Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sữa và các chế phẩm từ sữa giữ vai trò quan trọng trong dinh dưỡng nhờ hàm lượng dưỡng chất cân đối và khả năng hấp thu cao. Tại Việt Nam, ngành công nghiệp chế biến sữa phát triển với nhiều sản phẩm sữa lên men đa dạng như sữa chua có đường, Probi, SuSu, sữa chua nha đam hay hương dâu. Đa số các sản phẩm truyền thống sử dụng hai chủng vi khuẩn khởi động chính là Lactobacillus bulgaricus và Streptococcus thermophilus. Một số dòng sản phẩm có bổ sung vi khuẩn probiotic sau quá trình lên men truyền thống để gia tăng lợi ích sức khỏe.

Tuy nhiên, việc sử dụng trực tiếp các chủng vi khuẩn probiotic sống làm vi sinh vật khởi động (starter culture) — đóng vai trò chủ đạo trong việc chuyển hóa đường lactose, hình thành cấu trúc đông tụ, tạo hương và vị cho sản phẩm — vẫn chưa được phát triển phổ biến tại thị trường trong nước. Nhằm tạo ra dòng sản phẩm sữa chua có hoạt tính probiotic trực tiếp từ khâu lên men, đề tài "Xây dựng quy trình lên men sữa chua bằng men sống probiotic" được thực hiện bởi sinh viên Cao Thị Thường (Khoa Công Nghệ Sinh Học – Viện Đại Học Mở Hà Nội), dưới sự hướng dẫn của PGS. Nguyễn Văn Đạo vào năm 2016.

Mục tiêu của đề tài được cụ thể hóa thành ba nhiệm vụ nghiên cứu chính:

  1. Nghiên cứu các yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến quá trình lên men sữa chua bằng men sống probiotic (thời gian ủ kích hoạt men giống, nhiệt độ lên men, tỷ lệ men giống cấy truyền).
  2. Nghiên cứu ảnh hưởng của các chất phụ gia và nguyên liệu bổ sung (hàm lượng sữa đặc có đường, tỷ lệ chất ổn định gelatin).
  3. Thiết lập và hoàn thiện quy trình công nghệ sản xuất sữa chua từ men sống probiotic ở quy mô phòng thí nghiệm.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Men sống probiotic thương mại dạng bột chứa hỗn hợp ba chủng vi khuẩn (Lactobacillus acidophilus, Bifidobacterium longum, Streptococcus faecalis); sữa tươi nguyên liệu thu mua từ hộ chăn nuôi bò sữa (hàm lượng chất khô 11–13%); sữa tươi tiệt trùng/thanh trùng không đường Vinamilk; sữa đặc có đường; chất ổn định gelatin thực phẩm.
  • Không gian thực hiện: Phòng thí nghiệm Khoa Công Nghệ Sinh Học – Viện Đại Học Mở Hà Nội.
  • Thời gian hoàn thành: Tháng 5 năm 2016.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận dựa trên cơ sở khoa học của quá trình lên men lactic và đặc tính sinh học của các chủng vi sinh vật probiotic:

1. Cơ sở lý thuyết sinh hóa và vi sinh

  • Cơ chế lên men lactic: Quá trình chuyển hóa đường lactose thành glucose và galactose dưới tác dụng của enzyme $\beta$-D-galactosidase nội bào. Đường glucose tiếp tục đi qua chu trình đường phân tạo thành axit pyruvic, sau đó nhờ enzyme lactate dehydrogenase khử thành axit lactic. Sự tích tụ axit lactic làm giảm pH môi trường, làm mất ổn định phức hệ calcium-casein-phosphat, dẫn đến sự đông tụ protein sữa tạo cấu trúc gel mịn.
  • Sự tạo hương và biến đổi chất: Enzyme decarboxylase chuyển hóa axit pyruvic thành acetaldehyde, kết hợp tạo thành diacetyl và acetoin – các hợp chất bay hơi tạo mùi vị đặc trưng cho sữa chua. Quá trình thủy phân protein và chất béo ở mức độ giới hạn giải phóng các peptide, axit amin tự do và axit béo mạch ngắn.
  • Đặc tính các chủng probiotic sử dụng:
    • Lactobacillus acidophilus: Trực khuẩn Gram dương, lên men đồng hình, nhiệt độ sinh trưởng tối ưu 37–42°C, có khả năng sống sót qua dịch vị dạ dày, bám dính biểu mô ruột và sinh bacteriocin kháng khuẩn.
    • Bifidobacterium longum: Vi khuẩn hình que, Gram dương, catalase âm tính, vi hiếu khí/kỵ khí, hỗ trợ miễn dịch đường ruột.
    • Streptococcus faecalis: Cầu khuẩn Gram dương hoại sinh đường ruột, hỗ trợ tiêu hóa và tổng hợp enzyme lactase.

