Tổng quan nghiên cứu

Thị trường sữa và các chế phẩm từ sữa tại Việt Nam ghi nhận tốc độ tăng trưởng vượt bậc với doanh thu toàn ngành đạt 2,9 tỷ USD vào năm 2013, tăng 16,5% so với năm 2012. Mặc dù sản lượng phomat toàn cầu đạt khoảng 20,2 triệu tấn vào năm 2010 và hướng tới mốc 25,07 triệu tấn vào năm 2020, mức tiêu thụ phomat tại thị trường Việt Nam vào năm 2013 chỉ đạt 5.203 tấn với giá trị khiêm tốn khoảng 200 tỷ đồng. Phần lớn các dòng phomat thương mại lưu hành nội địa đều phụ thuộc vào nguồn nhập khẩu, dẫn đến giá thành cao và hương vị chưa thực sự tối ưu hóa theo thị hiếu ẩm thực của người tiêu dùng bản địa. Đồng thời, nhiều vùng chăn nuôi bò sữa trong nước thường xuyên chịu áp lực dư thừa sữa tươi cục bộ do thiếu công nghệ chế biến sâu để kéo dài thời hạn bảo quản.

Vấn đề then chốt đặt ra cho ngành công nghệ sinh học thực phẩm là tuyển chọn và làm chủ nguồn giống khởi động vi khuẩn lactic nhằm sản xuất phomat tươi có chất lượng ổn định và hương vị đặc trưng. Nghiên cứu của luận văn được thực hiện tại Hà Nội trong giai đoạn từ năm 2014 đến năm 2015, hướng tới mục tiêu phân lập, đánh giá và chọn lọc các chủng vi khuẩn lactic ưu việt từ bộ sưu tập 44 chủng vi sinh vật. Đề tài tập trung giải quyết ba chỉ tiêu công nghệ cốt lõi: tốc độ đông tụ sữa nhanh, khả năng tổng hợp exopolysaccharide cải thiện cấu trúc và quá trình chuyển hóa citrate tạo hợp chất thơm diacetyl. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa kinh tế và kỹ thuật quan trọng, giúp các cơ sở chế biến sữa nội địa chủ động nguồn nguyên liệu, giảm từ 15% đến 20% chi phí nhập khẩu men giống thương mại và nâng cao giá trị gia tăng cho chuỗi cung ứng sữa tươi Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết lên men lactic trong chế biến sữa và lý thuyết chuyển hóa sinh hóa tạo hương vị phomat. Quá trình lên men sữa dựa trên cơ chế chuyển hóa đường lactose thành L-axit lactic của vi khuẩn lactic, làm hạ pH môi trường về điểm đẳng điện của casein (pH từ 4,2 đến 4,5) để tạo trạng thái đông tụ tự nhiên mà không phụ thuộc hoàn toàn vào enzym rennet. Khung phân tích mở rộng dựa trên mô hình chuyển hóa citrate của các chủng vi khuẩn lactic có hoạt tính citrate permease, thúc đẩy quá trình sinh tổng hợp các hợp chất tạo hương then chốt như diacetyl, acetoin và acetate.

Bốn khái niệm khoa học cốt lõi chi phối toàn bộ tiến trình nghiên cứu bao gồm:

  1. Vi khuẩn lactic lên men đồng hình: Chuyển hóa đường hexose thành axit lactic mà không sinh khí carbon dioxide, bảo đảm khối đông đặc chắc.
  2. Exopolysaccharide (EPS): Polysaccharide ngoại bào giúp tăng độ nhớt, liên kết các phân tử nước và cải thiện cấu trúc dẻo mịn của quện sữa đông.
  3. Hoạt tính chuyển hóa citrate: Chuỗi phản ứng sinh hóa chuyển đổi citrate thành diacetyl, mang lại mùi thơm bơ sữa đặc trưng cho phomat tươi.
  4. Giống khởi động hỗn hợp ưa ấm và ưa nhiệt: Sự kết hợp cộng sinh giữa các chủng vi khuẩn nhằm tối ưu hóa thời gian lên men và ổn định độ chua khi bảo quản lạnh ở 4°C đến 6°C.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn sữa tươi thanh trùng không đường đạt tiêu chuẩn dinh dưỡng gồm 3,5 g chất béo và 3,1 g protein trên 100 ml làm môi trường lên men thực nghiệm. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm toàn bộ 44 chủng vi khuẩn lactic (34 chủng Lactococcus ưa ấm và 10 chủng Streptococcus ưa nhiệt) từ Bộ sưu tập giống của Viện Công nghiệp Thực phẩm. Phương pháp chọn mẫu có chủ đích được áp dụng qua 3 vòng sàng lọc liên tiếp nhằm tuyển chọn các chủng có hoạt tính sinh học nổi trội nhất.

