Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sữa chua (yogurt) là một trong những sản phẩm sữa lên men được tiêu thụ rộng rãi trên thị trường Việt Nam và thế giới nhờ giá trị dinh dưỡng cao, hương vị đặc trưng và lợi ích đối với sức khỏe tiêu hóa. Theo số liệu của Euromonitor International được tác giả dẫn trong đồ án, doanh thu từ sữa chua tại Việt Nam tăng mạnh qua các năm: năm 2010 đạt 3.300 tỷ đồng, năm 2012 đạt 5.737 tỷ đồng, cho thấy tiềm năng phát triển lớn của phân khúc này. Bối cảnh đó thúc đẩy nhu cầu hiểu sâu về quy trình sản xuất công nghiệp ở quy mô nhất định.

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án được tác giả xác định gồm hai nhiệm vụ chính:

  1. Tìm hiểu toàn bộ quy trình công nghệ sản xuất sữa chua dạng khuấy (stirred type yogurt) ở quy mô 6 tấn/ngày, bao gồm thuyết minh từng công đoạn và các yếu tố ảnh hưởng.
  2. Tính toán cân bằng vật chất và lựa chọn thiết bị sản xuất phù hợp với năng suất đã định.

Đối tượng nghiên cứu là quy trình sản xuất sữa chua dạng khuấy từ sữa bò tươi nguyên liệu, sử dụng giống vi khuẩn lactic Streptococcus thermophilus và Lactobacillus bulgaricus. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào quy mô nhà máy chế biến, với năng suất thiết kế 6 tấn sản phẩm/ngày; không giới hạn theo địa lý cụ thể mà xây dựng dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật và pháp lý hiện hành của Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và tiêu chuẩn pháp lý áp dụng:

Đồ án sử dụng hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật của Việt Nam và quốc tế làm căn cứ đánh giá nguyên liệu và sản phẩm:

Tiêu chuẩn Đối tượng áp dụng
TCVN 7405:2009 Sữa tươi nguyên liệu
TCVN 7030:2009 và TCVN 7030:2002 Sản phẩm sữa chua thành phẩm
TCVN 9633:2013 Giống vi khuẩn khởi động cho sản phẩm sữa lên men
TCVN 7979:2013 Sữa bột và cream bột (sữa bột gầy)
TCVN 6958:2001 Đường tinh luyện
Thông tư 27/2012/TT-BYT Quản lý phụ gia thực phẩm
Quyết định 867/1998/QĐ-BYT Danh mục tiêu chuẩn vệ sinh lương thực, thực phẩm
Phân loại FAO/WHO Phân nhóm sản phẩm yaourt theo hàm lượng chất béo

Cơ sở lý thuyết vi sinh vật học được xây dựng dựa trên đặc tính sinh lý của hai chủng vi khuẩn lactic chính, cơ chế cộng sinh giữa chúng, và cơ chế hình thành khối đông trong lên men lactic. Đồ án cũng tham chiếu Bourgeois và Larpent (1989) về thông số tổng hàm lượng chất khô tối ưu (14–16%) và Bylund Gosta (1995) về vai trò của β-lactoglobulin trong cấu trúc khối đông, cũng như Luquet (1985) về ý nghĩa của quá trình đồng hóa đối với yogurt hàm lượng chất béo thấp.

Phương pháp nghiên cứu:

Đồ án thuộc dạng thiết kế quy trình công nghệ kết hợp với tính toán kỹ thuật. Phương pháp chủ yếu gồm:

  • Tổng hợp, phân tích tài liệu chuyên ngành công nghệ thực phẩm và tiêu chuẩn kỹ thuật.
  • Tính toán cân bằng vật chất theo các thông số ban đầu, thông số qua từng công đoạn và thông số sản phẩm cuối.
  • Lựa chọn thiết bị sản xuất dựa trên yêu cầu kỹ thuật của từng công đoạn.

