1.3.1. Sữa tươi
Từ xa xưa, con người đã biết sử dụng sữa của các loại động vật để chế biến thành nhiều loại thực phẩm quý giá. Hiện nay, ngành công nghiệp sữa trên thế giới tập trung sản xuất trên ba nguồn sữa chủ yếu là sữa bò, sữa dê, sữa cừu. Ở nước ta, sữa bò là nguồn nguyên liệu chủ yếu dành cho ngành công nghệ thực phẩm (Lê Văn Việt Mẫn, 2010). Vì vậy, những thuật ngữ về sữa và các sản phẩm từ sữa trong bài viết này sẽ chỉ nói về nguyên liệu sữa bò.
Khoa học và công nghệ về sữa và các sản phẩm từ sữa trong 25 năm qua đã có nhiều tiến bộ lớn trong cơ giới hóa, tự động hóa và vệ sinh trong nhà máy chế biến, chất lượng, an toàn, kéo dài thời hạn sử dụng và tạo ra nhiều sản phẩm mới mang lại sự đa dạng, tiện lợi cho người tiêu dùng (H. D. Goff1 và cộng sự, 2006).
Trong số 74,3 tỷ lít sữa được sản xuất tại Hoa Kỳ năm 2003, 39% đương đương với 29 tỷ lít sữa được tiêu thụ dưới dạng sữa tươi. Giá thành trung bình phải trả cho người dân là 14,24 USD/100kg. Tại Canada, sản lượng sữa năm 2002 ở mức 7,4 tỷ lít. Năm 2002,
Hoa Kỳ được xếp hạng chỉ đứng sau Ấn Độ về tổng sản lượng sản xuất (H. D. Goff1 và cộng sự, 2006).
Trong những năm gần dây, ngành sản xuất sữa ở Việt Nam, tính đến cuối năm 2018, sản lượng sữa tươi nguyên liệu sản xuất trong nước tăng 6,2% so với cùng kì năm 2017, doanh thu tiêu thụ sữa tại Việt Nam tăng 10,9% so với năm 2017. Từ năm 2010 đến hết năm 2018, Việt Nam đã nhập khẩu khoảng 7,2 tỷ USD mặt hàng sữa và các sản phẩm từ sữa, trung bình mỗi năm Việt Nam bỏ ra 890 triệu USD để nhập khẩu sữa nhằm đáp ứng nhu cầu tiêu dùng trong nước (Báo cáo chuyên sâu ngành sữa Việt Nam Q1/2019).
Bảng 1.6. Thành phần hóa học trung bình của sữa bò tươi
Thành phần Hàm lượng (% khối lượng)
Độ ẩm 85,00 ± 0,07 Khoáng 2,88 ± 0,01 Protein 3,29 ± 0,02 Chất béo 2,77 ± 0,02 Lactose 4,97 ± 0,01 Tổng hàm lượng chất khô 15,00± 0,07
Nguồn: Salma M. Siddig và cộng sự, 2016
1.3.2. Sữa bột
Sữa bột là sản phẩm sữa được sản xuất bằng cách làm bay hơi nước trong dung dịch sữa cho đến khô. Mục đích của quá trình làm khô là để bảo quản, lưu trữ và sử dụng. Sữa bột có thời hạn sử dụng lâu hơn nhiều so với sữa tươi và không cần phải bảo quản lạnh do bản chất của sản phẩm có độ ẩm thấp, ngoài ra sữa bột còn giúp giảm phần lớn khối lượng vận chuyển và giảm chi phí vận chuyển (Walstra và cộng sự, 2006).
