Tách Béo Và Tiêu Chuẩn Hóa Sữa

Tách Béo Và Tiêu Chuẩn Hóa Sữa

Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Chất béo trong sữa

1.1.1 Hàm lượng chất béo trong sữa1.1.1.1 Khái niệm

Lipit là những hợp chất hữu cơ có trong tế bào sống, không hòa tan trong nước nhưng tan trong nhiều dung môi hữu cơ không phân cực.

Lipit là những este phức tạp, gồm các loại: chất béo, sáp, steroit, photpholipitPhân loại lipid trong sữa

Lipid đơn giản: chiếm 95%, công thức phân tử chỉ gồm C, H, O, là ester của acidbéo no và không no

- Acid oleic không bão hoà.- Acid palmitic bão hoà - Acid stearic bão hoà.

Lipid phức tạp: chiếm 0,3-0,5%, ngoài C,H,O trong phân tử còn có P,N,S

1.1.1.2 Thành phần chất béo trong sữa

Chất béo là một trong những thành phần quan trọng nhất của sữa Hàm lượng chất béo của sữa thay đổi trong một phạm vi khá rộng Có loại sữa ít béo, khoảng 3g trong 100ml sữa, có loại sữa nhiều chất béo khoảng 5-6g trong 100ml sữa Đối với sữa bò hàm lượng béo khoảng 3.9%.

Thông thường, chất béo chiếm khoảng 2,5 đến 6,0% thành phần sữa, tùy thuộc vào giống bòvà chế độ dinh dưỡng Mỡ sữa tồn tại dưới dạng hạt nhỏ lơ lửng trong nước sữa.

Chất béo trong một số loại sữaHà Lan

thuần(HF) Jersey Zebu Ayrshire

Brown

nổi lên bề mặt sữa khi sữa ở trạng thái tĩnh Lớp trên cùng của sữa được tạo nên chủ yếu bằng mỡ sữa, gọi là lớp kem Kem chính là nguyên liệu để chế biến bơ Tầng dưới cùng là sữa không kem, bao gồm protein và các chất khác

Mỡ sữa là một tiêu chuẩn quan trọng để đánh giá sữa tươi Do đó, cần phải khuấy sữa tươi nguyên liệu định kỳ để ngăn các hạt mỡ sữa kết dính lại với nhau Mỡ sữa rất giàu năng lượng cho nhu cầu dinh dưỡng của con người, chính vì thế hầu hết các nhà máy chế biến sữa sẵn sàng trả giá cao hơn cho sữa có hàm lượng mỡ sữa caoTrong thành phần chất béo của sữa có tới 20 loại acid béo khác nhau, trong đó 2/3 là acid béo no và còn lại là acid béo chưa no Trong số những acid béo trong sữa có khá nhiều acid béo dễ hòa tan trong nước (ví dụ acid caproic) Chất béo của sữa cũng dễ xảy ra những quá trình phân hủy làm thay đổi thành phần và tính chất như quá trình thủy phân, quá trình oxy hóa,… làm giảm dần chất lượng của sữa và nhiều khi làm hỏng sữa.

Ngoài chất béo thuộc nhóm lipit của sữa còn có photphatit và một số chất khác nhưng hàm lượng không nhiều, photphatit có khoảng 0.5-0.7g trong một lít sữa, trong đó chủ yếu là lexitin.

Thành phần

Hàm lượng (% so với tổng khối lượng chất béo)

Ghi chú

Lypid đơngiản

-Glyceride: triglyceride Diglyceride Monoglycerride-Cholesteride

2-30,10,03

Các hợp chất tan trong chất béo

- Cholesterol- Acid béo tự do- Hydrocarbon- Vitamin A,D,K,E- Rượu

Bảng 1.1.1.2 Thành phần chất béo có trong sữa bò

Hàm lượng các acia béo không bão hòa trong sữa được xác định bởi chỉ số iod của chất béo.

Chỉ số khúc xạ của sữa thay đổi phụ thuộc vào thành phần định tính và định lượng các acid béo có trong sữa Đối vớ sữa bò chỉ số khúc xạ dao động từ 40÷60.

Nếu sữa chứa nhiều acid béo nóng chảy thì lipid sữa sẻ có “cấu trúc cứng”, còn sữa chứa nhiều acid béo nóng chảy ở nhiệt độ thấp thì lipid se có ” cấu trúc mềm” hơn.

