Tổng quan nghiên cứu

Carrageenan là một polysaccharide có nguồn gốc từ rong biển, được sử dụng rộng rãi như một phụ gia tạo gel và chất làm dày trong ngành công nghệ thực phẩm. Theo ước tính, ngành công nghiệp thực phẩm tiêu thụ khoảng 70-80% sản lượng carrageenan toàn cầu, với ứng dụng đa dạng trong sản xuất thịt, đồ uống, sữa, bánh kẹo và thức ăn chăn nuôi. Trong lĩnh vực sản xuất kẹo dẻo, gelatin và pectin là hai chất tạo gel truyền thống nhưng đều có những hạn chế nhất định như yêu cầu nhiệt độ thấp hoặc nồng độ đường cao để tạo gel. Carrageenan với khả năng tạo gel ở hàm lượng nhỏ, ổn định cấu trúc sau bảo quản và tạo gel trong điều kiện thông thường, được xem là một chất thay thế tiềm năng.

Mục tiêu nghiên cứu nhằm khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như tỉ lệ nha/đường, nồng độ carrageenan, hàm lượng cation và acid đến tính chất gel carrageenan trong sản xuất kẹo dẻo. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các tính chất hóa lý của carrageenan và sự biến đổi của gel trong điều kiện sản xuất thực tế tại Việt Nam, với thời gian nghiên cứu năm 2018. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc tối ưu hóa công thức và quy trình sản xuất kẹo dẻo sử dụng carrageenan, góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm và mở rộng ứng dụng carrageenan trong ngành công nghiệp thực phẩm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình về cấu trúc và tính chất gel của carrageenan, bao gồm:

  • Cấu trúc phân tử carrageenan: Carrageenan là chuỗi polysaccharide gồm các đơn vị galactose và 3,6-anhydrogalactose liên kết bằng liên kết glycosidic α-1,3 và β-1,4. Ba loại chính là kappa, iota và lambda carrageenan, khác nhau về hàm lượng nhóm sulfat và khả năng tạo gel.

  • Cơ chế tạo gel: Gel hình thành khi carrageenan được đun nóng và làm nguội, tạo mạng lưới xoắn kép ba chiều. Ion K+ và Ca2+ đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định cấu trúc gel, ảnh hưởng đến độ cứng, độ đàn hồi và độ dính của gel.

  • Ảnh hưởng của các thành phần nguyên liệu: Tỉ lệ nha/đường, nồng độ carrageenan, hàm lượng cation và acid citric ảnh hưởng đến độ nhớt, nồng độ tạo gel tối thiểu, độ ổn định gel sau bảo quản và đặc tính cấu trúc gel.

Các khái niệm chính bao gồm độ nhớt, độ cứng, độ đàn hồi, độ dính và độ cố kết của gel, được đo bằng máy phân tích cấu trúc thực phẩm TA.XT Plus theo phương pháp Texture Profile Analysis (TPA).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu gồm carrageenan phân phối bởi Công ty TNHH Công nghệ phẩm Ba Đình, đường saccharose, mạch nha maltose dextrin DE=8, muối citrate và acid citric. Các mẫu gel được chuẩn bị theo các tỷ lệ và nồng độ khác nhau.

  • Phương pháp phân tích:

    • Xác định độ ẩm bằng phương pháp sấy đến khối lượng không đổi.
    • Xác định nồng độ tạo gel tối thiểu qua quan sát gel không chảy khi đặt ngang cốc.
    • Đo độ nhớt dung dịch carrageenan ở 75°C bằng nhớt kế Ostwald.
    • Đánh giá đặc tính cấu trúc gel (độ cứng, đàn hồi, dính, cố kết) bằng máy TA.XT Plus.
    • Xác định độ ổn định gel sau bảo quản lạnh dựa trên lượng nước tách ra.
    • Đánh giá cảm quan sản phẩm bằng phương pháp thử thị hiếu với thang điểm 1-9.

