Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp phô mai toàn cầu ghi nhận sản lượng vượt trên 5,1 triệu tấn năm 2019, trong đó New Zealand đóng góp khoảng 1/4 tổng sản lượng nhờ nguồn sữa bò dồi dào và công nghệ tiên tiến. Tại Việt Nam, thị trường phô mai đang phát triển ổn định với doanh thu năm 2019 đạt hơn 2.000 tỷ đồng, tăng 11% so với năm trước và dự kiến tăng trưởng khoảng 13%/năm trong giai đoạn 2020-2024. Phô mai tươi là sản phẩm giàu dinh dưỡng, có hàm lượng canxi cao gấp 6 lần sữa, được sản xuất bằng cách kết đông protein từ sữa, mang lại giá trị dinh dưỡng và tiện lợi trong bảo quản.

Tuy nhiên, việc sử dụng enzyme rennet truyền thống trong sản xuất phô mai đang gặp khó khăn do nguồn cung hạn chế và chi phí cao. Do đó, nghiên cứu ứng dụng enzyme protease thực vật như bromelain kết hợp với enzyme transglutaminase (MTgase) nhằm cải thiện hiệu suất thu hồi và tính chất kết cấu của phô mai tươi là rất cần thiết. Mục tiêu chính của nghiên cứu là xác định tỷ lệ phối hợp tối ưu giữa MTgase và bromelain, đồng thời xây dựng quy trình công nghệ chế biến phô mai tươi ứng dụng hai enzyme này. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh trong năm 2022, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm thất thoát protein trong whey và giảm chi phí nguyên liệu, từ đó tăng giá trị kinh tế và khả năng cạnh tranh của sản phẩm phô mai tươi trên thị trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: cơ chế đông tụ casein trong sữa và tác động của enzyme transglutaminase trong việc tạo liên kết chéo protein. Casein là thành phần protein chủ yếu trong sữa, tồn tại dưới dạng micelle ổn định nhờ các liên kết tĩnh điện và sự hiện diện của K-casein. Quá trình đông tụ casein xảy ra khi enzyme cắt phần hydrophilic của K-casein, làm giảm lực đẩy tĩnh điện, dẫn đến kết tụ micelle tạo gel. Enzyme bromelain, một protease thực vật chiết xuất từ thân dứa, có khả năng thủy phân protein và được sử dụng như tác nhân đông tụ thay thế rennet. MTgase xúc tác phản ứng liên kết chéo giữa các chuỗi polypeptide, tạo mạng lưới gel ba chiều bền vững, cải thiện kết cấu và khả năng giữ nước của phô mai.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Protease thực vật (bromelain): enzyme phân giải protein, hoạt động tối ưu ở pH trung tính và nhiệt độ 50-60°C.
  • Transglutaminase (MTgase): enzyme tạo liên kết chéo giữa các protein, nâng cao độ cứng và độ nhớt của phô mai.
  • Hiệu suất thu hồi gel: tỷ lệ khối lượng phô mai thu được so với nguyên liệu ban đầu.
  • Tính chất cơ lý: độ cứng, độ đàn hồi, độ kết dính của phô mai được đo bằng phân tích kết cấu (TPA).
  • Tính chất hóa lý: thành phần protein, lipid, độ ẩm và cấu trúc gel phô mai.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp phân tích hóa học và vật lý nhằm đánh giá ảnh hưởng của nồng độ MTgase và bromelain đến phô mai tươi. Nguồn dữ liệu chính là sữa bột gầy hoàn nguyên được chuẩn bị theo quy trình đồng nhất, bổ sung CaCl2 và enzyme theo các nồng độ khảo sát. Cỡ mẫu gồm các mẫu phô mai được sản xuất với nồng độ MTgase từ 0,4 đến 0,6 U/g protein và bromelain 0,025 g/mL, được so sánh với mẫu đối chứng sử dụng rennet.

Phân tích thành phần hóa học gồm xác định hàm lượng protein bằng phương pháp Kjeldahl, hàm lượng lipid bằng phương pháp Soxhlet, độ ẩm và chất khô bằng phương pháp sấy đối lưu. Tính hiệu suất thu hồi gel được tính theo tỷ lệ khối lượng phô mai thu được trên nguyên liệu ban đầu. Tính chất cơ lý được đo bằng máy phân tích kết cấu CT3 Texture Profile Analysis, xác định các chỉ số độ cứng, độ đàn hồi, độ kết dính. Tính chất hóa lý và cấu trúc gel được đánh giá qua phân tích phổ hồng ngoại FTIR và đo lưu biến Rheostress HAAKE để xác định modul lưu trữ G’ và modul tổn thất G’’. Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2022 với các bước thực hiện từ chuẩn bị mẫu, xử lý enzyme, phân tích và xử lý số liệu bằng phần mềm thống kê Minitab với mức ý nghĩa 95%.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của CaCl2 đến hiệu suất thu hồi và thành phần phô mai:
    Khi tăng nồng độ CaCl2 từ 0 đến 0,9 g/L, hiệu suất thu hồi phô mai giảm nhẹ từ khoảng 8,52% xuống thấp hơn, trong khi hàm lượng protein trong khối đông giảm từ 24,52%. Điều này được giải thích do Ca2+ thúc đẩy liên kết protein – protein và protein – canxi, làm tăng độ săn chắc gel nhưng làm giảm hoạt động của enzyme bromelain do thay đổi pH, dẫn đến giảm hiệu suất thu hồi.

