Trong phần nội dung giải thích quy trình sản xuất yaourt, chúng em chỉ đề cập đến các quá trình có sử dụng áp suất cao như : quá trình đồng hóa áp suất cao, quá trình siêu lọc. Nếu so sánh với áp suất của đồng hóa, siêu lọc không phải là quá trình có sử dụng áp suất cao. Tuy nhiên, nếu so sánh với các quá trình phân riêng khác, áp suất ứng dụng trong quá trình siêu lọc vẫn có thể được xem là cao. Do đó, trong bài báo cáo này, siêu lọc vẫn được xếp vào nhóm quá trình có sử dụng áp suất cao. Bên cạnh đó, trong phần này, chúng em sẽ đề cập đến phương pháp sử dụng áp suất thủy tĩnh cao để kéo dài thời gian bảo quản của yaourt.
Quá trình đồng hóa áp suất cao:
Đồng hóa là một quá trình thường được áp dụng trong công nghiệp chế biến sữa và các sản phẩm từ sữa . Mục đích chính của quá trình đồng hóa là ổn định hệ nhũ tương trong sữa, chống lại sự tách pha dưới tác dụng của trọng lực. Có nhiều phương pháp đồng hóa khác nhau, một trong những phương pháp đó là sử dụng áp lực cao. Trong phương pháp này , các hạt của pha phân tán sẽ bị phá vỡ và giảm kích thước khi ta bơm hệ nhũ tương đi qua một khe hẹp với tốc độ cao. Kích thước của khe hẹp có thể dao động trong khoảng 15÷300 atm và tốc độ dòng của hệ nhũ tương được đẩy đến khe hẹp có thể lên tới 50 ÷ 200m/s.
Cơ chế của phương pháp đồng hóa áp lực cao có thể dựa vào một số nguyên lý như sau:
Nguyên lý chảy rối : khi hệ nhũ tương được bơm với tốc độ cao đến khe hẹp, nhiều dòng chảy rối với các vi lốc xoáy sẽ xuất hiện. Tốc độ bơm càng lớn thì số dòng chảy rối sẽ xuất hiện càng nhiều và kích thước các vi lốc xoáy sẽ càng nhỏ. Chúng sẽ va đập vào các hạt của pha phân tán và làm cho các hạt này vỡ ra.
Nguyên lý xâm thực khí: hệ nhũ tương được bơm đến khe hẹp với tốc độ cao sẽ làm xuất hiện các bong bóng hơi trong hệ. Chúng sẽ va đập vào các hạt của pha phân tán và làm cho các hạt này vỡ ra. Theo nguyên lý này thì sự đồng hóa chỉ xảy ra khi hệ nhũ tương rời khỏi khe hẹp, do đó đối áp giữ một vai trò quan trọng và sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả đồng hóa. Các kết quả thực nghiệm đã khẳng định điều này. Tuy nhiên, sự đồng hóa vẫn có thể xảy ra mà không cần sự xuất hiện của các bong bóng khí, nhưng hiệu quả của quá trình sẽ thấp hơn.
Ngoài ra, do cấu tạo của thiết bị, khi thoát khỏi khe hẹp, các hạt phân tán sẽ tiếp tục va đập vào một bề mặt cứng. Hiện tượng này cũng góp phần làm vỡ và giảm kích thước của các hạt.
Ảnh hưởng của áp suất cao đến chất lượng yaourt Trang 39
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đồng hóa áp suất cao:
- Tỷ lệ phần trăm giữa thể tích pha phân tán và tổng thể tích hệ nhũ tương: phương pháp đồng hóa áp lực cao thường được dùng để đồng hóa các hệ nhũ tương dầu trong nước có hàm lượng chất béo không lớn hơn 12%.
- Nhiệt độ: nhiệt độ thấp sẽ kém hiệu qủa do một số chất béo chuyển sang dạng rắn, nhiệt độ quá cao thì chi phí năng lượng cho quá trình đồng hóa sẽ cao.
- Áp suất: áp suất càng lớn thì hiện tượng chảy rối và hiện tượng xâm thực khí càng dễ xuất hiện , kết quả là các hạt pha phân tán được tạo thành có kích thước nhỏ và hệ nhũ tương sẽ có độ bền cao. Trong công nghiệp chế biến sữa, áp suất đồng hóa thường dao động từ 100÷250 bar.
- Chất nhũ hóa: có tác dụng ngăn hiện tượng tách pha sau quá trình đồng hóa.
