Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp chế biến sữa, sữa chua là sản phẩm lên men truyền thống có giá trị dinh dưỡng cao, cung cấp protein chất lượng cao, các khoáng chất thiết yếu và hệ vi khuẩn sinh axit lactic có lợi cho đường tiêu hóa. Cùng với xu hướng phát triển thực phẩm chức năng và thực phẩm "nhãn sạch" (clean label), người tiêu dùng ngày càng quan tâm đến các sản phẩm giàu protein tự nhiên nhằm tăng cảm giác no, hỗ trợ quản lý cân nặng và hạn chế sử dụng phụ gia hóa học.

Song song đó, ngành dệt may tơ tằm thải ra một lượng lớn protein sericin trong công đoạn khử keo (degumming) của vỏ kén tằm Bombyx mori. Sericin chiếm khoảng 20–30% khối lượng kén khô. Khi bị xả thải trực tiếp vào nguồn nước, sericin làm tăng nhu cầu oxy hóa học và sinh học, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng dù đây là nguồn protein tự nhiên có nhiều hoạt tính sinh học quý giá như khả năng giữ ẩm, chống oxy hóa, kháng khuẩn và hỗ trợ đường tiêu hóa. Tại Việt Nam, nguồn phế phụ phẩm kén tằm tại các địa phương trồng dâu nuôi tằm như Nam Định, Lâm Đồng rất dồi dào nhưng các nghiên cứu ứng dụng sericin vào chế biến thực phẩm còn hạn chế. Do đó, việc nghiên cứu tận dụng protein sericin trích ly từ vỏ kén tằm để bổ sung vào sữa chua nhằm nâng cao giá trị dinh dưỡng, cải thiện cấu trúc và gia tăng hoạt tính sinh học là vấn đề có tính cấp thiết thực tiễn.

Khóa luận xác định các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể như sau:

  1. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ bổ sung sericin, tỉ lệ đường, tỉ lệ sữa bột nguyên kem, nhiệt độ lên men và tỉ lệ giống cấy đến chất lượng và động học quá trình lên men sữa chua.
  2. Đánh giá sự thay đổi chất lượng của sản phẩm sữa chua bổ sung sericin theo thời gian bảo quản ở hai điều kiện nhiệt độ khác nhau (nhiệt độ thường 25–30 °C và nhiệt độ lạnh 4–6 °C).
  3. Đánh giá ảnh hưởng của sericin đến khả năng sinh trưởng và phát triển của hệ vi khuẩn lên men lactic.
  4. Hoàn thiện thông số kỹ thuật cho quy trình công nghệ sản xuất sữa chua có bổ sung protein sericin từ kén tằm.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Sữa chua lên men bởi hệ vi khuẩn khởi động cộng sinh gồm Streptococcus thermophilus và Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus (chủng thương mại YF-L812 của hãng CHR. Hansen), được bổ sung dịch protein sericin trích ly từ vỏ kén tằm Bombyx mori thu nhận tại Nam Định, Việt Nam.
  • Phạm vi nghiên cứu: Các thí nghiệm công nghệ, phân tích hóa lý, vi sinh và đánh giá cảm quan được thực hiện tại hệ thống phòng thí nghiệm thuộc 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.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết và nguyên liệu nghiên cứu

Nghiên cứu dựa trên cơ chế lên men lactic đồng hình của vi khuẩn S. thermophilus và L. bulgaricus. Vi khuẩn chuyển hóa đường lactose thành axit lactic, làm giảm pH môi trường; khi pH đạt điểm đẳng điện của casein (hạt caseinate mất ổn định ở pH 5.2 và đông tụ hoàn toàn ở pH 4.6), mạng lưới gel protein sữa được hình thành.

