Luận văn thạc sĩ về công nghệ sinh học: Nâng cao chất lượng và bảo quản sữa lên men

• Tác giả: Võ Ngọc Lan Vy
• Người hướng dẫn: PGS. TS Nguyễn Thúy Hương
• Trường học: Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Công nghệ sinh học
• Đề tài: Nâng Cao Chất Lượng Và Thời Gian Bảo Quản Sữa Lên Men Bằng Vi Gói Vi Khuẩn
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

• LỜI CÁM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TONG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. Vi khuẩn lactic và quá trình lên men
• 1.2. Đặc điểm chung của hệ vi khuẩn lactic
• 1.3. Vi khuẩn Lactobacillus casei
• 1.4. Cơ chế của quá trình lên men lactic
• 2. CHƯƠNG 2: VAT LIEU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Thiết bị và dụng cụ
• 2.2. Nội dung và phương pháp nghiên cứu
• 2.3. Sơ đồ bố trí thí nghiệm
• 2.4. Hoạt hóa, tăng sinh và giữ giống vi khuẩn L.
• 2.5. Kiểm tra các đặc tính sinh học của giống
• 2.6. Nghiên cứu vi gói vi khuẩn L. casei với các vật liệu khác nhau
• 2.7. Lên men sữa chua bằng chế phẩm vi khuẩn tự do và vi gói
• 2.8. Đánh giá chất lượng probiotic của sản phẩm
• 2.9. Đánh giá chất lượng sản phẩm
• 2.10. Các phương pháp liên quan
• 2.11. Phương pháp kiểm tra số lượng tế bào
• 2.12. Các phương pháp khác
• 3. CHƯƠNG 3: KET QUA VA BAN LUẬN
• 3.1. Kiểm tra các đặc tính sinh học của giống vi khuẩn L.
• 3.2. Tăng sinh và giữ giống trên môi trường MRS
• 3.3. Quan sát đại thể và vi thể vi khuẩn
• 3.4. Xây dựng đường chuẩn
• 3.5. Khảo sát đường cong sinh trưởng
• 3.6. Khả năng lên men acid lactic của L. casei bằng phương pháp sinh học phân tử
• 3.7. Tạo chế phẩm vi gói vi khuẩn với các loại chất vi gói
• 3.8. Cấu trúc hạt vi gói
• 3.9. Hiệu suất vi gói vi khuẩn L.
• 3.10. Lên men sản phẩm sữa chua
• 3.11. Đánh giá chất lượng probiotic của sản phẩm
• 3.12. Xác định số lượng vi khuẩn
• 3.13. Xác định các hoạt tính
• 3.14. Đánh giá hoạt tính bacteriocin
• 3.15. Đánh giá khả năng chịu acid
• 3.16. Đánh giá khả năng chịu muối mật
• 3.17. Đánh giá chất lượng sản phẩm
• 3.18. Xác định giá trị pH của sản phẩm
• 3.19. Đánh giá chất lượng cảm quan của sữa chua
• 3.20. Chỉ tiêu vi sinh vật của sữa chua
• 3.21. Khảo sát thời gian bảo quản sản phẩm
• 4. CHƯƠNG 4: KET LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH

I. Giới thiệu về sữa lên men

Sữa lên men là một sản phẩm dinh dưỡng quan trọng, chứa nhiều vi khuẩn probiotic có lợi cho sức khỏe. Việc sản xuất sữa lên men không chỉ giúp cải thiện chất lượng dinh dưỡng mà còn tăng cường khả năng tiêu hóa. Tuy nhiên, việc bảo quản sữa lên men gặp nhiều thách thức, đặc biệt là trong việc duy trì số lượng vi khuẩn probiotic. Các yếu tố như nhiệt độ, độ pH và thời gian bảo quản ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm. Do đó, nghiên cứu về các phương pháp bảo quản hiệu quả là rất cần thiết.

1.1. Tầm quan trọng của vi khuẩn probiotic

Vi khuẩn probiotic như Lactobacillus casei đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì sức khỏe đường ruột. Chúng giúp cân bằng hệ vi sinh vật trong cơ thể, ngăn ngừa sự phát triển của vi khuẩn gây bệnh. Việc sử dụng vi khuẩn probiotic trong sản xuất sữa lên men không chỉ mang lại lợi ích cho sức khỏe mà còn nâng cao giá trị dinh dưỡng của sản phẩm. Nghiên cứu cho thấy, vi khuẩn probiotic có khả năng sống sót tốt hơn trong môi trường khắc nghiệt khi được bảo quản bằng phương pháp vi gói.

