Hoá sinh học lên men lactic trong sản xuất sữa chua

I. Khái niệm Sữa chua đặc và yaourt là sản phẩm lên men lactic từ sữa bò tươi, sữa bột hay sữa động vật nói chung sau khi đã khử chất béo và thanh trùng vi khuẩn gây bệnh bằng phương pháp Pasteur ở nhiệt độ 8090oC

Hoá sinh học lên men lactic trong sản xuất sữa chua

MỤC LỤC

Phần I: QUY TRÌNH SẢN XUẤT SỮA CHUA 5

I.Khái niệm 5

II.Phân loại 5

III.Các nguyên liệu sản xuất sữa chua 5

3.1.Nguyên liệu 5

3.1.1.Sữa 5

3.1.2.Chất tạo ngọt 6

3.1.3.Chất ổn định 6

3.1.4.Hương liệu 7

3.1.5.Dịch quả cô đặc 7

3.1.6.Vi sinh vật 7

3.2.Các điều kiện của nguyên liệu sản xuất sữa chua 8

IV.Quy trình sản xuất sữa chua 8

Phần II: QUÁ TRÌNH LÊN MEN LACTIC TRONG SẢN XUẤT SỮA 9

I.Giới thiệu về acid lactic 9

1.1.Khái niệm 9

1.2.Lịch sử phát triển 9

1.3.Công thức hóa học 9

1.4.Phân loại 10

1.5.Tính chất của acid lactic 11

II.Vi khuẩn lactic 11

2.1.Khái niệm 11

2.2.Đặc điểm 12

2.3.Phân loại 12

2.3.1.Vi khuẩn dị hình 12

2.3.2.Vi khuẩn dồng hình 13

2.4.Nhu cầu dinh dưỡng 16

2.4.1.Nhu cầu dinh dưỡng cacbon 16

2.4.2.Nhu cầu dinh dưỡng nitơ 17

2.4.3.Nhu cầu dinh dưỡng vitamin 17

2.4.4.Nhu cầu dinh dưỡng các chất hữu cơ 17

2.4.5.Nhu cầu dinh dưỡng muối vô cơ 17

III Lên men Lactic 18

3.1.Cơ lên men lactic……… 18

3.1.1.Lên men lactic đồng hình (điển hình) 18

3.1.2 Lên men lactic dị hình (không điển hình) 20

3.2.Các yếu tố ảnh hưởng 22

3.2.1.Nồng độ đường 22

3.2.2.Nhiệt độ 22

3.2.3 pH của môi trường 22

3.2.4.Oxy 23

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Hóa sinh công nghiệp_Lê Ngọc Tú (chủ biên) –Nhà xuất bản Khoa học kỹthuật Hà Nội

Vi sinh thực phẩm _dhcntphcm

http://en.wikipedia.org/wiki/Lactic_acidhttp://www.oxychemicals.com.vn/ index.php/lactic-acid.html?directory=56

http://www.sackyhaidang.com.vn/resources/item/732

http://thuviensinhhoc.com/Baigiang/SLTV/Chuong6/C6m3.htm

http://s4.zetaboards.com/BioFood_Tech/topic/8959770/2/

http://svdanang.com/@forum/threads/len-men-lactic.23642/

http://thuvien.hcmute.edu.vn/xem-tai-lieu/bao-cao-tim-hieu-qua-trinh-len-men-do-vi-sinh-vat.66922.html

http://vi.scribd.com/d°C/44196848/49/C%C6%A1-ch%E1%BA%BF-c

%E1%BB%A7a-qua-trinh-len-men-lactic

http://congnghesinhh°C24h.com/tai-lieu/khao-sat-qua-trinh-len-men-acid-lactic-lactobacillus-delbrueckii-327.html