Nguồn dữ liệu: tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN), tài liệu kỹ thuật công nghệ sữa quốc tế, số liệu thị trường từ Euromonitor International.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I — Giới thiệu tổng quát về sữa chua

Chương này cung cấp nền tảng lý luận về đối tượng sản phẩm. Tác giả trình bày lịch sử phát hiện sữa chua từ những người du mục vùng Mount Elbus (Nga) và định nghĩa sữa chua là sản phẩm lên men dạng bán rắn.

Phân loại sản phẩm được trình bày theo ba tiêu chí:

  • Bản chất vật lý: yogurt truyền thống (set type), yogurt dạng khuấy (stirred type), yogurt uống (drinking type), yogurt đông lạnh (frozen type), yogurt cô đặc (strained yogurt).
  • Hàm lượng chất béo (theo FAO/WHO): yogurt béo (≥3% béo), yogurt bán gầy (0,5–2% béo), yogurt gầy (≤0,5% béo). Phạm vi biến động chất béo trong sản phẩm là 0–10%, thông thường 0,5–3,5%.
  • Hương vị: tự nhiên, trái cây (dạng purée), bổ sung hương liệu và chất màu.

Giá trị dinh dưỡng của sữa chua được dẫn theo thành phần trong 100g: khoảng 100 Kcal, chất đường 15,4g, chất đạm 3,1g, chất béo 3g, canxi và các vitamin. Các lợi ích sức khỏe được nêu gồm: cung cấp men vi sinh có ích, hỗ trợ giảm vòng eo (giảm 22% kích cỡ vòng eo khi kết hợp cắt giảm calo), cung cấp kali, riboflavin, phốt pho, iốt, kẽm, vitamin B5 và B12, hỗ trợ ngăn ngừa cao huyết áp.

Chương II — Nội dung chính

Đây là chương trọng tâm, bao gồm bốn nội dung lớn:

Tổng quan nguyên liệu trình bày đặc điểm lý hóa của sữa bò tươi (pH 6,5–6,7 ở 20°C; độ chua 15–18°D; tỷ trọng 1,028–1,036; điểm đông đặc -0,54 đến -0,59°C), thành phần hóa học của 1.000ml sữa bò (nước 85–89%, chất khô 11–15%, chất béo 2,9–5,0%, casein 2,5–4,0%, carbonhydrate 4,5–5,0%), hệ vi sinh vật trong sữa (vi khuẩn lactic, coliforms, Clostridium, Propionibacterium, vi khuẩn gây thối như Pseudomonas fluorescens, nấm men và nấm sợi). Hai chủng giống sản xuất chính là Streptococcus thermophilus (phát triển tốt ở 45–50°C) và Lactobacillus bulgaricus (phát triển tốt ở 50°C, sinh sản tốt ở 37–45°C), cộng sinh với tỷ lệ cầu khuẩn:trực khuẩn thường là 1:1 hoặc 1:2.

Tiêu chuẩn nguyên liệu chính và phụ được đối chiếu theo từng TCVN tương ứng. Đáng chú ý: sữa bột gầy theo TCVN 7979:2013 yêu cầu hàm lượng chất béo tối đa 1,5%, hàm lượng nước tối đa 5%, protein tối thiểu 34% trong chất khô không béo. Đường tinh luyện theo TCVN 6958:2001 yêu cầu độ Pol ≥99,80°Z, hàm lượng đường khử ≤0,03%, độ màu ≤30 đơn vị ICUMSA.