II. Phương pháp vi gói vi khuẩn

Phương pháp vi gói vi khuẩn là một kỹ thuật tiên tiến nhằm bảo vệ và duy trì hoạt tính của vi khuẩn probiotic trong sản phẩm sữa lên men. Kỹ thuật này sử dụng các vật liệu như alginate và gelatin để tạo ra lớp bảo vệ cho vi khuẩn. Việc tối ưu hóa hỗn hợp vật liệu vi gói là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả bảo quản. Nghiên cứu cho thấy, vi gói giúp tăng cường khả năng sống sót của vi khuẩn trong điều kiện khắc nghiệt, đồng thời kéo dài thời gian bảo quản sản phẩm lên đến 10 ngày ở 4 °C.

2.1. Quy trình sản xuất vi gói

Quy trình sản xuất vi gói bao gồm các bước như chuẩn bị vật liệu, nén ép và tạo hình. Sau khi tối ưu hóa, hỗn hợp vật liệu vi gói được sử dụng để bao bọc vi khuẩn probiotic. Kết quả cho thấy, vi gói không chỉ bảo vệ vi khuẩn khỏi các yếu tố bên ngoài mà còn giúp duy trì hoạt tính sinh học của chúng. Việc áp dụng phương pháp này trong sản xuất sữa lên men đã chứng minh được hiệu quả trong việc cải thiện chất lượng sản phẩm.

III. Đánh giá chất lượng sản phẩm sữa lên men

Chất lượng sản phẩm sữa lên men được đánh giá dựa trên nhiều tiêu chí, bao gồm số lượng vi khuẩn probiotic, độ pH và các chỉ tiêu cảm quan. Nghiên cứu cho thấy, sản phẩm sữa lên men được bảo quản bằng phương pháp vi gói có số lượng vi khuẩn probiotic cao hơn so với sản phẩm không vi gói. Điều này cho thấy, vi gói không chỉ giúp bảo vệ vi khuẩn mà còn cải thiện chất lượng cảm quan của sản phẩm. Các sản phẩm này có hương vị và kết cấu tốt, đáp ứng nhu cầu của người tiêu dùng.

3.1. Kết quả khảo sát chất lượng

Kết quả khảo sát cho thấy, sau 28 ngày bảo quản, số lượng vi khuẩn probiotic trong sản phẩm vi gói đạt trên 81%, trong khi sản phẩm không vi gói chỉ đạt 63%. Điều này chứng tỏ rằng phương pháp vi gói có tác dụng tích cực trong việc duy trì số lượng vi khuẩn sống sót. Ngoài ra, các chỉ tiêu cảm quan như mùi vị, độ sánh cũng được cải thiện rõ rệt, tạo ra sản phẩm sữa lên men chất lượng cao hơn.

IV. Kết luận và khuyến nghị

Nghiên cứu về việc nâng cao chất lượng và thời gian bảo quản sữa lên men bằng phương pháp vi gói vi khuẩn đã chỉ ra rằng, việc áp dụng công nghệ vi gói là một giải pháp hiệu quả. Phương pháp này không chỉ bảo vệ vi khuẩn probiotic mà còn cải thiện chất lượng sản phẩm. Để phát triển hơn nữa, cần tiếp tục nghiên cứu và tối ưu hóa quy trình sản xuất, cũng như mở rộng ứng dụng của công nghệ vi gói trong các sản phẩm thực phẩm khác.

4.1. Đề xuất nghiên cứu tiếp theo

Cần thực hiện các nghiên cứu sâu hơn về các loại vật liệu vi gói khác nhau và ảnh hưởng của chúng đến chất lượng sản phẩm. Ngoài ra, việc khảo sát các điều kiện bảo quản khác nhau cũng sẽ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất, từ đó nâng cao chất lượng và giá trị dinh dưỡng của sản phẩm sữa lên men.

