GOS có lịch sử sử dụng an toàn trong thực phẩm và dinh dưỡng cho trẻ. Sản phẩm cho trẻ chứa GOS được giới thiệu lần đầu tiên vào đầu thập niên 90 ở Nhật Bản. Hơn một thập kỉ qua, hơn 90% công thức dành cho trẻ ở Nhật được bổ sung thành phần oligosaccharide không tiêu hóa được (NDO) như là nhân tố phát triển của vi khuẩn
bifidobacteria. Sản phẩm chứa GOS đầu tiên ở châu Âu được tung ra năm 1997 với
một sản phẩm sữa lên men của Hà Lan. GOS ngày càng được ứng dụng nhiều trên toàn thế giới [21].
http://www.ebook.edu.vn 48
Yêu cầu về hàm lượng GOS trong mỗi sản phẩm có thể khác nhau. Theo chỉ thị 2006/141/EC trên công thức cho trẻ và công thức cho các độ tuổi về sau của liên minh
châu Âu (EU, European Union), GOS và FOS có thể được cho vào trong công thức
dinh dưỡng trẻ với sốlượng có thể lên 0.8g/100 ml. Hỗn hợp GOS : FOS được thiết kế với tỉ lệ là 9 : 1 nhằm bắt chước sự phân phối kích thước phân tửsaccharide như trong sữa mẹ. Thực phẩm chức năng hiện nay chứa tới 5g GOS trên 100 g sản phẩm thực phẩm [11,21,46,55,62].
Bảng 3.4. Các sản phẩm sữa được bổ sung prebiotic FOS ở châu Âu [21,33,69].
Sản phẩm Tên công ty Nước sản xuất Loại
BI’AC Aldi Đức Synbiotic
Biotic Plus Oligosaccharide Aldi Đức/Hà Lan Synbiotic
Jour aprés Jour Lactel Pháp Prebiotic
Silhouette Plus Candia Pháp Prebiotic
Daily Fit Ehrman Đức Synbiotic
Actifit-Plus Emmi Thụy Sĩ Synbiotic
ProbioPlus Migros Thụy Sĩ Synbiotic
ProCult3 Muller Đức Synbiotic
Fyos Nutricia Bỉ Prebiotic
Vifit Sudmilch/Stassano Bỉ, Đức, Anh Synbiotic
Symbalance Tonilait Thụy Sĩ Synbiotic
Probiotic plus Oligosaccharide Bauer Đức Synbiotic
Actimel Danone Bỉ Synbiotic
Fysiq Mona Hà Lan Synbiotic
Vì các đư ờng tự do được xem là thành phần của inulin, oligofructose, hay FOS
nên chúng không cần phải được liên kê như là thành phần bổ sung nhưng hàm lượng
đường cho toàn bộ sản phẩm phải được nêu trong “Giá trị dinh dưỡng” trên nhãn thực phẩm. Ở Mỹ và nhiều nước khác, fructan (inulin, oligofructose, và FOS) được viết là “chất xơ hòa tan” dưới giá trị dinh dưỡng. Vì vậy, người tiêu dùng hay thầy thuốc khó đánh giá thông tin đầy đủ. Ví dụ, khi họ muốn tránh fructose thì không thể biết được loại FOS [51].
http://www.ebook.edu.vn 49
CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT SẢN PHẨM SỮA CHỨA GOS. 4.1. Giới thiệu
Sữa là nguồn cung cấp calcium quan trọng cho cơ thể. Tuy nhiên, khi tiêu dùng các sản phẩm sữa, một vấn đề cần quan tâm là chứng không dung nạp lactose.
Chứng không dung nạp lactose là sự mất khả năng chuyển hóa lactose do thiếu
enzyme lactase trong bộmáy tiêu hóa [115,93]. Lactose không được tiêu hóa sẽ được
chuyển hóa bởi vi sinh vật trong ruột già. Nó gây ra những triệu chứng như: trướng bụng, đau bụng, và ỉa chảy [115,135]. Vì vậy, những người không dung nạp được lactose nên tránh tiêu thụ sữa. Tuy nhiên, họ có thể tiêu hóa một lượng nhỏ sữa (khoảng 200 ml). Họ cũng có thể tiêu thụ các sản phẩm sữa lên men vì nó chứa ít lactose. So với sữa, lượng lactose trong yogurt thường thấp hơn 1/3 lần. Hơn nữa, những người không dung nạp được lactose có thể tiêu hóa yogurt dễ dàng hơn nhờ sự hiện diện của vi khuẩn lactic sinh β-galactosidase [64].
