Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sữa lên men Kefir là một sản phẩm thực phẩm probiotic truyền thống có lịch sử lâu đời, được hình thành từ quá trình lên men cộng sinh giữa vi khuẩn lactic và nấm men trong hạt Kefir. Khác với sữa chua truyền thống (yaourt), Kefir chứa hệ vi sinh vật đa dạng, sản sinh đồng thời acid lactic, một lượng nhỏ ethanol, khí carbon dioxide ($CO_2$) và các hợp chất sinh học có lợi như polysaccharide Kefiran. Các nghiên cứu dinh dưỡng và y học đã chứng minh Kefir có tác dụng hỗ trợ tiêu hóa, kháng khuẩn, điều hòa huyết áp, giảm cholesterol huyết thanh và hỗ trợ tăng cường hệ miễn dịch. Tuy nhiên, tại thị trường Việt Nam vào thời điểm nghiên cứu (năm 2010), sản phẩm sữa chua Kefir vẫn còn mới lạ đối với đa số người tiêu dùng.

Cà rốt (Daucus carota) là nguồn nguyên liệu thực vật giàu dinh dưỡng, chứa hàm lượng lớn hợp chất chống oxy hóa $\beta$-carotene (tiền vitamin A), các vitamin nhóm B, C, E, K, chất khoáng và chất xơ hòa tan. Việc kết hợp sữa lên men Kefir với dịch cà rốt cô đặc nhằm đa dạng hóa sản phẩm sữa chua, tạo màu sắc và hương vị hài hòa, nâng cao giá trị thương mại và giá trị dinh dưỡng cho sản phẩm.

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Kim Ngân, dưới sự hướng dẫn của Th.S Vương Thị Việt Hoa tại Khoa Công nghệ Thực phẩm – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP. HCM, được thực hiện nhằm giải quyết các yêu cầu công nghệ sau:

  1. Khảo sát ảnh hưởng của chế độ xử lý hạt sau lọc đến tốc độ nhân sinh khối của hạt Kefir.
  2. Khảo sát ảnh hưởng của quá trình có sục khí và không sục khí đến tốc độ tăng sinh khối của hạt Kefir.
  3. Khảo sát các phương pháp bảo quản hạt Kefir.
  4. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ men cái Starter Kefir đến quá trình lên men sữa.
  5. Khảo sát tỷ lệ phối trộn dịch cà rốt cô đặc với đường ($69^\circ\text{Bx}$) vào sữa chua Kefir.
  6. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng gelatin (%) đến chất lượng cảm quan và thời gian tách lớp của sản phẩm.
  7. Khảo sát thời gian bảo quản sản phẩm ở điều kiện nhiệt độ thấp.
  8. Xây dựng quy trình chế biến hoàn chỉnh và đánh giá chất lượng cảm quan, chỉ tiêu vi sinh của sản phẩm theo tiêu chuẩn quy định.

Đối tượng nghiên cứu bao gồm hạt giống Kefir, sữa tươi tiệt trùng Vinamilk, cà rốt tươi chế biến thành dịch cô đặc đạt độ khô $69^\circ\text{Bx}$ và phụ gia tạo gel gelatin. Không gian nghiên cứu được tiến hành tại Phòng thí nghiệm Kỹ thuật Thực phẩm và Phòng thí nghiệm Vi sinh, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP. HCM; thời gian hoàn thành vào tháng 8 năm 2010.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khóa luận sử dụng cơ sở lý thuyết về hóa học thực phẩm, vi sinh vật học thực phẩm và công nghệ chế biến các sản phẩm từ sữa. Các cơ sở khoa học chính được tác giả phân tích gồm:

  • Thành phần hóa lý của sữa bò: Hệ nhũ tương và huyền phù phức tạp gồm nước ($85,5 - 89,5%$), chất béo ($2,5 - 6,0%$), protein ($2,9 - 5,0%$, trong đó casein tồn tại ở cấu trúc micelle chiếm $75 - 85%$, protein hòa tan chiếm $15 - 25%$), đường lactose ($3,6 - 5,5%$) và khoáng chất ($0,6 - 0,9%$).
  • Hệ vi sinh vật và cơ chế lên men:
    • Quá trình lên men lactic đồng hình và dị hình bởi các vi khuẩn lactic (Lactobacillus, Lactococcus, Leuconostoc, Streptococcus), chuyển hóa đường lactose qua chu trình đường phân thành acid lactic và các hợp chất tạo hương (diacetyl, acetaldehyde).
    • Quá trình lên men ethanol do các loài nấm men (Saccharomyces, Kluyveromyces, Candida) chuyển hóa hexose thành ethanol ($C_2H_5OH$) và $CO_2$.
  • Cấu trúc hạt Kefir và Kefiran: Hạt Kefir có cấu trúc mạng lưới protein-polysaccharide, trong đó polysaccharide Kefiran hòa tan (tạo thành từ các đơn phân glucose và galactose theo tỷ lệ cân đối) chiếm khoảng $45%$ chất khô của hạt sấy lạnh.
Thành phần hóa học trong 100g sữa bò Hàm lượng Chỉ tiêu vật lý của sữa bò Giá trị
Nước $85,5 \div 89,5%$ pH $6,5 \div 6,7$
Đường Lactose $3,6 \div 5,5%$ Độ chua $15 \div 18^\circ\text{D}$
Protein tổng số $2,9 \div 5,0%$ Tỷ trọng $1,028 \div 1,036\text{ g/cm}^3$
Chất béo $2,5 \div 6,0%$ Điểm đông đặc $-0,54 \div -0,59^\circ\text{C}$
Khoáng chất $0,6 \div 0,9%$ Nhiệt dung riêng $0,933 \div 0,954\text{ Cal/g.}^\circ\text{C}$

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được bố trí theo các dãy thí nghiệm đơn yếu tố:

  • Phương pháp phân tích hóa lý: Xác định pH bằng máy đo pH, xác định độ khô hòa tan bằng khúc xạ kế (đo độ Brix), xác định độ chua bằng phương pháp chuẩn độ với dung dịch $NaOH$ $0,1\text{N}$ (biểu thị theo độ Thorner $^\circ\text{T}$, độ Dornic $^\circ\text{D}$, hoặc $g$ acid lactic/100g sản phẩm).
  • Phương pháp đánh giá cảm quan: Đánh giá mức độ ưa thích của người thử nghiệm đối với các chỉ tiêu màu sắc, mùi vị, trạng thái cấu trúc theo thang điểm cảm quan.
  • Phương pháp kiểm nghiệm vi sinh vật: Đánh giá các chỉ tiêu vi sinh theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7030:2002 đối với sản phẩm sữa lên men.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương 1 trình bày lý do chọn đề tài dựa trên xu hướng tiêu dùng thực phẩm chức năng chứa vi sinh vật probiotic trên thế giới và tại Việt Nam. Tác giả nêu bật giá trị y sinh học của sữa lên men Kefir và thành phần hoạt chất $\beta$-carotene trong củ cà rốt, từ đó xác lập mục tiêu nghiên cứu và 8 nội dung công việc cụ thể nhằm xây dựng quy trình công nghệ chế biến sữa chua Kefir bổ sung cà rốt.