Trong những năm trở lại đây, sữa là một trong những ngành đạt tốc độ tăng trưởng nhanh nhất trong ngành công nghệ thực phẩm ở Việt Nam. Với một đất nước đang phát triển, có tốc độ đô thị hóa và tăng dân số cao như ở nước ta, nhu cầu tiêu thụ sữa và các sản phẩm từ sữa sẽ tiếp tục tăng trong những năm tới. Trong đó, sữa bột là mảng sản phẩm đem lại lợi nhuận cao nhất cho các nhà sản xuất. Đối với các công ty sản xuất sữa trong nước, nguồn nguyên liệu trong nước chỉ đáp ứng được 30% nhu cầu sản xuất, trong khi đó 70% còn lại phải nhập khẩu. Nguồn nguyên liệu phụ thuộc chủ yếu vào tiềm năng phát triển của ngành chăn nuôi bò sữa. Hiện nay, các công ty sản xuất sữa lớn như Vinamilk
hoặc FrieslandCampina Việt Nam (Dutch Lady) đã bắt đầu phát triển vùng nguyên liệu riêng của mình. Điển hình là Vinamilk, ngoài việc thu mua sữa ở các trang trại nhỏ lẻ của nông dân, đã xây dựng 5 trang trại nuôi bò, với Nghệ An là trang trại bò sữa lớn nhất Việt Nam hiện nay. Song nhìn chung, Việt Nam không có các điều kiện thuận lợi để chăn nuôi bò sữa, do khí hậu nhiệt đới và quỹ đất chật hẹp. Do đó, tuy nhà nước và các công ty sữa đã chú trọng phát triển nguồn nguyên liệu trong nước, nhưng hiện hơn 70% đầu vào sản xuất của các công ty sữa đến từ nhập khẩu (Nguyen Viet Khoi, 2013).
Bảng 1.7. Thành phần hóa học của một số loại sữa bột
Thành phần (%)
Sữa bột
nguyên kem Sữa bột gầy Cream bột Butter milk
bột Whey bột Nước 3,5 4,3 4,0 3,1 7,1 Protein 25,2 35,0 21,5 33,4 12,0 Chất béo 26,2 1,0 40,0 2,3 1,2 Lactose 38,1 51,9 29,5 54,7 71,5 Chất khoáng 7,0 7,8 5,0 6,5 8,2
Nguồn: Lâm Xuân Thanh, 2003.
Kết quả về thành phần hóa học và các đặc tính dinh dưỡng của các sản phẩm sữa bột cho thấy sữa bột vẫn giữ lại được một số đặc tính như hàm lượng protein cao, tuy nhiên, thành phần vitamin C cũng bị phá hủy một phần. Việc mất các chất dinh dưỡng này có thể là do quá trình sấy khô và điều kiện bảo quản làm ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm (Emanuele Marconi và cộng sự 1998).
Một trong những tính chất quan trọng nhất của sữa bột là độ hòa tan, nó thể hiện khả năng phục hồi của sữa tức là khả năng protein của sữa phân tán trở lại, tạo thành dung dịch keo bền vững. Độ hòa tan được tính bằng lượng chất không hòa tan còn lại trong ống sau ly tâm. Phụ thuộc vào phương pháp sấy, độ hòa tan của các loại sữa sẽ rất khác nhau ví dụ như khi sấy trục, lượng chất không tan là 15 – 20 ml tức độ hòa tan là 80 – 85%, còn khi sấy phun, lượng chất không tan là 0,5 – 2 ml tương ứng với độ hòa tan 98 – 99,5% (Lâm Xuân Thanh, 2003).
Trong thực trạng ngành sữa ở Việt Nam hiện nay, thì lượng sữa cung cấp trong sản xuất vẫn còn hạn chế, chỉ đáp ứng khoảng 30 – 35 % vì thế việc phải nhập khẩu sữa để làm
nguyên liệu sản xuất là điều tất yếu. Mặt khác, để thuận tiện cho việc sử dụng, vận chuyển hàng hóa và giảm chi phí vận chuyển, giảm tổn thất trong quá trình vận chuyển thì sữa bột vẫn là nguồn nguyên liệu được ưu tiên sử dụng. Sản phẩm sữa bột có thời gian sử dụng dài hơn so với sữa tươi, hình thức đóng gói, vận chuyển, sử dụng dễ dàng và tiết kiệm hơn so với sữa tươi. Các nhóm sản phẩm phô mai tại thị trường hiện nay chưa thực sự phong phú và chủ yếu là hàng nhập ngoại. Nhằm tạo ra sản phẩm đạt chất lượng cao, tiết kiệm chi phí, nguồn nguyên liệu sản xuất ổn định và đa dạng hóa các sản phẩm từ sữa nhóm chúng tôi đã tiến hành thực hiện nghiên cứu quy trình sản xuất phô mai tươi từ sữa bột.
