Whey protein concentrate and isolate ppsx

Định nghĩa Whey – chất lỏng được tách ra từ quá trình sản xuất phô mai và casein – làmột trong những nguồn protein thực phẩm lớn nhất vẫn còn phổ biến ở ngoài kênh tiêuthụ của con người.

MỤC LỤCLỜI MỞ ĐẦU

I GIỚI THIỆU CHUNG

I.1 Whey

I.1.1 Định nghĩa

Whey – chất lỏng được tách ra từ quá trình sản xuất phô mai và casein – làmột trong những nguồn protein thực phẩm lớn nhất vẫn còn phổ biến ở ngoài kênh tiêuthụ của con người Tổng đầu ra của whey, xấp xỉ 120 triệu tấn vào năm 1990, chứakhoảng 0.7 triệu tấn protein hoàn hảo, bằng với hàm lượng protein hoàn hảo có trong 2triệu tấn đậu nành

Whey là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất phô mai cứng, bán cứng, phômai mềm và casein đông tụ – còn gọi là whey ngọt – có pH từ 5.9 – 6.6 Quá trình sảnxuất acid khoáng làm kết tủa casein, sinh ra whey acid có pH từ 4.3 – 4.6

Cho đến nay, mặc dù lượng protein hoàn hảo không đủ cung cấp cho thế giớinhưng một lượng lớn dịch whey vẫn bị lãng phí, tỉ lệ lãng phí khoảng 50% trong giaiđoạn 1989 – 1990

I.1.2 Thành phần

Whey chiếm 80 – 90% tổng thể tích của sữa được đưa vào sản xuất và chứakhoảng 50% chất dinh dưỡng có nguồn gốc từ sữa nguyên chất như: protein hòa tan,lactose, vitamin và khoáng

Whey thường được pha loãng với nước Bảng 1 cho biết thành phần của wheykhông pha loãng

Bảng 1: Thành phần cấu tạo của whey

Mặc dù whey chứa những chất dinh dưỡng có giá trị, nhưng chỉ những nămgần đây các quy trình thương mại mới phát triển để sản xuất sản phẩm whey chất lượng

I.1.4 Các sản phẩm từ whey

Bảng 2: Một vài lĩnh vực ứng dụng của whey và sản phẩm từ whey

I.2 Whey protein

I.2.1 Định nghĩa

Whey protein là một protein hoàn hảo với chất lượng rất cao, nó chứa mộtlượng lớn tất cả các acid amin không thay thế, do đó nó thường được xem là “tiêu chuẩnvàng” (gold standard) trong việc đánh giá chất lượng của protein

Whey protein có trong sữa Sữa có 2 dạng protein là casein và whey protein.Whey protein tự nhiên có dạng hình cầu, khả năng hòa tan cao hơn casein và có chấtlượng cao hơn

Thành phần protein trong sữa bò: casein chiếm 80% và whey protein chiếm20%, được thể hiện ở bảng 3:

Bảng 3: Thành phần của protein trong sữa một số loài động vật

Whey protein của sữa được cấu tạo chủ yếu bởi 2 thành phần: α-lactalbumin

và β-lactoglobulin β-lactoglobulin có nhiều nhất trong whey protein, với khối lượng phân

tử là 36000

Hình 1: Cấu trúc của β -lactoglobulin

Hình 2: Cấu trúc của α-lactalbumin

Ngoài ra, trong whey protein còn có serum albumin và immunoglobulin

I.2.2 Whey protein concentrate

Whey protein concentrate chứa từ 30 – 80% protein tùy thuộc vào sản phẩm,

nó được sản xuất từ whey

Whey protein concentrate sử dụng những phương pháp tiết kiệm hơn (sử dụngthiết bị siêu lọc) để loại bỏ các thành phần không mong muốn của whey như lactose,carbohydrate, natri, cholesterol và chất béo khi so với whey protein isolate

Bảng 4: Hàm lượng một số acid amin có trong whey protein concentrate

I.2.3 Whey protein isolate

Whey protein isolate là dạng tinh sạch nhất và cô đặc của whey protein sẵn có

Nó chứa hơn 90% hàm lượng protein , trong khi hàm lượng chất béo và lactose lại chiếmrất ít

Whey protein isolate có chất lượng cao hơn whey protein concentrate do sửdụng thiết bị tiên tiến hơn (thiết bị trao đổi ion)

Acid amin Hàm lượng (g/100g)

II QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Hình 3: Các quy trình sản xuất khác nhau đi từ whey cho ra các sản phẩm khác nhau

II.1 Xử lý whey trước khi đưa vào sản xuất

Trước khi đưa vào quy trình sản xuất để tạo ra các sản phẩm từ whey, ta phải

có quá trình xử lý whey trước gồm tách béo và casein sót, sau đó làm lạnh hoặc thanhtrùng

II.1.1 Bảo quản whey sau khi thu nhận

Whey phải được xử lý ngay sau khi thu nhận vì thành phần hóa học của wheythích hợp cho sự phát triển của vi khuẩn Do đó, có thể làm lạnh nhanh dịch whey xuống

5oC để hạn chế sự phát triển của vi khuẩn

Nếu được cho phép, whey có thể được bảo quản bằng NaH2PO4, hay SO2

0.4%, H2O2 0.2% hoặc dung dịch H2O2 30%

II.1.2 Tách béo và casein sót

Casein luôn tồn tại trong dịch whey do quá trình đông tụ chưa hoàn toàn.Chúng ảnh hưởng đến quá trình tách béo, do đó phải được tách ra trước Có thể áp dụngnhiều phương pháp tách, chẳng hạn như tách bằng ly tâm hoặc lọc

Chất béo được tách bằng thiết bị ly tâm

Casein thường được nén cùng một cách như phô mai, sau đó có thể sử dụngtrong chế biến phô mai, cũng như có thể dùng trong nấu ăn sau khi đã ủ chín

Whey cream có hàm lượng chất béo từ 25 – 30 %, có thể tái sử dụng trongquá trình sản xuất phô mai để chuẩn hóa sữa phô mai, điều này làm cho cream tươi cóchất lượng phù hợp dùng trong sản phẩm cream đặc biệt.

1 Bồn chứa dịch whey

2 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng bản mỏng

3 Thiết bị lọc ly tâm

4 Bồn thu hồi casein

5 Thiết bị ly tâm tách cream

6 Bồn chứa cream

7 Dịch whey thu được để xử lý tiếp

Hình 4: Quy trình tách casein và tách béo trong whey

Thay đổi khối lượng riêng, tỷ trọng

•Biến đổi hóa học:

Giảm hàm lượng chất béo, hàm lượng casein

•Biến đổi hóa lý:

Dịch whey trở nên đồng nhất

•Các biến đổi khác không đáng kể

Whey Casein Cream Môi trường nhiệt

 Thiết bị: thiết bị ly tâm dạng đĩa

1 Thùng quay

2 Đĩa quay

3 Cửa nạp nguyên liệu

4 Cửa ra cho sản phẩm tỷ trọng thấp (whey cream và casein)

5 Cửa ra cho sản phẩm tỷ trọng cao (whey đã tách béo)

Hình 5: Thiết bị ly tâm dạng đĩa

•Nguyên lý hoạt động:

Đây là dạng thiết bị hoạt động liên tục

Dịch whey được nạp vào máy ly tâm, dưới tác dụng của lực ly tâm, dịch whey bịtách thành 2 phần: phần whey cream và casein (hàm lượng chất béo cao nên có khốilượng riêng nhỏ) chuyển động về phía tâm của trục thùng quay, phần whey đã tách kiệtbéo (hàm lượng chất béo rất thấp nên có khối lượng riêng lớn) chuyển động về phía biêncủa thùng quay Tốc độ quay của thiết bị phải ổn định thì mới tách kiệt béo trong dịchwhey

Cuối cùng, ta thu được 2 dòng sản phẩm: dòng whey cream – casein và dòngdịch whey đã tách kiệt béo theo các kênh riêng thoát ra ngoài

•Ưu điểm:

Thiết bị hoạt động liên tục nên năng suất cao

Chất lượng sản phẩm cao do không dùng nhiệt, vì khi dùng nhiệt thì các cấu tửmẫn cảm với nhiệt sẽ bị tổn thất

Tiết kiệm năng lượng do không tốn chi phí cho quá trình xử lý nhiệt

1 2

3

4

5

Thời gian ly tâm: 10 – 15 phút.