Chương 2: Tổng quan

Chương này tổng hợp các tài liệu khoa học trong và ngoài nước về:

  • Thành phần hóa lý và hệ vi sinh vật của sữa bò: Phân tích chi tiết các phân đoạn casein ($\alpha_s$, $\beta$, $\kappa$-casein), các acid béo bão hòa và không bão hòa (acid oleic chiếm $30 - 40%$, acid palmitic chiếm $25 - 29%$), đường lactose và các vi sinh vật điển hình trong chế biến sữa (Str. thermophilus, Lc. lactis, Lb. bulgaricus, Bifidobacterium...).
  • Đặc điểm thực vật và dinh dưỡng của cà rốt: Phân loại học (Daucus carota thuộc họ Apiaceae), hàm lượng dinh dưỡng trong 100g cà rốt (năng lượng 43 kcal, glucid $10,14\text{g}$, $\beta$-carotene/vitamin A đạt $28.554\text{ IU}$) và các tác dụng dược lý (phòng ngừa bệnh tim mạch, thoái hóa võng mạc, hỗ trợ tiêu hóa).
  • Quá trình lên men sữa Kefir: Cơ chế sinh hóa tạo acid lactic, ethanol, $CO_2$ và các hợp chất bay hơi; cấu tạo hình thái và chu kỳ sinh trưởng của hạt Kefir; phức hệ vi sinh vật trong hạt (nhóm vi khuẩn Lactobacilli chiếm $65 - 80%$, Lactococci chiếm $20%$, nấm men chiếm $5 - 10%$).
  • Lợi ích sức khỏe và quy trình nhân giống Kefir: Trích dẫn các nghiên cứu thực nghiệm trên động vật (giảm cholesterol và lipid huyết thanh ở mức $p < 0,05$), tác dụng cung cấp enzyme lactase hỗ trợ người không dung nạp lactose, cùng sơ đồ nhân giống cấp men cái Starter từ hạt Kefir ($5%$ hạt men cấy vào sữa tiệt trùng, lên men ở $23 - 25^\circ\text{C}$ đến $\text{pH} = 4,5$).
Thành phần trong 100g sản phẩm Kefir Hàm lượng Thành phần acid amin thiết yếu (g) Hàm lượng
Năng lượng $65\text{ kcal}$ Lysine $0,27\text{ g}$
Nước $87,5%$ Phenylalanine + Tyrosine $0,35\text{ g}$
Chất béo $3,5%$ Leucine $0,34\text{ g}$
Protein $3,3%$ Isoleucine $0,21\text{ g}$
Lactose $4,0%$ Valine $0,22\text{ g}$
Acid lactic $1,0\text{ g}$ Threonine $0,17\text{ g}$
Ethanol $0,9\text{ g}$ Methionine + Cystine $0,12\text{ g}$
Cholesterol $13\text{ mg}$ Tryptophan $0,05\text{ g}$

Chương 3: Vật liệu và Phương pháp nghiên cứu

Chương 3 mô tả địa điểm nghiên cứu (phòng thí nghiệm Kỹ thuật Thực phẩm và Vi sinh của HUTECH), quy cách nguyên liệu (sữa tươi tiệt trùng Vinamilk, cà rốt tươi ép lấy dịch và phối chế cô đặc với đường đến $69^\circ\text{Bx}$, hạt Kefir giống) và các trang thiết bị phân tích. Tác giả thiết lập 5 sơ đồ bố trí thí nghiệm:

  • Thí nghiệm 1 & 2: Khảo sát ảnh hưởng của chế độ rửa hạt sau lọc (rửa nước cất vs. không rửa) và chế độ cấp khí (tĩnh không sục khí vs. lắc sục khí) đến sự tăng khối lượng hạt Kefir.
  • Thí nghiệm 3: Đánh giá 3 phương pháp bảo quản hạt Kefir (bảo quản lạnh, bảo quản đông kết hợp bổ sung sữa bột khô tỷ lệ 1:1, bảo quản trong nước sữa).
  • Thí nghiệm 4: Khảo sát tỷ lệ men cái Starter Kefir ($5%$, $10%$, $15%$, $20%\text{ v/v}$) ảnh hưởng đến tốc độ giảm pH, biến thiên độ Brix, độ chua tổng số và điểm cảm quan.
  • Thí nghiệm 5: Khảo sát tỷ lệ phối trộn dịch cà rốt cô đặc ($3%$, $6%$, $9%$, $12%\text{ w/v}$) và hàm lượng gelatin ($0,25%$, $0,50%$, $0,75%$, $1,00%\text{ w/v}$) ảnh hưởng đến độ bền cấu trúc, thời gian tách lớp và điểm chất lượng cảm quan.

