Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành công nghiệp sản xuất kem trên thế giới ghi nhận mức doanh thu 73,8 tỷ USD vào năm 2010 với sản lượng đạt 16,3 tỷ lít (theo số liệu từ Euromonitor International). Xu hướng tiêu dùng thực phẩm hiện đại đang chuyển dịch mạnh mẽ sang các dòng sản phẩm giảm béo, giảm đường và bổ sung các thành phần có hoạt tính sinh học, đặc biệt là vi khuẩn có lợi (probiotic). Bản chất kem là một hệ nhũ tương thực phẩm giàu dinh dưỡng chứa protein sữa, chất béo, đường lactose và chất khoáng, tạo môi trường thuận lợi để chứa và vận chuyển vi khuẩn probiotic vào hệ tiêu hóa của con người.

Tại thị trường Việt Nam, ngành hàng kem có sự tham gia của nhiều doanh nghiệp trong và ngoài nước (Kido với hai thương hiệu Merino và Celano chiếm 29% thị phần năm 2013, Vinamilk, Thủy Tạ, Baskin-Robbins). Tuy nhiên, phân khúc sản phẩm kem có thương hiệu chỉ chiếm khoảng 1/3 tổng doanh thu, phần còn lại thuộc về các cơ sở nhỏ lẻ với dòng sản phẩm truyền thống. Thị trường nội địa chưa xuất hiện các dòng sản phẩm kem chức năng bổ sung probiotic do những rào cản kỹ thuật trong việc duy trì khả năng sống sót của vi sinh vật trong điều kiện lạnh đông sâu (-18°C) và kiểm soát cấu trúc sản phẩm.

Khóa luận thực hiện các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Thiết lập công thức phối chế kem và hoàn thiện quy trình công nghệ sản xuất kem ở quy mô thực nghiệm.
  2. Lựa chọn phương pháp thích hợp để bổ sung vi khuẩn Lactobacillus acidophilus vào trong cấu trúc sản phẩm kem.
  3. Xác định các chỉ tiêu hóa lý, đặc tính tan chảy, chất lượng cảm quan và đánh giá khả năng sinh tồn của vi khuẩn Lactobacillus acidophilus trong quá trình bảo quản lạnh đông ở nhiệt độ -18°C.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Sản phẩm kem ăn được bổ sung chủng vi khuẩn probiotic Lactobacillus acidophilus.
  • Phạm vi không gian: Phòng thí nghiệm Bộ môn Công nghệ Thực phẩm, Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
  • Phạm vi thời gian và điều kiện bảo quản: Theo dõi biến đổi hóa lý và mật độ vi sinh vật trong thời gian 43 ngày ở điều kiện lạnh đông -18°C.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận dựa trên hệ thống lý thuyết về công nghệ chế biến sữa, vi sinh vật học thực phẩm và các tiêu chuẩn kiểm nghiệm hóa lý:

  • Khái niệm và cấu trúc kem: Kem là hệ phân tán phức tạp gồm các bọt khí phân tán trong pha liên tục bị lạnh đông một phần, trong đó chất béo được nhũ hóa cùng protein sữa, chất tạo ngọt và chất ổn định (theo Ludvigsen, 2011).
  • Khái niệm và đặc tính sinh học của probiotic: Sử dụng định nghĩa chuẩn của FAO/WHO (2001), quy định probiotic là các vi sinh vật sống mang lại lợi ích sức khỏe khi được tiêu thụ ở một lượng đầy đủ (ngưỡng tối thiểu khuyến nghị từ $10^7$ CFU/ngày hoặc $10^8 - 10^9$ tế bào tại thời điểm tiêu thụ). Chủng Lactobacillus acidophilus là vi khuẩn Gram dương (+), hình que đầu tròn (kích thước 0,5 – 6 µm), vi hiếu khí, lên men lactic đồng hình, có khả năng phát triển tối ưu ở 37°C (pH tối ưu 6,0) và có khả năng đề kháng với acid dịch vị cũng như muối mật.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được triển khai bao gồm:

Nhóm chỉ tiêu / Quy trình Phương pháp và Tiêu chuẩn áp dụng Thiết bị / Môi trường / Hóa chất chính
Quy trình công nghệ kem Phối trộn, đồng hóa, thanh trùng (80°C/30s), ủ chín (2 – 4°C trong 4 – 24h) Máy đánh trứng HMB-6333S (tốc độ 3.160 vòng/phút và 360 vòng/phút), tủ làm đông
Bổ sung probiotic So sánh 2 phương pháp: Lên men trực tiếp dịch kem vs. Lên men sữa tươi tách béo rồi phối trộn Tủ ấm 37°C, giống đông khô L. acidophilus (pms-probio, Mỹ), sữa Vinamilk 100% tách béo
Hàm lượng Protein Phương pháp Kjeldahl (AOAC 2000, Method 930.33) với hệ số chuyển đổi N sang protein là 6,38 Hệ thống chưng cất đạm BUCHI Distillation Unit, $\text{H}_2\text{SO}_4$ đậm đặc, $\text{HClO}_4$, $\text{NaOH}$ 0,1N
Hàm lượng Chất béo Phương pháp Adam - Rose (trích ly bằng dung môi trong môi trường kiềm cồn, sấy 102°C) Dung môi Diethyl ether, Petroleum ether, $\text{NH}_3$, cồn 99%, tủ hút Hotte, tủ sấy
Độ chua Chuẩn độ acid - bazo bằng dung dịch chuẩn $\text{NaOH}$ 0,1N, tính theo độ Thorner (°T) Buret, bình tam giác, chỉ thị phenolphthalein
Hàm lượng Chất khô Sấy ở nhiệt độ 105°C trong 3,5 giờ đến khối lượng không đổi (AOAC 2000, Method 941.08) Tủ sấy đối lưu, bình hút ẩm, cân phân tích
Đo pH và Độ nhớt Đo trực tiếp pH dịch rã đông; đo độ nhớt trên 200 ml mẫu đã rã đông Máy đo pH điện tử, máy đo độ nhớt Brookfield
Độ tan chảy (Meltdown) Đặt 50g kem lên lưới kích thước 4x4 cm ở nhiệt độ phòng, cân lượng dịch chảy mỗi 5 phút Lưới kim loại 4x4 cm, cân điện tử
Định lượng Probiotic Đổ đĩa kỵ khí đếm khuẩn lạc tại các mốc ngày 0, 1, 8, 15, 22, 29, 36, 42/43 Môi trường chọn lọc Lactobacillus MRS Agar (Himedia, Ấn Độ), ủ 37°C trong 48 giờ
Đánh giá Cảm quan Phương pháp cho điểm chất lượng cảm quan thực phẩm theo TCVN 3215 - 79 Hội đồng đánh giá cảm quan, phòng thử nghiệm đạt chuẩn

Nguồn nguyên liệu sử dụng trong nghiên cứu:

  • Sữa bột gầy Devondale Instant Skim Milk Powder (nhập khẩu từ Úc).
  • Kem tươi President Whipping Cream (hàm lượng chất béo 35,1%, xuất xứ Pháp).
  • Sữa tươi tiệt trùng 100% tách béo Vinamilk (hàm lượng chất béo 2,3g/100ml) dùng làm môi trường tăng sinh.
  • Chế phẩm vi khuẩn Lactobacillus acidophilus đông khô (nhãn hiệu pms-probio, nguyên liệu từ Mỹ).
  • Phụ gia tạo cấu trúc và mùi vị: Gelatin lá, hương vani thực phẩm.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1 – Tổng quan tài liệu

Chương này tổng hợp cơ sở lý luận về phân loại kem thương mại theo tiêu chuẩn quốc tế (FDA, tiêu chuẩn các nước Châu Âu và Mỹ) gồm kem thông thường, kem trứng sữa Pháp, ice milk, fruit sherbet, mousse, kem mềm. Tác giả phân tích chức năng và giới hạn kỹ thuật của 7 thành phần cơ bản trong sản xuất kem: chất béo sữa, sữa gầy, chất ngọt, chất ổn định, chất nhũ hóa, nước và hương liệu.

