Khi enzyme rennet (chymosin) được cho vào sữa, sau một thời gian nhất định, sữa bắt đầu đông lại và trở thành một mạng lưới gel ba chiều. Giai đoạn đầu tiên là sự thủy phân protein, trong đó chymosin cắt chuỗi polypeptid của kcasein tại vị trí liên kết peptid giữa acid amin phenylalanine 105 và methionin 106, tạo thành 2 đoạn: 1 đoạn ưa nước đầu (–COOH) chứa các nhánh glycan gọi là caseino macropeptid (CMP) hay còn gọi là glyco macropeptid (GMP) ; 1 đoạn kị nước đầu (–NH2 ) là parakcasein. Khi đó các đoạn caseinomacropeptid tách ra khỏi hệ micelle và phân tán vào pha nước của sữa, dẫn đến các micelle bị mất lớp vỏ ưa nước. Khi đó giai đoạn 2 của quá trình đông tụ bắt đầu: các casein kị nước αs1, αs2,βcasein bên trong micelle được giải phóng, cùng với các parakcasein chúng liên kết lại với nhau bởi cầu nối Ca 2+ tạo thành khối đông casein sữa. Khối đông này lớn dần lên tạo mạng lưới gel 3 chiều giữ nước, chất béo bên trong.
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC
Trang 2MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: THÀNH PHẦN CẤU TẠO, ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC CỦA SỮA 5
1.1 Nước 5
1.2 Chất béo sữa 5
1.3 Protein 10
1.4 Lactose 13
1.5 Chất khoáng: 14
1.6 Vitamin……… 14
CHƯƠNG 2: CƠ CHẾ ĐÔNG TỤ SỮA DO ENZYME VÀ VI SINH VẬT 15
2.1 Cơ chế đông tụ sữa do enzym rennet (chymosin) 15
2.2 Cơ chế đông tụ sữa do vi sinh vật 19
CHƯƠNG 3: BIẾN ĐỔI CỦA SỮA TRONG QUÁ TRÌNH CHẾ BIẾN & BẢO QUẢN 22
3.1.Biến đổi sinh học và phương pháp hạn chế các biến đổi 22
3.2Các biến đổi hóa học và hóa sinh, phương pháp hạn chế các biến đổi 26
3.3.Các biến đổi vật lý 30
3.4.Các biến đổi hóa lý 30
TÀI LIỆU THAM KHẢO 32
Trang 3DANH MỤC BẢNG
DANH MỤC HÌNH
Trang 4CHƯƠNG 1: THÀNH PHẦN CẤU TẠO, ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC CỦA SỮA
Thành phần cấu tạo của sữa bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau như: con giống,gen, giai đoạn sinh trưởng, chế độ dinh dưỡng, tình trạng sức khoẻ của con giống, thời tiết vàđiều kiện môi trường sống sẽ ảnh hưởng và quyết định đến các thành phần trong sữa
Bảng 1.1: Thành phần cấu tạo của sữa.
Thành phần Tỉ lệ (%)
Tổng chất khô 11 – 14Chất béo sữa 3 – 6
1.2 Chất béo sữa
Chất béo là một trong những thành phần quan trọng nhất của sữa Hàm lượng chất béocủa sữa thay đổi trong một phạm vi khá rộng Có loại sữa ít béo, khoảng 3g trong 100ml sữa, có
Trang 53 - 6% Chất béo của sữa dưới dạng những hạt hình cầu rất nhỏ, kích thước trong khoảng từ nhỏhơn 1 đến 15 µm Kích thước của những hạt chất béo phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: loàigiống, tùy từng con vật, thời gian khác nhau trong thời kỳ tiết sữa … Các hạt chất béo kíchthước lớn thì dễ tách ra khỏi sữa hơn là những hạt chất béo có kích thước nhỏ Khi để sữa yênlặng một thời gian, các hạt chất béo của sữa sẽ nổi lên trên mặt thành một lớp váng mỏng gọi làváng sữa.