Chương 4: Kết quả và Thảo luận

Tác giả phân tích dữ liệu thực nghiệm qua các đồ thị, bảng biểu và rút ra các kết quả cụ thể:

  • Nhân sinh khối hạt Kefir: Chế độ rửa hạt sau lọc bằng nước cất (hoặc nước đun sôi để nguội) và để ráo giúp hạt tăng sinh khối nhanh hơn so với hạt không rửa (tránh bị bọc bởi lớp màng sữa cũ làm giảm trao đổi chất). Môi trường lên men tĩnh (không sục khí) cho tốc độ tăng sinh khối của hạt Kefir cao hơn so với lên men có sục khí trên máy lắc, phù hợp với đặc tính kỵ khí tùy tiện của hệ vi sinh vật và điều kiện tạo màng polysaccharide Kefiran.
  • Bảo quản giống hạt Kefir: Bảo quản hạt ở ngăn đông đá tủ lạnh có bổ sung sữa bột khô theo tỷ lệ $1:1$ là phương pháp tối ưu nhất, giúp duy trì hoạt lực lên men ($^\circ\text{T}$) của hạt trong thời gian kéo dài trên 3 tuần.
  • Tỷ lệ giống men cái (Starter Kefir): Tỷ lệ cấy $10%\text{ (v/v)}$ men Starter vào sữa tạo thời gian lên men thích hợp (~12 giờ), đảm bảo đường cong sinh acid đạt chuẩn, cho phép hệ vi sinh vật sinh hương phát triển đầy đủ, đạt điểm cảm quan mùi vị cao nhất so với các mức $5%$, $15%$ và $20%$.
  • Tỷ lệ phối trộn dịch cà rốt cô đặc ($69^\circ\text{Bx}$): Mức bổ sung $9%\text{ (w/v)}$ dịch cà rốt cô đặc mang lại màu vàng cam tự nhiên, vị ngọt chua hài hòa và điểm ưa thích cảm quan cao nhất. Tỷ lệ $3%$ và $6%$ cho màu sắc nhạt, vị chưa rõ; tỷ lệ $12%$ gây vị ngọt gắt và át mùi thơm đặc trưng của Kefir.
  • Hàm lượng chất ổn định gelatin: Mức sử dụng gelatin $0,5%\text{ (w/v)}$ giúp ngăn ngừa hiện tượng tách pha (syneresis), tạo cấu trúc sữa chua đồng nhất, mịn màng mà không làm sản phẩm bị quá đông đặc như ở mức $0,75%$ hay $1,0%$.
  • Thời hạn bảo quản và chất lượng sản phẩm: Sản phẩm giữ được chất lượng ổn định về độ chua, cấu trúc và cảm quan trong thời gian 12 ngày ở nhiệt độ $4 - 6^\circ\text{C}$. Kiểm nghiệm vi sinh vật cho thấy các chỉ tiêu nấm men, nấm mốc, vi khuẩn gây bệnh đều nằm trong giới hạn cho phép theo TCVN 7030:2002.
                      Sữa tươi tiệt trùng
                      Phối trộn Gelatin (0,5% w/v)
                      Gia nhiệt / Thanh trùng
                      Làm nguội (22 - 25°C)
                      Cấy men giống Starter Kefir (10% v/v)
                      Lên men (12 giờ, ở nhiệt độ phòng)
                      Phối trộn dịch cà rốt cô đặc 69°Bx (9% w/v)
                      Rót hộp / Bao gói
                      Bảo quản lạnh (4 - 6°C, 12 ngày)