  2. Ảnh hưởng của nồng độ MTgase đến hiệu suất thu hồi và thành phần hóa học:
    Tăng nồng độ MTgase từ 0,4 đến 0,6 U/g protein làm tăng hàm lượng protein trong phô mai từ 24,52% lên mức cao hơn, đồng thời giảm hàm lượng lipid và độ ẩm. Hiệu suất thu hồi đạt tối ưu ở 0,5 U/g protein với khoảng 10,17%, sau đó giảm nhẹ khi nồng độ enzyme tăng tiếp. Mạng lưới gel trở nên dày đặc, mịn hơn với liên kết chéo protein mạnh mẽ, cải thiện độ cứng và khả năng giữ nước.

  3. Tính chất cơ lý của phô mai:
    Phân tích lưu biến cho thấy modul lưu trữ G’ tăng theo nồng độ MTgase, đạt giá trị khoảng 6.000.000 Pa ở 0,6 U/g protein, biểu thị độ đàn hồi và độ cứng cao hơn. Độ cứng và độ kết dính của phô mai cũng tăng rõ rệt, phù hợp với cấu trúc gel bền vững do liên kết chéo protein. Các chỉ số này cao hơn so với mẫu đối chứng sử dụng rennet.

  4. Cấu trúc và tính chất hóa lý:
    Phổ FTIR cho thấy sự gia tăng cường độ hấp thụ ở các dải liên quan đến protein và lipid khi tăng nồng độ MTgase, chứng tỏ sự liên kết chéo và cấu trúc gel được cải thiện. Mạng lưới gel có lỗ xốp nhỏ hơn, đồng nhất hơn, giúp giữ nước và chất dinh dưỡng tốt hơn.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy sự phối hợp giữa enzyme bromelain và MTgase có thể thay thế một phần rennet trong sản xuất phô mai tươi, đồng thời cải thiện hiệu suất thu hồi và tính chất cơ lý của sản phẩm. Việc bổ sung CaCl2 cần được kiểm soát để không làm giảm hoạt tính enzyme bromelain do thay đổi pH. So với các nghiên cứu trước đây, việc sử dụng MTgase giúp tạo mạng lưới gel bền vững hơn, giảm thất thoát protein trong whey, nâng cao hàm lượng protein trong phô mai. Các chỉ số lưu biến và phân tích cấu trúc phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về ứng dụng transglutaminase trong sản xuất phô mai.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ modul lưu trữ G’ và modul tổn thất G’’ theo nồng độ MTgase, bảng so sánh hiệu suất thu hồi và thành phần hóa học giữa các mẫu, cũng như phổ FTIR minh họa sự thay đổi cấu trúc protein và lipid. Những phát hiện này có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ sản xuất phô mai tươi với chi phí thấp, hiệu quả cao và phù hợp với nhu cầu thị trường Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa tỷ lệ phối hợp enzyme:
    Khuyến nghị sử dụng bromelain ở nồng độ 0,025 g/mL kết hợp MTgase ở mức 0,5 U/g protein để đạt hiệu suất thu hồi và tính chất cơ lý tối ưu. Thời gian áp dụng trong quy trình sản xuất là 40 phút ở nhiệt độ 40-50°C.

  2. Kiểm soát nồng độ CaCl2:
    Bổ sung CaCl2 ở mức khoảng 0,5 g/L để hỗ trợ quá trình đông tụ mà không làm giảm hoạt tính enzyme bromelain do thay đổi pH. Chủ thể thực hiện là nhà sản xuất phô mai trong giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu.

  3. Áp dụng quy trình công nghệ mới:
    Xây dựng quy trình sản xuất phô mai tươi có bổ sung bromelain và MTgase theo các bước hoàn nguyên sữa, bổ sung CaCl2, đông tụ enzyme, cắt khối đông, ly tâm tách whey, lọc chân không, tạo hình và bảo quản. Thời gian triển khai trong vòng 6-12 tháng để thử nghiệm và hoàn thiện.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ:
    Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho cán bộ sản xuất và kỹ sư công nghệ thực phẩm về ứng dụng enzyme mới, phương pháp phân tích và kiểm soát chất lượng sản phẩm. Chủ thể thực hiện là các trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất phô mai.

