Do vậy mà đề tài “Tổng quan và thiết kế thiết bị phản ứng lên men lactic để sản xuất sữa chua” đã được nhóm chúng em chọn như một đề tài thiết thực để khám phá quy trình sản xuất sữa chu
TỔNG QUAN VỀ LÊN MEN
Lên men lactic
Lên men lactic là quá trình chuyển hóa đường thành acid lactic nhờ vào vi khuẩn lactic trong điều kiện kỵ khí Quá trình này được chia thành hai loại: đồng hình và dị hình, trong đó lên men đồng hình phổ biến trong công nghiệp vì sản phẩm cuối cùng chỉ là acid lactic Về mặt hóa học, lên men lactic diễn ra qua hai giai đoạn: đầu tiên là giai đoạn đường phân, trong đó phân tử đường được chuyển hóa thành 2 phân tử pyruvate, sinh ra 2 phân tử ATP và 2 phân tử NADH Tiếp theo, pyruvate được chuyển hóa thành acid lactic và tái tạo NAD+, cho phép quá trình đường phân tiếp tục.
Hình 1.1 Cơ chế quá trình lên men lactic.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men lactic
Để nâng cao hiệu quả kỹ thuật trong quá trình lên men, công nghệ lên men công nghiệp tập trung vào việc nuôi trồng vi sinh vật trong điều kiện tối ưu Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình này được phân loại thành ba nhóm chính: giống vi sinh vật, thành phần định tính và định lượng của môi trường lên men, cùng với các điều kiện lên men.
Trong công nghệ lên men thực phẩm, các tiêu chí quan trọng về giống vi sinh vật bao gồm khả năng không sinh tổng hợp chất độc, hoạt tính trao đổi cao để hạn chế hư hỏng thực phẩm do nhiễm vi sinh vật khác, và thời gian lên men ngắn hơn giúp tiết kiệm năng lượng và nâng cao năng suất Vi sinh vật cũng cần có khả năng thích nghi và hoạt tính ổn định trong điều kiện môi trường và lên men thay đổi, đồng thời phải dễ bảo quản trong thời gian dài.
Tổ hợp nhiều loài sinh vật khác nhau được các nhà sản xuất sử dụng nhờ vào các tương tác sinh học như cộng sinh, tương hỗ và hội sinh, mang lại lợi ích trong quá trình lên men Đặc biệt, trong công nghệ sản xuất sữa lên men, sự kết hợp của hai chủng vi sinh vật đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện chất lượng sản phẩm.
Streptococcus thermophilus và Lactobacillus bulgaricus thường được sử dụng nhờ vào mối quan hệ giữa chúng Streptococcus thermophilus cung cấp acid formic và
CO2 cho Lactobacillus bulgaricus Ngược lại, Lactobacillus bulgaricus phân giải protein cung cấp amino acid cho Streptococcus thermophilus (Hình 1.2)
Hình 1.2 Mối quan hệ giữa hai chủng vi khuẩn trong quá trình lên men sữa 1.2.2 Môi trường lên men
Môi trường lên men tạo sản phẩm phải chứa đầy đủ các nguyên tố cơ bản (C,
O, N, H), chất khoáng và các yếu tố sinh trưởng Ngoài ra, tỷ lệ giữa các chất ở tỷ lệ cân đối sẽ giúp quá trình lên men đạt hiệu quả cao, năng suất đạt yêu cầu Ngược lại, nếu thiếu một thành phần dinh dưỡng nào đó hoặc tỷ lệ giữa các chất không cân đối thì sự phát triển của giống vi sinh vật sẽ bị kìm hãm, từ đó thời gian lên men kéo dài, hiệu suất quá trình giảm sút
Trong công nghệ lên men, môi trường từ nguyên liệu thực vật và động vật thường gặp vấn đề về thành phần hóa học không ổn định và thiếu hụt dinh dưỡng Để khắc phục, các nhà sản xuất thường bổ sung chất dinh dưỡng nhằm cân bằng môi trường Chẳng hạn, trong sản xuất thực phẩm lên men từ sữa tươi, hàm lượng chất béo và chất khô thường không đủ, do đó, các nhà sản xuất pha sữa tươi với nước và các loại sữa bột để điều chỉnh dinh dưỡng cho phù hợp.
1.2.3 Điều kiện lên men Đầu tiên, lượng giống vi sinh vật cần được điều chỉnh ở một mức phù hợp Nếu lượng giống cấy quá ít thì quá trình lên men sẽ diễn ra chậm Ngoài ra, nếu môi trường đã bị nhiễm một số vi sinh vật khác từ trước, các vi sinh vật này sẽ dễ dàng sinh trưởng và ảnh hưởng đến năng suất của quá trình lên men Tuy nhiên, nếu lượng giống cấy quá nhiều thì chi phí cho quá trình nhân giống sẽ tăng và tỷ lệ các sản phẩm phụ sẽ bị thay đổi, từ đó giá trị cảm quan của thực phẩm cũng bị ảnh hưởng
Nhiệt độ trong quá trình lên men cần được điều chỉnh phù hợp để tối ưu hóa khả năng sinh trưởng và hoạt động trao đổi chất của vi sinh vật, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm thực phẩm lên men.
