ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP H ồ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Lê Văn Việt Mân GIẤO TRÌNH CÔNG NGHỆ SẴN XUẤT CÁC SÂN PHẨM Từ SỮA VÀ THỨC UỐNG PHA CHÍ TẬP 1 CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CÁC SẢN PHẨM TỪ SỮA NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH 2010MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 7 Phẫn 1: NGUYÊN LIỆU NGÀNH CÔNG NGHIỆP CHẾ BIẾN SỮA 9 1.1 Giới thiệu về sữa bò 11 1.1.1 Một số tính chất vật lý 11 1.1.2 Thành phần hóa học 12 1.1.3 Các tính chất hóa lý 36 1.2 Hệ vi sinh vật trong sữạ bò 40 1.2.1 Nguồn gốc hệ vi sinh vật trong sữa 40 1.2.2 Hệ vi sinh vật trong sữa 42 1.3 Vắt sữa, vận chuyển và bảo quản sữa trước khi chế biến 50 1.3.1 Quả trình vắt sữa 50 1.3.2 Quá trình vận chuyển sữa từ nơi thu hoạch về nhà máy chế biến 51 1.3.3 Quá trình bảo quản sữa trước khi chế biến 54 1.4 Câu hỏi ôn tập phần 1 64 Phần 2: CÁC QUÁ TRÌNH c ơ BẢN TRONG CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN SỮA 65 2.1 Các quá trình vật lý 67 2.1.1 Quá trình ly tâm 67 2.1.2 Quá trình đồng hóa 73 2.1.3 Quá trình phân riêng bằng membrane 87 2.1.4 Quá trình thanh trùng và tiệt trùng 107 2.2 Các quá trình hóa lý 128 2.2.1 Quá trình bài khí 128 2.2.2 Quá trình cô đặc bằng nhiệt 131 2.2.3 Quá trình sấy phun 142 2.2.4 Quá trình đông tụ casein 157 2.3 Các quá trình sinh học 167 2.3.1 Quá trình nhân giống vi sinh vật 167 2.3.2 Quá trình lên men 186 2.4 Câu hỏi ôn tập phần 2 202P hần 3: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CÁC SẢ N PHẨM TỪ SỮA 203 J 3.1 Công nghệ sản xuất sữa thanh trùng 205 3.1.1 Giới thiệu chung 205 3.1.2 Quy trình công nghệ 206 3.1.3 Sản phẩm sữa thanh trùng 213 3.2 Công nghệ sản xuất sữa tiệt trùng 213 3.2.1 Giới thiệu chung 213 3.2.2 Quy trình công nghệ 214 3.2.3 Sản phẩm sữa tiệt trùng 220 3.3 Công nghệ sản xuất sữa cô đặc 221 3.3.1 Giới thiệu chung 221 3.3.2 Nguyên liệu trong sản xuất sữa cô đặc 222 3.3.3 Quy trình công nghệ sản xuất sữa đặc không ngọt 224 3.3.4 Quy trình công nghệ sản xuất sữa đặc có đường 227 3.3.5 Sản phẩm sữa cồ đặc 230 3.4 Công nghệ sản xuất sữa bột 232 3.4.1 Giới thiệu chung 232 3.4.2 Nguyên liệu trong sản xuất sữa bột 233 3.4.3 Quy trình công nghệ sản xuất sữa bột nguyên cream 234 3.4.4 Quy trình công nghệ sản xuất sữa bột gầy 241 3.4.5 Quy trình công nghệ sản xuất sữa bột tan nhanh (instant milk powder) 242 3.4.6 Quá trình lecithin hóa trong công nghệ sản xuất sữa bột 243 3.4.7 Sản phẩm sữa bột 243 3.5 Công nghệ sản xuất sữa lên men 246 3.5.1 Giới thiệu chung 246 3.5.2 Công nghệ sản xuất sữa lên men yaourt 248 3.5.3 Công nghệ sản xuất sữa lên men kefir 262 3.6 Công nghệ sản xuất phô mai 268 3.6.1 Giớị thiệu chung 268 3.6.2 Nguyên liệu trong sản xuất phô mai 269 3.6.3 Công nghệ sản xuất phô mai mềm không qua giai đoạn ủ chín (phô mai tươi) 2723.6.4 Công nghệ sản xuất phô mai mềm và bán mềm có qua giai đoạn ủ chín 277 3.6.5 Công nghệ sản xuất phô mai bán cứng, cứng và rất cứng 295 3.6.6 Công nghệ sản xuất phô mai nấu chảy 301 3.7 Công nghệ sản xuất bơ 306 3.7.1 Giới thiệu chung 306 3.7.2 Nguyên liệu trong sản xuất bơ 307 3.7.3 Quy trình công nghệ sản xuất