Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đậu tương (Glycine max L. Merrill) là một trong những loại cây ngũ cốc và cây họ đậu quan trọng trên thế giới. Bên cạnh các giống đậu tương truyền thống, giống đậu tương rau (thường được gọi là Mao Dou ở Trung Quốc hay Edamame ở Nhật Bản) sở hữu nhiều đặc tính sinh học và giá trị thương phẩm nổi trội. Đậu tương rau có kích thước hạt lớn (khoảng 75–80 g/100 quả xanh, ≥30 g/100 quả khô), thời gian sinh trưởng ngắn (90–98 ngày, thu hoạch quả non ở giai đoạn R6–R7 từ 80–85 ngày) và đem lại hiệu quả kinh tế cao hơn đậu tương thường từ 4 đến 8 lần.

Về mặt dinh dưỡng, đậu tương rau giàu protein thực vật, lipid, canxi, các vitamin nhóm B, vitamin A, vitamin C, cùng hàm lượng cao các loại đường hòa tan (sucrose, glucose), axit glutamic, alanine. Đặc biệt, đậu tương rau chứa hàm lượng đáng kể các hợp chất có hoạt tính sinh học như isoflavone và phytosterol, hỗ trợ phòng ngừa bệnh tim mạch, xơ vữa động mạch và một số bệnh lý mãn tính.

Tại Việt Nam, phần lớn sản phẩm đậu tương rau chỉ mới dừng lại ở dạng thu hái quả non, sơ chế cấp đông hoặc xuất khẩu với khối lượng hạn chế, chưa có nhiều quy trình công nghệ hoàn chỉnh để chế biến thành các dòng sản phẩm đồ uống dinh dưỡng quy mô công nghiệp. Nhằm đa dạng hóa sản phẩm chế biến từ nguồn nguyên liệu này và cung cấp nguồn sữa thực vật giàu dinh dưỡng thay thế sữa động vật, đề tài "Nghiên cứu công nghệ chế biến sản phẩm sữa đậu từ đậu tương rau" đã được thực hiện.

Mục tiêu tổng quát của đề tài là khảo sát các điều kiện công nghệ và các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình chế biến sữa đậu từ nguyên liệu đậu tương rau, từ đó thiết lập quy trình công nghệ hoàn chỉnh.

Các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác định gồm:

  1. Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình xử lý tách vỏ hạt đến chất lượng cảm quan và dinh dưỡng của sữa đậu tương rau.
  2. Nghiên cứu xác định chế độ ngâm thích hợp cho hạt đậu tương rau (nhiệt độ ngâm, thời gian ngâm và độ pH của nước ngâm).
  3. Nghiên cứu xác định chế độ xử lý nhiệt (chần hạt) thích hợp để vô hoạt enzyme và giảm các yếu tố kháng dinh dưỡng.
  4. Nghiên cứu xác định nhiệt độ nước xay thích hợp phục vụ quá trình nghiền trích ly.
  5. Nghiên cứu xác định tỷ lệ phối chế thích hợp giữa khối lượng nguyên liệu và khối lượng sản phẩm (tỷ lệ pha loãng dịch sữa).
  6. Nghiên cứu xác định áp lực đồng hóa thích hợp cho hệ nhũ tương sữa.
  7. Nghiên cứu xác định chế độ thanh trùng và đánh giá sự biến đổi chất lượng trong quá trình bảo quản.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng: Hạt đậu tương rau non và khô (giống DT02), đường kính trắng (sucrose).
  • Phạm vi nghiên cứu: Thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm tại Bộ môn Bảo quản và Chế biến – Viện Nghiên cứu Rau quả (Trâu Quỳ, Gia Lâm, Hà Nội).
  • Thời gian tiến hành: Từ ngày 01/12/2014 đến ngày 24/05/2015.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên cơ sở lý thuyết chế biến các sản phẩm dạng nhũ tương từ hạt họ đậu, cơ chế trích ly protein thực vật và phương pháp vô hoạt các chất kháng dinh dưỡng (ức chế Trypsin, Lipoxygenase). Nghiên cứu tham chiếu các tiêu chuẩn phân loại sữa đậu nành của Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc (FAO) và Hiệp hội Thực phẩm Đậu nành Hoa Kỳ (Soyfoods Association of America).