Có khoảng 75% người trưởng thành trên thế giới giảm lượng lactase trong hệ tiêu hóa. Tuy nhiên, tỉ lệ thiếu lactase trong đường ruột phụ thuộc vào nhóm chủng tộc: 5% ở Bắc Âu và 80% ở Đông Âu, khoảng 20% ở Mỹ, và hơn 90% ở một sốnước thuộc châu Phi và châu Á (hình 4.1) [64,126,135].
Mặc dù ở nhiều nước có tỉ lệngười có chứng không dung nạp lactose thấp, nhưng những sản phẩm không chứa lactose vẫn được nhiều người ưa thích vì tính dễ tiêu của chúng. Vì vậy, thị trường các sản phẩm sữa không chứa lactose rất có tiềm năng phát triển.
http://www.ebook.edu.vn 50
Hình 4.1.Sự phân bố chứng không dung nạp lactose.[126]
Để làm giảm hàm lượng lactose có trong sữa và các sản phẩm sữa, có 3 hướng giải quyết sau:
• Sử dụng phương pháp vật lý như lọc ultra để loại bỏ lactose [93].
• Thủy phân lactose trong sữa thành glucose và galactose.
• Chuyển hóa lactose thành oligosaccharide [64, 73, 93].
Trong 3 phương pháp trên, phương pháp vật lý thường được dùng để sản xuất milk protein concentrate và whey protein concentrate. Tuy nhiên, phương pháp này sẽ làm giảm hàm lượng chất xơ và tăng thêm chi phí sản xuất.
Phương pháp thủy phân lactose và phương pháp chuyển hóa lactose thành oligosaccharide là hai phương pháp được nghiên cứu rất nhiều. Cả hai phương pháp này đều sử dụng β-galactosidase vì nó vừa có hoạt tính thủy phân và vừa có hoạt tính transgalactosyl [35]. Người ta sẽ điều chỉnh điều kiện phản ứng để kiểm soát hướng phản ứng là thủy phân hay galactosyl hóa. Lactose là loại đường có độ hòa tan thấp nên dễ gây kết tinh trong một số sản phẩm như ice cream, whey spread, sữa lạnh đông, sữa cô đặc. Vì vậy, khi giảm hàm lượng lactose trong sữa và chuyển hóa thành monosaccharide hay oligosaccharide, enzyme β-galactosidase cũng giúp cải thiện đặc
http://www.ebook.edu.vn 51
tính kỹ thuật và cảm quan của thực phẩm, đồng thời cũng hạn chế ô nhiễm môi trường [38, 54, 64].
Phương pháp thủy phân lactose bằng β-galactosidase sẽ tạo ra các đường đơn. Những đường này được lên men dễdàng hơn so với lactose. Vì vậy, trong sản xuất sữa lên men, nếu bổsung β-galactosidase trong nguyên liệu sữa thì canh trường khởi động lên men đạt pH mong muốn nhanh hơn. Hơn nữa, glucose và galactose có độ ngọt cao hơn lactose khoảng 50%. Do đó, lượng chất ngọt cần bổ sung vào sản phẩm cũng giảm [35, 64]. Phương pháp thủy phân đã được ứng dụng trong một số sản phẩm sữa [38].
Phương pháp chuyển hóa lactose thành oligosaccharide là phương pháp mới nhất [18, 93]. Sản phẩm sữa thu được là sản phẩm được tăng cường hàm lượng GOS, đồng thời làm giảm hàm lượng lactose. Các sản phẩm thu được không những là chọn lựa mới cho những người không dung nạp lactose mà còn có lợi cho sức khỏe do có hoạt tính prebiotic [20, 93].
4.2. Nghiên cứu sản xuất sữa tươi giàu GOS và ít lactose [20]
Hình 4.2. Sơ đồ quy trình sản xuất sữa tươi giàu GOS, ít lactose.
