Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành công nghiệp chế biến sữa tại Việt Nam ghi nhận tốc độ tăng trưởng liên tục, tuy nhiên nguồn cung sữa tươi nguyên liệu trong nước chỉ đáp ứng được khoảng 39% đến 40% nhu cầu sản xuất; phần lớn nguyên liệu đầu vào (khoảng 60% đến 70%) phụ thuộc vào nguồn sữa bột nhập khẩu. Chăn nuôi bò sữa trong nước quy mô còn nhỏ lẻ, phân tán, dẫn đến giá thành sản xuất cao và chất lượng nguyên liệu không đồng đều. Do đó, việc ứng dụng sữa bột nguyên kem hoàn nguyên để sản xuất các chế phẩm từ sữa là giải pháp cần thiết nhằm chủ động nguồn nguyên liệu, giảm chi phí sản xuất và đa dạng hóa danh mục sản phẩm trên thị trường.

Phô mai tươi là nhóm sản phẩm không qua quá trình ủ chín, có hàm lượng ẩm cao (thường từ 55% đến 80%) và hàm lượng chất khô dao động từ 14% đến 55%. Sản phẩm này được ưa chuộng nhờ giá trị dinh dưỡng cao, cung cấp protein dễ hấp thu, lipid, canxi và khoáng chất. Mặc dù vậy, do đặc thù hàm lượng ẩm cao và mạng lưới protein gel kém bền, phô mai tươi có thời hạn sử dụng ngắn (khoảng 2 đến 4 tuần khi bảo quản lạnh ở 8°C, hoặc 14 đến 21 ngày ở 3°C đến 4°C). Trong thời gian lưu trữ, sản phẩm thường xuyên gặp phải hiện tượng co rút mạng lưới protein dẫn đến thoát nước và tách huyết thanh sữa (tách whey - syneresis), làm suy giảm nghiêm trọng cấu trúc, trạng thái cảm quan và khả năng thương mại.

Nhằm khắc phục nhược điểm trên, đề tài tập trung nghiên cứu ứng dụng enzyme transglutaminase có nguồn gốc vi sinh vật (microbial transglutaminase - MTGase) trong công nghệ sản xuất phô mai tươi từ nguyên liệu sữa bột nguyên kem. Các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  1. Đánh giá sự ảnh hưởng của enzyme MTGase đến hiện tượng tách whey (syneresis), sự biến đổi độ chua, tổng số vi khuẩn lactic và các chỉ tiêu cảm quan của sản phẩm phô mai tươi trong 21 ngày bảo quản lạnh.
  2. Hoàn thiện quy trình công nghệ sản xuất phô mai tươi từ nguyên liệu sữa bột nguyên kem có bổ sung enzyme MTGase, nâng cao độ bền cấu trúc và tăng tỷ lệ thu hồi sản phẩm.
  3. Phân tích các chỉ tiêu chất lượng cơ bản của sản phẩm bao gồm thành phần hóa học (chất khô, protein, chất béo), chỉ tiêu vi sinh và vi cấu trúc bề mặt mạng gel protein dưới kính hiển vi điện tử quét (SEM).

Đối tượng nghiên cứu là sản phẩm phô mai tươi lên men từ sữa bột nguyên kem hoàn nguyên (kết hợp đối chứng với sữa tươi), sử dụng tổ hợp vi khuẩn lactic và enzyme MTGase. Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm tại phòng thí nghiệm Bộ môn Công nghệ Thực phẩm, Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (hoàn thành vào tháng 01/2019). Phạm vi khảo sát chất lượng và tính ổn định của sản phẩm được thực hiện theo chu kỳ bảo quản 21 ngày ở nhiệt độ lạnh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở khoa học của nghiên cứu dựa trên hai quá trình sinh hóa - vi sinh then chốt: cơ chế đông tụ đẳng điện của protein sữa và cơ chế tạo liên kết ngang xúc tác bởi enzyme transglutaminase.

Trong sữa bò, protein gồm khoảng 80% casein và 20% whey protein. Casein tồn tại dưới dạng các micelle hình cầu có kích thước 50 - 200 nm, ổn định nhờ lớp vỏ ngoài tích điện âm của κ-casein và các liên kết canxi phosphat. Khi tổ hợp vi khuẩn lactic (Streptococcus thermophilus và Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus) lên men đường lactose thành acid lactic, pH môi trường giảm dần. Khi pH đạt 4,9, các hạt canxi phosphat keo bắt đầu hòa tan; đến điểm đẳng điện (pH 4,6), các micelle casein mất điện tích tĩnh điện và liên kết lại với nhau tạo thành khối đông tụ (gel casein).