Tiêu chí phân loại Phân loại theo FAO Tiêu chuẩn Soyfoods Association of America
Dòng sản phẩm truyền thống / Sữa chuẩn Tỷ lệ đậu:nước 1:5, protein ~4,0% Chất khô hòa tan 7,0 °Bx, Protein 3,0%, Lipid 1,0%
Dòng sản phẩm dạng giả sữa Tỷ lệ đậu:nước 1:7, protein ~3,5% -
Thức uống giải khát từ đậu nành Tỷ lệ đậu:nước 1:20, protein ~1,0% Chất khô hòa tan 3,9 °Bx, Protein 1,5%, Lipid 0,5%
Dòng sản phẩm bột sữa Nghiền mịn và sấy bột Chất khô 90,0%, Protein 38,0%, Lipid 13,0%
Dòng sản phẩm cô đặc - Chất khô 14,0%, Protein 6,0%, Lipid 2,0%

Phương pháp bố trí thí nghiệm:

  • Bố trí thí nghiệm đơn yếu tố ngẫu nhiên, các công thức thí nghiệm được lặp lại 3 lần và lấy giá trị trung bình.

Phương pháp phân tích hóa lý và vi sinh:

  • Xác định hệ số trương nở / khả năng hydrat hóa ($\alpha$) thông qua tỷ lệ chênh lệch khối lượng hạt trước và sau khi ngâm: $\alpha = G_1 / G_0$.
  • Xác định nồng độ chất khô hòa tan bằng khúc xạ kế (Refractometer).
  • Xác định hàm lượng đường tổng số bằng phương pháp Graxianop (phương pháp Ferixianua).
  • Xác định hàm lượng Vitamin C bằng phương pháp chuẩn độ Iod.
  • Xác định hàm lượng Protein thô bằng phương pháp Kjeldahl (sử dụng hệ số chuyển đổi nitơ sang protein là 5,7).
  • Xác định hàm lượng Lipid tổng số bằng phương pháp chiết Soxhlet với dung môi ete dầu hỏa (ether petroleum) trong 12 giờ ở nhiệt độ 60–80°C.
  • Xác định chỉ tiêu vi sinh vật theo TCVN 5042-1994 áp dụng cho nước giải khát đóng chai (tổng số vi sinh vật hiếu khí, E. coli, Clostridium perfringens, Staphylococcus aureus, nấm men, nấm mốc).

Phương pháp đánh giá cảm quan:

  • Phép thử thị hiếu sử dụng thang điểm Hedonic 9 bậc (từ 1: Rất ghét đến 9: Rất thích).
  • Phép thử cho điểm chất lượng theo TCVN 3215-79 thông qua hội đồng gồm 9 thành viên, đánh giá 3 chỉ tiêu cảm quan với các hệ số trọng lượng: Màu sắc (1,2), Mùi vị (2,0), Hình thái/Trạng thái (0,8). Tổng hệ số trọng lượng bằng 4,0.

Phương pháp xử lý số liệu:

  • Số liệu thô được tổng hợp và tính toán trên Microsoft Excel 2010, phân tích phương sai (ANOVA) và so sánh khoảng cách có ý nghĩa ở mức $\alpha = 0,05$ bằng phần mềm SPSS 16.0.

Nội dung chính theo từng chương

Phần 1: Mở đầu

Trình bày tính cấp thiết của đề tài, tiềm năng của cây đậu tương rau, xác định mục đích nghiên cứu và hệ thống hóa 7 yêu cầu kỹ thuật cần đạt được trong quy trình chế biến sữa đậu từ đậu tương rau.

