Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Nghệ thuật sản xuất bánh kẹo có lịch sử lâu đời, bắt nguồn từ thời Ai Cập cổ đại cách đây khoảng 3.500 năm với nguyên liệu ban đầu chủ yếu là mật ong và nước ép trái cây cô đặc. Cùng với sự phát triển của công nghệ thực phẩm, các dòng kẹo hiện đại ngày càng đa dạng về chủng loại, cấu trúc và hương vị. Trong đó, kẹo dẻo – dòng sản phẩm ban đầu được phát triển từ pectin và mật tinh bột tại Đức vào những năm 1900 – hiện nay phổ biến sử dụng gelatin để tạo cấu trúc dai mềm, đàn hồi đặc trưng.

Bên cạnh chức năng giải trí và cung cấp năng lượng, xu hướng tiêu dùng hiện đại đòi hỏi các sản phẩm thực phẩm nói chung và bánh kẹo nói riêng phải gia tăng giá trị dinh dưỡng, kết hợp các hợp chất có hoạt tính sinh học tự nhiên và giảm thiểu việc lạm dụng phụ gia hóa học tổng hợp. Cà chua (Solanum lycopersicum) là loại rau ăn quả giàu dinh dưỡng, chứa hàm lượng vitamin C, chất khoáng và đặc biệt là lycopene – một sắc tố carotenoid tự nhiên có khả năng chống oxy hóa mạnh và tạo màu đỏ đặc trưng. Trong khi đó, rau diếp cá (Houttuynia cordata) là loại thảo dược dân gian có tính hàn, chứa các hợp chất flavonoid (như quercitrin, isoquercitrin) và tinh dầu, có tác dụng thanh nhiệt, giải độc, kháng khuẩn và hỗ trợ điều trị một số bệnh lý mạch máu.

Khóa luận tốt nghiệp "Nghiên cứu xây dựng quy trình sản xuất kẹo dẻo cà chua có bổ sung rau diếp cá" được thực hiện nhằm khai thác nguồn nguyên liệu nông sản và thảo dược sẵn có tại địa phương, tạo ra dòng sản phẩm kẹo dẻo mới vừa có giá trị cảm quan tự nhiên, vừa bổ sung các hoạt chất sinh học có lợi cho sức khỏe.

Mục đích nghiên cứu: Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ sản xuất kẹo dẻo cà chua có bổ sung cao rau diếp cá ở quy mô phòng thí nghiệm nhằm đa dạng hóa sản phẩm bánh kẹo.

Nhiệm vụ/Yêu cầu nghiên cứu:

  1. Xác định tỉ lệ cà chua bổ sung thích hợp trong sản xuất kẹo dẻo.
  2. Xác định tỉ lệ cao rau diếp cá bổ sung vào sản phẩm kẹo dẻo.
  3. Nghiên cứu xác định tỉ lệ phối trộn các nguyên liệu phụ:
    • Xác định tỉ lệ gelatin bổ sung tạo cấu trúc kẹo dẻo.
    • Xác định tỉ lệ acid citric bổ sung để hài hòa mùi vị.
  4. Nghiên cứu tính ổn định và khả năng hút ẩm của sản phẩm kẹo dẻo thành phẩm.
  5. Xác định một số thành phần hóa học cơ bản trong sản phẩm kẹo.
  6. Tính toán sơ bộ giá thành sản phẩm trên quy mô phòng thí nghiệm.
  7. Thiết lập và đề xuất sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất kẹo dẻo cà chua bổ sung rau diếp cá.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Quả cà chua tươi và rau diếp cá tươi thu mua tại chợ Nông Lâm (xã Quyết Thắng, thành phố Thái Nguyên); gelatin dạng hạt/bột trích ly từ da cá (nhập khẩu từ Pháp); đường kính trắng (sản xuất tại Công ty Mía đường Việt Nam); mạch nha; acid citric (hãng BDH Chemicals Ltd, Poole, Anh).
  • Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu thực nghiệm quy trình công nghệ ở quy mô phòng thí nghiệm.
  • Địa điểm và thời gian thực hiện: Phòng thí nghiệm Khoa Công nghệ Sinh học & Công nghệ Thực phẩm – Trường Đại học Nông Lâm, Đại học Thái Nguyên; từ tháng 11/2015 đến tháng 05/2016.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và nguyên lý công nghệ

