4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
1.1. Tổng quan về kẹo cứng
1.1.1. Định nghĩa
Kẹo cứng là một hỗn hợp bao gồm nước, đường và glucose syrup được nấu ở nhiệt độ cao tạo thành một khối vô định hình, trong đó đường không bị kết tinh và độ ẩm đạt khoảng 3% sau khi nấu (NPCS Board of Consultants & Engineers, 2018). Các nguyên liệu như acid citric hoặc acid tartaric, dịch trái cây cô đặc, dịch trích rau, mật ong, dịch trích malt, các thành phần sữa, chất màu có thể được thêm vào công thức kẹo cứng để tạo thành hương vị như mong muốn (Ziegler, 2008).
1.1.2. Thị trường tiêu thụ
Các sản phẩm kẹo có tính phổ biến ở mọi lứa tuổi. Có rất nhiều hương vị sẵn có trên thị trường, như cam, dứa, xoài, bạc hà, dâu tây, nho… và trẻ em là lứa tuổi thường xuyên sử dụng sản phẩm này (NPCS Board, 2012).
Trong một cuộc khảo sát gần đây ở Mỹ, khoảng 97% người trưởng thành cho biết họ sử dụng kẹo ít nhất một lần/năm (Michael và cộng sự, 2014). Tiêu thụ kẹo bình quân đầu người chiếm khoảng 2.2% tổng năng lượng hấp thụ vào (Hornick và cộng sự, 2014). Dữ liệu của Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ đã chỉ ra rằng người Mỹ trung bình từ 2 tuổi trở lên tiêu thụ kẹo 138.7 lần/năm, hoặc khoảng 2-3 lần/tuần. Báo cáo từ dữ liệu thị trường cũng cho thấy, người Mỹ tiêu thụ kẹo nhiều hơn khoảng 153.3 lần/năm hoặc hơn 3 lần/tuần (Shumow và cộng sự, 2012).
Lục địa có mức tiêu thụ kẹo cao nhất chính là châu Âu với một nửa lượng kẹo được tiêu thụ trên thế giới (Warrell, 2017). Trái ngược với thực trạng này, các nước châu Á như Ấn Độ và Trung Quốc là nơi có mức tiêu thụ kẹo thấp hơn nhiều. Trung bình người Ấn Độ tiêu thụ khoảng 0.5 kg/người/năm, trong khi người Trung Quốc tiêu thụ nhiều hơn, khoảng 0.7 kg/người/năm (Statista Market Forecast, 2019; Công ty Cổ phần Chứng khoán Phú Hưng, 2016). Nguyên nhân là do tỷ lệ thừa cân và béo phì đang tăng nhanh ở khu vực Đông Nam Á cũng như gánh nặng của các bệnh liên quan như bệnh tiểu đường, tim mạch,… đã làm hạn chế sự tiêu dùng đường và các sản phẩm từ đường ở các nước này (Popkin, 2012). Ở Việt Nam, ngành bánh kẹo là một ngành có mức tăng trưởng cao và ít bị ảnh hưởng bởi sự biến động nền kinh tế do đó thu hút nhiều công ty thực phẩm nước ngoài tham gia vào thị trường kẹo nội địa. Công ty Khảo sát thị trường quốc tế Business Monitor International (BMI) dự đoán, đến năm 2018 nhu cầu tiêu thụ bánh kẹo tại thị trường Việt Nam là 40.000 tỉ đồng. Mức tiêu thụ bánh
5
kẹo bình quân đầu người khoảng 2 kg/người/năm (Công ty Cổ phần Chứng khoán Phú Hưng, 2016). Thống kê giai đoạn 2010 - 2012 về sản lượng tiêu thụ một số loại bánh kẹo cho thấy viên ngậm pastille, kẹo dẻo và kẹo cứng chiếm tỷ lệ cao nhất. Trong đó, sản lượng tiêu thụ sản phẩm kẹo cứng đạt 10717.2 tấn vào năm 2010 và 11182.9 tấn vào năm 2012 (Business Monitor, 2012).
