Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Phô mai tươi là nhóm sản phẩm sữa lên men không qua quá trình ủ chín, sở hữu độ ẩm cao, cấu trúc mềm mịn cùng giá trị dinh dưỡng vượt trội. Trên thị trường toàn cầu, các dòng phô mai tươi như Quark, Tvorog, Cottage cheese hay Cream cheese đóng vai trò quan trọng trong khẩu phần ăn hàng ngày. Tại Việt Nam, ngành công nghiệp chế biến sữa đang trên đà tăng trưởng mạnh mẽ, tuy nhiên nguồn sữa tươi nguyên liệu trong nước mới chỉ đáp ứng được khoảng 30% đến 35% nhu cầu sản xuất; phần lớn nguyên liệu còn lại phải nhập khẩu dưới dạng sữa bột. Bên cạnh đó, các dòng sản phẩm phô mai tươi trên thị trường nội địa chưa thực sự đa dạng và phụ thuộc chủ yếu vào nguồn hàng nhập khẩu.
Phương pháp sản xuất phô mai tươi truyền thống dựa vào quá trình lên men lactic của vi sinh vật thường kéo dài thời gian đông tụ, phụ thuộc vào chất lượng giống vi khuẩn và tiềm ẩn rủi ro tạp nhiễm hoặc biến động pH không đồng đều. Việc ứng dụng tác nhân axit hóa trực tiếp Glucono delta-lactone (GDL) kết hợp với vi khuẩn lactic và enzyme tạo liên kết ngang transglutaminase (MTGase) mở ra giải pháp công nghệ nhằm rút ngắn chu kỳ lên men, ổn định cấu trúc mạng gel casein và hạ giá thành sản xuất khi sử dụng sữa bột hoàn nguyên.
Đề tài "Ảnh hưởng của glucono delta-lactone đến chất lượng sản phẩm phô mai tươi" được thực hiện nhằm giải quyết các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể sau:
- Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ lên men (37°C, 40°C, 43°C) và tỷ lệ phối trộn giữa vi khuẩn lactic với GDL (từ 0,15%:0% đến 0%:1%) đến thời gian đông tụ, độ giảm pH và hiệu suất thu hồi phô mai tươi từ sữa bột nguyên kem.
- Đánh giá tính chất cấu trúc (độ cứng, độ đàn hồi) và chất lượng cảm quan của các mẫu phô mai tươi thực nghiệm nhằm xác định thông số công nghệ tối ưu.
- Phân tích các chỉ tiêu hóa lý (hàm lượng chất khô, protein, lipid) và chỉ tiêu an toàn vi sinh vật (tổng số vi khuẩn lactic, Listeria monocytogenes, Staphylococci dương tính với coagulase) của sản phẩm phô mai tươi tối ưu.
- Theo dõi sự biến đổi chất lượng sản phẩm trong quá trình bảo quản lạnh ở 4°C đến 42 ngày (độ chua, độ tách whey, màu sắc, mật độ vi khuẩn lactic sống).
Đối tượng nghiên cứu là hệ gel phô mai tươi được chế biến từ sữa bột nguyên kem hoàn nguyên, kết hợp xử lý enzyme transglutaminase và đông tụ bằng hỗn hợp vi khuẩn lactic (Streptococcus thermophilus, Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus) cùng GDL. Phạm vi thực nghiệm được tiến hành tại Phòng thí nghiệm và Xưởng thực hành Bộ môn Công nghệ Thực phẩm – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh và Phòng Thử nghiệm thuộc Ban Đảm bảo Chất lượng – Công ty Cổ phần Sữa Việt Nam (Vinamilk) trong năm 2019.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
Cơ sở lý thuyết và tác nhân công nghệ
Quá trình tạo đông trong sản xuất phô mai tươi dựa trên cơ chế làm mất ổn định hệ micelle casein trong sữa. Ở pH tự nhiên của sữa (khoảng 6,7 – 6,8), các micelle casein tích điện âm và đẩy nhau nhờ lực đẩy tĩnh điện cùng lớp cản thủy hóa của κ-casein. Khi môi trường bị axit hóa dịch chuyển về điểm đẳng điện (pI ≈ 4,6), điện tích âm bị trung hòa, canxi photphat keo hòa tan vào pha lỏng làm suy yếu cấu trúc micelle ban đầu, tạo điều kiện cho các tương tác kỵ nước liên kết các chuỗi polypeptide thành mạng lưới gel ba chiều giữ nước và chất béo.