Bên cạnh đó, chương 1 cung cấp số liệu tổng quan về thị trường kem thế giới (doanh số 73,8 tỷ USD năm 2010; các khu vực tiêu thụ lớn gồm Tây Âu 24,1 tỷ USD, Bắc Mỹ 17,1 tỷ USD, Châu Á - Thái Bình Dương 15,9 tỷ USD) và thị trường kem Việt Nam với sự phân chia thị phần giữa Kido (29%), Vinamilk, Thủy Tạ. Tác giả tổng thuật lịch sử phát triển probiotic từ các công trình của Metchnikoff, Roy Fuller đến định nghĩa chuẩn của FAO/WHO (2001); phân tích đặc tính hình thái, sinh lý, khả năng kháng acid, kháng dịch mật của Lactobacillus acidophilus và xu hướng ứng dụng probiotic trong các nền thực phẩm từ sữa.

Chương 2 – Vật liệu và phương pháp

Chương 2 mô tả chi tiết nguồn gốc nguyên vật liệu, dụng cụ và hóa chất phân tích. Tác giả xây dựng sơ đồ công nghệ sản xuất kem quy mô thực nghiệm gồm các công đoạn:

  1. Hoàn nguyên sữa bột gầy ở nhiệt độ 50°C, bổ sung đường và gelatin, phối trộn bằng máy đánh trứng ở tốc độ 3.160 vòng/phút.
  2. Thanh trùng hỗn hợp ở 80°C trong 30 giây rồi làm nguội về nhiệt độ phòng (28 – 29°C).
  3. Đánh bông kem tươi President (whipping cream 35,1% béo) ở tốc độ 360 vòng/phút trong 3 phút (thể tích tăng 1,5 – 2 lần).
  4. Phối trộn hỗn hợp sữa - đường - gelatin với whipped cream trong 3 – 5 phút, bổ sung vani.
  5. Ủ chín dịch kem ở 2 – 4°C từ 4 đến 24 giờ (đảo trộn định kỳ 1 phút mỗi 30 phút để ổn định pha béo).
  6. Đóng hộp và làm đông, bảo quản tại nhiệt độ -18°C.

Chương này cũng thiết lập chi tiết quy trình thực nghiệm so sánh hai phương pháp bổ sung probiotic:

  • Phương pháp 1: Bổ sung 2% chế phẩm vi khuẩn trực tiếp vào hỗn hợp kem sau phối trộn, lên men ở 37°C trong 6 giờ.
  • Phương pháp 2: Lên men sữa tươi tách béo với các tỷ lệ vi khuẩn 1%, 2%, 3% ở 37°C, làm lạnh ổn định cấu trúc ở 4 – 6°C trong 4 – 6 giờ, sau đó phối trộn 10% dịch sữa lên men này vào khối kem.

Toàn bộ các quy trình phân tích định lượng (Kjeldahl, Adam - Rose, chuẩn độ độ chua, sấy chất khô, đo độ nhớt, đo độ tan chảy, đếm khuẩn lạc kỵ khí trên MRS Agar) và phương pháp cảm quan theo TCVN 3215 - 79 được quy chuẩn hóa bằng các công thức toán học cụ thể.