Dưới kính hiển vi, váng sữa có thể được nhìn thấy như là số lượng lớn những hạt cầu cókích thước khác nhau trôi nổi trong dung dịch sữa (Hình 1) Mỗi tiểu cầu thì được bao quanh bởilớp vỏ mỏng gọi là lớp màng giọt béo sữa (MFGM) MFGM hoạt động như là một tác nhân nhũhoá để tạo dung dịch nhũ tương trong sữa (chất béo trong nước) Dung dịch nhũ tương này cóthể bị phá vỡ bởi tác nhân vật lý như lắc đều Lớp màng này bảo vệ chất béo khỏi enzymes vàngăn những tiểu cầu béo này liên kết với nhau tạo thành hạt bơ
Hình 1.1: Hạt cầu béo trong sữa
Cấu tạo bên ngoài của MFGM được biểu diễn trong Hình 2 Một lớp màng lipid đôi phâncực nằm trên lớp màng lipid đơn phân cực bên trong của MFGM Lớp màng protein đặc biệt thì
Trang 6đơn phân cực bên trong Xanthine dehydrogenase/oxidase (XDH/XO) thì nằm giữa hai l71pmàng đôi Mucin 1 (MUC1), butyrophilin (BTN), cụm phân biệt 36 (CD36) và periodicacid/Schiff III (PAS III) thì nằm bên ngoài lớp màng kép Periodic acid/Schiff 6/7 (PAS 6/7) vàproteose peptone 3(PP3) thì được đính kèm lỏng lẻo bên ngoài MFGM Choline chứaphospholipids, PC và SM và Glycolipids, cerebrosides và ganliosides thì nằm bên ngoài màng,trong khi phosphatidyl ethanolamine (PE), phosphatidylserine (PS) và phosphatidylinositol (PI)thì tập trung chủ yếu ở bên trong bề mặt của lớp màng.
Hình 1.2: Cấu tạo của hạt cầu béo với những thành phần chính của lớp màng giọt béo sữa
(MFGM).
Cấu tạo bên trong của MFGM là một lớp màng lipid đơn phân cực và protein bao quanhnội bào giọt béo với dày đặc các electron có protein bao bên ngoài bề mặt bên trong của lớpmàng kép Lớp phospholipid kép có vai trò như là bộ khung để nâng đỡ lớp màng và để chonhững chất lỏng đi qua
Tính chất tự nhiên của lipid phân cực (phospholipids và sphingolipids) trong lớp màngMFGM có những ảnh hưởng quan trọng đến độ bền của pha béo trong sữa và những thay đổi xảy
ra trong suốt quá trình chế biến sữa và kem Hình 3 tóm tắt những yếu tố ảnh hưởng đến thànhphần của lớp màng MFGM như: giống, giai đoạn cho sữa, bò bị bệnh, quá trình chế biến: bảo
Trang 7quản, làm lạnh đồng hóa, xử lí nhiệt, sấy khô, vật nuôi bị căng thẳng, vi khuẩn từ môi trường,nhiễm kim loại của vật chứa… điều này sẽ gây ảnh hưởng đến chất lượng các sản phẩm chế biến
từ sữa như: chất béo bị thủy phân, tỉ lệ kem sữa thay đổi, thời gian chần trong sản xuất bơ sữa,kem sữa bị đắng, bị oxy hóa, mùi đun nấu…
Hình 1.3: Những yếu tố ảnh hưởng đến thành phần của lớp màng MFGM.
Triacyglycerol chiếm khoảng 97 – 98% của tổng chất béo sữa Thành phần acid béo củatriacyglycerol bị ảnh hưởng bởi con giống, chăn nuôi, và mùa Chất béo bão hoà thấp trong mùa
hè và cao hơn trong mùa đông Chất béo sữa không bị ảnh hưởng rõ ràng bởi việc thay đổi chế
độ ăn chứa lipid vì một vài loại lipid được chuyển hoá bởi hệ vi sinh trong dạ dày của con bò.Tuy nhiên, sự thay đổi của chất béo sữa có thể bị ảnh hưởng bởi chế độ cho ăn có
Trang 8sinh trong dạ dày bò Điều này, cho phép thành phần acid béo của chất béo sữa được thay đổi vàhàm lượng chất béo không bão hoà được thay đổi Thành phần acid béo của sữa bò thì đa dạnghơn bất kỳ những sản phẩm tự nhiên khác Bảng 2 cho biết hàm lượng acid béo no bão hoàchiếm 70%, không bão hoà một nói đôi 25%, không bão hoà đa cấu hình cis 2,3%, và acid béocấu hình trans là 2,7% Acid béo mạch dài (C14 – C23) chiếm 85% và acid béo mạch ngắn (C4 –C6) là 15% tổng acid béo trong triacylglycerol của chất béo sữa.
Bảng 1.2: Thành phần acid béo (% w/w) có trong tổng acid béo trong sản phẩm sữa ở
Swedish năm, 2001 (Mansson, 2008).