2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

  • Phương pháp chuẩn bị và hoạt hóa men giống: Hoạt hóa men bột thương mại trong 300 ml sữa tươi thanh trùng (đã xử lý nhiệt 85–90°C trong 15–20 phút, hạ nhiệt về 40–42°C), bổ sung 3 g men probiotic, ủ ở 40°C trong 15 giờ nhằm rút ngắn pha tiềm phát khi lên men chính.
  • Phương pháp chuẩn bị dịch gelatin: Cân gelatin (0,5–0,7% khối lượng sản phẩm), ngâm trong 50–100 ml sữa tươi không đường trong 20 phút cho trương nở hoàn toàn, đun cách thủy ở 90–95°C trong 20 phút trước khi phối trộn vào dịch sữa.
  • Phương pháp lên men và đình chỉ lên men: Phối chế nguyên liệu (sữa tươi, sữa đặc, dịch gelatin), thanh trùng dịch sữa ở 90–95°C, làm nguội về 40–43°C, cấy men giống, ủ kỵ khí ở 40–42°C đến khi pH đạt 4,4. Đình chỉ lên men bằng cách hạ nhiệt độ xuống 15–20°C, sau đó ủ chín sinh hóa ở 4–6°C tối thiểu 6 giờ để ổn định cấu trúc và hương vị.
  • Phương pháp xác định pH: Sử dụng máy đo pH có điện cực thủy tinh nhúng trực tiếp vào mẫu thử định kỳ trong quá trình lên men.
  • Phương pháp đánh giá cảm quan: Sử dụng phép thử cho điểm theo thang điểm 1–5 đối với 6 chỉ tiêu: Độ sánh, Cấu trúc, Màu sắc, Mùi, Vị ngọt, Vị chua. Hội đồng cảm quan gồm 15 người đánh giá độc lập, sử dụng sản phẩm sữa chua Vinamilk thương mại làm mẫu đối chứng (chuẩn 5/5 điểm cho các chỉ tiêu).
Chỉ tiêu Điểm 5 (Tối ưu) Điểm 3 (Trung bình) Điểm 1 (Kém)
Độ sánh Đông đặc, dẻo Đông đặc, có hiện tượng tách nước Không đông đặc, tách nước nhiều
Cấu trúc Đông mịn đồng nhất từ đáy lên bề mặt, bền chặt Bề mặt bóng mịn, hạt sữa bên trong không mịn Không đồng nhất, không chắc chắn
Màu sắc Trắng Hơi vàng Quá vàng
Mùi Thơm đặc trưng của sữa chua Mùi chua át mùi thơm đặc trưng Sản phẩm có mùi lạ
Vị ngọt Ngọt vừa Hơi ngọt Không ngọt
Vị chua Chua vừa Hơi chua Không chua

Nội dung chính theo từng chương

Phần I: Tổng quan tài liệu

Chương này tổng hợp các kiến thức nền tảng về thành phần hóa học của sữa bò (chất khô 10–20%, protein có độ tiêu hóa 96–98%, lipid, lactose, muối khoáng, vitamin); phân loại các dòng yaourt trên thị trường (truyền thống - set type, dạng khuấy - stirred type, dạng uống - drinking type, lạnh đông - frozen type, cô đặc - concentrated type). Tác giả phân tích cơ chế tác động sinh học của probiotic: khả năng bám dính biểu mô ruột cạnh tranh với vi khuẩn gây bệnh, tiết bacteriocin, phân giải lactose giảm triệu chứng không dung nạp đường sữa, hỗ trợ đào thải muối mật làm giảm cholesterol huyết thanh và phòng ngừa tiêu chảy ở trẻ nhỏ.

Phần tổng quan cũng thống kê hiện trạng các sản phẩm sữa lên men probiotic thương mại tại thị trường Việt Nam:

Tên sản phẩm Chủng khởi động Chủng bổ sung Mật độ vi khuẩn lactic
Probi dạng uống (Vinamilk) L. bulgaricus, S. thermophilus L. casei $2 \times 10^8\text{ CFU/ml}$
Yakult L. bulgaricus Men probiotics (L. casei Shirota) $10^8\text{ CFU/g}$
Betagen (Thái Lan) L. bulgaricus, S. thermophilus L. casei $10^8\text{ CFU/g}$
Probi dạng ăn (Vinamilk) Streptococcus thermophilus, L. bulgaricus L. casei 431 $10^7\text{ CFU/g}$