β-galactosidase Sữa tươi Ly tâm tách béo Lọc ultra Xử lí với enzyme Phối trộn Tiệt trùng Sản phẩm Retentate
http://www.ebook.edu.vn 52
4.2.1. Nguyên liệu
- Sữa tươi được ly tâm tách béo để thuận lợi cho quá trình siêu lọc. Vì các chất béo thường tạo ra một màng bao lên membrane nên dễ gây ra hiện tượng tắc nghẽn dòng permeate [6].
- Sau đó, sữa tách béo được bổ sung 0.1% sodium azide đểngăn ngừa sự phát triển của vi sinh vật.
- β-galactosidase: 9 đơn vị/mg. Một đơn vị hoạt động (hoạt lực) là lượng enzyme xúc tác cho phản ứng để giải phóng 1 mmol glucose từ lactose trong 1 phút ở nhiệt độ 370C và pH 4.5.
4.2.2. Lọc ultra (quá trình siêu lọc)
Lọc ultra là quá trình phân riêng bằng membrane, cho phép tách các cấu tử ra khỏi một hỗn hợp ở mức độ phân tử hoặc ion, với kích thước 50 000 Da. Kết quả của quá
trình phân riêng bằng membrane sẽ cho hai dòng sản phẩm: dòng sản phẩm qua
membrane được gọi là permeate và dòng sản phẩm không qua membrane được gọi là retentate [6]. Sau khi sữa được lọc ultra, dòng permeate chứa lactose, dòng retentate chứa protein sữa.
Mục đích của quá trình lọc ultra là cô đặc lượng lactose trong sữa tươi nguyên liệu. Vì lượng lactose ban đầu càng cao thì sự chuyển hóa thành oligosaccharide càng lớn, hay β-galactosidase có hoạt tính transgalactosyl trong permeate cao hơn trong sữa. Ngoài ra, lọc ultra còn có những ưu điểm so với phương pháp cô đặc bằng nhiệt thông thường:
• Tách protein sữa ra khỏi permeate chứa lactose: Nguyên nhân chính làm giảm sự tạo thành oligosaccharide trong sữa là do sự ức chế của whey protein lên hoạt động của β-galactosidase. Cơ chế của sựức chếnày chưa được biết rõ.
Ngoài ra, sữa và permeate còn khác nhau về thành phần ion kim loại. Sự khác nhau này có thể ảnh hưởng đến hoạt động của β- galactosidase, phụ thuộc nguồn gốc enzyme mà có thểlàm tăng hay giảm hoạt lực của β-galactosidase.
• Không làm biến tính protein hay mùi vị quá nhiệt do quá trình cô đ ặc sữa bằng nhiệt.
http://www.ebook.edu.vn 53
Hệ thống lọc ultra:
- Áp suất đầu vào và đầu ra được điều khiển là 138 và 103 KPa, và tốc độ chảy là 25.28 kg/phút.
- Sữa gầy ở trên sẽđược lọc ultra 3 lần ở 500C. Khi tăng nhiệt độ sữa, độ nhớt sẽ giảm, tốc độ khuếch tán của các cấu tử qua membrane tăng. Do đó, tốc độ dòng permeate sẽtăng. Tuy nhiên, nếu ta tăng nhiệt độ sữa trên 600C, một số protein sẽ bị biến tính, các kết tủa tạo thành sẽđược hấp phụ lên bề mặt membrane [6]. - Permeate thu được có hàm lượng lactose lên tới 25.3%, sẽ được xử lý với β-
galactosidase.
Tăng số lần lọc ultra: Theo nghiên cứu, màng lọc ultra không lọc hết được lượng lactose có trong sữa. Sau 3 lần lọc ultra, có khoảng 30% lactose còn lại trong retentate. Khi hòa trộn lại permeate được xử lí enzyme với retentate, lượng oligosaccharide tổng của sữa tái hợp là 22.0% trên tổng saccharide.
Nếu tăng số lần tiến hành lọc ultra từ 3 lần trở lên, sản phẩm sữa thu được sẽ có phần trăm oligosaccharide tổng cao hơn. Khi sữa được lọc ultra 5 lần, 80% lactose đi
vào permeate và 20 % còn lại trong retentate. Sản phẩm sữa cuối cùng có 25%
oligosaccharide trên tổng saccharide. Khi đó, tỉ lệ enzyme và cơ chất (E/S) trong quá trình xử lí enzyme β -galactosidase cũng c ần tăng lên do hàm lượng lactose trong permeate tăng.