Enzyme Microbial Transglutaminase (MTGase; EC 2.3.2.13) được phân lập từ Streptoverticillium spp. hoặc Streptomyces sp., có khối lượng phân tử khoảng 38 kDa. Khác với TGase từ mô động vật đòi hỏi ion Ca²⁺, MTGase hoạt động hoàn toàn không phụ thuộc vào ion Ca²⁺, có khoảng pH tối ưu từ 5 đến 8 và nhiệt độ tối ưu từ 40°C đến 45°C. MTGase xúc tác phản ứng chuyển nhóm acyl giữa gốc γ-carboxamide của glutamine và nhóm ε-amine của lysine trong phân tử protein, hình thành các liên kết isopeptide ε-(γ-glutamyl)lysine liên phân tử và nội phân tử. Casein (đặc biệt là κ-casein và β-casein) có cấu trúc cuộn xoắn ngẫu nhiên, không chứa liên kết cầu disulfide, đóng vai trò là cơ chất thuận lợi cho MTGase tạo mạng lưới liên kết ngang, giúp "bẫy" các phân tử nước tự do và tăng cường độ bền vững của gel.

Tiêu chí phân loại phô mai Đặc điểm công nghệ Ví dụ sản phẩm
Theo độ ẩm và cấu trúc Độ ẩm 55 - 80%, mềm, không qua ủ chín Cottage, Ricotta, Quark, Mozzarella
Theo tác nhân đông tụ Đông tụ bằng acid lactic (vi khuẩn LAB) Cottage, Quark, Cream cheese
Theo tác nhân đông tụ Đông tụ bằng rennet hoặc acid - nhiệt Mozzarella, Ricotta (Ý), Paneer
Theo độ béo Rất cao (>60%), Cao (45-60%), Trung bình (25-45%), Thấp (10-25%), Gầy (<10%) Phân loại theo tiêu chuẩn chất béo

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được thiết kế theo quy trình sản xuất phô mai tươi có kiểm soát các thông số kỹ thuật. Bốn hệ mẫu thí nghiệm được thiết lập để so sánh gồm:

  • Mẫu 1: Phô mai tươi từ sữa bột nguyên kem không bổ sung enzyme (đối chứng sữa bột).
  • Mẫu 2: Phô mai tươi từ sữa bột nguyên kem có xử lý enzyme MTGase.
  • Mẫu 3: Phô mai tươi từ sữa tươi không bổ sung enzyme (đối chứng sữa tươi).
  • Mẫu 4: Phô mai tươi từ sữa tươi có xử lý enzyme MTGase.

Các phương pháp phân tích chỉ tiêu được thực hiện bao gồm:

  • Xác định tổng hàm lượng chất khô, hàm lượng protein tổng số và hàm lượng chất béo theo các phương pháp hóa lý tiêu chuẩn.
  • Đánh giá hiện tượng tách whey (syneresis) định kỳ trong 21 ngày bảo quản.
  • Đo độ chua (pH và độ acid chuẩn độ) theo thời gian bảo quản.
  • Định lượng tổng số vi khuẩn lactic (LAB) theo quy chuẩn vi sinh vật thực phẩm.
  • Quan sát cấu trúc vi mô gel protein bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM).
  • Đánh giá cảm quan thị giác, cấu trúc, mùi và vị theo thang điểm 5 dựa trên TCVN 10565-3:2015.
  • Xử lý và phân tích số liệu thống kê thực nghiệm.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan tài liệu

Chương này tổng hợp hệ thống cơ sở lý luận về công nghệ chế biến phô mai và enzyme ứng dụng:

  • Trình bày định nghĩa phô mai theo FAO/WHO, lịch sử phát triển ngành phô mai từ khu vực Trung Đông cổ đại đến sản xuất công nghiệp hiện đại; phân loại phô mai theo độ ẩm, hàm lượng béo, phương thức sản xuất và tác nhân đông tụ.
  • Đi sâu vào nhóm phô mai tươi: định nghĩa, tiêu chuẩn chất lượng (như Käseverordnung của Đức quy định Quark chứa tối thiểu 18% chất khô, 12% protein), thành phần hóa học của các dòng phô mai tươi phổ biến (Skim Quark, Single/Double Cream cheese, Cottage, Ricotta, Labneh, Skyr).
  • Phân tích nguyên liệu sữa: thành phần protein sữa (tỷ lệ αs1, αs2, β, κ-casein và các whey protein gồm β-lactoglobulin, α-lactalbumin, BSA, immunoglobulin), cấu trúc hạt cầu béo, đường lactose; thực trạng nhập khẩu và sử dụng sữa bột tại Việt Nam.
  • Trình bày cơ chế đông tụ casein bằng tổ hợp vi khuẩn lactic Str. thermophilus và L. bulgaricus, con đường chuyển hóa lactose thành L(+) và D(-) acid lactic dẫn đến điểm đẳng điện pH 4,6.
  • Giới thiệu chi tiết về enzyme transglutaminase (MTGase), cơ chế phản ứng tạo liên kết isopeptide, các ứng dụng trong chế biến thịt tái cấu trúc, surimi, sữa chua và phô mai.
  • Tổng quan tình hình nghiên cứu MTGase trong và ngoài nước (các công trình của Lorenzen, Yuksel, Sanli, Romeih, Darnay, Metwally, Gauche, Ibrahim trên các sản phẩm sữa) và phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình bảo quản phô mai tươi (hiện tượng tách whey, hoạt động vi sinh vật gây hỏng).

Chương 2: Vật liệu và phương pháp

Chương 2 mô tả chi tiết quy trình thực nghiệm và các phương tiện phục vụ nghiên cứu:

  • Giới thiệu địa điểm nghiên cứu tại các phòng thí nghiệm và xưởng thực hành Bộ môn Công nghệ Thực phẩm, Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.
  • Nguyên liệu sử dụng gồm: sữa bột nguyên kem, sữa tươi thương phẩm, chế phẩm enzyme MTGase, tổ hợp giống vi khuẩn lactic Str. thermophilus và L. bulgaricus, cùng hệ thống hóa chất phân tích và thiết bị đo kiểm.
  • Thiết lập quy trình công nghệ sản xuất phô mai tươi hoàn nguyên kết hợp bổ sung MTGase.
  • Xây dựng sơ đồ bố trí thí nghiệm so sánh 4 mẫu phô mai và sơ đồ bố trí theo dõi quá trình bảo quản lạnh trong 21 ngày.
  • Trình bày chi tiết các phương pháp phân tích hóa lý, phương pháp xác định độ tách whey, phương pháp đếm vi sinh vật LAB, kỹ thuật chụp hiển vi điện tử quét SEM và phương pháp đánh giá cảm quan theo TCVN 10565-3:2015 cùng phương pháp xử lý số liệu.

Chương 3: Kết quả và biện luận

Chương 3 trình bày các số liệu thực nghiệm và biện luận khoa học thu được:

  • Đánh giá chất lượng sản phẩm phô mai tươi: Xác định thành phần hóa học của phô mai tươi từ sữa bột nguyên kem đạt hàm lượng chất khô 26,5%, protein 9,73% và chất béo 11,8%, tương đương với các dòng phô mai tươi sản xuất từ sữa tươi trên thị trường. Chỉ tiêu vi sinh đáp ứng quy chuẩn an toàn.
  • Đánh giá vi cấu trúc (SEM): Ảnh chụp hiển vi quét chứng minh mẫu phô mai tươi có xử lý MTGase sở hữu mạng lưới gel đồng nhất hơn, các cấu tử protein mịn nhỏ và liên kết chặt chẽ hơn so với cấu trúc lỏng lẻo, lỗ rỗng lớn ở mẫu không sử dụng enzyme.
  • Đánh giá cảm quan ban đầu: Bổ sung MTGase cải thiện rõ rệt trạng thái cấu trúc dẻo mịn, ngoại quan bóng đẹp và giữ được hương vị thơm chua dịu đặc trưng của quá trình lên men lactic. Nguồn sữa bột nguyên kem không tạo ra sai biệt tiêu cực so với nguồn sữa tươi.
  • Theo dõi chất lượng trong 21 ngày bảo quản:
    • Độ tách whey (syneresis): Các mẫu phô mai tươi không bổ sung enzyme bắt đầu xuất hiện tách lớp whey rõ rệt sau ngày thứ 14 của quá trình bảo quản. Ngược lại, các mẫu có xử lý enzyme MTGase hoàn toàn không bị tách whey trong suốt 21 ngày bảo quản.
    • Độ chua: Nhóm mẫu không bổ sung enzyme có độ chua tương đối ổn định trong suốt chu kỳ. Nhóm mẫu có MTGase ghi nhận độ chua giảm nhẹ dần trong 14 ngày đầu bảo quản, liên quan đến tác động của liên kết chéo enzyme lên hoạt động trao đổi chất của hệ vi sinh vật và các phản ứng hóa học nội tại.
    • Tổng số vi khuẩn lactic: Lượng vi khuẩn lactic trong mẫu có bổ sung enzyme giảm nhẹ nhưng không đáng kể trong 14 ngày đầu, duy trì mật độ có lợi cho chất lượng sản phẩm.
    • Cảm quan bảo quản: Mẫu bổ sung MTGase duy trì được cấu trúc mịn màng, không bị vón cục hay chảy rữa suốt 21 ngày.