Nghiên cứu sử dụng phối hợp ba tác nhân công nghệ then chốt:
- Glucono delta-lactone (GDL): Một este nội phân tử mạch vòng của axit D-gluconic. Khi hòa tan trong nước, GDL thủy phân dần thành axit gluconic, giải phóng ion H+ với tốc độ được kiểm soát bởi nhiệt độ và nồng độ, giúp hạ pH môi trường một cách đồng đều mà không tạo mùi vị lạ hay kết tủa cục bộ.
- Hỗn hợp vi khuẩn lactic: Bao gồm Streptococcus thermophilus và Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus. Chủng L. bulgaricus thủy phân casein tạo các peptide và axit amin kích thích Str. thermophilus phát triển; ngược lại, Str. thermophilus sinh tổng hợp axit formic và CO2 kích thích L. bulgaricus, giúp quá trình chuyển hóa đường lactose thành axit lactic diễn ra mạnh mẽ, đồng thời tạo tiền chất hương đặc trưng cho phô mai.
- Microbial transglutaminase (MTGase): Enzyme xúc tác phản ứng chuyển nhóm acyl giữa nhóm γ-carboxamide của dư lượng glutamine và nhóm ε-amino của lysine, tạo liên kết đồng hóa trị liên phân tử và nội phân tử isopeptide. Phản ứng này giúp gia cố mạng gel protein, tăng khả năng giữ nước, hạn chế hiện tượng tách whey và tăng độ bền cấu trúc của phô mai.
Nguyên vật liệu, hóa chất và thiết bị
- Nguyên liệu chính: Sữa bột nguyên kem nhập khẩu từ Fonterra Cooperative Group Ltd. (New Zealand) với các thành phần: protein đạt 23,69 ± 0,05%, lipid đạt 28,23 ± 0,04%, độ ẩm đạt 2,85 ± 0,07%.
- Phụ gia và chế phẩm sinh học: GDL xuất xứ từ Pháp; hỗn hợp vi khuẩn lactic dạng đông khô trực tiếp (Green lines, Nga); chế phẩm enzyme ACTIVE TG-SR-MH (Ajinomoto Malaysia) với hoạt độ 36 U/g, độ ẩm 6,5%, vi khuẩn hiếu khí 20 CFU/g và không chứa E. coli.
- Thiết bị đo kiểm: Thiết bị phân tích cấu trúc CT3 (Brookfield – Hoa Kỳ), máy đo pH Hanna HI9126, bể điều nhiệt Memmert (Đức), cân phân tích 4 số Sartorius BL 210S, tủ sấy Memmert và hệ thống dụng cụ phân tích vi sinh, hóa lý chuyên dụng.
Phương pháp nghiên cứu và quy trình thực nghiệm
Quy trình công nghệ chế tạo phô mai tươi thực nghiệm bao gồm các công đoạn: Hoàn nguyên sữa bột (nồng độ chất khô 15%, nhiệt độ 45 – 50°C trong 20 phút) → Thanh trùng (85°C, 30 phút) → Làm nguội về 40°C → Bổ sung enzyme MTGase (tỷ lệ 2,2 U/g protein, ủ 4,5 giờ trong bể ổn nhiệt) → Lên men phối hợp (nhiệt độ 37°C, 40°C, 43°C; tỷ lệ vi khuẩn : GDL thay đổi) → Làm nguội khối đông (20 ± 2°C) → Ép tách whey (khuôn hình trụ đường kính 5,6 cm, tải trọng 1 kg ép đến chiều cao 2,8 cm) → Thu hồi sản phẩm và bảo quản lạnh ở 4°C.
Bố trí thí nghiệm khảo sát quá trình lên men gồm 15 nghiệm thức (2 yếu tố: 3 mức nhiệt độ × 5 mức tỷ lệ phối trộn vi khuẩn lactic : GDL), lặp lại 3 lần:
| Tỷ lệ vi khuẩn : GDL (% khối lượng) |
Ký hiệu mức |
Nhiệt độ 37°C |
Nhiệt độ 40°C |
Nhiệt độ 43°C |
| 0,15% : 0% (Đối chứng) |
A |
Mẫu 37A |
Mẫu 40A |
Mẫu 43A |
| 0,1125% : 0,25% |
B |
Mẫu 37B |
Mẫu 40B |
Mẫu 43B |
| 0,075% : 0,5% |
C |
Mẫu 37C |
Mẫu 40C |
Mẫu 43C |
| 0,0375% : 0,75% |
D |
Mẫu 37D |
Mẫu 40D |
Mẫu 43D |
| 0% : 1% |
E |
Mẫu 37E |
Mẫu 40E |
Mẫu 43E |
Các phương pháp phân tích ứng dụng gồm có:
- Theo dõi động học lên men: Đo pH định kỳ mỗi 30 phút, điểm dừng lên men xác định khi pH đạt 4,6 – 4,7.
