2. Ảnh hưởng của các yếu tố cơng nghệ lân protein sữa trong q trình bảo quản và chế biến
2.1 Ảnh hưởng của các yếu tố cơng nghệ lên protein trong q trình thanh trùng và tiệt trùng[5]
Thanh trùng là quá trình tiêu diệt vi sinh vật gây hại cho thực phẩm và ức chế các quá trình sinh tổng hợp độc tố của chúng.
Tiệt trùng là q trình tiêu diệt tồn bộ vi sinh vật (ở dạng tế bào sinh dưỡng hoặc bào tử và ức chế không thuận nghịch các enzyme trong thực phẩm). Mục đích:
Thanh trùng: ức chế và tiêu diệt một phần hệ vi sinh vật (vi sinh vật gây bệnh ) và enzyme.
Tiệt trùng tiêu diệt toàn bộ hệ vinh sinh vật và enzyme của sản phẩm sữa
Nhiệt độ:
- Thanh trùng: HTST 72 – 75 oC; 15-20s (nhiệt độ cao, thời gian ngắn) LTLT 62 - 65 oC; 30 phút (nhiệt đô thấp, thời gian dài) - Tiệt trùng: Thông thường 110 – 120 oC; 1-3s
UHT 135 - 140 oC; 1-3s
Khi thanh trùng Pasteur ứng dụng trong sản xuất sữa hộp và cơ đặc sữa (thường nhiệt độ dưới 100°C) thì protein nhất là ß-lactoglobulin bị biến tính. Bắt đầu từ 80°c, protein trong dung dịch sẽ tự trùng hợp và có thể tạo ra gel. Các nhóm thiol tự do, vốn ban đầu được ẩn dấu ở trong lòng phân tử sẽ xuất hiện khi cấu trúc cầu bị giãn mạch, sẽ tương tác với các nhóm thiol khác hoặc với các cầu di-sunfur trong cùng một phân tử hoặc giữa các phân tử. Khi đó sẽ tạo ra những phức hợp giữa các protein hịa tan đã bị biến tính và các hợp phần chứa s của mixen (casein K,casein aS2).
Nhiệt độ trên 135oC protein trên màng hạt cầu béo tạo thành hệ thống giúp cho màng giảm tính thấm, vì vậy q trình đồng hóa sau khi tiệt trùng được sử dụng trong sữa UHT có hàm lượng béo cao.
Whey protein, đặc biệt β-lactoglubulin nhạy cảm với nhiệt. bắt đầu ở 65oC và hầu như biến tính hồn tồn ở 90oC trong vịng 5 phút.
β-lactoglubulin liên kết đặc biệt với k-casein qua cầu nối sunphur, làm cho k-casein khó bị tác dụng bởi rennet, điều này giải thích tại sao cục đơng sữa thanh trùng nhiệt độ cao mềm.
Đun sữa ở 75oC/ 20-60 giây bắt đầu xuất hiện mùi thơm của sữa do sự giải phóng của hợp chất có chứa trong β-lactoglubulin và những protein khác, mùi thơm đặc trưng do sự biến đổi các acid amin kèm theo sự tạo thành các nhóm sunlfiiahydrin (-SH) của các protein.
Ở nhiệt độ trên 100oC lactose phản ứng với protein, tạo màu nâu (phản ứng maillard) làm thay đổi mùi vị, giảm β-lactoglubulin giá trị dinh dưỡng, đặc biệt là mất lysine. Sữa thanh trùng, sữa UHT có thể phân biệt bằng lượng lactulose, lactulose là đồng phân của lactose hình thành khi sữa xử lý ở nhiệt độ cao.
Thời gian :
Nếu thời gian thanh trùng và tiệt trùng chưa đáp ứng được các yêu cầu thì khả năng sữa có thể bị nhiễm vi sinh vật cao, đặc biệt Pseudomonas fluorescens (enzyme này có
oC trong 10s) có thể sinh protease thủy phân protein thành polypeptide, peptide và acid amin, làm cho protein sữa biến tính ảnh hưởng đến q trình bảo quản.