Phần 2: Tổng quan tài liệu

Khái quát nguồn gốc sinh học của cây đậu tương rau (Glycine max L. Merrill), nguồn gốc tại Trung Quốc và sự phát triển của món Edamame tại Nhật Bản. Trình bày chi tiết thành phần hóa học của giống đậu tương rau DT02 được trồng tại Việt Nam.

Thành phần hóa học (trong 100 g hạt non giống DT02) Giá trị
Nước 70,00 %
Protein 11,45 %
Lipid 5,08 %
Carbohydrate 6,25 %
Chất xơ 2,30 %
Canxi ($Ca$) 60,0 mg
Photpho ($P$) 60,0 mg
Vitamin C 25,3 mg
Chất khô tổng số 30,29 %
Đường tổng số 3,14 mg
Lysine 1,12 mg
Tryptophan 0,15 mg
Vitamin E 99,00 mcg

Chương này cũng tổng hợp tình hình sản xuất, xuất khẩu và tiêu thụ đậu tương rau tại các quốc gia (Trung Quốc, Đài Loan, Nhật Bản, Mỹ, Thái Lan) và thực trạng canh tác tại 6 vùng sinh thái ở Việt Nam.

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

Mô tả chi tiết đặc tính nguyên liệu đậu tương rau hạt khô (độ ẩm ban đầu 10–11%), danh mục trang thiết bị đo lường (máy đo màu Minolta CR-200, khúc xạ kế, bộ cất đạm Kjeldahl, hệ thống Soxhlet), các loại hóa chất sử dụng và thiết kế chi tiết 9 thí nghiệm thực nghiệm từ khâu tách vỏ đến khâu thanh trùng sản phẩm.

Phần 4: Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Chương 4 phản ánh toàn bộ dữ liệu thực nghiệm qua từng bước công nghệ:

1. Ảnh hưởng của quá trình tách vỏ hạt

Khảo sát hai mẫu dịch sữa từ hạt đậu tương rau sau ngâm (ngâm 8 giờ, 30°C, pH 7,0, tỷ lệ xay 1:5, gia nhiệt 100°C trong 2 phút):

  • Mẫu tách vỏ đạt tổng điểm chất lượng cảm quan là 19,0/20 (xếp loại Tốt), trong khi mẫu không tách vỏ chỉ đạt 13,8/20 (xếp loại Trung bình) do dịch sữa bị lẫn sắc vàng nhạt và có mùi ngái, vị chát từ vỏ.
  • Hàm lượng dinh dưỡng giữa hai mẫu: Protein đạt 6,6 mg%, Lipid 3,5%. Mẫu không tách vỏ có chất khô hòa tan cao hơn (5,8 °Bx so với 5,5 °Bx) do các hợp chất phi dinh dưỡng từ vỏ hòa tan vào, nhưng lượng Vitamin C lại thấp hơn (8,6 mg% so với 9,0 mg% ở mẫu tách vỏ) do tác động oxy hóa của các hợp chất phenolic trong vỏ. Kết luận: Bắt buộc phải tách vỏ hạt trước khi chế biến.