Quy trình sản xuất được thuyết minh chi tiết qua 11 công đoạn nối tiếp:

  1. Lọc lần 1 — loại tạp chất kích thước lớn, thực hiện hai giai đoạn (lọc kim loại và lọc vải/ly tâm).
  2. Chuẩn hóa — hiệu chỉnh hàm lượng chất béo (0,5–3,5%) và hàm lượng chất khô SNF; theo Bourgeois và Larpent (1989) tổng chất khô tối ưu 14–16%; phương pháp: cô đặc giảm 10–20% thể tích hoặc bổ sung bột sữa gầy >3% khối lượng hoặc siêu lọc membrane.
  3. Trộn hòa tan — nhiệt độ phối trộn 40–45°C, dùng thùng phối trộn cánh khuấy.
  4. Lọc lần 2 — lọc cơ học qua bộ phận lọc ống, kích thước lỗ lọc 250 μm.
  5. Bài khí — nhiệt độ 70°C, áp suất chân không khoảng 584 mmHg; thiết bị ống lồng ống hoặc bản mỏng.
  6. Đồng hóa — áp lực 200–250 bar, nhiệt độ 65–70°C; đồng hóa toàn phần (1 hoặc 2 cấp) hoặc một phần.
  7. Thanh trùng — 90–95°C trong 3–5 phút; thiết bị trao đổi nhiệt bản mỏng hoặc ống lồng ống; mục đích tiêu diệt vi sinh vật và làm biến tính β-lactoglobulin để cải thiện cấu trúc khối đông.
  8. Làm nguội — hạ về 42–46°C bằng vỉ trao đổi nhiệt.
  9. Cấy giống vi khuẩn lactic — tỷ lệ cấy tối thiểu 0,5%, tối đa 7% (v/v); hoạt hóa giống ở 43°C trên môi trường chất khô 9–12%, kết thúc khi độ chua canh trường đạt 85–90°D; bảo quản giống dưới 6 giờ ở 10–12°C, trên 6 giờ ở 5°C.
  10. Lên men — khuấy — làm lạnh — lên men ở 42–43°C trong bioreactor có điều khiển tự động nhiệt độ và pH; sau khi hình thành khối đông, khuấy phá vỡ một phần rồi làm lạnh ở 4–6°C; bổ sung hương liệu, purée trái cây ở 43–45°C trước khi rót.
  11. Chiết rót và bảo quản — rót vô trùng, mỗi hộp 100g; bao bì nhựa (sữa chua đặc) hoặc giấy (sữa chua uống); bảo quản 2–4°C tối thiểu 6 giờ trước khi phân phối; thời hạn bảo quản 20–30 ngày ở 2–5°C.

Các yếu tố ảnh hưởng được phân tích riêng cho từng công đoạn: chuẩn hóa, hiệu chỉnh SNF (ảnh hưởng của nhiệt độ sôi, độ nhớt, tạo bọt, lôi cuốn chất khô), siêu lọc membrane (vật liệu membrane, cấu trúc bề mặt, đường kính mao dẫn, nhiệt độ, áp lực, tốc độ dòng), bài khí (nhiệt độ và áp lực chân không), đồng hóa (nhiệt độ 55–80°C thích hợp, áp suất 100–250 bar).

Chương III — Tính toán cân bằng vật chất

Chương này xác định các thông số ban đầu, thông số qua từng công đoạn, thông số sản phẩm và tính toán theo đơn vị sản phẩm nhằm xác định lượng nguyên liệu đầu vào cần thiết để đạt năng suất 6 tấn/ngày.

Chương IV — Lựa chọn thiết bị sản xuất

Trên cơ sở kết quả cân bằng vật chất, tác giả lựa chọn và xác định quy cách các thiết bị chính trong dây chuyền sản xuất tương ứng với từng công đoạn đã thuyết minh.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính:

  • Hoàn thiện sơ đồ khối và sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất sữa chua dạng khuấy ở quy mô 6 tấn/ngày với đầy đủ 11 công đoạn từ sữa tươi nguyên liệu đến sản phẩm bảo quản lạnh.
  • Xác định thông số kỹ thuật cụ thể cho từng công đoạn: thanh trùng 90–95°C/3–5 phút, đồng hóa 200–250 bar/65–70°C, lên men 42–43°C, làm lạnh 4–6°C, chiết rót 100g/hộp, bảo quản 2–5°C/20–30 ngày.
  • Tiêu chuẩn hóa nguyên liệu đầu vào và sản phẩm đầu ra theo hệ thống TCVN: độ axit sản phẩm 75–140°T, hàm lượng chất khô không béo ≥8,2%, hàm lượng chất béo phân loại theo ba nhóm (>2%, 0,5–2%, <0,5%).
  • Hoàn thành tính toán cân bằng vật chất và lựa chọn thiết bị phù hợp với năng suất thiết kế.