Hình 15 : Thiết bị đồng hóa sử dụng áp suất cao
1-motor chính 2- bộ truyền đai 3- đồng hồ đo áp suất 4- trục quay 5- piston 6- hộp piston 7- bơm 8- van 9- bộ phận đồng hóa 10- hệ thống tạo p suất thủy lực
Ảnh hưởng của áp suất cao đến chất lượng yaourt Trang 40
Hình 16 : Sự phá vỡ cấu trúc của các phân tử khi đi qua thiết bị đồng hóa
Những tác động của quá trình đồng hóa lên sản phẩm sữa dùng cho sản xuất
yaourt:
Các tính chất sau được ghi nhận là tăng lên trong sản phẩm sữa được dùng làm yaourt có sử dụng quá trình đồng hóa:
Độ nhớt: sự tăng độ nhớt được cho là do sự giảm kích thước các hạt cầu béo
và sự tăng khả năng hấp thụ các chất của phân tử micell casein sẽ làm tăng số lượng các hạt lơ lửng trong sữa.
Hoạt tính của enzym xanthan oxydase: các enzym này tập trung nhiều trong
các hạt cầu béo, trong quá trình đồng hóa, các hạt cầu béo bị phá vỡ, giảm kích thước, đồng thời giải phóng ra một lượng lớn enzym này.
Màu sắc sữa ( trở nên trắng hơn): sự tăng lên về số lượng của các hạt cầu béo ảnh hưởng đến sự phản xạ và phân tán của ánh sáng.
Sự thủy phân chất béo: sự tăng lên về diện tích bề mặt tiếp xúc của các phân
tử béo sẽ làm tăng khả năng xúc tác của các enzym lipase, ngoài ra sự phá vỡ màng bao các hạt cầu béo có thể làm tăng khả năng thủy phân chất béo từ các giống vi sinh vật được cấy vào để thực hiện quá trình lên men ở các quá trình sau.
Sự hòa tan hoàn toàn, đặc biệt đối với các sản phẩm có làm bổ sung thêm bột sữa gầy.
Hàm lượng photpholipid trong sữa bột gầy tăng lên: đây là kết quả tất yếu
của quá trình vận chuyển các hạt cầu béo sang sữa gầy.
Sự tạo bọt: do sự tăng lên của hàm lượng photpholipid trong sữa gầy, quá trình bơm yaourt vào thiết bị lên men có thể sẽ sinh ra nhiều bọt.
Ảnh hưởng của áp suất cao đến chất lượng yaourt Trang 41 Sự tăng lên của về số lượng của các hạt cầu béo, hàm lượng photpholipid ,và protein trong sữa gầy có thể làm tăng khả năng giữ nước của khối đông tụ(Samuelsson v Christiansen, 1978).
Độ chua của sản phẩm sẽ tăng lên cùng với sự tăng áp suất đồng hóa (Volkova v Radulov, 1986).
Ngược lại một số tính chất khác cũng giảm đi so với sản phẩm sữa không qua quá trình đồng hóa:
Kích thước các hạt cầu béo: sự giảm kích thứơc này sẽ giúp ngăn chặn quá trình tái kết hợp chất béo trong thời gian lên men yaourt.
Sự ổn định của protein: sự biến tính của bản thân phân tử protein và sự
thay đổi của cân bằng muối khoáng trong sữa sẽ dẫn đến những thay đổi trong tương tác giữa các phân tử protein.
Khả năng kết hợp giữa các phần tử trong sữa: sự thay đổi trong cấu trúc
của các phân tử protein trong sữa sẽ có khuynh hướng làm giảm liên kết giữa các chất trong sữa (Grigorov, 1966;Kessler v Kammerlehner, 1982; Kneifel v Seiler 1993).
Trong cơng nghiệp sữa , quá trình đồng hóa thường được kết hợp với quá trình xử lý nhiệt đi kèm để tăng hiệu quả đồng hóa.
Ảnh hưởng của áp suất cao đến chất lượng yaourt Trang 42
Quá trình siêu lọc :
Trong quy trình sản xuất yaourt truyền thống và yaourt khuấy, quá trình hiệu chỉnh hàm lượng chất khô có thể được thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau. Tùy vào nguồn sữa nguyên liệu, vốn đầu tư máy móc thiết bị và yêu cầu của sản phẩm mà lựa chọn phương pháp thực hiện cho phù hợp. Trong bài báo cáo này, chúng em lựa chọn phương pháp siêu lọc ( ultrafiltration ) nhằm mục đích hiệu chình hàm lượng chất khô trong sữa nguyên liệu.
