Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sữa và các chế phẩm từ sữa là nguồn thực phẩm có giá trị dinh dưỡng cao, cung cấp protein, lipid, đường lactose, vitamin và các khoáng chất cần thiết cho cơ thể con người. Trong giai đoạn 2008–2010, ngành công nghiệp chế biến sữa tại Việt Nam ghi nhận tốc độ tăng trưởng sản lượng bình quân 27,2%/năm, tuy nhiên mức tiêu thụ bình quân đầu người chỉ đạt khoảng 12,0–12,3 kg/người/năm, mới đáp ứng được khoảng 22% nhu cầu tiêu dùng nội địa. Cùng với sự phát triển của các doanh nghiệp chế biến quy mô lớn như Vinamilk, Dutch Lady, Hanoimilk, IDP, các dòng sản phẩm sữa lên men—đặc biệt là sữa chua—ngày càng được ưa chuộng nhờ hương vị đặc trưng và giá trị hỗ trợ tiêu hóa (bổ sung vi khuẩn sinh axit lactic, tăng cường hấp thu khoáng chất và ức chế vi sinh vật gây hại đường ruột).

Nhằm tạo ra sự khác biệt về cấu trúc, đa dạng hóa chủng loại sản phẩm và nâng cao trải nghiệm thưởng thức cho người tiêu dùng, đề tài “Nghiên cứu xây dựng quy trình sản xuất sữa chua thạch” được thực hiện nhằm kết hợp đặc tính lên men truyền thống của sữa với khả năng tạo gel của bột rau câu.

Mục tiêu nghiên cứu:

  • Xây dựng hoàn thiện quy trình công nghệ sản xuất sữa chua thạch đạt chất lượng tốt, cấu trúc ổn định, góp phần đa dạng hóa mặt hàng chế biến từ sữa.

Nhiệm vụ nghiên cứu (theo văn bản):

  1. Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ (tỷ lệ bột rau câu bổ sung, tỷ lệ giống men bổ sung, nhiệt độ lên men) đến thời gian lên men và chất lượng cảm quan của sản phẩm.
  2. Xây dựng quy trình sản xuất sữa chua thạch hoàn chỉnh trên quy mô phòng thí nghiệm.
  3. Phân tích các chỉ tiêu chất lượng của sản phẩm sữa chua thạch thành phẩm.
  4. Tính toán sơ bộ chi phí nguyên liệu và giá thành sản phẩm trên quy mô phòng thí nghiệm.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Sữa tươi Mộc Châu, sữa đặc có đường, bột rau câu Sương Sáo, men giống vi khuẩn lactic (thu nhận từ sản phẩm sữa chua Vinamilk thương phẩm).
  • Địa điểm thực hiện: Phòng thí nghiệm Vi sinh – Khoa Công nghệ Sinh học & Công nghệ Thực phẩm – Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên.
  • Thời gian thực hiện: Năm 2014.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết

  • Đặc tính hóa lý của sữa nguyên liệu: Sữa bò tươi có hàm lượng nước trung bình 87,4%, chất khô tổng số 12,6% (chất béo 3,78%, protein 3,2%, gluxit/lactose 4,75%, khoáng 0,87%). Hệ protein của sữa gồm casein ở dạng micelle (chiếm khoảng 80% tổng protein) và các protein hòa tan ($\beta$-lactoglobulin, $\alpha$-lactalbumin, serum albumin, immunoglobulin). Khi vi khuẩn lactic hoạt động, quá trình axit hóa đưa pH sữa về điểm đẳng điện của casein ($pH \approx 4,6–4,7$), làm casein đông tụ tạo thành khối gel sữa chua.
  • Cơ chế lên men lactic: Chuyển hóa đường lactose thành glucose và galactose, sau đó qua con đường đường phân tạo axit pyruvic và tiếp tục bị khử thành axit lactic nhờ enzym lactodehydrogenaza. Quá trình lên men đồng hình bởi tổ hợp vi khuẩn lactic điển hình (Streptococcus thermophilus và Lactobacillus bulgaricus, Lactobacillus acidophilus) tạo vị chua thanh dịu và các hợp chất tạo hương bay hơi như axetaldehyt, diaxetyl.
  • Cơ chế tạo gel của bột rau câu (Agar): Bột agar là một hỗn hợp polysacarit tách chiết từ tảo đỏ (Gelidium sp., Gracilaria), gồm hai phân đoạn chính là agarose (thành phần tạo gel chính) và agaropectin (thành phần không tạo gel). Gel agar có tính thuận nghịch nhiệt, tạo đông ở nhiệt độ 40–50°C và nóng chảy ở 80–85°C. Việc bổ sung agar vào hỗn hợp sữa tạo mạng lưới gel giữ nước, giúp định hình cấu trúc thạch dẻo dai, hạn chế hiện tượng tách nước trong sữa chua.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp bố trí thí nghiệm: Sử dụng phương pháp thí nghiệm đơn yếu tố khảo sát từng thông số công nghệ:
    • Thí nghiệm 1: Khảo sát tỷ lệ bột rau câu bổ sung ở 4 mức: 1%, 2%, 3%, 4% (theo khối lượng).
    • Thí nghiệm 2: Khảo sát tỷ lệ men giống bổ sung ở 4 mức: 10%, 15%, 20%, 25% (theo khối lượng).
    • Thí nghiệm 3: Khảo sát nhiệt độ lên men ở 4 mức: 37°C, 40°C, 43°C, 46°C.
  • Phương pháp phân tích hóa lý và vi sinh:
    • Định lượng protein: Phương pháp Kjeldahl (vô cơ hóa mẫu bằng $\text{H}_2\text{SO}_4$ đậm đặc với hỗn hợp xúc tác $\text{K}_2\text{SO}_4 : \text{CuSO}_4 : \text{Se}$ tỷ lệ 100:10:1; chưng cất lôi cuốn hơi nước giải phóng $\text{NH}_3$ và định phân lượng $\text{H}_2\text{SO}_4$ dư bằng dung dịch $\text{NaOH } 0,1\text{N}$).
    • Định lượng lipid: Phương pháp Soxhlet (chiết kiệt chất béo bằng dung môi ete nóng trong thời gian 8–12 giờ).
    • Đánh giá chỉ tiêu vi sinh vật nguyên liệu: Phương pháp thử nghiệm thời gian mất màu chất chỉ thị xanh metylen ở 37–38°C.
  • Phương pháp đánh giá cảm quan: Đánh giá chất lượng sản phẩm bằng phương pháp cho điểm theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 3215-79 trên thang điểm 20 với các hệ số quan trọng: Trạng thái (1,4; chiếm 35%), Vị (1,2; chiếm 30%), Mùi (0,8; chiếm 20%), Màu sắc (0,6; chiếm 15%).
  • Phương pháp xử lý số liệu: Thí nghiệm được lặp lại 3 lần; dữ liệu được xử lý thống kê bằng phần mềm Microsoft Excel và SPSS.

Nội dung chính theo từng chương

Phần 1. Mục đích và yêu cầu của đề tài

Xác định rõ ràng tính cấp thiết của việc phát triển sản phẩm sữa lên men dạng mới, đề ra mục tiêu xây dựng hoàn thiện quy trình công nghệ chế biến và 4 nội dung kỹ thuật cần giải quyết để đảm bảo tính khả thi thực nghiệm và tính kinh tế.

Phần 2. Tổng quan tài liệu

  • Tình hình sản xuất và tiêu thụ sữa: Tổng hợp dữ liệu sản lượng sữa thế giới giai đoạn 2008–2010 (đạt 713,6 triệu tấn năm 2010) và năng lực chế biến của các nhà máy sữa nội địa năm 2005 (Vinamilk 1,2 tỷ lít/năm, Dutch Lady 540 triệu lít/năm, Hanoimilk 80 triệu lít/năm, Elovi 30 triệu lít/năm...).
  • Cơ sở khoa học về sữa và vi sinh vật: Phân tích chi tiết thành phần dinh dưỡng, các dạng liên kết nước, các phân đoạn axit béo, hệ protein và vitamin/khoáng chất của sữa bò. Phân loại các chủng vi khuẩn lactic (S. thermophilus, L. bulgaricus, L. acidophilus, Bifidobacterium) và cơ chế sinh hóa tạo axit lactic, axetaldehyt.
  • Tổng quan bột rau câu và công nghệ chế biến sữa chua: Giới thiệu cấu trúc phân tử agar, cơ chế tạo mạng gel thuận nghịch nhiệt, khảo sát các quy trình sản xuất sữa chua công nghiệp (sữa chua ăn IDP, sữa chua kefir, sữa chua thạch dừa).

