Tổng quan nghiên cứu

Thị trường bánh kẹo toàn cầu đạt giá trị 361,22 tỷ USD vào năm 2022 và dự kiến mở rộng lên 473,50 tỷ USD vào năm 2028 với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm đạt 4,60%. Trong bức tranh thị trường này, phân khúc bánh quy chiếm tỷ trọng áp đảo với hơn 60% tổng lượng tiêu thụ. Tuy nhiên, phần lớn các sản phẩm bánh quy truyền thống có hàm lượng đường và chất béo cao, trong khi hàm lượng chất xơ thực phẩm lại rất nghèo nàn. Thực trạng này đặt ra thách thức lớn đối với sức khỏe cộng đồng trước sự gia tăng nhanh chóng của các bệnh mãn tính không lây như đái tháo đường loại 2, béo phì và bệnh tim mạch.

Tại Việt Nam, nguồn nguyên liệu phụ phẩm nông nghiệp vô cùng dồi dào với sản lượng mía hàng năm cung cấp cho ngành công nghiệp đường đạt xấp xỉ 12,2 triệu tấn từ diện tích canh tác khoảng 270.000 ha. Quá trình chế biến đường từ 28 nhà máy quy mô lớn thải ra lượng bã mía chiếm 30% đến 33% trọng lượng cây mía, tương đương khoảng 270 tấn bã mía trên mỗi 1.000 tấn mía nguyên liệu. Bã mía là nguồn sinh khối giàu cellulose và hemicellulose nhưng hiện chủ yếu bị đốt làm nhiên liệu hoặc làm phân bón với giá trị gia tăng thấp.

Đề tài luận văn thạc sĩ "Nghiên cứu cải thiện cấu trúc, tính chất vật lý và cảm quan của bánh quy bổ sung bã mía" do học viên Võ Nguyễn Anh Kiệt thực hiện dưới sự hướng dẫn của Giáo sư Tiến sĩ Lê Văn Việt Mẫn tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh (giai đoạn 2022 - 2023) đã giải quyết triệt để nút thắt công nghệ này. Nghiên cứu tập trung xử lý bã mía không chứa vỏ bằng công nghệ vi sóng kết hợp enzyme carbohydrase để thay thế 10% bột mì, đồng thời hiệu chỉnh độ ẩm bột nhào và bổ sung phụ gia cấu trúc nhằm tạo ra dòng bánh quy ăn kiêng đạt chuẩn dinh dưỡng và có điểm cảm quan tương đương sản phẩm thương mại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng ba khung lý thuyết trọng tâm của khoa học thực phẩm: lý thuyết cấu trúc thành tế bào thực vật, động học tạo mạng gluten - tinh bột và cơ chế lưu biến học của hệ nhũ tương thực phẩm.

Chất xơ thực phẩm được phân loại thành chất xơ hòa tan (pectin, gum, chất nhầy) và chất xơ không hòa tan (cellulose, hemicellulose, lignin). Theo khuyến nghị của Hiệp hội Dinh dưỡng Hoa Kỳ, tỷ lệ vàng giữa xơ không tan và xơ tan trong khẩu phần ăn uống lành mạnh là xấp xỉ 3:1. Trong bã mía tự nhiên, cellulose chiếm tới 50,2% chất khô với chỉ số kết tinh cao, tạo nên cấu trúc bó sợi rất bền cơ học và cản trở tương tác liên kết nước.

Các khái niệm khoa học then chốt được vận dụng xuyên suốt gồm:

  • Khả năng giữ nước (Water Holding Capacity - WHC) và khả năng giữ dầu (Oil Holding Capacity - OHC): Chỉ số phản ánh lượng nước hoặc dầu được giữ lại trên một đơn vị khối lượng vật liệu khô.
  • Chỉ số kết tinh cellulose (Crystallinity Index): Tỷ lệ vùng tinh thể so với vùng vô định hình của sợi cellulose, quyết định khả năng tiếp cận của enzyme thủy phân.
  • Chỉ số trương nở bánh quy (Spread Factor - SF): Tỷ số giữa đường kính trung bình và độ dày trung bình của bánh sau khi nướng.
  • Tương tác bề mặt của phụ gia: Vai trò lưỡng cực của chất hoạt động bề mặt (lecithin) và mạng lưới gel hydrocolloid (agar, guar gum) trong việc giảm sức căng liên bề mặt và cố định nước tự do.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn nguyên liệu bã mía không vỏ thu gom từ các cơ sở chế biến nước mía sạch, được rửa sạch, sấy khô, nghiền mịn và rây phân loại. Bột bã mía sau đó trải qua quá trình tiền xử lý bằng sóng vi sóng kết hợp thủy phân sinh học bằng chế phẩm enzyme Viscozyme L để biến tính cấu trúc sợi.