1.1.2 Cấu tạo và thành phần của các loại cầu béo1.1.2.1 Công thức cấu tạo

Công thức cấu tạo của lipit đơn giản

Các axit béo no thường gặp

CH3(-CH2-)14COOH (C15H31COOH) : axit panmiticCH3(-CH2-)16COOH (C17H35COOH) : axit stearicCác axit béo không no thường gặp

Axit oleic(C17H33COOH)

CH3(-CH2-)7CH=CH(-CH2-)7COOH CH2

OR1R2R3

Axit linoleic(C17H31COOH)

CH3(-CH2-)4CH=CH-CH2-CH=CH(-CH2-)7COOH Cấu tạo các hạt cầu béo

- Chất béo của sữa dưới dạng những hạt hình cầu rất nhỏ, đường kính dao động từ 0,1÷20µ

- Trong 1ml sữa có khoảng 10÷15 tỉ hạt cầu béo Do đó ta có thể xem sữa là một hệ nhũ tương dầu trong nước.

- Các hạt cầu béo được bao bọc bởi một màng lipo-protein tích điện âm Các màng này có vai trò làm bền hệ nhũ tương trong sữa

- Kích thước của những hạt chất béo phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: loài giống, tùy từng con vật, thời gian khác nhau trong thời kỳ tiết sữa … Các hạt chất béo kích thước lớn thì dễ tách ra khỏi sữa hơn là những hạt chất béo có kích thước nhỏ Khi để sữa yên lặng một thời gian, các hạt chất béo của sữa sẽ nổi lên trên mặt thành một lớp váng mỏng gọi là váng sữa.

1.1.2.2Thành phần

- Các hạt cầu béo có thành phần chủ yếu là glyceride, phospholipid và protein

- Các phospholipid giữ vai trò “cầu nối trung gian” để liên kết giữa glyceride và protein Phân tử lipid có hai đầu: đầu ưa béo (không phân cực) sẻ tương tác với các phân tử glyceride ở tâm cầu ; đầu ưa nước( phân cực) sẻ kết hợp với màng protein bao xung quanh hạt cầu béo

Nếu không đồng hóa sữa tươi trong thời gian bảo quản các hạt cầu béo có xu hướng kết hợp lại với nhau thành chùm nhờ một protein kém bền nhiệt là euglobulin Do tỷ trọng các hạt cầu béo nhỏ hơn nước nên chúng nổi lên bề mặt sữa dưới tác dụng của lực đẩy Archimede và tạo nên váng sữa Khi đó trong sữa sẽ tồn tại hai pha lỏng tách biệt: pha trên cùng với thành phần chủ yếu là lipit; pha dưới với các thành phần có tỉ trọng lớn là nước và một số chất hoà tan trong sữa.

1.2 Giới thiệu về sữa

Sữa là chất lỏng sinh lý do các tuyến sữa tổng hợp được từ các hợp chất có trong máu,được tiết ra từ tuyến vú của động vật và là nguồn thức ăn để nuôi sống động vật non Sữa có đầy đủ dinh dưỡng cần thiết cho sự phát triển của cơ thể Những chất này có khả năng đồng hóa cao vì vậy từ lâu con người đã biết sử dụng sữa như một loại thực phẩm rất bổ dưỡng cho cơ thể nhất là đối với trẻ sơ sinh.

Trong sữa có một số thành phần như: lipit, gluxit, protein, chất khoáng, vitamin, ngoài ra còn có chất màu và nhiều chất khác Trong các chất trên trừ nước và những chất bay hơi khi chế biến thì những chất còn lại gọi là chất khô của sữa Hàm lượng chất khô của sữa khoảng 10-20% tùy theo loại sữa, chất khô của sữa càng nhiều thì giá trị thực phẩm càng cao, nếu không kể đến lipit thì chất khô trong sữa gọi là chất khô không béo

Thành phần hóa học của các loại sữa không giống nhau, chúng luôn thay đổi và phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thời kỳ tiết sữa, thành phần thức ăn, phương pháp vắt sữa, điều kiện chăn nuôi, sức khỏe, tuổi, độ lớn của con vật, loài, giống và nhiều yếu tố khác Bảng phân tích thành phần hóa học của sữa từ các loại động vật khác nhau và

được dùng làm thực phẩm.

Tổng chấtkhô(%)

1.2.1.1Thay đổi khi bảo quản

Chất béo và protein sữa bị thay đổi hóa học trong quá trình bảo quản Những thay đổi này có 2 dạng: sự ôi hóa và sự phân giải lipit Sản phẩm tạo nên có mùi khó chịu và thường xảy ra đối với bơ sữa và bơ.

