Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành sữa thực vật toàn cầu đang tăng trưởng nhanh chóng, từ 7,4 tỷ USD năm 2010 lên 16,3 tỷ USD năm 2018, và được dự tính đạt 34 tỷ USD vào năm 2024 (Nielsen). Tại châu Âu, tỷ lệ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) của thị trường sữa thực vật đạt 11,7% trong giai đoạn 2023–2030. Ở Việt Nam, sữa hạt chiếm 12% cơ cấu thị trường sữa nước với CAGR 18% giai đoạn 2014–2019. Xu hướng ăn chay, ăn thuần chay, và nhu cầu thực phẩm không chứa lactose thúc đẩy nhu cầu tiêu dùng sữa thực vật ngày càng mạnh mẽ.

Trong bối cảnh đó, hạt điều (Anacardium occidentale) là nguồn nguyên liệu nổi bật của Việt Nam: năm 2021, diện tích trồng điều đạt khoảng 305 nghìn ha, sản lượng hạt điều thô khoảng 367,2 nghìn tấn, và Việt Nam dẫn đầu thế giới về xuất khẩu nhân hạt điều, chiếm khoảng 75% tổng sản lượng nhân điều xuất khẩu toàn cầu. Tuy vậy, chưa có quy trình chuẩn hóa nào cho sản xuất sữa hạt điều được công bố trong các nghiên cứu trước đó.

Mục tiêu nghiên cứu: Xây dựng quy trình sản xuất sữa hạt điều và đánh giá các chỉ tiêu chất lượng của sản phẩm.

Nội dung nghiên cứu:

  1. Tổng quan tài liệu về nguyên liệu hạt điều và quy trình sản xuất sữa hạt.
  2. Khảo sát chọn loại nguyên liệu hạt điều (hạt điều vỡ và hạt điều nguyên).
  3. Đánh giá sự ảnh hưởng của tỷ lệ hạt điều:nước, tỷ lệ đường, và nồng độ phụ gia ổn định cấu trúc (xanthan gum và carrageenan) đến chất lượng sản phẩm sữa hạt điều.
  4. Đánh giá một số chỉ tiêu của sản phẩm sữa hạt điều hoàn chỉnh.

Đối tượng nghiên cứu: Sản phẩm sữa hạt điều được sản xuất từ hai loại nguyên liệu là hạt điều vỡ (HDV) và hạt điều nguyên (HDN).

Phạm vi nghiên cứu: Thực hiện tại phòng thí nghiệm và xưởng thực hành ngành Công nghệ Thực phẩm, Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, trong khoảng thời gian từ tháng 02 đến tháng 07 năm 2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và nguyên liệu

Khóa luận xây dựng trên nền tảng lý thuyết về sữa thực vật (plant-based milk), bao gồm phân loại theo Sethi (2016): sữa từ ngũ cốc (cereal-based), từ họ đậu (legume-based), từ quả hạch (nut-based), từ hạt nhỏ (seed-based) và từ giả ngũ cốc (pseudo-cereal-based). Sữa hạt điều thuộc nhóm nut-based milk.

Về nguyên liệu chính, nhân hạt điều chứa khoảng 47% chất béo (trong đó chất béo không bão hòa chiếm hơn 80%), 20% protein, 20% carbohydrate và nhiều khoáng chất như magiê, photpho, đồng, kẽm. Phụ gia ổn định cấu trúc sử dụng gồm xanthan gum (E415, sản xuất từ vi khuẩn Xanthomonas campestris NRRL B1459, được FDA công nhận năm 1969 và Ủy ban châu Âu phê duyệt năm 1980) và carrageenan (chiết xuất từ rong biển đỏ Chondrus crispus). Hai phụ gia này được phối hợp với tỷ lệ xanthan gum:carrageenan = 4:6, sử dụng ở nồng độ khảo sát trong khoảng 0,04–0,12% (w/v). Tiêu chuẩn nước sử dụng tuân theo QCVN 01:2009/BYT và quy chuẩn phụ gia tuân theo QCVN 4-21:2011/BYT.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được thiết kế theo hướng thực nghiệm với bốn thí nghiệm khảo sát độc lập:

Thí nghiệm Yếu tố khảo sát Mức độ
TN1 Loại hạt điều nguyên liệu HDV vs. HDN
TN2 Tỷ lệ hạt:nước (w/v) 4%, 5%, 6%, 7%
TN3 Hàm lượng đường (w/v) 2%, 3%, 4%, 5%, 6%
TN4 Nồng độ hỗn hợp phụ gia (xanthan gum:carrageenan = 4:6) (w/v) 0,04%, 0,06%, 0,08%, 0,1%, 0,12%

Phương pháp phân tích:

  • Xác định thành phần hóa học: hàm lượng ẩm, protein, chất béo, carbohydrate, tro.
  • Phân tích tính chất lưu biến bằng máy đo HAAKE Rheostress 1 Rheometer (Hoa Kỳ); mô hình hồi quy áp dụng phương trình Herschel-Bulkley.
  • Xác định hiệu suất thu hồi sản phẩm và tỷ trọng.
  • Phương pháp định lượng tổng vi sinh vật hiếu khí.
  • Đánh giá sự ổn định của sản phẩm theo thời gian bảo quản.
  • Đánh giá cảm quan theo phương pháp cho điểm thị hiếu.
  • Xử lý số liệu bằng phân tích thống kê (phân tích phương sai một yếu tố).

Thiết bị chính: Máy làm sữa hạt đa năng SEKA E400 (Việt Nam), máy đo lưu biến HAAKE Rheostress 1, tủ sấy đối lưu Memmert (Đức), cân phân tích 4 số Sartorius (Đức).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Mở đầu

Chương trình bày bối cảnh hình thành đề tài từ xu hướng tiêu dùng thực phẩm lành mạnh và vị thế xuất khẩu hạt điều của Việt Nam. Tác giả xác định mục tiêu, bốn nội dung nghiên cứu cụ thể, ý nghĩa khoa học (bổ sung cơ sở dữ liệu cho sữa thực vật và tài liệu tham khảo ngành Công nghệ Thực phẩm) và ý nghĩa thực tiễn (khả năng ứng dụng ở quy mô pilot hoặc công nghiệp).

Chương 2: Tổng quan tài liệu

Chương hệ thống hóa kiến thức về: (1) phân loại và quy trình chung sản xuất sữa hạt gồm sáu bước cơ bản (chuẩn bị nguyên liệu → sơ chế → nấu/xay/lọc → phối trộn → thanh trùng → bảo quản); (2) đặc điểm thực vật học và thành phần dinh dưỡng của hạt điều; (3) vai trò công nghệ của các nguyên liệu phụ (nước, đường, xanthan gum, carrageenan).

Phần tổng quan nghiên cứu trong nước nêu bật hai công trình liên quan: nghiên cứu của Mạc Xuân Hòa và Nguyễn Thị Thảo Minh (2018) về đồng hóa áp suất cao kết hợp xanthan gum và GMS ở tổng áp suất 250 bar; và nghiên cứu của Đặng Thị Thanh Quyên (2021) về ảnh hưởng của quá trình nghiền ướt (tốc độ cối đá 15 vòng/phút, kích thước hạt < 20 µm chiếm 96,5%) và đồng hóa 225 bar lên tám loại hạt. Các nghiên cứu nước ngoài gồm TAMUNO và cộng sự (2019) về đặc tính hóa lý sữa hạt điều (protein 5,00%, chất béo 5,49%, carbohydrate 5,95%), MANZOOR (2017) so sánh sữa hạt điều với sữa đậu nành, và SHORI (2022) về sữa chua probiotic từ sữa hạt điều. Tác giả xác định khoảng trống nghiên cứu: chưa có quy trình chuẩn nào cho sản xuất sữa hạt điều.