II.1.3 Làm lạnh hay thanh trùng

Whey được dự trữ để chế biến cần được làm lạnh hay thanh trùng ngay khichất béo được tách ra

Để bảo quản whey trong thời gian ngắn (10 – 15 giờ), có thể làm lạnh dịchwhey để ức chế sự phát triển của vi khuẩn

Để bảo quản whey trong thời gian dài, ta phải thanh trùng dịch whey

Làm lạnh và thanh trùng đều sử dung thiết bị trao đổi nhiệt bản mỏng

Làm lạnh đến 40C để bảo quản

Thanh trùng: Giữ dịch whey ở nhiệt độ 63 – 650C trong 15 phút

II.2 Quy trình sản xuất whey protein concentrate

II.2.1 Quy trình 1

Hình 6: Sơ đồ khối quy trình sản xuất whey protein concentrate

Giải thích quy trình:

Quy trình trên gồm 2 quá trình chính là thu nhận protein và sấy dịch thu nhậnđược

II.2.1.1 Thu nhận protein

Nhìn chung, whey protein không thể bị kết tủa bởi men dịch vị hoặc acid.Tuy nhiên, có thể làm kết tủa whey protein với acid nếu làm biến tính chúng trước bởinhiệt Quá trình này chia làm 2 giai đoạn:

- Kết tủa protein bởi sự kết hợp của xử lý nhiệt và pH hợp lý

- Cô đặc protein bằng ly tâm

Gia nhiệtPhun hơi

Làm nguội

Cô đặcSấy

Whey protein concentrateWhey đã xử lý

1 Bồn chứa whey

2 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng bản mỏng

3 Bơm phun hơi nước

4 Hệ thống ống giữ nhiệt

5 Bồn chứa acid

6 Thiết bị lọc

7 Bồn thu nhận whey protein biến tính

Hình 7: Quá trình thu nhận whey protein biến tính

II.2.1.1.1 Gia nhiệt

 Mục đích:

•Chuẩn bị:

Tăng nhiệt độ sơ bộ dịch whey để chuẩn bị cho quá trình phun hơi

 Những biến đổi trong quá trình:

•Biến đổi vật lý:

Nhiệt độ dịch whey tăng

•Biến đổi hóa sinh:

Một phần enzyme bị vô hoạt

 Thiết bị: thiết bị trao đổi nhiệt dạng bản mỏng

•Cấu tạo:

Thiết bị trao đổi nhiệt dạng bản mỏng được cấu tạo bởi nhiều đĩa truyền nhiệt rất mỏng, gấp nếp, làm bằng thép không rỉ gắn chặt vào nhau trong khung Các nếp gấp giúp cho đĩa chống lại sự chênh lệch áp suất, tăng diện tích truyền nhiệt và tạo nên dòng chảy rối trong đường dẫn Cứ lần lượt như thế, sự chuyển động của dòng chảy rối mang lại

hiệu suất truyển nhiệt cao, đây chính là ưu điểm của thiết bị trao đổi nhiệt dạng bản mỏng

so với thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ ống truyền thống

•Nguyên lý hoạt động:

Cứ mỗi giây, ống dẫn mở ra cho lưu chất chảy vào Giữa mỗi cặp đĩa có một miếng đệm cao su, để ngăn cản lưu chất hòa lẫn vào nhau hoặc rỉ ra bên ngoài Vì thế, nhiệt được truyền từ lưu chất nóng sang lưu chất lạnh qua các đĩa mỏng làm bằng thép không rỉ

Hình 8: Thiết bị gia nhiệt dạng bản mỏng

Sự chảy rối mạnh giúp khả năng tự lau sạch hiệu quả hơn, giảm thiểu sự đóng cặn trên bề mặt truyền nhiệt Điều này có nghĩa là thiết bị trao đổi nhiệt dạng bản mỏng giữ cho thời gian bảo dưỡng được lâu hơn.

Vì thiết bị trao đổi nhiệt dạng bản mỏng được cấu tạo bởi một khung chứa các đĩa, nên ta có thể thêm nhiều đĩa vào khung để tăng năng suất, và có thể tách các đĩa ra dễdàng khi vệ sinh thiết bị

•Nhược điểm:

Không làm việc dưới áp suất cao và không thích hợp cho quá trình chế biến các sản phẩm dạng nhão và dạng hạt

Những nếp gấp trên đĩa tạo nên những điểm tiếp xúc mà tại đó đòi hỏi độ cứng,

và những điểm “tựa” được tạo nên đã giữ các chất dạng bột nhão và dạng hạt ở lại đó Vì thế, giữ cho thiết bị trao đổi nhiệt dạng bản mỏng sạch trước khi chạy sản phẩm mới là điều vô cùng khó khăn, thậm chí bất khả thi

 Thông số công nghệ:

Dòng lạnh là dịch whey cần gia nhiệt

Dòng nóng là dịch whey sau khi ra khỏi bộ phận giữ nhiệt

Nhiệt độ đầu ra của dòng nóng là 400C

Quá trình gia nhiệt được thực hiện đồng thời với quá trình làm nguội để thuhồi nhiệt

II.2.1.1.2 Phun hơi

Nhiệt độ dịch whey tăng

•Biến đổi hóa học:

Hàm lượng chất khô tăng lên do độ ẩm giảm

•Biến đổi hóa lý:

Một phần whey protein bị kết tủa và nước bay hơi

Các cấu tử mẫn cảm với nhiệt bị tổn thất

•Biến đổi sinh học:

Phần lớn vi sinh vật bị tiêu diệt

•Biến đổi hóa sinh:

Enzyme bị vô hoạt

 Thiết bị: Bơm phun hơi nước

 Thông số công nghệ:

Nhiệt độ của dịch whey sau quá trình phun hơi: 90 – 95oC.

II.2.1.1.3 Hạ pH

 Mục đích:

•Chế biến:

Kết hợp với nhiệt độ cao để làm biến tính toàn bộ whey protein

 Những biến đổi trong quá trình:

•Biến đổi vật lý:

pH giảm

•Biến đổi hóa lý:

Phần lớn whey protein bị kết tủa

•Biến đổi sinh học:

Vi sinh vật bền nhiệt bị tiêu diệt trong môi trường pH acid

 Cách tiến hành:

•Sử dụng acid là acid hữu cơ (acid lactic) hay acid vô cơ (HCl)

•Bổ sung acid trong quá trình giữ nhiệt để kết hợp với tác dụng của nhiệt độ

•Acid được đưa trực tiếp vào hỗn hợp bằng bơm định lượng

 Thiết bị: Bồn chứa acid và bơm định lượng.

 Thông số công nghệ:

pH trong dịch whey: 4.6Thời gian cho sự kết hợp của nhiệt độ và acid: 3 – 4 phút

II.2.1.1.4 Làm nguội

 Mục đích:

•Chuẩn bị:

Chuẩn bị cho quá trình lọc

 Những biến đổi trong quá trình:

Chủ yếu là biến đổi vật lý (nhiệt độ giảm)

 Thiết bị: thiết bị trao đổi nhiệt dạng bản mỏng

•Biến đổi vật lý:

Khối lượng riêng của hỗn hợp tăng, dịch lỏng giảm, nhiệt độ giảm

•Biến đổi hóa học:

Hàm lượng whey protein biến tính tăng

 Thiết bị: thiết bị ly tâm dạng đĩa

 Thông số công nghệ:

Thời gian lọc: 3 phútNồng độ whey protein biến tính khi ra khỏi thiết bị: 45 – 55%

Quá trình sấy làm giảm hàm ẩm, từ đó ức chế vi sinh vật

 Những biến đổi trong quá trình sấy:

•Biến đổi vật lý:

Thay đổi khối lượng riêng, tỷ trọng

•Biến đổi hóa học:

Độ ẩm giảm, xảy ra các phản ứng oxy hóa…

•Biến đổi hóa lý:

Nước bay hơi, hỗn hợp chuyển sang pha rắn

 Thi ết bị: Hệ thống sấy phun 2 giai đoạn: sấy phun và sấy tầng sôi.

Whey Môi trường nhiệt Bột whey

1 Bộ phận gia nhiệt không khí cho buồng sấy phun

2 Buồng sấy phun

3 Buồng sấy tầng sôi

4 Bộ phận gia nhiệt không khí cho buồng sấy tầng sôi

5 Quạt cung cấp không khí làm nguội

6 Quạt cung cấp không khí có độ ẩm thấp để làm nguội

7 Rây bột sản phẩm

Hình 9: Hệ thống sấy phun 2 giai đoạn

 Giai đoạn đầu: sấy phun sử dụng đầu phun khí động

Quá trình sấy phun gồm 3 giai đoạn:

 Giai đoạn 1: phun sương

Dịch sau cô đặc – có nồng độ chất khô 45 – 55% – qua cơ cấu phun sương

sẽ chuyển thành dạng giọt lỏng với kích thước rất nhỏ (giống như sương mù)

 Giai đoạn 2: trộn mẫu và tác nhân sấy

Làm tăng diện tích tiếp xúc giữa mẫu và tác nhân sấy (không khí nóng), từ

đó thúc đẩy quá trình bay hơi nước, đây là giai đoạn chính của quá trình sấy phun

 Giai đoạn 3: thu hồi sản phẩm

Tách bột sản phẩm ra khỏi dòng khí thoát.