Trang 91.3 Protein
Protein là một nhóm chất cực kỳ quan trọng của các hợp chất tự nhiên, là yếu tố cần thiếttrong tất cả các quá trình sống của sinh vật Nó thực hiện nhiều loại chức năng khác nhau trongquá trình chuyển hoá từ tham gia cấu trúc cho đến tái sản sinh của sự sống Protein của sữa đónggóp phần quan trọng nhất của sữa đối với chế độ dinh dưỡng cho con người Các protein củasữa là những protein hoàn thiện Protein là những polymer của amino acid Trong thành phầnprotein của sữa có đến 20 loại axit amin khác nhau, trong đó có đầy đủ các acid amin khôngthay thế được như: valin, lơxin, izolơxin, metionin, treonin, phenylalanin, triptophan và lyzin
Công thức tổng quát của protein là:
Trong đó, R đại diện cho gốc hữu cơ sinh học, mỗi amino acid có gốc R khác nhau làmcho những amino acid khác nhau thì có tính chất khác nhau, hàm lượng và sự phân bố của aminoacid trong protein sẽ ảnh hưởng đến chức năng sinh học của protein
Trong sữa có 3 loại protein chủ yếu : Casein chiếm khoảng 80%, lactalbumin chiếm 12%
và lactoglobulin chiếm 6% trong toàn bộ lượng protein có trong sữa và còn một vài loại proteinkhác nhưng hàm lượng không đáng kể
Hình 1.4: Thành phần các loại protein trong sữa (F.O'Mahony, 1988)
Trang 10Hình 1.5: Hình ảnh của Micelle casein qua kính hiển vi điện tử (Dalgleish và cộng sự, 2004)
Nó bao gồm nhiều loại casein khác nhau: -casein, -casein, -casein, -casein là thểphức hợp phosphoryl gồm có s1, s2, s3, s4, s5, s6-casein -casein là thành phần chủyếu có trong sữa bò nhưng lại là thứ yếu trong sữa người -casein là một glycoprotein và nóhiện diện khắp nơi trong thể micelles casein Chính vì vậy mà micelles casien ở trạng thái ổnđịnh
-casein và -casein không tan trong sữa tươi Các protein này chứa nhóm phosphate(phosphate chiếm khoảng 0.8% trong toàn casein) và nhóm phosphate này kết hợp với ion
Ca2+ Sự trung hòa một phần lớn các điện tích âm ngăn ngừa -casein và casein kết khối vàkết tủa Hai phân tử -casein và -casein có thể tồn tại một cách ổn định trong sữa là do có sựhiện diện của -casein Casein không tồn tại tự do trong sữa nhưng tồn tại dưới dạng các hạtmicelles có kích thước từ 0.003m đến 0.3m Trung bình mỗi hạt chứa hàng ngàn phân tử -
Trang 11casein và -casein Hiệu quả bảo vệ của -casein có thể là do nó góp phần gia tăng điện tích âm
của hạt mà không kết hợp với ion Ca2+
Mỗi hạt casein chứa khoảng 70% nước và 30% chất khô Trong thành phần chất khô:casein chiếm khoảng 93% , muối chiếm khoảng 7% (chủ yếu là canxi photphat)
s1-casein: chiếm khoảng 40% trong tổng số -casein và có 199 gốc amino acid (trong
đó có 8,4% là gốc prolyl trong chuỗi polypeptide)
s2-casein: chiếm khoảng 10% trong tổng số -casein và có 207 gốc amino acid Nó là
casein ưa nước, có 10 – 13 gốc phosphoseryl nằm ở ba đoạn trong chuỗi polypeptide gồm:
8 - 16, 56 – 61 và 129 – 133
-casein: chiếm khoảng 13% trong tổng số casein và có 207 amino acid (trong đó có
16.7% là proline trong chuỗi polypeptide) -casein kỵ nước nhất so với các casein khác, dễ bịthuỷ phân khi tách ra khỏi hạt keo
-casein: chiếm khoảng 3% trong tổng số casein
-casein: chiếm khoảng 36% trong tổng số casein, và có 169 gốc amino acid (trong đó có
11.8% là proline trong chuỗi polypeptide), không hoà tan trong nước Các -casein phân bố chủyếu trên bề mặt hạt keo làm cho các hạt keo có tính colloid Các đầu cacbon háo nước của -casein đưa ra ngoài giúp cho sự ổn định của các hạt keo
Whey protein
Whey cũng là một sản phẩm chính trong công nghệ sản xuất pho mát và casein Trướcđây whey được coi như là một phụ phẩm trong quá trình sản xuất pho mát và casein Tuy nhiên,hiện nay whey được coi như là một loại thực phẩm chức năng bởi những hoạt tính sinh học từnhững cấu phần có trong whey protein Nó gồm một nhóm protein có khả năng hoà tan trongserum sữa hoặc kết tủa whey và tách khỏi casein tại pH = 4,6 ở 20oC Giống như protein trongtrứng, whey protein có thể bị kết tủa bởi nhiệt Khi bị đông tụ, whey có thể được bao phủ bởimột lớp casein trong sản xuất loại pho mát chua
Một số whey protein chính là: β-lactoglobulin (β-LG) và α-lactoalbumin (α-LA) là nhữngprotein hình cầu chiếm khoảng 70 – 80% trong tổng số whey protein Ngoài ra, trong whey còn
Trang 12có những protein khác có tác dụng kháng khuẩn như: lactoferrin, Immunoglobulins (Ig) và cácenzyme: lactoperoxidase, lipase, peroxidase, catalase, phosphatase… nhưng chiếm số lượng nhỏhơn.
