Bài khí
Mục đích:
Sữa nguyên liệu
Chuẩn hóa Đồng hóa Thanh trùng Cấy giống Lên men Làm lạnh Ủ chín Làm lạnh Rót sản phẩm, đóng nắp Chuẩn hóa Kefir bảo quản lạnh Giống vi sinh vật Bao bì
40
Quá trình bài khí (deaeration) được thực hiện nhằm mục đích chủ yếu tách các khí phân
tán và hòa tan ra khỏi sữa nguyên liệu. Trong quá trình bài khí, các chất bay hơi, đặc biệt là các chất gây mùi không tốt cho sữa, cũng sẽ bị tách đi.Tuy nhiên, một số hợp chất bay hơi có thể không mất đi trong quá trình bài khí, thường là những chất bay hơi hòa tan được trong chất béo [5].
Sữa tươi vừa vắt chứa một hàm lượng CO2 khá cao (3.5÷4.9%) cùng một ít N2 (1%) và
O2 (0.1%). Trong quá trình vận chuyển, hàm lượng các chất khí trong sữa vẫn tăng nhẹ.
Các chất khí dạng phân tán trong sữa có thể gây ra một số khó khăn sau đây trong
các quá trình chế biến sữa:
Giảm mức độ chính xác khi định lượng sữa bằng phương pháp thể tích.
Giảm hiệu quả hoạt động của các thiết bị truyền nhiệt.
Giảm hiệu suất phân riêng trong các thiết bị tách chất béo.
Giảm mức độ chính xác trong các dây chuyền tự động chuẩn hóa sữa (hiệu chỉnh
hàm lượng chất béo trong sữa).
Cơ sở khoa học của quá trình bài khí:
Đầu tiên, sữa sẽ được nâng nhiệt độ trong thiết bị trao đổi nhiệt rồi đi vào thiết bị bài khí. Người ta sẽ tạo ra một áp lực chân không thích hợp trong thiết bị bài khí sao cho
nhiệt độ sữa bị giảm đi khoảng 7÷8 oC. Khi đó các khí phân tán, hòa tan và một phần hơi
nước cùng các hợp chất dễ bay hơi khác thoát ra khỏi thiết bị. Toàn bộ hỗn hợp này sẽ đi vào bộ phận ngưng tụ được đặt ở trên đỉnh thiết bị bài khí. Khi đó, nước và một số cấu tử sẽ được chuyển sang dạng lỏng rồi tự chảy xuống phía đáy thiết bị bài khí. Còn khí và các cấu tử không ngưng tụ sẽ được bơm chân không hút thải ra ngoài.
Việc sử dụng kết hợp hai yếu tố: nhiệt độ và áp lực chân không sẽ giúp cho quá trình bài khí diễn ra nhanh và đạt hiệu quả cao.
Chuẩn hóa
Mỗi loại sản phẩm sữa lên men có hàm lượng chất béo và chất khô xác định. Sữa mới vắt về thường không có hàm lượng chất béo đạt yêu cầu sản phẩm, nên cần phải có quá trình điều chỉnh chất béo. Mục đích của quá trình chuẩn hóa là hiệu chỉnh hàm lượng chất
41
béo trong sữa. Sản phẩm kefir có hàm lượng chất béo dao động từ 0.5% đến 6%, thông
thường là từ 2.5% đến 3% [5].
Bảng 1.5. Hàm lượng các chất trong sữa bò nguyên liệu ở nhiệt độ 25oC
Các thành phần chính Khoảng dao động Giá trị trung bình
Nước Tổng chất khô Chất béo Protein Lactose Chất khoáng 85.5-89.5 10.5-14.5 2.5-6.0 2.9-5.0 3.6-5.5 0.6-0.9 87.5 13.0 3.9 3.4 4.8 0.8 [5, 27]
Do hàm lượng chất béo trong sữa nguyên liệu không ổn định, 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
tiết,...) [10], nên sẽ có các phương pháp chuẩn hóa khác nhau.