Chương 3: Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu

Chương mô tả chi tiết nguồn gốc nguyên liệu (HDV từ Công ty TNHH Đạt Butter, Củ Chi; HDN từ thị trấn Liên Nghĩa, Lâm Đồng; đường Biên Hòa của TTC; xanthan gum và carrageenan từ Công ty CP Phát triển Khoa Học Công Nghệ Việt Úc, Tân Phú). Quy trình dự kiến được thiết kế với các thông số cố định: nấu ở 100°C trong 2 phút, xay 20 phút với công suất 1000W bằng máy SEKA E400, lọc bằng lưới 200 mesh (kích thước 24 cm × 12 cm), và thanh trùng ở 90°C trong 15 phút. Bao bì chai thủy tinh được tiệt trùng ở 121°C trong 15 phút trước khi đóng gói. Bốn sơ đồ thí nghiệm được trình bày kèm các chỉ tiêu đánh giá tương ứng.

Chương 4: Kết quả và bàn luận

Đây là chương trọng tâm, trình bày kết quả của bốn thí nghiệm và đánh giá chất lượng thành phẩm.

TN1 – Loại hạt điều: HDV có hàm lượng chất béo, tro, protein cao hơn HDN; trong khi carbohydrate trong HDV thấp hơn HDN. Tuy nhiên, ở tỷ lệ hạt:nước = 5% (w/v), thành phần hóa học và giá trị dinh dưỡng của sữa từ hai loại hạt không có sự khác biệt đáng kể. Phân tích lưu biến theo phương trình Herschel-Bulkley cho thấy cả hai mẫu đều mang tính giả dẻo với chỉ số hành vi dòng chảy 0 < n < 1. HDV được chọn do giá thành rẻ hơn HDN, mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn.

TN2 – Tỷ lệ hạt:nước: Khảo sát bốn mức 4%, 5%, 6%, 7% (w/v). Phân tích hàm lượng ẩm, tỷ trọng, hiệu suất thu hồi và tính lưu biến (phương trình Herschel-Bulkley) xác định tỷ lệ 5% (w/v) là phù hợp, cân bằng giữa giá trị dinh dưỡng và chấp nhận cảm quan.

TN3 – Hàm lượng đường: Khảo sát năm mức 2%, 3%, 4%, 5%, 6% (w/v). Kết quả đánh giá cảm quan thị hiếu chọn mức 4% là tỷ lệ được người tiêu dùng ưa thích nhất.

TN4 – Nồng độ phụ gia: Khảo sát năm mức 0,04%, 0,06%, 0,08%, 0,1%, 0,12% (w/v). Phân tích lưu biến (hai chu kỳ độ nhớt theo tốc độ cắt) và đánh giá sự ổn định của sản phẩm sau 4 ngày và 7 ngày bảo quản xác định nồng độ 0,1% cho hiệu quả ổn định và cảm quan tốt nhất.

Đánh giá thành phẩm: Sản phẩm sữa hạt điều hoàn chỉnh được so sánh thành phần dinh dưỡng với một số loại sữa thực vật khác trên thị trường (Bảng so sánh đa dạng thông số). Kết quả phân tích vi sinh, chỉ tiêu hóa lý và mô tả cảm quan đều được ghi nhận và đối chiếu với các tiêu chuẩn liên quan.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

Quy trình sản xuất sữa hạt điều hoàn chỉnh được xác định với các thông số tối ưu:

Thông số công nghệ Giá trị tối ưu
Loại nguyên liệu Hạt điều vỡ (HDV)
Tỷ lệ hạt:nước 5% (w/v)
Hàm lượng đường bổ sung 4% (w/v)
Nồng độ phụ gia (xanthan gum:carrageenan = 4:6) 0,1% (w/v)

Sản phẩm đạt được các chỉ tiêu chất lượng sau (trích trực tiếp từ văn bản):

  • Hiệu suất thu hồi: 93,73%
  • Tỷ trọng: 1013,88 g/L
  • Độ nhớt: 0,052 Pa.s
  • Chỉ số hành vi dòng chảy (n): 0 < n < 1 (tính chất giả dẻo)
  • Khả năng đàn hồi: 100%
  • Thành phần dinh dưỡng trên 100 g sản phẩm: 51,06 Kcal, 4,18 g carbohydrate, 0,44 g protein, 3,62 g chất béo
  • Thời hạn bảo quản: giữ trạng thái đồng nhất trong 15 ngày ở 4 ± 2°C

Mức độ chấp nhận cảm quan của thành phẩm được đánh giá tương đương với các sản phẩm phổ biến trên thị trường như sữa đậu nành Fami và sữa hạt hạnh nhân.

