Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Lên men lactic là một trong những giải pháp công nghệ sinh học truyền thống và hiện đại được áp dụng phổ biến trong chế biến thực phẩm nhằm nâng cao giá trị dinh dưỡng, cải thiện tính chất cảm quan và kéo dài thời gian bảo quản. Bên cạnh các sản phẩm lên men từ sữa động vật, xu hướng khai thác nguồn nguyên liệu ngũ cốc để sản xuất đồ uống lên men lactic không cồn (như Boza ở Thổ Nhĩ Kỳ, Rumani hay Sobia ở Ả Rập Saudi) đang ngày càng phát triển nhờ cung cấp hàm lượng dinh dưỡng cao, giàu năng lượng và phù hợp với người không dung nạp lactose.

Gạo lứt (gạo nguyên cám) là nguồn lương thực có giá trị sinh học vượt trội so với gạo xát trắng thông thường. Lớp cám và phôi gạo lưu giữ hàm lượng lớn chất xơ, vitamin nhóm B (B1, B2, B3, B6), vitamin E, acid folic cùng các khoáng chất thiết yếu như magie, mangan, selen, canxi, sắt, photpho và kali. Hoạt chất sinh học trong dầu cám gạo còn hỗ trợ điều hòa huyết áp, giảm cholesterol xấu và tăng cường sức đề kháng. Việc ứng dụng vi khuẩn lactic lên men trên cơ chất gạo lứt mở ra hướng đi mới trong việc tạo ra dòng sản phẩm thực phẩm chức năng gốc thực vật phục vụ thị trường tiêu dùng nội địa.

Khóa luận được thực hiện nhằm giải quyết các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu sau:

  1. Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến chất lượng sản phẩm đồ uống lên men lactic từ nguyên liệu gạo lứt.
  2. Nhiệm vụ/mục đích nghiên cứu cụ thể:
    • Xác định tỷ lệ phối trộn nguyên liệu tối ưu trong quy trình chế biến (tỷ lệ gạo : nước, tỷ lệ đường kính bổ sung, tỷ lệ cấy giống vi khuẩn lactic).
    • Xác định các thông số kỹ thuật công nghệ thích hợp cho quá trình lên men (thời gian ngâm gạo, nhiệt độ lên men).
    • Đánh giá chất lượng cảm quan, chỉ tiêu hóa lý (pH) và mật độ vi sinh vật hữu ích trong sản phẩm; theo dõi độ ổn định chất lượng trong thời gian bảo quản lạnh.
  3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
    • Đối tượng nghiên cứu: Gạo lứt đỏ thu mua tại Chợ Thái (thành phố Thái Nguyên); chủng vi khuẩn thuần khiết Lactobacillus bulgaricus.
    • Phạm vi không gian: Phòng thí nghiệm Khoa Công nghệ Sinh học và Công nghệ Thực phẩm, Trường Đại học Nông Lâm – Đại học Thái Nguyên.
    • Phạm vi thời gian: Đề tài được tiến hành từ tháng 11/2015 đến tháng 05/2016.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng hệ thống luận cứ dựa trên các cơ sở khoa học về sinh lý học vi sinh vật và công nghệ chế biến lương thực:

  • Cơ sở sinh học và chuyển hóa: Quá trình lên men lactic đồng hình dưới tác dụng của Lactobacillus bulgaricus (vi khuẩn Gram dương, kỵ khí tùy tiện, ưa nhiệt, nhiệt độ tối thích 40 – 45°C), chuyển hóa đường hexose thành acid lactic theo phương trình tổng quát: $$\text{C}6\text{H}{12}\text{O}_6 + 2\text{ADP} + 2\text{P}_i \rightarrow 2\text{CH}_3\text{CHOHCOOH} + 2\text{ATP}$$ Acid lactic sinh ra làm giảm độ pH môi trường, ức chế vi sinh vật gây hại và tạo vị chua thanh đặc trưng.
  • Cơ sở nguyên liệu: Bảng thành phần hóa học của gạo lứt (độ ẩm 13,90%, glucid 74,46%, protein 8,10%, lipid 2,02%, tro 1,18%, vitamin B3 1,18 mg% chất khô) và đặc tính sinh học kích hoạt enzyme thủy phân khi ngâm ủ nảy mầm theo nghiên cứu của Hiroshi Kayahara.
  • Tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng:
    • Tiêu chuẩn đường kính trắng (Saccharose RE): TCVN 1696 – 87.
    • Tiêu chuẩn xác định mật độ vi khuẩn lactic tổng số: TCVN 4886 – 89 trên môi trường thạch MRS (nuôi ở 37°C trong 48 – 72 giờ).
    • Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng cảm quan thực phẩm bằng phương pháp cho điểm thị hiếu: TCVN 3215 – 79 (thang điểm 20 bậc 5 điểm, gồm 4 chỉ tiêu với hệ số trọng lượng: Màu sắc = 0,8; Mùi = 1,0; Vị = 1,2; Trạng thái = 1,0; tổng hệ số trọng lượng = 4,0).
  • Phương pháp bố trí thí nghiệm: Bố trí thí nghiệm đơn yếu tố tuần tự trong điều kiện phòng thí nghiệm vô trùng với cỡ mẫu 100g gạo lứt/mẻ thí nghiệm.
  • Phương pháp xử lý số liệu: Phân tích phương sai (ANOVA) và thống kê mô tả trên phần mềm SPSS kết hợp Microsoft Excel 2010; so sánh sai biệt có ý nghĩa thống kê ở mức $\alpha = 0,05$.

Nội dung chính theo từng chương

Phần 1: Mở đầu

Trình bày tính cấp thiết của việc đa dạng hóa sản phẩm chế biến từ ngũ cốc tại Việt Nam, sự kết hợp giữa giá trị chữa bệnh của gạo lứt và hoạt tính sinh học có lợi cho đường tiêu hóa của vi khuẩn lactic. Xác lập rõ ràng mục tiêu, nhiệm vụ nghiên cứu và ý nghĩa khoa học trong việc làm chủ quy trình công nghệ tạo đồ uống chức năng lên men không qua nền sữa bò.

Phần 2: Tổng quan tài liệu

Hệ thống hóa toàn diện các tài liệu khoa học liên quan:

  • Đặc điểm phân loại, hình thái, nhu cầu dinh dưỡng (carbon, nitơ từ cao thịt/pepton, vitamin, khoáng chất) và động thái lên men của hệ vi khuẩn lactic (Lactobacillus bulgaricus, Streptococcus lactis, Streptococcus thermophilus).
  • Thành phần dinh dưỡng chi tiết của gạo lứt so sánh với gạo xát trắng: hàm lượng 16 loại acid amin (tiêu biểu như Acid Glutamic 13,69%, Leucine 8,61%, Valine 6,99%, Glycine 6,84%), hàm lượng khoáng tro (MgO 8,18%, $\text{P}_2\text{O}_5$ 0,81%, $\text{SiO}_2$ 0,31%).
  • Phân loại gạo lứt (gạo lứt tẻ, gạo lứt nếp) và tổng quan các phương thức chế biến truyền thống (bột rang, cháo, cơm gạo lứt, sữa gạo lứt).
  • Phân tích các nghiên cứu trong nước (quy trình sản xuất sữa chua uống, nghiên cứu đồ uống gạo lứt của Đại học Nông nghiệp 1) và quy trình sản xuất các sản phẩm lên men ngũ cốc quốc tế (nước uống Boza, Amazake lên men bằng Lactobacillus amylovorus, Sobia, nước yến mạch Oat, đồ uống Berief Reis của Đức).