Kiến nghị kỹ thuật được nêu:

Tùy theo nguồn nguyên liệu và thiết bị sẵn có, nhà sản xuất có thể lựa chọn linh hoạt giữa các phương pháp hiệu chỉnh SNF (cô đặc, bổ sung bột sữa gầy, siêu lọc membrane). Tỷ lệ giống cấy được khuyến nghị điều chỉnh trong khoảng 0,5–7% tùy hoạt tính chủng và yêu cầu chất lượng sản phẩm.

Đóng góp so với nghiên cứu trước: Đồ án hệ thống hóa toàn bộ quy trình sản xuất sữa chua dạng khuấy theo tiêu chuẩn TCVN hiện hành, tích hợp cả phần phân tích các yếu tố ảnh hưởng kỹ thuật và tính toán cân bằng vật chất ở quy mô công nghiệp xác định (6 tấn/ngày), phù hợp với điều kiện sản xuất thực tế tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Đồ án không đề cập đến thử nghiệm thực tế trên dây chuyền sản xuất, do đó các thông số kỹ thuật chủ yếu dựa vào tài liệu lý thuyết và tiêu chuẩn, chưa được kiểm chứng bằng số liệu thực nghiệm tại nhà máy. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở sữa chua dạng khuấy, chưa bao quát các dạng sản phẩm khác như yogurt truyền thống (set type), yogurt uống hay yogurt cô đặc. Các chỉ tiêu kinh tế (chi phí đầu tư, giá thành sản xuất) và bố trí mặt bằng nhà máy không được trình bày trong phạm vi đồ án này. Hướng mở tiếp theo có thể bao gồm thực nghiệm kiểm chứng thông số lên men với các tỷ lệ giống và nhiệt độ khác nhau, hoặc mở rộng sang quy trình sản xuất yogurt uống hay yogurt bổ sung probiotic theo xu hướng thị trường hiện nay.

Giá trị tham khảo

Đồ án phù hợp cho các đối tượng sau:

  • Sinh viên ngành Công nghệ Thực phẩm ở bậc đại học đang thực hiện đồ án về công nghệ sản xuất sữa và các sản phẩm sữa lên men; có thể tham khảo phần thuyết minh quy trình, bảng tiêu chuẩn nguyên liệu và sản phẩm, cũng như phương pháp tính toán cân bằng vật chất.
  • Sinh viên thực hiện đề tài về vi sinh vật thực phẩm có thể tham khảo phần phân tích đặc tính và cơ chế cộng sinh của S. thermophilus và L. bulgaricus, vai trò của từng chủng trong hình thành hương vị và cấu trúc sản phẩm.
  • Người học ngành Quản lý chất lượng thực phẩm có thể tham khảo hệ thống tiêu chuẩn TCVN áp dụng cho từng loại nguyên liệu và sản phẩm sữa chua được tổng hợp có hệ thống.
  • Người làm đề tài thiết kế nhà máy thực phẩm có thể tham khảo phương pháp chọn thiết bị và cách trình bày sơ đồ công nghệ.

Phần đáng tham khảo nhất là mục thuyết minh quy trình (mục 2.4) với thông số kỹ thuật cụ thể của từng công đoạn và mục phân tích các yếu tố ảnh hưởng (mục 2.5), vì hai phần này cung cấp cơ sở lý luận để hiểu tại sao mỗi thông số được lựa chọn.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án lựa chọn sản xuất sữa chua dạng khuấy (stirred type) thay vì dạng truyền thống (set type)?