Phương pháp bố trí thí nghiệm và phân tích bao gồm:

  • Cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu: Các thí nghiệm được thiết kế theo mô hình yếu tố ngẫu nhiên hoàn chỉnh. Mỗi công thức bánh quy được làm lặp lại 3 lần độc lập (n = 3), mỗi mẻ nướng 20 chiếc bánh để lấy mẫu phân tích đại diện, đảm bảo độ lặp lại và sai số thực nghiệm thấp.
  • Khảo sát biến số công nghệ: Khảo sát 4 mức độ ẩm bột nhào (23%, 27%, 31%, 35%); 5 mức tỷ lệ bổ sung lecithin (0%, 1%, 2%, 3%, 4% khối lượng bột); và 4 mức tỷ lệ hydrocolloid agar cùng guar gum (0,5%, 1,0%, 1,5%, 2,0%).
  • Phương pháp phân tích dụng cụ: Cấu trúc độ cứng của bánh được xác định qua phép đo uốn ba điểm (three-point bending test) trên máy đo cấu trúc Texture Analyzer. Màu sắc bề mặt được đo theo hệ màu tiêu chuẩn CIE Lab*. Kích thước hình học được đo bằng thước kẹp điện tử với độ chính xác 0,01 mm. Thành phần hóa học (ẩm, tro, protein, lipid, chất xơ tổng số, xơ hòa tan và không tan) xác định theo tiêu chuẩn AOAC. Đánh giá cảm quan thực hiện theo thang điểm thị hiếu 9 điểm với hội đồng gồm 30 đến 60 người thử nghiệm.
  • Xử lý số liệu: Dữ liệu thực nghiệm được xử lý thống kê bằng phần mềm chuyên dụng, phân tích phương sai ANOVA một yếu tố và kiểm định sự khác biệt có ý nghĩa thống kê theo phép thử Duncan ở mức ý nghĩa p < 0,05.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình tiền xử lý vi sóng kết hợp enzyme Viscozyme L đã làm biến đổi sâu sắc các đặc tính vi cấu trúc của bột bã mía. Kích thước hạt trung bình giảm 20% (từ 268 μm xuống 215 μm) với dải phân bố hạt thu hẹp đáng kể từ 2 - 3.080 μm xuống 4 - 1.260 μm. Diện tích bề mặt tiếp xúc riêng tăng 17% (từ 287 cm2/cm3 lên 335 cm2/cm3), đồng thời chỉ số kết tinh giảm 19% (từ 65,9% xuống 53,4%). Khả năng giữ nước tăng từ 4,6 lên 5,1 g/g chất khô (tăng 1,1 lần) và khả năng giữ dầu tăng từ 2,8 lên 4,0 g/g chất khô (tăng 1,4 lần). Khi bổ sung vào bánh quy, tỷ lệ xơ không tan trên xơ tan giảm mạnh từ 6,5 ở mẫu bã mía thô xuống còn 3,4 ở mẫu đã qua xử lý enzyme.

Sự thay đổi độ ẩm bột nhào tạo ra bước ngoặt lớn về cấu trúc cơ lý của bánh. Khi tăng độ ẩm khối bột từ 23% lên 35%, độ cứng của bánh quy giảm mạnh đến 1.653,6 g lực. Đồng thời, đường kính bánh tăng thêm 4%, độ dày giảm 3%, giúp chỉ số trương nở SF tăng 7%. Mẫu bánh quy có độ ẩm khối bột 31% đạt điểm đánh giá cảm quan cao nhất trong toàn bộ các dải ẩm khảo sát.

Phụ gia hoạt động bề mặt lecithin thể hiện khả năng làm mềm cấu trúc vượt trội. Tăng tỷ lệ lecithin từ 0% lên 4% giúp độ cứng của bánh quy giảm 27%. Tuy nhiên, việc tăng lecithin vượt quá 3% làm đường kính bánh nở rộng quá mức, độ dày giảm sâu và làm giảm đáng kể độ sáng L* của vỏ bánh do gia tăng phản ứng sẫm màu.