Sữa nguyên liệu có hàm lượng chất béo thấp
Nếu sữa nguyên liệu có hàm lượng chất béo thấp hơn yêu cầu sản phẩm (nhỏ hơn
3.5%), ta sẽ bổ sung thêm cream vào. Lượng chất béo trong cream tối thiểu không thấp hơn 12% và thường dao động từ 35% đến 40%. Phương pháp tính tỉ lệ phối trộn như sau:
Gọi M1 (kg) là khối lượng cream với hàm lượng chất béo A%; M2 (kg) là khối lượng
sữa với hàm lượng chất béo B%. Để thu được M (kg) sữa với hàm lượng chất béo C%
(với A>C>B), ta có:
= ( − )
−
= ( − )
42
Trong đó: = +
Ngoài ra, ta có thể sử dụng phương pháp đường chéo hình vuông của Pearson R.A (1940) để xác định tỷ lệ cream và sữa có lượng béo thấp cần phối trộn.
Sữa nguyên liệu có hàm lượng béo cao
Nếu sữa nguyên liệu có hàm lượng chất béo cao, ta có thể bổ sung sữa gầy hoặc sử dụng quá trình ly tâm để tách bớt chất béo ra khỏi sữa. Ở các dây chuyền sản xuất hiện đại, quá trình tách và hiệu chỉnh lượng chất béo trong sữa được thực hiện hoàn toàn tự động.
Đầu tiên, sữa giàu béo sẽ được bơm vào máy ly tâm hoạt động theo phương pháp liên
tục. Trước khi đưa vào thiết bị tách béo, sữa tươi thường được gia nhiệt lên đến 55-65oC
[2]. Có hai dòng sản phẩm thoát ra khỏi thiết bị: một dòng là sữa gầy và một dòng là cream. Hàm lượng béo trong hai dòng sản phẩm trên sẽ phụ thuộc vào chế độ hoạt động của máy ly tâm. Thông thường, hàm lượng béo trong sữa gầy là 0.05%. Tiếp theo, một phần cream sẽ được phối trộn trở lại với dòng sữa gầy để hàm lượng béo trong hỗn hợp đạt đúng giá trị yêu cầu của sản phẩm kefir. Phần cream dư sẽ được đưa đi xử lý tiếp để hoàn thiện sản phẩm cream.
Giả sử ta có M kg sữa bò nguyên liệu hàm lượng chất béo A%, phải xử lý đến sữa
nguyên liệu chứa D% chất béo.
43
Hình 1.21. Sơ đồ nguyên lý hiệu chỉnh chất béo [5].
Đồng hóa
Quá trình đồng hóa (homogenisation) được sử dụng với mục đích ổn định hệ nhũ tương, chống lại sự tách pha dưới tác dụng của trọng lực.
Có nhiều phương pháp đồng hóa trong công nghệ sản xuất sữa, nhưng phương pháp được sử dụng trong sản xuất kefir là phương pháp đồng hóa sử dụng áp lực cao.
Trong phương pháp này, các hạt của pha phân tán sẽ bị phá vỡ và giảm kích thước khi ta bơm sữa đi qua một khe hẹp với tốc độ cao. Kích thước của khe hẹp có thể dao động trong khoảng 15 đến 300 µm và tốc độ dòng sữa được đẩy đến khe hẹp có thể lên tới 50 đến 200 m/s.
Do khe hẹp có cấu tạo với tiết diện giảm dần, tốc độ chuyển động của hệ nhũ tương sẽ tiếp tục tăng cao khi chảy qua khe hẹp. Giá trị cao nhất của tốc độ dòng sẽ phụ thuộc chủ yếu vào áp lực bơm hệ nhũ tương đến khe hẹp.