1.4. Quá trình đông tụ casein
Casein là phosphoprotein chiếm khoảng 80% tổng hàm lượng protein sữa. Casein được tạo thành từ nhiều thành phần, các thành phần chính là: αs1-casein, αs2-casein, β- casein và κ-casein với tỷ lệ tương ứng 4,0 : 1,0 : 3,5: 1,5. Trong sữa, casein cùng với thành phần thiết yếu canxi photphat, tạo thành tập hợp của vài nghìn phân tử protein với đường kính trung bình từ 150 đến 200nm, được gọi là micelle casein. Micelle casein dễ dàng bị mất ổn định do xử lý bằng enzyme phân giải protein hoặc axit hóa để tạo ra khối đông tụ, đây là cơ sở để tạo thành phô mai và sữa chua (D. G. Dalgleish và cộng sự. 2012).
Việc axit hoá sữa có thể được thực hiện bằng nhiều cách: nuôi cấy vi khuẩn lactic, lên men đường sữa thành axit lactic, bổ sung trực tiếp axit, như HCl hoặc sử dụng glucono delta-lactone (GDL) được thủy phân thành axit gluconic, dẫn đến giảm pH (C. Phadungath, 2005). Một nghiên số nghiên cứu về việc kết hợp các tác nhân gel hoá sữa như: vi khuẩn lactic – GDL (Abd El Aziz và cộng sự, 2013), rennet – GDL (J. A. Lucey và cộng sự, 2000)… cũng đã được báo cáo.
1.4.1. Glucono delta-lactone
Mặc dù HCl và axit lactic đã được thử nghiệm sử dụng để axit hóa sữa sản xuất phô mai nhưng GDL được cho là phù hợp hơn vì nó thủy phân thành axit tự do với tốc độ thuận lợi cho việc sản xuất phô mai, không độc hại và không có các tính chất gây khó chịu, chẳng hạn như không hòa tan muối canxi và không tạo mùi vị khó chịu (Elmer H.Marth và cộng sự, 1990).
Glucono delta-lactone hay còn gọi là đường nho có công thức phân tử là C6H10O6. GDL là một dẫn xuất của glucose và là một phân tử mạch vòng. Phân tử GDL có sáu
nguyên tử carbon (C) và một nhóm hydroxyl (OH) được gắn trên mỗi nguyên tử C (Gerhard Feiner, 2016).
GDL đơn giản là dạng khô của axit gluconic, thu được bằng cách loại bỏ nước trong quá trình kết tinh. GDL được sử dụng như một chất phụ gia thực phẩm để giảm độ pH và có khả năng làm cho sản phẩm có vị chua như axit citric (S. Banon và cộng sự, 1992).
Axit gluconic để sử dụng cho thực phẩm tại Mỹ có thể được sản xuất theo bất kỳ cách nào trong ba cách sau (OMRI, 2002):
1. Bằng cách oxy hóa D-glucose với nước brom;
2. Bằng quá trình oxy hóa D-glucose bởi các vi sinh vật không gây bệnh và không gây độc cho người hoặc động vật khác;
3. Bằng cách oxy hóa D-glucose với các enzyme có nguồn gốc từ các vi sinh vật này.
GDL dễ dàng hòa tan trong nước và được sử dụng trong một loạt các ứng dụng. Nó được cho là một trong những cách tốt nhất để giảm pH mà không tạo ra hương vị axit quá mức cho sản phẩm thực phẩm (Hamad, 2015).
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo gel của GDL
GDL thủy phân trong nước tạo thành axit gluconic. Tốc độ hình thành axit bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ thủy phân, nồng độ GDL thêm vào. Nó giải phóng axit với tốc độ thấp ở nhiệt độ phòng, nhưng tốc độ chuyển đổi thành axit gluconic tăng khi nhiệt độ tăng lên (Hamad, 2015).