Tổng quan nghiên cứu

Sữa lên men là một trong những sản phẩm thực phẩm được ưa chuộng nhờ giá trị dinh dưỡng và lợi ích sức khỏe, đặc biệt là các sản phẩm chứa vi khuẩn probiotic như Lactobacillus casei. Tuy nhiên, việc duy trì số lượng vi khuẩn sống trong sản phẩm trong suốt quá trình bảo quản và khi đi qua hệ tiêu hóa là một thách thức lớn. Theo ước tính, số lượng vi khuẩn probiotic cần thiết để phát huy tác dụng sinh học tối thiểu là trên 10^7 cfu/g tính đến ngày hết hạn sản phẩm. Trong thực tế, các yếu tố như nhiệt độ, pH, oxy và môi trường dạ dày có thể làm giảm đáng kể số lượng vi khuẩn sống sót. Do đó, nghiên cứu nâng cao chất lượng và thời gian bảo quản sản phẩm sữa lên men bằng phương pháp vi gói vi khuẩn là rất cần thiết.

Mục tiêu nghiên cứu là thử nghiệm vi gói vi khuẩn Lactobacillus casei bằng các vật liệu vi gói khác nhau, tối ưu hóa hỗn hợp vật liệu vi gói, ứng dụng lên men sữa chua với tế bào vi khuẩn tự do và vi gói, từ đó đánh giá tổng quát chất lượng sản phẩm, bao gồm chất lượng probiotic và thời gian bảo quản. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh trong năm 2013, tập trung vào việc cải thiện các chỉ tiêu vi sinh vật, cảm quan và khả năng sống sót của vi khuẩn trong sản phẩm.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ sản xuất sữa lên men chất lượng cao, kéo dài thời gian bảo quản, đồng thời nâng cao hiệu quả sử dụng probiotic trong thực phẩm chức năng và dược phẩm hỗ trợ tiêu hóa.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Vi khuẩn lactic (LAB): Nhóm vi khuẩn Gram dương, không sinh bào tử, ky khí tùy tiện, có khả năng lên men carbohydrate tạo acid lactic. Lactobacillus casei là một trong những chủng LAB quan trọng, có khả năng sinh acid lactic dạng L(+), phát triển tốt ở pH 5,5-5,8 và nhiệt độ 30-50 °C, có vai trò quan trọng trong công nghiệp thực phẩm và y học.

• Probiotic: Được định nghĩa là vi sinh vật sống, khi sử dụng với số lượng thích hợp sẽ mang lại lợi ích sức khỏe cho vật chủ. Probiotic cần tồn tại với mật độ tối thiểu > 10^7 cfu/g để phát huy tác dụng. Lactobacillus casei có khả năng ức chế vi khuẩn gây bệnh, tăng cường miễn dịch và cải thiện tiêu hóa.

• Phương pháp vi gói (Microencapsulation): Kỹ thuật bao bọc tế bào vi sinh vật trong các vật liệu polymer như alginate, gelatin, tinh bột để bảo vệ tế bào khỏi các điều kiện bất lợi như acid dạ dày, muối mật, nhiệt độ cao. Vi gói giúp tăng khả năng sống sót của vi khuẩn probiotic trong sản phẩm và hệ tiêu hóa.

• Các vật liệu vi gói chính: Alginate (polymer từ tảo nâu, tạo gel với ion Ca^2+), gelatin (protein thủy phân từ collagen, tạo màng bền chắc), tinh bột (polymer glucose, có thể tạo lớp phủ bảo vệ). Hỗn hợp alginate-gelatin với tỷ lệ 2:1 được xác định là hỗn hợp tối ưu trong nghiên cứu.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Giống vi khuẩn Lactobacillus casei được cung cấp từ phòng thí nghiệm vi sinh vật, Bộ môn Công nghệ Sinh học, Trường Đại học Bách Khoa TP. HCM.

• Phương pháp phân tích:

  • Vi khuẩn được nhân giống và kiểm tra đặc tính sinh học (nhuộm Gram, đường cong sinh trưởng, hoạt tính catalase, định danh bằng PCR gen 16S rRNA).
  • Vi gói vi khuẩn bằng phương pháp nén ép sử dụng hỗn hợp alginate và gelatin hoặc tinh bột với các tỷ lệ khác nhau.
  • Hiệu suất vi gói được tính dựa trên tỷ lệ tế bào sống sót sau quá trình vi gói.
  • Lên men sữa chua với tế bào vi khuẩn tự do và vi gói, theo dõi pH, số lượng vi khuẩn sống, hoạt tính probiotic (bacteriocin, khả năng chịu acid và muối mật).
  • Đánh giá chất lượng cảm quan và chỉ tiêu vi sinh vật theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7030:2002.
  • Thời gian bảo quản được khảo sát ở 4-6 °C trong 4 tuần.

