1.2.1. Khái niệm về sữa chua [5]
Sữa chua (hay Yaourt) là sản phẩm lên men lactic nhờ vi khuẩn lactic. Trong quá trình lên men, casein trong sữa đông tụ, vi khuẩn lactic phát triển làm cho sữa chua có vị chua dịu, vị béo hài hòa, có tác dụng rất tốt đối với sức khỏe con người. Ngoài việc cung cấp các dưỡng chất cần thiết cho cơ thể sữa chua còn biết đến với tính chất kháng một số bệnh như ung thư, chống lão hóa, tăng cường tiêu hóa...
Trên thị trường hiện nay, sản phẩm sữa chua rất đa dạng về chủng loại. Cấu trúc và mùi vị của sữa chua luôn được các nhà sản xuất thay đổi để phù hợp với thị hiếu và thói quen sử dụng của khách hàng tại các nước khác nhau. Ở các nước Tây Âu, sữa chua được sử dụng khá phổ biến từ đầu thế kỷ XX. Trạng thái, mùi vị của sữa chua có khác nhau ở mỗi vùng, đặc biệt độ đặc hoặc loãng phụ thuộc vào thị hiếu của mỗi nước.
Sản phẩm sữa chua có thể được phân loại như sau:
Sữa chua truyền thống (set type): Sản phẩm có cấu trúc gel mịn. Trong quy trình sản xuất sữa chua truyền thống, sữa nguyên liệu khi được xử lý, cấy giống rồi được rót vào bao bì. Quá trình lên men diễn ra trong bao bì làm xuất hiện khối đông và tạo cấu trúc đặc trưng cho sản phẩm.
Sữa chua dạng khuấy (stirred type): Khối đông xuất hiện trong sản phẩm sau quá trình lên men bị phá hủy một phần do sự khuấy trộn cơ học. Trong quy trình sản xuất sữa chua dạng khuấy, sữa nguyên liệu được xử lý và cấy giống rồi lên men trong thiết bị chuyên dùng, tiếp theo là quá trình làm lạnh và rót sản phẩm vào bao bì. Sữa chua dạng khuấy sẽ không có cấu trúc gel mịn và đồng nhất như sữa chua truyền thống.
Sữa chua uống hay sữa chua dạng lỏng (drinking type): Khối đông xuất hiện trong sản phẩm sau quá trình lên men bị phá hủy hoàn toàn. Sản phẩm có dạng
lỏng, khi sử dụng, người tiêu dùng không cần dùng muỗng. Điểm khác biệt là sản phẩm sau quá trình lên men, người ta sử dụng phương pháp khuấy trộn hoặc phương pháp đồng hóa để phá hủy cấu trúc gel của khối đông và làm giảm độ nhớt cho sản phẩm.
Sữa chua lạnh đông (frozen type): Quá trình lên men sữa được thực hiện trong thiết bị chuyên dùng, tiếp theo hỗn hợp sau lên men sẽ được đưa đi xử lý và lạnh đông để làm tăng độ cứng cho sản phẩm rồi bao gói.
Sữa chua cô đặc (concentrated yaourt) : còn có tên gọi là strained yaourt hay labneh. Quy trình sản xuất bao gồm các giai đoạn quan trọng như lên men sữa, cô đặc, làm lạnh và đóng gói sản phẩm. Trong quá trình cô đặc, người ta sẽ tách bớt huyết thanh sữa ra khỏi sản phẩm.
Mặt khác phân loại yaourt dựa vào hàm lượng chất béo trong sản phẩm. Lượng chất béo trong yaourt có thể dao động từ 0÷10%, thông thường là từ 0,5÷3,5%. Theo tổ chức Y tế thế giới (WHO) và tổ chức Nông Lương (FAO), sản phẩm yaourt có thể chia thành 3 nhóm sau:
Yaourt béo (fat yaourt): Hàm lượng chất béo sản phẩm không thấp hơn 3%. Yaourt “bán gầy” (partially skimmed yaourt): Hàm lượng chất béo nằm trong khoảng 0,5÷3%.