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

Xây dựng sơ đồ quy trình công nghệ dự kiến và mô tả chi tiết 5 nội dung thí nghiệm:

  • Quy trình công nghệ dự kiến: Gạo lứt $\rightarrow$ Rửa sạch $\rightarrow$ Ngâm nước sạch $\rightarrow$ Gạn nước, nghiền nhỏ $\rightarrow$ Nấu theo tỷ lệ gạo:nước $\rightarrow$ Xay nhuyễn $\rightarrow$ Lọc qua vải vô trùng $\rightarrow$ Phối trộn đường $\rightarrow$ Thanh trùng ($95^\circ\text{C}$) $\rightarrow$ Làm nguội ($40^\circ\text{C}$) $\rightarrow$ Cấy giống Lactobacillus bulgaricus $\rightarrow$ Lên men $\rightarrow$ Bảo quản lạnh ($4 - 6^\circ\text{C}$) $\rightarrow$ Sản phẩm.
  • Bố trí các dãy nồng độ/thông số khảo sát: thời gian ngâm gạo (20, 22, 24, 26 giờ); tỷ lệ gạo : nước (1:80, 1:100, 1:120, 1:140, 1:160 g/ml); tỷ lệ đường bổ sung (3, 4, 5, 6, 7 g/100ml dịch gạo); tỷ lệ giống vi khuẩn (2, 3, 4, 5, 6%); nhiệt độ lên men (37, 39, 41, 43, 45°C); thời gian theo dõi bảo quản lạnh (5, 10, 15, 20 ngày).

Phần 4: Kết quả và thảo luận

Trình bày và biện giải các dữ liệu thực nghiệm qua từng thông số công nghệ:

1. Ảnh hưởng của thời gian ngâm gạo

Thời gian ngâm quyết định mức độ trương nở và nảy mầm để kích hoạt enzyme nội tại của hạt gạo lứt:

Công thức Thời gian ngâm (giờ) Điểm Mùi Điểm Vị Điểm Màu sắc Điểm Trạng thái Điểm tổng có hệ số
CT1 20 $2,86^a$ $2,57^a$ $2,86^a$ $2,71^a$ 10,94
CT2 22 $4,00^b$ $3,86^b$ $3,71^b$ $4,00^b$ 15,60
CT3 24 $3,00^a$ $3,00^a$ $2,71^a$ $2,71^a$ 11,48
CT4 26 $3,14^a$ $2,86^a$ $2,71^a$ $3,14^a$ 11,88

Nhận xét: Ngâm 22 giờ giúp hạt gạo đạt trạng thái sinh lý tối ưu, dịch sau nghiền đồng nhất, đạt điểm cảm quan cao nhất (15,60 điểm, xếp loại Khá). Ngâm ngắn hơn (20 giờ) hạt chưa đủ mềm, khi nghiền bị ráp; ngâm dài hơn (24 – 26 giờ) dịch gạo bị chua sớm do vi sinh vật tự nhiên phát triển.

2. Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn gạo : nước

Tỷ lệ nước quyết định cấu trúc dịch lỏng và khả năng phân tán của hệ nhũ tương:

Công thức Tỷ lệ gạo : nước (g/ml) pH ban đầu pH sau lên men Mật độ vi khuẩn lactic (CFU/ml) Cấu trúc sản phẩm Điểm cảm quan tổng hợp
CT5 1:80 5,45 3,60 $2,3 \times 10^8$ Hơi sệt 11,54
CT6 1:100 5,50 3,65 $2,8 \times 10^8$ Lỏng, đồng nhất 15,58
CT7 1:120 5,50 3,75 $2,7 \times 10^8$ Lỏng, dễ tách nước 11,60
CT8 1:140 5,60 3,88 $3,1 \times 10^8$ Rất lỏng, vị nhạt 11,65
CT9 1:160 5,46 3,90 $2,9 \times 10^8$ Rất lỏng, vị nhạt 11,58
Đối chứng Sữa chua uống Probi - 3,42 $2,5 \times 10^9$ Lỏng -

Nhận xét: Công thức CT6 (tỷ lệ 1:100) cho sản phẩm có cấu trúc bền vững, không bị phân tầng tách lớp, vị hài hòa, đạt điểm cảm quan 15,58.