1.2. Tổng quan về quy trình sản xuất kẹo cứng
Các nguyên liệu để sản xuất kẹo cứng gồm đường sucrose, glucose syrup, nước, các loại acid, phụ gia tạo màu và phụ gia tạo hương sẽ được chuẩn bị và định lượng theo đúng tỷ lệ theo công thức. Quy trình sản xuất kẹo cứng điển hình bao gồm các bước sau đây:
- Gia nhiệt hỗn hợp đường và glucose syrup đến khoảng 150-155oC để khối kẹo đạt được nồng độ chất khô như mong muốn (97 - 98%). Có ba phương pháp chính dùng để nấu kẹo cứng là nấu kẹo trong nồi nấu hoạt động ở áp suất thường, nồi nấu chân không hoặc nồi nấu liên tục.
- Làm nguội khối kẹo đến nhiệt độ thích hợp.
- Bổ sung các loại acid hữu cơ, phụ gia tạo màu và phụ gia tạo hương vào khối kẹo trong giai đoạn làm nguội
- Tạo hình và bao gói sản phẩm.
- Bảo quản sản phẩm ở nơi khô ráo, thoáng mát tránh sự tiếp xúc trực tiếp với ánh sáng mặt trời.
1.3. Tổng quan về nguyên liệu chính trong sản xuất kẹo cứng 1.3.1. Sucrose 1.3.1. Sucrose
Đường sucrose là một trong những nguyên liệu chính được sử dụng trong ngành công nghiệp sản xuất bánh kẹo (Minifie, 2012). Trên quan điểm của những nhà sản xuất kẹo, sucrose có hai tính chất đặc biệt: nó được kết tinh từ dung dịch và không bị hút ẩm ở độ ẩm tương đối của không khí dưới 70% (Richardson, 2017). Sucrose có một số vai trò chính trong các sản phẩm kẹo như tạo vị ngọt, thúc đẩy sự kết tinh, ngăn chặn sự hóa nâu do chúng không phải là đường khử, tăng cường sự giải phóng hương vị cho sản phẩm (Michael và cộng sự, 2014). Các nhà máy sản xuất kẹo sử dụng sucrose ở nhiều dạng nhưng chủ yếu là dạng hạt (đường cát). Đường cát có sẵn với nhiều kích thước khác nhau từ dạng tinh thể lớn có kích thước 2000µm cho đến dạng bột mịn có kích thước nhỏ 20µm (Edwards, 2018).
Các tính chất vật lý của sucrose được tổng hợp ở Bảng 1.1. Một số tính chất vật lý của sucrose có vai trò quan trọng trong việc sử dụng đường sucrose như một thành phần nguyên liệu. Đó là độ hòa tan, sự hút ẩm, sự kết tinh và độ nhớt (Davis, 1995).
6
Bảng 1.1. Các tính chất vật lý của sucrose (Reiser và cộng sự, 1995)
Tính chất Giá trị
Khối lượng riêng, kg/m3 1587.9 Nhiệt độ nóng chảy, oC 160-186 Độ hòa tan trong nước ở 20oC, g/g 2.00 Độ quay đặc trưng, độ +66.53 Nhiệt dung riêng, J/mol
Dạng tinh thể, ở 20oC Dạng vô định hình, ở 22oC
415.8 90.2 Nhiệt dung dịch, kJ/mol 4.75 ± 0.26 Momen lưỡng cực, C.m
Enthanpy của quá trình kết tinh ở 30oC, kJ/mol Mật độ khối, kg/m3
Tinh thể Bột
Entropy, J/(mol.K)
Góc tới hạn (angle of repose), độ
3.1×10-18 10.5 930 600 360.5 34
Sucrose rất dễ tan trong nước do có nhiều nhóm hydroxyl và độ hòa tan của nó tăng theo nhiệt độ (Belitz và cộng sự, 2009). Ở nhiệt độ phòng, đường sucrose có thể hòa tan với nước theo tỷ lệ 2:1 tạo thành một dung dịch có nồng độ khoảng 67% (Hartel và cộng sự, 2018). Ở nồng độ lớn hơn, để hòa tan hết sucrose cần phải nâng nhiệt độ của nước lên cao hơn. Nồng độ sucrose càng cao, nhiệt độ sôi của các dung dịch đó càng cao. Các nhà máy sản xuất kẹo tận dụng mối quan hệ chính xác giữa điểm sôi và nồng độ sucrose để kiểm soát lượng nước cuối cùng còn lại trong các sản phẩm kẹo. Điều này được thực hiện bằng cách đun nóng dung dịch syrup đường đến nhiệt độ đã chọn tương ứng với nồng độ đường và nước mong muốn (Bảng 1.2) (Potter và Hotchkiss, 2012).