Phần 3. Đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu

  • Mô tả nguồn gốc nguyên liệu (sữa tươi Mộc Châu, sữa đặc, men giống Vinamilk, bột rau câu Sương Sáo), danh mục hóa chất phân tích và thông số kỹ thuật của thiết bị phòng thí nghiệm (tủ sấy Memmert UNB400, máy đo pH Hana 211, cân phân tích Ohaus PA214 độ chính xác 0,0001 g, tủ lạnh Hitachi 130L).
  • Chi tiết hóa quy trình công nghệ dự kiến và nguyên lý tiến hành 4 nội dung thí nghiệm, các công thức hóa học, quy trình chuẩn độ Kjeldahl, trích ly Soxhlet và bảng quy đổi phân cấp chất lượng cảm quan theo TCVN 3215-79.

Phần 4. Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Chương này tập trung phân tích kết quả thực nghiệm của từng thông số công nghệ ảnh hưởng đến quá trình lên men và chất lượng sản phẩm:

1. Ảnh hưởng của tỷ lệ bột rau câu bổ sung

Thí nghiệm phối trộn tỷ lệ sữa tươi : sữa đặc là 9:2 (kl/kl), gia nhiệt 60°C, làm nguội về 40–45°C, cấy 15% men giống, lên men ở 43°C đến khi $pH = 4,7$, sau đó làm lạnh ổn định ở 6°C trong 15 giờ.

Công thức Tỷ lệ bột rau câu (%) Thời gian lên men TB (phút) Trạng thái (hệ số 1,4) Màu sắc (hệ số 0,6) Mùi (hệ số 0,8) Vị (hệ số 1,2) Điểm TB có TL Xếp loại
CT1 1,0 $417^{\text{c}}$ $4,1^{\text{a}}$ $4,0^{\text{a}}$ $4,0^{\text{a}}$ $3,7^{\text{ab}}$ 15,64 Khá
CT2 2,0 $437^{\text{b}}$ $4,0^{\text{ab}}$ $4,1^{\text{a}}$ $4,0^{\text{a}}$ $4,0^{\text{a}}$ 16,08 Khá
CT3 3,0 $449^{\text{a}}$ $3,9^{\text{ab}}$ $4,0^{\text{a}}$ $3,9^{\text{ab}}$ $3,6^{\text{ab}}$ 15,26 Khá
CT4 4,0 $452^{\text{a}}$ $3,7^{\text{b}}$ $3,6^{\text{b}}$ $3,7^{\text{b}}$ $3,3^{\text{b}}$ 14,30 TB

Nhận xét: Tăng nồng độ bột rau câu làm tăng độ nhớt môi trường, dẫn đến kéo dài thời gian lên men. Mẫu CT2 (bổ sung 2,0% bột rau câu) cho điểm cảm quan cao nhất (16,08 điểm), khối gel thạch đông tụ mềm mịn, độ bền gel hài hòa với khối đông casein.

2. Ảnh hưởng của tỷ lệ men giống bổ sung

Sử dụng công thức nền chứa 2,0% bột rau câu, lên men ở 43°C đến $pH = 4,7$ với các tỷ lệ men giống khác nhau.

Công thức Tỷ lệ men giống (%) Thời gian lên men TB (phút) Trạng thái (hệ số 1,4) Màu sắc (hệ số 0,6) Mùi (hệ số 0,8) Vị (hệ số 1,2) Điểm TB có TL Xếp loại
CT5 10 $458^{\text{a}}$ $3,7^{\text{a}}$ $3,8^{\text{a}}$ $3,8^{\text{a}}$ $3,7^{\text{b}}$ 15,14 TB
CT6 15 $433^{\text{b}}$ $3,8^{\text{a}}$ $4,1^{\text{a}}$ $4,0^{\text{a}}$ $4,1^{\text{a}}$ 16,14 Khá
CT7 20 $417^{\text{c}}$ $3,9^{\text{a}}$ $4,0^{\text{a}}$ $4,1^{\text{a}}$ $4,1^{\text{a}}$ 16,20 Khá
CT8 25 $401^{\text{d}}$ $3,8^{\text{a}}$ $4,0^{\text{a}}$ $4,1^{\text{a}}$ $4,1^{\text{a}}$ 16,14 Khá

Nhận xét: Tăng tỷ lệ giống từ 10% lên 25% giúp rút ngắn thời gian lên men từ 458 phút xuống 401 phút. Mẫu CT6 (15% giống), CT7 (20% giống) và CT8 (25% giống) không có sự khác biệt có ý nghĩa thống kê về điểm cảm quan tổng hợp. Tác giả lựa chọn tỷ lệ 15% giống (CT6) nhằm tiết kiệm chi phí nguyên liệu giống mà vẫn đảm bảo chất lượng.

3. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên men

Cố định tỷ lệ bột rau câu 2,0% và tỷ lệ giống cấy 15%, khảo sát quá trình lên men ở 4 mức nhiệt độ.