Đối với nhóm hydrocolloid, cả agar và guar gum ở tỷ lệ từ 0,5% đến 2,0% đều cải thiện tích cực tính chất cơ lý. Tại nồng độ bổ sung 1,5%, guar gum cho độ cứng bánh thấp hơn so với agar. Guar gum cũng làm tăng độ sáng bề mặt bánh cao hơn mẫu đối chứng. Kết quả thử nghiệm thị hiếu ghi nhận điểm số cảm quan cao nhất ở mẫu bổ sung 2,0% guar gum và mẫu bổ sung 1,0% agar.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi khiến bánh quy bổ sung xơ truyền thống bị cứng là do các sợi xơ cạnh tranh hút nước mạnh mẽ với protein gluten và tinh bột, ngăn cản quá trình hydrat hóa và làm mạng lưới bột nhào bị đứt gãy. Khi độ ẩm bột nhào tăng lên mức 31%, lượng nước tự do được giải phóng tối ưu, đóng vai trò như chất hóa dẻo trong quá trình nướng, giúp tinh bột hồ hóa tốt hơn và hạ thấp độ nhớt biểu kiến của khối bột.

Tác động làm mềm của lecithin bắt nguồn từ cấu trúc phân tử lưỡng cực. Đầu kỵ nước liên kết với pha chất béo trong khi đầu ưa nước tương tác với chuỗi peptide của gluten và tinh bột, làm giảm sức căng bề mặt và phân tán đều các pha, tạo nên các túi khí siêu nhỏ phân bố đồng nhất. Trong khi đó, các phân tử polysaccharide mạch dài của guar gum và agar giữ nước trong các hốc không gian, hình thành cấu trúc gel mềm dẻo ngăn cản sự co rút và chai cứng của bánh khi mất nước trong lò nướng.

Dữ liệu thực nghiệm của nghiên cứu được hệ thống hóa trực quan thông qua các bảng so sánh đa thông số về thành phần hóa lý và các biểu đồ đường thể hiện mối tương quan giữa lực bẻ gãy với độ ẩm bột nhào. Đồ thị phân bố kích thước hạt và biểu đồ cột biểu diễn chỉ số trương nở SF đã minh chứng rõ nét xu hướng cải thiện cấu trúc, hoàn toàn tương đồng với các nghiên cứu bánh quy bổ sung cám yến mạch của Sudha và cộng sự hoặc bánh quy vỏ vừng của Zouari.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Chuẩn hóa quy trình tiền xử lý nguyên liệu bã mía: Áp dụng công nghệ chiếu xạ vi sóng kết hợp thủy phân bằng enzyme Viscozyme L ở quy mô bán công nghiệp nhằm cắt mạch cellulose có chọn lọc. Mục tiêu cần đạt là duy trì chỉ số kết tinh dưới 55% và đưa tỷ lệ xơ không tan/xơ tan về ngưỡng 3,4:1, thực hiện kiểm soát chỉ tiêu này trong vòng 6 tháng đầu chuyển giao công nghệ.

  2. Thiết lập thông số vận hành chuẩn cho công đoạn nhào bột: Doanh nghiệp sản xuất bánh quy ăn kiêng cần kiểm soát độ ẩm khối bột nhào nghiêm ngặt ở mức 31 ± 0,5%. Tỷ lệ ẩm này giúp giảm lực bẻ gãy của bánh xuống dưới 2.500 g và tăng chỉ số SF lên mức 7,1, hạn chế tối đa tình trạng nứt vỡ bề mặt trong 3 tháng đầu triển khai dây chuyền.

  3. Phối trộn hệ phụ gia làm mềm cấu trúc kép: Ứng dụng công thức kết hợp 1,5% lecithin cùng với 2,0% guar gum (hoặc 1,0% agar) tính theo khối lượng bột nhào. Giải pháp này giúp giảm 27% độ cứng của bánh mà vẫn duy trì độ giòn xốp tự nhiên, bảo toàn giá trị màu sắc L* trong khoảng 65 - 66 sau nướng.

  4. Xây dựng liên minh chuỗi cung ứng phụ phẩm nông nghiệp tuần hoàn: Các hiệp hội mía đường và doanh nghiệp thực phẩm cần thiết lập mạng lưới thu gom bã mía sạch không vỏ từ 28 nhà máy đường trên cả nước. Việc tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có này giúp cắt giảm 30% đến 40% chi phí nguyên liệu xơ nhập khẩu trong lộ trình 12 đến 24 tháng tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  • Giảng viên, nghiên cứu sinh và sinh viên ngành Công nghệ Thực phẩm, Kỹ thuật Hóa học: Tài liệu chuyên khảo giá trị về công nghệ tiền xử lý sinh khối lignocellulose, các phương pháp phân tích lưu biến bột nhào và kỹ thuật phân tích cấu trúc thực phẩm nâng cao.
  • Kỹ sư nghiên cứu và phát triển sản phẩm (R&D) tại các tập đoàn bánh kẹo: Cẩm nang công thức và thông số kỹ thuật chi tiết để thương mại hóa các dòng sản phẩm bánh quy chức năng, bánh quy low-carb giàu xơ đáp ứng xu hướng tiêu dùng lành mạnh.
  • Ban quản lý kỹ thuật tại các nhà máy mía đường và chế biến nông sản: Giải pháp công nghệ hiện đại nhằm gia tăng giá trị kinh tế cho 270 tấn bã mía phụ phẩm trên mỗi 1.000 tấn mía nguyên liệu, thúc đẩy mô hình kinh tế tuần hoàn không chất thải.
  • Chuyên gia dinh dưỡng lâm sàng và cán bộ y tế cộng đồng: Cơ sở dữ liệu khoa học về tỷ lệ cân bằng chất xơ hòa tan và không hòa tan trong việc thiết lập thực đơn kiểm soát chỉ số đường huyết cho bệnh nhân đái tháo đường và béo phì.