Nếu thời gian thanh trùng và tiệt trùng cao hơn so với các yêu cầu thì làm ảnh hưởng lớn đến giá trị dinh dưỡng của sữa
2.2 Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ lên protein trong q trình bài khí
Bài khí là q trình đuổi khí và các chất dễ bay hơi có trong sữa. Mục đích: tăng hiệu quả q trình đồng hóa, tách bỏ các hợp chất bay hơi có mùi khó chịu có trong sữa (do sự khuấy trộn hỗn hợp) và chất lượng sản phẩm sẽ tốt hơn
Ảnh hưởng các yếu tố lên protein: Nhiệt độ:
Nếu nhiệt độ q cao thì protein biến tính, đường và các acid amin tham gia phản ứng maillard, các vitamin có trong sữa sẽ bị thủy phân ảnh hưởng đến giá trị dinh dưỡng của sản phẩm.
Áp suất:
Nếu áp lực chân khơng q cao thì một lượng nước chưa kịp ngưng tụ sẽ tách theo khí làm hao hụt thể tích sữa, tốn nhiều năng lượng cho quá trình Vì vậy gia nhiệt sữa lên 65-68oC trước khi đưa vào thiết bị bài khí. Thiết bị bài khí giảm 60oC và áp suất chân khơng duy trì là 584 mmHg.
2.3 Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ lên protein trong q trình cơ đặc bằng nhiệt
Cơ đặc bằng nhiệt là quá trình sử dụng nhiệt độ cao làm bay hơi một phần nước trong bảng khảo sát, nhằm mục đích tăng hàm lượng chất khô trong mẫu. Trong công nghệ sản xuất sữa bột, sữa cô đặc, sữa chua, .. người ta cần cô đặc sữa đến nồng độ chất khô cần thiết. Cùng với kỹ thuật membrane, cô đặc bằng nhiệt là một kỹ thuật truyền thống thường được sử dụng vì hàm lượng chất khơ trong mẫu rất cao mà các kỹ thuật cô đặc khác không thể đạt được.
Cơ chế: dùng hơi dùng hơi để gia nhiệt sữa và nâng nhiệt độ của sữa lên đến điểm sơi, khi đó nước từ trạng thái lỏng sẻ chuyển qua trạng thái hơi và thốt ra ngồi môi trường xung quanh. Cùng với nước các chất khí và các cấu tử dễ bay hơi có trong sữa cũng bị mất đi
Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ lên protein Nhiệt độ
Nhiệt độ cô đặc thường dao động trong khoảng: 45 – 70◦C
Sử dụng phương pháp cơ đặc chân khơng người ta có thể giảm nhiệt độ sơi của mẫu cần cô đặc xuống 40◦C. Tại nhiệt độ này thành phần protein trong sữa không bị biến đổi. Casein khơng bị biến tính đặc biệt thành phần ß-lactoglobulin trong whey rất nhạy cảm với nhiệt độ cũng chưa đạt được nhiệt độ để bắt đầu biến tính (>65◦C)
Thời gian:
Đối phương pháp cô đặc thông thường thời gian quá lâu gây biến tính protein bởi tác dụng nhiệt độ hay enzyme nhưng với phương pháp cô đặc chân không chủ yếu do enzyme protase thủy phân protein có trong dịch sữa ban đầu.
2.4 Ảnh hưởng của các yếu tố cơng nghệ lên protein trong q trình sấy phun
Sấy là quá trình làm bốc hơi nước ra khỏi vật liệu dưới tác dụng của nhiệt. Trong quá trình sấy, nước được tách ra khỏi vật liệu nhờ sự khuếch tán do:
- Chênh lệch ẩm giữa bề mặt và bên trong vật liệu
- Chênh lệch áp suất hơi riêng phần của nước tại bề mặt vật liệu và mơi trường xung quanh.
