Giới thiệu dự án

Theo số liệu từ Tập đoàn nghiên cứu thị trường Euromonitor (2023), thị trường kem bán lẻ tại Việt Nam đạt quy mô 4,9 nghìn tỷ đồng với mức tăng trưởng 8%/năm, dẫn đầu bởi Kido Group (46,7% thị phần), Unilever (11,5%) và Vinamilk (9%). Dù là món tráng miệng phổ biến và giàu giá trị dinh dưỡng, các sản phẩm kem truyền thống chứa hàm lượng chất béo (10–18%) và năng lượng cao, là yếu tố gia tăng nguy cơ mắc bệnh béo phì, tim mạch và tiểu đường tuýp 2 (Nik Hassan et al., 2021). Xu hướng tiêu dùng hiện đại đòi hỏi các dòng kem ít béo (low-fat ice cream, hàm lượng béo 2–5%) nhưng vẫn phải duy trì được cấu trúc mịn màng, độ nở xốp (overrun) cao và khả năng chống tan chảy tốt.

Vấn đề cốt lõi đặt ra là khi cắt giảm chất béo và chất khô từ sữa, cấu trúc mạng lưới liên kết của kem suy giảm nghiêm trọng, dẫn đến hiện tượng tách pha, đá dăm kết tinh thô to và kem tan chảy nhanh. Để giải quyết triệt để vấn đề này, đề tài nghiên cứu đã ứng dụng công nghệ enzyme nhằm biến tính protein thực vật từ hạt đậu ngự (Phaseolus lunatus L.), tạo ra chế phẩm protein concentrate thủy phân bằng enzyme Alcalase (APPC) dùng làm chất thay thế một phần sữa bột gầy (Skim Milk Powder - SMP) trong sản xuất kem vani ít béo.

Mục tiêu nghiên cứu cụ thể

  1. Thu nhận và tinh chế: Trích ly protein concentrate từ hạt đậu ngự (PPC) và thực hiện quá trình thủy phân có kiểm soát bằng chế phẩm protease kiềm Alcalase® 2.5 L PF nhằm thu nhận APPC.
  2. Khảo sát đặc tính chức năng: Phân tích sự biến đổi cấu trúc bậc hai bằng phổ hồng ngoại FTIR, khả năng tạo bọt (FC), độ bền bọt (FS), khả năng hấp thụ nước (WAC) và hấp thụ dầu (OAC) của PPC và APPC.
  3. Phát triển công thức kem: Khảo sát thay thế sữa bột gầy bằng APPC ở 6 mức tỷ lệ: 0% (Đối chứng - DC), 6% (APPC6), 12% (APPC12), 18% (APPC18), 24% (APPC24) và 30% (APPC30).
  4. Đánh giá chất lượng toàn diện: Định lượng các chỉ tiêu hóa lý, lưu biến học (Rheology), độ cứng (Texture analysis), độ nở xốp (Overrun), tốc độ tan chảy, vi cấu trúc (SEM) và cảm quan tại 3 mốc thời gian bảo quản: Ngày 1 (D1), Ngày 30 (D30) và Ngày 45 (D45) ở nhiệt độ $-18^\circ\text{C}$.

Phạm vi nghiên cứu được chuẩn hóa trong quy mô phòng thí nghiệm tại Bộ môn Công nghệ Thực phẩm – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Việc ứng dụng protein thực vật để thay thế chất khô không béo của sữa (MSNF) trong sản xuất kem đối mặt với nhiều thách thức về mặt công nghệ:

Tiêu chí phân tích Sữa bột gầy (SMP) Đạm đậu nành cô lập (SPI) Đạm đậu Hà Lan (PPI) Đạm đậu ngự thủy phân (APPC)
Bản chất nhũ hóa Nhũ hóa tự nhiên nhờ Casein/Whey Khá tốt nhưng dễ biến tính nhiệt Trung bình, độ tan thấp ở pH kem Xuất sắc nhờ các peptide lưỡng ái phân tử nhỏ
Khả năng tạo bọt (FC) Ổn định Trung bình Thấp đến trung bình Tăng mạnh sau thủy phân cắt mạch
Vị lạ (Off-flavor) Không có vị lạ Vị ngái đậu nành (beany flavor) Mùi cỏ họ đậu đậm Rất nhẹ, không đắng ở tỷ lệ $\le 18%$
Giá thành & Khả năng tiếp cận Giá cao, phụ thuộc nhập khẩu Giá trung bình Giá cao Nguồn nguyên liệu đậu ngự nội địa giá rẻ
Ảnh hưởng cấu trúc kem Chuẩn tắc Tăng độ nhớt quá mức, dễ vón Cấu trúc cát, đá dăm nhiều Mịn xốp đồng nhất, tinh thể đá nhỏ