  • Phân loại kẹo: Kẹo được phân chia theo hàm ẩm và cấu trúc thành kẹo cứng (độ ẩm $\le 3%$), kẹo mềm (độ ẩm $4 - 6%$) và kẹo dẻo (độ ẩm $10 - 12%$, cấu trúc mềm dẻo, đàn hồi cao nhờ sử dụng chất tạo đông).
  • Nguyên lý tạo gel kẹo dẻo: Dựa trên khả năng hydrat hóa và tạo mạng lưới không gian ba chiều của các đại phân tử ưa nước (hydrocolloid). Trong quá trình nấu và làm nguội, các chuỗi polypeptide của gelatin liên kết lại tạo thành khung mạng lưới giữ các phân tử nước và dung dịch siro đường caramen bão hòa ở các khoảng trống, hình thành khối keo ngậm đường bền vững, đàn hồi, không bị biến dạng ở điều kiện thường. Mạch nha và đường khử đóng vai trò chống hiện tượng "hồi đường" (kết tinh lại của đường saccarozo).
  • Đặc tính các chất tạo gel chính: Gelatin (chứa chuỗi polypeptide gồm các acid amin chủ yếu như glycine $27%$, proline và hydroxyproline $25%$, glutamic acid $10%$, alanine $9%$, arginine $8%$, aspartic acid $6%$; nóng chảy ở $15 - 27^\circ\text{C}$, đông tụ ở $8 - 10^\circ\text{C}$); Pectin (đông tụ ở nồng độ khoảng $1%$ trong môi trường đường và acid); Agar (tạo gel ở nồng độ thấp $1 - 1,5%$, hóa lỏng ở $80^\circ\text{C}$, đông tụ ở $30 - 40^\circ\text{C}$).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Nghiên cứu sử dụng phương pháp bố trí thí nghiệm đơn yếu tố nhằm tối ưu hóa từng thông số công nghệ. Mỗi công thức thí nghiệm được lặp lại ít nhất 3 lần:

  • Thí nghiệm 1: Khảo sát tỉ lệ dịch cà chua xay nhuyễn bổ sung ($15%, 20%, 25%, 30%, 35%$ so với khối lượng đường và mạch nha nền gồm 100g đường kính, 100g mạch nha, cố định gelatin $10%$, cao diếp cá $0,5%$, acid citric $1%$).
  • Thí nghiệm 2: Khảo sát tỉ lệ cao rau diếp cá bổ sung ($0,0%, 0,5%, 1,0%, 1,5%, 2,0%$).
  • Thí nghiệm 3 (Thí nghiệm 4 trong văn bản): Khảo sát tỉ lệ chất tạo gel gelatin ($8%, 10%, 12%, 14%, 16%$).
  • Thí nghiệm 4 (Thí nghiệm 5 trong văn bản): Khảo sát tỉ lệ acid citric bổ sung ($0,0%, 0,5%, 1,0%, 1,5%, 2,0%$).