Phần II: Phương pháp nghiên cứu

Chương này mô tả chi tiết quy trình chuẩn bị nguyên vật liệu và bố trí các bước thực nghiệm. Tác giả nêu rõ tiêu chuẩn kiểm tra chất lượng sữa tươi nguyên liệu bằng phản ứng xanh methylen để đánh giá độ tươi và mật độ vi sinh vật tạp nhiễm; yêu cầu bảo quản men vi sinh đóng gói trong môi trường khí nitơ nhằm duy trì tỷ lệ sống của vi khuẩn vi hiếu khí; kỹ thuật hòa tan và gia nhiệt gelatin tránh vón cục; kỹ thuật cấy vô trùng trong tủ cấy phòng thí nghiệm; và quy trình vận hành máy đo pH điện cực thủy tinh.

Phần III: Kết quả nghiên cứu

Chương này trình bày toàn bộ số liệu thực nghiệm thông qua các dãy thí nghiệm đơn yếu tố để xác định thông số tối ưu cho quy trình sản xuất:

1. Ảnh hưởng của thời gian ủ kích hoạt men giống

Khảo sát các mốc thời gian ủ men giống từ 5 đến 20 giờ ở 40°C trước khi cấy vào dịch sữa lên men:

Thời gian ủ men giống (giờ) 5 7 9 12 15 20
Thời gian lên men đạt pH 4,4 (giờ) 12,0 8,4 7,0 5,3 5,0 3,0

Nhận xét thực nghiệm: Thời gian ủ men 5 giờ khiến thời gian lên men kéo dài tới 12 giờ, làm tăng nguy cơ nhiễm tạp khuẩn. Ủ 7–9 giờ khiến cấu trúc sữa chua bị lỏng và tách nước. Thời gian ủ 12–15 giờ giúp vi khuẩn thích nghi hoàn toàn, rút ngắn thời gian lên men xuống 5,0–5,3 giờ, sản phẩm có cấu trúc đông đặc mịn và mùi thơm đặc trưng. Mốc 20 giờ lên men nhanh (3 giờ) nhưng xuất hiện mùi lạ. Khoảng thời gian ủ men tối ưu được chọn là 12–15 giờ.

2. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên men

Khảo sát nhiệt độ lên men từ 35°C đến 47°C trên nền mẫu bổ sung 5% men giống, 20% sữa đặc có đường:

Nhiệt độ lên men (°C) 35 37 40 42 45 47
Thời gian lên men đạt pH 4,4 (giờ) 7,3 7,0 6,0 5,3 5,0 4,0

Nhận xét thực nghiệm: Nhiệt độ dưới 37°C kéo dài thời gian lên men trên 7 giờ, dễ nhiễm tạp. Nhiệt độ trên 45°C làm giảm chất lượng cảm quan do ức chế một phần hoạt tính sinh trưởng cân bằng của hệ vi khuẩn. Nhiệt độ tối ưu được xác định trong khoảng 40–42°C.

3. Ảnh hưởng của tỷ lệ men giống bổ sung

Khảo sát tỷ lệ cấy men giống ở các mức 1%, 3%, 5%, 7% và 10% (ở 40°C, 20% sữa đặc, 0,5% gelatin):

Tỷ lệ men giống (%) Thời gian lên men (giờ) Độ sánh Cấu trúc Màu sắc Mùi Vị ngọt Vị chua Đánh giá tổng quát
1% 8,0 3 4 4 4 5 3 Tách nước, hạt sữa lỏng lẻo, hơi chua
3% 7,0 4 4 5 4 5 3 Không tách nước nhưng cấu trúc chưa chặt
5% 6,0 5 5 5 4 5 5 Đông mịn dẻo từ đáy lên bề mặt, chua ngọt hài hòa
7% 5,3 5 5 5 4 5 4 Cấu trúc tốt, độ chua tăng nhẹ
10% 4,0 2 3 4 3 3 2 Quá chua, hạt sữa không mịn, mùi chua nồng

Kết luận: Tỷ lệ men giống tối ưu là 5% (hoặc trong khoảng 5–7%), đảm bảo thời gian lên men 5,3–6,0 giờ và đạt điểm cảm quan cao nhất.

