CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN
2.6. Các quá trình cơ bản trong quy trình sản xuất sữa thực vật
2.6.2. Enzyme α-amylse và hiệu quả trong quá trình thủy phân của dịch sữa
α-amylase là một loại enzyme nằm trong nhóm enzyme Amylase (nhóm enzyme thủy phân). Đây là một protein có phân tử lượng thấp (50.000 đến 60.000 Dal). Với điểm đẳng điện nằm trong vùng pH = 4,2 - 5,7.
α-amylase (E.C.3.2.1.1) là một enzyme hydrolase xúc tác quá trình thủy phân các liên kết α-1,4-glycoside bên trong tinh bột một cách ngẫu nhiên để tạo ra các sản phẩm như
glucose và maltose. Đó là một metalloenzyme canxi, nghĩa là nó phụ thuộc vào sự có mặt của yếu tố đồng kim loại cho hoạt động của nó [23]. α-amylase khơng chỉ thủy phân hồ tinh bột mà nó cịn thủy phân cả hạt tinh bột nguyên song với tốc độ rất chậm. Quá trình thủy phân tinh bột bởi α-amylase là q trình ba giai đoạn:
• Giai đoạn đầu (dextrin hóa): chỉ một số phân tử cơ chất bị thủy phân tạo thành một lượng lớn dextrin phân tử thấp (α–dextrin), độ nhớt của hồ tinh bột giảm nhanh (các amylose và amyloPectin đều bị dịch hóa nhanh).
• Sang giai đoạn 2 (đường hóa): các dextrin phân tử thấp tạo thành tiếp tục bị thủy phân tạo ra tetra-trimaltose không cho màu với iodine. Các chất này bị thủy phân rất chậm bởi α-amylase cho tới disaccharide và monosaccharide. Dưới tác dụng của α- amylase, amylose bị phân giải khá nhanh thành oligosaccharide gồm 6-7 gốc glucose.
• Sau đó, các polyglucose này bị phân cắt tiếp tục tạo nên mạch polycolagen cứ ngắn dần và bị phân giải chậm đến maltotetrose, maltotriose và maltose.
Thành phần thủy phân thu được sau khi thủy phân tinh bột phụ thuộc rất nhiều vào ảnh hưởng của nhiệt độ, điều kiện thủy phân và nguồn gốc của enzyme. α-amylase đã trở thành một enzyme có tầm quan trọng do hoạt động thủy phân tinh bột của nó và các hoạt động có thể được thực hiện do thủy phân [23].
Theo Aiyer (2005) sự hóa lỏng của enzyme lên chất nền tinh bột yến mạch dùng để giảm độ nhớt và để tăng sản lượng sữa yến mạch bằng cách tạo điều kiện cho quá trình lọc [24]. Quá trình này cũng dẫn đến việc tăng số lượng tổng chất rắn bằng sự hoạt động của amylase trên tinh bột dẫn đến sản xuất maltodextrins [25]. Do đó, ứng dụng enzyme α-amylase để nâng cao hiệu suất lọc và hiệu quả thu hồi chất khơ trong dịch trích ly từ sữa điều.
Theo một số tài liệu khảo sát trung bình hàm lượng tinh bột có trong hạt điều khoảng 20 – 22%, tuy hàm lượng không cao, nhưng lượng tinh bột này vẫn đặt ra vấn đề trong việc chuẩn bị nhũ tương ổn định của dịch sữa. Khi xử lý nhiệt, tinh bột hồ hóa và sữa lỏng có khuynh hướng gel hóa với độ nhớt cao dẫn đến khả năng chấp nhận sản phẩm thấp hơn, giảm hiệu quả quá trình lọc và thu hồi hàm lượng chất khơ thấp trong q trình thủy phân dịch sữa.
