Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành sản xuất bánh kẹo giữ vai trò quan trọng trong nền kinh tế thực phẩm nhờ đáp ứng nhu cầu ẩm thực đa dạng và mang lại giá trị thương mại cao. Theo các dữ liệu ngành được trình bày trong đồ án, thị trường bánh kẹo Việt Nam có tỷ trọng tiêu thụ nội địa chiếm khoảng 80% thị phần, với sự tham gia của nhiều doanh nghiệp lớn như Kinh Đô, Bibica, Vinabico, Hải Châu, Hữu Nghị và Công ty Cổ phần Bánh kẹo Hải Hà (HAIHACO). Trong các nhóm sản phẩm bánh kẹo, dòng kẹo dẻo jelly ghi nhận tốc độ tăng trưởng nhanh chóng; điển hình tại HAIHACO năm 2006, nhóm hàng kẹo jelly đã mang lại 28,6 tỷ đồng doanh thu và 1,3 tỷ đồng lợi nhuận.

Cây dâu tằm (Morus spp.) là loài cây trồng nhiệt đới thích nghi tốt với điều kiện thổ nhưỡng tại Việt Nam, đặc biệt phân bố tập trung tại vùng Lâm Đồng. Tuy nhiên, nguồn nguyên liệu dâu tằm trong nước chủ yếu được khai thác phần lá để phục vụ nghề nuôi tằm; phần quả chín chỉ mới được chế biến ở quy mô thủ công gia đình dưới dạng mứt dâu, rượu dâu hoặc nước cốt dâu, chưa được khai thác đồng bộ ở quy mô công nghiệp để sản xuất kẹo. Việc nghiên cứu ứng dụng dịch quả dâu tằm vào quy trình sản xuất kẹo jelly là hướng tiếp cận nhằm nâng cao giá trị thương phẩm của nông sản địa phương.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể gồm:

  1. Mục tiêu tổng quát: Tận dụng nguồn nguyên liệu dâu tằm dồi dào, giá thành thấp để tạo ra dòng sản phẩm kẹo jelly mang hương vị tự nhiên đặc trưng, góp phần làm phong phú chủng loại kẹo mềm trên thị trường.
  2. Nhiệm vụ nghiên cứu:
    • Hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về nguyên liệu dâu tằm, đường, chất tạo đông tụ (pectin, gelatin) và phụ gia sản xuất kẹo.
    • Khảo sát các thông số kỹ thuật tối ưu cho quá trình trích ly dịch dâu tằm (tỷ lệ dâu : đường, nhiệt độ trích ly, thời gian trích ly).
    • Khảo sát và xác định công thức phối chế kẹo jelly (chọn loại và tỷ lệ pectin, gelatin, đường saccharose, mạch nha, lượng nước và lượng dịch trích dâu).
    • Xây dựng quy trình công nghệ chế biến kẹo jelly dâu tằm hoàn chỉnh và bước đầu đánh giá chất lượng sản phẩm (hóa lý, vi sinh, cảm quan).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Quả dâu tằm tươi (Morus berry) thu nhận tại khu vực Bảo Lộc – Lâm Đồng (độ ẩm 88,7%, hàm lượng chất khô hòa tan 8,5 °Bx), đường saccharose RE Biên Hòa, mạch nha Bibica (75 °Bx, DE 45, pH 5,0), các loại chất tạo gel pectin (pectin thương mại, pectin AB 908, pectin OB 800) và gelatin (Rousselot 250 PS30 độ nhớt 325,5 mPa.s, gelatin E150, gelatin thương mại).
  • Thời gian và địa điểm thực hiện: Từ ngày 18/05/2009 đến ngày 31/07/2009 tại Phòng thí nghiệm Công nghệ Thực phẩm, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP.HCM và Phòng Hóa lý thuộc Phân xưởng Kẹo, Công ty Cổ phần Bánh kẹo Bibica.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của nghiên cứu dựa trên các nguyên lý hóa học thực phẩm và kỹ thuật sản xuất bánh kẹo:

  • Khái niệm và cấu trúc kẹo: Kẹo được định nghĩa là một hệ vô định hình, quá bão hòa, không kết tinh của dung dịch đường đun sôi. Trạng thái dẻo đàn hồi của kẹo jelly hình thành nhờ mạng lưới không gian ba chiều của các đại phân tử hydrocolloid giam giữ pha lỏng chứa dung dịch đường và mật tinh bột.
  • Hóa học chất tạo ngọt: Phân tử đường saccharose ($C_{12}H_{22}O_{11}$, điểm nóng chảy 186–188 °C) dễ hòa tan trong nước và tăng độ tan theo nhiệt độ (từ 179,20 g/100g nước ở 0 °C lên 487,20 g/100g nước ở 100 °C). Phản ứng nghịch đảo đường tạo ra hỗn hợp D-glucose và D-fructose dưới tác dụng của nhiệt độ và acid hữu cơ giúp ngăn ngừa hiện tượng "lại đường" (kết tinh saccharose), nhưng nếu nồng độ đường khử quá cao sẽ làm kẹo hút ẩm và chảy rữa. Mạch nha (mật tinh bột) cung cấp chỉ số DE (Dextrose Equivalent) kiểm soát độ nhớt, ngăn chặn kết tinh và đóng vai trò là chất độn cấu trúc.
  • Cơ chế tạo gel của hydrocolloid:
    • Pectin: Polysaccharide dị thể chứa các gốc acid D-galacturonic liên kết $\alpha$-(1,4)-glycoside. Nhóm pectin có độ methoxyl hóa cao (HMP, $DE > 50%$, $MI > 7%$) tạo gel nhờ liên kết hydro giữa các chuỗi polymer trong điều kiện nồng độ đường cao ($> 50%$) và môi trường acid ($pH = 3,4 - 3,8$). Nhóm pectin có độ methoxyl hóa thấp (LMP, $DE \le 50%$, $MI < 7%$) tạo gel thông qua liên kết chéo với ion $Ca^{2+}$.
    • Gelatin: Protein dạng chuỗi xoắn ốc dẫn xuất từ collagen (chứa 18 acid amin, giàu glycine, proline và hydroxyproline), có nhiệt độ nóng chảy thấp (27–34 °C) và khả năng chuyển đổi trạng thái sol-gel thuận nghịch khi thay đổi nhiệt độ, giúp kẹo có độ mềm dẻo đặc trưng.
  • Sinh học và hóa học quả dâu tằm: Quả dâu tằm thuộc chi Morus, họ Moraceae, là dạng quả phức mọng nước giàu đường khử, acid hữu cơ (acid malic, acid citric), tannin, vitamin C và các hợp chất màu tự nhiên anthocyanin.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:

  • Bố trí thí nghiệm đơn yếu tố (single-factor experiments) theo trình tự khối ngẫu nhiên nhằm khảo sát tuần tự các thông số trích ly và các cấu phần trong công thức kẹo.
  • Phương pháp phân tích hóa lý: Xác định hàm lượng chất khô hòa tan bằng khúc xạ kế ATAGO (°Bx), kiểm soát độ pH bằng máy đo pH Walklab, đo độ ẩm nguyên liệu bằng phương pháp sấy đến khối lượng không đổi.
  • Phương pháp đánh giá cảm quan: Sử dụng phép thử cho điểm cảm quan theo các chỉ tiêu màu sắc, mùi, vị, trạng thái cấu trúc (độ dai, độ dẻo đàn hồi).
  • Nguồn dữ liệu: Toàn bộ số liệu thực nghiệm được thu thập trực tiếp trong quá trình triển khai tại phòng thí nghiệm công nghệ thực phẩm và phân xưởng kẹo Bibica.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Đặt vấn đề

Chương 1 làm rõ tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ nhu cầu thực tế của thị trường bánh kẹo nội địa và tiềm năng chưa được khai thác của nguồn nguyên liệu dâu tằm tại Lâm Đồng. Tác giả đặt ra 2 mục đích cốt lõi, 4 yêu cầu nhiệm vụ cần hoàn thành và chỉ rõ giới hạn nghiên cứu: thực hiện trong quy mô phòng thí nghiệm, chưa đánh giá thị hiếu người tiêu dùng trên diện rộng và một số thông số kỹ thuật chưa được tối ưu hóa toàn diện trên dây chuyền công nghiệp.

Chương 2: Tổng quan

Chương 2 tổng hợp cơ sở lý luận chuyên ngành về bánh kẹo và nguyên liệu:

  • Lịch sử phát triển kẹo từ thời kỳ Ai Cập cổ đại (3500 năm trước), bước ngoặt thương mại hóa đường tại Ba Tư (Persia) thế kỷ XVI đến sản xuất công nghiệp hiện đại.
  • Giá trị dinh dưỡng của kẹo: Cung cấp năng lượng qua glucid (4,22 kcal/g), lipid (9,3 kcal/g), cung cấp protein (albumin lòng trắng trứng, gelatin) và các vi chất khoáng, vitamin từ dịch quả.
  • Bảng phân loại kỹ thuật giữa ba nhóm kẹo chính:
Chỉ tiêu Kẹo cứng Kẹo mềm Kẹo dẻo (Jelly)
Độ ẩm $\le 3%$ $4 - 5%$ $5 - 20%$
Cấu trúc Cứng giòn, trong suốt Mềm hoặc mềm xốp, đục/trong Mềm dẻo, đàn hồi cao
Nguyên liệu chính Đường saccharose Đường saccharose, chất tạo đông Đường saccharose, chất tạo keo
Nguyên liệu phụ Mạch nha, acid citric, đường khử Nha, đường khử, chất béo, sữa, acid Nha, đường khử, dịch quả, acid
Nguyên lý sản xuất Phá vỡ tinh thể, vô định hình hóa Tạo khối keo, đánh trộn tạo xốp Tạo khối keo đông có tính đàn hồi cao
  • Các tiêu chuẩn chất lượng nguyên liệu: Yêu cầu đường saccharose có độ tinh khiết $\ge 99,7%$, ẩm $\le 0,15%$, tro $\le 0,15%$; mạch nha đạt nồng độ chất khô $75 - 85%$, đường khử $35 - 40%$, pH $4,8 - 5,5$; gelatin có hàm lượng protein $84 - 90%$, tro $\le 2%$, năng lực đông tụ $> 300\text{ g}$.
  • Tổng quan về thực vật học dâu tằm: Phân loại học, đặc điểm hình thái và phân bố của các loài Morus alba, Morus nigra, Morus rubra; kỹ thuật canh tác, mùa vụ thu hoạch (tháng 3 – tháng 5) và các sản phẩm chế biến truyền thống (rượu vang dâu, mứt dâu, nước cốt dâu).

Chương 3: Phương pháp nghiên cứu

Chương 3 trình bày chi tiết vật liệu, thiết bị, quy trình dự kiến và các sơ đồ bố trí thí nghiệm:

  • Bảng thông số nguyên liệu đầu vào: Dâu tằm tươi đạt 8,5 °Bx và độ ẩm 88,7%; mạch nha Bibica 75 °Bx, DE 45, pH 5,0; gelatin Rousselot 250 PS30 xuất xứ Ý có độ nhớt 325,5 mPa.s.
  • Công thức phối chế dự kiến ban đầu:
Nguyên liệu Khối lượng (g) Tỷ lệ (%)
Đường saccharose 60,0 30,41
Mạch nha 50,0 25,34
Nước 50,0 25,34
Nước cốt dâu tằm 20,0 10,14
Gelatin 13,0 6,59
Pectin 3,0 2,03
Hương dâu tằm 0,3 0,15
Tổng cộng 196,3 100,00
  • Trình tự quy trình công nghệ dự kiến:
    1. Trích ly dâu tằm: Dâu tươi trộn đường saccharose, dầm cơ học, gia nhiệt giữ nhiệt độ ổn định, lọc qua rây kích thước lỗ $0,63\text{ mm}$ để loại bã lớn và giữ lại thịt quả mịn.
    2. Chuẩn bị dịch keo: Pectin trộn khô với đường (tỷ lệ 1:5), hòa tan với nước gấp 4 lần lượng pectin ở 70–75 °C trong 8–10 phút, để yên 2 giờ cho trương nở hoàn toàn. Gelatin ngâm nước ấm ($\le 50\text{ }^\circ\text{C}$, tỷ lệ nước:gelatin là 2:1) trong 30 phút, nấu cách thủy dưới 80 °C cho tan hết, để yên 5 phút vớt bọt.
    3. Nấu syrup: Hòa tan đường và mạch nha với nước, nấu ở áp suất thường đến 115–120 °C (kết thúc ở 117 °C), nồng độ chất khô đạt 75–80 °Bx.
    4. Phối trộn và cô đặc lại: Hạ lửa, bổ sung dịch dâu và dịch pectin vào syrup, nâng nhiệt lên 105–110 °C trong 3–5 phút để cô đặc đến nồng độ chất khô 82–85 °Bx.
    5. Làm nguội và phối trộn phụ gia: Làm nguội khối kẹo về 80 °C, phối trộn dịch gelatin và hương dâu tằm.
    6. Rót khuôn và ổn định: Rót kẹo vào khuôn bột bắp đã sấy khô, chuyển vào phòng lạnh 20–25 °C giữ ổn định 20–24 giờ (ổn định 1), tách kẹo khỏi khuôn, làm sạch bột, tiếp tục giữ ổn định 18–20 giờ (ổn định 2) ở 20–25 °C trước khi áo đường/áo dầu và bao gói.