M kg sữa A% chất béo
Ly tâm
M1 kg sữa C% chất béo M2 kg cream B% chất béo
Phối trộn M3 kg cream B% chất béo M1 + M3 kg sữa D% chất béo Xử lý tiếp theo để tạo sản phẩm Kefir Xử lý tiếp theo để tạo sản phẩm Kefir
44 Người ta giải thích cơ chế của phương pháp đồng hóa áp lực cao theo những nguyên lý sau:
Nguyên lý chảy rối (turbulence theory): Khi hệ nhũ tương được bơm với tốc độ
cao đến khe hẹp, nhiều dòng chảy rối với các vi lốc xoáy (micro-whirl) sẽ xuất hiện. Tốc độ bơm càng lớn thì số dòng chảy rối sẽ xuất hiện càng nhiều và kích thước các vi lốc xoáy sẽ càng nhỏ. Chúng sẽ va đập vào các hạt của pha phân tán và làm cho các hạt này bị vỡ ra.
Nguyên lý xâm thực khí (cavitation theory): hệ nhũ tương được bơm đến khe hẹp
với tốc độ cao sẽ làm xuất hiện các bong bóng hơi trong hệ. Chúng sẽ va đập vào các hạt của pha phân tán và làm vỡ hạt.
Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả đồng hóa của phương pháp đồng hóa áp lực
cao:
Tỷ lệ phần trăm giữa thể tích pha phân tán và tổng thể tích nhũ tương: nếu hàm lượng chất béo trong hệ nhũ tương o/w không lớn hơn 12%, ta có thể sử dụng phương pháp đồng hóa áp lực cao để ổn định chúng.
Nhiệt độ: Nhiệt độ của mẫu càng thấp thì quá trình đồng hóa càng kém hiệu quả do một số chất béo chuyển sang trạng thái rắn.Nếu nhiệt độ quá cao, chi phí năng lượng cho quá
trình sẽ gia tăng, và sẽ xuất hiện các phản ứng hóa học không cần thiết, ảnh hưởng đến
chất lượng hệ nhũ tương. Nhiệt độ đồng hóa dao động từ 55 ÷ 75oC.
Áp suất: áp suất đồng hóa càng lớn, hiện tượng chảy rối và hiện tượng xâm thực khí sẽ càng dễ xuất hiện, kết quả là các hạt phân tán được tạo thành có kích thước nhỏ và hệ nhũ tương sẽ có độ bền cao. Tuy nhiên việc tăng áp suất đồng hóa sẽ làm tăng chi phí thiết bị và năng lượng. Áp suất đồng hóa quá lớn sẽ ảnh hưởng đến tính chất nhũ hóa của protein có trong sữa.
Thanh trùng
Là phương pháp sử dụng nhiệt độ cao để tiêu diệt hoặc ức chế hệ vi sinh vật trong sữa.
Mục đích:
Tiêu diệt hệ vi sinh vật (tế bào sinh dưỡng) gây bệnh trong sữa và ức chế quá trình sinh tổng hợp độc tố của chúng. Trong sản xuất công nghiệp, quá trình thanh trùng thường
45 được thực hiện ở nhiệt độ không lớn hơn 100°C. Khi đó, các vi sinh vật gây bệnh thường bị tiêu diệt, ngoại trừ các vi khuẩn thuộc giống Clostridium và Bacillus. Tuy nhiên trong thực phẩm thanh trùng có thể còn chứa một số tế bào hoặc bào tử của nhóm vi sinh vật ưa nhiệt và các enzyme bền nhiệt, chúng chỉ bị ức chế một phần sau quá trình thanh trùng.
Theo lý thuyết, nếu nhiệt độ xử lý càng cao và thời gian xử lý càng dài thì số vi sinh vật còn sống sót trong sữa sẽ càng thấp và tính an toàn vi sinh của thực phẩm sẽ càng cao. Tuy nhiên, nhiệt độ xử lý quá cao và thời gian xử lý qúa dài sẽ làm giảm đi giá trị dinh dưỡng và cảm quan của sữa. Thông thường, sữa sau khi thanh trùng vẫn giữ được giá trị dinh dưỡng và cảm quan tương tự như trước khi thanh trùng, nhưng thời gian bảo quản sữa thường không dài.