Ma trận ưu tiên yêu cầu kỹ thuật (MoSCoW) cho công thức kem vani cải tiến:

  • Must have: Giảm hàm lượng carbohydrate và chất béo tổng, duy trì độ nở xốp $> 45%$, kiểm soát vi sinh vật đạt chuẩn an toàn thực phẩm.
  • Should have: Cải thiện khả năng chống tan chảy (kéo dài thời gian nhỏ giọt đầu tiên), giảm kích thước tinh thể đá và bọt khí ($20 - 50,\mu\text{m}$).
  • Could have: Tăng tỷ lệ protein chức năng dễ hấp thu, thay thế tới 18–30% chất khô sữa bột gầy.
  • Won't have: Không bổ sung chất béo chuyển hóa (trans-fat), không sử dụng phụ gia nhũ hóa hóa học vượt mức cho phép.
graph TD
    A[Nguyên liệu phối trộn] --> B[Gia nhiệt hòa tan 50 - 65°C]
    B --> C[Đồng hóa cơ học áp lực cao]
    C --> D[Thanh trùng 83 - 85°C / 15s]
    D --> E[Làm nguội và Ủ chín 2 - 4°C / 4 - 24h]
    E --> F[Lạnh đông sơ bộ & Thổi khí -5°C]
    F --> G[Rót hộp định lượng]
    G --> H[Cấp đông sâu -18°C & Trữ đông D1, D30, D45]

Công nghệ và Thông số Kỹ thuật (Technical Specifications)

Hệ thống thiết bị và chế phẩm sinh học sử dụng trong quy trình:

  • Chế phẩm Enzyme: Alcalase® 2.5 L PF (Novozymes Đan Mạch), enzyme Serine Endopeptidase (Subtilisin A, EC 3.4.21.62) từ Bacillus licheniformis, hoạt độ $\ge 2,4,\text{AU/g}$, tỷ trọng $1,19,\text{g/mL}$.
  • Thiết bị đo biến dạng lưu biến: Thermo Scientific Haake Rheostress 1 (Đức), đo độ nhớt biểu kiến, mô đun tích lũy ($G'$) và mô đun tổn thất ($G''$) theo dải tần số quét và quét nhiệt độ.
  • Thiết bị phân tích cấu trúc: Ametek Brookfield CT3 Texture Analyzer (Mỹ), sử dụng đầu đo hình trụ chuẩn để xác định độ cứng (Hardness).
  • Hệ thống đo màu quang phổ: Minolta CR-400 (Nhật Bản) theo không gian màu CIE-$L^*a^b^$.
  • Kính hiển vi điện tử quét: SEM phân giải cao quan sát hình thái vi bọt khí và tinh thể đá.
  • Quy chuẩn chất lượng: Sữa gầy đạt TCVN 7404:2004; nguồn nước sản xuất đạt QCVN 01-1:2018/BYT.