Nhiệt độ:
Thời điểm khởi đầu của quá trình gel hóa và tốc độ mạng lưới gel được hình thành trong quá trình axit hóa bị ảnh hưởng rất lớn bởi nhiệt độ. Khi GDL được thêm vào ở 35oC, quá trình tạo gel do axit hóa không xảy ra trong 3 giờ đầu. Khi nhiệt độ tăng lên 40, 45, 50, 55oC, quá trình tạo gel bắt đầu sau 128, 68, 33, 16 phút, thêm GDL ở nhiệt độ cao giúp tăng tốc độ tạo gel (Byung Y. Kim và John E. Kinsella, 1989).
Việc tăng nhiệt độ đã đẩy nhanh sự kết hợp của micelle casein riêng lẻ thành một mạng ba chiều. Tốc độ thủy phân GDL thành axit gluconic tăng ở nhiệt độ cao hơn, tức là, nó nhanh gấp đôi ở 55°C so với ở 45oC, cho thấy tốc độ axit hóa cũng tăng lên ở nhiệt độ
cao hơn. Tính chất của gel bị ảnh hưởng nhiều bởi tốc độ axit hóa cũng như nhiệt độ (Byung Y. Kim và John E. Kinsella, 1989).
Nồng độ GDL:
Khi nồng độ GDL được tăng lên thì độ cứng của gel và tốc độ phát triển độ cứng tăng lên, thời gian bắt đầu thời điểm gel hóa giảm đáng kể (Byung Y. Kim và John E. Kinsella, 1989).
1.4.2. Vi khuẩn lactic
Vi khuẩn lactic (Lactic acid bacteria) là vi khuẩn gram dương, không sinh bào tử, âm tính với catalase, không có cytochrome, axit lactic là sản phẩm cuối cùng của quá trình lên men carbohydrate (Seppo Salminen và cộng sự, 2004).
Vi khuẩn lactic tạo hương vị đặc trưng cho phô mai, là kết quả của quá trình lên men carbohydrate, ưu tiên lactose là nguồn carbon chính, chuyển hóa lactose thành axit lactic, sản phẩm cuối cùng ngoài axit lactic còn có thêm một sản phẩm phụ như axit acetic, CO2, ethanol…(Bylund, 1995). Một số quá trình trao đổi chất của vi khuẩn lactic có các chức năng đặc biệt tác động đến hương vị của các sản phẩm từ sữa, các chức năng chính như là lên men lactose, giảm thế oxi hóa khử, phân hủy casein… (Edmund R.S. Kunji và cộng sự, 1996).
Nhiều quá trình lên men các sản phẩm thực phẩm được thực hiện bằng cách sử dụng nuôi cấy hỗn hợp vi khuẩn lactic, sự tương tác giữa chúng có tầm quan trọng đối với việc thực hiện các quá trình lên men. Lên men kết hợp giữa chủng vi khuẩn Streptococcus thermophilus và Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus (Lactobacillus bulgaricus) là một trong những sự lên men hoàn hảo, hỗn hợp của những loài này được cho là kích thích sự tăng trưởng của nhau bằng cách trao đổi chất chuyển hóa axit folic và CO2 (Sander Sieuwerts và cộng sự, 2010). Trong nghiên cứu này chúng tôi xin sử dụng hai loại chủng trên, loại bổ sung trực tiếp vào dung dịch sữa để lên men.
Streptococcus thermophilus
Streptococcus thermophilus là vi khuẩn ưa nhiệt, gram dương, âm tính với catalase, không phát triển ở nhiệt độ dưới 10oC, phát triển tốt ở 45oC, hầu hết chủng này tồn tại ở 60oC trong vòng 30 phút, nhiệt độ sinh trưởng tối ưu là 37oC và pH tối ưu là 6,5 (De
Ramesh và cộng sự 2006). Tế bào có dạng hình cầu hoặc hình trứng, có đường kính từ 0,7 – 0,9 µm, rất nhạy cảm với các chất kháng sinh như là penicilin (0,005 IU/ml). Vi khuẩn này thường được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp sản xuất sữa chua và phô mai (Nauth, 2004).