Chương 3 – Kết quả và bàn luận

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm thu được từ quá trình nghiên cứu:

                            [Quy trình sản xuất kem bổ sung Probiotic]
     [Phương pháp 1: Lên men kem]                                  [Phương pháp 2: Lên men sữa]
    - 2% L. acidophilus vào dịch kem                              - 3% L. acidophilus vào sữa tách béo
    - Lên men ở 37°C / 6h                                         - Lên men ở 37°C, ủ mát 4-6h
    - Kết quả: Kem tách pha, mất độ xốp                           - Phối trộn 10% vào dịch kem
      => KHÔNG PHÙ HỢP                                            - Kết quả: Cấu trúc mịn xốp, cảm quan tốt
                                                                  => ĐƯỢC LỰA CHỌN
  1. Lựa chọn phương pháp bổ sung vi khuẩn:
    • Khi lên men trực tiếp dịch kem (Phương pháp 1), nhiệt độ 37°C trong 6 giờ làm khối bọt khí trong whipped cream bị vỡ, chất béo bị tách pha, kem mất độ mịn xốp và không đạt yêu cầu cấu trúc.
    • Khi lên men sữa tươi tách béo (Phương pháp 2) với tỷ lệ 3% giống vi khuẩn ở 37°C, sau đó ủ mát 4 – 6 giờ ở 4 – 6°C rồi phối trộn 10% vào kem: hỗn hợp đạt trạng thái đông tụ đồng nhất, giữ nguyên được độ xốp mịn của kem và đạt điểm cảm quan cao nhất.
  2. Xác định các tính chất hóa lý của sản phẩm kem: Khóa luận xác định các chỉ số dinh dưỡng và công nghệ của mẫu kem hoàn thiện (hàm lượng protein, lipid, chất khô, độ chua, pH, độ nhớt và đồ thị độ tan chảy meltdown theo thời gian).
  3. Đánh giá cảm quan: Tiến hành đánh giá cảm quan ba mẫu kem sau 1 ngày và sau 1 tháng bảo quản theo TCVN 3215 - 79, ghi nhận sản phẩm duy trì được màu sắc, mùi vị đặc trưng và trạng thái cấu trúc tốt.
  4. Khả năng sinh tồn của Lactobacillus acidophilus trong quá trình bảo quản: Khảo sát liên tục trong 43 ngày ở nhiệt độ -18°C ghi nhận các biến đổi:
Thời gian bảo quản pH của sản phẩm Mật độ vi khuẩn L. acidophilus (log CFU/g) Trạng thái cảm quan
Ngày 0 (Ban đầu) 6,33 7,2 Cấu trúc mềm mịn, vị chua ngọt hài hòa
Ngày 43 (Kết thúc) 5,22 6,6 Cấu trúc ổn định, giữ vị đặc trưng

Chương 4 – Kết luận và kiến nghị

Tổng kết toàn bộ các thông số kỹ thuật tối ưu đã đạt được của đề tài, khẳng định tính khả thi của việc sản xuất kem bổ sung probiotic và đề xuất các hướng nghiên cứu hoàn thiện tiếp theo.


Kết quả và đóng góp

Kết quả nghiên cứu chính

  • Xác lập quy trình công nghệ tối ưu: Xác định phương pháp bổ sung probiotic thích hợp nhất là lên men sữa tươi tách béo với tỷ lệ 3% Lactobacillus acidophilus ở 37°C, giữ lạnh ở 4 – 6°C trong 4 – 6 giờ để ổn định cấu trúc gelatin/protein, sau đó phối trộn 10% lượng sữa lên men này vào dịch kem đã ủ chín.
  • Duy trì mật độ vi sinh vật hữu hiệu: Sau 43 ngày bảo quản lạnh đông liên tục ở -18°C:
    • Mật độ vi khuẩn Lactobacillus acidophilus chỉ giảm từ $7,2 \log(\text{CFU/g})$ ($1,58 \times 10^7 \text{ CFU/g}$) xuống còn $6,6 \log(\text{CFU/g})$ ($3,98 \times 10^6 \text{ CFU/g}$). Mật độ này vẫn duy trì trên mức ngưỡng tối thiểu có tác dụng chức năng sinh học đối với đường ruột con người theo khuyến cáo y tế.
    • Giá trị pH của kem giảm dần từ 6,33 xuống 5,22 do hoạt động chuyển hóa đường sinh acid hữu cơ chậm của vi khuẩn trong pha lỏng chưa đóng băng hoàn toàn.
  • Chất lượng cảm quan: Sản phẩm kem đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật về trạng thái, độ mịn, độ tan chảy và mùi vị theo tiêu chuẩn đánh giá cảm quan thực phẩm TCVN 3215 - 79.