Yaourt có tổng hàm lượng chất khô cao nhằm để tạo nên cấu trúc cho sản phẩm cuối cùng.Thông thường, trong các quy trình sản xuất hiện nay, người ta thường sử dụng phương pháp bổ sung thêm bột sữa gầy vào sữa tươi. Hiện nay, để đảm bảo về giá trị dinh dưỡng của protein trong sữa và nâng cao chất lượng của yaourt, người ta thường sử dụng phương pháp siêu lọc. Siêu lọc là kỹ thuật sử dụng membrane để phân riêng các phân tử có kích thước từ 500-300000 Da (Jacek Domagała ). Trong quy trình sản xuất yaourt, quá trình siêu lọc thường dùng để làm tăng hàm lượng của casein và các protein hòa tan khác, do đó làm tăng hàm lượng chất khô. Dòng sản phẩm không qua màng ( retentate ) có hàm lượng chất khô cao sẽ được sử dụng để bổ sung vào sữa tươi trong quy trình sản xuất.
Việc ứng dụng quá trình siêu lọc cần phải có những điều kiện công nghệ xác định. Đó là việc lựa chọn kích thước của màng phù hợp, sự ảnh hưởng của thành phẩn và đặc tính của dòng sản phẩm yêu cầu. Điều này rất quan trọng trong việc ứng dụng quá trình siêu lọc trong quy trình sản xuất.
Mục đích : mục đích của quá trình siêu lọc là khai thác. Phương pháp thực hiện :
Trong nghành sữa, người ta thường sử dụng hệ thống siêu lọc như hình vẽ.
Ảnh hưởng của áp suất cao đến chất lượng yaourt Trang 43 1.Bình giữ nhiệt 2.Thiết bị gia nhiệt 3.Bình nhập liệu 4.Nhiệt kế 5.Bơm
6.Thiết bị đo áp suất
Đầu tiên, sữa sẽ được gia nhiệt trước bởi một thiết bị gia nhiệt. Sau đó, bơm sẽ vận chuyển dòng nguyên liệu đến màng lọc. Có 2 dòng sản phẩm thoát ra : dòng sản phẩm qua màng gọi là dòng permeate, dòng sản phẩm không qua màng goi là dòng retentate. Trong quá trình siêu lọc, dòng ratentate chứa các đại phân tử như casein, whey protein, chất béo…Trong permeate, lactose và khoáng là 2 thành phần chủ yếu. Quá trình sẽ kết thúc khi hàm lượng chất khô trong dòng retentate đo được đúng theo yêu cầu. Dòng retentate chứa hàm lượng chất khô cao sẽ được dung để thêm vào sữa tươi nhằm mục đích hiệu chỉnh nồng độ chất khô.
Biến đổi-Ảnh hưởng :
Trong quá trình siêu lọc, nhiệt độ và áp suất là 2 thông số có ảnh hưởng trực tiếp đến dòng sản phẩm. Để nghiên cứu những ảnh hưởng của quá trình siêu lọc, người ta lấy dòng sữa này và tiến hành quá trình lên men tạo sản phẩm yaourt. Sau đó, các phân tích về những đặc tính vật lý, thuộc tính cảm quan đã được tiến hành.
Bảng 5 : Các tính chất của sản phẩm yaourt.
Ảnh hưởng của áp suất cao đến chất lượng yaourt Trang 44 Dựa vào kết quả ta thấy, tỷ lệ protein/lactose của sản phẩm yaourt được quan sát ( yaourt ứng dụng quá trình siêu lọc ) cao hơn so với giá trị của sản phẩm thương mại truyền thống. Lý do được đưa ra là hàm lượng protein trong sản phẩm này cao hơn gần 30% hàm lượng protein trong sản phẩm yaourt thương mại. Hàm lượng lactose giảm đi khoảng 50% so với sản phẩm thương mại. Trong quá trình siêu lọc, chất béo cũng bị cô đặc vì nó cũng là những phân tử có kích thước khá lớn. Tuy nhiên, theo kết quả cho trên bảng thì hàm lượng béo trong sản phẩm quan sát vẫn nhỏ hơn trong sản phẩm thương mại. Một kết quả khác được ghi nhận là độ chua của sản phẩm thu được vẫn nằm trong giới hạn chấp nhận được.
Như vậy, có thể thấy rằng, ảnh hưởng của quá trình siêu lọc đến chất lượng của sản phẩm chủ yếu do sự gia tăng hàm lượng chất khô. Những tác động khác đến cấu trúc của protein hầu như không đáng kể. Một điều cũng dễ thấy là quá trình siêu lọc với nhiệt độ và áp suất không cao thì khả năng làm thay đổi cấu trúc của sản phẩm là rất ít ( trong trường hợp sử dụng cùng loại membrane ).
Thông số công nghệ :
Trong quá trình siêu lọc, áp suất, nhiệt độ, kích thước của membrane là các thông số được quan tâm nhiều nhất.