Phần I: QUY TRÌNH SẢN XUẤT SỮA CHUA

I Khái niệm

Sữa chua đặc và yaourt là sản phẩm lên men lactic từ sữa bò tươi, sữabột hay sữa động vật nói chung sau khi đã khử chất béo và thanh trùng vikhuẩn gây bệnh bằng phương pháp Pasteur ở nhiệt độ 80-90oC

II Phân loại

- Yaourt truyền thống (set type)

+ Sản phẩm có cấu trúc gel

+ Quá trình lên men diễn ra trong bao bì làm xuất hiện khối đông tạocấu trúc đặc trưng cho sản phẩm

- Yaourt dạng khuấy (stirred type)

+ Sữa nguyên liệu được xử lý, cấy giống rồi lên men trong thiết bịchuyên dùng, tiếp theo là quá trình làm lạnh và rót sản phẩm vàobao bì

- Yaourt uống (drinking type)

+ Khối đông xuất hiện trong sản phẩm sau quá trình lên men bị pháhủy hoàn toàn

+ Sử dụng phương pháp khuấy trộn hoặc phương pháp đồng hóa đểphá hủy cấu trúc gel của khối đông và giảm độ nhớt cho sản phẩm

- Yaourt cô đặc (concentrated yaourt)

+ Huyết thanh sữa được tách ra khỏi sản phẩm

III Các nguyên liệu sản xuất sữa chua

III.1 Nguyên liệu

III.1.1 Sữa:

Về nguyên tắc có thể sử dụng các loại sữa động vật để làm sữa chuanhưng loại được sử dụng nhiều nhất là sữa bò, có thể dùng sữa nguyênkem, sữa tách béo một phần hoặc sữ gầy

III.1.2 Chất tạo ngọt:

Đường kính hoặc glucose

III.1.3 Chất ổn định:

Gelatin, cacboxymethyl, cellulose

III.1.4 Hương liệu:

Cam, dâu, đào, táo

III.1.5 Dịch quả cô đặc:

Có thể dùng thêm cả màu và mùi tự nhiên hay nhân tạo để tăng cường

III.1.6 Vi sinh vật:

- Streptococus salivarius subsp Thermophilus (ST), Lactobacillus

delbrueckii subsp Bulgaricus (LB) đều là hai chủng vi khuẩn lên men lactic

tốc độ sản sinh ra acid lactic coa hơn nhiều khi nuôi cấy riêng.

III.2 Các điều kiện của nguyên liệu sản xuất sữa chua

- Lượng vi sinh vật thấp

- Không chứa dư lượng thuốc kháng sinh, hóa chất vệ sinh, sữa ôi

- Không chứa các thể sống ăn vi khuẩn thường là các virus

- Không chứa các enzym

IV Quy trình sản xuất sữa chua

Sữa chua đặc và yaourt là sản phẩm lên men lactic từ sữa bò tươi, sữa bột hay sữa động vật nói chung sau khi đã khử chất béo và thanh

trùng vi khuẩn gây bệnh bằng phương pháp Pasteur ở nhiệt độ 80 – 900C Qui trình công nghệ sản xuất sữa chua như sau:

Nguyên liệu → Phối trộn → Gia nhiệt → Đồng hoá 1 → Làm lạnh →

Ageing → Thanh trùng → Đồng hoá 2 → Hạ nhiệt → Cấy men → Ủ → Làm lạnh → Bồn rót → Đóng gói, dán nhãn

+ Nguyên liệu: Nếu nguyên liệu là sữa bột không đường thì thêm đường để đạt nồng độ 8 - 10%

+ Phối trộn: Bột sữa, đường, bơ, chất ổn định phối ở nhiệt độ 450C để quá trình hoà tan đồng đều

+ Gia nhiệt: nâng nhiệt độ lên 600C cho thích hợp quá trình đồng hoá+ Đồng hoá: được thực hiện trong máy đồng hoá tạo áp suất cao khoảng 200 bar bằng hệ thống bơm pitton để phá vỡ các hạt béo vào trong nguyên liệu và phân tán các chất khác nhau tạo thành hỗnhợp đồng nhứt

+ Làm lạnh: Dòng sữa được cho qua thiết bị trao đổi nhiệt dạng vĩ có nước lạnh bên ngoài để nhiệt độ còn 50C Dẫn tới bồn ageing.