Q trình sấy phun có một số điểm khác biệt so với các q trình sấy khác. Mẫu ngun liệu đưa vào sấy có dạng lỏng, cịn sản phẩm sau khi sấy có dạng bột. Thực chất mẫu nguyên liệu khi vào thiết bị sấy sẻ được phân tách thành những hạt nhỏ li ti trong buồng sấy. Chúng được tiếp xúc với các tác nhân sấy. Kết quả là hơi nước được bốc đi nhanh chóng. Các hạt sản phẩm được tách ra khỏi tác nhân sấy nhờ một hệ thống thu hồi riêng. Trong công nghiệp chế biến sữa thường gặp những hệ thống sấy phun sau:
o Hệ thống sấy phun một giai đoạn o Hệ thống sấy phun hai giai đoạn
o Hệ thống sấy phun có sử dụng băng tải
o Hệ thống sấy phun cho sản phẩm sữa bột tan nhanh
Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ lên protein: Nhiệt độ
Trong công nghiệp sản xuất sữa bột, nhiệt độ khơng khí nóng tại cửa vào buồng sấy phun thường nằm trong khoảng 170 – 230◦C, nhiệt độ khơng khí tại cửa ra là 76 - 100◦C.
Whey protein nhạy cảm với nhiệt độ hơn so với casein (ß-lactoglobulin nhạy cảm với nhiệt bắt đầu ở 60- 65◦C và hầu như biến tính hồn tồn ở 90◦C trong 5 phút). Khi sữa bị
gia nhiệt trên 60◦C, sự biến tính bắt đầu khi có sự tương tác giữa các amino acid chứa S và ß-lactoglobulin. Cầu sulphur hình thành giữa các phân tử ß-lactoglobulin, giữa 1 phân tử ß-lactoglobulin và một phân tử k- casein và giữa một phân tử ß-lactoglobulin và α- lactalbumin.
Do thời gian tiếp xúc giữa các hạt sữa lỏng và tác nhân sấy trong thiết bị rất ngắn nên nhiệt độ của mấu nguyên liệu trong q trình sấy khơng bị tăng q cao. Nhờ đó sự biến tính protein đặc biệt whey protein là khơng đáng kể.
Áp suất:
Tùy thuộc vào cấu tạo cơ cấu phun, nếu quá cao làm kích thước hạt casein micelle càng nhỏ và là nguyên nhân trực tiếp thúc đẩy biến tính protein dưới tác dụng nhiệt độ
2.5 Ảnh hưởng của các yếu tố cơng nghệ lên protein trong q trình đơng tụ casein
Đơng tụ casein trong sữa là q trình chuyển casein từ trạng thái keo sang khối đông với cấu trúc gel. Đây là một trong những q trình quan trọng nhất trong quy trình cơng nghệ sản xuất phomai.
Để tiến hành đơng tụ casein người ta thường sử dụng một trong hai phương pháp sau:
- Chỉnh giá trị pH về điểm đẳng điện của casein. Phương pháp này được sử dụng trong công nghệ sản xuất một số loại phomai tươi như Cottage, Quarg…
Cơ chế: casein trong sữa tồn tại dưới dạng micelle. Chúng có điểm đẳng điện pI bằng 4,6. Theo Cheftel J.C và cộng sự (1985), khi bảo quản sữa tươi ở 4-7 ◦C, các micelle sẻ bị phân ly một phần thành các tiểu micelle, sau 24h có đến 50% ß-casein tách khỏi cấu trúc micelle trong sữa. Khi gia nhiệt trở lại, các phân tử ß-casein sẻ liên kết một cách chậm chạp với những micelle ban đầu. Như vậy sữa được bảo quản trong một thời gian dài ở nhiệt độ thấp sẻ có hàm lượng casein hịa tan tăng cao. Q trình đơng tụ casein hịa tan sẻ khó khăn và kém triệt để hơn so với các casein tồn tại dưới dạng các hạt micelle.