Implementation và kết quả

Quy trình Thủy phân và Chế tạo Sản phẩm

# Protocol thông số công nghệ trích ly và thủy phân protein đậu ngự
HYDROLIZATION_PARAMETERS = {
    "raw_material": "Phaseolus lunatus L. defatted flour",
    "extraction": {
        "solvent": "NaCl 0.15M",
        "ratio_solid_liquid": "1:10 (w/v)",
        "pH_extraction": 11.0,  # Adjusted with NaOH 1M
        "precipitation_pH": 4.5, # Adjusted with HCl 1N in Ethanol 70%
        "centrifugation": "3000 rpm, 20 mins, 5 deg C"
    },
    "enzymatic_cleavage": {
        "enzyme": "Alcalase 2.5 L PF (Subtilisin A)",
        "substrate_concentration": "2.0 g PPC / 100 mL H2O",
        "enzyme_substrate_ratio": "0.3 AU/g protein",
        "temperature": "50 deg C",
        "shaking_speed": "120 rpm",
        "pH_optimal": 8.0,
        "reaction_time": "45 mins",
        "thermal_inactivation": "85 deg C, 15 mins"
    },
    "ice_cream_formulation": {
        "fat_target": "4.0% (Whipping cream Anchor 35-36% fat)",
        "sweetener": "Saccharose purity > 99.8%",
        "stabilizer_emulsifier": "Stab 2000 (Alginate, Carrageenan, GMS) 0.5%",
        "smp_substitution_levels": [0, 6, 12, 18, 24, 30] # Percentage APPC
    }
}

Dữ liệu Thực nghiệm và Đánh giá Benchmark

Quá trình thủy phân có kiểm soát bằng Alcalase ở 0,3 AU/g trong 45 phút đã phân cắt liên kết peptide nội phân tử, bộc lộ các nhóm ưa béo và tạo ra các peptide có hoạt tính bề mặt cao. Phổ FTIR ghi nhận sự dịch chuyển đặc trưng tại vùng Amide I ($1600 - 1700,\text{cm}^{-1}$) và Amide II ($1500 - 1600,\text{cm}^{-1}$), chứng minh sự suy giảm cấu trúc xoắn $\alpha$-helix và tăng gấp nếp $\beta$-sheet/cuộn ngẫu nhiên, giúp mạch protein linh động hơn tại bề mặt tiếp xúc pha béo/nước/khí.

Mẫu thử nghiệm Protein (%) Béo (%) Carbohydrate (%) Năng lượng (kcal/100g) Độ nở xốp D1 (%) Độ cứng D1 (N) Bắt đầu nhỏ giọt (phút) Tan chảy hoàn toàn (phút)
DC (0% APPC) $3,96 \pm 0,02$ $2,20 \pm 0,02$ $25,21 \pm 0,08$ $136,48$ $42,15 \pm 0,82$ $18,45 \pm 0,42$ $12,5 \pm 0,5$ $54,0 \pm 1,2$
APPC6 $4,12 \pm 0,03$ $2,11 \pm 0,01$ $24,75 \pm 0,05$ $134,47$ $44,80 \pm 0,65$ $16,20 \pm 0,35$ $14,0 \pm 0,5$ $58,5 \pm 1,0$
APPC12 $4,30 \pm 0,01$ $2,00 \pm 0,02$ $24,20 \pm 0,07$ $132,00$ $47,65 \pm 0,90$ $14,10 \pm 0,28$ $16,2 \pm 0,8$ $63,0 \pm 1,5$
APPC18 (Tối ưu) $\mathbf{4,48 \pm 0,02}$ $\mathbf{1,91 \pm 0,01}$ $\mathbf{23,72 \pm 0,04}$ $\mathbf{130,01}$ $\mathbf{51,20 \pm 0,74}$ $\mathbf{11,85 \pm 0,22}$ $\mathbf{19,5 \pm 0,5}$ $\mathbf{71,0 \pm 1,2}$
APPC24 $4,65 \pm 0,03$ $1,80 \pm 0,02$ $23,30 \pm 0,06$ $128,00$ $53,40 \pm 0,85$ $10,20 \pm 0,30$ $21,0 \pm 0,7$ $74,5 \pm 1,8$
APPC30 $4,81 \pm 0,02$ $1,72 \pm 0,01$ $22,94 \pm 0,05$ $126,48$ $55,10 \pm 1,10$ $8,90 \pm 0,25$ $22,5 \pm 1,0$ $78,0 \pm 2,0$
PPC18 (Không TP) $4,45 \pm 0,02$ $1,92 \pm 0,02$ $23,75 \pm 0,06$ $130,08$ $43,10 \pm 0,70$ $15,60 \pm 0,38$ $13,0 \pm 0,5$ $56,0 \pm 1,1$