3. Ảnh hưởng của tỷ lệ đường bổ sung

Đường saccharose cung cấp vị ngọt điều vị và là nguồn cơ chất bổ trợ:

Công thức Lượng đường bổ sung (g/100ml) pH trước lên men pH sau lên men Điểm cảm quan tổng hợp Đánh giá vị giác
CT10 3 5,60 3,60 10,04 Nhạt, chua rõ
CT11 4 5,65 3,65 11,60 Vị chưa hài hòa
CT12 5 5,68 3,62 12,71 Hơi nhạt
CT13 6 5,70 3,67 16,91 Chua ngọt hài hòa, thơm đặc trưng
CT14 7 5,73 3,76 13,01 Ngọt sắc, át mùi vị lên men

Nhận xét: Tỷ lệ đường 6g/100ml dịch gạo (CT13) cho điểm cảm quan cao nhất (16,91 điểm), tạo sự cân bằng hài hòa giữa độ ngọt và độ chua của acid lactic.

4. Ảnh hưởng của tỷ lệ giống cấy và động học pH

Khảo sát tỷ lệ giống Lactobacillus bulgaricus từ 2% đến 6% theo thời gian lên men:

Công thức Tỷ lệ giống (%) pH tại 0h pH sau 18h pH sau 24h pH sau 30h pH sau 36h Điểm cảm quan
CT15 2 5,44 3,96 3,90 3,70 3,69 9,40
CT16 3 5,47 3,90 3,85 3,60 3,60 10,20
CT17 4 5,48 3,90 3,84 3,54 3,53 11,06
CT18 5 5,50 3,80 3,50 3,50 3,51 15,20
CT19 6 5,45 3,75 3,49 3,49 3,49 12,60

Nhận xét: CT18 (tỷ lệ giống 5%) giúp dịch lên men đạt ngưỡng pH ổn định ($\approx 3,50$) ngay tại thời điểm 24 giờ, tối ưu thời gian sản xuất và tiết kiệm chi phí giống cấy. Mật độ vi khuẩn lactic sau lên men đạt $2,4 \times 10^9\text{ CFU/ml}$, tương đương với mẫu đối chứng thương mại sữa chua uống Probi ($2,5 \times 10^9\text{ CFU/ml}$, pH 3,42).

5. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên men

Nhiệt độ ủ quyết định hoạt lực sinh trưởng và tích tụ acid:

Công thức Nhiệt độ lên men (°C) Điểm Mùi Điểm Vị Điểm Màu sắc Điểm Trạng thái Điểm cảm quan tổng hợp
CT20 37 $2,86^a$ $2,57^a$ $2,71^a$ $2,57^a$ 10,68
CT21 39 $2,57^a$ $2,57^a$ $2,43^a$ $3,00^a$ 10,60
CT22 41 $2,71^a$ $2,71^a$ $2,57^a$ $2,71^a$ 10,73
CT23 43 $3,86^b$ $3,86^b$ $3,86^b$ $4,00^b$ 15,58
CT24 45 $3,00^a$ $2,86^a$ $2,43^a$ $2,86^a$ 11,24

Nhận xét: Nhiệt độ 43°C là nhiệt độ tối thích cho Lactobacillus bulgaricus, giúp sản phẩm đạt điểm chất lượng cảm quan cao nhất (15,58 điểm). Ở nhiệt độ thấp hơn ($37 - 41^\circ\text{C}$), tốc độ lên men chậm, mùi vị kém thơm; ở 45°C, quá trình lên men quá mạnh gây chua gắt.

6. Đánh giá chất lượng trong quá trình bảo quản lạnh (4 – 6°C)

Thời gian lưu trữ (ngày) Chỉ số pH Mật độ vi khuẩn lactic (CFU/ml) Đánh giá cảm quan
5 3,65 $1,93 \times 10^9$ Mùi vị đặc trưng, trạng thái đồng nhất
10 3,65 $1,68 \times 10^9$ Mùi vị đặc trưng, trạng thái đồng nhất
15 3,50 $1,57 \times 10^9$ Mùi vị đặc trưng, trạng thái đồng nhất
20 3,50 $1,67 \times 10^9$ Mùi vị đặc trưng, trạng thái đồng nhất

Nhận xét: Trong suốt 20 ngày lưu trữ ở $4 - 6^\circ\text{C}$, mật độ vi khuẩn lactic vẫn duy trì ở mức rất cao ($> 10^9\text{ CFU/ml}$), độ pH ổn định ($3,50 - 3,65$), trạng thái dịch lỏng không bị phân lớp tách nước hay biến tính cảm quan.