+ Ageing: Sữa để yên trong bồn 1-2 giờ, ở 5oC

+ Thanh trùng: nâng nhiệt lên 95oC trong 1 phút

+ Đồng hoá 2: ở 950C, 200 bar

+ Hạ nhiệt: tới nhiệt độ thích hợp quá trình lên men của vi khuẩn lactic(43oC)

+ Cấy men: Men được sử dụng là giống vi khuẩn Lactobacillus

bulgaricus (hình que) và Streptococus thermophilus (hình cầu) thuộcchủng Streptococea, họ Lactobacteriaceas Sữa sau khi được hạ nhiệt xuống còn 430C (pH lúc này phải đạt khoảng 4,4 – 4,5) cùng lúc men từ bồn men được bơm vào bồn cấy men Lượng men bơm vào chiếm 5% tổng khối lượng sản phẩm

+ Giai đoạn ủ: 430C; 4 -5 giờ, pH sau ủ khoảng 4,7 - 4,8 Ủ nhằm mục đích tạo đủ thời gian, tạo điều kiện thích hợp cho quá trình lên men chuyển hoá

Phần II: QUÁ TRÌNH LÊN MEN LACTIC TRONG SẢN XUẤT SỮA CHUA

I Giới thiệu về acid lactic

I.1 Khái niệm

Acid lactic, 2-hydroxypropionic acid (CH3CHOHCOOH) là acid tồn tại rộngrãi trong tự nhiên, được tìm thấy ở người, động vật, thực vật và vi sinh vật.Được phát hiện vào năm 1780 do nhà hóa học Thụy Điển Sheele ở trongsữa chua Acid lactic được chấp nhận là sản phẩm của một quá trình lênmen vào năm 1847 Acid lactic là một hợp chất hóa học được sinh ra trongquá trình lên men của vi sinh vật đóng vai trò quan trọng trong nhiều quátrình sinh hóa và acid lactic là một acid carboxylic

I.2 Lịch sử phát triển

Acid lactic đã được tinh chế lần đầu tiên bởi nhà hóa học Thụy ĐiểnCarWihelm Scheele vào năm 1780 từ sữa chua Năm 1808 Jón JacobBerzelius phát hiện ra rằng acid lactic (L-lactate) cúng được sản xuất trong

cơ bắp trong quá trình cơ thể hoạt động nhiều Cấu trúc của nó được xâydựng lại bởi Johannes Wislicenus vào năm 1873 Năm 1856, LouisPasteur phát hiện ra Lactobacillus và vai trò của nó trong việc tạo ra acidlactic Acid lactic bắt đầu được sản xuất thương mại Boehringer Ingelheimcủa Đức vào năm 1895

I.3 Công thức hóa học

Công thức hóa học tổng quát CH3CH(OH)COOH, nó có một nhóm hydroxyđứng gần nhóm cacboxyl khiến nó là một acid alpha hydroxy (AHA) Trongdung dịch, nó có thể mất một proton từ nhóm acid, tạo ra ion lactate

CH3CH(OH)COO

-Acid lactic

Trong cấu tạo phân tử của acid lactic có một carbon bất đối xứng nênchúng có hai đồng phân quang học: D - acid lactic và L - acid lactic Haiđồng phân quang học này có tính chất hóa lý giống nhau, chỉ khác nhaukhả năng làm quay mặt phẳng phân cực ánh sáng, một sang phải và mộtsang trái Do đó tính chất sinh học của chúng hoàn toàn khác nhau