Yaourt gầy (skimmed yaourt): Hàm lượng chất béo không lớn hơn 0,5%.
1.2.2 Vi khuẩn lactic và quá trình lên men lactic trong sữa chua [4],[5], [7] 1.2.2.1. Lịch sử của quá trình lên men lactic [7] 1.2.2.1. Lịch sử của quá trình lên men lactic [7]
Theo nhiều tài liệu thì lên men lactic có thể được hình thành từ trước khi sự xuất hiện cuộc sống loài người trên mặt đất (Buchta, 1983). Trong quá trình tồn tại và phát triển, con người đã sử dụng các đặc tính bảo quản và chế biến thực phẩm của vi khuẩn lactic trong sinh hoạt hàng ngày. Năm 1975, các nhà khảo cổ đã phát
hiện các lát bánh mì hóa thạch có niên đại vào khoảng 3560 đến 3548 trước Công nguyên tại vùng hồ Biel, Thụy Sỹ dựa trên các căn cứ về cấu trúc, kích cỡ, sự phân bố, người ta đã thấy sự miêu tả quá trình làm lên men từ bột mì. Ngày nay, mặc dù đã trải qua hàng nghìn năm nhưng các loại bánh làm theo kiểu này hiện vẫn còn tồn tại và phát triển tại Châu Âu, Bắc Mỹ (Cherl- Ho Lee, 1991). Từ lâu đời nay các hạt ngũ cốc lên men được sử dụng như một thói quen truyền thống ở các nước Châu Phi và Ấn Độ (Souane, 1991). H.J. Nisen và các cộng sự năm 1990 đã cho rằng một số sách cổ khoảng trên 3000 năm trước công nguyên ở vùng Uruk, Warka (Irac) có chứa những thông tin về các sản phẩm lên men. Hiện nay, ở nhiều gia đình có kinh nghiệm áp dụng các phương pháp lên men tự nhiên các chất hữu cơ động thực vật bằng các vi khuẩn sinh acid lactic để sản xuất các sản phẩm thực phẩm.
Các khám phá mang tính khoa học về lên men lactic được khởi đầu dựa trên những đặc điểm về hóa học và tính khác biệt của acid lactic từ các loại sữa lên men đã được Carl Wilhelm Scheele (1780) thực hiện ở Thụy Điển Louis Pasteur (1857) có hai bài viết về phương pháp lên men acid lactic phủ nhận học thuyết tự sinh và chứng minh các vi khuẩn là nguyên nhân gây ra quá trình lên men. Năm 1890 Wilhelm Strorch và Hermann Weimann là những người đầu tiên tách được vi khuẩn lactic từ sữa lên men tự nhiên và đã tạo ra phương pháp nuôi cấy sạch dùng cho công nghiệp chế biến sữa.
1.2.2.2. Đặc điểm chung của vi khuẩn lactic [4]
Các vi khuẩn lactic được xếp chung vào họ Lactobacter teriaceac. Mặc dù
các vi khuẩn này không đồng nhất về mặt hình thái (hình cầu, hình que) nhưng về mặt sinh lý chúng tương đối đồng nhất. Tất cả đều có đặc điểm chung là vi khuẩn gram dương, không tạo bào tử (trừ Sporolactobacillus inunilus), hầu hết không có
khả năng chuyển động. Chúng thu nhận năng lượng nhờ phân giải các hợp chất cacbonhydrat và bài tiết acid lactic ra môi trường. Vi khuẩn lactic là nhóm lên men bắt buộc không chứa các xytocrom và enzyme catalaza. Tuy nhiên, chúng có thể
kỵ khí nhưng cũng thuộc nhóm hiếu khí. Nhu cầu về dinh dưỡng của vi khuẩn lactic rất phức tạp, không có một loài nào có thể phát triển thuần khiết trên môi trường chứa glucose và ion NH4+. Đa số chúng cần hàng loạt các vitamine và acid amine. Vì thế, người ta thường nuôi cấy chúng trên môi trường phức tạp chứa một lượng nấm men, dịch cà chua hoặc thậm chí cả máu. Nhìn chung các vi khuẩn lactic là nhóm khó nuôi, dễ giảm hoạt lực.