Về mặt hóa học, protein sericin từ kén tằm Bombyx mori là một glycoprotein phân cực, tan trong nước, có khối lượng phân tử dao động từ 20 đến 400 kDa. Sericin chứa khoảng 18 loại axit amin, trong đó hàm lượng axit amin có gốc phân cực chiếm 42.3% (đặc biệt là serine chiếm trên 30%, axit aspartic và glycine). Chuỗi polypeptide của sericin chứa nhiều nhóm chức hydroxyl (-OH), tạo khả năng liên kết hydro mạnh với nước và tương tác tốt với protein sữa, đồng thời có cấu trúc cuộn ngẫu nhiên (random coil) dễ chuyển dịch sang phiến gấp nếp beta ($\beta$-sheet).

Loại nguyên liệu / Hóa chất Xuất xứ / Nhà cung cấp Mục đích sử dụng
Vỏ kén tằm Bombyx mori Nam Định, Việt Nam Nguồn trích ly protein sericin
Sữa tươi nguyên chất không đường Công ty CP Sữa TH True Milk (Việt Nam) Môi trường nền sản xuất sữa chua
Sữa bột nguyên kem New Zealand Bổ sung chất khô tổng số, tăng độ bền gel
Đường saccaroza Công ty TNHH MTV Đường TTC Biên Hòa Điều vị, cung cấp cơ chất
Men giống YF-L812 CHR. Hansen (Đan Mạch) Lên men lactic (S. thermophilus, L. bulgaricus)
Bột gelatin Bloom A250 Weishardt International (Pháp) Mẫu đối chứng tạo gel
Thuốc thử Folin-Ciocalteu, BSA Ấn Độ Định lượng protein sericin theo phương pháp Lowry
DPPH (1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl) Anh Xác định hoạt tính kháng oxy hóa
Môi trường MRS broth và MRS agar Ấn Độ Định lượng vi khuẩn sinh axit lactic (LAB)
Môi trường Plate Count Agar (PCA) Ấn Độ Định lượng vi sinh vật hiếu khí tổng số

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

  1. Quy trình chiết tách sericin từ vỏ kén tằm:

    • Chuẩn bị: Kén tằm được phân loại, loại bỏ tạp chất bẩn, cắt nhỏ thành các mảnh 1–2 mm nhằm tăng diện tích tiếp xúc pha.
    • Ngâm: Ngâm mảnh kén trong nước cất với tỉ lệ 1 g kén : 30 mL nước cất, nhiệt độ phòng (25–30 °C), thời gian 3.5 giờ để hòa tan sơ bộ phân đoạn sericin tự do.
    • Trích ly nhiệt: Tiến hành đun sôi hồi lưu ở 100 °C trong 30 phút bằng tác nhân nhiệt vật lý thuần túy (không sử dụng hóa chất kiềm hay axit nhằm đảm bảo độ tinh khiết cho thực phẩm).
    • Lọc tách: Dùng giấy lọc Newstar đường kính 12.5 cm (kích thước lỗ lọc 20–25 $\mu$m) để loại bỏ hoàn toàn bã xơ fibroin không tan, thu dịch sericin hòa tan.

  2. Phương pháp phân tích hóa lý và vi sinh:

    • Định lượng protein sericin: Phương pháp Lowry, đo độ hấp thụ quang trên máy quang phổ UV-VIS hai chùm tia Hitachi UH-5300 tại bước sóng thích hợp, xây dựng đường chuẩn với albumin huyết thanh bò (BSA).
    • Định lượng protein sữa tươi, sữa bột và sữa chua: Phương pháp Kjeldahl sử dụng hệ thống cất đạm bán tự động BUCHI.
    • Định lượng chất béo: Phương pháp chiết Soxhlet bằng dung môi hữu cơ.
    • Độ tách nước (Whey separation/Syneresis): Phương pháp ly tâm mẫu sữa chua trên máy ly tâm Hermle Z366 và cân khối lượng dịch tách lớp.
    • Đo độ nhớt: Sử dụng máy đo lưu biến Haake RheoStress (Đức).
    • Xác định hoạt tính dập tắt gốc tự do: Phương pháp DPPH, so sánh độ suy giảm mật độ quang với vitamin C (axit ascorbic).
    • Mật độ vi sinh vật: Đếm khuẩn lạc LAB trên đĩa thạch MRS agar (ủ kỵ khí) và tổng vi sinh vật hiếu khí trên thạch PCA (ủ ở 37 °C) theo Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN).
    • Đánh giá cảm quan: Sử dụng phép thử thị hiếu theo thang điểm Hedonic để ghi nhận mức độ ưa thích về màu sắc, mùi, vị, trạng thái và điểm chung của sản phẩm.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Mở đầu