  • Thiết kế thí nghiệm: Thí nghiệm được bố trí theo mô hình toán học để khảo sát ảnh hưởng đơn yếu tố và đa yếu tố của tỉ lệ nha/đường, nồng độ carrageenan, hàm lượng cation Ca2+ và acid citric đến các chỉ tiêu gel.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2018, bao gồm giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu, tiến hành thí nghiệm, phân tích dữ liệu và tối ưu công thức.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của tỉ lệ nha/đường: Khi tăng tỉ lệ nha/đường từ khoảng 1,5 đến 3,0, nồng độ tạo gel tối thiểu giảm rõ rệt, gel trở nên mềm và dính hơn. Độ đàn hồi và độ cố kết của gel giảm khoảng 15-20%, trong khi độ dính tăng lên 25%. Độ ổn định gel sau bảo quản lạnh cũng giảm nhẹ.

  2. Ảnh hưởng của nồng độ carrageenan: Tăng nồng độ carrageenan từ 1,0% đến 2,0% làm độ cứng gel tăng khoảng 40%, độ dính giảm 30%, độ đàn hồi và độ cố kết tăng lần lượt 20% và 15%. Độ nhớt dung dịch carrageenan cũng tăng từ 150 đến 350 CP.

  3. Ảnh hưởng của hàm lượng cation Ca2+: Sự thay đổi hàm lượng Ca2+ trong khoảng 0,01% đến 0,05% không ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc gel carrageenan, độ nhớt và độ ổn định gel sau bảo quản giữ nguyên trong giới hạn sai số ±5%.

  4. Ảnh hưởng của acid citric: Tăng hàm lượng acid citric từ 0,1% đến 0,5% không làm thay đổi đáng kể khả năng tạo gel, độ nhớt và đặc tính cấu trúc gel. Gel vẫn giữ được độ ổn định sau bảo quản lạnh.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy tỉ lệ nha/đường là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính chất gel carrageenan, đặc biệt làm giảm nồng độ tạo gel tối thiểu và làm gel mềm, dính hơn. Điều này phù hợp với các nghiên cứu trước đây cho thấy đường và maltodextrin ảnh hưởng đến cấu trúc mạng gel bằng cách thay đổi sự hydrat hóa và tương tác phân tử. Việc tăng nồng độ carrageenan làm tăng độ cứng và độ đàn hồi của gel là do sự gia tăng mật độ mạng lưới polysaccharide, củng cố cấu trúc gel.

Hàm lượng cation Ca2+ và acid citric trong phạm vi nghiên cứu không ảnh hưởng đáng kể đến gel carrageenan, điều này cho thấy carrageenan có khả năng tạo gel ổn định trong điều kiện acid nhẹ và có mặt ion kim loại, phù hợp với điều kiện sản xuất kẹo dẻo thực tế. Các dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa tỉ lệ nha/đường và các chỉ tiêu cấu trúc gel, cũng như bảng so sánh các đặc tính gel ở các nồng độ carrageenan khác nhau.

So sánh với gelatin và pectin, carrageenan thể hiện ưu điểm vượt trội về khả năng tạo gel trong điều kiện nhiệt độ và pH rộng, đồng thời gel ổn định hơn sau bảo quản, phù hợp với yêu cầu sản xuất kẹo dẻo tại Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu tỉ lệ nha/đường: Khuyến nghị sử dụng tỉ lệ nha/đường khoảng 2,47 (hàm lượng đường 28,3%, nha 69,8%) để đạt được gel mềm, dẻo và ổn định, cải thiện cảm quan sản phẩm. Thời gian áp dụng: ngay trong quy trình sản xuất hiện tại. Chủ thể thực hiện: bộ phận nghiên cứu và phát triển sản phẩm.

  2. Điều chỉnh nồng độ carrageenan: Sử dụng nồng độ carrageenan khoảng 1,9% để tăng độ cứng và độ đàn hồi của gel, giảm độ dính không mong muốn. Thời gian áp dụng: trong vòng 3 tháng để thử nghiệm quy mô sản xuất. Chủ thể thực hiện: phòng kỹ thuật sản xuất.

  3. Kiểm soát hàm lượng cation và acid: Duy trì hàm lượng cation Ca2+ và acid citric trong giới hạn không ảnh hưởng đến gel (Ca2+ dưới 0,05%, acid citric dưới 0,5%) để đảm bảo tính ổn định gel và an toàn thực phẩm. Chủ thể thực hiện: bộ phận kiểm soát chất lượng.