• Timeline nghiên cứu:

  • Tháng 1/2013: Bắt đầu nhiệm vụ nghiên cứu.
  • Tháng 12/2013: Hoàn thành nghiên cứu và bảo vệ luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hỗn hợp vật liệu vi gói tối ưu: Tỷ lệ alginate và gelatin 2:1 cho hiệu suất vi gói cao nhất, bảo vệ tế bào vi khuẩn tốt hơn so với các tỷ lệ khác và so với alginate-tinh bột. Hiệu suất vi gói đạt khoảng 85-90% tế bào sống sót.

2. Khả năng sống sót của vi khuẩn trong sản phẩm sữa chua: Sau 28 ngày bảo quản ở 4 °C, số lượng vi khuẩn sống trong sữa chua lên men bằng tế bào vi khuẩn vi gói đạt trên 81%, trong khi sản phẩm lên men bằng tế bào tự do chỉ còn khoảng 63%.

3. Khả năng chịu môi trường dạ dày nhân tạo (SGF, pH=2): Vi khuẩn vi gói bảo vệ tốt hơn, tỷ lệ tế bào sống sót sau 60 phút trong SGF cao hơn đáng kể so với tế bào tự do (trên 70% so với dưới 40%).

4. Thời gian bảo quản sản phẩm: Vi gói giúp kéo dài thời gian bảo quản sữa chua thêm khoảng 10 ngày ở nhiệt độ 4 °C so với sản phẩm lên men bằng tế bào tự do, dựa trên các chỉ tiêu vi sinh vật và cảm quan.

Thảo luận kết quả

Việc sử dụng hỗn hợp alginate-gelatin với tỷ lệ 2:1 tạo ra lớp màng vi gói có độ bền cơ học và khả năng bảo vệ tế bào tối ưu, hạn chế sự khuếch tán các yếu tố bất lợi như acid lactic và ion oxy hóa. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế cho thấy alginate kết hợp gelatin giúp tăng khả năng sống sót của vi khuẩn probiotic trong môi trường acid và muối mật.

Số liệu về tỷ lệ tế bào sống sót trong môi trường dạ dày nhân tạo và thời gian bảo quản cho thấy vi gói không chỉ bảo vệ vi khuẩn trong quá trình lưu trữ mà còn giúp vi khuẩn tồn tại tốt hơn khi đi qua hệ tiêu hóa, từ đó nâng cao hiệu quả sinh học của probiotic.

Biểu đồ so sánh số lượng vi khuẩn sống sót theo thời gian bảo quản giữa sản phẩm vi gói và tự do sẽ minh họa rõ ràng sự khác biệt về khả năng bảo vệ của phương pháp vi gói. Bảng tổng hợp các chỉ tiêu cảm quan và vi sinh vật cũng cho thấy sản phẩm vi gói duy trì chất lượng tốt hơn trong suốt thời gian bảo quản.

Những kết quả này khẳng định tính khả thi và hiệu quả của phương pháp vi gói vi khuẩn trong công nghệ sản xuất sữa lên men, góp phần nâng cao giá trị dinh dưỡng và sức khỏe của sản phẩm.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng công nghệ vi gói alginate-gelatin (tỷ lệ 2:1) trong sản xuất sữa lên men probiotic nhằm tăng tỷ lệ tế bào sống sót trên 80% sau 28 ngày bảo quản, nâng cao chất lượng sản phẩm. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng. Chủ thể thực hiện: các nhà sản xuất sữa và thực phẩm chức năng.

2. Tối ưu quy trình bảo quản sản phẩm ở nhiệt độ 4-6 °C để kéo dài thời gian bảo quản thêm ít nhất 10 ngày so với phương pháp truyền thống, đảm bảo chất lượng cảm quan và vi sinh vật. Thời gian thực hiện: 3-6 tháng. Chủ thể thực hiện: bộ phận kiểm soát chất lượng và kho vận.

3. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng vi gói cho các chủng probiotic khác và các sản phẩm thực phẩm lên men khác nhằm đa dạng hóa sản phẩm và nâng cao hiệu quả bảo vệ vi khuẩn. Thời gian thực hiện: 1-2 năm. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu và trường đại học.

4. Đào tạo kỹ thuật viên và nhân viên sản xuất về công nghệ vi gói và kiểm soát chất lượng sản phẩm probiotic để đảm bảo quy trình sản xuất ổn định và hiệu quả. Thời gian thực hiện: 6 tháng. Chủ thể thực hiện: các trung tâm đào tạo và doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Sinh học, Công nghệ Thực phẩm: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về vi gói vi khuẩn probiotic, giúp phát triển các đề tài liên quan đến bảo quản và ứng dụng probiotic.