Chương 5: Kết luận và Đề nghị

Tác giả tổng kết các thông số kỹ thuật tối ưu đã xác lập cho quy trình sản xuất và đưa ra các đề xuất tiếp tục nghiên cứu nhằm hoàn thiện sản phẩm ở quy mô lớn hơn.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đã xác lập

Khóa luận đã xác định các thông số công nghệ phục vụ quy trình sản xuất sữa chua Kefir bổ sung cà rốt:

Thông số công nghệ Giá trị tối ưu được xác lập Ghi chú kỹ thuật
Chế độ nhân sinh khối hạt Nhiệt độ phòng ($23 - 25^\circ\text{C}$), không sục khí Rửa sạch hạt bằng nước cất sau mỗi chu kỳ lọc
Phương pháp bảo quản hạt Kefir Trộn sữa bột khô tỷ lệ $1:1$, trữ ngăn đá tủ lạnh Duy trì hoạt lực lên men ổn định trên 3 tuần
Tỷ lệ men cái (Starter Kefir) $10%\text{ (v/v)}$ Thời gian lên men trung bình đạt 12 giờ
Tỷ lệ dịch cà rốt cô đặc ($69^\circ\text{Bx}$) $9%\text{ (w/v)}$ Tạo màu vàng cam tự nhiên, vị hài hòa
Hàm lượng gelatin bổ sung $0,5%\text{ (w/v)}$ Ngăn ngừa tách lớp, cấu trúc đông mịn
Chế độ bảo quản thành phẩm Nhiệt độ $4 \div 6^\circ\text{C}$, thời gian 12 ngày Đạt tiêu chuẩn vi sinh theo TCVN 7030:2002

Đóng góp của đề tài

  • Xây dựng thành công quy trình công nghệ kết hợp giữa sữa lên men probiotic Kefir và nguyên liệu rau củ (cà rốt cô đặc) ở quy mô phòng thí nghiệm, góp phần làm phong phú chủng loại sản phẩm sữa lên men tại thị trường trong nước.
  • Giải quyết các vấn đề kỹ thuật liên quan đến chu kỳ nhân sinh khối, phương thức xử lý sau lọc và giải pháp bảo quản giống hạt Kefir trong điều kiện phòng thí nghiệm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:

    • Các thí nghiệm được thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm với các mẻ thể tích nhỏ, chưa khảo sát các yếu tố truyền nhiệt và biến đổi dòng chảy ở quy mô thiết bị công nghiệp.
    • Thời hạn bảo quản sản phẩm mới được theo dõi đến ngày thứ 12 ở điều kiện $4 - 6^\circ\text{C}$, chưa thử nghiệm các giải pháp kéo dài thời gian bảo quản thương mại.
    • Nguồn hạt giống Kefir tự nhiên có hệ vi sinh vật phức tạp, chưa phân lập và định lượng chính xác tỷ lệ sống sót của từng loài vi khuẩn và nấm men trong suốt thời gian bảo quản thành phẩm.

  • Hướng nghiên cứu tiếp theo:

    • Nghiên cứu nâng quy mô sản xuất thử nghiệm (pilot) và đánh giá các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của quy trình.
    • Khảo sát các chất chống oxy hóa tự nhiên hoặc các màng bao bì cải tiến nhằm kéo dài thời hạn bảo quản của sữa chua Kefir cà rốt.
    • Nghiên cứu phân lập và định danh các chủng vi sinh vật thuần khiết từ hạt Kefir bản địa để chế tạo chế phẩm men giống dạng đông khô thương phẩm.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp cung cấp tài liệu tham khảo cho:

  • Sinh viên và học viên ngành Công nghệ Thực phẩm, Công nghệ Sinh học: Tham khảo phương pháp bố trí thí nghiệm công nghệ lên men thực phẩm, kỹ thuật nuôi cấy và bảo quản men giống vi sinh vật phức tạp (hạt Kefir), phương pháp phối chế dịch quả/củ cô đặc vào nền sữa chua.
  • Cán bộ nghiên cứu và phát triển sản phẩm (R&D) tại các doanh nghiệp chế biến sữa: Tham khảo các thông số công nghệ về tỷ lệ giống cấy ($10%$), nồng độ chất ổn định ($0,5%$ gelatin), tỷ lệ phối trộn cà rốt ($9%$) và quy trình kiểm soát chất lượng cảm quan, hóa lý, vi sinh vật đối với dòng sản phẩm sữa chua chức năng.

