Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Kem là một hệ thực phẩm đông lạnh phức tạp, gồm hỗn hợp của không khí, nước, chất béo sữa hoặc chất béo phi sữa, chất khô sữa không béo (MSNF), chất tạo ngọt, chất ổn định, chất nhũ hóa và hương liệu. Về mặt cấu trúc vi mô, kem chứa đồng thời ba trạng thái vật chất: pha rắn (tinh thể đá, cầu béo), pha khí (bọt khí) và pha lỏng liên tục (dung dịch đường, protein và hydrocolloid). Trong quá trình bảo quản và lưu thông phân phối, hiện tượng sốc nhiệt (biến thiên nhiệt độ) thường khiến các tinh thể đá nhỏ bị tan chảy và tái kết tinh thành các tinh thể đá lớn hơn trên bề mặt, làm suy giảm cấu trúc mịn màng và gây cảm giác lạo xạo khi thưởng thức. Để hạn chế sự phát triển của tinh thể đá và nâng cao độ bền tan chảy, các chất ổn định có nguồn gốc hydrocolloid (như guar gum, xanthan gum, gelatin, carrageenan, agar) thường được bổ sung với tỷ lệ từ 0% đến 0,3%.

Cây sầu riêng (Durio zibethinus, thuộc họ Bombacaceae) là cây ăn trái kinh tế quan trọng tại Việt Nam, đặc biệt là khu vực Tây Nguyên và Nam Bộ. Phần ăn được (cơm sầu riêng) chỉ chiếm khoảng 30% đến 35% tổng khối lượng quả; trong khi đó, hạt (chiếm 20% đến 25%) và vỏ (chiếm khoảng 50%) chủ yếu bị loại bỏ dưới dạng phế phụ phẩm nông nghiệp. Các nghiên cứu trước đây chỉ ra rằng hạt sầu riêng chứa hàm lượng lớn tinh bột (khoảng 18,92%), chất gôm polysaccharide (20% đến 25% w/w), chất xơ tiêu hóa (7,3%), cùng các hợp chất có hoạt tính sinh học (flavonoid, alkaloid, tannin, saponin) và có chỉ số đường huyết thấp (GI = 10,9). Tuy nhiên, hầu hết các ứng dụng trước đây chỉ dừng lại ở việc chiết tách riêng gôm hạt sầu riêng (durian seed gum) hoặc tinh bột, vốn đòi hỏi quy trình xử lý tách chiết phức tạp.

Đề tài khóa luận tốt nghiệp "Nghiên cứu bột hạt sầu riêng và ứng dụng trong kem" (Characterization of durian seed flour and application in ice cream) của sinh viên Phạm Ngọc Bảo Châu và Phạm Thị Thanh Nga, dưới sự hướng dẫn của TS. Vũ Trần Khánh Linh tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (2021), được thực hiện nhằm giải quyết vấn đề tận dụng toàn diện nguồn bột hạt sầu riêng (DSF) nguyên vẹn không qua tách chiết hóa chất để làm chất ổn định tự nhiên trong kem.

Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  1. Xác định thành phần hóa học cơ bản của bột hạt sầu riêng (DSF).
  2. Khảo sát ảnh hưởng của việc bổ sung DSF ở các nồng độ khác nhau (0%, 0,3%, 0,5%, 0,7% và 1,0%) đến đặc tính lưu biến của hỗn hợp kem (ICM) cũng như các đặc tính hóa học, vật lý và vi cấu trúc của sản phẩm kem thành phẩm.

Đối tượng nghiên cứu là hạt sầu riêng tươi thu mua tại chợ Nguyễn Tri Phương (TP.HCM) được chế biến thành bột hạt sầu riêng (DSF) và sản phẩm kem vị sầu riêng. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các phân tích hóa lý, lưu biến học và vi cấu trúc trong điều kiện phòng thí nghiệm của Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.


Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình tiếp cận

Khóa luận xây dựng trên nền tảng hóa keo và lưu biến học thực phẩm:

  • Cấu trúc và tính chất của hydrocolloid hạt sầu riêng: Polysaccharide trong hạt sầu riêng là các đại phân tử ưa nước, có khả năng hydrat hóa mạnh, tạo liên kết hydro với các phân tử nước tự do, từ đó làm tăng độ nhớt biểu kiến và hạn chế sự di chuyển của nước tự do trong quá trình đông lạnh.
  • Mô hình dòng chảy Ostwald-de Waele (Power Law): Được sử dụng để mô tả hành vi chảy phi Newton (shear-thinning/pseudoplastic) của hỗn hợp kem thông qua chỉ số độ nhớt ($K$) và chỉ số dòng chảy ($n$).
  • Lý thuyết lưu biến động học (Dynamic Rheology): Đánh giá đặc tính nhớt đàn hồi thông qua mô đun đàn hồi lưu trữ ($G'$) và mô đun tổn hao nhớt ($G''$) trong các phép đo quét tần số (frequency sweep).