Giải pháp và kiến nghị của tác giả

  • Ứng dụng quy trình lên men sữa trung gian để bổ sung vi khuẩn có ích vào các sản phẩm tráng miệng lạnh đông nhằm bảo toàn cấu trúc bọt khí và hệ nhũ tương béo.
  • Kiểm soát nghiêm ngặt nhiệt độ thanh trùng dịch kem (80°C/30s) và nhiệt độ ủ chín (2 – 4°C) để đảm bảo an toàn vi sinh trước khi tiếp nạp chủng probiotic.

Đóng góp của đề tài

  • Đóng góp quy trình công nghệ mới ở quy mô thực nghiệm tại Việt Nam đối với dòng sản phẩm kem chức năng chứa probiotic.
  • Cung cấp dữ liệu thực nghiệm về động thái sống sót của Lactobacillus acidophilus và biến đổi hóa lý (pH, độ chua) trong môi trường lạnh đông sâu (-18°C) kéo dài hơn 6 tuần.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận ghi nhận các giới hạn kỹ thuật và định hướng mở rộng:

  • Hạn chế: Thí nghiệm mới được tiến hành ở quy mô phòng thí nghiệm; chủng vi sinh vật khảo sát chỉ giới hạn ở đơn chủng Lactobacillus acidophilus; thời gian theo dõi khả năng sinh tồn dừng lại ở mốc 43 ngày bảo quản lạnh đông.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Thử nghiệm phối hợp đa chủng probiotic (kết hợp Lactobacillus acidophilus với Bifidobacterium bifidum hoặc Bifidobacterium lactis).
    • Nghiên cứu ứng dụng công nghệ vi bao (microencapsulation) nhằm tăng cường tỷ lệ sống sót của vi khuẩn qua môi trường acid dạ dày và muối mật khi vào cơ thể.
    • Thử nghiệm nâng quy mô sản xuất trên dây chuyền thiết bị bán công nghiệp và mở rộng khảo sát thời hạn bảo quản lên 3 – 6 tháng.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng sử dụng tài liệu: Sinh viên, học viên cao học, giảng viên chuyên ngành Công nghệ Thực phẩm, Công nghệ Sau thu hoạch, Công nghệ Sinh học; các kỹ sư R&D tại các nhà máy sản xuất kem, sữa và thực phẩm chức năng.
  • Nội dung có giá trị tham khảo cao:
    • Bộ thông số quy trình công nghệ sản xuất kem: chế độ thanh trùng 80°C/30s, thời gian và tốc độ đánh bông whipping cream, chế độ ủ chín 2 – 4°C.
    • Phương pháp khắc phục hiện tượng tách pha khi đưa vi khuẩn lên men vào hệ nhũ tương kem thông qua việc lên men sữa tách béo riêng biệt.
    • Hệ thống phương pháp phân tích hóa lý chuẩn (Kjeldahl, Adam - Rose, đo meltdown) và quy trình định lượng Lactobacillus acidophilus trên môi trường chọn lọc MRS Agar.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao tác giả không lên men trực tiếp toàn bộ hỗn hợp kem mà phải lên men riêng trên sữa tươi tách béo?