Việc cung cấp oxy cho quá trình lên men phụ thuộc vào loại hình lên men, cụ thể là hiếu khí hay kỵ khí Trong quá trình hiếu khí, oxy là yếu tố cần thiết, trong khi đó, oxy có thể gây độc và ức chế vi sinh vật trong quá trình lên men kỵ khí Do đó, cần áp dụng các biện pháp phù hợp để cung cấp hoặc loại bỏ oxy tùy thuộc vào bản chất của quá trình Bên cạnh đó, các yếu tố như pH môi trường và hàm lượng chất khô cũng ảnh hưởng đáng kể đến quá trình lên men.
1.3 Ứng dụng của quá trình lên men lactic
Mặc dù acid lactic có thể được tổng hợp qua các phản ứng hóa học, 90% tổng lượng acid lactic được sản xuất từ quá trình lên men lactic Trong lĩnh vực y sinh, polylactic acid được tổng hợp từ acid lactic thông qua quá trình lên men đang được xem là một ứng cử viên hứa hẹn với tiềm năng lớn trong các ứng dụng y học khác nhau như kỹ thuật mô, dẫn truyền thuốc và cấy ghép.
Hình 1.3 Các ứng dụng tiêu biểu của polylactic acid trong lĩnh vực y sinh 1.3.2 Xử lý nước thải
Quá trình lên men acid lactic có thể cải thiện hiệu quả xử lý nước thải sinh học bằng cách loại bỏ chất ô nhiễm hữu cơ và giảm nhu cầu oxy hóa học (COD) Vi khuẩn sản xuất acid lactic có khả năng lên men chất hữu cơ trong nước thải, hỗ trợ quá trình xử lý Nghiên cứu của Tang và cộng sự (2018) cho thấy sản phẩm lên men lactic từ chất thải thực phẩm có thể làm nguồn carbon hiệu quả để loại bỏ nitrogen trong nước thải Kết quả cho thấy chất thải thực phẩm giàu acid lactic là nguồn carbon thay thế, nâng cao hiệu quả khử nitrat và loại bỏ nitơ trong xử lý nước thải lâu dài Hơn nữa, bùn nuôi cấy từ chất thải thực phẩm cho thấy sự đa dạng vi sinh vật và khả năng trao đổi chất cao hơn so với các nguồn carbon hóa học khác Vì vậy, lên men acid lactic là phương pháp hứa hẹn cho xử lý chất thải thực phẩm và nước thải.
Lên men lactic là quá trình quan trọng trong sản xuất thực phẩm như kim chi, dưa chua và thịt ướp muối, không chỉ giúp bảo quản mà còn tạo ra hương vị và kết cấu đặc trưng Đặc biệt, quá trình này đóng vai trò chủ chốt trong sản xuất các sản phẩm từ sữa như sữa chua và phô mai Trong sản xuất sữa chua, vi khuẩn lactic chuyển hóa đường lactose thành acid lactic, làm giảm pH và khiến sữa đông tụ, mang lại hương vị thơm ngon và kết cấu đặc biệt Hơn nữa, việc duy trì pH ở mức acid giúp ức chế hoạt động của các vi sinh vật khác, kéo dài thời gian bảo quản của sữa chua.
Hình 1.4 Một số thực phẩm và thức uống sản xuất từ quá trình lên men lactic.
TỔNG QUAN VỀ SỮA CHUA
Sản phẩm sữa chua
Sữa chua được làm từ nhiều nguyên liệu như sữa, chất ổn định, chất tạo ngọt, chất tạo hương và men vi khuẩn
Sữa là nguyên liệu chính để sản xuất sữa chua, và thành phần hóa học của sữa chua phụ thuộc vào loại sữa ban đầu được sử dụng Loại sữa được lựa chọn sẽ ảnh hưởng đến loại sữa chua thành phẩm Các thành phần chính trong sữa bao gồm protein, carbohydrate, lipid, nước và khoáng chất Đặc biệt, hàm lượng chất béo trong các loại sữa là yếu tố quan trọng để phân biệt giữa sữa chua béo và không béo.