Phương pháp nghiên cứu và chuẩn phân tích thực nghiệm

Nghiên cứu sử dụng các phương pháp phân tích tiêu chuẩn quốc tế và ngành:

Chỉ tiêu phân tích Phương pháp / Tiêu chuẩn áp dụng Nguyên lý kỹ thuật
Độ ẩm (Moisture) EVN-R-RD-2-TP-3496 Sấy ở 105°C trong 3 giờ đến khối lượng không đổi
Hàm lượng tro (Ash) EVN-R-RD-2-TP-3497 (FAO Food 14/7-1986) Nung trong lò nung ở 600°C qua đêm đến tro trắng
Chất béo trong bột DSF EVN-R-RD-2-TP-3498 (FAO Food 14/7-1986) Thủy phân bằng HCl 4 M, lọc qua Celite 545 và cát thạch anh, chiết Soxhlet
Chất béo trong kem ISO 7328:2008 (Rose-Gottlieb) Chiết bằng amoniac, ethanol, diethyl ether và petroleum ether
Protein trong bột DSF ISO 1871:2009 (Kjeldahl) Vô cơ hóa bằng $H_2SO_4$ đậm đặc, chưng cất kiềm và chuẩn độ bằng HCl (hệ số chuyển đổi 6,25)
Protein trong kem ISO 8968-1:2014 (Kjeldahl) Vô cơ hóa xúc tác $CuSO_4/K_2SO_4$, chưng cất amoniac và chuẩn độ HCl (hệ số chuyển đổi 6,38)
Xơ thô (Crude fibre) ISO 5498:1981 Thủy phân nối tiếp bằng $H_2SO_4$ 0,255 M và NaOH 0,313 M, lọc, sấy và nung
Carbohydrate tổng số AOAC 986.25 mod / Greenfield (2003) Tính bằng phương pháp sai số (100% trừ tổng ẩm, tro, béo, protein, xơ)
Lưu biến học hỗn hợp kem Steady shear & Dynamic oscillatory shear Đo độ nhớt biểu kiến, ứng suất cắt, quét tần số ($G', G''$) ở 5°C
Đặc tính vật lý kem Đo độ nở (Overrun), tốc độ tan chảy, độ cứng Xác định tỷ lệ tăng thể tích, thời gian giọt chảy đầu tiên và phân tích kết cấu
Vi cấu trúc (Microstructure) Kính hiển vi điện tử quét (SEM) Quan sát kích thước bọt khí và tinh thể đá ở độ phóng đại 150× và 200×

Dữ liệu thực nghiệm được lặp lại 3 lần và phân tích phương sai (ANOVA) bằng phần mềm SPSS để kiểm tra mức độ có ý nghĩa thống kê ($p < 0,05$).


Nội dung chính theo từng chương

Chapter 1: Introduction

Chương này nêu rõ cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài. Tác giả phân tích các thách thức kỹ thuật trong sản xuất kem, đặc biệt là hiện tượng mất ổn định cấu trúc do sốc nhiệt trong quá trình bảo quản. Chương 1 tổng kết thực trạng phế phẩm sầu riêng tại Việt Nam, qua đó xác định mục tiêu tận dụng bột hạt sầu riêng (DSF) làm phụ gia ổn định tự nhiên, giúp nâng cao giá trị gia tăng cho chuỗi nông sản và giảm thiểu chất thải môi trường.