2. Xác định chế độ ngâm thích hợp

  • Ảnh hưởng của nhiệt độ ngâm: Khảo sát dải nhiệt độ từ 20°C đến 45°C trong 8 giờ. Tại nhiệt độ 20–25°C, hạt trương nở kém (hệ số hydrat hóa chỉ đạt 1,41–1,50), khó tách vỏ. Tại 45°C, xảy ra hiện tượng lên men chua do vi sinh vật (pH nước ngâm giảm xuống 4,2; đường tổng số giảm xuống 1,1%). Nhiệt độ 35°C được lựa chọn là tối ưu: Khả năng hydrat hóa đạt 1,90; pH nước ngâm đạt 5,6; hàm lượng chất khô hòa tan đạt 6,3 °Bx; Protein đạt 6,4%; Lipid đạt 3,6%; Vitamin C bảo tồn ở mức 8,5 mg%.
  • Ảnh hưởng của pH nước ngâm: Khảo sát pH từ 7,0 đến 9,0. Ở môi trường pH = 8,0, hạt trương nở tốt (hệ số hydrat hóa 1,89), màu sắc dịch sữa trắng sáng tự nhiên, hàm lượng Protein trích ly đạt cao nhất (6,8%). Khi pH > 8,5, sản phẩm chuyển sang màu trắng ngà và hàm lượng protein hòa tan sụt giảm (xuống 5,0% ở pH = 9,0).
  • Ảnh hưởng của thời gian ngâm: Khảo sát từ 6 đến 10 giờ tại 35°C, pH 8,0. Tại thời điểm 8 giờ, hệ số hydrat hóa đạt 1,89, vỏ tách dễ dàng, Protein đạt 6,3%, chất khô hòa tan đạt 6,0 °Bx. Kéo dài ngâm lên 9–10 giờ làm thất thoát chất hòa tan và giảm hàm lượng dinh dưỡng.

3. Xác định chế độ chần hạt

Khảo sát các mức nhiệt độ chần (80°C, 90°C, 100°C) kết hợp các mốc thời gian (0,5 phút, 1,0 phút, 1,5 phút). Chế độ chần ở 90°C trong thời gian 1,0 phút cho điểm đánh giá cảm quan cao nhất (7,3/9 điểm), khử được mùi ngái hăng của enzyme lipoxygenase mà không làm tổn thất protein (hàm lượng protein giữ ở mức 6,2%).

4. Xác định nhiệt độ nước xay

Khảo sát dải nhiệt độ nước xay từ 30°C đến 70°C. Ở nhiệt độ 50°C và 60°C, hàm lượng chất khô hòa tan đạt 5,9 °Bx và Protein đạt mức cao nhất (6,6%). Khi nâng nhiệt độ nước xay lên 70°C, Protein giảm xuống 6,2% do hiện tượng biến tính nhiệt sớm. Xét về hiệu quả kinh tế và năng lượng, nhiệt độ nước xay 50°C được chọn.

5. Xác định tỷ lệ phối chế khối lượng nguyên liệu và sản phẩm

Khảo sát tỷ lệ phối chế nguyên liệu (hạt đã hydrat hóa) với nước ở các tỷ lệ 1/5, 1/6, 1/7, 1/8, 1/9 (tương ứng nồng độ phối chế 20,0%; 16,0%; 14,0%; 12,5%; 11,0%). Tỷ lệ phối chế 1/8 được lựa chọn vì mang lại sự cân đối giữa hàm lượng dinh dưỡng (Protein đạt 3,7%, Lipid đạt 2,1%) và độ nhớt/cảm quan của sản phẩm uống giải khát (điểm chấp nhận đạt 6,8 điểm).

6. Xác định chế độ đồng hóa

Khảo sát áp lực đồng hóa trong 15 phút tại các mức: 0 Pa (đối chứng), 150 Pa, 170 Pa, 200 Pa. Kết quả theo dõi độ bền hệ nhũ tương sau 2 tháng bảo quản:

Áp lực đồng hóa (Pa) Chất khô hòa tan (°Bx) Protein (%) Lipid (%) Trạng thái phân lớp sau 2 tháng Điểm cảm quan sau 2 tháng
0 (Đối chứng) 12,0 3,6 2,0 Tách lớp rõ (chiều dày lớp tách 1,0 cm) 4,5
150 12,0 3,5 2,0 Hơi tách lớp (chiều dày lớp tách 0,3 cm) 5,9
170 12,0 3,5 2,0 Hơi tách lớp nhẹ (có váng mỏng), khá đồng nhất 6,8
200 12,0 3,5 2,0 Sản phẩm đồng nhất, không tách lớp 7,9

Áp lực 200 Pa được lựa chọn để đảm bảo sự ổn định cấu trúc của sản phẩm.