+ Sữa nguyên kem (whole milk): dùng để chế biến sữa chua nguyên kem (full- fat yogurt), là loại sữa chua thường thấy nhất, sữa chua truyền thống (set yogurt)
+ Sữa ít béo (semi-skimmed milk): dùng để chế biến sữa chua ít béo (low-fat yogurt)
+ Sữa tách béo (skimmed milk): dùng để chế biến sữa chua không béo (non-fat yogurt)
Bảng 2.1 Thành phần chính của Sữa nguyên kem và sữa tách béo
Tên sữa Hàm lượng khô
Ngoài ra người ta còn phần biệt sữa chua dựa trên nguồn gốc của sữa từ loài động vật nào
Hình 2.1 Sữa tách béo và sữa nguyên kem
2.1.1.2 Chất phụ gia/ chất ổn định
Chất ổn định, một loại hydrocolloid có nguồn gốc từ động thực vật, được thêm vào sữa chua để cải thiện độ đặc và tạo độ nhớt, đồng thời giảm thiểu sự tách whey và liên kết nước tự do, giúp duy trì cấu trúc gel Việc sử dụng chất ổn định không chỉ tăng thời hạn sử dụng của sản phẩm mà còn đảm bảo độ đồng nhất giữa các lô hàng Chất ổn định hoạt động bằng cách hình thành cấu trúc gel trong nước, giữ lại ít phân tử nước tự do, từ đó duy trì sự ổn định cho sản phẩm Hơn nữa, một số chất ổn định còn kết hợp với casein để tăng cường độ bền vững cấu trúc, ngăn chặn hiện tượng đông đặc và sệt lại.
Gelatin có độ bền 225 hoặc 250 thường được sử dụng để tạo cấu trúc cho sữa chua, với mức độ tối ưu khoảng 0,35% Khi sử dụng gelatin trên 0,35%, sữa chua sẽ có tỉ lệ rắn cao và các hạt sữa có thể vón cục Tuy nhiên, gelatin dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao, làm suy yếu cấu trúc gel của sữa chua Do đó, thường sử dụng sự kết hợp giữa tinh bột-gelatin hoặc gelatin-pectin Tỷ lệ kết hợp và nồng độ cuối cùng (thường từ 0,50% đến 2,00%) trong sản phẩm cần được kiểm soát cẩn thận để đạt hiệu quả mong muốn.
Trong ngành công nghiệp sản xuất sữa chua, có nhiều loại chất ổn định hoặc sự kết hợp giữa các chất ổn định được sử dụng Khi lựa chọn chất ổn định, cần xem xét các tiêu chí quan trọng như tính năng, độ an toàn và khả năng tương thích với nguyên liệu.
1 Loại sữa chua sản xuất
2 Hàm lượng, thành phần dinh dưỡng
3 Cấu trúc và độ vững cấu trúc mong muốn
5 Khả năng giữ hương vị
Cấu trúc sữa chua ổn định
Cấu trúc vón cục (kem) của sữa chua
2.1.1.3 Chất màu và chất mùi
Màu sắc sản phẩm sữa được hình thành từ các hợp chất carotenoids Để tạo sự đa dạng, nhà sản xuất thường bổ sung thêm màu và hương liệu trước quá trình lên men Quy định về các chất màu, hương liệu và giới hạn tối đa cho phép sử dụng có thể khác nhau tùy theo từng quốc gia.
2.1.1.4 Đường và chất tạo ngọt
Sữa chua từ sữa tươi có vị ngọt nhẹ nhờ vào hàm lượng lactose thấp hơn so với các loại đường khác Để tăng cường độ ngọt cho sản phẩm, người ta thường bổ sung thêm đường, trong đó saccharose là loại đường phổ biến nhất được sử dụng.
Nhóm sản phẩm dành cho người ăn kiêng thường sử dụng chất ngọt không có giá trị dinh dưỡng, trong đó aspartame là loại phổ biến nhất hiện nay.
Sữa chua là thực phẩm phổ biến được sản xuất qua quá trình lên men Quá trình này được chia thành hai loại chính: quy trình nuôi cấy tiêu chuẩn và quy trình lên men sinh học với men vi sinh.
Lactic acid trong sữa chua tiêu chuẩn được hình thành từ quá trình lên men các carbohydrate có trong sữa, nhờ vào hoạt động của hai loại vi khuẩn chính.
Streptococcus thermophilus (S Thermophilus) và Lactobacillus delbrueckii ssp bulgaricus (L Bulgaricus) có tỷ lệ thay đổi trong canh trường giống cấy tùy thuộc vào hoạt tính của từng loại, thường là 1:1 hoặc 2:1 giữa vi khuẩn hình cầu và vi khuẩn hình que Hai loại vi khuẩn này có mối quan hệ cộng sinh, hỗ trợ lẫn nhau trong quá trình lên men và cung cấp điều kiện sống cho nhau Quá trình lên men làm giảm độ pH, khiến protein sữa đông tụ và tạo thành cấu trúc nhớt giống gel Sữa được chuyển hóa thành các hợp chất carbonyl, axit không bay hơi và dễ bay hơi như acetaldehyde, acetone, acetoin, diacetyl và acetate, tạo nên hương vị đặc trưng của sữa chua.