Loại L-acid lactic ở dạng tinh thể Chúng có khả năng tan trong nước, tantrong cồn, tan trong eter, không tan trong CHCl3, nhiệt độ nóng chảy 28OC.L-acid lactic được ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm và dược phẩm.Hầu hết các sinh vật lên men lactic đồng hình đều tạo ra được các dạngđồng phân quang học

Loại D-acid lactic là dạng tinh thể, tan trong nước tan trong cồn Nhiệt độnóng chảy 28oC

Nếu D - acid lactic và L - acid lactic có trong một hỗn hợp theo tỉ lệ 50/50người ta gọi là hỗn hợp Raxemic Trong quá trình lên men không khi nào

có một hỗn hợp có tỉ lệ lý tưởng này mà chỉ có được hỗn hợp này khi tiếnhành tổng hợp hữu cơ DL-acid lactic có khả năng tan trong nước, trongcồn, không tan trong CHCl3

I.4 Tính chất của acid lactic.

Là chất hữu cơ không màu, có độ hút ẩm cao, là chất lỏng sánh, có mùinhẹ, tan trong nước và cồn, có nhiệt độ sôi vào khoảng 122°C, có điểmtan ở 17°C, có khối lượng phân tử 98,08dvc, ở đồng phân dạng D-acid lactic: ở dạng tinh thể tan trong nước, cồn, nhiệt độ nóng chảy là28°C, nhiệt độ sôi là 28°C, còn đối với tinh thể đồng phân dạng L-acidlactic thì ngoài tan trong nước và cồn thì chúng còn tan trong các hợpchất etylic, eter… Đố i v ớ i đ ồ n g p h â n d ạ ng L-acid lactic thì tantrong nước không tan trong CH3Cl có nhiệt độ nóng chảy 16,8°C, sôi ở122°C có khả năng ức chế vi sinh vật (làm giảm pH môi trường) cao hơn

so vơi các acid tartic, acid acetic, hay acid citric, mà không gây mấtgiá trị cảm quan của sZản phẩm, không gây ảnh hưởng đến mùi vị,màu sắc của sản phẩm và không ảnh hưởng đến sức khỏe của con người

II Vi khuẩn lactic

II.1 Khái niệm

Những vi khuẩn gây lên men sinh acid lactic được gọi là vi khuẩn lactic Vikhuẩn lactic được đặc trưng bỏi khả năng sinh acid lactic rất mạnh từ cácquá trình chuyển hóa các loại đường đơn hay đường đôi khác nhau, đặcbiệt là đường lactose

II.2 Đặc điểm

Hầu hết các vi sinh vật sinh acid lactic đều thuộc về họLactobacillaceae và được xếp bốn chi: Streptococus, Pediococcus,Lactobacillus và Leuconostoc Chúng có dạng hình cầu hoặc hình queđứng đơn độc thành chuỗi với nhau,đều là vi khuẩn Gram dương, khôngsinh bào tử, không di động Tuy nhiên, hiện nay người ta tìm thấy một sốgiống trong họ vi khuẩn lactic có khả năng tạo bào tử Vi khuẩn lactickhông khử nitrate, phản ứng catalase âm tính, kỵ khí tuỳ ý, một vài loài kýkhí sống trong hệ tiêu hoá của con người.chúng chủ yếu phân phải cácdạng cacbonhydrat đơn giản để lấy năng lượng đồng thời cũng sản sinh ra

acidlactic, etanol, acid acetic, CO2…, chúng dễ dàng lên men chuyểnhóa các dạng đường đơn: glucoza, frutoza, manose, galatose…đườngđôi saccaroza, mantoza…Nhưng không có khả năng chuyển hóa các loaigluxit phức tạp hay tinh bột, dextrin Vi khuẩn lactic lên men tốt nhất ở điều+\kiện là 15-50°C, pH = 5,5 - 6, phụ thuộc vào mỗi loài thì có mộtngưỡng tối ưu khác nhau, ở nhiệt độ 80oC thì vi khuẩn lactic bị tiêu diệt.Chúng khôn chứa cytochrome và enzyme catalase nhưng nhờ khả năng

tự tổng hợp được enzyme peroxidase và qua đó các vi khuẩn lactic có khảnăng phân giải được H2O2 để tạo thành H2O và O2 để phục vụ cho quátrình sống nên đa số vi khuẩn lactic thuộc và nhóm hiếu khí tùy tiện