Chapter 2: Literature Review

Chương 2 cung cấp tổng quan tài liệu về ba mảng nội dung chính:

  • Hạt sầu riêng và thành phần hóa học: Cấu trúc hình thái học hạt sầu riêng; các hợp chất chính gồm tinh bột (kích thước hạt 4–5 μm tương đương tinh bột gạo), chất nhầy/gôm hydrocolloid chứa galactose và protein; các hợp chất thứ cấp có hoạt tính sinh học.
  • Tổng quan về hydrocolloid/gôm thực phẩm: Phân loại gôm theo nguồn gốc (hạt, dịch tiết cây, vi sinh vật, rong biển), cấu trúc hóa học (galactomannan, glucomannan) và các yếu tố ảnh hưởng đến độ hòa tan, độ nhớt và tính chất lưu biến của dung dịch gôm.
  • Khoa học và công nghệ sản xuất kem: Vai trò chức năng của chất béo sữa, chất tạo ngọt, chất nhũ hóa và chất ổn định; cơ chế tương tác vi cấu trúc giữa pha bọt khí, pha tinh thể đá và pha nền lỏng; tổng quan các nghiên cứu sử dụng hydrocolloid tự nhiên và chất thay thế chất béo trong kem.

Chapter 3: Materials and Analysis Methods

Trình bày chi tiết quy trình chuẩn bị nguyên liệu và phương pháp bố trí thí nghiệm:

  • Quy trình chế biến DSF: Hạt sầu riêng tươi $\rightarrow$ rửa sạch $\rightarrow$ luộc ở 100°C trong 30 phút $\rightarrow$ bóc vỏ hạt $\rightarrow$ cắt nhỏ $\rightarrow$ sấy tủ ở nhiệt độ kiểm soát đến độ ẩm $< 12%$ $\rightarrow$ nghiền bột $\rightarrow$ rây qua lưới 1,0 mm $\rightarrow$ bảo quản.
  • Quy trình sản xuất kem: Phối trộn sữa tươi tiệt trùng Vinamilk không đường (38,61%–38,65%), lòng đỏ trứng O'lala (38,13%), đường (9,61%), whipping cream (9,61%), dịch chiết sầu riêng (3,85%) cùng DSF ở 5 tỷ lệ: S0 (0%), S03 (0,3%), S05 (0,5%), S07 (0,7%), S10 (1,0%). Hỗn hợp được khuấy đồng nhất, làm lạnh nhanh về 4°C, ủ chín (aging) ở 4°C trong 24 giờ, cấp đông bằng máy Fuxin ICM1000A trong 90 phút và làm cứng ở -18°C trong 24 giờ.
  • Hệ thống phương pháp thử nghiệm: Mô tả chi tiết từng bước thao tác theo các quy chuẩn ISO, AOAC, đo lưu biến và chụp ảnh SEM.
Sữa tươi, Trứng, Đường, Cream + DSF (0 - 1.0%)
               Khuấy đồng nhất
               Làm lạnh nhanh (4°C)
               Ủ chín (4°C, 24 giờ)
          Phối trộn dịch chiết sầu riêng
           Cấp đông mềm (Fuxin ICM1000A, 90 phút)
           Làm cứng và bảo quản (-18°C, 24 giờ)

Chapter 4: Results and Discussion

Chương 4 phân tích chi tiết các kết quả đạt được:

  • Thành phần hóa học của bột DSF: Xác định hàm lượng ẩm, tro, chất béo, protein, xơ thô và carbohydrate tổng số trong bột hạt sầu riêng sau sấy nghiền.
  • Đặc tính lưu biến của hỗn hợp kem (ICM): Phân tích đường cong chảy (viscosity vs shear rate), ứng suất cắt và các thông số mô hình Ostwald-de Waele. Khi tăng nồng độ DSF từ 0% lên 1,0%, độ nhớt biểu kiến tăng rõ rệt, tính chất shear-thinning thể hiện rõ. Thử nghiệm dao động động học (frequency sweep) chứng minh pha nền chuyển dần sang trạng thái đàn hồi chiếm ưu thế ($G' > G''$).
  • Thành phần hóa học và giá trị năng lượng của kem: Khảo sát sự thay đổi ẩm, chất khô, protein, lipid và carbohydrate theo tỷ lệ DSF bổ sung. Hàm lượng calo tổng thể có xu hướng giảm nhẹ, phù hợp với xu hướng thực phẩm tốt cho sức khỏe.
  • Đặc tính vật lý và cấu trúc của kem thành phẩm: Đánh giá độ nở (overrun), tốc độ tan chảy và độ cứng kết cấu. Mẫu bổ sung 1,0% DSF đạt độ nở cao nhất và độ bền tan chảy tốt nhất.
  • Quan sát vi cấu trúc (SEM): Ảnh SEM xác nhận mạng lưới hydrocolloid của DSF giúp phân tán bọt khí nhỏ mịn, đồng đều hơn và ngăn chặn sự tích tụ tinh thể đá lớn.