Giải pháp và kiến nghị

Tác giả khuyến nghị ứng dụng quy trình ở quy mô pilot hoặc quy mô công nghiệp với công đoạn sản xuất tương đối đơn giản. Việc lựa chọn HDV thay vì HDN được đề xuất như một giải pháp tối ưu hóa chi phí nguyên liệu mà không ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.

Đóng góp so với nghiên cứu trước

Theo tác giả, các nghiên cứu trước đây (Mạc Xuân Hòa 2018, Đặng Thị Thanh Quyên 2021, TAMUNO 2019, MANZOOR 2017, SHORI 2022) đều chưa đưa ra một quy trình sản xuất chuẩn hóa cho sữa hạt điều. Đóng góp cốt lõi của đề tài là thiết lập được quy trình sản xuất hoàn chỉnh với đầy đủ thông số công nghệ, có thể dùng làm tài liệu tham khảo và cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo về sữa thực vật.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Văn bản không liệt kê hạn chế một cách tường minh trong phần kết luận. Tuy nhiên, dựa trên phạm vi nghiên cứu được trình bày, có thể nhận thấy một số giới hạn sau:

  • Nghiên cứu sử dụng thiết bị đồng hóa tích hợp trong máy làm sữa hạt SEKA E400, không kiểm soát áp suất đồng hóa, nên quy trình chưa được tối ưu hóa ở điều kiện áp suất cao như các nghiên cứu tham chiếu (250 bar, 225 bar).
  • Thời hạn bảo quản khảo sát dừng ở 15 ngày; chưa nghiên cứu các phương pháp kéo dài hạn sử dụng (tiệt trùng UHT, bao bì vô trùng).
  • Chưa thực hiện quy mô sản xuất thử nghiệm (pilot scale) để kiểm chứng tính nhân rộng của quy trình.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể mở rộng sang phát triển sản phẩm lên men từ sữa hạt điều (theo hướng của SHORI 2022) hoặc bổ sung vi chất dinh dưỡng để nâng cao giá trị sản phẩm.

Giá trị tham khảo

Khóa luận hữu ích cho các đối tượng sau:

  • Sinh viên ngành Công nghệ Thực phẩm đang thực hiện đề tài về sữa thực vật, đồ uống từ hạt, hoặc phát triển sản phẩm thay thế sữa động vật: phần thiết kế thí nghiệm (Chương 3) và kết quả lưu biến theo mô hình Herschel-Bulkley (Chương 4) có giá trị phương pháp luận.
  • Sinh viên, học viên nghiên cứu về phụ gia thực phẩm: phần phân tích ảnh hưởng của hỗn hợp xanthan gum và carrageenan đến sự ổn định và tính chất lưu biến của hệ nhũ tương thực vật.
  • Người làm đề tài về nguyên liệu hạt điều hoặc nâng cao giá trị nông sản Việt Nam: phần tổng quan về thành phần dinh dưỡng, vai trò kinh tế và thực trạng thị trường hạt điều Việt Nam (Chương 2).
  • Nhà sản xuất quy mô nhỏ hoặc doanh nghiệp khởi nghiệp quan tâm đến dòng sản phẩm sữa thực vật: quy trình hoàn chỉnh và thông số công nghệ đã được kiểm định ở quy mô phòng thí nghiệm có thể là điểm khởi đầu cho việc thiết kế sản xuất thử nghiệm.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tác giả chọn hạt điều vỡ thay vì hạt điều nguyên làm nguyên liệu chính? Ở tỷ lệ hạt:nước = 5% (w/v), thành phần hóa học và giá trị dinh dưỡng của sữa từ HDV và HDN không có sự khác biệt đáng kể. Do đó, HDV được chọn vì giá thành thấp hơn nhiều so với HDN, mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn mà không ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.