Phân tích đặc tính lưu biến và vi cấu trúc

  1. Hành vi dòng chảy (Flow Behavior): Hỗn hợp kem bổ sung APPC thể hiện tính chất chất lỏng phi Newton giả dẻo có độ nhớt giảm khi tăng tốc độ trượt (shear-thinning). Mô đun tích lũy đàn hồi ($G'$) luôn lớn hơn mô đun tổn thất nhớt ($G''$) trong toàn bộ dải tần số quét ($0,1 - 10,\text{Hz}$), chứng minh hệ kem có cấu trúc gel mạng lưới không gian bền vững.
  2. Độ ổn định bọt khí và tinh thể đá (SEM Analysis): Hình ảnh vi cấu trúc điện tử quét cho thấy mẫu đối chứng (DC) và mẫu protein chưa thủy phân (PPC18) xuất hiện nhiều tinh thể đá lớn, bề mặt gồ ghề. Ngược lại, mẫu APPC18 hình thành các bọt khí tròn đều, kích thước phân tán đồng nhất ($25 - 35,\mu\text{m}$), được bao bọc bởi màng film peptide bền vững ngăn chặn quá trình sáp nhập bọt khí (coalescence) và ức chế sự tái kết tinh của tinh thể đá sau 45 ngày bảo quản.
  3. Chỉ tiêu vi sinh: Mẫu APPC18 đạt tuyệt đối các chỉ tiêu an toàn: Tổng số vi sinh vật hiếu khí $< 10,\text{CFU/g}$, Coliforms $< 3,\text{MPN/g}$, không phát hiện Salmonella và Staphylococcus aureus, đáp ứng tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm.

Đổi mới và đóng góp

Nghiên cứu mang lại những đóng góp học thuật và công nghệ quan trọng:

  • Khai phá nguồn nguyên liệu bản địa: Lần đầu tiên chứng minh khả năng ứng dụng của protein hạt đậu ngự (Phaseolus lunatus L.) – một loại nông sản giàu dinh dưỡng tại Việt Nam nhưng ít được khai thác công nghiệp – vào hệ thực phẩm nhũ tương đông lạnh cao cấp.
  • Tối ưu hóa biến tính enzyme: Xác lập thành công chế độ thủy phân Alcalase có kiểm soát ($0,3,\text{AU/g}$, $50^\circ\text{C}$, $45,\text{phút}$), vừa gia tăng đặc tính công nghệ của protein (khả năng tạo bọt, giữ nước, giảm độ nhớt dư thừa), vừa kiểm soát không làm xuất hiện vị đắng của các hydrophobic peptide mạch ngắn.
  • Cải thiện vượt bậc tính chất công nghệ: So với mẫu kem đối chứng (DC) và mẫu sử dụng đạm đậu nành cô lập (SPI), công thức APPC18 tạo nên bước nhảy vọt:
    • Tăng hàm lượng protein tổng số lên $+13,13%$ (từ $3,96%$ lên $4,48%$).
    • Giảm hàm lượng chất béo $-13,18%$ và giảm carbohydrate $-5,91%$, hạ thấp tổng năng lượng tiêu thụ.
    • Tăng độ nở xốp (Overrun) thêm $+21,47%$ ($51,20%$ so với $42,15%$), giúp kem mềm mịn, xốp nhẹ tự nhiên.
    • Giảm độ cứng cơ học $-35,77%$ ($11,85,\text{N}$ so với $18,45,\text{N}$), tạo cảm giác mượt mà khi múc và thưởng thức.
    • Kéo dài thời gian tan chảy hoàn toàn thêm $+31,48%$ ($71,\text{phút}$ so với $54,\text{phút}$), gia tăng độ bền cấu trúc trước nhiệt độ phòng.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Khả năng Mở rộng Quy mô Sản xuất (Industrial Scalability)

Công nghệ trích ly và thủy phân protein đậu ngự có thể tích hợp trực tiếp vào các dây chuyền chế biến sữa và kem công nghiệp sẵn có mà không đòi hỏi đầu tư thay mới toàn bộ máy móc:

[Bột đậu ngự tách béo] 
[Bộ trao đổi nhiệt bản mỏng thanh trùng / Bất hoạt 85°C]
[Hệ thống làm lạnh liên tục & Thổi khí tự động Continuous Freezer]

Phân tích Hiệu quả Kinh tế và Lợi tức Đầu tư (ROI)