Chapter 5: Conclusions and Recommendations

Tổng kết các phát hiện chính về khả năng hoạt động của DSF như một chất ổn định tự nhiên đa chức năng trong sản xuất kem; đưa ra các khuyến nghị về việc tối ưu hóa tỷ lệ sử dụng và hướng nghiên cứu mở rộng trong tương lai.


Kết quả và đóng góp

Kết quả định lượng chính

  1. Thành phần nguyên liệu phối chế hỗn hợp kem:
Thành phần nguyên liệu (%) Mẫu S0 (Đối chứng) Mẫu S03 Mẫu S05 Mẫu S07 Mẫu S10
Sữa tươi tiệt trùng không đường 38,65 38,64 38,63 38,62 38,61
Bột hạt sầu riêng (DSF) 0,00 0,30 0,50 0,70 1,00
Lòng đỏ trứng 38,13 38,13 38,13 38,13 38,13
Đường 9,61 9,61 9,61 9,61 9,61
Whipping cream 9,61 9,61 9,61 9,61 9,61
Dịch chiết sầu riêng 3,85 3,85 3,85 3,85 3,85
  1. Ảnh hưởng của DSF đến các tính chất của hỗn hợp và kem thành phẩm:
  • Đặc tính lưu biến: Nồng độ DSF tăng làm tăng độ nhớt của hỗn hợp kem ở 5°C. Hỗn hợp thể hiện tính chất chất lỏng giả dẻo (pseudoplastic), với mô đun đàn hồi $G'$ cao hơn mô đun nhớt $G''$, chứng minh sự hình thành cấu trúc mạng gel liên kết yếu của hydrocolloid hạt sầu riêng.
  • Độ nở (Overrun): Mẫu bổ sung 1,0% DSF (S10) đạt giá trị độ nở cực đại, trong khi mẫu đối chứng (S0) có độ nở thấp nhất ($p < 0,05$). Mạng lưới gôm-tinh bột hỗ trợ giữ bọt khí tốt hơn trong quá trình cấp đông đánh xốp.
  • Khả năng chống tan chảy (Meltdown Resistance): Thời gian xuất hiện giọt tan chảy đầu tiên (first dripping time) của các mẫu chứa DSF kéo dài đáng kể so với mẫu đối chứng. Cấu trúc mạng hydrocolloid giữ nước hiệu quả, làm chậm quá trình truyền nhiệt và sụp đổ bọt khí.
  • Độ cứng kết cấu (Hardness): Độ cứng của kem tăng tỷ lệ thuận với nồng độ DSF do sự gia tăng hàm lượng chất khô và mạng lưới liên kết hydrocolloid.
  • Vi cấu trúc (SEM): Hình ảnh SEM (độ phóng đại 150× và 200×) cho thấy ở nồng độ 1,0% DSF, các bọt khí có kích thước nhỏ hơn và phân bố đồng đều hơn, đồng thời hạn chế sự phát triển của các tinh thể đá lớn.
  • Giá trị dinh dưỡng: Việc bổ sung DSF làm giảm hàm lượng năng lượng (calo) tổng thể của kem, mang lại lợi ích cho định hướng sản phẩm thực phẩm lành mạnh.

Đóng góp thực tiễn và khoa học

  • Chứng minh tính khả thi của việc sử dụng trực tiếp bột hạt sầu riêng nguyên thể (DSF) thay vì phải qua quy trình chiết tách gôm tinh khiết tốn kém hóa chất và năng lượng.
  • Cung cấp dữ liệu thực nghiệm toàn diện về sự tương tác giữa tinh bột/gôm hạt sầu riêng với hệ nhũ tương kem sữa truyền thống.
  • Đề xuất giải pháp gia tăng giá trị cho phụ phẩm chế biến sầu riêng tại Việt Nam, góp phần giảm thiểu rác thải hữu cơ trong công nghiệp chế biến trái cây.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Nghiên cứu được tiến hành ở quy mô phòng thí nghiệm với thiết bị cấp đông mẻ nhỏ (batch freezer), chưa khảo sát trên dây chuyền cấp đông liên tục công nghiệp. Công thức kem tập trung vào một hệ nền phối chế cụ thể (có sử dụng lòng đỏ trứng và kem tươi).
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Khảo sát độ ổn định vi sinh và biến đổi chất lượng cảm quan của kem bổ sung DSF trong thời gian bảo quản đông lạnh kéo dài (shelf-life testing).
    • Tối ưu hóa điều kiện tiền xử lý nhiệt và nghiền hạt sầu riêng để thu được kích thước hạt bột mịn hơn, tăng cường độ hòa tan.
    • Nghiên cứu khả năng thay thế một phần chất béo sữa bằng DSF trong các dòng sản phẩm kem ít béo (low-fat ice cream).