7
Bảng 1.2. Điểm sôi của syrup kẹo ở các nồng độ khác nhau (Potter và Hotchkiss, 2012) Sucrose (%) Nước (%) Điểm sôi (oC)
30 40 50 60 70 80 90 95 97 98.2 70 60 50 40 30 20 10 5 3 1.8 100 101 102 103 106 112 123 140 151 160 1.3.2. Glucose syrup
Thành phần chính thứ hai sau sucrose được sử dụng trong ngành công nghiệp sản xuất kẹo là glucose syrup. Ở Mỹ và các quốc gia sử dụng tiếng Anh như một ngôn ngữ chính, glucose syrup được biết đến nhiều hơn với tên gọi là corn syrup (Edwards, 2018). Glucose syrup chủ yếu là dung dịch của các monosaccharide được sản xuất từ tinh bột bắp với hàm lượng chất khô phụ thuộc vào đương lượng dextrose (DE) và tùy theo loại syrup dự kiến sản xuất (Varzakas và cộng sự, 2012).
Glucose syrup có thể được sản xuất bằng ba phương pháp: chuyển hóa acid (pH=2, nhiệt độ trên 100oC); chuyển hóa acid-enzyme (sản phẩm thủy phân bởi acid đươc xử lý bằng một hoặc nhiều enzyme thủy phân tinh bột như amylase) và chuyển hóa enzyme (BeMiller, 2018). Các loại glucose syrup được phân loại dựa vào đương lượng dextrose, viết tắt là DE. DE được định nghĩa là tỷ lệ phần trăm đường khử tính theo dextrose trên tổng hàm lượng chất khô (Minifie, 2012; Hull, 2010; Hobbs, 2009). Trong đó, glucose syrup có giá trị DE 42 được sử dụng phổ biến nhất trong ngành công nghiệp sản xuất kẹo (Minifie, 2012; BeMiller, 2018). Đây loại syrup trong suốt, không màu có chứa dextrose, maltose và các saccharide cao phân tử. Do hàm lượng dextrose tương đối thấp, glucose syrup DE 42 hoàn toàn ổn định trong điều kiện bình thường và không bị kết tinh (Hull, 2010). Ngoài những giá trị thực phẩm mà chúng cung
8
cấp, glucose syrup được sử dụng để kiểm soát độ ngọt, kết cấu, sự kết tinh, phản ứng nâu hóa và độ ẩm trong các sản phẩm kẹo cứng. Với độ hòa tan cao hơn so với sucrose, hỗn hợp sucrose và glucose syrup có nồng độ cao hơn so với dung dịch chỉ có sucrose (Hartel và cộng sự, 2018).
1.3.3. Acid citric
Acid citric (2-hydroxy-1,2,3-propanetricarboxylic acid) là một acid hữu cơ có nhiều trong các loại trái cây họ cam chanh. Cấu tạo hóa học của acid citric được biểu diễn ở Hình 1.2. Acid citric được sản xuất dưới hai dạng là dạng khan và dạng monohydrate với khối lượng phân tử tương ứng là 192 và 210 (Hartel và cộng sự, 2018). Acid dạng khan được kết tinh từ dung dịch nước nóng thành tinh thể không màu hoặc dạng bột màu trắng. Dạng monohydrate được kết tinh từ dung dịch nước lạnh. Khi đun nóng nhẹ, các tinh thể mất nước ở 70 – 75oC và nóng chảy trong phạm vi 135 -152oC. Đun nóng nhanh làm mất nước ở 100oC tạo thành tinh thể nóng chảy mạnh ở 153oC (Malveda và cộng sự, 2009).