bơ 309 3.7.4 Sản phẩm bơ I 321 3.8 Công nghệ sản xuất kem 322 3.8.1 Giới thiệu chung 322 3.8.2 Nguyên liệu trong sản xuất kem 322 3.8.3 Quy trình công nghệ sản xuất kem 326 3.8.4 Kem thành phẩm 334 3.9 Câu hỏi ôn tập phần 3 335 TÀI LIỆU THAM KHẢO 336LỜI NÓI ĐẦU Ngành công nghiệp thực phẩm bao gồm nhiều lĩnh vực chuyên môn khác nhau như chế biền lương thực; sản xuất bánh, kẹo; chế biến rau, quả; chè biên trà, că phè, ca cao; sản xuất dầu béo; chế biến thịt, thủy sản; sản xuât các sảh phẩm từ sữa; sari xuất thức uống pha chế, thức uống lèn men... Trong chương trình đào tạo kỹ sư ngành Công nghệ thực phẩm tại Trường Đại học Bách khoa Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, các kiến thức công nghệ thuộc hai lĩnh vực: sản xuất các sản phẩm từ sữa và sản xuất thức uống dạng pha chế được gộp chung lại trong nội dung môn học “Công nghệ sản xuất các săn phẩm từ sữa và thức uống pha chế”. Đây là một trọng sô các môn học chuyên ngành của sinh viên đang theo học tại trường. Mục tiêu của môn học nhằm cung cấp cho sinh viên những kiến thức về nguyền phụ liệu, quy trình sản xuất và chỉ tiêu đánh giá chất lượng các săn phẩm thuộc hai lĩnh vực nói trên. Do sự khác biệt về thành phần hóa học và các tính chất của nguyên liệu, cơ sở khoa học của công nghệ sản xuất các sản phẩm từ sữa và các sản phẩm thức uống dạng pha chế là khác nhau. Do đó, nội dung môn học đõ, được biên soạn thành 2 quyển sách riêng biệt để lầm tài liệu tham khảo cho sinh viên. Quyển “Công nghệ sản xuất các sản phẩm từ sữa đã được xuất bản lần đầu tiên vàố năm 2004. Đến năm 2006, quyển “Công nghệ sản xuất thức uống” được xuất bản. Cả hai tài liệu nổi trên đều do Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh xuất bản. Từ đó đến nay, các quyển sách này đã được nối bản và tái bản. Lần này, chúng tôi biên soạn lại nội dung của hai quyển sách nói trên với mục đích làm giáo trình môn học “CÔNG NGHỆ SAN XUAT CAC SẨN PHẨM TỪ SỮA VÀ THỨC UỐNG PHA CHẾ cho sinh viển Trường Đại học Bách khoa Đại học Quôc giữ TP. Hô Chí Minh. Các đề mục trong giáo trình được bố cục theo đề cương môn học “Công nghệ sản xuất các săn phẩm từ sữa và thức uống pha chế” dã được Hội đồng khoa học của Khoa và Trường phê duyệt. Giáo trình được chia thành hai tập: Tập i: “Công nghệ sản xuất các sản phẩm từ sữa” Tập 2: “Công nghệ sản xuất thức uống pha chế”Quyển sách này là tập 1 của giáo trình nói trên. Nội dung tập 1 gồm có 3 phần chính: Phần 1 giới thiệu về sữa nguyên liệu: thành phần, tính chất, hệ vi sinh vật trong sữa, những điều cần lưu ý trong quá trình thu hoạch, vận chuyển và bảo quản sữa tươi trước khi chế biến. Phần 2 gồm các quá trinh cơ bản trong công nghiệp chế biến sữa. Đó là các quá trinh vật lý, hóa lý và sinh học. Phẩn 3 trình bày công nghệ sản xuất một số sản phẩm tiếu biểu từ sữa như sữa thanh trùng, sữa tiệt trùng, sữa cô đặc, sữa bột, sữa lên men (yaourt, kefir), phô mai, bơ và kem. Trong phần này, một sổ kỹ thuật mới trong các quy trinh chế biến sữa đã được giới thiệu như thanh trùng sữa bàng phương pháp vi lọc, cô đặc sữa trong sản xuất yaourt bằng phương pháp thẩm thấu ngược hoặc siêu lọc, vi bao chất béo để làm tăng chất lượng và hiệu suất