Sự ôi hóa chất béo: xảy ra tại các nối đôi của các acid béo không no tạo nên mùi kim loại, trong đó lecithin là chất dễ tấn công nhất.

Sự ôi hóa protein: do sự ôi hóa amino acid dưới tác dụng của ánh sáng, gây ra

mùi khó chịu Chỉ một vài phút để dưới ánh sáng cũng đủ gây ra phản ứng này, do đó sữa không nên để trực tiếp dưới ánh sáng.

Sự phân giải lipit: là sự phân cắt chất béo thành glycerol và acid béo, tạo mùi vị chua, mùi này gây ra bởi sự hiện diện của các acid béo tự do thấp phân tử Sự phân cắt này tạo ra dưới tác dụng của enzim lipaza Tuy nhiên quá trình này không xảy ra cho đến khi lớp màng của hạt béo bị phá hủy và chất béo bị lộ ra Trong công nghệ sữa sự phá hủy màng rất dễ xảy ra dưới tác dụng cơ học như: bơm, khuấy, đánh sữa… Để tránh xảy ra quá trình này sữa nên được thanh trùng ở nhiệt độ cao để phân hủy enzim lipaza.

1.2.1.2 Ảnh hưởng của xử lý nhiệt lên các thành phần hóa học

Chất béo: chất béo không bị ảnh hưởng ở nhiệt độ dưới 1000C Sự kết tụ các

hạt béo xảy ra ở nhiệt độ cao Sự phân tách chất béo bị giảm nếu sữa bị gia nhiệt cao hơn 750C.

Protein: Casein không thấy bị thay đổi ở nhiệt độ dưới 1000C, nhưng rất dễ

thấy sự biến đổi của casein micelle khi nhiệt độ của sữa trên 650C Protein dịch sữa bị biến tính ở nhiệt độ trên 650C và hầu như bị biến tính hoàn toàn ở nhiệt độ

900C trong 60 phút Vài protein có thể khôi phục một phần tính chất của nó trong

thời gian lưu trữ vài ngày hoặc vài tuần sau khi bị xử lý nhiệt Sau khi xử lý nhiệt ở nhiệt độ 750C và lưu nhiệt ở đó trong một phút hoặc ít hơn sữa bắt đầu có mùi nấu, đó là do sự giải phóng hợp chất chứa sulphur từ -lactoglobulin và các protein chứa sunphur khác.

Enzim: các enzim bị vô hoạt bởi nhiệt Nhiệt độ vô hoạt phụ thuộc kiểu

Vitamin: vitamin C rất nhạy với nhiệt độ, đặc biệt là khi có mặt của không khí

và kim loại Thanh trùng nhiệt độ cao trong thời gian ngắn trong thiết bị trao đổi nhiệt dạng đĩa hầu như không làm mất vitamin C Vitamin khác chịu ảnh hưởng hoặc không bị ảnh hưởng dưới sự xử lý nhiệt vừa phải.

Lactose: ở nhiệt độ cao trên 1000C lactose phản ứng với protein gây ra màu

nâu của sữa(công nghệ sản xuất sữa đặc có đường và sữa chua)

1.2.2 Các phương pháp bảo quản sữa

Sữa sau khi vắt, lượng vi sinh vật thay đổi khá nhiều Bản thân sữa còn chứa nhiều hệ enzim xúc tác cho các phản ứng sinh hóa làm giảm giá trị của sữa Để hạn chế sữa bị giảm chất lượng, người ta tiến hành bảo quản sữa bằng nhiều phương pháp khác nhau ở điều kiện thích hợp như là:

Chương 2 TÁCH BÉO VÀ CHUẨN HÓA SỮA 2.1 Ly tâm tách béo

2.1.1 Giới thiệu chung

Ly tâm (centrifugation) là một quá trình phần riêng các cấu tử có khối lượng riêng khác nhau trong một hỗn hợp lỏng không đồng nhất dưới tác dụng của lực ly tâm Mẫu đem vào ly tâm thường có dạng nhũ tương hoặc huyền phù.