Chương này thiết lập tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ nhu cầu thực tế về dòng sản phẩm sữa lên men giàu dinh dưỡng, ít chất phụ gia tổng hợp, kết hợp với việc giải quyết bài toán môi trường và kinh tế tuần hoàn trong ngành tơ tằm. Tác giả xác định rõ các mục tiêu cần đạt, đối tượng nghiên cứu gồm kén tằm Nam Định và men giống vi khuẩn lactic công nghiệp, giới hạn phạm vi tại phòng thí nghiệm chuyên ngành, làm rõ ý nghĩa khoa học về tương tác của sericin trong cấu trúc gel sữa và ý nghĩa thực tiễn trong chế biến sản phẩm sữa chức năng.

Chương 2: Tổng quan

Chương 2 tổng hợp hệ thống lý luận từ các công bố quốc tế và trong nước về 4 nhóm nội dung chính:

  • Tổng quan sữa chua: Lịch sử, lợi ích đối với hội chứng ruột kích thích (IBS), khả năng ức chế vi khuẩn gây bệnh (Salmonella, Shigella, E. coli) thông qua bacteriocin (bulgarican) và axit hữu cơ; phân loại sữa chua theo TCVN 7030:2002 dựa trên hàm lượng chất béo (nguyên béo >2%, tách béo một phần 0.5–2%, gầy <0.5%).
  • Cấu trúc và tính chất kén tằm: Phân tích sợi tơ gồm lõi kép fibroin (chiếm trên 70%) liên kết với lớp phủ ngoài sericin (chiếm 20–30%). Sericin có thành phần gồm 3 phân đoạn A, B và C phân biệt bởi độ tan và hàm lượng nitơ (sericin A chứa 17.2% N, sericin B chứa 16.8% N).
  • Hoạt tính sinh học của sericin: Khả năng chống oxy hóa do ức chế peroxy hóa lipid và enzym tyrosinase, tính năng kháng khuẩn Gram âm (E. coli) và Gram dương (S. aureus), khả năng giữ nước cao và hỗ trợ sinh trưởng tế bào.
  • Đánh giá tình hình nghiên cứu: Chỉ ra khoảng trống nghiên cứu khi các công bố trong nước trước đó mới dừng lại ở việc tách chiết sericin ứng dụng cho mỹ phẩm (Lê Hồng Vân et al., 2022) hoặc bổ sung các nguồn protein khác như đậu Lima (Phạm Thị Hoàn et al., 2023), khẳng định đây là nghiên cứu đầu tiên tại Việt Nam ứng dụng protein sericin từ vỏ kén tằm vào sữa chua.

Chương 3: Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu

Trình bày chi tiết toàn bộ danh mục nguyên liệu, chủng giống vi sinh, hóa chất tinh khiết và hệ thống thiết bị đo đạc đạt chuẩn (như máy cất đạm BUCHI, máy đo lưu biến RheoStress, máy quang phổ UV-VIS Hitachi). Thiết lập tường minh sơ đồ công nghệ trích ly sericin bằng nước cất ở 100 °C trong 30 phút và quy trình phối chế sản xuất sữa chua. Mô tả chi tiết ma trận bố trí thí nghiệm đơn yếu tố (tỉ lệ sericin, đường, sữa bột, giống cấy, nhiệt độ) cùng các quy trình thao tác chuẩn (SOP) cho từng chỉ tiêu phân tích hóa lý, sinh học và phương pháp phân tích thống kê ANOVA để xử lý số liệu thí nghiệm.