2.6.3. Q trình đồng hóa
Sau các q trình nghiền, nấu, thủy phân, phối chế ta thu nhận được các chất dinh dưỡng trong hạt điều cùng tất cả các thành phần bổ sung tạo thành một hỗn hợp dung dịch dưới dạng huyền phù. Nếu để n dịch huyền phù, chất rắn có kích thước thích hợp (dựa vào sự khác nhau về tỉ trọng của chất rắn và của chất lỏng trong dung dịch)
sẽ lắng xuống đáy tạo thành một lớp cặn (sa lắng). Hiện tượng này sẽ gây ảnh hưởng đến chất lượng sữa. Do đó cần bổ sung chất ổn định kết hợp q trình đồng hóa nhằm phân tán đều các cấu tử rắn lơ lửng vào dung dịch tạo một khối sản phẩm đồng nhất. Sản phẩm sau đồng hố sẽ có độ mịn cao, tăng độ tiêu hố khi ăn vào cơ thể và ít bị phân lớp khi bảo quản sau này.
Phương pháp đồng hóa nâng cao ổn định sản phẩm
Độ ổn định của sữa thực vật từ hạt phụ thuộc vào kích cỡ của các hạt phân tán. Sữa từ hạt có các hệ keo được hình thành bởi các hạt phân tán lớn như: globulin chất béo, các hạt rắn từ nguyên liệu, protein và hạt tinh bột dẫn đến sản phẩm thu được khó giữ được sự ổn định trong thời gian bảo quản lâu dài. Sự lắng xuống của các hạt rắn gây mất giá trị cảm quan cho sản phẩm.
Sự khơng ổn định do có mặt của các hạt kích thước lớn tạo ra cảm giác cát, có sạn, phấn trắng nhám và mouth feel thiếu độ mượt [26]. Cải thiện bằng cách giảm kích cỡ của các hạt phân tán bằng các kỹ thuật khác nhau.
2.6.3.1. Phương pháp khuấy trộn (mixing)
Sử dụng cánh khuấy để phân bố đều các hạt phân tán trong pha liên tục của hệ nhũ tương hoặc huyền phù là một phương pháp đồng hóa đơn giản nhất. Trong q trình này, một số hạt phân tán sẽ va đập vào cánh khuấy và bị giảm kích thước, đồng thời vị trí của các hạt phân tán sẽ được sắp xếp lại trong pha liên tục. Tuy nhiên độ ổn định của hệ nhũ tương hoặc huyền phù khi được đồng hóa bằng phương pháp khuấy trộn là khơng cao [27].
Để hạn chế hiện tượng sản phẩm bị tách pha, chúng ta có thể sử dụng những giải pháp sau đây: [27]
- Đối với hệ nhũ tương, thường bổ sung chất nhũ hóa trước khi khuấy trộn. Chất nhũ hóa có chức năng làm giảm sức căng bề mặt giữa hai pha trong hệ nhũ tương, đồng thời tạo nên một màng bảo vệ bao bọc xung quanh các hạt thuộc pha phân tán, làm cho chúng không thể kết hợp với nhau để tạo nên những hạt phân tán mới có thể tích lớn hơn. Chất nhũ hóa phổ biến: chất hoạt động bề mặt, polymer sinh học lưỡng cực (amphiphilic biopolymer).
+ Chất hoạt động bề mặt: phân tử của chúng thường có hai đầu, một đầu phân cực (ưa nước) và một đầu không phân cực (ưa béo). Khi phân bố tại bề mặt tiếp xúc giữa hai pha trong hệ nhũ tương, đầu phân cực sẽ nằm trong pha nước, cịn đầu khơng phân cực sẽ nằm trong pha dầu và hướng về pha dầu. Mỗi chất hoạt động bề mặt đều có một chỉ số cân bằng ưa nước – ưa béo (Hydrophile – Lipophile Balance Value – HLBV). Đó là tỷ số giữa phần trăm khối lượng các nhóm ưa nước và phần trăm khối lượng các nhóm
kỵ nước trong phân tử. Các chất hoạt động bề mặt có chỉ số HLBV thấp (3 – 6) thường được dùng để ổn định hệ nhũ tương nước trong dầu. Ngược lại, những chất có chỉ số HLBV cao (10 – 18) được dùng làm bền hệ nhũ tương dầu trong nước. Các chất hoạt động bề mặt thường gặp là: monoglyceride, este của polyol và acid béo.