4.2.3. Xử lí với β-galactosidase
Tỉ lệenzyme và cơ chất (E/S): Trong quá trình phản ứng, sự thủy phân lactose, sự tổng hợp và thủy phân oligosaccharide diễn ra đồng thời. Do đó, người ta thấy rằng ở tỉ lệ E/S cao thì tổng oligosaccharide sinh ra giảm vì oligosaccharide được hình thành bị thủy phân ngay thành disaccharide hay monosaccharide. Giới hạn của tỉ lệ này phụ thuộc vào hàm lượng lactose ban đầu và hoạt lực của enzyme β-galactosidase. Đối với permeate có hàm lượng lactose 25.3% và hoạt lực của enzyme β-galactosidase là 9 đơn vị/gam, tỉ lệ E/S từ 0.3 - 6.7% thì tổng oligosaccharide tăng. Khi tỉ lệ này vượt quá 6.7%, tổng oligosaccharide bắt đầu giảm.
Nhiệt độ phản ứng: Khi nhiệt độ phản ứng nằm trong khoảng 30 – 500C, lượng oligosaccharide tổng được tạo thành tăng theo chiều tăng của nhiệt độ. Khi nhiệt độ
http://www.ebook.edu.vn 54
phản ứng trên 500C, sự tạo thành oligosaccharide giảm do enzyme β-galactosidase bị bất hoạt.
Thời gian phản ứng: Lượng oligosaccharide tổng đạt tối đa sau 3.5 giờ và giảm dần sau đó vì t ốc độ tổng hợp oligosaccharide bắt đầu chậm hơn tốc độ thủy phân oligosaccharide. Lượng lactose trong sữa giảm và lượng glucose và galactose tăng theo thời gian do sự thủy phân lactose. Tuy nhiên, lượng galactose thấp hơn nhiều so
với glucose vì galactose tham gia phản ứng tạo thành GOS. Sự tạo thành
pentasaccharide tăng theo thời gian trong khi trisaccharide, tetrasaccharide chỉ tăng theo thời gian khi thời gian phản ứng là 0.5 giờ. Sau thời gian này, trisaccharide và tetrasaccharide bắt đầu giảm do tạo thành pentasaccharide.
Sản phẩm permeate thu được sau quá trình xử lí với enzyme chứa 31.1% GOS, 35.3% lactose và số phần trăm còn lại trong tổng saccharide là các đường đơn.
Sau đó, permeate được hòa trộn lại với retentate.
4.3. Nghiên cứu sản xuất các sản phẩm phô mai giàu GOS và ít lactose [93]
4.3.1. Hai loại phô mai nghiên cứu – phô mai cottage và phô mai cream
Có nhiều cách phân loại pho mai như phân loại theo hàm lượng nước, phân loại
theo hàm lượng béo. Năm 1993, Fox đề nghị thêm cách phân loại phô mai dựa theo phương pháplàm đông tụ sữa:
• phô mai đông tụ bằng rennet • phô mai đông tụ bằng acid • phô mai kết tinh hay cô đặc.
Phô mai cottage và phô mai cream là phô mai đông tụ bằng acid [30].
Đối với một số loại phô mai, quá trình lên men tạo pH thấp bởi vi khuẩn lactic là
sự chuyển hóa lactose thành acid lactic. Nhưng sự chuyển hóa đó xảy ra không hoàn
toàn, do đó, hầu hết các sản phẩm phô mai truyền thống vẫn chứa một lượng lactose đáng kể.
Các phương pháp sản xuất các sản phẩm phô mai được nghiên cứu ở đây có ‘hàm lượng GOS được tăng đáng kể’ và ‘hàm lượng lactose được giảm đáng kể’, đặc biệt là phô mai cottage, phô mai cream (hình 4.3):
Phô mai cottage là dạng phô mai không ngâm muối, đông tụ bởi acid nhẹ, mềm, được làm từ sữa. Những mẫu hay phần tử nhỏ của khối đông được ngâm trong sữa cream hay được đánh trộn với sữa cream để tạo thành sản phẩm phô mai cottage.
http://www.ebook.edu.vn 55
Phô mai cream là phô mai không ngâm muối, đông tụ bởi acid nhẹ, mềm, được làm truyền thống từ hỗn hợp cream và sữa. Phô mai cream có cấu trúc chắc mềm, giống như bơ và được bảo quản ở nhiệt độ lạnh để nó có thểđược cắt hay phết dễ dàng khi sử dụng. [30]
‘lượng lactose được giảm đáng kể’: nghĩa là các sản phẩm phô mai chứa ít hơn 1 g lactose/serving (phô mai cottage: 4 ounce serving, phô mai cream: 1 ounce serving).