Chương 4: Kết quả và bàn luận

Chương 4 là phần nội dung thực nghiệm trọng tâm, thể hiện qua các chuỗi kết quả:

  • Thành phần hóa học nguyên liệu: Xác định các chỉ tiêu độ ẩm, protein, chất béo, tro của sữa tươi, sữa bột và dịch chiết sericin.
  • Ảnh hưởng của tỉ lệ sericin (từ 0 đến các dải nồng độ nghiên cứu, so sánh với mẫu đối chứng CS không sericin/không gelatin và mẫu đối chứng DC2 chứa 1% gelatin): Bổ sung sericin giúp rút ngắn thời gian lên men đạt pH 4.6, gia tăng hàm lượng protein tổng số, tăng khả năng kháng oxy hóa dập tắt gốc tự do DPPH và tăng khả năng giữ nước (giảm độ tách nước).
  • Khảo sát các thông số công nghệ:
    • Tỉ lệ đường: Ảnh hưởng trực tiếp đến áp suất thẩm thấu của môi trường, thời gian lên men, độ nhớt và độ ưa thích cảm quan.
    • Tỉ lệ sữa bột: Tăng hàm lượng chất khô không béo, tăng hàm lượng protein, làm tăng độ nhớt và giảm đáng kể hiện tượng tách nước whey.
    • Nhiệt độ lên men: Nhiệt độ tối ưu kích thích hoạt tính sinh axit của cặp vi khuẩn cộng sinh S. thermophilus và L. bulgaricus.
    • Tỉ lệ giống cấy: Điều chỉnh tốc độ sinh axit lactic và thời gian hoàn tất quá trình đông tụ gel.
  • Khảo sát quá trình bảo quản: Đánh giá độ biến thiên pH, sự biến đổi điểm cảm quan, sự biến động của mật độ tế bào LAB sống và khả năng kiểm soát vi sinh vật hiếu khí ở 25–30 °C so với 4–6 °C.
  • Tác động sinh học: Chứng minh sericin kích thích sự sinh trưởng của vi khuẩn lactic, thể hiện qua đường cong sinh trưởng của mẫu bổ sung sericin (SS) vượt trội hơn mẫu đối chứng (CS).

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

Tổng kết các giá trị thông số công nghệ tối ưu của quy trình sản xuất, công bố các chỉ tiêu chất lượng của thành phẩm sữa chua sericin và đề xuất các khuyến nghị nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Kết quả định lượng của khóa luận

Qua quá trình tối ưu hóa các thông số lên men, nghiên cứu đã xác định được bộ thông số công nghệ thích hợp cho quy trình chế biến sữa chua bổ sung protein sericin:

Thông số công nghệ Giá trị thích hợp được xác lập
Nồng độ dịch protein sericin bổ sung 2.2 mg/mL
Tỉ lệ đường bổ sung 9% (w/v)
Tỉ lệ sữa bột nguyên kem bổ sung 6% (w/v)
Nhiệt độ lên men 40 °C
Tỉ lệ men giống (S. thermophilus & L. bulgaricus) 0.020% (w/v)

Các chỉ tiêu chất lượng của thành phẩm sữa chua sericin sau quá trình lên men:

  • Động học lên men: Quá trình lên men đạt điểm dừng ở pH 4.2 trong thời gian lên men thích hợp, tạo khối đông gel mịn đồng nhất.
  • Hàm lượng protein tổng số: Đạt 3.44%, đáp ứng yêu cầu chất lượng dinh dưỡng theo quy chuẩn kỹ thuật.
  • Đánh giá cảm quan: Điểm ưa thích chung đạt mức trung bình 7 điểm trên thang đo cảm quan thị hiếu, có cấu trúc bề mặt bóng mịn, vị chua ngọt hài hòa và không còn mùi lạ của kén tằm.
  • Đặc tính hóa lý và vi sinh: Sản phẩm có độ tách nước thấp, độ nhớt ổn định; sericin thể hiện rõ vai trò thúc đẩy đường cong sinh trưởng và duy trì mật độ vi khuẩn lactic (LAB) cao hơn so với mẫu đối chứng không có sericin (CS).
  • Khả năng bảo quản: Ở nhiệt độ bảo quản lạnh (4–6 °C), sản phẩm duy trì được cấu trúc gel, hạn chế sự giảm sâu của pH và kiểm soát tốt mật độ vi sinh vật hiếu khí tổng số so với bảo quản ở nhiệt độ thường (25–30 °C).