Nếu ta đưa pH sữa về giá trị 4,6 – điểm đẳng điện của casein – sẽ làm tăng lực hút tĩnh điện giữa các phân tử với nhau. Khi đó casein sẽ chuyển sang trạng thái khơng tan và sẻ xuất hiện các khối đông tụ trong sữa
- Sử dụng enzyme đông tụ sữa: chúng được thu nhận và tinh sạch từ nhiều nguồn gốc và được thương mại hóa với những tên gọi khác nhau (Chymosin, pepsin, gastriscin, ….) Cơ chế:
Giai đoạn 1: enzyme chomisin xúc tác thủy phân liên kết peptide tại một vị trí đặc hiệu trong phân tử k- casein.
Giai đoạn 2: đông tụ casein. Ở giai đoạn này, các micelle sau khi bị mất phân đoạn caseinomacropeptide trong phân tử tử k- casein bắt đầu liên kết lại với nhau
Giai đoạn 3: kết thúc q trình đơng tụ và tách huyết thanh sữa.
Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ lên protein Nhiệt độ
- Nhiệt độ thấp: khi nhiệt độ nhỏ hơn 15 ◦C, quá trình đơng tụ sữa bởi chymosin dường như không diễn ra được. Thực tế, ở nhiệt độ thấp (< 15◦C) enzyme chymosin vẫn xúc tác thủy phân liên kết peptide đặc hiệu trong phân tử k- casein để giải phóng caseinomacropeptide. Tuy nhiên theo Walstra và van Vliet (1986), các phân tử ß-casein từ vùng trung tâm sẻ nhơ ra bề mặt ngồi micelle và làm cho các micelle không tập hợp lại với nhau, trạng thái keo của micelle trong sữa trở nên ổn định và bền vững.
- Nhiệt độ cao: khi ta tăng nhiệt độ, tốc độ phản ứng hóa sinh sẽ tăng theo. Mặc khác, việc gia tăng nhiệt độ cũng làm tăng tần số va chạm giữa các micelle đã giải phóng được các phân đoạn aseinomacropeptide trên bề mặt của chúng. Kết quả tốc độ đông
tụ sữa cũng sẻ gia tăng
Thực nghiệm cho thấy nhiệt độ tối ưu cho q trình đơng tụ casein trong sữa khoảng 42,5 – 45 ◦C.
Chú ý: Khi sữa bị gia nhiệt một số whey protein bị biến tính và tạo thành phức hợp với k- casein, tạo tủa khi kết hợp với canxi giữa các phân tử casein. Cục đông sản xuất từ sữa gia nhiệt sẻ khơng giải phóng whey giống như sữa chưa gia nhiệt.
pH
Độ pH ảnh hưởng đến cấu trúc micelle trong sữa: độ pH thích hợp đơng tụ casein 4,6. Khi ta giảm Ph, phosphate calci bị tách ra khỏi cấu trúc micelle, làm giảm điện tích micelle, nhờ đó thời gian đơng tụ sữa sẻ được rút ngắn.
Thời gian
Tùy thuộc vào từng loại sản phẩm: phomai, sữa chua, .. nhưng nếu vượt quá thời gian cần thiết sẻ xảy ra sự suy giảm protein sữa[7]
Protein có thể được phân hủy bởi hành động enzyme protease (đến từ nhiều nguồn: sữa mẹ đẻ, ô nhiễm vi khuẩn trong khơng khí, vi khuẩn được thêm cố ý cho
men, hoặc các tế bào soma trong sữa) hoặc do tiếp xúc với ánh sáng kết quả làm sản phẩm giảm hương vị và chất lượng kém.
Thời gian kéo dài axit amin trong sữa là methionine và cystine rất nhạy cảm với ánh sáng và có thể bị xuống cấp khi tiếp xúc với ánh sáng. Điều này dẫn việc giảm hương vị sữa và giảm chất lượng dinh dưỡng của 2 axit amin.