Phương pháp phân tích thực nghiệm bao gồm: xác định kiểu hình lên men bằng ống Durham; định lượng mật độ tế bào bằng đo độ đục ở bước sóng 600 nm và cấy trang đĩa thạch; kiểm tra khả năng đông tụ sữa trên môi trường litmus-lactose; định lượng EPS bằng phương pháp phenol - axit sunfuric ở bước sóng 490 nm; định danh loài vi sinh vật bằng kỹ thuật PCR khuếch đại gen 16S rDNA với cặp mồi 27F/1492R và giải trình tự gen; khảo sát 49 nguồn cacbon qua bộ kit API 50 CHL và 19 hoạt tính enzym qua bộ kit API ZYM. Toàn bộ tiến trình thực nghiệm được triển khai từ tháng 01/2014 đến tháng 05/2015.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, 100% trong tổng số 44 chủng vi khuẩn lactic khảo sát (34 chủng Lactococcus và 10 chủng Streptococcus) đều thể hiện kiểu hình lên men đồng hình thuần nhất, không sinh khí carbon dioxide, đảm bảo quện sữa đông chắc và không bị vỡ nứt cấu trúc trong quá trình tách huyết thanh sữa.

Thứ hai, qua thử nghiệm đông tụ sữa, nghiên cứu đã tuyển chọn được 18 chủng có tốc độ đông tụ nhanh vượt trội trong khoảng 5,0 đến 10,5 giờ, gồm 11 chủng Lactococcus ưa ấm (thời gian đông tụ từ 6,0 đến 10,5 giờ) và 7 chủng Streptococcus ưa nhiệt (thời gian đông tụ nhanh chỉ từ 5,0 đến 7,0 giờ).

Thứ ba, khảo sát hoạt tính sinh tổng hợp EPS và chuyển hóa citrate ghi nhận sự phân hóa rõ nét: 100% các chủng Lactococcus (11/11 chủng) đều có khả năng chuyển hóa citrate tạo màu xanh Prussian đặc trưng. Về khả năng tạo EPS, chủng Lactococcus VNC1 đạt hàm lượng EPS cao nhất là 129,47 mg/l, tăng 70,46 mg/l so với mẫu đối chứng sữa không lên men (59,01 mg/l), tương ứng mức tăng 119,4%. Chủng Streptococcus VNY3 đạt mức sinh EPS ấn tượng 127,51 mg/l, tăng 68,50 mg/l (tăng 116,1% so với đối chứng).

Thứ tư, khi phối hợp chủng ưa ấm VNC1 và VNC53 với chủng ưa nhiệt VNY3 theo tỷ lệ 1:1:1 ở mật độ tế bào 10^7 CFU/ml, thời gian đông tụ sữa giảm xuống chỉ còn 4,5 giờ tại nhiệt độ 37°C, đồng thời điểm đánh giá cảm quan đạt 4,6/5,0 điểm với hương bơ kem hài hòa.

Thảo luận kết quả

Sự gia tăng hàm lượng EPS từ 42,81 mg/l đến 70,46 mg/l ở các chủng tuyển chọn đóng vai trò quyết định trong việc củng cố mạng lưới gel casein, hạn chế tối đa hiện tượng tách nước của phomat tươi trong suốt quá trình bảo quản. Việc chủng VNC1 và VNC53 chuyển hóa mạnh mẽ citrate thành diacetyl đã khắc phục hoàn toàn nhược điểm thiếu hụt hương thơm bơ sữa vốn thường gặp ở các mẫu phomat chỉ sử dụng đơn độc chủng ưa nhiệt Streptococcus.