Phần 5: Kết luận và đề nghị

Tổng hợp toàn bộ các thông số công nghệ tối ưu đã chứng minh bằng thực nghiệm và nêu ra 3 kiến nghị mở rộng nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật chính

Khóa luận đã thiết lập được bộ thông số công nghệ đồng bộ để sản xuất đồ uống lên men lactic từ gạo lứt đỏ:

  • Thời gian ngâm gạo lứt: 22 giờ (ở nhiệt độ phòng).
  • Tỷ lệ phối trộn dịch nấu (Gạo : Nước): 1 : 100 (g/ml).
  • Tỷ lệ đường kính (Saccharose) bổ sung: 6 g / 100 ml dịch gạo.
  • Tỷ lệ cấy giống (Lactobacillus bulgaricus): 5% thể tích.
  • Nhiệt độ lên men thích hợp: 43°C.
  • Thời gian lên men đạt đỉnh ổn định: 24 – 30 giờ.
  • Chất lượng sản phẩm hoàn thiện: pH đạt 3,50; mật độ lợi khuẩn đạt $2,4 \times 10^9\text{ CFU/ml}$ (ngang ngửa với sản phẩm sữa chua men sống thương mại $2,5 \times 10^9\text{ CFU/ml}$); thời hạn bảo quản an toàn ở $4 - 6^\circ\text{C}$ đạt tối thiểu 20 ngày.

2. Đóng góp khoa học và thực tiễn

  • Về mặt thực tiễn: Đưa ra quy trình sản xuất chi tiết, có tính khả thi cao để chế biến đồ uống lên men sinh học từ nguồn nông sản gạo lứt sẵn có, không phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu sữa động vật, làm phong phú thêm các dòng sản phẩm đồ uống dinh dưỡng cho người ăn chay hoặc dị ứng đạm sữa.
  • Về mặt khoa học: Bổ sung dữ liệu thực nghiệm về động thái giảm pH, mật độ phát triển của chủng vi khuẩn thuần khiết Lactobacillus bulgaricus trên nền cơ chất dịch chiết gạo lứt nảy mầm và đánh giá độ bền cấu trúc dịch lên men ngũ cốc.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Căn cứ trên các hạn chế về thời gian và trang thiết bị thực tế được tác giả tự xác định, đề tài có các định hướng hoàn thiện sau:

  • Mở rộng khảo sát quy trình lên men trên các giống gạo lứt khác nhau (gạo lứt nếp, gạo lứt tím, gạo lứt đen, gạo lứt huyết rồng).
  • Tiến hành định lượng chi tiết hàm lượng các chất dinh dưỡng, hàm lượng vitamin nhóm B, acid amin hòa tan và hàm lượng acid lactic tự do sinh ra trong sản phẩm sau lên men.
  • Thử nghiệm sản xuất và đánh giá tính ổn định của quy trình công nghệ ở quy mô pilot và quy mô công nghiệp lớn hơn.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo chuyên môn thiết thực trong các lĩnh vực sau:

  • Sinh viên, học viên chuyên ngành Công nghệ thực phẩm, Công nghệ sinh học: Nguồn tài liệu tra cứu trực tiếp về phương pháp thiết kế thí nghiệm đơn yếu tố khảo sát công nghệ lên men thực phẩm, kỹ thuật pha chế môi trường MRS, kỹ thuật đếm khuẩn lạc theo TCVN 4886 – 89 và phương pháp đánh giá cảm quan thực phẩm theo TCVN 3215 – 79.
  • Kỹ sư công nghệ, cơ sở chế biến thực phẩm: Tham khảo quy trình công nghệ và các tỷ lệ phối chế nguyên liệu thực tế (tỷ lệ gạo:nước 1:100, đường 6%, giống 5%, nhiệt độ 43°C) để nghiên cứu phát triển các dòng sản phẩm đồ uống thực vật lên men probiotic.