  4. Áp dụng mô hình toán học tối ưu: Sử dụng mô hình toán học xây dựng trong nghiên cứu để dự đoán và điều chỉnh các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc gel, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí thử nghiệm. Thời gian áp dụng: dài hạn. Chủ thể thực hiện: phòng nghiên cứu và phát triển.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu công nghệ thực phẩm: Nghiên cứu sâu về tính chất gel carrageenan và ứng dụng trong sản xuất kẹo dẻo, từ đó phát triển các sản phẩm mới.

  2. Doanh nghiệp sản xuất bánh kẹo: Áp dụng công thức và quy trình tối ưu để nâng cao chất lượng kẹo dẻo, giảm chi phí nguyên liệu và tăng tính cạnh tranh trên thị trường.

  3. Sinh viên và giảng viên ngành công nghệ thực phẩm: Tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu, luận văn và bài giảng về phụ gia thực phẩm và công nghệ sản xuất kẹo.

  4. Cơ quan quản lý chất lượng thực phẩm: Tham khảo để xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và quy định về sử dụng carrageenan trong sản xuất thực phẩm, đảm bảo an toàn và chất lượng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Carrageenan có thể thay thế hoàn toàn gelatin và pectin trong sản xuất kẹo dẻo không?
    Carrageenan có nhiều ưu điểm như tạo gel ở điều kiện thông thường và gel ổn định sau bảo quản, tuy nhiên việc thay thế hoàn toàn cần cân nhắc đặc tính cảm quan và yêu cầu sản phẩm. Nghiên cứu cho thấy carrageenan là lựa chọn tiềm năng để phối hợp hoặc thay thế một phần gelatin và pectin.

  2. Tỉ lệ nha/đường ảnh hưởng như thế nào đến cấu trúc gel carrageenan?
    Tỉ lệ nha/đường cao làm giảm nồng độ tạo gel tối thiểu, gel mềm và dính hơn, giảm độ đàn hồi và cố kết. Điều này giúp tạo ra gel có độ dẻo dai phù hợp với yêu cầu cảm quan của kẹo dẻo.

  3. Hàm lượng cation Ca2+ có ảnh hưởng đến độ ổn định gel không?
    Trong phạm vi nghiên cứu, hàm lượng Ca2+ từ 0,01% đến 0,05% không ảnh hưởng đáng kể đến độ ổn định gel carrageenan, cho thấy gel có khả năng chịu được sự biến đổi ion trong điều kiện sản xuất thực tế.

  4. Acid citric có làm giảm khả năng tạo gel của carrageenan không?
    Acid citric trong giới hạn 0,1% đến 0,5% không làm giảm khả năng tạo gel và độ nhớt của carrageenan, giúp duy trì cấu trúc gel ổn định và phù hợp với các sản phẩm kẹo dẻo có vị chua nhẹ.

  5. Làm thế nào để đánh giá cảm quan kẹo dẻo sử dụng carrageenan?
    Đánh giá cảm quan được thực hiện qua thử thị hiếu với thang điểm từ 1 đến 9, đo lường mức độ ưa thích về độ dẻo, độ cứng, vị ngọt và màu sắc. Kết quả cho thấy kẹo dẻo sử dụng carrageenan có độ ưa thích cao, tương đương hoặc vượt trội so với gelatin.

Kết luận

  • Carrageenan là phụ gia tạo gel tiềm năng trong sản xuất kẹo dẻo, khắc phục được hạn chế của gelatin và pectin.
  • Tỉ lệ nha/đường và nồng độ carrageenan là hai yếu tố chính ảnh hưởng đến tính chất gel, cần được tối ưu để đạt cấu trúc gel mong muốn.
  • Hàm lượng cation Ca2+ và acid citric trong giới hạn nghiên cứu không ảnh hưởng tiêu cực đến gel carrageenan.
  • Mô hình toán học xây dựng giúp dự đoán và điều chỉnh các yếu tố ảnh hưởng đến gel, hỗ trợ tối ưu hóa quy trình sản xuất.
  • Đề xuất áp dụng công thức tối ưu với tỉ lệ nha/đường 2,47 và carrageenan 1,9% để sản xuất kẹo dẻo chất lượng cao, ổn định và đáp ứng yêu cầu thị trường.

Tiếp theo, các doanh nghiệp và nhà nghiên cứu nên triển khai thử nghiệm quy mô lớn và đánh giá lâu dài về chất lượng sản phẩm. Hãy áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả sản xuất và phát triển sản phẩm kẹo dẻo mới với carrageenan.