2.6 Ảnh hưởng của các yếu tố cơng nghệ lên protein trong q trình lên men: Biến đổi protein trong sữa[7]
Trong quá trình lên men axit lactic được tạo ra nhiều thì quá trình tách ion canxi ra khỏi casein càng nhanh. Cấu trúc của casein bị thay đổi nhiều và tạo thành khối casein bị vón cục lại khi ở pH đẳng nhiệt.
NH2-R(COO)2Ca + 2 CH3CHOH-COOH NH2R(COOH)2 + CH3CHOH-COO)Ca Cazeinat Canxi Axit lactic Axit Cazeinic Canxi lactat
Chính các casein chứa trong sữa ở dạng Canxi Cazeinat tác dụng với axit lactic tạo ra axit Cazeinic và Canxi lactat. Axit Cazeinic tự do khơng hịa tan, do đó gây đơng tụ sữa. Ngồi q trình lên men chính chuyển hóa lactose thành axit lactic cịn các q trình lên men phụ tạo các axit bay hơi, rượu, khí CO2, các vi khuẩn sinh hương tạo axeton, diaxetin . Đặc biệt là loại nấm men gây lên men rượu trong sữa chua chỉ phân giải được đường lactose, không phân giải các đường khác như saccarose, glucose ., nhờ đặc điểm này nó phát triển tốt trong sữa (vì đường trong sữa chủ yếu là lactose) nên được gọi là nấm men sữa
Nếu tiếp tục cho lên men sản phẩm, casein sẽ bị phân hủy, tạo thành pepton và các sản phẩm khác (q trình pepton hóa hóa này tạo thành enzym proteaza phân hủy protein thành dạng đơn giản dễ tiêu hóa hơn là pepton, tăng khả năng tiêu hóa cho cơ thể người). Vi sinh vật vẫn chuyển hóa tiếp tục thì Casein sẽ bị chuyển hóa thành axit amin và các khí NH3, H2S tạo mùi vị khó chịu cho sản phẩm.
Khi q trình lên men diễn ra, đường lactose chuyển hóa thành axit lactic, axit này sẽ ngưng kết Casein ở pH= 4 - 5. Sữa đơng đặc lại, có vị chua dịu, các protid phần lớn bị đơng tụ, phần nhỏ cịn lại được vi sinh vật sử dụng thành các chất đơn giản hơn. Các vitamin hầu như khơng bị tổn thất mà cịn được tăng lên do sự tổng hợp của vi khuẩn gây chua lactic như vitamin B1, C.
Ảnh hưởng yếu tố công nghệ lên protein:
Trong quá trình thủy phân: dùng một số chủng vi khuẩn lactic có khả năng sinh tổng hợp của hệ enzyme protease. Chúng sẽ xúc tác thủy phân protein tạo thành các sản phẩm như polypeptide, peptide…Ảnh hưởng đến cấu trúc gel của sản phẩm.
Nhiệt độ
Nhiệt độ thấp : ảnh hưởng đến tốc độ thủy phân protein, protein sẽ thủy phân chậm. Ở nhiệt độ lạnh đơng protein có thể tập hợp lại và gây ra hiện tượng kết tủa. Nhiệt độ quá cao: các vi sinh vật chết khơng thủy phân protein. Ngồi ra protein bị biến tính, làm giảm hàm lượng protein trong sữa.
Trong quá trình lên men sữa ở các vi sinh vật ưa ấm, acid được tạo ra dẫn đến sự biến tính protein. Để thực hiện q trình này, người ta thường bổ sung vào sữa giống khởi động mong muốn, ủ chúng ở điều kiện nhiệt độ tối ưu (20°C-30°C), sau đó ngăn cản sinh trưởng của vi khuẩn bằng việc làm lạnh. Chủng
Lactobacillus. spp và Lactococcus lactis được nuôi cấy để tạo hương và tạo acid
85-900C protein nước sữa bị biến tính