2. Vai trò cụ thể của hỗn hợp xanthan gum và carrageenan trong sản phẩm là gì, và tại sao dùng tỷ lệ 4:6? Xanthan gum đóng vai trò chất làm đặc và ổn định hệ huyền phù tinh bột, kiểm soát sự tách nước ra khỏi gel và duy trì độ nhớt ổn định theo nhiệt độ. Carrageenan bổ sung tác dụng tạo gel, tăng độ nhớt, ngăn keo tụ giọt dầu và giảm độ cứng của gel. Sự kết hợp hai phụ gia ở tỷ lệ 4:6 và nồng độ 0,1% (w/v) được xác định qua thực nghiệm (TN4) là phù hợp nhất dựa trên kết quả lưu biến và sự ổn định sau 4 ngày và 7 ngày bảo quản.

3. Sữa hạt điều thành phẩm đạt hiệu suất thu hồi và thành phần dinh dưỡng như thế nào? Sản phẩm đạt hiệu suất thu hồi 93,73%, tỷ trọng 1013,88 g/L, độ nhớt 0,052 Pa.s. Mỗi 100 g sản phẩm cung cấp 51,06 Kcal năng lượng, gồm 4,18 g carbohydrate, 0,44 g protein và 3,62 g chất béo. Sản phẩm mang tính chất lưu biến giả dẻo (0 < n < 1) với khả năng đàn hồi 100%.

4. Quy trình xử lý nhiệt trong sản xuất sữa hạt điều gồm những công đoạn nào và tại sao phải nấu hạt trước khi xay? Có hai công đoạn nhiệt chính: (1) Nấu và xay ở 100°C trong 2 phút nhằm bất hoạt nhựa điều (urushiol) còn sót lại từ quá trình xử lý nguyên liệu — nếu không bất hoạt sẽ gây gắt cổ khi uống — đồng thời làm mềm hạt, tăng mùi vị, và phá vỡ cấu trúc tế bào để trích ly protein, lipid, glucid vào nước; (2) Thanh trùng ở 90°C trong 15 phút nhằm tiêu diệt vi sinh vật, kéo dài thời hạn bảo quản đến 15 ngày ở 4 ± 2°C.

5. Sữa hạt điều tự sản xuất được người tiêu dùng đánh giá như thế nào so với các sản phẩm sữa hạt thương mại trên thị trường? Theo kết quả đánh giá cảm quan thị hiếu, mức độ chấp nhận của người tiêu dùng đối với thành phẩm sữa hạt điều được xác định là tương đương với các sản phẩm phổ biến trên thị trường như sữa đậu nành Fami và sữa hạt hạnh nhân, cho thấy tiềm năng thương mại của quy trình đề xuất.

Kết luận

Khóa luận của sinh viên Bùi Mạnh Quang (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM, 2024) đã xây dựng thành công quy trình sản xuất sữa hạt điều hoàn chỉnh thông qua bốn nhóm thí nghiệm khảo sát có hệ thống, với thông số tối ưu gồm hạt điều vỡ, tỷ lệ hạt:nước 5% (w/v), đường 4% (w/v) và phụ gia ổn định (xanthan gum:carrageenan = 4:6) ở nồng độ 0,1% (w/v). Sản phẩm đạt hiệu suất thu hồi 93,73%, giữ trạng thái đồng nhất 15 ngày ở 4 ± 2°C, và được người tiêu dùng đánh giá ngang bằng với các sản phẩm sữa hạt thương mại hiện có. Đây là nghiên cứu bổ sung cơ sở khoa học cho dòng sữa thực vật từ hạt điều — nguồn nguyên liệu nông sản thế mạnh của Việt Nam — và có giá trị tham khảo cho cả nghiên cứu học thuật lẫn ứng dụng sản xuất.