- Xác định hiệu suất thu hồi: Tính theo tỷ lệ phần trăm khối lượng phô mai tươi sau ép tách whey trên tổng khối lượng sữa hoàn nguyên ban đầu.
- Phân tích cấu trúc (TPA): Đo độ cứng (Hardness) và độ đàn hồi (Elasticity/Springiness) bằng máy CT3.
- Đánh giá cảm quan: Phương pháp cho điểm thị hiếu theo thang điểm 5 đối với các chỉ tiêu trạng thái, màu sắc, mùi và vị.
- Kiểm nghiệm tiêu chuẩn chất lượng và bảo quản: Xác định tổng hàm lượng chất khô, protein, chất béo; kiểm tra vi sinh vật gây hại theo QCVN 5-3:2010/BYT; đếm tổng số vi khuẩn lactic theo TCVN 7030:2016; đo độ tách whey và biến thiên độ chua qua các mốc bảo quản ngày 1, 14, 21, 28, 35, 42.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan tài liệu
Chương này hệ thống hóa các cơ sở lý luận về phân loại phô mai dựa trên độ ẩm, hàm lượng chất béo và phương thức đông tụ. Tác giả phân tích chi tiết đặc tính của phô mai tươi (Quark, Tvorog, Cream cheese), thành phần hóa học của sữa bò tươi và sữa bột nguyên liệu, cùng thực trạng ngành sữa Việt Nam với mức nhập khẩu sữa nguyên liệu chiếm trên 70%.
Chương 1 đi sâu vào bản chất sinh hóa của quá trình đông tụ casein dưới tác động của sự axit hóa trực tiếp bằng GDL và lên men sinh học bởi vi khuẩn lactic. Cơ chế xúc tác tạo liên kết ngang isopeptide của enzyme microbial transglutaminase (MTGase) độc lập với ion Ca2+ cũng được tổng thuật làm tiền đề cho việc cải thiện cấu trúc phô mai. Đồng thời, chương trình bày bức tranh tổng quan về các công trình nghiên cứu sử dụng GDL trên thế giới (như nghiên cứu sản xuất phô mai Kareish, Mozzarella) và chỉ ra khoảng trống nghiên cứu tại Việt Nam khi chưa có công trình nào kết hợp GDL, vi khuẩn lactic và MTGase trên nguyên liệu sữa bột hoàn nguyên.
Chương 2: Vật liệu và phương pháp
Chương 2 trình bày toàn bộ quy trình công nghệ chế tạo phô mai tươi và chi tiết bố trí thực nghiệm. Các thông số cố định được chuẩn hóa gồm: hoàn nguyên sữa ở nhiệt độ 45 – 50°C trong 20 phút đạt chất khô 15%; thanh trùng ở 85°C trong 30 phút; bổ sung enzyme MTGase ở liều lượng 2,2 U/g protein và ủ ổn nhiệt ở 40°C trong 4,5 giờ.
Nội dung trọng tâm là mô hình thí nghiệm khảo sát 15 nghiệm thức kết hợp giữa 3 mức nhiệt độ lên men (37°C, 40°C, 43°C) và 5 tỷ lệ vi khuẩn : GDL (0,15%:0; 0,1125%:0,25%; 0,075%:0,5%; 0,0375%:0,75%; 0:1%). Chương mô tả quy chuẩn ép cơ học tách whey, phương pháp xác định hiệu suất thu hồi phô mai, các bước đo cấu trúc trên máy CT3, quy trình đánh giá cảm quan thang điểm 5, phương pháp định lượng các chỉ tiêu hóa lý, phương pháp kiểm vi sinh (Listeria monocytogenes, Staphylococci) và quy trình thử nghiệm độ bền bảo quản trong 42 ngày ở 4°C.
Chương 3: Kết quả và biện luận
Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm thu được từ quá trình nghiên cứu:
- Động học lên men và thời gian đông tụ: Tốc độ giảm pH tỷ lệ thuận với nhiệt độ lên men và nồng độ GDL bổ sung. Ở các mẫu tăng tỷ lệ GDL, thời gian đạt điểm đẳng điện (pH 4,6 – 4,7) được rút ngắn đáng kể so với mẫu chỉ dùng vi khuẩn thuần túy (mẫu A).