Giải pháp và kiến nghị của tác giả

  • Tác giả đề xuất quy trình trích ly sericin hoàn toàn bằng phương pháp vật lý (ngâm nước cất 3.5 giờ, đun 100 °C trong 30 phút, lọc qua giấy lọc 20–25 $\mu$m). Phương pháp này loại bỏ việc sử dụng hóa chất (như $Na_2CO_3$, dung môi kiềm), tạo ra nguồn phụ gia sinh học an toàn cho người sử dụng.
  • Đề xuất hoàn thiện quy trình công nghệ chuẩn hóa sản xuất sữa chua bổ sung sericin quy mô phòng thí nghiệm, có thể làm cơ sở ứng dụng ở quy mô sản xuất lớn hơn.

Đóng góp mới của đề tài

  • Là công trình nghiên cứu đầu tiên tại Việt Nam chứng minh tính khả thi của việc ứng dụng protein sericin trích ly từ vỏ kén tằm làm thành phần chức năng trong sản xuất sữa chua.
  • Cung cấp dữ liệu thực nghiệm về mối tương quan giữa nồng độ sericin đối với độ nhớt, độ tách nước, khả năng kháng oxy hóa (DPPH) và sự phát triển của hệ men vi khuẩn lactic trong nền thực phẩm lên men từ sữa.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận được thực hiện trong phạm vi nghiên cứu thực nghiệm tại phòng thí nghiệm của Bộ môn Công nghệ Thực phẩm, do đó tồn tại một số giới hạn kỹ thuật được ghi nhận:

  • Phạm vi trích ly: Nghiên cứu mới khảo sát quy trình trích ly sericin bằng nước cất ở một điều kiện cố định (100 °C, 30 phút), chưa khảo sát so sánh sâu các phương pháp trích ly tiên tiến khác (như hỗ trợ siêu âm, áp suất cao) nhằm nâng cao hiệu suất thu hồi sericin từ vỏ kén.
  • Quy mô thử nghiệm: Toàn bộ quá trình lên men và đánh giá được thực hiện ở quy mô mẻ nhỏ trong phòng thí nghiệm; chưa mở rộng đánh giá các chỉ tiêu lưu biến phức tạp trên thiết bị sản xuất bán công nghiệp hoặc công nghiệp.
  • Thời gian theo dõi bảo quản: Thử nghiệm bảo quản mới dừng lại ở các mốc thời gian cơ bản để so sánh nhiệt độ thường và nhiệt độ lạnh, cần có thêm nghiên cứu đánh giá hạn sử dụng thực tế (shelf-life) kéo dài và sự suy giảm hoạt tính chống oxy hóa trong suốt chu kỳ phân phối sản phẩm.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận tốt nghiệp này có giá trị học thuật và thực tiễn đối với:

  • Sinh viên, học viên chuyên ngành Công nghệ Thực phẩm, Công nghệ Sau thu hoạch, Kỹ thuật Hóa học và Công nghệ Sinh học: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về phương pháp bố trí thí nghiệm tối ưu hóa sản phẩm sữa lên men, phương pháp chiết tách protein tự nhiên không dùng hóa chất và hệ thống các phép phân tích đánh giá chất lượng sữa chua (Lowry, Kjeldahl, đo lưu biến, ly tâm đo syneresis, DPPH).
  • Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp chế biến thực phẩm: Cung cấp thông số kỹ thuật thực nghiệm để phát triển các dòng sản phẩm "nhãn sạch", thay thế phụ gia tạo gel/giữ ẩm tổng hợp bằng protein sericin.
  • Ngành dâu tằm tơ: Đóng góp giải pháp công nghệ giá trị gia tăng nhằm tận dụng phụ phẩm kén tằm, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và thúc đẩy kinh tế tuần hoàn cho các làng nghề nuôi tằm tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp trích ly protein sericin từ vỏ kén tằm trong nghiên cứu có sử dụng hóa chất không?
Không. Tác giả áp dụng quy trình chiết tách thuần túy bằng tác nhân vật lý: cắt nhỏ vỏ kén tằm 1–2 mm, ngâm nước cất theo tỉ lệ 1 g kén : 30 mL nước trong 3.5 giờ ở nhiệt độ 25–30 °C, sau đó trích ly nhiệt ở 100 °C trong 30 phút và lọc qua giấy lọc Newstar (20–25 $\mu$m). Phương pháp này đảm bảo dịch protein sericin thu được có độ an toàn sinh học cao, không chứa tồn dư hóa chất kiềm, phù hợp làm nguyên liệu cho chế biến thực phẩm.

2. Bộ thông số công nghệ thích hợp nhất để sản xuất sữa chua sericin được xác định là bao nhiêu?
Các thông số tối ưu được thực nghiệm xác lập gồm: tỉ lệ bổ sung dịch sericin 2.2 mg/mL, tỉ lệ đường saccaroza 9%, tỉ lệ sữa bột nguyên kem 6%, nhiệt độ lên men 40 °C và tỉ lệ men giống cấy ban đầu là 0.020%.

3. Sản phẩm sữa chua sau khi tối ưu hóa đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật nào?
Sữa chua hoàn thiện đạt giá trị pH kết thúc lên men là 4.2, hàm lượng protein tổng số đạt 3.44%, điểm đánh giá cảm quan thị hiếu trung bình đạt mức 7 điểm, đồng thời duy trì mật độ vi khuẩn lactic (LAB) cao và giảm độ tách nước của hệ gel.

4. Bổ sung sericin có tác động như thế nào đến vi khuẩn sinh axit lactic trong sữa chua?
Kết quả khảo sát đường cong sinh trưởng cho thấy sericin đóng vai trò như một yếu tố kích thích sinh trưởng đối với hệ vi khuẩn lactic (S. thermophilus và L. bulgaricus). Mẫu có bổ sung sericin (SS) cho mật độ tế bào vi khuẩn cao hơn và tốc độ phát triển nhanh hơn so với mẫu đối chứng không bổ sung (CS).

5. Sản phẩm sữa chua bổ sung sericin bảo quản ở điều kiện nào cho chất lượng tốt nhất?
Sản phẩm đạt chất lượng ổn định nhất khi được bảo quản ở điều kiện nhiệt độ lạnh từ 4–6 °C. Tại điều kiện này, tốc độ biến đổi pH diễn ra chậm, mật độ vi khuẩn LAB có ích được duy trì ổn định, hạn chế tối đa sự phát triển của vi sinh vật hiếu khí và giữ được cấu trúc cảm quan tốt hơn nhiều so với điều kiện bảo quản ở nhiệt độ phòng (25–30 °C).

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Hoàng Tú Anh và Nguyễn Thị Mai Phương đã nghiên cứu thành công việc ứng dụng protein sericin từ kén tằm Nam Định vào sản phẩm sữa chua lên men bởi S. thermophilus và L. bulgaricus. Bằng phương pháp thực nghiệm khoa học, đề tài đã xác lập được bộ thông số công nghệ tối ưu (sericin 2.2 mg/mL, 9% đường, 6% sữa bột, 40 °C, giống 0.020%) cho ra sản phẩm đạt pH 4.2, protein 3.44% và cảm quan đạt mức 7 điểm. Công trình không chỉ cung cấp quy trình sản xuất thực phẩm giàu protein có hoạt tính chống oxy hóa mà còn mở ra hướng đi bền vững trong việc tận dụng phế phụ phẩm của ngành tơ tằm Việt Nam.