Hình 1.1. Cấu tạo hóa học của acid citric
Một số tính chất vật lý của acid citric được tổng hợp ở Bảng 1.7. Acid citric có tính hút ẩm, không mùi, dễ tan trong nước (Dean, 1999). Cấu trúc hóa học và các đặc tính của acid (ví dụ: dạng, độ hòa tan, khối lượng phân tử) tác động đến sự lựa chọn acid được sử dụng cho các tính chất đặc trưng trong kẹo cứng (Jarrett, 2012). Trong quy trình sản xuất kẹo cứng, acid citric thường được bổ sung vào nhằm tạo vị chua nhẹ, cân bằng vị ngọt, tăng cường hương vị cho sản phẩm (Lees, 2012). Ngoài ra, acid citric còn được dùng để nghịch đảo một phần đường sucrose, giúp ngăn chặn sự tái kết tinh của tinh thể đường. Bên cạnh đó, acid citric còn giúp tạo hương vị giống trái cây và giá thành tương đối rẻ nên được ứng dụng rất nhiều trong các sản phẩm kẹo cứng (Hartel và cộng sự, 2018).
Bảng 1.3. Các tính chất vật lý của acid citric, dạng khan (Jarrett, 2012) Tính chất Giá trị
9 Công thức phân tử Khối lượng phân tử
Đương lượng g Nhiệt độ nóng chảy, oC
Nhiệt độ phân hủy, oC Khối lượng riêng, g/ml Năng suất tỏa nhiệt ở 25oC, MJ/mol
Nhiệt dung dịch, J/g C6H8O7 192.13 64.04 153 175 1.665 1.96 117 1.3.4. Muối NaCl
Muối là tên gọi thường dùng cho NaCl, bao gồm 40% natri và 60% clo theo khối lượng. Trong cơ thể, muối giúp duy trì các hoạt động của tế bào, sự hiện diện của nó quyết định thể tích dịch ngoại bào và do đó duy trì thể tích máu và huyết áp (Doyle và Glass, 2010). Trong ngành công nghiệp thực phẩm, muối được sử dụng rộng rãi như một thành phần nguyên liệu vì giá thành rẻ và tính chất đa dạng. Nó có tác dụng bảo quản và kháng khuẩn do khả năng làm giảm hoạt độ nước. Ngoài ra, natri clorua còn giúp cải thiện các đặc tính cảm quan của thực phẩm bằng cách tạo vị mặn, giảm vị đắng và tăng vị ngọt theo các cơ chế sinh hóa khác nhau (Liem và cộng sự, 2011).
Muối thường chiếm một hàm lượng thấp trong các sản phẩm kẹo, có thể dao động từ 0- 678 mg/100 g sản phẩm tùy vào từng loại kẹo (Brady, 2002). Trong sản phẩm kẹo cứng chanh muối, việc bổ sung muối chủ yếu là để tạo vị mặn cho sản phẩm cũng như cân bằng với vị ngọt của đường. Mặt khác, theo Izutsu và Aoyagi (2005), việc bổ sung một lượng muối nhỏ vào các sản phẩm dạng vô định hình như kẹo cứng có thể làm tăng sự ổn định của sản phẩm. You và Ludescher (2008) cũng cho rằng muối có tác động đến tính linh động của các phân tử trong ma trận sucrose do đó giúp kéo dài thời hạn sử dụng của các sản phẩm kẹo cứng.
1.3.5. Isomalt
Isomalt là một polyol (sugar alcohol) và được sử dụng như một chất thay thế đường. Chúng có thể được sử dụng để sản xuất các sản phẩm có chất lượng cao với các đặc tính dinh dưỡng/chức năng cụ thể, ví dụ như các sản phẩm không đường, các sản phẩm có chỉ số đường huyết thấp, các sản phẩm giảm năng lượng và không gây sâu răng (Sentko và Willibald‐ Ettle, 2012).
10
Isomalt được sản xuất từ sucrose thông qua quy trình gồm hai bước phản ứng. Sucrose, một loại đường không khử, được biến đổi đầu tiên bởi enzyme sucroseglucosylfructose-mutase thành một loại đường khử, isomaltulose. Trong bước phản ứng này, liên kết 1-2 được chuyển thành liên kết 1-6, do đó tạo thành một nhóm ketone tự do ở phân tử fructose (Hartel và cộng sự, 2018). Sau khi isomaltulose được tinh chế bằng quá trình kết tinh, nó được hydro hóa ở pH 6-8 bằng hydro và chất xúc tác niken Raney (Edwards, 2018). Sản phẩm tạo thành là hỗn hợp của hai đồng phân: 1-O-α-D-glucopyranosyl-D-mannitol dihydrate (1, 1-GPM dihydrate) và 6- O-α-D-glucopyranosyl-D-sorbitol (1, 6-GPS) (Willibald-Ettle và Schiweck, 1996).