Câu hỏi thường gặp

1. Chủng vi khuẩn nào được sử dụng trong khóa luận và mật độ đạt được sau lên men là bao nhiêu?
Trả lời: Khóa luận sử dụng chủng vi khuẩn thuần khiết Lactobacillus bulgaricus. Ở điều kiện lên men tối ưu (tỷ lệ giống 5%, nhiệt độ 43°C), mật độ vi khuẩn lactic trong sản phẩm đạt $2,4 \times 10^9\text{ CFU/ml}$, tương đương với mật độ vi khuẩn có trong sản phẩm đối chứng sữa chua uống Vinamilk Proby ($2,5 \times 10^9\text{ CFU/ml}$).

2. Vì sao thời gian ngâm gạo lứt 22 giờ lại cho kết quả cảm quan tốt nhất?
Trả lời: Thời gian ngâm 22 giờ ở nhiệt độ phòng giúp hạt gạo lứt đạt độ trương nở tối ưu và bắt đầu quá trình nảy mầm, kích hoạt các enzyme nội sinh tiết ra đường và vitamin từ lớp cám. Khi ngâm 20 giờ hạt chưa đủ mềm nên dịch xay bị ráp thô (điểm cảm quan 10,94); ngược lại ngâm kéo dài 24 – 26 giờ khiến hạt gạo bị lên men chua tự nhiên làm biến tính mùi vị (điểm cảm quan chỉ đạt 11,48 – 11,88).

3. Tỷ lệ phối trộn dịch gạo : nước và tỷ lệ đường bổ sung được chốt ở mức nào?
Trả lời: Tỷ lệ gạo : nước tối ưu là 1:100 (g/ml), cho cấu trúc đồ uống lỏng đồng nhất, liên kết pha bền vững và đạt điểm cảm quan 15,58. Tỷ lệ đường kính bổ sung tối ưu là 6 g / 100 ml dịch gạo, đạt điểm cảm quan cao nhất là 16,91 với vị chua ngọt hài hòa.

4. Khóa luận sử dụng tiêu chuẩn nào để đánh giá cảm quan sản phẩm?
Trả lời: Đề tài áp dụng phương pháp cho điểm tổng hợp chất lượng theo TCVN 3215 – 79 với hội đồng gồm 7 thành viên đã qua huấn luyện. Thang điểm 20 được tính dựa trên 4 chỉ tiêu có hệ số trọng lượng: Màu sắc (0,8), Mùi (1,0), Vị (1,2) và Trạng thái (1,0), tổng hệ số trọng lượng là 4,0.

5. Sản phẩm đồ uống gạo lứt lên men có thời gian bảo quản trong điều kiện lạnh là bao lâu?
Trả lời: Trong điều kiện bảo quản lạnh ở $4 - 6^\circ\text{C}$, sau 20 ngày theo dõi thực nghiệm, sản phẩm duy trì ổn định chỉ số pH ($3,50 - 3,65$), mật độ vi sinh vật đạt $1,67 \times 10^9\text{ CFU/ml}$, trạng thái đồng nhất không phân lớp, cho phép dự đoán hạn bảo quản an toàn trên 20 ngày.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Thị Dương đã nghiên cứu thực nghiệm thành công quy trình công nghệ chế biến sản phẩm đồ uống lên men lactic từ cơ chất gạo lứt đỏ sử dụng chủng vi khuẩn Lactobacillus bulgaricus. Bằng phương pháp bố trí thí nghiệm đơn yếu tố có xử lý thống kê, đề tài đã xác định chính xác các thông số kỹ thuật tối ưu gồm thời gian ngâm gạo 22 giờ, tỷ lệ gạo:nước 1:100, đường bổ sung 6%, tỷ lệ giống cấy 5% và nhiệt độ lên men 43°C trong thời gian 24 – 30 giờ. Sản phẩm tạo ra đạt chất lượng cảm quan loại Khá, có mật độ vi khuẩn lactic hữu ích đạt $2,4 \times 10^9\text{ CFU/ml}$ và duy trì độ ổn định trên 20 ngày khi bảo quản ở nhiệt độ 4 – 6°C.