  • Chi phí nguyên liệu: Sữa bột gầy (SMP) nhập khẩu có đơn giá trung bình $85.000 - 110.000,\text{VNĐ/kg}$. Đậu ngự thô có giá $30.000 - 45.000,\text{VNĐ/kg}$. Việc sản xuất APPC nội địa giúp giảm chi phí thành phần chất khô protein từ $15 - 22%$.
  • Lợi ích thị trường: Đáp ứng trúng phân khúc sản phẩm "Clean Label", "Plant-based hybrid" và "Low-calorie dessert" đang tăng trưởng 2 con số mỗi năm tại thị trường F&B Đông Nam Á.
  • Lộ trình thương mại hóa (18 tháng):
    • Giai đoạn 1 (Tháng 1–6): Tối ưu hóa quy trình trích ly Pilot ($50,\text{L/mẻ}$) và hoàn thiện hồ sơ độc tính/tiêu chuẩn cơ sở.
    • Giai đoạn 2 (Tháng 7–12): Chuyển giao công thức cho nhà máy sản xuất kem quy mô $500 - 1.000,\text{L/h}$.
    • Giai đoạn 3 (Tháng 13–18): Đăng ký chứng nhận Halal, ISO 22000 và thương mại hóa dòng kem ít béo nhãn hiệu mới.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  • Tỷ lệ thay thế APPC bị giới hạn ở mức $\le 18%$; khi tăng lên $24 - 30%$, enzyme Alcalase giải phóng nồng độ cao các peptide kỵ nước chứa acid amin phenylalanine, leucine, isoleucine gây ra vị đắng nhẹ (bitterness) và làm đổi màu kem sang vàng sẫm ($b^*$ tăng).
  • Quá trình trích ly PPC và thủy phân ở quy mô phòng thí nghiệm còn sử dụng sấy tĩnh ở $50^\circ\text{C}$, thời gian kéo dài hơn so với công nghệ sấy phun sương (Spray drying) công nghiệp.

Định hướng nghiên cứu mở rộng

  • Ứng dụng kết hợp hệ enzyme Alcalase với Flavourzyme® (enzyme exopeptidase) nhằm thủy phân triệt để các peptide đầu $N$ kỵ nước, khử hoàn toàn vị đắng ở các mức thay thế cao hơn ($> 30%$).
  • Khảo sát hoạt tính sinh học của dịch thủy phân APPC: Khả năng chống oxy hóa (DPPH, ABTS scavenging) và hoạt tính ức chế enzyme chuyển hóa angiotensin (ACE-inhibitory activity) hướng đến dòng sản phẩm kem chức năng hỗ trợ hạ huyết áp.
  • Nghiên cứu công nghệ sấy phun dịch APPC với chất mang Maltodextrin để tạo chế phẩm bột hòa tan thương mại có thời hạn bảo quản $> 12,\text{tháng}$.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Học viên ngành Thực phẩm: Nắm vững phương pháp luận chuẩn mực về công nghệ enzyme, cơ chế tạo gel/nhũ tương và kỹ thuật phân tích biến dạng lưu biến thực phẩm.
  • Kỹ sư R&D & Chuyên gia phát triển sản phẩm: Sở hữu công thức phối trộn chi tiết, thông số công nghệ chuẩn hóa để sản xuất kem ít béo, kem thực vật mà không bị lỗi cấu trúc tách pha hay đá dăm.
  • Doanh nghiệp sản xuất kem & chế biến sữa: Giải pháp cắt giảm giá thành nguyên liệu nhập khẩu, chủ động nguồn cung protein thực vật, đa dạng hóa danh mục sản phẩm healthy đón đầu thị hiếu tiêu dùng.
  • Nhà nghiên cứu & Viện nghiên cứu: Cơ sở dữ liệu thực nghiệm giá trị về đặc tính hóa lý, cấu trúc bậc hai (FTIR) và vi cấu trúc điện tử (SEM) của nguồn protein hạt đậu ngự Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật cốt lõi để triển khai sản xuất chế phẩm APPC là gì?