II.3 Phân loại

Người ta dựa vào quá trình lên men chia vi khuẩn lactic thành hai loại:vikhuẩn lactic lên men đồng hình và dị hình

II.3.1 Vi khuẩn lactic dị hình

Khi tiến hành lên men các dung dịch đường, các vi khuẩn lactic dị hìnhthường tạo ra lượng acid lactic không lớn lắm Ngoài acid lactic chúng còntạo ra hàng loạt các sản phẩm khác như acid acetic, ethanol, CO2 Một sốloài vi khuẩn lactic dị hình được nghiên cứu như sau:

- Lactobacillus pasteurianus

Trực khuẩn, gram dương, kích thước rộng 0,5 – 1μm; dài 7,0 – 35μm.m; dài 7,0 – 35μm; dài 7,0 – 35μm.m.Trong thiên nhiên chúng tồn tại riêng lẽ, không di động Có khả năng lênmen được, glucose, fructose, galactose, maltose, saccharose, mannitol,dextrin Trong quá trình lên men tạo một số sản phẩm như CO2, alcohol,acid lactic, acid acetic Nhiệt độ thích hợp 29 - 33oC, pH thích hợp

- Lactobacillus brevis

Thuộc trực khuẩn, gram dương, không có khả năng di động, kích thướcrộng 0,7 - 1,0μm; dài 7,0 – 35μm.m, dài 2,0 - 4,0 μm; dài 7,0 – 35μm.m Trong thiên nhiên chúng liên kết vớinhau thành chuỗi Trong quá trình phát triển, chúng có thể sử dụng lactatcanxi như nguồn cung cấp cacbon Chúng có khả năng lên men các loạiđường như glucose, fructose, galactose, maltose Chúng hiếm khi lên menmannitol, glycerol, dextrin, và tinh bột Chúng không hóa lỏng gelatin

- Lactobacillus lycopessici

Trực khuẩn, gram dương, trong thiên nhiên chúng tồn tại từng đôi một, cókhả năng tạo bào tử Trong quá trình lên men đường, chúng tạo ra cồn,acid lactic, acid acetic và CO2

- Streptococcus cumoris

Thuộc loài cầu khuẩn, trong thiên nhiên chúng tồn tại thành từng chuỗi rấtdài Thuộc gram dương, nhiệt độ thích hợp phát triển là 30oC, không pháttriển ở nồng độ NaCl 4% Khi lên men đường tạo ra acid acetic, diacetyl,CO2 Chúng có khả năng tạo ra những chất kháng khuẩn

- Streptolacticus lactic

Thuộc chồi cầu khuẩn, gram dương, nhiệt độ phát triển từ 10 – 450C, cókhả năng chịu được nồng độ NaCl 4% Khi lên men đường glucose,maltose, lactose, xylose, saccharose, mannitol, tạo ra acid lactic, acidacetic, diacetyl, CO2 Chúng không có khả năng lên men được glycerol,sorbitol

- Streptococcus faecalis

Chúng tạo thành chuỗi tế bào hình cầu, gram dương Nhiệt độ tối ưu 370C,nhiệt độ sinh trưởng 10 – 450C, có thể phát triển duới hoặc 50C, hiếm khiphát triển ở 50oC Có khả năng sống sót ở 62,8oC trong 30 phút Phát triển

ở pH 9,6 Chịu được nồng độ NaCl 2%, 4% và 6,5% Có khả năng lên menđường glucose, maltose, lactose và luôn luôn lên men mannitol; có hoặckhông thể lên men sucrose, glycerol, sorbitol