•Nguyên lý hoạt động:

Whey protein concentrate được nạp vào thiết bị thông qua cơ cấu phun sương sửdụng đầu phun khí động, còn gọi là đầu phun 2 dòng (đầu phun này có ưu thế hơn đầuphun 1 dòng và đầu phun ly tâm vì không xảy ra hiện tượng sản phẩm bị tắc nghẽn ở cửara)

Đầu phun 2 dòng hoạt động dựa trên nguyên tắc: nguyên liệu được bơm vào đầuphun theo ống trung tâm, tác nhân sấy (không khí nén) sẽ theo ống ở phần biên của đầuphun, dòng không khí đi ra tiếp xúc dòng nguyên liệu chảy xuống và tán nhỏ nguyên liệuthành hạt, do đó hỗn hợp sẽ được phân tán dưới dạng sương mù trong buồng sấy Ở thiết

bị này, góc phun nằm trong khoảng từ 20 – 600, phụ thuộc vào cấu tạo của đầu phun vàdạng sản phẩm cần tạo thành

Khi dịch ra khỏi đầu phun và đi vào buồng sấy, không khí nóng sẽ tách nước từdịch đến độ ẩm cần thiết Sau đó, bột sẽ được tách ra trong cyclone thu hồi sản phẩm bằngphương pháp lắng xoáy tâm

 Giai đoạn sau: sấy tầng sôi

Sản phẩm whey protein concentrate dạng bột yêu cầu độ ẩm thấp (< 5%), do đóphải sấy phun sử dụng đầu phun khí động trước để độ ẩm của nguyên liệu giảm xuống 10– 12%, sau đó tiếp tục sấy tầng sôi

•Ưu điểm:

Quá trình tách ẩm diễn ra nhanh hơn và nhiệt độ tác nhân sấy thấp hơn so với hệthống sấy phun 1 giai đoạn, do đó giảm 10% năng lượng tiêu hao so với hệ thống sấyphun 1 giai đoạn

•Nhược điểm:

Tốn tiền mua thêm thiết bị sấy tầng sôi

Tốn nhiều diện tích nhà xưởng nên chỉáp dụng ở quy mô sản xuất lớn

Quy trình 2 thu whey protein tự nhiên, quy trình này hiện nay được áp dụngrộng rãi do whey protein tự nhiêncónhững thuộc tính, chức năng tốt như tan trong nước,

có khả năng tạo bọt, hình thành nhũ tương và tạo gel

Người ta thu whey protein tự nhiên bẳng cách lọc qua màng membrane hoặcqua thiết bị trao đổi ion (sản xuất whey protein isolate)

Từ whey protein tự nhiên, có thể dễ dàng tạo ra whey protein dạng bột bằng

kỹ thuật sấy

Hình 10: Sơ đồ khối quy trình sản xuất whey protein concentrate

1 Thiết bị siêu lọc Whey và whey retentate

2 Bồn thu nhận dịch lọc Retentate đã cô đặc

3 Bồn trung gian chứa whey protein Permeate

6 Thiết bị đóng bao bì Hơi thứ

Hình 11: Sơ đồ dạng thiết bị quy trình sản xuất whey protein concentrate

Whey đã xử lý

Cô đặcLọc UF

Sấy

Whey protein concentrate

Dịch lọc

Giải thích quy trình:

II.2.2.1 Lọc UF

 Mục đích:

•Chế biến:

Tăng hàm lượng whey protein tính trên tổng lượng chất khô

 Những biến đổi trong quá trình:

•Biến đổi vật lý:

Khối lượng riêng hỗn hợp giảm

•Biến đổi hóa học:

Thành phần phần trăm whey protein tăng, hàm lượng tro và lactose giảm, hàmlượng chất khô giảm

 Thiết bị: thiết bị lọc UF

Hình 12: Thiết bị lọc UF

•Cấu tạo thiết bị:

Thiết bị membrane có dạng hình trụ, bên trong chứa nhiều ống trụ nhỏ đặt songsong với nhau Mỗi ống trụ nhỏ thường được chế tạo bằng thép không rỉ, có đường kínhdao động từ 12.5 – 75mm, chiều dài khoảng 0.6 – 6.4m và được đục các lỗ nhỏ trên than.Các membrane cũng có dạng hình trụ được lồng ép sát thành trong của các ống trụ nhỏtrên