4. Ảnh hưởng của tỷ lệ sữa đặc có đường bổ sung

Khảo sát hàm lượng sữa đặc bổ sung ở các mức 5%, 10%, 15%, 20% và 25% (ở 40°C, 5% men giống, 0,5% gelatin):

Tỷ lệ sữa đặc (%) Thời gian lên men (giờ) Độ sánh Cấu trúc Màu sắc Mùi Vị ngọt Vị chua Đánh giá tổng quát
5% 6,15 3 2 5 3 1 4 Nứt mảng, phân lớp, tách nước, không ngọt
10% 6,15 4 4 5 3 3 4 Cấu trúc bên trong chưa chặt, vị ngọt ít
15% 6,00 4 4 5 4 4 4 Cải thiện cấu trúc, vị ngọt và chua khá đều
20% 5,30 5 5 5 4 5 5 Đông đặc dẻo, mịn đồng nhất, vị hài hòa
25% 5,00 3 5 4 4 4 5 Bị tách nước, màu ngả vàng/ngà, quá ngọt

Kết luận: Hàm lượng sữa đặc có đường tối ưu là 20%, đóng vai trò cung cấp cơ chất dinh dưỡng và chất điều vị giúp sản phẩm đạt độ sánh đặc và hài hòa vị giác.

5. Khảo sát chất ổn định gelatin, biến thiên pH và bảo quản

  • Hàm lượng gelatin: Bổ sung ở tỷ lệ 0,5–0,7% giúp mạng lưới gel protein liên kết bền vững, chống hiện tượng tách huyết thanh sữa (whey) trong quá trình bảo quản mà không làm biến đổi hương vị tự nhiên.
  • Động học pH: Quá trình lên men được theo dõi liên tục cho đến khi pH đạt giá trị đích 4,4 (khoảng chấp nhận 4,2–4,5 tùy khẩu vị tiêu dùng).
  • Điều kiện bảo quản: Sau khi lên men, làm lạnh đình chỉ ở 15–20°C, ủ chín sinh hóa ở 4–6°C tối thiểu 6 giờ; sản phẩm bảo quản ổn định ở nhiệt độ 4–6°C trong thời gian từ 7 ngày trở lên.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả chính và thông số quy trình hoàn chỉnh

Khóa luận đã xác định được bộ thông số kỹ thuật tối ưu để sản xuất sữa chua từ men sống probiotic quy mô phòng thí nghiệm:

Công đoạn Thông số kỹ thuật xác lập
Hoạt hóa men giống Tỷ lệ 3 g men probiotic trong 300 ml sữa tươi thanh trùng, ủ ở 40°C trong 12–15 giờ, bảo quản ở 4–6°C
Phối chế nguyên liệu Sữa tươi nguyên liệu kết hợp 20% sữa đặc có đường và 0,5–0,7% dịch gelatin đã hòa tan
Thanh trùng hỗn hợp Gia nhiệt ở 90–95°C nhằm tiêu diệt vi sinh vật tạp và biến tính chọn lọc protein sữa
Tiếp giống & Lên men Làm nguội dịch sữa về 40–43°C, cấy 5% men giống đã hoạt hóa, ủ kỵ khí ở 40–42°C trong 5–6 giờ
Thời điểm dừng lên men Khi độ chua đạt pH = 4,4
Đình chỉ & Ủ chín Hạ nhiệt độ dịch sữa xuống 15–20°C để ngừng lên men, sau đó ủ chín sinh hóa ở 4–6°C trong tối thiểu 6 giờ
Bảo quản thành phẩm Duy trì nhiệt độ 4–6°C, thời hạn bảo quản ổn định từ 7 ngày

2. Đóng góp của đề tài

  • Khẳng định khả năng sử dụng trực tiếp chế phẩm men vi sinh probiotic đa chủng (Lactobacillus acidophilus, Bifidobacterium longum, Streptococcus faecalis) làm chủng khởi động chính trong lên men sữa chua, thay vì chỉ bổ sung vi khuẩn probiotic vào sản phẩm sau khi đã lên men bằng chủng truyền thống (L. bulgaricus, S. thermophilus).
  • Cung cấp dữ liệu thực nghiệm có hệ thống về sự tương quan giữa thời gian hoạt hóa men giống dạng bột thương mại với tốc độ giảm pH và chất lượng cảm quan của khối đông sữa.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Thí nghiệm được tiến hành ở quy mô nhỏ trong phòng thí nghiệm; thao tác phân chia mẫu vào các hũ chứa 100 g và cấy giống thủ công tiềm ẩn nguy cơ nhiễm chéo nếu điều kiện vô trùng không được kiểm soát nghiêm ngặt. Về mặt cảm quan, điểm đánh giá chỉ tiêu mùi của mẫu thử nghiệm (đạt 4/5 điểm) vẫn thấp hơn một mức so với mẫu sữa chua công nghiệp đối chứng Vinamilk (đạt 5/5 điểm).
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Nghiên cứu tối ưu hóa hương thơm tự nhiên của sản phẩm; kiểm tra định lượng mật độ sống thực tế ($CFU/g$) của từng chủng probiotic trong suốt quá trình bảo quản động học 7–14 ngày; nâng quy mô thử nghiệm lên hệ thống thiết bị bán công nghiệp tự động hóa.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo cho sinh viên, học viên và cán bộ kỹ thuật thuộc các chuyên ngành Công nghệ Sinh học, Công nghệ Thực phẩm và Chế biến Sữa:

  • Tham khảo phương pháp hoạt hóa giống: Cung cấp phương pháp chi tiết để phục hồi hoạt tính sinh học của các chế phẩm men vi sinh thương mại dạng bột trước khi đưa vào quy trình sản xuất thực phẩm.
  • Tham khảo xây dựng công thức phối chế: Cung cấp tỷ lệ phối trộn giữa sữa tươi, sữa đặc và gelatin nhằm tối ưu hóa cấu trúc gel và giảm thiểu hiện tượng tách nước trong sản xuất sữa chua quy mô nhỏ hoặc thử nghiệm sản phẩm mới.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần phải ủ hoạt hóa men giống probiotic trong 12–15 giờ trước khi lên men?

Men probiotic sử dụng trong nghiên cứu là dạng bột đông khô thương mại có pha tiềm phát (lag phase) kéo dài. Nếu cấy trực tiếp vào dịch sữa, thời gian lên men kéo dài tới hơn 12 giờ, khiến sản phẩm dễ bị nhiễm vi sinh vật tạp và có cấu trúc kém. Việc ủ 3 g men trong 300 ml sữa tươi ở 40°C trong 12–15 giờ giúp vi khuẩn phục hồi hoàn toàn khả năng sinh trưởng, rút ngắn thời gian lên men chính xuống còn 5–6 giờ.

2. Ba chủng vi khuẩn probiotic có trong men giống của đề tài là gì?

Hỗn hợp men giống probiotic sử dụng gồm ba chủng vi khuẩn: Lactobacillus acidophilus, Bifidobacterium longum và Streptococcus faecalis, với nhiệt độ lên men thích hợp là 40–42°C.

3. Tỷ lệ bổ sung sữa đặc có đường ảnh hưởng như thế nào đến chất lượng sữa chua?

Hàm lượng sữa đặc bổ sung dưới 15% làm khối sữa sau lên men bị nứt mảng, phân lớp và thiếu vị ngọt. Bổ sung ở mức 25% khiến sữa bị quá ngọt và xuất hiện hiện tượng tách nước, ngả màu trắng ngà. Tỷ lệ tối ưu được xác định là 20%, giúp khối sữa đông mịn, dẻo và cân bằng vị chua ngọt.

4. Vai trò của gelatin trong quy trình công nghệ này là gì và sử dụng với hàm lượng bao nhiêu?

Gelatin (bản chất là protein chiếm 85–92%) đóng vai trò là chất ổn định tạo cấu trúc gel bền vững, có khả năng trương nở và liên kết giữ nước tự do. Gelatin được bổ sung với hàm lượng 0,5–0,7% nhằm ngăn chặn hiện tượng tách huyết thanh sữa (tách nước/whey) trong quá trình xử lý và bảo quản lạnh.

5. Điểm dừng của quá trình lên men được xác định bằng chỉ số nào?

Quá trình lên men được kiểm soát bằng máy đo pH điện cực thủy tinh và kết thúc khi pH của dịch sữa giảm xuống mức 4,4 (khoảng dao động cho phép từ 4,2 đến 4,5 tùy yêu cầu khẩu vị). Khi đạt mức pH này, dịch sữa được làm nguội ngay xuống 15–20°C để đình chỉ hoạt động lên men.

Kết luận

Khóa luận của tác giả Cao Thị Thường đã xây dựng thành công quy trình công nghệ lên men sữa chua trực tiếp từ men sống probiotic (L. acidophilus, B. longum, S. faecalis) ở quy mô phòng thí nghiệm. Các thông số công nghệ tối ưu được xác lập bao gồm thời gian hoạt hóa giống 12–15 giờ, tỷ lệ men cấy 5%, tỷ lệ sữa đặc 20%, gelatin 0,5–0,7%, nhiệt độ lên men 40–42°C đến điểm dừng pH = 4,4 và ủ chín tại 4–6°C tối thiểu 6 giờ. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở thực nghiệm rõ ràng cho việc phát triển các dòng sản phẩm sữa chua chức năng sử dụng trực tiếp vi khuẩn probiotic làm chủng khởi động tại Việt Nam.