercaptans). Các hợp chất này bao gồm 4MMP đã nói ở trên, ngoài ra còn có 3-mercapto-1-hexanol (3MH) và 3-mercaptohexyl axetat (3MHA), ứng với hương thơm của bưởi và chanh dây/ổi.
Nghiên cứu mới nhất của Schmitt-Kopplin và các cộng sự tại Đại học Kỹ thuật Munich tập trung vào sự ảnh hưởng của từng loại tinh bột đến các loại chuyển hóa đặc trưng của nhiều dòng bia khác nhau. Các nghệ nhân người Đức phải tuân thủ theo Luật Tinh khiết (Purity Law) ra đời từ năm 1516 (và đã được sửa đổi sau vài thế kỷ). Luật này yêu cầu nghệ nhân ủ bia không được cho bất kỳ thứ gì vào bia ngoại trừ mạch nha, hoa bia, nước và men.
Tuy nhiên, nhiều loại bia hiện nay được sản xuất bằng nhiều quy trình ủ và nguyên liệu khác nhau. Có một số bia được ủ từ lúa mì, có loại được sản xuất từ các loại ngũ cốc mạch nha như ngô và gạo. Gạo là thành phần chính trong bia gạo của Ấn Độ (zutho) và bia không gluten, chẳng hạn như thêm mạch nha làm từ gạo đã caramen hóa vào sau cùng để bia có hương thơm và màu hổ phách đậm đà hơn.
Mạng lưới phổ khối tương đồng của các hợp chất hóa học có trong bia. (Ảnh: Enlarge).
Để phục vụ phân tích, Schmitt-Kopplin và nhóm đã thu thập 400 mẫu bia có xuất sứ từ khắp nơi trên thế giới (Mỹ, Mỹ Latinh, châu Âu, châu Phi và Đông Á) tại các cửa hàng tạp hóa; và tiến hành cả 2 kỹ thuật phân tích. Nhóm nghiên cứu sử dụng phương pháp đầu tiên để xác định tính đa dạng hóa học của các loại bia và dự đoán công thức hóa học của các ion chuyển hóa. Kỹ thuật thứ 2 được sử dụng để xác định cấu trúc phân tử chính xác của 100 mẫu bia phụ. Quá đó, các nhà khoa học có thể tái tạo mạng lưới biến đổi chất đầy đủ của các phản ứng hóa học phức tạp diễn ra trong quá trình sản xuất bia.
Kết quả là nhóm đã xác định hơn 7.700 công thức hóa học, mỗi công thức có đến 25 cấu trúc phân tử khác nhau. Do vậy, một cốc bia có thể có đến hàng chục nghìn phân tử có trình tự độc nhất, góp phần tạo nên hương vị, mùi thơm và các mùi vị đặc biệt khác. Nghiên cứu này là cái nhìn sâu sắc nhất về sự đa dạng hóa học đến ấn tượng của các dòng bia phổ biến, từ bia hơi, bia thủ công cho đến bia Abbey và bia rượu (với nguyên liệu thô chỉ có lúa mạch hoặc kết hợp với lúa mì, gạo và ngô). Hơn nữa, nhóm cũng tìm ra sự khác biệt giữa bia được làm từ lúa mì, ngô và gạo so với bia làm từ lúa mạch.
“Nghiên cứu cho thấy tính đa dạng bắt nguồn từ sự phong phú của nguyên liệu đầu vào, quy trình chế biến và lên men”, đồng chủ nhiệm đề tài Stefan Pieczonka cho biết. “Độ phức tạp của phân tử được khuếch đại bởi "phản ứng Maillard" giữa các axit amin và đường, phản ứng này cũng mang lại vị ‘cháy’ thơm ngon của bánh mì, thịt nướng hay marshmallow nướng. Nghiên cứu tập trung vào mạng lưới phản ứng hóa học phức tạp nhưng không kém phần thú vị này, từ đó cho thấy tầm quan trọng của nó trong chất lượng thực phẩm, mùi vị và đồng thời là sự phát triển các phân tử hoạt tính sinh học mới có lợi cho sức khỏe”.