1.2.2.3 Cơ chế của quá trình lên men. [4]
Lên men lactic là quá trình chuyển hóa glucid thành acid lactic nhờ hoạt động của các khuẩn lactic. Tùy theo đặc điểm lên men của vi khuẩn lactic mà người ta chia thành hai kiểu lên men là lên men lactic đồng hình và lên men lactic dị hình.
Trong lên men lactic đồng hình thì sản phẩm chỉ là acid lactic. Các vi khuẩn lactic lên men đồng hình có thể kể đến: Streptococus, Str.Cremoris, lactobacterium
Bulgaricus, L.acidophilus, L.delbruclkii, L.cucumeris fermentati.
Còn trong lên men lactic dị hình thì sản phẩm cuối cùng khá đa dạng bao gồm acid lactic, acid acetic, axetal, acid sucsinic, este, diaxetyl, CO2, H2 …Các vi khuẩn lên men lactic dị hình gồm có Escherichia Coli và nhiều vi khuẩn trong
giống Leuconostoc và giống phụ Betabacterium.
Các vi khuẩn lên men lactic đồng hình bắt buộc thì thiếu ezyme photphoketolaza là một ezyme tồn tại trong các vi khuẩn lên men dị hình. Mặt khác, các vi khuẩn lên men dị hình lại thiếu ezyme aldolaza có tác dụng phân cắt hợp chất fructoza-1,6 điphosphat trong lên men đồng hình.
Trong tất cả các vi khuẩn thì có Lactococus, Enterococus và vài vi khuẩn
Lactobacillus, thì đường lactose được vận chuyển qua màng cytoplasmic bởi hệ phospharylated Sugar (PTS) dẫn đến việc tích luỹ hợp chất lactose-6 phosphat bị phân cắt bởi enzim phospho-β-galactosidase. Hợp chất galactose-6-phosphat tiếp
theo được trao đổi chất thông qua chu trình galactose-6-P. Hợp chất diaxetyl đã đem lại cho các sản phẩm kem, sữa chua hương vị bơ đặc trưng tạo bởi vi khuẩn.
Quá trình lên men đường glucose do các vi khuẩn lactic
Hình 1.5 Sơ đồlên men đường hexose bởi các vi khuẩn lactic.
Glucose Fructose – 6P Glucose – 6P Fructose - 1,6P Acetyl - P + Erythose-4P Hextose-6P + Pentose-P Acetyl-P + Triose- 3P ADP ATP Lactate 6P-gluconate Gluxylucose-5P + CO2 Phospho ketolase Triose -3P + Acetyl-P Pyruvate Lactate Acetate (ethanol) Lactate Aldolase Trio-3P Lactate Pyruvate Chu trình 6P-gluconate (Lên men dị hình) Chu trình Bifidus Glycolisis (Lên men đồng hình) ADP ATP ADP ATP
1.2.2.4 Các vi khuẩn dùng trong công nghệ sản xuất sữa chua.[4]
Chủng Streptococcus thermophilus
Đối với chủng này môi trường dung dịch và nhiệt độ có ảnh hưởng rất lớn đến hình thái của chúng. Trong sữa ở nhiệt độ 450C nó tạo thành những chuỗi ngắn. Còn ở những nơi tự nhiên với nhiệt độ 300C, nó ở dạng cầu đôi. Nó có thể tạo ra những chuỗi dài ở nồng độ acid cao trong sữa. Vi khuẩn này có thể phát triển tốt ở nhiệt độ 500C và sinh sản tốt nhất ở 37÷400C. Đây là vi khuẩn lactic chịu nhiệt độ lên men điển hình, có thể chịu được nhiệt độ đun nóng đến 650C trong 30 phút nhưng chỉ phát triển được trong môi trường có độ acid thấp hơn L.bulgaricus
S. thermophilus thuộc nhóm vi khuẩn lactic lên men đồng hình sản xuất acid
lactic từ đường với hàm lượng từ 85÷98% và một lượng nhỏ các sản phẩm phụ khác. Vi khuẩn này thể hiện hoạt tính phân giải protein rất yếu trong sữa. Sản phẩm trao đổi chất của chủng này như acid formic có tác dụng thúc đẩy sự phát triển của các chủng Lactobacillus.