Công thức Nhiệt độ lên men (°C) Thời gian lên men TB (phút) Trạng thái (hệ số 1,4) Màu sắc (hệ số 0,6) Mùi (hệ số 0,8) Vị (hệ số 1,2) Điểm TB có TL Xếp loại
CT9 37 $469^{\text{a}}$ $3,2^{\text{b}}$ $3,0^{\text{c}}$ $3,3^{\text{b}}$ $3,0^{\text{c}}$ 12,48 TB
CT10 40 $440^{\text{b}}$ $3,7^{\text{a}}$ $3,5^{\text{b}}$ $3,5^{\text{ab}}$ $3,4^{\text{b}}$ 13,98 TB
CT11 43 $433^{\text{c}}$ $4,0^{\text{a}}$ $4,0^{\text{a}}$ $3,9^{\text{a}}$ $4,0^{\text{a}}$ 15,88 Khá
CT12 46 $424^{\text{d}}$ $3,9^{\text{a}}$ $4,0^{\text{a}}$ $3,9^{\text{a}}$ $3,7^{\text{ab}}$ 15,40 Khá

Nhận xét: Nhiệt độ 43°C là nhiệt độ thích hợp nhất, tối ưu cho hoạt lực sinh axit và tạo hương của tổ hợp vi khuẩn lactic chịu nhiệt (S. thermophilus và L. bulgaricus), cho sản phẩm đạt điểm chất lượng cảm quan cao nhất (15,88 điểm).

Phần 5. Kết luận và kiến nghị

Tổng kết các thông số kỹ thuật tối ưu đã xác lập được từ nghiên cứu thực nghiệm và đề xuất các giải pháp hoàn thiện quy trình ở quy mô sản xuất lớn hơn.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thông số công nghệ tối ưu

Nghiên cứu đã xác lập quy trình công nghệ sản xuất sữa chua thạch với các thông số tối ưu:

  • Tỷ lệ phối trộn nguyên liệu nền: Sữa tươi Mộc Châu và sữa đặc có đường theo tỷ lệ khối lượng 9:2.
  • Tỷ lệ bột rau câu bổ sung: 2,0% (theo khối lượng hỗn hợp).
  • Chế độ hòa tan và xử lý nhiệt: Ngâm bột rau câu, gia nhiệt hỗn hợp lên 60°C để hòa tan hoàn toàn, sau đó làm nguội dịch sữa xuống 40–45°C trước khi cấy giống.
  • Tỷ lệ giống men bổ sung: 15% sữa chua Vinamilk thương phẩm.
  • Chế độ lên men: Nhiệt độ lên men duy trì ở 43°C, thời gian lên men trung bình 433–437 phút, kết thúc lên men khi môi trường đạt giá trị $pH = 4,7$.
  • Chế độ làm lạnh và ổn định gel: Làm lạnh và ủ chín sản phẩm ở nhiệt độ 6°C trong thời gian 15 giờ.

Đóng góp thực tiễn của đề tài

  • Xây dựng được công thức và quy trình chế biến sữa chua thạch kết hợp giữa gel agar và protein sữa đông tụ, tạo ra sản phẩm có cấu trúc dẻo dai đặc trưng, không bị tách nước, màu sắc trắng ngà đồng nhất, vị chua béo hài hòa.
  • Cung cấp dữ liệu thực nghiệm về mối tương quan giữa nồng độ chất tạo gel polysacarit (agar) đối với động học lên men lactic và sự biến đổi pH của dịch sữa.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Các thí nghiệm mới chỉ được thực hiện trên quy mô phòng thí nghiệm với mẻ mẫu nhỏ, chưa đánh giá ảnh hưởng của các thiết bị cơ nhiệt công nghiệp (như máy đồng hóa áp lực cao, thiết bị rót hộp vô trùng tự động).
  • Sử dụng men giống lấy từ sữa chua thương phẩm (Vinamilk) thay vì nuôi cấy và chuẩn hóa mật độ tế bào từ các chủng vi khuẩn lactic thuần khiết phân lập (S. thermophilus, L. bulgaricus).
  • Chưa tiến hành theo dõi biến thiên các chỉ tiêu hóa lý, vi sinh và độ bền gel trong thời gian bảo quản dài ngày (shelf-life).