Phương pháp phân tích các chỉ tiêu hóa lý và cảm quan

  1. Xác định độ ẩm: Phương pháp sấy mẫu thử ở nhiệt độ quy định đến khối lượng không đổi.
  2. Định tính anthocyanin/chất màu: Chiết mẫu, thủy phân bằng $\text{H}_2\text{SO}_4\ 25%$, chiết lớp ether và kiềm hóa bằng $\text{NaOH}\ 10%$ để quan sát phản ứng chuyển màu.
  3. Định lượng Vitamin C: Phương pháp chuẩn độ oxy hóa khử bằng dung dịch Iod $0,01\text{N}$, tính toán theo công thức: $$X\ (\text{mg}%) = \frac{V_1 \times 8,8 \times 100}{V_2 \times w}$$ (Trong đó: $V_1$ là thể tích dung dịch Iod tiêu tốn; $V_2$ là thể tích dịch mẫu lấy phân tích; $w$ là khối lượng mẫu cân; 8,8 là số mg vitamin C tương ứng với 1 ml Iod $0,01\text{N}$).
  4. Định lượng đường tổng số: Phương pháp Bertrand, dựa trên phản ứng khử dung dịch đồng Fehling ($\text{Cu}^{2+}$ thành $\text{Cu}^+$ dưới dạng $\text{Cu}_2\text{O}$), hòa tan kết tủa trong dung dịch $\text{Fe}_2(\text{SO}_4)_3$ chứa $\text{H}_2\text{SO}_4$, sau đó chuẩn độ lượng $\text{Fe}^{2+}$ tạo thành bằng dung dịch $\text{KMnO}_4\ 0,1\text{N}$.
  5. Định lượng acid tổng số: Chuẩn độ trung hòa trực tiếp các acid hữu cơ trong mẫu bằng dung dịch kiềm $\text{NaOH}\ 0,1\text{N}$ với chỉ thị màu phenolphthalein.
  6. Đánh giá cảm quan: Phương pháp cho điểm thị hiếu theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 3215-79 trên thang điểm 20 với 4 chỉ tiêu: Màu sắc (hệ số quan trọng 0,8), Mùi (hệ số quan trọng 0,8), Vị (hệ số quan trọng 1,2), Cấu trúc (hệ số quan trọng 1,2). Mỗi chỉ tiêu được hội đồng chấm điểm từ 1 đến 5 theo mô tả cảm quan định trước.
  7. Xử lý số liệu: Số liệu thực nghiệm được xử lý thống kê bằng phần mềm IRRISTAT.

Nội dung chính theo từng chương

Phần 1: Mở đầu

Trình bày tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu dựa trên nhu cầu thị trường đối với các sản phẩm kẹo dẻo tự nhiên, có lợi cho sức khỏe. Đặt ra mục tiêu cụ thể là kết hợp màu sắc, dinh dưỡng của quả cà chua (chứa lycopene) và hoạt tính dược lý của rau diếp cá vào cấu trúc kẹo dẻo gelatin, thay thế phẩm màu tổng hợp và gia tăng giá trị nông sản chế biến.

Phần 2: Tổng quan nghiên cứu

  • Hệ thống hóa lịch sử phát triển của ngành sản xuất bánh kẹo, cơ chế tạo đông của các chất tạo gel thực phẩm (gelatin, pectin, agar) và quy trình hòa tan gelatin tiêu chuẩn (ngâm nước lạnh tỉ lệ nước:gelatin = 2:1 ở $t^\circ < 20^\circ\text{C}$ trong $1 - 2,5$ giờ; gia nhiệt hòa tan ở $40 - 45^\circ\text{C}$; lọc và bảo quản ở bể điều nhiệt $30 - 35^\circ\text{C}$).
  • Phân tích thị trường bánh kẹo Việt Nam: Tốc độ tăng trưởng ổn định ($9,95 - 10,7%$/năm giai đoạn 2013-2014), doanh nghiệp nội địa (Kinh Đô, Hải Hà, Bibica) chiếm khoảng $42%$ thị phần, hàng nhập khẩu chiếm $20%$.
  • Tổng quan thực vật học, thành phần hóa học của cà chua (chứa $77%$ nước, vitamin C 38–40 mg%, caroten 2 mg%, lycopene, đường, acid hữu cơ) và rau diếp cá (chứa tinh dầu $0,0049 - 0,08%$, methylnonylceton, quercitrin, isoquercitrin, cordalin).

Phần 3: Đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu

Chi tiết hóa quy cách nguyên liệu đầu vào, thiết kế các dãy nồng độ thí nghiệm đơn yếu tố (tỉ lệ cà chua, cao rau diếp cá, gelatin, acid citric). Trình bày đầy đủ nguyên lý, phản ứng hóa học, hóa chất và công thức tính toán cho các phép phân tích hóa lý (độ ẩm, vitamin C, đường tổng, acid tổng số) và phương pháp đánh giá cảm quan 20 điểm theo TCVN 3215-79.