Các biến đổi trong quá trình thanh trùng sữa:
Vật lý: nhiệt độ sữa tăng, tăng thể tích sữa , độ nhớt giảm.
Hóa lý: Chất béo hoàn toàn bị nóng chảy và xuất hiện màng cream đồng thời gây ra sự kết dính ở bề mặt tiểu cầu béo.
Hóa học: Xảy ra phản ứng melanoidin làm sữa sẫm màu, tuy nhiên do lượng nước trong
sữa khá lớn nên khó quan sát được. Ngoài ra còn có phản ứng phân hủy các vitamin xảy
ra trong điều kiện có khí oxy hay có mặt kim loại như đồng, sắt…
Sinh học : các tế bào VSV bị phá hủy hoàn toàn, ức chế hoạt động các bào tử
Hóa sinh : vô hoạt hoàn toàn các enzyme trong sữa.
Cảm quan: sự thay đổi về màu, mùi, vị, trạng thái,…
Các giai đoạn của quá trình thanh trùng: gồm 3 giai đoạn
Gia nhiệt để tăng nhiệt độ sữa từ giá trị ban đầu lên đến giá trị nhiệt độ thanh trùng.
Giữ sữa ở nhiệt độ cần thanh trùng trong một khoảng thời gian xác định.
Làm nguội sữa về giá trị nhiệt độ thích hợp để tiến hành lên men.
46
Bảng 1.6. Một số chếđộ thanh trùng trong công nghiệp chế biến sữa
STT Chế độ thanh trùng
Nhiệt độ xử lý
(°C)
Thời gian
xử lý Đối tượng nguyên liệu
1
Thanh trùng nhiệt độ thấp, thời gian dài (Low temperature long time LTLT
pasteurization)
63 30 phút
Sữa nguyên liệu trong quá trình sản xuất sữa thanh
trùng
2
Thanh trùng nhiệt độ cao thời gian ngắn (High temperature short time HTST pasteurization) 72 ÷ 75 > 80 15 ÷ 20 giây 1 ÷ 5 giây
Sữa nguyên liệu trong quá trình sản xuất sữa thanh
trùng
Cream và sữa nguyên liệu trong quy trình sản xuất các
sản phẩm lên men
3
Thanh trùng nhiệt độ siêu cao (Ultra- pasteurisation)
125÷138 2 ÷ 4 giây
Sữa nguyên liệu trong quy trình sản xuất sữa thanh
trùng
[5]
Nhân giống
Quá trình nhân giống vi sinh vật trong sản xuất kefir có thể được thực hiện theo quá
trình trên hình 1.22.
Môi trường chuẩn bị giống có thể là sữa tươi, sữa gầy hoặc sữa hoàn nguyên. Hàm lượng chất khô trong môi trường khoảng từ 11÷12%. Môi trường được thanh trùng ở
90÷95oC trong thời gian 30÷45 phút. Thời gian thanh trùng kéo dài nhằm vô hoạt enzyme
và ức chế đến mức tối thiểu sự có mặt của các vi sinh vật lạ trong môi trường để giúp cho
47
22÷24oC (đạt 0.78% (v/v) acid lactic, và sau đó được ủ chín trong 7÷8 giờ ở 10÷12oC để
tạo điều kiện cho nấm men phát triển) [5, 10].
Hạt kefir được cấy vào môi trường với lượng giống cấy ban đầu từ 3.5÷5% theo khối lượng. Quá trình nhân giống được thực hiện ở 23÷25oC. Do hạt kefir có kích thước khá lớn, chúng thường bị chìm xuống dưới đáy thiết bị. Việc khuấy trộn môi trường trong quá trình nhân giống là cần thiết. Thông thường, người ta khuấy đảo môi trường trong thời gian 10÷15 phút sau mỗi 2÷5 giờ. Quá trình nhân giống được xem là kết thúc khi pH môi trường giảm xuống còn 4.5 [5].
Hình 1.22. Sơ đồ quá trình nhân giống vi sinh vật trong sản xuất kefir [5].