thu hồi sản phẩm trong quả trinh sấy phun sản xuất sữa bột... Tập 1 của quyển giáo trình này cũng là tài liệu tham khảo cho các bạn đọc đang công tác trong lĩnh vực sản xuất các sản phẩm từ sữa. . Chúng tôi mong nhận được ỷ kiến đóng góp của bạn đọc về nội dung quyển giáo trình để những lần tái băn sau sách được hoàn chỉnh hơn. Thư từ góp ý xin gửi về: Bộ môn Công nghệ thực phẩm> Trường Đại học Bách khoa Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, 268 Lý Thường Kiệt, Q.10, TP Hồ Chí Minh, Điện thoại: (08) 38 64 62 51. Tác giả PGS. TS. Lê Văn Việt MẫnPHẨN 1 NGUYÊN LIỆU NGÀNH CÔNG NGHIỆP CHÍ BIẾN SỮANGUYÊN LIỆU NGÀNH CÔNG NGHIỆP CHÊ BIẾN SỮA 1.1 GIỚI T H IỆ U VỀ SỮ A BÒ 11 Sữa là một chất lỏng sinh lý được tiết ra từ tuyến vú của động vật và là nguồn thức ăn để nuôi sống động vật non. Từ xưa con người đã biết sử dụng sữa từ các dộng vật nuôi để chế biến thành nhiều loại thực phẩm quý giá. Hiện nay, ngành công nghiệp chế biến sữa trên thế giới tập trung sản xuất trên ba nguồn nguyên liệu chính là sữa bò, sữa dê và sữa cừu. Ớ nước ta, sữa bò là nguồn nguyên liệu chủ yếu cho ngành công nghiệp thực phẩm. Trong quyển sách này, chúng tôi chỉ đề cập đến nguồn nguyên liệu sữa bò và các sản phẩm chế biến công nghiệp từ sữa bò. Sữa là một chất lỏng đục. Độ đục của sữa là do các chất béo, protein và một số chất khoáng trong sữa tạo nên. Màu sắc của sữa phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng pcaroten có trong chất béo của sữa. Sữa bò thường có màu từ trắng đến vàng nhạt. Sữa gầy (sữa đã được tách béo skimmilk) thường trong hơn và ngả màu xanh nhạt. Sữa bò có mùi rất đặc trưng và vị ngọt nhẹ. B ảng 1.1 Một sô chỉ tiêu vật lý quan trọng của sữa bò Đại lượng Đdn vị đo Giá trị Đại lượng Đờn vj do Giá trị Tỷ trọng Điểm đông đặc Độ dẫn điện gcm3 °c 1ohm.cm 1,028 + 1,036 0,54 + 0,59 0,004 ■ 0,005 Nhiệt dung riêng Thế oxy hóa khử Sức căng bề mặt d 20°c calg.°c y dynescm 0,933 + 0,954 0,10 Ỷ 0,20 50 Tỷ trọng sữa Tỷ trọng sữa do hàm lượng các chất khô trong sữa quyết định. Các chất béo có tỷ trọng nhỏ hợn 1gcm3. Hàm lượng chất béo trong sữa càng cao thì tỷ trọng của sữa sẽ càng thấp. Khi biết được thành phần khối lượng các chất béo và các chất không béo có trong sữa, ta có thể tính được tỷ trọng của sữa (ở 15,5°C) theo công thức sau: 1.1.1 MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÝ 15,5°c _ 100 (gcm3) trong đó:12 PHẨN 1 F {fat) là hàm lượng chất béo trong sữa (% khối lượng) SNF (solids non fat) là hàm lượng các chất khô không béo trong sữa (% khôi lượng) w {water) là hàm lượng nước trong sữa (% khối lượng). Ta có: w = 100 F SNF, (%) Ví dụ: Sữa bò tươi có hàm lượng chất béo là 3,0% và hàm lượng các chất khô không béo là 8,1% Tỷ trọng của sữa ở 15,5°c sẽ bằng: d°c = = 1,029 gtcm3 + + (1003,08,1) 0,93 1,608 Đ iểm đ ô n g đặc củ a sữa: Thường dao động trong khoảng từ 0,54 ỉ 0,59°c. Người ta thường sử dụng chỉ tiêu này dể kiểm tra xem sữa tươi có bị pha loãng với nước hay không. Tuy nhiên, khi xử lý sữa ở nhiệt độ cao, điểm đông đặc của sữa sẽ gia tăng do sự kết tủa của một số muối phosphate có trong sữa. 1.1.2 THÀNH PHẦN HÓA HỌC Sữa là một hỗn hợp với các thành phần chính bao gồm