7. Xác định chế độ thanh trùng và thời gian bảo quản

Khảo sát chế độ thanh trùng trong bao bì thủy tinh dung tích 250 ml ở các mức nhiệt độ 115°C và 121°C với thời gian giữ nhiệt 10, 15, 20 phút.

Phần 5: Kết luận và kiến nghị

Tóm tắt các thông số tối ưu của từng công đoạn và đề xuất hoàn thiện sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất sữa đậu tương rau ở quy mô pilot/công nghiệp.


Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã thiết lập được toàn bộ hệ thống thông số công nghệ chuẩn cho quy trình sản xuất sữa đậu từ đậu tương rau:

Công đoạn công nghệ Thông số kỹ thuật tối ưu đã xác lập
Xử lý nguyên liệu Hạt đậu tương rau khô (độ ẩm 10–11%), làm sạch và ngâm
Chế độ ngâm hạt Nhiệt độ ngâm: 35°C, Thời gian ngâm: 8 giờ, pH nước ngâm: 8,0
Tách vỏ Tách bỏ toàn bộ vỏ hạt sau ngâm
Xử lý nhiệt (Chần) Nhiệt độ chần: 90°C, Thời gian chần: 1,0 phút
Nghiền/Trích ly Bổ sung nước xay ở nhiệt độ 50°C
Lọc và phối chế Tỷ lệ nguyên liệu (đã ngâm) / Sản phẩm là 1/8 (w/w), bổ sung đường saccarose
Đồng hóa Áp lực đồng hóa: 200 Pa trong thời gian 15 phút
Chiết rót & Thanh trùng Đóng chai thủy tinh 250 ml, thanh trùng nhiệt độ cao áp

Đóng góp của khóa luận:

  • Cung cấp dữ liệu thực nghiệm về thành phần sinh hóa của giống đậu tương rau DT02 trong chế biến thực phẩm dạng lỏng.
  • Giải quyết được bài toán khử mùi hăng ngái (vô hoạt enzyme lipoxygenase) và các chất ức chế Trypsin thông qua kết hợp tối ưu hóa chế độ chần (90°C, 1 phút) và ngâm kiềm nhẹ (pH 8,0).
  • Chứng minh được tính ổn định trạng thái nhũ tương của sữa đậu tương rau qua chế độ đồng hóa 200 Pa, duy trì chất lượng cảm quan sau bảo quản.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

  • Các thí nghiệm mới chỉ dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm (mẻ mẫu 200 g nguyên liệu), chưa tiến hành thử nghiệm trên dây chuyền thiết bị liên tục.
  • Thời gian theo dõi bảo quản và đánh giá biến đổi chất lượng sản phẩm mới được thực hiện trong phạm vi 1 đến 2 tháng ở nhiệt độ thường.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được tác giả đề xuất:

  • Nghiên cứu mở rộng sản xuất trên quy mô pilot và thiết bị công nghiệp tự động hóa.
  • Nghiên cứu bổ sung vi chất dinh dưỡng (đặc biệt là khoáng chất Canxi) hoặc phối trộn hương liệu tự nhiên nhằm đa dạng hóa hương vị sản phẩm.
  • Khảo sát sự thay đổi của hàm lượng hợp chất sinh học Isoflavone qua từng công đoạn chế biến nhiệt.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên, học viên ngành Công nghệ Thực phẩm, Công nghệ Sau thu hoạch, Công nghệ Sinh học trong việc thiết kế đồ án môn học, khóa luận tốt nghiệp về chế biến đồ uống từ hạt thực vật.
  • Các cán bộ nghiên cứu tại các viện nghiên cứu cây lương thực, rau quả quan tâm đến giá trị chế biến sâu của giống đậu tương rau DT02.
  • Các kỹ sư công nghệ tại các cơ sở chế biến sữa thực vật, phục vụ việc tra cứu các thông số kỹ thuật (nhiệt độ ngâm, chế độ chần, áp lực đồng hóa, tỷ lệ trích ly protein).