Câu hỏi thường gặp

1. Tỷ lệ men cái Starter Kefir tối ưu trong nghiên cứu là bao nhiêu và thời gian lên men kéo dài trong bao lâu?
Tỷ lệ men cái Starter Kefir tối ưu được xác định là $10%\text{ (v/v)}$, cho thời gian lên men đạt độ chua thích hợp trung bình là 12 giờ ở nhiệt độ phòng, phù hợp với chu trình sản xuất công nghiệp hiện đại và tạo điều kiện cho các vi khuẩn sinh hương hoạt động.

2. Phương pháp bảo quản hạt giống Kefir nào đạt hiệu quả cao nhất theo kết quả thực nghiệm?
Phương pháp hiệu quả nhất là bảo quản hạt Kefir trong ngăn đá tủ lạnh có bổ sung sữa bột khô theo tỷ lệ khối lượng $1:1$. Cách thức này giúp duy trì hoạt lực lên men của hạt giống trong thời gian trên 3 tuần.

3. Tỷ lệ dịch cà rốt cô đặc ($69^\circ\text{Bx}$) và hàm lượng gelatin thích hợp nhất cho sản phẩm là bao nhiêu?
Tỷ lệ phối trộn dịch cà rốt cô đặc ($69^\circ\text{Bx}$) thích hợp nhất là $9%\text{ (w/v)}$ để đạt màu sắc và vị hài hòa; hàm lượng gelatin thích hợp là $0,5%\text{ (w/v)}$ nhằm chống tách lớp và duy trì cấu trúc đồng nhất cho sản phẩm.

4. Quá trình nhân sinh khối hạt Kefir cần điều kiện sục khí và chế độ xử lý hạt như thế nào?
Hạt Kefir tăng sinh khối tốt nhất trong điều kiện lên men tĩnh ở nhiệt độ phòng (không cần sục khí). Sau quá trình lọc tách men, hạt Kefir cần được rửa sạch bằng nước cất (hoặc nước đun sôi để nguội), để ráo rồi mới tiếp tục chu kỳ nhân sinh khối tiếp theo.

5. Sản phẩm sữa chua Kefir bổ sung cà rốt có thời hạn bảo quản bao lâu và được đánh giá vi sinh theo tiêu chuẩn nào?
Sản phẩm giữ được chất lượng ổn định trong thời gian 12 ngày khi bảo quản ở nhiệt độ $4 - 6^\circ\text{C}$ và đạt đầy đủ các chỉ tiêu an toàn vi sinh vật theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7030:2002 dành cho sản phẩm sữa lên men.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Kim Ngân đã hoàn thành việc nghiên cứu quy trình chế biến sản phẩm sữa chua Kefir bổ sung cà rốt ở quy mô phòng thí nghiệm. Đề tài đã xác lập các thông số kỹ thuật cốt lõi gồm tỷ lệ giống men cái $10%\text{ (v/v)}$, thời gian lên men 12 giờ, tỷ lệ dịch cà rốt cô đặc $9%\text{ (w/v)}$, hàm lượng phụ gia gelatin $0,5%\text{ (w/v)}$ và thời hạn bảo quản 12 ngày ở $4 - 6^\circ\text{C}$. Kết quả nghiên cứu cung cấp dữ liệu thực nghiệm có giá trị khoa học và thực tiễn cho lĩnh vực chế biến sữa lên men probiotic kết hợp nguyên liệu thực vật tại Việt Nam.