Chủng Lactobacillus bulgaricus và L.acidophilus
Đây là hai loài vi khuẩn lactic được sử dụng phổ biến trong sản xuất sữa chua. L.bulgaricus là một loại vi khuẩn lên men sữa điển hình được phân lập từ sữa chua. Chúng phát triển tốt nhất ở 45÷500C trong môi trường có độ acid cao. Còn
L.acidophilus là vi khuẩn lactic đường ruột. Các chủng này không có khả năng sử
dụng raffnose và stachyose. L.bulgaricus thuộc nhóm vi khuẩn lên men đồng hình sản xuất 1,7% D-axit lactic trong sữa chua. Còn L.acidophilus sản xuất từ 0,3÷1,9% D,L-acid lactic.
Khối lượng nhỏ các sản phẩm phụ tạo thành các hợp chất thơm chủ yếu là các axetaldehyt do ezyme phân giải threonin thành axetaldehyt và glyxerin. Các sản phẩm phụ tiếp theo có thể là: axeton butanon-2 và chút ít axetoin. Các axit béo quan trọng nhất là các axit axetic, propionic, butyric, isovaleric caproic. L.bulgaricus thể hiện hoạt tính phân giải protein trong sữa dẫn đến sự tích lũy acid amin tự do cao. Khi sử dụng hỗn hợp các chủng có S.thermophilus thì sự giảm hàm lượng đường
saccarose thành đường hexose như fructose thì nhanh chóng hơn môi trường chỉ có một chủng S.thermophilus. Điều này thể hiện vai trò gián tiếp của L.bulgaricus.
Các chủng Bifidobacterium.ssp
Các vi khuẩn Bifidobacterium không thuộc nhánh Clostridium của các vi
khuẩn gram dương giống như các vi khuẩn lactic khác. Tế bào của vi khuẩn này có dạng hình que, hơi cong, có phân nhánh, không điển hình. Mặc dù vậy, người ta vẫn xem chúng như là các vi khuẩn lactic vì có khả năng tạo ra phần lớn các vi khuẩn lactic trong quá trình lên men.
Bifidobacteria không phát triển trong môi trường sữa bò do trong sữa bò
thiếu các yếu tố sinh trưởng cần thiết như N-axetyl-D-glucozamin, lactulose.
Qua việc tìm hiểu về đặc điểm sinh trưởng và phát triển của các vi khuẩn có khả năng lên men tạo sữa chua ta thấy việc phối hợp một số chủng vi khuẩn lactic sẽ góp phần làm tăng khả năng lên men của sữa chua. Như khi phối hợp vi khuẩn
L.Bulgaricus với S.Thermophilus.
1.2.3 Các yếu tốảnh hưởng đến quá trình lên men [5]
Quá trình lên men được tóm tắt theo sơ đồ cân bằng vật chất tổng quát như sau:
Môi trường trước khi lên men Môi trường sau khi lên men Cơ chất + giống vi sinh vật Cơ chất sót + sinh khối vi sinh vật
+ các sản phẩm trao đổi chất ngoại bào do vi sinh vật tổng hợp nên.
Trong sản xuất sữa chua, sản phẩm cuối cùng bao gồm cả sinh khối vi sinh vật, các sản phẩm trao đổi chất ngoại bào do vi sinh vật tiết ra và cơ chất sót. Thành phần và hàm lượng từng chất sẽ góp phần hình thành nên hương vị sản phẩm. Do đó, để sản xuất ra sản phẩm lên men có chất lượng tốt, chúng ta cần phải:
- Chọn giống vi sinh vật thích hợp.
- Xác định được môi trường lên men với thành phần cơ chất đầy đủ theo tỷ lệ tối ưu.