nước, lactose, protein và các chất béo. Ngoài ra, sữa còn chứa một số hợp chất khác với hàm lượng nhỏ như các hợp chất chứa nitơ phi protein, vitamin, hormone, các chất màu và khí. Khi nói đến thành phần hóa học của sữa, các nhà sản xuất thường quan tâm đến giá trị pH và độ chua. Giả trị p H của sữa Giá trị pH thường được xác định ở 20°c. Theo định nghĩa: pH = lgH+ Sữa bò tươi có giá trị pH trung bình là 6,6. Sữa non (colostrum) tức phần sữa đầu tiên trong một chu kỳ tiết sữa của động vật có giá trị pH thường thấp hơn và khoảng bằng 6,0. Khi sữa bị nhiễm vi sinh vật như nhóm vi khuẩn lactic, chúng sẽ chuyển hóa đường lactose trong sữa thành acid lactic và làm giảm giá trị pH của sữa.NGUYÊN LIỆU NGÀNH CÔNG NGHIỆP CHẾ BIẾN SỮA 13 Độ chua Trong công nghiệp thực phẩm, độ chua sản phẩm được xác định bằng phương pháp chuẩn độ. Hiện nay trên thế giới, độ chua của sữa thường được biểu diễn bằng độ Soxhlet Henkel (°SH), độ Thorner (°Th) hoặc độ Dornic (°D). °SH: là số ml dung dịch NaOH N4 cần thiết để chuẩn độ 100ml sữa có bổ sung vài giọt chĩ thị phenolphtalein cho đến khi xuất hiện màu hồng bền trong 20 giây. Các nước Trung Âu thường sử dụng đơn vị này. Sữa bò tươi có độ chua trung bình 7°SH. °Th: là số ml dung dịch NaOH N10 cần thiết để chuẩn độ hỗn hợp 100mZ sữa và 200ml nước cất có bổ sung vài giọt chỉ thị phenolphtalein cho đến khi xuất hiện màu hồng bền trong 20 giây. Thụy Điển, Nga, Ucraina, Belarus sử dụng đơn vị này. Sữa bò bình thường có độ chua 17°Th. °D: là số ml dung dịch NaỔH N9 cần thiết để chuẩn độ 100ml sữa có bổ sung vài giọt chĩ thị phenolphtalein cho đến khi xuất hiện màu hồng bền trong 20 giây. Hai nước Pháp và Hà Lan thường dùng đơn vị này dể biểu diễn độ chua của sữa. B ảng 1.2 Mối liến hệ giữa các đơn vị đo độ chua của sữa °SH °Th °D °SH 1 2,5 2,25 °Th 0,4 1 0,9 °D 49 109 1 Hàm lượng các chất trong sữa có thể dao động trong một khoảng rộng và phụ thuộc vào nhiều yếu tố như giống động vật nuôi, tình trạng sinh lý của từng con vật, điều kiện chăn nuôi (thành phần thức ăn gia súc, chế độ cho ăn, thời tiêt...). B ảng 1.3 Thành phần hóa học sữa của một số động vật và người (% khối lượng) Động vật Protein tổng Casein Chất béo Carbohydrate Khoáng Bò 3,4 2,8 3,9 4,8 0,8 Dê 3,6 2,7 4,1 4,7 0,8 Cừu 5,8 4,9 7,9 4,5 0,8 Ngựa 2,2 1,3 1,7 6,2 0,5 Người 1,2 0,5 3,8 7,0 0,214 PHẨN 1 Bảng 1.4 Hàm lượng các chất trong sữa bò (% khối lượng) Các thành phần chfnh Khoảng biến thiên Giá trị trung bình Nước 85,5 r 89,5 87,5 Tổng c á c ch ất khô 10,5 + 14,5 13,0 Lactose 3,6 5,5 4,8 Protein 2,9 5 5,0 3,4 C hất béo 2 ,5 6 ,0 3,9 K hoáng 0,6 + 0,9 0,8 Tổng các chất khô (Total solidsTS hoặc Dry matterDM) được hiểu là hàm lượng các chất còn lại trong sữa sau quá trình bài khí và làm bốc hơi toàn bộ lượng nước (dạng không liên kết) có trong sữa. Đại lượng này thường được biểu diễn dưới dạng phần trăm (%) khối lượng. Chất khô không béo (Solids non fat SNF): là hiệu số giữa tổng các chất khô (T S ) và hàm lượng chất béo trong sữa. Từ bảng 1.4, ta suy ra giá trị trung bình của hàm lượng chất khô không béo trong sữa bò là 13,0 3,9 = 9,1%. i) Đường lactose Lactose là một disaccharide do một phân tử glucose và một phân