Phần 4: Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Trình bày và phân tích các số liệu thực nghiệm để tìm ra thông số tối ưu:

  • Lựa chọn tỉ lệ dịch cà chua bổ sung đạt $30%$ (điểm trung bình chất lượng cảm quan cao nhất đạt 17,25 điểm; màu đỏ đặc trưng, cấu trúc dẻo dai không tách nước).
  • Lựa chọn tỉ lệ cao rau diếp cá $1,0%$ nhằm tối đa hóa hoạt chất sinh học mà không làm át mùi cà chua hay làm sẫm màu sản phẩm (điểm cảm quan đạt mức tốt, tương đương mẫu $0,5%$).
  • Xác định tỉ lệ gelatin tối ưu là $12%$ (điểm cảm quan 16,88; tạo độ dẻo đàn hồi thích hợp, tránh hiện tượng quá mềm ở $8 - 10%$ hoặc quá dai cứng ở $14 - 16%$).
  • Xác định tỉ lệ acid citric tối ưu là $1,0%$ (điểm cảm quan 17,14; tạo vị chua ngọt hài hòa, tôn mùi thơm tự nhiên của cà chua).
  • Khảo sát tính ổn định, đo lường các chỉ tiêu hóa lý và thiết lập sơ đồ quy trình sản xuất kèm thuyết minh kỹ thuật.

Phần 5: Kết luận và kiến nghị

Tổng kết toàn bộ các thông số công nghệ đã tối ưu hóa và đưa ra các kiến nghị kỹ thuật để hoàn thiện quy trình sản xuất ở quy mô lớn hơn.

Kết quả và đóng góp

1. Các thông số công nghệ tối ưu được xác định

Qua chuỗi thí nghiệm thực nghiệm và đánh giá cảm quan theo TCVN 3215-79, đề tài đã xác định được bộ thông số phối trộn tối ưu cho sản phẩm kẹo dẻo:

Yếu tố khảo sát Khoảng khảo sát Tỉ lệ tối ưu lựa chọn Điểm cảm quan (ĐTBCL) Đặc tính sản phẩm tại điểm tối ưu
Dịch cà chua $15% - 35%$ $30%$ 17,25 (Loại Tốt) Màu đỏ tươi đặc trưng, mùi vị rõ nét, cấu trúc dẻo dai, không tách nước
Cao rau diếp cá $0,0% - 2,0%$ $1,0%$ Đạt yêu cầu cảm quan Bổ sung hoạt chất sinh học, không làm sẫm màu kẹo, vị thanh nhẹ
Gelatin (chất tạo gel) $8% - 16%$ $12%$ 16,88 (Loại Tốt) Khối gel dẻo dai, đàn hồi tốt, bề mặt ráo, không bị cứng dai khó nhai
Acid citric $0,0% - 2,0%$ $1,0%$ 17,14 (Loại Tốt) Vị chua ngọt hài hòa, kích thích mùi thơm tự nhiên của quả cà chua

2. Quy trình sản xuất đề xuất

Đề tài đã thiết lập sơ đồ quy trình sản xuất kẹo dẻo cà chua bổ sung rau diếp cá ở quy mô phòng thí nghiệm với các bước công nghệ chính:

  1. Chuẩn bị nguyên liệu: Cà chua chín đỏ rửa sạch, chần, bóc vỏ, bỏ hạt, xay nhuyễn thành pure. Rau diếp cá rửa sạch, trích ly, cô đặc thành cao lỏng. Gelatin ngâm nước tỉ lệ 1:2 ($t^\circ < 20^\circ\text{C}$, 1–1,2 giờ) rồi gia nhiệt hòa tan ở $40 - 45^\circ\text{C}$.
  2. Nấu siro đường: Hòa tan đường kính và mạch nha (tỉ lệ 1:1) với nước, đun nấu đến nhiệt độ sôi khoảng $90^\circ\text{C}$ trong thời gian 10 phút.
  3. Phối trộn: Bổ sung dịch pure cà chua ($30%$), dịch gelatin ($12%$), cao rau diếp cá ($1,0%$) và dung dịch acid citric ($1,0%$) vào khối siro, khuấy đảo đồng nhất.
  4. Rót khuôn và làm nguội: Rót khối kẹo nóng vào khuôn định hình, để nguội ở điều kiện nhiệt độ mát để khối kẹo tạo đông cấu trúc hoàn toàn.
  5. Bao gói: Tách kẹo khỏi khuôn, xử lý bề mặt chống dính, đóng gói bao bì bảo quản.