Chương 4: Kết quả và bàn luận

Chương 4 thể hiện toàn bộ các kết quả thực nghiệm khảo sát qua các đồ thị và biểu đồ so sánh:

  • Khảo sát các thông số quá trình trích ly dịch dâu tằm: So sánh các tỷ lệ dâu tằm : đường, dải nhiệt độ trích ly và các mốc thời gian trích ly nhằm thu được dịch chiết có hàm lượng chất khô hòa tan cao, giữ được màu sắc đỏ tím và hương thơm tự nhiên của quả.
  • Khảo sát loại phụ gia tạo gel: Đánh giá so sánh cấu trúc gel giữa các mẫu pectin (pectin thương mại, AB 908, OB 800) và các mẫu gelatin (Rousselot 250 PS30, E150, gelatin thương mại), xác định loại phụ gia cho độ bền gel và độ trong thích hợp nhất.
  • Khảo sát thành phần công thức phối chế: Xác định ảnh hưởng của lượng đường, lượng mạch nha, lượng nước hòa tan, lượng dịch trích dâu tằm bổ sung và tỷ lệ phối hợp tối ưu giữa hệ gel hỗn hợp (pectin, gelatin) đến độ cứng, độ dẻo dai và tính cảm quan của viên kẹo.
  • Đề xuất quy trình công nghệ chế biến kẹo jelly dâu tằm hoàn chỉnh dựa trên các thông số tối ưu thu được từ thực nghiệm.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính của đồ án bao gồm:

  • Xác lập được các thông số kỹ thuật cho quá trình trích ly dịch quả dâu tằm bằng dung môi đường saccharose kết hợp tác động cơ học và lọc qua rây $0,63\text{ mm}$.
  • Xác định được chủng loại chất tạo gel phù hợp, kết hợp hiệu quả giữa pectin (tạo độ cứng khung gel trong môi trường acid nhẹ của dịch dâu) và gelatin (tạo độ đàn hồi mềm dẻo, ngăn ngừa hiện tượng hồi đường).
  • Xác lập chế độ công nghệ cho các công đoạn sản xuất kẹo jelly: Chế độ hòa tan và nấu syrup ở 115–120 °C (kết thúc ở 117 °C); chế độ phối trộn dịch dâu và pectin rồi cô đặc lần hai ở 105–110 °C đạt 82–85 °Bx; chế độ kiểm soát nhiệt độ phối trộn gelatin nghiêm ngặt dưới 80 °C để bảo vệ cấu trúc protein; chế độ ổn định hai giai đoạn trong phòng lạnh 20–25 °C (20–24 giờ trong khuôn và 18–20 giờ sau khi tách khuôn).
  • Hoàn thiện sơ đồ quy trình công nghệ chế biến sản phẩm kẹo jelly dâu tằm hoàn chỉnh ở quy mô phòng thí nghiệm.

Đóng góp của nghiên cứu:

  • Cung cấp dữ liệu thực nghiệm về việc ứng dụng quả dâu tằm tươi Lâm Đồng vào chế biến công nghiệp kẹo mềm dẻo, mở rộng hướng tiêu thụ quả dâu ngoài các dạng sản phẩm truyền thống như mứt và nước cốt.
  • Thiết lập công thức phối chế kết hợp hai hệ hydrocolloid (pectin và gelatin) phù hợp với dịch trích dâu tự nhiên, đảm bảo độ hài hòa về vị chua ngọt và cấu trúc dẻo dai của sản phẩm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Nghiên cứu chỉ dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm của trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP.HCM, các thông số kỹ thuật của một số quá trình chưa được tối ưu hóa và kiểm chứng trên dây chuyền thiết bị công nghiệp liên tục.
  • Sản phẩm chưa được tiến hành khảo sát, đánh giá thị hiếu người tiêu dùng trên quy mô thị trường rộng rãi để xác định mức độ chấp nhận sản phẩm của các nhóm khách hàng khác nhau.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Tiến hành tối ưu hóa đa yếu tố các thông số quy trình trích ly và phối chế trên các phần mềm tối ưu hóa chuyên dụng.
  • Nghiên cứu kéo dài thời hạn bảo quản, khảo sát sự biến đổi chất lượng sản phẩm (độ ẩm, độ cứng, sự oxy hóa màu sắc) theo các loại vật liệu bao bì và điều kiện tồn trữ khác nhau.
  • Thử nghiệm sản xuất trên quy mô pilot và mở rộng khảo sát thị hiếu thị trường tiêu dùng.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án có giá trị tham khảo chuyên môn đối với:

  • Sinh viên, học viên ngành Công nghệ Thực phẩm, Kỹ thuật Hóa học tham khảo phương pháp bố trí thí nghiệm khảo sát quy trình trích ly dịch quả và công nghệ sản xuất kẹo dẻo/jelly.
  • Các cán bộ nghiên cứu và phát triển sản phẩm (R&D) tại các doanh nghiệp bánh kẹo tham khảo thông số kỹ thuật phối chế hệ keo đông tụ (gelatin kết hợp pectin) và quy trình xử lý dịch quả nhiệt đới trong công nghệ kẹo dẻo.
  • Các cơ sở chế biến nông sản tại địa phương (đặc biệt vùng Lâm Đồng) tham khảo mô hình công nghệ nhằm đa dạng hóa sản phẩm chế biến từ quả dâu tằm.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao quy trình công nghệ yêu cầu nhiệt độ phối trộn gelatin phải duy trì dưới 80 °C?

Gelatin là protein cao phân tử có các liên kết hydro tạo cấu trúc xoắn ốc giữ nước. Nếu đun nóng hoặc phối trộn ở nhiệt độ vượt quá 80 °C, các chuỗi polypeptide của gelatin sẽ bị biến tính và phân cắt nhiệt nghiêm ngặt, làm suy giảm hoặc mất hoàn toàn năng lực đông tụ và độ nhớt khi làm nguội, khiến kẹo không thể hình thành cấu trúc đàn hồi mong muốn.

2. Sự khác nhau về cơ chế tạo gel giữa pectin HMP và pectin LMP được đồ án trình bày như thế nào?

Pectin HMP (High Methoxyl Pectin, $DE > 50%$, $MI > 7%$) tạo gel thông qua các liên kết hydro giữa các nhóm hydroxyl và carboxyl trong điều kiện nồng độ đường cao ($> 50%$) và pH acid ($3,4 - 3,8$). Trong khi đó, pectin LMP (Low Methoxyl Pectin, $DE \le 50%$, $MI < 7%$) tạo gel nhờ các liên kết ion dạng "hộp trứng" với các ion kim loại hóa trị hai (đặc biệt là $Ca^{2+}$), có khả năng tạo gel ngay cả khi không có mặt của đường và acid.

3. Mục đích của việc ổn định kẹo jelly qua 2 giai đoạn riêng biệt là gì?

Giai đoạn ổn định 1 (giữ trong khuôn bột bắp ở 20–25 °C trong 20–24 giờ) giúp mạng lưới gel gelatin - pectin đông tụ hoàn toàn và cố định hình dạng viên kẹo. Giai đoạn ổn định 2 (sau khi tách kẹo khỏi khuôn và làm sạch bột, tiếp tục để ở 20–25 °C trong 18–20 giờ) nhằm giúp độ ẩm của viên kẹo đạt trạng thái cân bằng bề mặt, ổn định độ dẻo dai và tránh hiện tượng dính hoặc biến dạng trước khi thực hiện áo đường/áo dầu và bao gói kín.

4. Quá trình trích ly dịch dâu tằm sử dụng dung môi và dụng cụ phân tách nào?

Quá trình trích ly dịch dâu tằm trong đồ án sử dụng dung môi là đường saccharose kết hợp tác động dầm cơ học và gia nhiệt. Sau khi kết thúc quá trình trích ly, hỗn hợp được phân tách bằng rây lọc có kích thước mắt lưới $0,63\text{ mm}$ để loại bỏ phần bã quả thô lớn, đồng thời giữ lại một phần thịt quả mịn trong dịch trích nhằm tạo mùi vị và trạng thái tự nhiên cho sản phẩm kẹo.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu chế biến sản phẩm kẹo jelly dâu tằm" của tác giả Đỗ Thị Lan đã giải quyết thành công bài toán tận dụng nguồn nguyên liệu dâu tằm tươi Bảo Lộc – Lâm Đồng để tạo ra sản phẩm kẹo jelly có chất lượng cảm quan tốt. Nghiên cứu đã xác lập quy trình công nghệ gồm các công đoạn trích ly dịch dâu bằng đường saccharose, chuẩn bị hệ dịch keo kép pectin - gelatin, nấu syrup đạt 82–85 °Bx và quy trình ổn định nhiệt độ hai giai đoạn. Các kết quả thực nghiệm đóng vai trò là tài liệu kỹ thuật hữu ích cho công tác nghiên cứu, đào tạo công nghệ thực phẩm và phát triển sản phẩm chế biến từ nông sản nhiệt đới.