Hình 2.4 Cơ chế chuyển hoá carbohydrate của vi khuẩn S.Thermophilus và
S thermophilus thuộc nhóm của vi khuẩn lactic ưa nhiệt Vi khuẩn này lần đầu tiên được Orla-Jensen mô tả là liên cầu khuẩn vào năm 1919 Các đặc điểm cơ bản của S thermophilus như sau: gram dương, kỵ khí tùy tiện, không di động, không tạo bào tử và lên men đồng hình
S thermophilus có dạng hình cầu đến hình trứng (Hình 2.4) với đường kính
S thermophilus là loại vi khuẩn sinh trưởng và phát triển tối ưu ở nhiệt độ từ 40-45ºC, với ngưỡng tối thiểu là 20-25ºC và tối đa là 47-50ºC Vi khuẩn này có khả năng chịu nhiệt lên đến 60ºC trong 30 phút S thermophilus có thể lên men lactose, fructose, sucrose và glucose, nhưng phần lớn các chủng hiếm khi sử dụng galactose.
Lactic acid, acetaldehyde và diacetyl là các sản phẩm chính được hình thành trong quá trình lên men lactose bởi vi khuẩn S thermophilus, trong đó lactic acid L(+) là đồng phân lactic acid chủ yếu được tạo ra.
Lb delbrueckii subsp bulgaricus, lần đầu được mô tả bởi Orla-Jensen với tên gọi ban đầu là Thermobacterium bulgaricum, hiện được phân loại là một phân loài của Lactobacillus delbrueckii Đây là vi khuẩn gram dương, kỵ khí, không sinh bào tử và không di động, có hình dạng tế bào dạng que với đầu tròn, kích thước từ 0,5-0,8 x 2-9 µm, thường xuất hiện đơn lẻ hoặc thành chuỗi ngắn, thậm chí có thể tạo thành chuỗi dài Nhiệt độ tối ưu cho sự phát triển của vi khuẩn này là từ 48-50ºC.
Lactobacillus delbrueckii subsp bulgaricus là một vi sinh vật lên men đồng hình bắt buộc, có khả năng kháng acid và lên men các loại carbohydrate như lactose, glucose và fructose, trong khi galactose và mannose chỉ được lên men hiếm khi Quá trình chuyển hóa đường sữa trong vi sinh vật này chủ yếu tạo ra D(-) lactate và acetaldehyde Một số chủng của nó còn có khả năng sản xuất exopolysaccharide (EPS+).
Lb delbrueckii subsp bulgaricus cũng tương đối cao hơn so với S thermophilus và có thể tạo ra các acid amin cần thiết cho sự phát triển của S Thermophilus
Lợi ích của sữa chua
Sữa chua là thực phẩm giàu dinh dưỡng, cung cấp nhiều chất cần thiết cho sự phát triển và tăng trưởng của cơ thể Nó không chỉ cải thiện chế độ ăn uống mà còn giúp đạt được mức độ cân bằng dinh dưỡng theo khuyến nghị Đặc biệt, sữa chua chứa lượng canxi dồi dào, có thể đáp ứng đến 41% nhu cầu canxi khuyến nghị cho trẻ 5 tuổi chỉ với 50g sản phẩm.
Lactose là carbohydrate chủ yếu trong sữa, cấu tạo từ một phân tử glucose và một phân tử galactose Enzyme lactase trong ruột giúp phân hủy lactose thành đường đơn, mang lại lợi ích cho những người không dung nạp lactose mà không gây ra tác dụng phụ như khi sử dụng sản phẩm sữa thông thường.
Lactobacillus và Bifidobacteria là hai chủng vi sinh vật quan trọng giúp duy trì sự cân bằng trong hệ vi sinh đường ruột Nghiên cứu cho thấy việc tiêu thụ thường xuyên sữa chua sinh học có thể duy trì đặc tính vi khuẩn có lợi và mang lại nhiều lợi ích điều trị Sữa chua không chỉ là thực phẩm mà còn là môi trường lý tưởng để cung cấp và tăng cường sự sống của men vi sinh.
Sữa chua sinh học chứa các vi khuẩn có lợi, phổ biến trong ngành công nghiệp sữa, giúp duy trì sức khỏe tốt và chống lại rối loạn đường ruột Việc tiêu thụ men vi sinh có tác dụng điều trị như ngăn ngừa nhiễm trùng niệu sinh dục, giảm táo bón, chống tiêu chảy, và bảo vệ chống ung thư ruột kết Ngoài ra, men vi sinh còn duy trì hệ vi khuẩn đường ruột bình thường, tăng cường hệ miễn dịch, giảm tình trạng không dung nạp lactose và cholesterol trong huyết thanh, đồng thời nâng cao khả năng chống ung thư.