Đồ án không trình bày lý do lựa chọn dạng khuấy một cách tường minh, nhưng quy trình được thuyết minh xác nhận đây là yogurt dạng khuấy: sau khi hình thành khối đông trong bioreactor, cánh khuấy được kích hoạt để phá vỡ khối đông một phần, sau đó sản phẩm được làm lạnh ở 4–6°C trước khi chiết rót vào hộp 100g.

2. Tỷ lệ cấy giống vi khuẩn và điều kiện hoạt hóa giống là bao nhiêu?

Tỷ lệ cấy tối thiểu là 0,5% và tối đa là 7% (v/v). Trước khi cấy, giống được hoạt hóa trên môi trường sữa gầy có hàm lượng chất khô 9–12%, môi trường được thanh trùng ở 90–95°C trong 30–45 phút, hoạt hóa duy trì ở 43°C cho đến khi độ chua canh trường đạt 85–90°D.

3. Tiêu chuẩn vi sinh vật của sản phẩm sữa chua thành phẩm quy định những chỉ tiêu nào?

Theo TCVN 7030:2002, sản phẩm không xử lý nhiệt yêu cầu: tổng số vi sinh vật hiếu khí ≤10⁴ khuẩn lạc/g; nhóm coliform ≤10 vi khuẩn/g; Staphylococcus aureus, E. coli, Salmonella đều bằng 0; nấm men và nấm mốc ≤10 khuẩn lạc/g. Sản phẩm đã xử lý nhiệt yêu cầu tất cả các chỉ tiêu vi sinh đều bằng 0, trừ tổng vi sinh vật hiếu khí ≤10 khuẩn lạc/g.

4. Thông số kỹ thuật của giai đoạn bài khí và lý do phải duy trì áp suất chân không khoảng 584 mmHg là gì?

Bài khí thực hiện ở nhiệt độ 70°C và áp suất chân không khoảng 584 mmHg. Lý do kiểm soát áp suất ở mức này là: nếu áp suất chân không quá lớn, một phần hơi nước chưa kịp ngưng tụ sẽ bị tách cùng chất khí, gây giảm thể tích sữa và tăng chi phí năng lượng; ngược lại áp suất quá nhỏ sẽ không đủ để tách hết khí hòa tan.

5. Tại sao nhiệt độ thanh trùng được chọn ở 90–95°C trong 3–5 phút thay vì chế độ nhiệt độ thấp hơn?

Chế độ 90–95°C/3–5 phút nhằm đồng thời đạt hai mục đích: tiêu diệt/ức chế vi sinh vật và enzyme trong sữa, đồng thời làm biến tính β-lactoglobulin (thành phần chính của whey protein). Theo Bylund Gosta (1995), β-lactoglobulin sau khi biến tính sẽ tương tác với κ-casein trong cấu trúc micelle, giúp khối đông hình thành với cấu trúc ổn định hơn và hạn chế tách huyết thanh trong quá trình bảo quản yogurt.

Kết luận

Đồ án "Tìm hiểu quy trình công nghệ sản xuất sữa chua 6 tấn/ngày" cung cấp mô tả kỹ thuật toàn diện về quy trình sản xuất sữa chua dạng khuấy ở quy mô công nghiệp, bao gồm 11 công đoạn từ tiếp nhận sữa tươi đến bảo quản thành phẩm với các thông số vận hành xác định, đối chiếu theo hệ thống tiêu chuẩn TCVN hiện hành. Tính toán cân bằng vật chất và lựa chọn thiết bị được thực hiện trên cơ sở năng suất thiết kế 6 tấn/ngày, phù hợp với quy mô nhà máy chế biến sữa vừa tại Việt Nam. Đồ án có giá trị tham khảo thiết thực cho sinh viên ngành Công nghệ Thực phẩm trong việc hệ thống hóa kiến thức về công nghệ sữa lên men và phương pháp thiết kế quy trình sản xuất theo tiêu chuẩn kỹ thuật.