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao khóa luận bắt buộc phải tách vỏ hạt đậu tương rau trước khi xay nghiền? Vỏ hạt đậu tương rau chứa khoảng 4,3% tổng số chất ức chế Trypsin cùng các hợp chất aldehyde, ketone (hexenal, acetaldehyde, axeton) gây mùi hăng ngái và các polyphenol gây vị đắng chát. Thử nghiệm cảm quan cho thấy sữa không tách vỏ chỉ đạt 13,8 điểm (loại Trung bình), bị ngả vàng và độ nhớt cao, trong khi sữa tách vỏ đạt 19,0 điểm (loại Tốt) và có màu trắng sữa đặc trưng.

2. Thông số ngâm hạt đậu tương rau tối ưu được xác định như thế nào? Chế độ ngâm tối ưu gồm: nhiệt độ ngâm 35°C, thời gian ngâm 8 giờ và độ pH của nước ngâm là 8,0. Tại điều kiện này, hạt đạt hệ số hydrat hóa 1,89–1,90, dễ tách vỏ, hàm lượng protein trích ly đạt đỉnh (6,4–6,8%) và hạn chế sự phát triển gây chua của vi sinh vật.

3. Tại sao tác giả chọn nhiệt độ nước xay là 50°C thay vì 70°C? Ở nhiệt độ 50°C và 60°C, hàm lượng Protein trích ly đạt mức cao nhất (6,6%) và chất khô hòa tan đạt 5,9 °Bx. Khi nhiệt độ xay lên tới 70°C, Protein giảm xuống còn 6,2% do bắt đầu bị biến tính nhiệt. Do đó, mức nhiệt độ 50°C được lựa chọn để vừa đảm bảo hiệu suất thu hồi đạm cao vừa tiết kiệm chi phí năng lượng gia nhiệt.

4. Áp lực đồng hóa ảnh hưởng như thế nào đến độ bền của sữa đậu sau 2 tháng bảo quản? Khi không đồng hóa (0 Pa), sản phẩm bị tách lớp nghiêm trọng với chiều dày lớp phân tách là 1,0 cm (điểm cảm quan 4,5). Khi tăng áp lực đồng hóa lên 150 Pa và 170 Pa, hiện tượng tách lớp giảm dần (lớp tách 0,3 cm hoặc xuất hiện váng mỏng). Ở áp lực 200 Pa, sữa đạt trạng thái hoàn toàn đồng nhất, không phân lớp sau 2 tháng bảo quản, đạt điểm cảm quan 7,9/9.

5. Tỷ lệ phối chế nguyên liệu/nước nào được lựa chọn cho sản phẩm sữa uống? Tỷ lệ phối chế tối ưu được lựa chọn là 1/8 (tương đương nồng độ nguyên liệu đã ngâm là 12,5%), cho sản phẩm có hàm lượng Protein đạt 3,7%, Lipid đạt 2,1%, đạt trạng thái lỏng hài hòa, đáp ứng tiêu chuẩn cảm quan của dòng sản phẩm sữa uống giải khát giàu dinh dưỡng.


Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Thị Trang đã nghiên cứu và thiết lập thành công quy trình công nghệ chế biến sản phẩm sữa đậu từ nguyên liệu đậu tương rau giống DT02 ở quy mô phòng thí nghiệm. Đề tài đã xác định chính xác các thông số kỹ thuật tối ưu bao gồm: ngâm hạt ở 35°C, pH 8,0 trong 8 giờ; tách vỏ; chần ở 90°C trong 1 phút; xay với nước ở 50°C; phối chế theo tỷ lệ 1/8; và đồng hóa ở áp lực 200 Pa. Toàn bộ các kết quả thực nghiệm là cơ sở khoa học tin cậy cho việc ứng dụng và triển khai sản xuất các sản phẩm sữa thực vật có giá trị dinh dưỡng cao từ nguồn đậu tương rau tại Việt Nam.