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên và học viên ngành Công nghệ Thực phẩm, Kỹ thuật Hóa học: Tham khảo quy trình phân tích lưu biến học thực phẩm (steady/dynamic shear), phương pháp phân tích vi cấu trúc bằng SEM và các tiêu chuẩn kiểm nghiệm hóa lý kem (ISO, AOAC, FAO).
  • Các nhóm nghiên cứu về phụ phẩm nông nghiệp: Kế thừa phương pháp chế biến và đánh giá chức năng của bột hạt chứa hydrocolloid tự nhiên.
  • Bộ phận R&D tại các doanh nghiệp chế biến sữa và đồ tráng miệng đông lạnh: Ứng dụng bột hạt sầu riêng như một chất ổn định nhãn sạch (clean-label stabilizer) và chất hỗ trợ cải thiện cấu trúc kem.

Câu hỏi thường gặp

1. Bột hạt sầu riêng (DSF) được chế biến như thế nào trước khi đưa vào phối chế kem?
Hạt sầu riêng tươi được rửa sạch, luộc trong nước sôi 100°C trong khoảng 30 phút, bóc bỏ lớp vỏ ngoài, cắt thành miếng nhỏ rồi sấy trong tủ sấy đến khi độ ẩm dưới 12%. Sau đó, nguyên liệu được nghiền thành bột mịn và rây qua lưới rây kích thước lỗ 1,0 mm.

2. Khóa luận khảo sát những mức nồng độ bổ sung DSF nào vào kem?
Nghiên cứu khảo sát 5 nồng độ DSF gồm: 0% (mẫu đối chứng S0), 0,3% (S03), 0,5% (S05), 0,7% (S07) và 1,0% (S10).

3. Việc bổ sung DSF ảnh hưởng như thế nào đến độ nhớt và lưu biến của hỗn hợp kem?
Khi tăng nồng độ DSF từ 0% đến 1,0%, độ nhớt biểu kiến của hỗn hợp kem tăng lên rõ rệt, hỗn hợp thể hiện tính chất dòng chảy giả dẻo (shear-thinning). Phép đo dao động động học cho thấy mô đun đàn hồi ($G'$) vượt trội so với mô đun nhớt ($G''$), thể hiện hành vi đàn hồi chiếm ưu thế do sự hình thành mạng lưới hydrocolloid.

4. Mẫu kem bổ sung tỷ lệ DSF nào cho thấy khả năng chống tan chảy và độ nở tốt nhất?
Mẫu bổ sung 1,0% DSF (S10) đạt độ nở (overrun) cao nhất và có khả năng chống tan chảy tốt nhất, thể hiện qua thời gian xuất hiện giọt tan chảy đầu tiên kéo dài nhất so với mẫu đối chứng và các nồng độ thấp hơn ($p < 0,05$).

5. Kết quả chụp kính hiển vi điện tử quét (SEM) cho thấy điều gì về cấu trúc kem chứa DSF?
Ảnh SEM ở độ phóng đại 150× và 200× cho thấy mẫu kem chứa 1,0% DSF tạo ra các bọt khí có kích thước nhỏ hơn, phân bố đồng đều hơn trong pha nền và hạn chế sự hình thành, phát triển của các tinh thể đá lớn trong quá trình cấp đông và bảo quản.


Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của nhóm tác giả Phạm Ngọc Bảo Châu và Phạm Thị Thanh Nga đã chứng minh tiềm năng ứng dụng của bột hạt sầu riêng (DSF) như một chất ổn định tự nhiên hiệu quả trong sản xuất kem. Việc bổ sung DSF ở nồng độ lên đến 1,0% giúp cải thiện độ nhớt của hỗn hợp kem, gia tăng độ nở, nâng cao độ bền tan chảy và tạo ra vi cấu trúc bọt khí mịn màng, ngăn ngừa tái kết tinh đá. Kết quả nghiên cứu mở ra hướng đi thực tiễn trong việc tận dụng phế phụ phẩm hạt sầu riêng, mang lại lợi ích kép về mặt kinh tế nông sản và bảo vệ môi trường.