Trong quá trình ly tâm lắng và lọc, nguyên liệu chuyển động quay cùng với rôto của máy Lực ly tâm sẽ làm cho các cấu tử có khối lượng riêng khác nhau phân lớp theo hướng của gia tốc trường lực Thành phần có khối lượng riêng lớn nhất sẽ tập trung ở vùng xa tâm nhất, còn phần có khối lượng riêng nhỏ nhất tập trung ở tâm của rôto.

Tùy theo cấu tạo bề mặt rôto mà quá trình ly tâm tiến hành theo nguyên tắc lọc ly tâm hay lắng ly tâm Do đó cũng có hai loại máy ly tâm: máy ly tâm lắng và máy ly tâm lọc.

Quá trình lắng trong máy ly tâm khác quá trình lắng trong trường trọng lực Lắng trong trường trọng lực, vận tốc lắng coi như bằng nhau ở các vị trí khác nhau vì gia tốc trọng trường không phụ thuộc vào tọa độ rơi - hạt lắng theo phương song song với nhau Trong trường lực ly tâm vận tốc lắng và gia tốc ly tâm thay đổi phụ thuộc vào vận tốc gốc ω và bán kính quay r (a= ω2r), hạt lắng theo phương đường kính rôto.

Các máy dùng để phân chia các hệ không đồng nhất trong trường ly tâm được gọi là máy ly tâm.

2.1.2 Vai trò của quá trình tách béo

- Tách chất béo ra khỏi sữa để hiệu chỉnh hàm lượng lupid trong sản phẩm.

- Tách các vi sinh vật(VSV), đặ biệt là các bào tử vi khuẩn chịu nhiệt ra khỏi sữa Khi đó, quá trình ly tâm đóng vai trò thanh trùng sữa.

- Tách các chất rắn ra khỏi sữa, như tách các tinh chế lactose thu được sau quá trình kết tinh trong công nghệ sản xuất lactose tinh thể.

2.1.3 Cơ sở khoa học của quá trình ly tâm

Nguồn gốc : quá trình ly tâm có nguồn gốc từ quá trình lắng

Dựa vào sự khác nhau của hạt rắn trong huyền phù dưới tác dụng của trọng lực được xác định bằng định luật Stock:

Vg =

ρp - khối lượng riêng của hạt rắn (kg/m3)

ρl - khối lượng riêng của pha lỏng (kg/m3)µ - độ nhớt của pha lỏng (kg/m.s)

2 nπ=

Với n là số vòng quay trong một phút

Hình 2.1.3 : ảnh hưởng của bán kính quay đến gia tốc ly tâm

Bán kính quy r

Gia tốc lytâm của hạt a= r.

Tốc độ vòng

o

Gia tốc ly tâm a (m/s2) không phải là một hằng số Giá trị này phụ thuộc vào bán kính quay r: a = r.ω2

So sánh tốc độ lắng dưới tác dụng của lực trọng lực và lực ly tâmXét ví dụ:

Giọt cầu béo trong sữa có d = 3µm Nếu khối lượng riêng của chất béo ρp= 980 kg/m3, khối lượng riêng của pha lỏng ρl=1028 kg/m3, độ nhớt của pha lỏng µ

=1,42 10−3kg/m.s

Theo định luật Stok tốc độ chuyển động của giọt cầu béo trong sữa:

Vg =

g =

9,81×1028)-(980× )10×(3

Có nhiều loại thiết bị ly tâm để phân riêng nhũ tương

Máy phân ly siêu tốc loại dĩa có nhiều loại: loại hở, loại kín, loại nửa kín, loại tháo bã bằng tay và bằng ly tâm Ðây là nhóm có nhiều máy nhất trong các loại máy ly tâm siêu tốc

Máy ly tâm lắng làm trong huyền phù.Máy ly tâm siêu tốc loại ống.

Trong công nghệ chế biến sữa, quá trình ly tâm tách béo thường sử dụng chủ yếu là thiết bị ly tâm dạng dĩa Thiết bị này có nhiều ưu điểm hơn so với các thiết bị ly tâm khác.