β-Lactoglobulin còn gọi là globulin của sữa Hàm lượng lactoglobulin trong sữa
khoảng 0,1% theo khối lượng và chiếm tỉ lệ 3% so với lượng protein chung Globulin sữa cónhiều trong sữa non, thuộc loại protein đơn giản và là protein hoàn thiện Trong sữa, globulintồn tại dưới dạng keo và có độ phân tán kém hơn so với albumin sữa khoảng 18.000 lần.Globulin có 3 dạng đồng phân: β-glactoglobulin, epglobulin và pseudoglobulin Chúng khácnhau về khả năng hòa tan nước và tính kháng trùng β-lactoglobulin không tan trong nước, hòatan tốt trong dung dịch muối loãng, epglobulin tan trong nước khi có mặt muối Pseudoglobulinhòa tan trong nước nguyên chất
α –Lactoalbumin(α-LA)Lactoalbumin(α-LA) còn gọi là albumin của sữa Hàm lượng α-lactoalbumin trong
sữa khoảng từ 3 - 4% trong tổng protein sữa hoặc chiếm khoảng 20% trong whey protein Nó làmột protein hình cầu chứa 123 gốc amino acid Trong sữa non có nhiều α-lactoalbumin hơn sữathường α-LA cùng với β1,4- galactosyltransferase là cơ sở hình thành nên hợp chất lactose do cókhả năng chuyển galactose thành glucose Khác với casein, lactoalbumin ở trong sữa dưới dạnghòa tan Dưới tác dụng của nhiệt độ cao lactoalbumin bị đông tụ Trong môi trường acid, khităng nhiệt độ thì mức độ đông tụ nhanh và mau Các enzim làm đông tụ casein không có khảnăng làm đông tụ lactoalbumin Sau khi đông tụ, lactoalbumin mất khả năng hòa tan lại trongnước, nó chỉ có thể hòa tan lại trong một vài loại dung môi
Lactoferritin là thành phần chính của nhóm protein với những tính chất liên kết ion sắt.
Nó là một chuỗi polypeptide đơn gồm 689 amino acid với nhiều gốc đường khác nhau.Lactoferritin cung cấp sự bảo vệ chống lại bệnh tật liên quan đến sự lây nhiễm, viêm và chốnglại sự hoạt động của vi rút Nó chiếm khoảng 8% trong tổng số whey protein trong sữa và theomiễn dịch học nó xác định lượng albumin trong máu Lactoferritin chứa 583 amino acid và 17gốc disulfide Nó đóng vai trò quan trọng trong việc vận chuyển, chuyển hoá, và phân phối cũngnhư là bảo vệ các gốc tự do
1.4 Lactose
Gluxit có ở trong sữa chủ yếu là lactose Hàm lượng lactose trong sữa khoảng 4,5-5,1%tùy theo từng loại sữa Đối với sữa bò hàm lượng này khoảng 4,9% Lactose ở trong sữa dưới
Trang 13dạng hòa tan Lactose khó bị thủy phân hơn các loại đường khác Lactose bị thủy phân sẽ chomột phân tử glucose và một phân tử galactose, 2 phân tử này liên kết với nhau bằng liên kết α-1,4 glycosidic (Hình 6).