3. Đánh giá tính ổn định và giá trị kinh tế sơ bộ

  • Khả năng hút ẩm: Thử nghiệm theo dõi độ hút ẩm của sản phẩm trong không khí thường ở các mốc thời gian (5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40 giờ) cho thấy kẹo duy trì được độ đàn hồi và trạng thái cảm quan ổn định trong điều kiện phòng thí nghiệm.
  • Giá trị kinh tế: Tính toán sơ bộ chi phí nguyên vật liệu cho thấy sản phẩm có giá thành sản xuất thử nghiệm hợp lý, có tiềm năng ứng dụng vào thực tế sản xuất bánh kẹo quy mô vừa và nhỏ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế của đề tài:
    • Thử nghiệm mới chỉ dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm (mẻ nhỏ), chưa tiến hành đánh giá trên các hệ thống thiết bị tạo hình và rót khuôn công nghiệp.
    • Đánh giá tính ổn định và khả năng hút ẩm chỉ mới được thực hiện trong thời gian ngắn (theo dõi đến 40 giờ trong điều kiện khí quyển thường), chưa có dữ liệu theo dõi thời hạn sử dụng dài hạn (shelf-life testing) trong các loại bao bì chuyên dụng khác nhau.
    • Chưa phân tích sâu về sự suy giảm hàm lượng lycopene và hoạt chất flavonoid (quercitrin) trong suốt quá trình gia nhiệt nấu kẹo.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo:
    • Nghiên cứu hoàn thiện dây chuyền sản xuất trên quy mô pilot và bán công nghiệp.
    • Khảo sát ảnh hưởng của các loại màng bao bì và phụ gia chống dính/chống ẩm bề mặt để kéo dài thời gian bảo quản sản phẩm.
    • Định lượng hàm lượng hoạt chất sinh học (lycopene, polyphenol, vitamin C) tồn dư trong sản phẩm cuối cùng sau các công đoạn xử lý nhiệt.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng tham khảo:
    • Sinh viên, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Công nghệ thực phẩm, Công nghệ sau thu hoạch, Đảm bảo chất lượng thực phẩm.
    • Cán bộ nghiên cứu và phát triển sản phẩm (R&D) tại các cơ sở, doanh nghiệp chế biến bánh kẹo và chế biến rau quả.
  • Nội dung có giá trị ứng dụng:
    • Phương pháp tính toán và kỹ thuật xử lý, hòa tan tạo gel của gelatin phối trộn cùng pure rau quả tươi có tính acid.
    • Cơ sở dữ liệu về tỉ lệ phối trộn giữa dịch quả tự nhiên, thảo dược cao lỏng và chất điều vị (acid citric) nhằm đạt điểm cảm quan tối ưu theo TCVN 3215-79.
    • Hệ thống phương pháp phân tích hóa lý thực phẩm cơ bản (phương pháp Bertrand xác định đường khử/đường tổng, chuẩn độ Iod xác định vitamin C).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đề tài sử dụng gelatin làm chất tạo đông thay vì agar hay pectin? Gelatin tạo ra cấu trúc gel mềm dẻo, đàn hồi cao, trong suốt và không bị giòn gãy như agar. Đồng thời, gelatin không đòi hỏi nồng độ đường quá cao hay điều kiện pH quá nghiêm ngặt để đông tụ như pectin, rất thích hợp cho quy trình phối trộn dịch quả tươi và cao thảo dược ở nhiệt độ thấp ($40 - 45^\circ\text{C}$).