Kết quả và đóng góp

Chỉ tiêu theo dõi Mẫu không bổ sung MTGase (Đối chứng) Mẫu có bổ sung MTGase
Hàm lượng chất khô ~26,5% 26,5%
Hàm lượng protein ~9,7% 9,73%
Hàm lượng chất béo ~11,8% 11,8%
Hiện tượng tách whey (21 ngày) Tách whey rõ rệt sau ngày thứ 14 Hoàn toàn không tách whey trong 21 ngày
Biến đổi độ chua Hầu như không thay đổi Giảm dần trong 14 ngày đầu, sau đó ổn định
Vi cấu trúc mạng gel (SEM) Mạng lưới kém đồng nhất, lỗ rỗng lớn Mạng lưới đồng nhất, cấu tử nhỏ, bẫy nước tốt
Đánh giá cảm quan Cấu trúc kém bền sau 14 ngày Cấu trúc dẻo mịn, đồng nhất suốt 21 ngày

Về mặt đóng góp khoa học và ứng dụng thực tiễn, đề tài mang lại các giá trị cụ thể:

  1. Xác lập được cơ sở thực nghiệm khẳng định enzyme MTGase có khả năng ngăn chặn hoàn toàn nhược điểm tách whey (syneresis) của phô mai tươi trong 21 ngày bảo quản lạnh, giúp kéo dài thời gian thương phẩm của sản phẩm.
  2. Chứng minh tính khả thi của việc sử dụng sữa bột nguyên kem nhập khẩu thay thế sữa tươi để sản xuất phô mai tươi chất lượng cao tại Việt Nam, đạt các chỉ số hóa lý tương đương (chất khô 26,5%, protein 9,73%, chất béo 11,8%) mà không phụ thuộc vào nguồn cung sữa tươi tươi sống tại chỗ.
  3. Đóng góp dữ liệu thực nghiệm đầu tiên tại Việt Nam về việc kết hợp quá trình lên men của tổ hợp vi khuẩn lactic (Str. thermophilus và L. bulgaricus) với xử lý enzyme MTGase trên nền sữa bột hoàn nguyên.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận được thực hiện nghiêm túc nhưng vẫn tồn tại một số hạn chế theo phạm vi ghi nhận trong văn bản:

  • Phạm vi theo dõi thời hạn bảo quản mới dừng lại ở mốc 21 ngày tại điều kiện nhiệt độ lạnh phòng thí nghiệm, chưa đánh giá thời hạn bảo quản dài hơn hoặc trong các điều kiện dao động nhiệt độ thực tế của chuỗi cung ứng.
  • Nghiên cứu chưa khảo sát sâu ảnh hưởng của các nồng độ enzyme MTGase khác nhau cũng như các chế độ nhiệt độ bất hoạt enzyme tối ưu đến tỷ lệ thu hồi sản phẩm ở quy mô lớn hơn.

Các hướng mở rộng nghiên cứu tiếp theo bao gồm:

  • Nghiên cứu tối ưu hóa nồng độ enzyme MTGase và thời điểm bổ sung thích hợp trong dây chuyền sản xuất quy mô pilot hoặc công nghiệp.
  • Thử nghiệm kết hợp công nghệ đóng gói khí quyển biến đổi (MAP chứa N₂ hoặc CO₂) để nâng cao hơn nữa thời hạn bảo quản của phô mai tươi.
  • Phân tích định lượng chi tiết các hợp chất bay hơi tạo hương đặc trưng trong suốt quá trình lưu kho.