Trong quá trình lên men sữa, nhu cầu sử dụng nguồn nitơ ban đầu của Str. thermophilus sẽ được cung cấp bởi các axit amin có trong sữa, khi quá trình lên men diễn ra, các peptide do L. bulgaricus tạo ra bị thủy phân bởi các peptidase của Str. thermophillus và tạo ra các axit amin tự do đáp ứng cho nhu cầu dinh dưỡng của nó. Str. thermophills lên men glucose, fructose, mannose, sucrose và lactose (De Ramesh và cộng sự, 2006). Lactose được vận chuyển qua màng tế bào với sự trợ giúp của enzyme galactoside permease nằm trong màng, lactose trong tế bào sau đó bị thủy phân bởi enzyme lactase hoặc β- galactosidase, Str.thermophillus còn tạo thành lactase, xúc tác cho quá trình thủy phân đường sữa thành glucose và galactose. Glucose được chuyển thành pyruvate và chuyển hóa thành axit lactic nhờ vào enzyme lactic dehydrogenase (De Ramesh và cộng sự 2006).
Do hoạt tính axit hóa cao Str.thermophilus thường được sử dụng kết hợp với các vi khuẩn lactic khác để tăng tốc độ lên men (Rginia S. o'leary và cộng sự, 1976). Hầu hết các
Str. thermophilus phát triển tốt hơn trong sữa so với lactococci và tạo ra axit mạnh hơn, những chủng này sử dụng đường glucose có trong sữa. Sinh tổng hợp các axit amin (Leucinem isoleucine và valine) như một con đường thiết yếu để tăng trưởng tối ưu trong sữa. Con đường này được cho là có vai trò trong việc duy trì độ pH bên trong của sinh vật bằng cách chuyển đổi acetolactate thành các axit amin (Nauth, 2004).
Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus
L. bulgaricus là vi khuẩn gram dương, âm tính với catalase, kỵ khí, không có khả năng di chuyển, tạo ra một lượng lớn axit lactic và hydro peroxide (H2O2). Nhiệt độ tăng trưởng tối ưu của L. bulgaricus là 45oC nhưng trong lên men sữa nhiệt độ là 42-43oC. L. bulgaricus có mức độ hoạt động của enzyme protase cao và đạt đến tối đa ở pha sinh trưởng. L. bulgaricus sản xuất ra lactase để thủy phân lactose thành glucose và galactose. Glucose được chuyển hóa thành axit lactic, trong khi galactose tích lũy trong môi trường tăng trưởng, L. bulgaricus chịu được pH thấp tốt hơn nhiều so với Str. Thermophillus. Khác với Str. thermophillus, L. bulgaricus có thể thủy phân casein thành peptide, sử dụng
proteinase gắn trên thành tế bào của nó. Nhưng để chuyển đổi các peptide thu được thành các axit amin tự do, L. bulgaricus phải kết hợp với Str. Thermophillus, có peptidase hoạt động (De Ramesh và cộng sự 2006).
Sự kết hợp giữa hai chủng Str. thermophilus và L. bulgaricus tạo ra CO2, formate, peptide và nhiều axit amin được giải phóng khỏi casein, người ta xác định rằng nhiều axit amin được giải phóng khỏi casein nhờ các protase của L. bulgaricus kích thích tăng trưởng cho Str. thermophillus, đổi lại Str. thermophillus tạo ra CO2 và formate kích thích cho L. bulgaricus. Trong giai đoạn đầu của quá trình ủ, phát triển nhanh hơn và loại bỏ oxy dư thừa tạo ra các chất kích thích. Đối với việc sử dụng kết hợp các loại giống này thì thời gian, nhiệt độ ủ phải được kiểm soát và sau quá trình ủ phải được làm mát kịp thời (Nauth, 2004).
1.4.3. Cơ chế đông tụ casein
Trong phạm vi của nghiên cứu này, chúng tôi sẽ trình bày cơ chế đông tụ casein trong nguyên liệu sữa bò dưới tác nhân gây đông tụ là các chủng vi khuẩn lactic và GDL.
Khi GDL hòa tan trong nước sẽ hòa tan nhanh chóng và thủy phân chậm thành axit gluconic (hình 1.2) (Gerhard Feiner, 2016).
Glucono delta-lactone Gluconic acid