2. Quy trình hòa tan gelatin được tác giả thực hiện theo các thông số kỹ thuật nào? Gelatin dạng hạt/bột được ngâm trong nước lạnh theo tỉ lệ nước : gelatin là 2:1 ở nhiệt độ dưới $20^\circ\text{C}$ trong thời gian $1 - 1,2$ giờ để trương nở hoàn toàn. Sau đó, khối keo được gia nhiệt nâng lên $40 - 45^\circ\text{C}$ để hòa tan hoàn toàn, đem lọc bỏ tạp chất và giữ trong bể điều nhiệt ở $30 - 35^\circ\text{C}$ trước khi phối trộn.

3. Tại sao tác giả lựa chọn tỉ lệ cao rau diếp cá $1,0%$ thay vì tỉ lệ $0,5%$ vốn có điểm cảm quan cao nhất? Mặc dù tỉ lệ cao rau diếp cá $0,5%$ cho điểm trung bình chất lượng cảm quan đạt 16,79 điểm (nhỉnh hơn một chút so với mức $1,0%$), nhưng sự khác biệt này không có ý nghĩa thống kê. Tác giả lựa chọn tỉ lệ $1,0%$ nhằm đưa hàm lượng hoạt chất sinh học từ rau diếp cá vào sản phẩm ở mức tối đa có thể mà vẫn đảm bảo màu sắc đỏ đặc trưng của cà chua không bị chuyển sang màu nâu sẫm và vị không bị nồng mùi thảo dược.

4. Acid citric đóng vai trò gì trong công thức kẹo dẻo cà chua và tỉ lệ bao nhiêu là thích hợp nhất? Acid citric đóng vai trò là chất điều vị, tạo độ chua thanh để cân bằng với vị ngọt của siro đường - mạch nha, đồng thời kích thích và làm nổi bật mùi thơm tự nhiên của cà chua. Kết quả thực nghiệm cho thấy tỉ lệ bổ sung $1,0%$ acid citric cho điểm cảm quan cao nhất (17,14 điểm). Tỉ lệ thấp hơn ($0 - 0,5%$) làm kẹo bị ngọt gắt, trong khi tỉ lệ cao ($1,5 - 2,0%$) khiến kẹo bị chua gắt và át mùi tự nhiên.

5. Hàm lượng đường tổng số trong sản phẩm được xác định theo nguyên tắc của phương pháp nào? Hàm lượng đường tổng số được xác định bằng phương pháp Bertrand. Nguyên tắc dựa trên phản ứng khử dung dịch đồng Fehling ($\text{Cu}^{2+}$ thành kết tủa đỏ gạch $\text{Cu}_2\text{O}$) bởi nhóm aldehyde/ceton tự do của đường khử trong môi trường kiềm, sau đó hòa tan $\text{Cu}_2\text{O}$ bằng dung dịch $\text{Fe}_2(\text{SO}_4)_3$ trong môi trường acid $\text{H}_2\text{SO}_4$, và chuẩn độ lượng ion $\text{Fe}^{2+}$ tạo thành bằng dung dịch chuẩn $\text{KMnO}_4\ 0,1\text{N}$.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp đã nghiên cứu thành công quy trình sản xuất kẹo dẻo cà chua có bổ sung cao rau diếp cá ở quy mô phòng thí nghiệm, xác lập được công thức phối trộn tối ưu gồm $30%$ pure cà chua, $1,0%$ cao rau diếp cá, $12%$ gelatin và $1,0%$ acid citric trên nền siro đường kính - mạch nha. Sản phẩm thu được có cấu trúc dẻo dai đàn hồi tốt, màu đỏ tự nhiên từ lycopene, hương vị chua ngọt hài hòa và chất lượng cảm quan đạt loại Tốt theo TCVN 3215-79. Nghiên cứu cung cấp tài liệu thực nghiệm có giá trị cho việc phát triển các dòng sản phẩm bánh kẹo chức năng có nguồn gốc từ nông sản và thảo dược địa phương.