Giá trị tham khảo

Báo cáo khóa luận có giá trị tham khảo chuyên môn đối với:

  • Sinh viên, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Công nghệ Thực phẩm, Công nghệ Sau thu hoạch và Công nghệ Sinh học làm tài liệu nghiên cứu về công nghệ chế biến sữa, cơ chế tạo đông tụ gel protein và ứng dụng enzyme trong thực phẩm.
  • Kỹ sư R&D, cán bộ kỹ thuật tại các doanh nghiệp chế biến sữa đang tìm kiếm giải pháp cải thiện cấu trúc, hạn chế hiện tượng tách nước trong các sản phẩm lên men (sữa chua, phô mai tươi, phô mai nấu chảy).
  • Phần đáng tham khảo nhất là quy trình phối hợp enzyme MTGase với chủng vi khuẩn lactic và các dữ liệu so sánh vi cấu trúc SEM giữa các hệ mẫu phô mai.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nghiên cứu lại lựa chọn sữa bột nguyên kem làm nguyên liệu chính thay vì sữa tươi?
Theo báo cáo ngành sữa giai đoạn 2017 - 2018, nguồn sữa tươi nguyên liệu trong nước chỉ đáp ứng được 39% - 40% nhu cầu sản xuất, ngành chăn nuôi bò sữa trong nước còn phân tán, chi phí cao và chất lượng không ổn định. Việc sử dụng sữa bột nguyên kem giúp chủ động nguồn nguyên liệu, giảm giá thành sản xuất, bảo quản nguyên liệu thuận tiện và phù hợp với thực tế sản xuất tại Việt Nam.

2. Enzyme MTGase tác động như thế nào đến mạng lưới cấu trúc của phô mai tươi?
MTGase xúc tác hình thành liên kết isopeptide ε-(γ-glutamyl)lysine giữa các chuỗi polypeptide của protein sữa (đặc biệt là casein). Phản ứng này tạo mạng lưới liên kết ngang bền vững, giúp mạng gel protein đồng nhất, giảm kích thước các cấu tử trong mạng lưới và giữ chặt các phân tử nước tự do bên trong gel (đã được minh chứng qua ảnh chụp hiển vi điện tử quét SEM).

3. Hiệu quả ngăn ngừa hiện tượng tách whey (syneresis) của MTGase trong bảo quản ra sao?
Trong thử nghiệm bảo quản 21 ngày ở nhiệt độ lạnh, mẫu phô mai tươi đối chứng (không bổ sung enzyme) xuất hiện hiện tượng tách whey rõ rệt sau ngày thứ 14. Trong khi đó, các mẫu phô mai tươi có bổ sung enzyme MTGase hoàn toàn không bị tách whey trong suốt 21 ngày bảo quản.

4. Tổ hợp vi khuẩn lactic được sử dụng trong khóa luận gồm những chủng nào và có vai trò gì?
Tác giả sử dụng tổ hợp hai chủng vi khuẩn lactic là Streptococcus thermophilus và Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus. Vai trò của tổ hợp này là lên men đường lactose thành acid lactic, hạ pH môi trường xuống điểm đẳng điện của casein (pH 4,6) để gây đông tụ tạo gel phô mai, đồng thời sinh các chất chuyển hóa tạo hương vị chua thơm đặc trưng cho phô mai tươi.

5. Sản phẩm phô mai tươi từ sữa bột nguyên kem có bổ sung MTGase đạt các chỉ tiêu hóa lý chính nào?
Sản phẩm nghiên cứu đạt tổng hàm lượng chất khô 26,5%, hàm lượng protein đạt 9,73% và hàm lượng chất béo đạt 11,8%. Các chỉ tiêu này tương đương với các sản phẩm phô mai tươi thương mại làm từ sữa tươi trên thị trường.

Kết luận

Khóa luận đã nghiên cứu thành công việc ứng dụng enzyme microbial transglutaminase (MTGase) trong quy trình sản xuất phô mai tươi từ nguyên liệu sữa bột nguyên kem kết hợp lên men bởi tổ hợp vi khuẩn lactic Str. thermophilus và L. bulgaricus. Sản phẩm thu được có hàm lượng chất khô đạt 26,5%, protein 9,73%, chất béo 11,8% cùng vi cấu trúc gel mịn màng, đồng nhất. Việc xử lý enzyme MTGase giúp giải quyết triệt để hiện tượng tách whey trong 21 ngày bảo quản lạnh, duy trì chất lượng cảm quan và mang lại giải pháp công nghệ khả thi nhằm đa dạng hóa sản phẩm chế biến từ sữa tại Việt Nam.