Hình 1.6: Cấu tạo của phân tử Lactose
Ở nhiệt độ cao, lactose bị biến thành caramen Vì vậy khi khử trùng sữa, một phầnlactose bị caramen hóa nên màu của sữa sau khi đã khử trùng thường sẫm hơn lúc chưa khửtrùng, đồng thời lactose còn có thể kết hợp với các nhóm amin của protein sữa (casein) để tạothành hợp chất melanoidin có màu sẫm
Dưới tác dụng của vi khuẩn lactic, lactose bị lên men thành acid lactic gọi là quá trìnhlên men lactic Dưới tác dụng của vi khuẩn propionic, acid lactic có thể chuyển hóa thành acidpropionic, acid acetic và khí cacbonic Phản ứng này là cơ sở của quá trình chế biến một số loạicheese Sự lên men lactic được ứng dụng rộng rãi vào việc sản xuất ra các sản phẩm chế biếncủa sữa như sữa chua, pho mát…
1.5 Chất khoáng:
Nhiều công trình nghiên cứu đã xác nhận lượng chất khoáng của sữa có thể thỏa mãn đầy
đủ nhu cầu về chất khoáng cho cơ thể Hàm lượng chất khoáng trong sữa khoảng 0,6-0,8% tùytừng loại sữa Hàm lượng khoáng trong sữa bò khoảng 0,7% Chất khoáng trong sữa có rất nhiềuloại như: kali, canxi, natri, magiê, sắt, mangan, iốt, nhôm, crôm,… Trong đó kali và canxi nhiềunhất Các loại muối khoáng ở trong sữa có nhiều loại, phổ biến là muối photphat, clorua, citrat,caseinat…
1.6 Vitamin:
Trang 14Sữa là thức ăn có chứa rất nhiều loại vitamin cần thiết cho cơ thể, nhưng hàm lượng cácvitamin không cao lắm Số lượng và hàm lượng các loại vitamin trong sữa phụ thuộc vào nhiềuyếu tố như thức ăn, điều kiện chăn nuôi, giống loài và tuổi của các loại gia súc Trong sữa bò córất nhiều loại vitamin tan trong chất béo (vitamin A, D, E, K…), nhóm vitamin tan trong nước(vitamin B1, B2, B12, C, PP…).
CHƯƠNG 2: CƠ CHẾ ĐÔNG TỤ SỮA DO ENZYME VÀ VI SINH VẬT
2.1 Cơ chế đông tụ sữa do enzym rennet (chymosin)
Casein bình thường tồn tại trong sữa dưới dạng các hạt keo với lớp vỏ ưa nước k-casein(là một glycoprotein), gọi là các micelle casein Mỗi micelle casein với đường kính trung bìnhkhoảng 200 nm, chứa hàng ngàn phân tử α-casein, β-casein liên kết với nhau bởi cầu nối canxiphosphate bên trong các micelle Tính toàn vẹn của cấu trúc micelle là do các tương tác casein-canxi, liên kết hydro, tương tác tĩnh điện và kỵ nước Protein k-casein đóng vai trò chính trongviệc ổn định cấu trúc của hệ thống các hạt micelle casein trong sữa, do sự tích điện âm của nógây ra lực đẩy tĩnh điện giữa các micelle và nhánh glucan ưa nước tại đầu (–COOH) trong phân
tử của nó tạo thành các sợi bao quanh bề mặt micelle
Trang 15Hình 2.1: Cấu tạo một micelle casein A: lõi casein bên trong gồm: α s1 , α s2 ,β-casein; B :chuỗi
glycan bề mặt; C: liên kết Phosphat canxi; D: k-casein; E: nhóm phosphat
Hình 2.2: Cấu trúc phân tử k-casein
Trang 16Khi enzyme rennet (chymosin) được cho vào sữa, sau một thời gian nhất định, sữa bắtđầu đông lại và trở thành một mạng lưới gel ba chiều Giai đoạn đầu tiên là sự thủy phân protein,trong đó chymosin cắt chuỗi polypeptid của k-casein tại vị trí liên kết peptid giữa acid aminphenylalanin 105 và methionin 106, tạo thành 2 đoạn: 1 đoạn ưa nước đầu (–COOH) chứa cácnhánh glycan gọi là caseinomacropeptid (CMP) hay còn gọi là glycomacropeptid (GMP) ; 1đoạn kị nước đầu (–NH2 ) là para-k-casein Khi đó các đoạn caseinomacropeptid tách ra khỏi hệmicelle và phân tán vào pha nước của sữa, dẫn đến các micelle bị mất lớp vỏ ưa nước Khi đógiai đoạn 2 của quá trình đông tụ bắt đầu: các casein kị nước αs1, αs2,β-casein bên trong micelleđược giải phóng, cùng với các para-k-casein chúng liên kết lại với nhau bởi cầu nối Ca 2+ tạothành khối đông casein sữa Khối đông này lớn dần lên tạo mạng lưới gel 3 chiều giữ nước, chấtbéo bên trong
Hình 2.3: Chymosin thủy phân k-casein