+ Polyme sinh học lưỡng cực: chúng thường có hình cầu, hình que hoặc hình cuộn trịn. Các chất này có hoạt tính bề mặt nên có chức năng ổn định hệ nhũ tương. Các polymer sinh học lưỡng cực thường gặp là casein, whey protein hoặc tinh bột biến tính.
- Đối với hệ huyền phù, thường bổ sung chất tăng độ nhớt cho pha liên tục trước khi khuấy trộn. Tốc độ lắng của các hạt phân tán sẽ tỷ lệ nghịch với độ nhớt của pha liên tục. Các chất làm tăng độ nhớt: gum, agar, cacboxymethylcellulose, Pectin, gellan gum.
2.6.3.2. Phương pháp nghiền keo
Q trình nghiền thích hợp là q trình phân tán hạt điều thành những phần có kích thước vơ cùng nhỏ để giảm được thời gian nâng nhiệt, thuận lợi cho sự chiết lọc và điều quan trọng là thu hồi tối đa hàm lượng các chất dinh dưỡng có trong hạt điều – nâng cao chất lượng sản phẩm.
Nghiền keo được sử dụng để giảm kích thước hạt chất rắn trong chất lỏng hoặc giảm kích thước của giọt chất lỏng trong chất lỏng khác. Việc giảm kích thước được thực hiện bằng lực cắt thủy lực và cơ học. Máy nghiền keo hoạt động theo nguyên lý rotor – stator: rotor quay ở tốc độ cao (2000 – 18000 RPM). Làm tăng tính ổn định của hệ huyền phù và nhũ tương. Tốc độ cắt cao hơn dẫn đến kích thước hạt phân tán nhỏ hơn xuống khoảng 1μm, chống lại sự tách lớp của nhũ tương hơn.
Theo truyền thống, máy nghiền keo được sử dụng để giảm kích cỡ hạt phân tán trong pha chế sữa đậu nành và sữa đậu phộng. Tuy nhiên, sự hư hỏng do vi khuẩn là một yếu tố hạn chế trong việc sử dụng máy nghiền keo.
2.6.3.3. Đồng hóa áp suất cao UHPH
Xử lý nhiệt như thanh trùng và tiệt trùng có thể làm thay đổi thành phần thực phẩm, đặc biệt là các protein và lipid ổn định nhũ tương cũng như làm nóng tinh bột gây ra sự gia tăng độ nhớt cao, cũng có thể có ảnh hưởng đáng kể tới sự ổn định của sữa thực vật. Q trình đồng hóa áp suất cao (UHPH) là một trong những công nghệ chế biến tiên tiến mang lại các hạt có kích thước nhỏ hơn và đồng nhất hơn, có thể được sử dụng hiệu quả để cải thiện sự ổn định của sữa thực vật [28].
Ngồi việc giảm kích thước các hạt keo, sự phá huỷ đồng thời các vi sinh vật có thể đạt được bằng cách xử lý UHPH do tác động của áp lực cao đối với vi sinh vật [29]. Phù hợp với các sản phẩm thực phẩm lỏng, cho phép ổn định tốt hơn và đồng thời mang lại hiệu quả bảo quản cho sản phẩm cuối cùng. Hai phương pháp điều trị UHPH, 200 và 300 MPa, đã được áp dụng cho sữa đậu nành ở nhiệt độ đầu vào là 40oC và đã được so sánh với sữa đậu nành đã qua xử lý UHT và bình thường của Cruz et al. (2007).
Kết quả cho thấy rằng sử dụng UHPH cải thiện đáng kể sự ổn định nhũ tương bằng cách phá vỡ các hạt keo và cũng cho thấy sự giảm lượng vi khuẩn.