tử galactose liên kết với nhau tạo thành. Trong sữa, đường lactose tồn tại dưới hai dạng: Dạng alactose monohydrate CÌ2H22O1 1.H2O (phân tử alactose ngậm một phân tử nước). Dạng Plactose anhydrous C12ĨỈ22O11 (phân tử (3lactose khan). Tỷ lệ hàm lượng giữa alactose monohydrate và Plactose anhydrous trong sữa phụ thuộc vào giá trị pH và nhiệt độ của sữa. 12 13 1 2 13 12 3 1 2 OH H OH H OH H OH pDgalactopyranose uDglucopyranose ỊVDgalactopyranose iDglucopyranose pDgalactosido1,4ưD glucose iỉDgalactosido1,4pD glucose «lactose Hactose H ình 1.1 Công thức cấu tạo phân tử a và (3lactoseNGUYÊN LIỆU NGÀNH CÔNG NGHIỆP CHẾ BIẾN SỮA 15 B ảng 1.5 Một sô tính chất vật lý của lactose Đại lượng Đơn vị đo alactose monohydrate plactose anhydrous Phân tử lượng Nhiệt độ nóng chảy Độ hòa tan ở 15°c Góc quay cực ciq0 Da °c g đưởng100g nước độ 360 202 7 +89,4 342 242 50 +35 Khi ta hòa tan đường alactose monohydrate dạng tinh thể vào nước, góc quay cực của dung dịch sẽ là +89,4°. Nếu giữ dung dịch này ở nhiệt độ phòng, sau 24 giờ góc quay cực sẽ giảm xuống giá trị +55°. Đó là do một số phân tử alactose monohydrate đã chuyển sang dạng Plactose anhydrous. Khi đó, trong dung dịch sẽ tồn tại cân bằng: Lalactose monohydrate ■« L3lactose anhydrous Việc giảm giá trị góc quay cực của dung dịch a lactose monohydrate sẽ diễn ra với tốc độ nhanh hơn nếu pH dung dịch được kiềm hóa về giá trị 9,0 hoặc dung dịch được gia nhiệt ở 75°c. Bảng 1.6 Tỷ lệ thành phần alactose monohydraíe và 3lactose anhydrous (theo khối lượng) ở trạng thái cân bàng trong dung dịch tại các giá trị nhiệt độ khác nhau Nhiệt độ dung dịch (°C) 15 20 50 70 90 Tỷ lệ thành phần alactose monohydrate và plactose anhydrous 1:1,63 1:1,59 1:1,51 1:1,45 1:1,40 Lactose là đường khử. Độ ngọt của lactose thấp hơn nhiều so với các disaccharide và monosaccharide thường gập. Nếu như độ ngọt của saccharose được đánh giá với chỉ số 100, của maltose là 32, glucose là 74 và fructose là 173 thì độ ngọt của lactose chỉ đạt 16. Lactose có thể bị thủy phân tạo ra hai monosaccharide là glucose và galactose bởi enzyme pgalactosidase (lactase). Các đường đơn giản như glucose, fructose, saccharose, cổ nhiều trong thực vật (hoa, trái cây các loại...). Tuy nhiên chỉ có sữa động vật là nguồn chứa lactose duy nhất trong tự nhiên. Ngoài lactose, trong sữa bò còn có glucose (hàm lượng trung bình lOmgỉ), galactose (20mgl) và các hợp chất glucid chứa nitơ như Nacetyl glucosamine, Nacetyl galactosamine, acid Nacetyl neuraminic,... Tuy nhiên, hàm lượng của chúng rất thấp, chỉ ở dạng vết.16 PHẨN 1 HC = o HC — NH — c — CH3 I II HO — CH o I HC — OH I HC — OH Nacetylglucosamin HC = 0 I HC — NH—c —CH, I lí HO — CH o I HO — CH I HC — OH CH, ■ OH COOH I c = 0 I CH, I o HC — OH ĩ ... I . H ,c — C — HN — CH HO — CH ĩ HC — OH HC — OH Ị CH, — OH Acid pyruvic Hexosamine Nacetylgalactosamin AcidNacetylneuraminic Hình 1.2 Công thức cấu tạo một số hợp chất glucid có chứa nitơ trong sữa 2i) Các hợp chất cỏ chứa nitơ Thành phần các hợp chất có chứa nitơ trong sữa được trình bày ở hình 1.3. Các hợp chất chứa nitơ trong sữa bò (100%; Protein (95%) Các hợp chất chứa nitơ phi protein (5%) Acid amin tự do Casein (75+85%)