Với thông số về kích thước membrane, tùy vào nguồn nguyên liệu mà sử dụng các loại membrane có kích thước rất khác nhau. Tuy nhiên, theo tác giả Jacek Domagała, kích thước membrane thường được sử dụng trong công nghiệp sữa là 10-30 kDa. Hầu hết việc sử dụng kích thước membrane bao nhiêu đều dựa vào những nghiên cứu thực nghiệm.
Ảnh hưởng của áp suất cao đến chất lượng yaourt Trang 45 Áp suất trong quá trình siêu lọc là một thông số quan trọng, có tác động lớn đến quá trình. Theo nghiên cứu của Noelia Rinaldoni, và cộng sự, áp suất tối ưu cho quá trình siêu lọc khoảng 1-2 bar. Áp suất này không cao nhưng nếu so với các quá trình phân riêng khác, siêu lọc vẫn được xem như là một quá trình có sử dụng áp suất cao. Để tăng tốc độ dòng permeate, người ta tiến hành tăng áp suất để mà tăng sự đối lưu trên bề mặt của membrane. Tuy nhiên, khi áp suất tăng đến khoảng 2 bar, việc này gặp khó khăn. Vì vậy, hiên nay áp suất 1,5 bar được sử dụng chủ yếu trong quá trình siêu lọc. Cần nói thêm rằng, thông số nhiệt độ có mối liên hệ với áp suất. Chính vì vậy, khi xác định nhiệt độ của quá trình siêu lọc thường phải kèm theo thông số về áp suất. Theo Noelia Rinaldoni, khi thực hiện quá trình siêu lọc ở 22±0.5 OC và 1.5±0.05 bar, kết quả thu được có ảnh hưởng rất tốt đến chất lượng của sản phẩm yaourt.
Ảnh hưởng của kích thước membrane đến quá trình siêu lọc
Trong quá trình siêu lọc, kích thước membrane là một thông số quan trọng. Loại màng lọc đươc sử dụng cũng có ảnh hưởng đến sự đáng giá cảm quan của yaourt như tính bền, tính dẻo, khả năng liên kết của của khối đông. Sự ảnh hưởng của kích thước membrane đến chất lượng của yaourt được Jacek Domagała và cộng sự nghiên cứu. Tác giả nghiên cứu với 3 loại màng kích thước khác nhau : 10 kDa, 30 KDa và 100 KDa. Kết quả nghiên cứu cho thấy loại membrane sử dụng có ảnh hưởng đến protein, tổng hàm lượng chất khô, chất béo và hàm lượng lactose có trong sữa. Với 2 loại membrane kích thước 10 và 30 KDa, kết quả nghiên cứu cho thấy hàm lượng chất khô thu được cao hơn so với loại 100 kDa. Lý do được đưa ra là sự di chuyển qua màng của các phân tử có kích thước lớn hơn kích thước của membrane 10 và 30 KDa chậm hơn so với loại 100 KDa. Trong quá trình quan sát hiện tượng khi sử dụng membrane loại 10 KDa, tổng lượng protein cao hơn rất nhiều so với loại 100 KDa. Bên cạnh đó, hàm lượng béo trong dòng retentate cũng cao hơn. Với loại membrane có kích thước 100 kDa, dòng retentate có hàm lượng lactose đặc biệt thấp so với 2 loại màng còn lại. Bênh cạnh đó, việc giảm kích thước của màng lọc tỷ lệ nghich với thời gian của quá trình siêu lọc. Loại membrane kích thước 10 kDa có thời gian siêu lọc dài hơn so với 2 loại còn lại.
Một cách tổng quát, kích thước của màng membrane có ảnh hưởng lớn đến thành phần của dòng retentate và permeate. Do đó, sẽ ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm yaourt khi sử dụng phương pháp này trong quá trình sản xuất. Sự
Ảnh hưởng của áp suất cao đến chất lượng yaourt Trang 46 ảnh hưởng này chủ yếu do sự thay đối về hàm lượng chất khô và protein của sữa sau khi thực hiện quá trình siêu lọc. Theo Tamime and Muir, sự thay đổi này có ảnh hưởng trực tiếp đến các tính chất cảm quan và cấu trúc của sản phẩm yaourt.
Ứng dụng áp suất thủy tĩnh cao để kéo dài thời gian bảo quản sản phẩm:
Một hướng nghiên cứu mới gần đây cũng cho thấy, sử dụng áp suất cao có tác dụng kéo dài thời gian bảo quản sản phẩm. Trong phần này, chúng em sẽ giới thiệu về ứng dụng mới này.
Tổng quan về phương pháp:
Như đã trình bày ở phần ảnh hưởng của áp suất cao đến giá trị sinh học của yaourt, sau quá trình lên men, hoạt động trao đổi chất của của hệ vi khuẩn lactic trong yaourt có ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm sau cùng, sự sinh tổng hợp