II.3.2 Vi khuẩn lactic đồng hình

Khi tiến hành lên men các dung dịch đường thì vi khuẩn lactic đồng hìnhthường tạo ra acid lactic là chủ yếu Một số loài vi khuẩn lactic điển hìnhđược nghiên cứu kỹ như sau:

- Lactobacillus acidophilus

Lần đầu tiên được phân lập bởi Moro được phân lập từ phân của trẻ sơsinh đã qua phẩu thuật và bê mới đẻ Có dạng hình que, chịu nhiệt, quátrình lên men tạo ra 2,2 % acid lactic Chúng có kích thước rộng 0,6 - 0,9μm; dài 7,0 – 35μm.m, dài 1,5 - 6,0μm; dài 7,0 – 35μm.m Trong thiên nhiên chúng tồn tại riêng lẽ Đôi khi chúngtạo thành những chuỗi ngắn Trên môi trường gelatin: chúng không pháttriển ở 200C, không có khả năng hóa lỏng Trên môi trường khoai tây thìkhông phát triển Chúng thuộc nhóm vi khuẩn gram dương và không diđộng Chúng có khả năng lên men đường như glucose, fructose,galactose, maltose, lactose, để tạo acid lactic Chúng không có khả nănglên men glycerol, mannitol, sorbitol Không thể phát triển được trong môitrường không có carbohydrate Nhiệt độ tối ưu 37oC Nó phát triển từ 20 –

22oC Nhiệt độ phát triển tối đa 43 – 48OC

- Lactobacillus bulgaricus

Chúng được tìm ra do Mesnhicov ở sữa chua Bungari Thuộc loại trựckhuẩn có kích thước rất dài, liên kết với nhau tạo thành chuỗi, gramdương Chúng không có khả năng di động, có khả năng lên men các loạiđường như glucose, lactose, galactose Có thể hoặc không thể lên menfructose, maltose và sucrose không lên men được xylose, mannitol,dextrin Chúng không có khả năng tạo ra nitrit từ nitrate.

Quá trình lên men tạo 3,7% acid lactic Trên môi trường khoai tây, cókhuẩn lạc trắng vàng, pH thích hợp cho sự phát triển là pH = 5,2 - 5,6.Nhiệt độ tối ưu 45 – 50oC Tối thiểu 22oC Trong sản xuất qui mô lớn,chúng thường được chọn để lên men tạo acid lactic, sau đó dùng Ca(OH)2

để trung hòa lượng acid lactic tạo thành Nhiệt độ lên men 430C, với nhiệt

độ này đủ để ức chế các vi sinh vật gây nhiễm mà không ức chế L.

bulgaricus.

- Lactobacillus bifidus

Trực khuẩn rất nhỏ, kích thước trung bình khoảng 4μm; dài 7,0 – 35μm.m, không có khảnăng di động, thuộc gram dương Chúng có thể đứng riêng lẽ, cặp vàchuỗi ngắn Có khả năng lên men được các loại đường như glucose,fructose, galactose, saccharose, dextrin, tinh bột và maltose

- Lactobacillus causaciccus

Trực khuẩn ngắn, không có khả năng di động, gram dương Chúng có khảnăng lên men các loại đường như glucose, fructose, galactose, maltose,lactose, mannitol Nhiệt độ phát triển tối ưu là 48 – 55oC

- Lactobacillus delbrueckii

Thường gặp chúng trên hạt đại mạch Vi khuẩn chịu nhiệt, được tìm thấy

ở các loài hạt ngũ cốc và tinh bột, đây là một giống vi khuẩn có khả năngđồng hóa được tinh bột Trực khuẩn dài, kích thước 0,5 - 0,8 μm; dài 7,0 – 35μm.m; 2,0 - 9,0μm; dài 7,0 – 35μm.m, không di động, gram dương Quá trình lên men tạo 2,5 % acid lactic