Sữa tươi/sữa gầy/sữa hoàn nguyên Thanh trùng Cấy giống Nhân giống Xử lý Lọc thô Hạt kefir Hạt kefir Giống vsv cho sản xuất
48 Tiếp theo, canh trường được đem lọc thu hạt kefir và dịch lọc thô.
Hạt kefir
Nếu ta không thực hiện lên men sản phẩm từ hạt, các hạt kefir được xử lý bằng cách rửa chúng trong nước vô khuẩn ở nhiệt độ thấp (6 ÷ 10oC) để loại bỏ các tạp chất trên bề mặt hạt. Người ta cũng có thể dùng sữa gầy vô trùng để rửa hạt. Hạt kefir đã qua rửa sạch được đem bảo quản trong nước vô khuẩn hoặc dung dịch NaCl 0.9%. Khi cần nhân giống cho mẻ sản xuất tiếp theo, người ta sẽ sử dụng tiếp các hạt kefir trên để nhân giống [5].
Nếu thực hiện quá trình lên men từ hạt, hạt kefir thu được sẽ được cấy vào môi trường
sữa để tạo sản phẩm.
Dịch thu được sau quá trình lọc thô (mother culture) chứa các vi khuẩn lactic và
nấm men. Có thể sử dụng để cấy giống vào môi trường sữa nguyên liệu để sản xuất kefir. Lượng giống cấy từ 3÷5% (v/v). Nếu sau quá trình nhân giống như trên vẫn chưa đủ thể tích cần dùng, ta tiếp tục nhân giống thêm một cấp nữa. Khi đó, ta sẽ sử dụng lượng giống thu được từ quy trình trên để cấy tiếp vào môi trường sữa tươi, sữa gầy hoặc sữa hoàn nguyên đã qua thanh trùng theo tỷ lệ 3÷5% (v/v). Quá trình nuôi cũng được thực hiện ở
23oC, thời gian nuôi trung bình là 20 giờ. (Cần kiểm tra giá trị pH của canh trường để xác
định thời điểm kết thúc quá trình nuôi – pH 4.5) [5].
Ngoài ra, sản phẩm có thể được sản xuất bằng cách lên men từ dịch nhân giống gốc
(bulk starter culture). Để thu dịch nhân giống, đem cấy dịch hoạt hóa vào trong sữa tươi đã được chuẩn bị với tỷ lệ:
1÷3% (v/v) ở bình khuấy thể tích nhỏ
3÷5% (v/v) ở bình khuấy thể tích lớn. (tỷ lệ cấy còn phụ thuộc vào hoạt tính của
49
Hình 1.23. Các quá trình nhân giống hạt kefir [10].
Một trong những khía cạnh quan trọng của việc chuẩn bị giống nuôi cấy là xử lý hạt
kefir. Nếu hạt được giữ trong sữa mỗi ngày thì không nên rửa hạt (Molska et al. 1980;
Koroleva, 1988). Thay vào đó, hạt kefir có thể được rửa cẩn thận bằng sữa gầy vô trùng
hoặc bằng nước cất rồi bảo quản ở nhiệt độ thấp hơn 6oC hoặc bảo quản bằng phương
pháp lạnh sâu. Việc rửa hạt kefir có thể làm giảm lượng lactococci, nấm men và cả sinh khối của hạt (Choevers & Britz, 2003) và việc kéo dài thời gian bảo quản sẽ làm biến đổi trạng thái cân bằng của hệ vi sinh vật trong hạt [10].
Hiện tại, hạt kefir được bảo quản bằng phương pháp đông khô được sử dụng hầu hết trong các quy trình sản xuất kefir; chỉ có một số ít dây chuyền sản xuất vẫn còn nhân
giống hạt để đưa vào sản xuất, thông qua việc nhân giống sẽ tạo ra những sản phẩm lên
men đặc biệt như kefir có những chất lượng đặc trưng và nhiều lợi ích tốt cho sức khỏe