2. Doanh nghiệp sản xuất sữa và thực phẩm chức năng: Áp dụng công nghệ vi gói để nâng cao chất lượng sản phẩm, kéo dài thời gian bảo quản, tăng giá trị cạnh tranh trên thị trường.

3. Chuyên gia kiểm soát chất lượng và phát triển sản phẩm: Tham khảo các phương pháp đánh giá chất lượng probiotic, cảm quan và vi sinh vật trong sản phẩm sữa lên men, từ đó cải tiến quy trình sản xuất.

4. Cơ quan quản lý và phát triển chính sách thực phẩm chức năng: Cung cấp dữ liệu khoa học để xây dựng tiêu chuẩn chất lượng và hướng dẫn kỹ thuật cho sản phẩm probiotic trên thị trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Vi gói vi khuẩn probiotic là gì và có lợi ích gì?
   Vi gói là kỹ thuật bao bọc tế bào vi khuẩn trong các vật liệu polymer để bảo vệ chúng khỏi các điều kiện bất lợi như acid, nhiệt độ, muối mật. Lợi ích chính là tăng khả năng sống sót của vi khuẩn trong sản phẩm và hệ tiêu hóa, từ đó nâng cao hiệu quả sinh học của probiotic.

2. Tại sao chọn hỗn hợp alginate-gelatin tỷ lệ 2:1 làm vật liệu vi gói?
   Hỗn hợp này tạo ra lớp màng vi gói có độ bền cơ học tốt, khả năng bảo vệ tế bào cao, đồng thời dễ dàng giải phóng vi khuẩn trong môi trường ruột. Nghiên cứu cho thấy tỷ lệ này cho hiệu suất vi gói và khả năng sống sót của vi khuẩn cao nhất so với các tỷ lệ khác.

3. Vi khuẩn vi gói có ảnh hưởng đến chất lượng cảm quan của sữa chua không?
   Kết quả đánh giá cảm quan cho thấy sữa chua lên men bằng vi khuẩn vi gói có chất lượng cảm quan khá tốt, không khác biệt đáng kể so với sản phẩm lên men bằng tế bào tự do, ngoại trừ độ mịn có thể có sự khác biệt nhẹ.

4. Thời gian bảo quản sản phẩm sữa chua vi gói được kéo dài bao lâu?
   Vi gói giúp kéo dài thời gian bảo quản sản phẩm thêm khoảng 10 ngày ở nhiệt độ 4 °C so với sản phẩm lên men bằng tế bào tự do, dựa trên các chỉ tiêu vi sinh vật và cảm quan.

5. Phương pháp vi gói có thể áp dụng cho các loại probiotic khác không?
   Có, phương pháp vi gói alginate-gelatin có thể được điều chỉnh và áp dụng cho nhiều chủng probiotic khác nhau nhằm tăng khả năng sống sót và ổn định trong sản phẩm thực phẩm và dược phẩm.

Kết luận

• Đã xác định được hỗn hợp vật liệu vi gói tối ưu là alginate và gelatin với tỷ lệ 2:1, cho hiệu suất vi gói cao và bảo vệ tế bào vi khuẩn Lactobacillus casei hiệu quả.
• Vi gói giúp tăng tỷ lệ tế bào sống sót trong sản phẩm sữa chua lên trên 81% sau 28 ngày bảo quản, so với 63% ở chế phẩm tế bào tự do.
• Vi khuẩn vi gói có khả năng chịu đựng tốt hơn trong môi trường dạ dày nhân tạo, bảo vệ vi khuẩn sau 60 phút tiếp xúc với pH 2.
• Thời gian bảo quản sản phẩm sữa chua được kéo dài thêm 10 ngày ở 4 °C nhờ phương pháp vi gói.
• Nghiên cứu mở ra hướng ứng dụng công nghệ vi gói trong sản xuất thực phẩm probiotic chất lượng cao, góp phần nâng cao sức khỏe người tiêu dùng.

Next steps: Triển khai ứng dụng công nghệ vi gói trong quy mô sản xuất công nghiệp, mở rộng nghiên cứu với các chủng probiotic khác và các sản phẩm thực phẩm lên men đa dạng.

Call to action: Các nhà sản xuất và nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ sinh học và thực phẩm nên cân nhắc áp dụng phương pháp vi gói để nâng cao chất lượng và giá trị sản phẩm probiotic trên thị trường.