Bảo quản sữa chua
Hình 2.11 Các nguyên nhân gây hư hỏng sản phẩm
Sau quá trình lên men, sữa chua chứa sinh khối vi sinh vật và enzyme ngoại bào, do đó cần được bảo quản ở nhiệt độ từ 2oC đến 4oC để duy trì chất lượng Theo tiêu chuẩn TCVN 7030:2002, sản phẩm đã qua xử lý nhiệt phải được lưu trữ nơi khô ráo, thoáng mát và không quá 04 tháng từ ngày sản xuất, trong khi sản phẩm không qua xử lý nhiệt cần được bảo quản dưới 10oC và không quá 30 ngày Ở quy mô công nghiệp, sữa chua thường được bảo quản bằng phương pháp làm lạnh, sử dụng tủ lạnh hoặc phòng lạnh, với quy trình làm lạnh cần thực hiện nhanh chóng để duy trì nhiệt độ khoảng 4oC.
SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT SỮA CHUA
Giới thiệu sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất sữa chua
Quy trình sản xuất sữa chua có nguyên lý tương tự nhau, chỉ khác biệt ở nguồn nguyên liệu, quá trình lên men và điều kiện môi trường Thiết bị sử dụng trong sản xuất sữa chua cũng khá đơn giản, dẫn đến việc xây dựng sơ đồ quy trình công nghệ dễ dàng Các bước chính trong quy trình này có thể được xác định rõ ràng.
1 Khử khuẩn thiết bị, đường ống, máy móc tiếp xúc nguyên liệu
2 Thanh trùng nguyên liệu đầu vào (bằng cách khử nhiệt hỗn hợp)
3 Phối trộn đều nguyên liệu, hỗn hợp lỏng – rắn
4 Thanh trùng, đồng nhất hóa hỗn hợp
8 Thêm hương liệu hoặc trái cây tươi (có hoặc không)
9 Đóng gói (dạng hộp hoặc dạng bịch)
Các bước sản xuất sữa chua sẽ được điều chỉnh tùy theo yêu cầu của từng loại sản phẩm Báo cáo này sẽ phân tích quy trình làm sữa chua nguyên chất điển hình theo nghiên cứu của Ramesh C Chandan.
Hình 3.1 Sơ đồ quy trình công nghệ điển hình sản xuất sữa chua
Thuyết minh sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất sữa chua
Nguyên liệu chính để sản xuất sữa chua bao gồm sữa tươi, sữa bột, sữa bột gầy và các phụ gia chất ổn định Với việc sử dụng sữa nguyên chất, hàm lượng đường trong sữa chua rất thấp, vì vậy quy trình sản xuất không cần sử dụng đường làm nguyên liệu đầu vào.
Trước khi tiến hành quy trình ủ men để sản xuất sữa chua, các nguyên liệu sẽ được kiểm tra kỹ lưỡng để đảm bảo đạt các tiêu chuẩn của nhà máy Các chỉ tiêu được xem xét bao gồm cảm quan như màu sắc, hương vị, mùi, tình trạng bao bì và hạn sử dụng; chỉ tiêu hóa lý như hàm lượng béo, protein, lactose, thành phần kim loại; và chỉ tiêu vi sinh như E.coli, Coliforms, và Salmonella.
Sau khi đánh giá các tiêu chí yêu cầu, sữa tươi cần được thanh trùng để loại bỏ vi sinh vật gây bệnh như Typhus và Coliform, cũng như bất hoạt các enzyme tự nhiên, nhằm đảm bảo sản phẩm an toàn và kéo dài hạn sử dụng Quá trình thanh trùng phải giữ nguyên giá trị dinh dưỡng và màu sắc của sữa, đồng thời loại bỏ vi sinh có hại gây mùi Trong sản xuất sữa chua, thường sử dụng thiết bị truyền nhiệt dạng ống với nhiệt độ cao trong thời gian ngắn Sau khi thanh trùng, sữa được bảo quản lạnh cho các bước tiếp theo.
Trước khi cho sữa bột, sữa bột gầy và các chất phụ gia/chất ổn định vào sữa đã thanh trùng, cần trộn đều chúng để tránh hiện tượng vón cục và đảm bảo nguyên liệu phân bố đồng đều trong hỗn hợp.
Việc thanh trùng sữa tươi trước khi sản xuất sữa chua là rất quan trọng, và theo yêu cầu của FDA, các nhà máy chế biến sữa chua tại Hoa Kỳ phải lắp đặt thiết bị thanh trùng ở nhiệt độ cao Quá trình xử lý nhiệt này làm biến tính khoảng 80%-85% whey protein, từ đó cải thiện khả năng liên kết nước, tăng độ đặc và độ nhớt của sữa chua, ngăn ngừa tách lớp whey và nâng cao độ ổn định của sản phẩm.