Cần trang bị bồn phản ứng có cánh khuấy điều tốc ($100 - 150,\text{rpm}$), hệ thống gia nhiệt kiểm soát nhiệt độ chính xác ($50 \pm 1^\circ\text{C}$), thiết bị đo và cấp tự động NaOH 1M để giữ pH ổn định tại $8,0$ trong suốt 45 phút phản ứng, cùng thiết bị thanh trùng gia nhiệt tức thời lên $85^\circ\text{C}$ trong 15 phút để vô hoạt enzyme triệt để.

2. Vì sao APPC lại giúp cải thiện độ nở xốp (Overrun) của kem tốt hơn protein đậu tự nhiên (PPC)?

Dưới tác động cắt mạch của endopeptidase Alcalase, các đại phân tử protein đậu ngự bị phân cắt thành các chuỗi polypeptide và oligopeptide ngắn hơn, làm tăng độ linh động của phân tử và làm bộc lộ các nhóm kỵ nước/ưa nước. Điều này giúp các peptide nhanh chóng di chuyển và hấp phụ lên bề mặt phân chia pha khí–lỏng trong quá trình thổi khí làm lạnh, làm giảm sức căng bề mặt và hình thành màng film đàn hồi bền vững giữ các bọt khí nhỏ mịn, giúp độ nở xốp tăng từ $42,15%$ lên $51,20%$.

3. Kem bổ sung APPC có bị mùi ngái đậu hay vị lạ không?

Tại tỷ lệ thay thế tối ưu $18%$ (mẫu APPC18), kết quả đánh giá cảm quan thị hiếu của hội đồng người tiêu dùng cho thấy sản phẩm đạt điểm số cao về mùi thơm vani hài hòa, vị béo ngậy êm dịu và không phát hiện vị đắng hay mùi ngái họ đậu. Vị đắng nhẹ chỉ bắt đầu xuất hiện khi nâng tỷ lệ thay thế lên $\ge 24%$.

4. Sản phẩm kem APPC bảo quản ở $-18^\circ\text{C}$ có bị biến đổi chất lượng sau 45 ngày không?

Kết quả kiểm nghiệm qua các mốc D1, D30 và D45 ghi nhận độ nở xốp và khả năng giữ cấu trúc của mẫu APPC18 suy giảm không đáng kể ($< 3%$). Mạng lưới peptide phân tán đồng đều đã khóa các phân tử nước tự do, ức chế triệt để hiện tượng di chuyển ẩm và tái kết tinh tinh thể đá lớn, giúp kem giữ nguyên độ xốp mịn suốt 45 ngày bảo quản.

5. Chi phí đầu tư chế phẩm enzyme Alcalase có làm tăng giá thành sản xuất kem không?

Không. Chế phẩm Alcalase 2.5 L PF có hoạt độ rất cao ($\ge 2,4,\text{AU/g}$), tỷ lệ sử dụng chỉ là $0,3,\text{AU/g}$ protein (tương đương khoảng $0,12,\text{g}$ enzyme lỏng cho $1,\text{kg}$ kem thành phẩm). Chi phí enzyme cực nhỏ này được bù đắp hoàn toàn bởi việc cắt giảm $18%$ lượng sữa bột gầy đắt tiền và việc tận dụng nguồn đậu ngự giá rẻ trong nước.

Kết luận

Nghiên cứu "Ảnh hưởng của protein đậu ngự thủy phân bằng Alcalase đến chất lượng sản phẩm kem vani" đã giải quyết thành công bài toán công nghệ chế biến món tráng miệng đông lạnh ít béo, giàu dinh dưỡng và an toàn cho sức khỏe. Bằng phương pháp thủy phân enzyme có kiểm soát, đề tài đã chuyển hóa protein hạt đậu ngự (Phaseolus lunatus L.) thành phụ gia chức năng APPC ưu việt, nâng cao độ nở xốp lên $51,20%$, giảm độ cứng $35,77%$ và kéo dài thời gian chống tan chảy thêm $31,48%$ tại công thức tối ưu APPC18.

Đây là tiền đề khoa học vững chắc mở ra hướng đi mới cho ngành công nghệ thực phẩm Việt Nam trong việc nâng cao chuỗi giá trị nông sản bản địa, làm chủ quy trình biến tính sinh học và phát triển các dòng sản phẩm thực phẩm chức năng bắt kịp xu hướng tiêu dùng toàn cầu.