Về mặt hóa học, isomalt cực kì ổn định. Nó không bị thủy phân bởi acid và enzyme, vì các liên kết glycosidic giữa hai đồng phân của isomalt ở vị trí 1-1 và 1-6 có năng lượng phân ly thấp hơn so với liên kết glycosidic giữa hai monosaccharide trong sucrose (Sentko và Willibald‐ Ettle, 2012). Isomalt có dạng tinh thể màu trắng, không mùi, không hút ẩm (Hartel và cộng sự, 2018). Bên cạnh đó, isomalt ổn định ở nhiệt độ cao, độ nhớt thấp, nhiệt dung riêng và nhiệt độ sôi cao hơn sucrose (Barbieri và cộng sự, 2014). Với những đặc tính này cùng với giá trị calo thấp khoảng 2 kcal/g và độ ngọt chỉ khoảng 0.45 so với sucrose trong dung dịch 10%, isomalt là một nguyên liệu lý tưởng dùng để thay thế đường sucrose và được sử dụng rộng rãi trong quá trình sản xuất kẹo cứng (Raudonus và cộng sự, 2000).
1.3.6. Chanh
Chanh sử dụng trong nghiên cứu là giống chanh không hạt, có tên khoa học là Citrus latifolia. Nó còn có tên gọi khác là Persian lime hay Tahiti lime, thuộc chi citrus và loài aurantifolia (Roby Jose Ciju, 2019; Khan, 2017). Chi citrus là một trong những loài cây ăn quả phổ biến nhất thế giới, có chứa các dưỡng chất từ thực vật có lợi cho sức khỏe. Ngoài ra, nó cung cấp một lượng lớn vitamin C, acid folic, kali, pectin, các hợp chất phenolic và một số khoáng cần thiết cho dinh dưỡng của con người (de Moraes Barros và cộng sự, 2012; Rafiq và cộng sự, 2018).
Nước ép họ cam chanh là sản phẩm phổ biến nhất trong các loại quả có múi (Kuljarachanan và cộng sự, 2009). Nước chanh rất giàu chất dinh dưỡng đa lượng và vi lượng, có giá trị calo thấp và hoạt chất chống oxy hóa cao do sự hiện diện của carotenoids như - carotene (Shahidi và Alasalvar, 2016). Tuy nhiên, nước ép chỉ chiếm 50% tổng khối lượng của trái trong khi đó vỏ là sản phẩm phụ thường bị loại bỏ sau khi ép (Lario và cộng sự, 2004; Li và cộng sự, 2006). Các sản phẩm phụ này thường được sử dụng làm mật đường cho thức ăn chăn nuôi, sản xuất chất xơ tiêu hóa như pectin và để sản xuất nhiên liệu sinh học (Li và cộng
11
sự, 2006). Tuy nhiên, các nghiên cứu được thực hiện trên một số loại trái cây (họ cam chanh, táo, nho và quả mọng) chỉ ra rằng vỏ là nguồn chứa các chất chống oxy hóa tự nhiên nhiều hơn phần thịt và nước ép (Ignat và cộng sự, 2011). Hơn nữa, vỏ chanh còn chứa các hợp chất có hoạt tính sinh học như flavonoid, polyphenol, vitamin C (Manners, 2007). Do đó, các hợp chất phenolic trong vỏ được sử dụng trong các sản phẩm thực phẩm làm hoạt chất hoặc thay thế cho chất bảo quản tổng hợp (Ignat và cộng sự, 2011).
1.4. Tình hình nghiên cứu về ảnh hưởng của thành phần nguyên liệu đến chất lượng kẹo cứng trong nước và ngoài nước cứng trong nước và ngoài nước
1.4.1. Tình hình nghiên cứu trong nước
Theo những tài liệu mà chúng tôi tổng hợp được, các nghiên cứu trong nước về sản phẩm kẹo nói chung và kẹo cứng nói riêng vẫn còn hạn chế. Hiện ở Việt Nam chưa có công bố khoa học nào về ảnh hưởng của nguyên liệu đến chất lượng kẹo cứng chanh muối. Đây là một sản phẩm kẹo tiềm năng vì có vị ngọt thấp, bổ sung thêm natri và giúp giảm đau họng.