3.2.2 Khử khuẩn hệ thiết bị, máy móc, đường ống tiếp xúc nguyên liệu
Để đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm theo yêu cầu của Cục An toàn thực phẩm – Bộ Y tế, việc khử trùng thiết bị là cần thiết nhằm loại bỏ vi khuẩn gây hại trong quá trình sản xuất Hệ thống CIP (clean in place) tự động hóa quy trình vệ sinh, giảm tiếp xúc giữa con người và thiết bị, đồng thời đảm bảo thiết bị được vệ sinh sạch sẽ và đồng đều Hệ thống này sử dụng nước khử ion (DI), nước thẩm thấu qua màng ngược (RO) và một số hóa chất như NaOH thực phẩm và peroxyacetic acid (PAA) để loại bỏ cặn bẩn ở nhiệt độ từ 50-100 oC.
3.2.3 Phối trộn, hòa tan nguyên liệu
Việc phối trộn nguyên liệu trong sản xuất sữa chua là rất quan trọng để đảm bảo sự phân bố đồng đều và ổn định của các hợp chất, đồng thời tạo ra hương vị đồng nhất Gia nhiệt hỗn hợp không chỉ giúp tăng tốc độ thiết lập cân bằng giữa các phân tử mà còn làm giảm độ nhớt của huyền phù, cho phép các phân tử rắn được phân tán đều trong pha lỏng.
3.2.4 Đồng nhất hóa, bài khí hóa, thanh trùng
Việc đồng nhất hóa là quy trình quan trọng trong sản xuất sữa chua, giúp phá vỡ các phân tử béo thành kích thước nhỏ hơn, từ đó phân tán đều các hạt béo và tạo độ ổn định cho hỗn hợp Quy trình này cũng ngăn ngừa hiện tượng tách váng sữa trong sản phẩm đầu ra Tuy nhiên, tùy vào yêu cầu của nhà máy, ví dụ như sữa chua Hy Lạp mong muốn có lớp kem béo ngậy, bước đồng nhất hóa có thể được thực hiện hoặc không Để đạt độ ổn định tối thiểu cho sữa chua (hàm lượng khô không béo 11% - 13%), cần sử dụng thiết bị đồng hóa áp suất cao với áp suất 23-28MPa (2000-2500psi) tại khe hẹp thứ nhất và 6MPa (500psi) tại khe hẹp thứ hai, nhằm cải thiện tính đồng nhất và hạn chế tình trạng tách whey protein.
Việc bài khí trong sản xuất sữa chua, mặc dù không được đề cập trong báo cáo, nhưng có vai trò quan trọng trong việc ổn định cấu trúc sản phẩm và hạn chế sự nổi bọt Quy trình này giúp loại bỏ hàm lượng oxy, từ đó giảm thiểu sự oxy hóa và sự phát triển của vi sinh vật hiếu khí có thể làm hư hỏng sản phẩm Ngoài ra, việc bài khí cũng tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển ổn định của hai chủng vi sinh kỵ khí quan trọng là Streptococcus thermophilus và Lactobacillus bulgaricus.
Quá trình chuẩn hóa là bước quan trọng nhằm điều chỉnh thành phần trong hỗn hợp Sau khi sữa thanh trùng, sữa bột, sữa bột gầy và chất ổn định được trộn đều, cần thực hiện phân tích thành phần hỗn hợp Hỗn hợp cần đạt yêu cầu với 0% - 2% chất béo, 10,5% MSNF và 0,6% chất ổn định Nếu không đạt yêu cầu, cần bổ sung nguyên liệu hoặc nước và kiểm tra lại Khi đạt yêu cầu, hỗn hợp sẽ tiếp tục qua các bước tiếp theo.
Quá trình chuẩn hóa sau khi bài khí hóa và đồng nhất hóa là cần thiết để đảm bảo hỗn hợp đạt tiêu chuẩn của nhà máy Các tiêu chí quan trọng cần đạt được bao gồm hàm lượng khô, độ pH và hàm lượng chất béo trước khi đưa vào bồn ủ men.
Quá trình chuẩn hóa là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng của mẻ ủ men, vì sự lệch lạc trong nguồn hỗn hợp trước khi vào bồn ủ có thể ảnh hưởng xấu đến sản phẩm cuối cùng Nếu hỗn hợp gặp vấn đề, như đồng nhất hóa ở áp suất cao làm thay đổi nhiệt độ sôi, có thể dẫn đến hiện tượng sữa quá nhiệt và bị cháy, gây hỏng toàn bộ lượng sữa trong bồn Do đó, người quan sát và điều khiển cần nhanh chóng chuyển hỗn hợp sang bồn chứa khác (bồn cân bằng) để khắc phục sự cố và thực hiện mẻ lên men mới, nhằm tránh thất thoát sản phẩm và đảm bảo chất lượng sữa chua.