2.1.4.1 Thiết bị ly tâm dạng đĩa2.1.4.1.a Cấu tạo

Thiết bị gồm có thân máy, bên trong là thùng quay, được nối với một motor truyền động bên ngoài thông qua trục dẫn Các đĩa quay có đường kính dao động từ 20 ÷102 cm và được xếp chồng lên nhau Các lỗ trên đĩa ly tâm sẽ tạo nên những kênh dẫn theo phương thẳng đứng Khoảng cách giữa hai đĩa ly tâm liên tiếp là 0.5 ÷ 1.3 mm

7 61

4

555

1- Thân thiết bị

2- Thùng quay

3- Trục dẫn4- Dĩa quay

5- Cửa vào cho nguyên liệu

6- Cửa ra cho sản phẩm tỷ trọng thấp

7- Cửa ra cho sản phẩm tỷ trọng cao

1- Cream

2- Sữa gầy3- Dĩa ly tâm

1- Dĩa ly tâm

2- Cửa ra cho cream

4- Cữa vào cho nguyên liệu

Hình 2.1.4.1.a : Nguyên lý hoạt động của thiết bị ly tâm dạng đĩa

a) Thiết bị ly tâm tách chất béo ra khỏi đĩab) Dĩa ly tâm

c) Sơ đồ chuyển động của dòng cream và sữa gầy1

3

2.1.4.1.b Nguyên tắc hoạt động

Sữa được gia nhiệt đến 55 ÷650Ctrước khi đưa vào thiết bị ly tâm tách béo

Sữa nguên liệu được nạp vào máy ly tâm theo cửa vào (5), tiếp theo sữa sẻ theo hệ thống kênh dẫn (6) để chảy vào khoảng không gian hẹp giữa các đĩa ly tâm Dưới tác dụng của lực ly tâm, sữa sẻ được phân thành hai phần:

- Phần crem có khối lượng lương thấp sẻ chuyển động hướng về phía trục của thùng quay

- Phần sữa gầy có khối lượng riêng cao sẻ chuyển động về phía thành thùng quaySau cùng cả hai dòng cream và sữa gầy sẻ theo những kênh riêng để thoát ra ngoài Hàm lượng chất béo trung bình trong sữa gầy là 0,05%

Thiết bị làm việc theo phương pháp liên tục

2.1.4.1.c Ưu điểm, nhược điểm- Ưu điểm:

- Mức độ phân ly cao.- Thế tích thùng lớn.

- Nhược điểm:

- Cấu tạo phức tap.

- Gia công khó khi cần chế tạo bằng vật liệu chống ăn mòn.

Một số các thiết bị ly tâm khác sử dụng để phân riêng hệ nhũ tương như là: máy ly tâm lắng, máy ly tâm siêu tốc loại ống.

2.1.4.2 Máy ly tâm lắng2.1.4.2.a Cấu tạo

- Rôto của máy ly tâm lắng có dạng hình trụ, kín, thành của rôto không có đục lỗ

Hình 2.1.4.2.a : Nguyên lý làm việc của máy ly tâm lắng

Hình 2.1.4.2.a Quá trình lắng ly tâm: Lắng trong huyền phù và phân riêng nhũ tương

2.1.4.2.b Nguyên tắc hoạt động

Khi rôto quay dưới tác dụng của lực ly tâm, huyền phù hay nhũ tương được phân thành các lớp riêng biệt tùy theo khối lượng riêng của nó Lớp khối lượng riêng lớn ở sát thành rôto, lớp có khối lượng riêng nhỏ ở phía trong.

Ly tâm lắng gồm hai quá trình: quá trình lắng pha rắn tiến hành theo những quy luật của thủy động lực học; quá trình nén bã tiến hành theo những qui luật cơ học.

2.1.4.3 Máy ly tâm siêu tốc loại ống 2.1.4.3.a Cấu tạo

Ðây là loại máy có roto nhỏ và dài để phân riêng các huyền phù và nhũ tương

Ðường kính của roto vào khoảng 200 mm, tỉ lệ giữa chiều dài roto với đường kính của nó khoảng 5-7

Ly tâm siêu tốc dạng ống làm việc với số vòng quay của rôto từ8000 đến 45000 vòng/phút

Nhũ tương đưa vào rôto dưới áp suất 0,25-0,3 at qua dĩa phân phối và đi ra khoảng không gian giữa roto và các tấm chắn (được gắn dọc theo chiều dài của roto, gồm ba tấm cách nhau 120o)

Khi phân ly nhũ tương cho pha nặng và pha nhẹ không trộn lẫn nhau thì dùng tấm tách sao cho bán kính lớp phân chia phải nằm trong vành khăn của tấm tách

Các bộ phận của máy ly tâm siêu tốc loại ống1 Động cơ

2 Đĩnh dẫn động3 Phớt chắn

4 Cửa tháo chất lỏng 5 Cánh quạt

6 Tay hãm

7 Cửa tháo chất lỏng 8 Giá đỡ