Khi lên men trực tiếp trên dịch kem đã đánh bông ở nhiệt độ 37°C trong 6 giờ, nhiệt độ ấm làm tan chảy chất béo và phá vỡ cấu trúc mạng bọt khí của whipped cream, dẫn đến hiện tượng tách pha nước - béo nghiêm trọng. Ngược lại, lên men trên sữa tươi tách béo tạo ra môi trường sinh khối ổn định, sau khi làm lạnh ở 4 – 6°C có thể phối trộn trực tiếp vào kem mà không làm ảnh hưởng đến độ bông xốp và cấu trúc mịn của kem thành phẩm.

2. Tỷ lệ bổ sung giống và chế độ lên men sữa tối ưu trong khóa luận là bao nhiêu?

Tỷ lệ bổ sung giống vi khuẩn Lactobacillus acidophilus tối ưu là 3% vào sữa tươi tiệt trùng tách béo (chất béo 2,3g/100ml), tiến hành lên men ở nhiệt độ 37°C. Sau đó, dịch sữa lên men được ủ lạnh ở 4 – 6°C trong khoảng 4 – 6 giờ để ổn định cấu trúc trước khi lấy 10% lượng dịch này phối trộn vào hỗn hợp kem.

3. Trong 43 ngày bảo quản ở -18°C, mật độ vi khuẩn và độ pH biến đổi ra sao?

Mật độ vi khuẩn Lactobacillus acidophilus giảm 0,6 log chu kỳ, từ $7,2 \log(\text{CFU/g})$ xuống còn $6,6 \log(\text{CFU/g})$. Giá trị pH của kem giảm từ 6,33 xuống 5,22 do hoạt tính lên men chậm của vi khuẩn trong pha nước chưa đóng băng hoàn toàn.

4. Phương pháp nào được sử dụng để định lượng hàm lượng protein và chất béo trong sản phẩm kem?

Hàm lượng protein được xác định bằng phương pháp Kjeldahl (AOAC 2000, Method 930.33) qua 3 giai đoạn: vô cơ hóa mẫu bằng $\text{H}_2\text{SO}_4$ đậm đặc với xúc tác $\text{HClO}_4$, cất đạm bằng máy BUCHI Distillation Unit và chuẩn độ $\text{H}_2\text{SO}_4$ dư bằng $\text{NaOH}$ 0,1N (hệ số quy đổi 6,38). Hàm lượng chất béo được xác định bằng phương pháp Adam - Rose sử dụng trích ly dung môi Diethyl ether và Petroleum ether trong môi trường kiềm cồn, sau đó sấy bay hơi dung môi ở 102°C đến khối lượng không đổi.

5. Phương pháp đo độ tan chảy (meltdown) của kem được tiến hành như thế nào?

Thí nghiệm sử dụng 50g mẫu kem đặt trên một tấm lưới kim loại có kích thước 4x4 cm ở điều kiện nhiệt độ phòng. Khối lượng dịch kem tan chảy nhỏ giọt xuống phía dưới được ghi nhận định kỳ sau mỗi 5 phút bằng cân điện tử để xây dựng biểu đồ tốc độ tan chảy theo thời gian.


Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Hoàng Thị Hoàn đã hoàn thiện thành công quy trình sản xuất kem bổ sung vi khuẩn probiotic Lactobacillus acidophilus ở quy mô thực nghiệm. Bằng giải pháp lên men riêng trên môi trường sữa tươi tách béo với tỷ lệ giống 3% ở 37°C rồi phối trộn 10% vào kem, sản phẩm khắc phục hoàn toàn hiện tượng tách pha và giữ được cấu trúc xốp mịn đặc trưng. Sau 43 ngày bảo quản ở nhiệt độ lạnh đông sâu -18°C, mật độ L. acidophilus vẫn duy trì ở mức $6,6 \log(\text{CFU/g})$, đáp ứng yêu cầu về chất lượng cảm quan theo TCVN 3215 - 79 và tiêu chuẩn mật độ vi khuẩn có lợi cho sức khỏe người tiêu dùng.