  5. Nghiên cứu mở rộng:
    Khuyến khích nghiên cứu tiếp tục về ảnh hưởng của các loại protease thực vật khác và điều kiện bảo quản phô mai tươi nhằm nâng cao chất lượng và đa dạng hóa sản phẩm. Thời gian nghiên cứu dự kiến 1-2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Doanh nghiệp sản xuất phô mai:
    Có thể áp dụng quy trình công nghệ mới để nâng cao hiệu suất sản xuất, giảm chi phí nguyên liệu và cải thiện chất lượng sản phẩm, từ đó tăng sức cạnh tranh trên thị trường.

  2. Nhà nghiên cứu và giảng viên ngành công nghệ thực phẩm:
    Sử dụng kết quả nghiên cứu làm tài liệu tham khảo, phát triển các đề tài nghiên cứu tiếp theo về enzyme trong chế biến thực phẩm và ứng dụng công nghệ enzyme.

  3. Sinh viên ngành công nghệ thực phẩm:
    Học tập, tham khảo phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, phân tích dữ liệu và ứng dụng enzyme trong sản xuất thực phẩm, phục vụ cho luận văn và nghiên cứu khoa học.

  4. Cơ quan quản lý và phát triển ngành sữa:
    Tham khảo để xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ sản xuất phô mai, thúc đẩy ứng dụng enzyme thay thế rennet nhằm đảm bảo nguồn cung nguyên liệu và nâng cao giá trị sản phẩm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần thay thế enzyme rennet trong sản xuất phô mai?
    Rennet truyền thống có nguồn cung hạn chế và chi phí cao. Enzyme protease thực vật như bromelain có nguồn gốc dồi dào, giá thành thấp, phù hợp với sản xuất quy mô công nghiệp và đáp ứng nhu cầu người ăn chay.

  2. Enzyme bromelain hoạt động tốt nhất ở điều kiện nào?
    Bromelain hoạt động tối ưu ở pH trung tính (khoảng 7) và nhiệt độ từ 50 đến 60°C, phù hợp với điều kiện sản xuất phô mai tươi, giúp thủy phân protein hiệu quả và tạo khối đông.

  3. MTgase có vai trò gì trong sản xuất phô mai?
    MTgase xúc tác tạo liên kết chéo giữa các chuỗi protein, cải thiện kết cấu gel, tăng độ cứng, độ đàn hồi và khả năng giữ nước của phô mai, đồng thời giảm thất thoát protein trong whey.

  4. Ảnh hưởng của CaCl2 đến quá trình đông tụ phô mai như thế nào?
    CaCl2 tăng cường liên kết protein và canxi, làm tăng độ săn chắc gel và giảm thời gian đông tụ. Tuy nhiên, nồng độ CaCl2 quá cao có thể làm giảm hoạt tính enzyme bromelain do thay đổi pH, ảnh hưởng đến hiệu suất thu hồi.

  5. Làm thế nào để đo tính chất cơ lý của phô mai?
    Sử dụng máy phân tích kết cấu (TPA) để đo các chỉ số như độ cứng, độ đàn hồi, độ kết dính thông qua thử nghiệm nén kép. Kết quả giúp đánh giá chất lượng và độ ổn định của phô mai trong quá trình bảo quản.

Kết luận

  • Đã xác định được tỷ lệ phối hợp tối ưu giữa enzyme bromelain và MTgase trong sản xuất phô mai tươi, với bromelain 0,025 g/mL và MTgase 0,5 U/g protein.
  • Quy trình công nghệ sản xuất phô mai tươi kết hợp hai enzyme này giúp cải thiện hiệu suất thu hồi gel, tăng hàm lượng protein và cải thiện kết cấu sản phẩm.
  • Nồng độ CaCl2 cần được kiểm soát để không làm giảm hoạt tính enzyme bromelain, đảm bảo hiệu quả đông tụ và chất lượng phô mai.
  • Kết quả phân tích lưu biến và phổ FTIR chứng minh sự cải thiện rõ rệt về tính chất cơ lý và cấu trúc gel của phô mai tươi ứng dụng enzyme mới.
  • Đề xuất triển khai áp dụng quy trình công nghệ trong sản xuất thực tế, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng để đa dạng hóa sản phẩm và nâng cao chất lượng.

Hành động tiếp theo là thử nghiệm quy mô công nghiệp và đào tạo chuyển giao công nghệ cho các doanh nghiệp sản xuất phô mai nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và giá trị sản phẩm trên thị trường.