3.2.6 Qúa trình tiền lên men (xử lý nhiệt và cấy men)
Bồn chứa cho quá trình tiền lên men đầu tiên được khử trùng bằng hơi nước áp suất thấp ở mức 3-5 lbs, đạt nhiệt độ bề mặt khoảng 99°C trong 30 phút Nước ngưng được thoát ra qua van xả dưới, và các van cũng như đường ống của bể được khử trùng tương tự Sau đó, hỗn hợp được chuẩn hóa và bơm vào bể, đun nóng đến 90°C và giữ trong 60 phút bằng bộ trao đổi nhiệt dạng tấm Cuối cùng, hỗn hợp được làm lạnh xuống 44°C, với van dòng nước lạnh mở để làm chất tải nhiệt, đóng lại kịp thời để nhiệt độ không giảm dưới 44°C.
Sau khi đạt nhiệt độ ổn định 44 o C, chuẩn bị men vi sinh để cấy vào sữa, bao gồm hai giống Streptococcus thermophilus và Lactobacillus bulgaricus Liều lượng và công thức men vi sinh cần phù hợp với quy định của nhà máy Trước khi cấy, cần hạ nhiệt men vi sinh từ từ để tránh sốc nhiệt Đối với 1900L hỗn hợp, 350mL men vi sinh cô đặc (1010 cfu/g) được rã đông trong 19L nước ấm chứa 100ppm chlorine Nắp bồn ủ được khử khuẩn bằng cồn sát khuẩn Sau khi men vi sinh đã rã đông hoàn toàn, cho vào bồn ủ và trộn đều trong 5 phút.
Sau khi cấy men vào sữa và khuấy trong 5 phút, tắt thiết bị khuấy và ủ hỗn hợp trong 6-8 giờ ở trạng thái tĩnh Quá trình lên men sẽ diễn ra, biến đổi các thành phần và tính chất cảm quan của hỗn hợp.
Có 3 sự biến đổi tại đây đã được diễn ra bao gồm biến đổi sinh học, hóa học – hóa sinh và hóa lý
THIẾT KẾ THIẾT BỊ LÊN MEN LACTIC
Giới thiệu thiết bị có thể sử dụng trong quy trình sản xuất sữa chua
Các thiết bị được giới thiệu ở đây được dựa trên kì thực tập của thành viên năm
Trong bài viết này, chúng tôi sẽ xem xét các thiết bị sử dụng và chất liệu thiết kế thiết bị tại công ty TNHH thực phẩm Ánh Hồng, sau khi trải qua kỳ thực tập Do lý do bảo mật, nội dung sẽ chỉ tập trung vào những khía cạnh này.
Bảng 4.1 Một số thiết bị sử dụng trong quy trình sản xuất sữa chua
Tên thiết bị Vật liệu
(Bơm ly tâm, bơm đồng hóa) Inox 316L
Hệ thống bồn (Bồn khuấy, bồn trữ sữa tươi, bồn dự phòng, bồn chiết rót, bồn ủ, bồn cân bằng)
Máy đồng hóa cao áp 2 cấp -
Hệ thống chiết rót tự động -
Nhà máy sản xuất thực phẩm, đặc biệt là sữa chua, thường được trang bị thiết bị làm từ các chất liệu chống ăn mòn tốt, đảm bảo độ bền và an toàn vệ sinh thực phẩm Việc sử dụng vật liệu chống ăn mòn cao giúp ngăn ngừa hiện tượng nhiễm bẩn kim loại trong thực phẩm Tuy nhiên, chi phí đầu tư cho thiết bị bằng thép không gỉ rất cao, do đó cần xem xét kỹ lưỡng các loại vật liệu và thiết bị phù hợp, tìm kiếm những loại thép có độ bền tương đương nhưng giá thành hợp lý hơn, nhằm duy trì tiêu chuẩn an toàn vệ sinh thực phẩm trong nhà máy.
Thiết kế thiết bị phản ứng lên men lactic
Phương trình lên men có dạng như sau:
Ta có phương trình động học tổng quát của quá trình lên men dưới sự ức chế của sản phẩm như sau: r C = φ ( C
C L + C M Trong đó: μ max là tốc độ tăng trưởng tối đa φ(C/LA) là tỉ lệ khối lượng giữa lượng tế bào sinh ra và sản phẩm tạo thành
Khi môi trường có đủ chất dinh dưỡng, với điều kiện C A ≫ C M và mức độ ức chế n = 1, phương trình tổng quát sẽ được đơn giản hóa thành: r C = φ (C).