Câu hỏi thường gặp

Bột bã mía qua xử lý vi sóng kết hợp enzyme có ưu điểm gì vượt trội so với bã mía thô?

Quá trình xử lý vi sóng và enzyme làm giảm 20% kích thước hạt trung bình (từ 268 μm xuống 215 μm), giảm 19% chỉ số kết tinh và tăng diện tích bề mặt thêm 17%. Đồng thời, tỷ lệ xơ không tan/xơ tan giảm từ 6,5 xuống 3,4, giúp tăng khả năng giữ nước lên 1,1 lần và giữ dầu lên 1,4 lần, loại bỏ vị xơ ráp khi ăn.

Vì sao bổ sung chất xơ thường làm bánh quy bị cứng và giải pháp trong luận văn là gì?

Chất xơ có tính hút nước cao, cạnh tranh nước trực tiếp với gluten và tinh bột khiến mạng bột nhào bị mất liên kết dẻo. Luận văn đã giải quyết triệt để vấn đề này bằng cách tăng độ ẩm bột nhào lên mức 31% kết hợp bổ sung chất hoạt động bề mặt lecithin và chất keo ưa nước guar gum để tái tạo độ giòn xốp.

Tỷ lệ bổ sung bột bã mía bao nhiêu là tối ưu cho chất lượng bánh quy?

Tỷ lệ thay thế 10% bột bã mía đã qua xử lý vi sóng - enzyme cho chất lượng tối ưu nhất. Mẫu bánh này đạt hàm lượng xơ hòa tan cao, giữ được màu vàng sáng đặc trưng với giá trị L* đạt 65,7 và đạt điểm số cảm quan 6,6/9 điểm, tương đương với bánh quy làm từ 100% bột mì truyền thống.

Tác động của lecithin đến chất lượng bánh quy giàu xơ như thế nào?

Lecithin ở tỷ lệ bổ sung từ 1% đến 4% giúp giảm độ cứng của bánh tới 27% và cải thiện độ đàn hồi của bột nhào. Tuy nhiên, mức bổ sung khuyến nghị là 1,5% đến 2% để tránh làm bánh bị dàn mỏng quá mức và hạn chế sự sẫm màu bề mặt do phản ứng nhiệt.

Loại hydrocolloid nào mang lại hiệu quả cải thiện cấu trúc bánh quy tốt nhất?

Guar gum ở tỷ lệ 1,5% đến 2,0% thể hiện hiệu quả giảm độ cứng và tăng chỉ số trương nở SF vượt trội hơn so với agar. Guar gum giúp bánh có độ xốp mềm hài hòa và giữ được độ sáng màu bề mặt cao, đạt điểm đánh giá cảm quan cao nhất từ hội đồng thử nghiệm.

Kết luận

  • Luận văn đã làm chủ công nghệ tiền xử lý bã mía bằng sóng vi sóng kết hợp enzyme Viscozyme L, làm giảm 19% độ kết tinh và hạ tỷ lệ xơ không tan/xơ tan từ 6,5 xuống 3,4.
  • Xác định độ ẩm bột nhào tối ưu ở mức 31%, giúp giảm độ cứng 1.653,6 g và tăng chỉ số trương nở bánh thêm 7%.
  • Chứng minh hiệu quả làm mềm bánh của lecithin với mức giảm độ cứng 27% cùng vai trò cải thiện cấu trúc vượt trội của 2,0% guar gum và 1,0% agar.
  • Tạo ra sản phẩm bánh quy giàu xơ chức năng thay thế 10% bột mì có điểm cảm quan 6,6 điểm, tương đương hoàn toàn với bánh quy đối chứng.
  • Đề xuất lộ trình 12 tháng tiếp theo nhằm thử nghiệm sản xuất quy mô pilot tại nhà máy và hoàn thiện bao bì bảo quản. Các doanh nghiệp và đơn vị nghiên cứu quan tâm vui lòng liên hệ Bộ môn Công nghệ Thực phẩm, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh để tiếp nhận chuyển giao quy trình công nghệ này.