Ngoài 2 yếu tố chế độ đồng hóa cho áp suất khác nhau và tỷ lệ chất nhũ hóa thì các yếu tố ảnh hưởng đến q trình đồng hóa cịn có tỷ lệ phần trăm chất béo trong sữa (khơng lớn hơn 12% có thể sử dụng đồng hóa áp lực cao), nhiệt độ dao động từ 55 – 80oC [30].
2.6.3.4. Phương pháp siêu âm (Ultrasonic homogenization)
Một cơng nghệ khác mới về đồng hóa là q trình siêu âm được nghiên cứu về sữa bị. Iswarin và Permadi (2012) [31] nghiên cứu ảnh hưởng của sóng siêu âm với mức cơng suất khác nhau và thời gian tiếp xúc trên đường kính hạt nhỏ của sữa dừa.
Đối với điều này, các mức công suất từ 2,5 đến 7,0 W và thời gian tiếp xúc từ 5 đến 25 phút đã được sử dụng. Kết quả mô tả sự giảm đường kính của các giọt cầu béo khi tăng mức cơng suất và thời gian tiếp xúc.
Sóng siêu âm sử dụng có tần số trong khoảng 18 – 30KHz. Dưới tác dụng của sóng siêu âm, các hạt phân tán sẽ bị tác động nén và kéo xen kẽ nhau liên tục. Ngồi ra hiện tượng xâm thực khí cũng xuất hiện. Trong giai đoạn kéo, các bọt hơi trở nên căn phồng, cịn trong giai đoạn nén thì thể tích bọt hơi bị giảm tối thiểu và chúng sẽ bị vỡ đi. Sự xâm thực khí cũng góp phần làm giảm kích thước hạt phân tán. Kích thước của chúng sau q trình đồng hóa bằng sóng siêu âm dao động trong khoảng 1 – 2 μm.
2.6.3.5. Phương pháp sử dụng áp lực cao (high pressure homogenization)
Phương pháp thông dụng nhất hiện nay được dùng để đồng hóa nhũ tương lẫn huyền phù. Đối với hệ nhũ tương kích thước hạt phân tán sau q trình xử lý áp lực cao thường 0,1 – 0,2 μm, trong một số trường hợp kích thước hạt phân tán có thể rất nhỏ xấp xỉ 0,02 μm [27]. Trong những năm gần đây, kỹ thuật này được sử dụng để cải thiện tính chất lưu biến của nước trái cây [32], tăng cường tính chất và sự ổn định của sữa hạnh nhân [33], cải thiện tính chất của polysaccharides [34] và protein [35].
Nguyên lý hoạt động: hệ phân tán được bơm cao áp đưa vào một khe hẹp có tiết diện
giảm dần. Kích thước khe hẹp dao động từ 15 – 30 μm. Tốc độ chuyển động của các hạt phân tán khi đến khe hẹp sẽ lên tới 50 – 200 m/s. Sau khi qua khe hẹp, các hạt phân tán bị giảm kích thước và được phân bố đều trong pha liên tục. Sự giảm kích thước của các hạt phân tán trong phương pháp này được giải thích theo nguyên lý chảy rối, xâm thực khí và tác động cơ học [27].
Việc sử dụng áp lực cao để thực hiện q trình đồng hóa sẽ làm tăng nhiệt độ của ngun liệu. Kết quả thực nghiệm cho thấy nếu như áp lực sử dụng tăng 40 bar thì nhiệt độ nguyên liệu sẽ tăng 1oC. Trong công nghiệp thực phẩm, giá trị áp lực sử dụng thường dao động trong khoảng 200 – 300 bar tương đương với khoảng tăng nhiệt độ nguyên liệu trong q trình đồng hóa là 5,0 – 7,5oC. Như vậy, mức độ làm tăng nhiệt cho nguyên liệu là không lớn [27].