Từ đó, ta tìm được phương trình tốc độ theo sản phẩm lactic acid: r R = μ max × (1 −C LA
Nghiên cứu động học quá trình lên men lactic với vi khuẩn Lactobacillus Bulgaricus của C N Burgos-Rubia và cộng sự cho thấy giá trị tối đa của tốc độ sinh trưởng μ max đạt 1,14 (h−1), nồng độ axit lactic tối ưu C LA ∗ là 40,3 (g/L) và tỷ lệ sản phẩm φ(LA/C) là 9,2.
2 Burgos-Rubio CN, Okos MR, Wankat PC, Kinetic study of the conversion of different substrates to lactic acid using Lactobacillus bulgaricus, Biotechnol Prog, 2000, DOI: 10.1021/bp000022p.
4.2.2 Thiết kế thiết bị phản ứng dạng mẻ
Hình 4.1 Mô hình bình khuấy gián đoạn cho quá trình lên men lactic
Bài toán thiết kế yêu cầu phát triển một thiết bị khuấy trộn cho quá trình lên men lactic trong sản xuất sữa chua theo mẻ, với sản lượng 1 tấn/h và hàm lượng lactic acid đạt 1% (wt/wt) Nguyên liệu đầu vào là sữa tươi chứa 5% lactose, sử dụng vi khuẩn Lactobacillus Bulgaricus với hàm lượng 1 g/L để đơn giản hóa quá trình động học Thiết bị hoạt động ở nhiệt độ 42℃ và duy trì pH 5,6 để tối ưu hóa điều kiện lên men Khối lượng riêng của sữa và sữa chua lần lượt là 1035 kg/m³ và 1030 kg/m³, trong khi ảnh hưởng của các cơ chất khác được bỏ qua Thời gian giữa hai mẻ được thiết lập là 30 phút (0,5 giờ).
Giải Áp dụng phương trình thiết kế đối với bình khuấy gián đoạn: t = ∫ dC R r R
Tích phân phương trình trên, ta được: t = 1 μ max × C LA ∗
Thay các giá trị μ max = 1,14 (h −1 ), C LA ∗ = 40,3 (g/L) và φ(LA/C) = 9
Nồng độ g/L của lactic acid trong sữa chua là:
L) Nồng độ g/L tế bào ban đầu: C C o = 1 (g/L)
Bằng cách thay tất cả vào phương trình (*), thời gian lên men được tính là t = 1,94 giờ Áp dụng cân bằng vật chất, ta giả định rằng khối lượng riêng giữa sữa và sữa chua không thay đổi.
F sữa chua = F sữa thời gian theo mẻ (kg h)
Từ đó, ta tính được thể tích bình khuấy cho quá trình lên men là:
Nhận xét: Có thể thấy rằng thể tích bình khuấy cho quá trình lên men xấp xỉ
Thời gian phản ứng lên men trong quy trình sản xuất sữa chua 2400L tương đối thấp, chỉ khoảng 6-10 giờ Sự nhanh chóng này được giải thích bởi việc sử dụng bình khuấy phản ứng gián đoạn, trong đó cánh khuấy tạo ra tác động cơ học, giúp tăng tốc quá trình lên men hiệu quả hơn.
Về cơ bản trong báo cáo này chỉ khảo sát phương trình động học của vi khuẩn
Lactobacillus Bulgaricus trong môi trường lactose có thể dẫn đến các thông số không chính xác khi áp dụng cho bồn ủ men sữa ban đầu và hệ sữa phức tạp Phản ứng lên men diễn ra chậm nếu thiếu tác động cơ học, làm cho việc nghiên cứu các phương trình động học trở nên khó khăn Các phương trình lên men kéo dài mà không có khuấy cơ học vẫn chưa được xem xét, nhưng có thể chấp nhận thời gian lên men sản xuất 1 tấn sữa chua là 1,94 giờ Tuy nhiên, nếu thời gian thực tế là từ 6-10 giờ, thể tích bình phản ứng có thể tăng lên rất lớn (> 10 m³), dẫn đến chi phí chế tạo thiết bị tăng cao do yêu cầu sử dụng thép không gỉ an toàn thực phẩm như inox 304, 316, làm tăng chi phí vật liệu và gia công.
Khi có phương trình động học cụ thể và thời gian ủ men lớn, cần chia nhỏ thành các bình ủ men để đáp ứng nhu cầu năng suất của nhà máy và tiết kiệm chi phí chế tạo Cần lưu ý rằng việc chia nhỏ bình phản ứng khác với việc chia nhỏ thể tích bình phản ứng và mắc nối tiếp, vì điều này có thể làm hư hỏng cấu trúc sữa chu among mong muốn.