Kết quả này hoàn toàn phù hợp với các công bố quốc tế về vai trò của enzyme citrate lyase ở vi khuẩn lactic, đồng thời chứng minh tính thích ứng sinh học vượt trội của các chủng bản địa trên nền sữa tươi nội địa. Dữ liệu thực nghiệm về động học lên men và biến thiên pH theo thời gian có thể được mô tả trực quan qua biểu đồ đường động học phát triển tế bào và bảng ma trận tương quan giữa tỷ lệ phối trộn giống với độ nhớt cấu trúc. Đây là tiền đề khoa học vững chắc để phát triển quy trình sản xuất phomat tươi đạt độ cứng vừa phải, vị chua thanh và cấu trúc dẻo mịn.

Đề xuất và khuyến nghị

Để ứng dụng hiệu quả kết quả nghiên cứu vào thực tiễn sản xuất công nghiệp, 4 giải pháp trọng tâm được khuyến nghị thực hiện:

Thứ nhất, chuẩn hóa quy trình sản xuất chế phẩm vi khuẩn lactic dạng đông khô phối hợp giữa chủng Lactococcus VNC1 và Streptococcus VNY3. Đơn vị chủ trì là Viện Công nghiệp Thực phẩm phối hợp cùng các trung tâm công nghệ sinh học, hướng tới mục tiêu duy trì mật độ tế bào sống đạt trên 10^9 CFU/g sau 6 tháng bảo quản, hoàn thành trong giai đoạn 2024–2025.

Thứ hai, thiết lập dây chuyền thử nghiệm sản xuất phomat tươi quy mô bán công nghiệp với công suất 500 đến 1.000 lít sữa/ngày tại các hợp tác xã chế biến sữa Mộc Châu và Ba Vì. Mục tiêu là rút ngắn chu kỳ lên men xuống dưới 5 giờ và ổn định độ ẩm sản phẩm ở mức 55% đến 65%, thực hiện trong lộ trình 12 tháng.

Thứ ba, xây dựng hệ thống tiêu chuẩn cơ sở và kiểm soát chất lượng cảm quan cho sản phẩm phomat tươi lên men từ bộ giống bản địa. Các doanh nghiệp chế biến sữa cần phối hợp với cơ quan quản lý an toàn thực phẩm nhằm chuẩn hóa chỉ tiêu vi sinh theo tiêu chuẩn ISO 22000, đảm bảo thời hạn sử dụng đạt tối thiểu 21 ngày ở nhiệt độ bảo quản từ 4°C đến 6°C.

Thứ tư, đào tạo và chuyển giao kỹ thuật phối trộn giống khởi động cho ít nhất 20 trang trại chăn nuôi bò sữa quy mô vừa và nhỏ. Kế hoạch này do Trung tâm Khuyến nông Quốc gia phối hợp cùng các viện nghiên cứu triển khai từ quý II/2025 đến quý IV/2026, nhằm hỗ trợ người chăn nuôi chủ động chế biến lượng sữa tươi dư thừa, gia tăng giá trị kinh tế thêm 25% đến 30% trên mỗi lít sữa thu gom.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn chuyên sâu cho 4 nhóm đối tượng:

Thứ nhất, các nhà nghiên cứu và giảng viên chuyên ngành Công nghệ Sinh học, Công nghệ Thực phẩm. Luận văn cung cấp phương pháp luận thực nghiệm chuẩn xác về giải trình tự gen 16S rDNA, phân tích kit API ZYM và API 50 CHL, làm tài liệu tham khảo giá trị cho các đề tài nghiên cứu vi sinh vật ứng dụng.

Thứ hai, kỹ sư công nghệ và chuyên viên nghiên cứu và phát triển sản phẩm (R&D) tại các doanh nghiệp chế biến sữa. Tài liệu mang đến công thức phối trộn chủng giống tối ưu và thông số công nghệ chi tiết (nhiệt độ lên men 30°C đến 37°C, gia nhiệt quện sữa 0,5°C/phút lên 45°C), phục vụ trực tiếp cho việc phát triển dòng sản phẩm phomat tươi mới.

Thứ ba, chủ trang trại chăn nuôi bò sữa và ban quản trị các hợp tác xã nông nghiệp. Luận văn cung cấp quy trình sản xuất phomat tươi không cần bổ sung enzym rennet thương mại đắt tiền, giúp tận dụng nguồn sữa tươi dư thừa với chi phí đầu tư ban đầu thấp, nâng cao hiệu quả kinh tế chuỗi cung ứng sữa.