‘lượng GOS tăng đáng kể’: nghĩa là các sản phẩm phô mai chứa ít nhất khoảng 0.5 g GOS /serving.
Hình 4.3. Sơ đồ quy trình sản xuất truyền thống 2 loại phô mai tươi.[30] Sữa nguyên liệu
Chuẩn hóa
Thanh trùng
Đồng hóa
Làm nguội
Lên men lactic
Phô mai cream Giống (~1%) Tách whey Thanh trùng Rennet Bổ sung phụ gia Đồng hóa Đóng gói lạnh
Phô mai cottage
Đóng gói nóng Whey/permeate
http://www.ebook.edu.vn 56
So với phương pháp truyền thống, các phương pháp sản xuất các sản phẩm phô
mai giàu GOS có thêm quá trình xử lí với enzyme β-galactosidase. Trong quá trình
này, GOS được tạo thành từ lactose có trong sữa. GOS có phân tử lượng tương đối thấp, khoảng 1000 Daltons và GOS hầu như bị mất theo pha lỏng (whey) trong quá trình tách whey bằng lọc ultra hay li tâm. Do đó, quá trình tách whey là quá trình c ần hạn chế trong sản xuất phô mai giàu GOS. Các quá trình phân riêng như th ẩm thấu ngược, lọc nano, sắc kí lọc gel, sắc kí ái lực có thểđược tiến hành để hoàn lại GOS từ whey, nhưng thời gian sản xuất và chi phí sản xuất sẽtăng.
Các sản phẩm phô mai thu được từphương pháp sản xuất nghiên cứu là những sản phẩm phô mai có những ưu điểm sau:
- Có hàm lượng chất xơ hòa tan cao, giảm hàm lượng calorie, đặc tính cảm quan tốt, được cải thiện cấu trúc và mùi vị.
- Có chỉ số glycemic thấp hơn vì GOS đư ợc hấp thu chậm hơn lactose và các sản phẩm thủy phân của nó.
- Giảm giá thành sản xuất: GOS có khả năng cải thiện cấu trúc của sản phẩm phô mai, đặc biệt là phô mai cream. Do đó, nó có thể thay thế chất ổn định hay cho phép tăng hàm lượng ẩm trong sản phẩm mà không cần tách whey. Ngoài ra, giá cả sản xuất sẽ giảm đáng kể so với bổ sung GOS chế phẩm hay các thành phần prebiotic khác vào sản phẩm phô mai.
- Giảm sự nâu hóa khi dùng phô mai cream trong các sản phẩm qua chế biến nhiệt như bánh cheesecake.
http://www.ebook.edu.vn 57
4.3.2. Các quy trình sản xuất sản phẩm phô mai giàu GOS và ít lactose 4.3.2.1.Phô mai cottage giàu GOS và ít lactose 4.3.2.1.Phô mai cottage giàu GOS và ít lactose
Tạo khối đông Tạo sữa cream giàu GOS
Hình 4.4. Sơ đồ quy trình sản xuất phô mai cottage giàu GOS.
Sữa gầy Chuẩn hóa Thanh trùng Đồng hóa Làm nguội Xử lý với enzyme Tách whey Sản phẩm Acid hóa Cắt và nấu Làm nguội Ngâm/trộn Bảo quản Sữa nguyên liệu Chuẩn hóa Thanh trùng Đồng hóa Làm nguội Xử lý với enzyme Thanh trùng Làm nguội Bảo quản β-galactosidase Giống/acid whey
http://www.ebook.edu.vn 58
Tạo khối đông: Khối đông trong sản xuất phô mai cottage được tạo thành bởi quá trình acid hóa, có thể bổ sung rennet hoặc không. Sữa nguyên liệu để sản xuất khối đông cho phô mai cottage thường là sữa gầy.
Nếu sữa được đông tụ bằng cách nuôi cấy canh trường sinh acid lactic thì quá trình