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Nghiên cứu ứng dụng giống vi sinh vật thuần khiết đông khô dạng DVS (Direct Vat Set) để chuẩn hóa hoạt lực lên men.
  • Khảo sát biến thiên chất lượng cảm quan và vi sinh vật theo thời gian bảo quản ở các điều kiện nhiệt độ khác nhau (4–8°C).
  • Thử nghiệm mở rộng quy mô sản xuất dạng pilot hoặc dây chuyền công nghiệp.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng sử dụng: Sinh viên, học viên cao học và cán bộ nghiên cứu chuyên ngành Công nghệ Thực phẩm, Công nghệ Sinh học, Kỹ thuật Chế biến Đồ uống; kỹ thuật viên R&D tại các cơ sở chế biến sữa và sản phẩm lên men.
  • Nội dung giá trị:
    • Quy trình phân tích hóa nghiệm định lượng protein bằng phương pháp Kjeldahl và lipid bằng phương pháp Soxhlet chi tiết cho sản phẩm sữa.
    • Phương pháp xây dựng thang điểm đánh giá cảm quan chất lượng thực phẩm theo tiêu chuẩn TCVN 3215-79 có áp dụng hệ số quan trọng cho từng chỉ tiêu.
    • Bảng dữ liệu thực nghiệm về ảnh hưởng của nhiệt độ và tỷ lệ phụ gia tạo gel đến thời gian lên men vi sinh.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao điểm dừng của quá trình lên men lại được xác định tại mức pH = 4,7?

Theo cơ sở lý thuyết và tài liệu tham khảo trong khóa luận, khi dịch sữa đạt $pH = 4,7$, protein casein đạt gần điểm đẳng điện và đông tụ hoàn toàn, đồng thời tại thời điểm này hàm lượng axit lactic và các hợp chất thơm bay hơi (diaxetyl, axetaldehyt) cân bằng, tạo cho sản phẩm sữa chua có vị chua dịu và hương thơm đặc trưng nhất mà không bị quá chua hoặc gắt.

2. Tỷ lệ bột rau câu 2% có ưu điểm gì vượt trội so với các tỷ lệ 1%, 3% và 4%?

Ở tỷ lệ 1%, cấu trúc gel của sản phẩm còn yếu, trạng thái chưa thể hiện rõ tính chất thạch đặc trưng (điểm cảm quan 15,64). Ở tỷ lệ 3% và 4%, độ nhớt tăng cao làm kéo dài thời gian lên men (449–452 phút), đồng thời khối gel bị cứng, giảm độ mịn và giảm vị chua hài hòa (điểm cảm quan giảm xuống 14,30–15,26). Tỷ lệ 2% cho điểm cảm quan cao nhất (16,08 điểm) với cấu trúc gel đàn hồi và trạng thái mịn màng tối ưu.

3. Tại sao tác giả lựa chọn tỷ lệ men giống 15% thay vì 20% hay 25%?

Kết quả thí nghiệm cho thấy tỷ lệ giống 15%, 20% và 25% cho điểm đánh giá cảm quan tương đương nhau (lần lượt là 16,14; 16,20; 16,14 điểm - đều xếp loại Khá) và thời gian lên men không chênh lệch quá lớn (433 phút so với 417 và 401 phút). Do đó, lựa chọn tỷ lệ giống 15% (mẫu CT6) giúp tiết kiệm lượng giống cấy tiêu tốn, tối ưu hóa hiệu quả kinh tế trong chế biến.

4. Hệ số quan trọng của các chỉ tiêu cảm quan theo TCVN 3215-79 trong đề tài được quy định như thế nào?

Tổng điểm đánh giá cảm quan tối đa là 20 điểm, phân bổ theo 4 chỉ tiêu với các trọng số: Trạng thái (hệ số 1,4; chiếm 35%), Vị (hệ số 1,2; chiếm 30%), Mùi (hệ số 0,8; chiếm 20%), Màu sắc (hệ số 0,6; chiếm 15%). Điểm đánh giá chung là trung bình có trọng lượng của các thành viên hội đồng cảm quan.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Trần Phú Cường đã thực hiện thành công việc khảo sát thực nghiệm và xác định các thông số công nghệ tối ưu cho quy trình sản xuất sữa chua thạch: tỷ lệ bột rau câu 2,0%, tỷ lệ giống bổ sung 15%, nhiệt độ lên men 43°C và thời gian ủ lạnh ổn định 15 giờ ở 6°C. Đề tài cung cấp nguồn tư liệu học thuật và thực nghiệm có giá trị cho lĩnh vực công nghệ chế biến sữa, làm cơ sở khoa học cho các nghiên cứu ứng dụng chất tạo gel tự nhiên trong phát triển sản phẩm thực phẩm lên men.