Thứ tư, sinh viên và học viên cao học khối ngành Khoa học Sự sống. Luận văn là tài liệu tham khảo chuẩn mực về cấu trúc nghiên cứu thực nghiệm, phương pháp xử lý số liệu vi sinh và cách thức đánh giá cảm quan thực phẩm chuẩn khoa học.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần chọn chủng vi khuẩn lactic lên men đồng hình cho sản xuất phomat?
Vi khuẩn lactic lên men đồng hình chuyển hóa đường lactose tạo ra 100% axit lactic mà không sinh khí carbon dioxide. Trong thực tế sản xuất, nếu sử dụng chủng dị hình, bọt khí CO2 sinh ra sẽ làm rỗ, nứt vỡ khối quện sữa đông và gây biến dạng bao bì bảo quản.

2. Exopolysaccharide (EPS) đóng vai trò gì đối với chất lượng của phomat tươi?
EPS là hợp chất cao phân tử ngoại bào giúp tăng độ nhớt, liên kết các phân tử nước tự do trong mạng lưới gel protein casein. Chủng Lactococcus VNC1 sinh tổng hợp 129,47 mg/l EPS giúp phomat tươi có bề mặt mịn, dẻo dai và hạn chế hiện tượng tách nước sau 14 ngày bảo quản.

3. Chủng vi khuẩn nào quyết định hương vị bơ thơm đặc trưng của phomat?
Chủng Lactococcus VNC1 và VNC53 sở hữu enzym chuyển hóa nguồn citrate trong sữa thành các hợp chất diacetyl và acetoin. Đây là các phân tử tạo mùi hương bơ sữa tự nhiên, giúp phomat thành phẩm đạt điểm cảm quan xuất sắc 4,6/5,0 điểm.

4. Tại sao cần phối hợp giữa chủng vi khuẩn ưa ấm và vi khuẩn ưa nhiệt?
Sự phối hợp giữa Lactococcus ưa ấm (nhiệt độ tối ưu 30°C) và Streptococcus VNY3 ưa nhiệt (nhiệt độ tối ưu 40°C đến 42°C) giúp rút ngắn thời gian đông tụ sữa từ 10,5 giờ xuống còn 4,5 giờ, đồng thời hạn chế sinh axit thừa khi trữ lạnh ở 4°C.

5. Phomat tươi sản xuất theo quy trình này có thời hạn bảo quản bao lâu?
Ở điều kiện bổ sung 600 mg muối/100g sản phẩm và bảo quản nghiêm ngặt tại nhiệt độ từ 4°C đến 6°C trong hộp kín vô trùng, phomat tươi duy trì cấu trúc mềm mịn và hương vị thơm ngon ổn định trong khoảng 14 ngày.

Kết luận

  • Luận văn đã sàng lọc toàn diện 44 chủng vi khuẩn lactic đồng hình và chọn lọc được 18 chủng có khả năng làm đông tụ sữa nhanh trong thời gian từ 5,0 đến 10,5 giờ.
  • Định danh và xác định được hai chủng vi sinh vật ưu tú gồm Lactococcus VNC1 (sinh EPS cao nhất đạt 129,47 mg/l, lên men citrate mạnh) và Streptococcus VNY3 (sinh EPS 127,51 mg/l, tốc độ đông tụ nhanh).
  • Thiết lập thành công tỷ lệ phối hợp chủng giống tối ưu giúp rút ngắn 57% thời gian đông tụ sữa (từ 10,5 giờ xuống 4,5 giờ) và nâng cao hương vị cảm quan đạt 4,6/5,0 điểm.
  • Đóng góp giải pháp khoa học làm chủ công nghệ sản xuất giống khởi động nội địa, giảm thiểu phụ thuộc vào chế phẩm sinh học nhập khẩu trong ngành chế biến sữa.
  • Kế hoạch tiếp theo cần tập trung triển khai sản xuất thử nghiệm quy mô 500 lít/mẻ trong giai đoạn 2024–2025; các doanh nghiệp và cơ sở chế biến sữa có thể liên hệ hợp tác ứng dụng ngay bộ chủng giống để thương mại hóa sản phẩm phomat tươi chất lượng cao.