- Xác định được các điều kiện lên men thích hợp như lượng giống cấy, nhiệt độ và thời gian lên men. Ngoài ra, ta còn phải quan tâm đến những vấn đề khác như việc cung cấp oxy, sự khuấy trộn…
a. Giống vi sinh vật
Trong công nghiệp sản xuất các sản phẩm lên men từ sữa, người ta thường sử dụng tổ hợp VSV gồm nhiều loài khác nhau. Khi đó mối tương tác sinh học giữa các loài sẽ mang lại những tác động có lợi cho quá trình sinh trưởng và trao đổi chất của tổ hợp giống.
b. Môi trường lên men
Một môi trường với thành phần cơ chất đầy đủ, theo tỷ lệ tối ưu sẽ giúp cho quá trình lên men diễn ra nhanh và sản phẩm lên men đạt chất lượng tốt. Sữa chứa đầy đủ các nguyên tố cơ bản, khoáng và các yếu tố sinh trưởng cần thiết, được xem là môi trường hoàn hảo cho quá trình trao đổi chất của VSV.
Hai chỉ tiêu hóa lý quan trọng nhất của môi trường lỏng ảnh hưởng đến quá trình lên men là hàm lượng chất khô và pH.
Khi hàm lượng các chất hòa tan trong môi trường quá cao, màng tế bào VSV không thể duy trì sự cân bằng áp lực thẩm thấu được nữa, tế bào chất có thể bị co lại, tế bào bị biến dạng và hoạt tính trao đổi chất của VSV giảm đi. Do đó, để quá trình lên men diễn ra nhanh và chất lượng sản phẩm tốt, ứng với mỗi loại VSV, ta cần xác định hàm lượng chất khô tối ưu cho môi trường trước khi lên men.
Hoạt tính trao đổi chất và sinh trưởng của VSV phụ thuộc vào pH môi trường do pH ảnh hưởng đến hoạt tính các enzyme trong tế bào và cơ chế vận
chuyển các chất của màng tế bào chất. Mỗi loài VSV sẽ có một khoảng giá trị pH tối thích tương ứng. nhìn chung các VSV sử dụng trong các sản phẩm lên men từ sữa có khoảng pH tối ưu nằm trong vùng acid hoặc acid yếu (pH=4÷6).
c. Điều kiện lên men
Lượng giống cấy: Nếu lượng giống cấy quá ít, thời gian lên men sẽ kéo dài.
Các VSV tạp nhiễm trong quá trình lên men dễ phát triển và có thể gây hư hỏng sản phẩm. Ngược lại nếu lượng giống cấy quá nhiều, thời gian lên men được rút ngắn. tuy nhiên hàm lượng các sản phẩm phụ tạo thành sẽ thay đổi cũng gây ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Hơn nữa, việc tăng lượng giống cấy làm tăng chi phí cho quá trình sản xuất.
Nhiệt độ: Trong công nghiệp sản xuất các sản phẩm lên men từ sữa thường
sử dụng tổ hợp VSV và nhiệt độ tối ưu cho sự sinh trưởng của mỗi loài có thể khác nhau. Do đó, ứng với từng quá trình lên men và tổ hợp VSV sử dụng người ta xác định nhiệt độ lên men tối ưu bằng thực nghiệm. Thông thường khi nhiệt độ thấp quá trình lên men sẽ kéo dài, nhưng nếu nhiệt độ quá cao hoạt tính trao đổi chất của VSV bị giảm và những hợp chất tạo hương dễ thất thoát hơn.
Thời gian lên men: Tùy thuộc vào loại sản phẩm và hoạt tính loài VSV sử
dụng. Trong sản xuất, người ta xác định thời điểm kết thúc quá trình lên men và ủ chín sản phẩm thông qua việc lấy mẫu đánh giá kiểm tra một số chỉ tiêu hóa lý, vi sinh và cảm quan.
1.2.4 Tác dụng của sữa chua [7]
Sữa chua là sản phẩm có giá trị dinh dưỡng cao và có hương vị thơm ngon nên được nhiều người ưa thích. Sữa chua có hàm lượng acid lactic cao và chứa một lượng lớn glucose, lactose, saccarose…các chất béo nên khả năng sinh năng lượng