- Cấu trúc và hiệu suất thu hồi: Sự kết hợp giữa GDL và MTGase ở các tỷ lệ thích hợp làm tăng độ cứng và độ đàn hồi của khối gel. Tuy nhiên, việc sử dụng 100% GDL (mẫu E) dẫn đến tốc độ axit hóa quá nhanh làm gel bị giòn và dễ thoát nước khi ép. Nghiệm thức 40C (nhiệt độ 40°C, tỷ lệ vi khuẩn : GDL = 0,075% : 0,5%) đạt được sự cân bằng tối ưu về cấu trúc đàn hồi dẻo mịn, thời gian lên men hợp lý và hiệu suất thu hồi cao.
- Đánh giá cảm quan và hiệu quả kinh tế: Mẫu 40C đạt điểm số cảm quan vượt trội về mùi thơm béo tự nhiên, vị chua thanh dịu và bề mặt mịn màng. Tính toán chi phí nguyên liệu cho thấy việc thay thế một phần vi khuẩn lactic bằng GDL giúp giảm chi phí sản xuất trên 100 kg sản phẩm phô mai tươi thành phẩm.
- Chất lượng thành phẩm và khả năng bảo quản: Sản phẩm tối ưu (mẫu 2 - bổ sung GDL) đạt tiêu chuẩn hóa lý và an toàn vi sinh theo QCVN 5-3:2010/BYT. Trong 42 ngày bảo quản lạnh, độ chua của mẫu 2 tăng chậm và ổn định hơn mẫu 1 (đối chứng chỉ dùng vi khuẩn, theo dõi 35 ngày). Mật độ vi khuẩn lactic sống luôn duy trì ở mức > 10^7 CFU/g, đạt chuẩn TCVN 7030:2016. Tỷ lệ tách whey ở ngày thứ 42 của mẫu có GDL là 15,86% (so với 12,88% ở ngày thứ 35 của mẫu đối chứng). Màu sắc sản phẩm không biến đổi đáng kể qua thời gian bảo quản.
Chương 4: Kết luận
Chương này tổng kết các thông số kỹ thuật cốt lõi đã xác lập thành công cho quy trình sản xuất phô mai tươi từ sữa bột nguyên kem, khẳng định tính khả thi của việc ứng dụng GDL nhằm nâng cao năng suất, kiểm soát chất lượng và kiến nghị các giải pháp hạn chế nhược điểm tách whey trong các nghiên cứu tiếp theo.
Kết quả và đóng góp
Kết quả kỹ thuật và số liệu thực nghiệm
Nghiên cứu đã xác định được bộ thông số công nghệ tối ưu cho quy trình sản xuất phô mai tươi từ sữa bột nguyên kem:
- Thông số lên men tối ưu: Nhiệt độ lên men 40°C kết hợp tỷ lệ bổ sung vi khuẩn lactic : GDL là 0,075% : 0,5% (khối lượng/khối lượng).
- Thành phần hóa học của sản phẩm phô mai tươi tối ưu:
| Chỉ tiêu hóa học |
Giá trị phân tích (% khối lượng) |
| Tổng hàm lượng chất khô |
36,60% |
| Hàm lượng Protein |
13,70% |
| Hàm lượng Lipid |
16,00% |
- Chỉ tiêu an toàn vi sinh vật: Không phát hiện sự hiện diện của Listeria monocytogenes và Staphylococci dương tính với coagulase, đáp ứng đầy đủ các quy chuẩn kỹ thuật quốc gia theo QCVN 5-3:2010/BYT đối với sản phẩm phô mai tươi.
- Đặc tính biến đổi trong quá trình bảo quản (4°C):
| Thông số theo dõi |
Mẫu 1 (Đối chứng - Chỉ dùng vi khuẩn) |
Mẫu 2 (Tối ưu - Bổ sung GDL) |
| Thời gian theo dõi |
35 ngày |
42 ngày |
| Biến thiên độ chua |
Tăng nhanh và rõ rệt qua các mốc bảo quản |
Tăng chậm, ổn định, giữ vị chua thanh |
| Tỷ lệ tách whey cuối kỳ |
12,88% (tại ngày thứ 35) |
15,86% (tại ngày thứ 42) |
| Mật độ vi khuẩn lactic |
Duy trì mức cao |
Tăng trong 28 ngày đầu, sau đó giảm nhẹ nhưng luôn > 10^7 CFU/g |
| Biến đổi màu sắc |
Không khác biệt đáng kể |
Không khác biệt đáng kể |
Đóng góp của đề tài
- Hoàn thiện quy trình công nghệ: Thiết lập thành công quy trình công nghệ sản xuất phô mai tươi từ nguồn nguyên liệu sữa bột nguyên kem hoàn nguyên được tiền xử lý với enzyme microbial transglutaminase (2,2 U/g protein, 4,5 giờ tại 40°C) và đông tụ bằng hệ phối hợp vi khuẩn lactic - GDL.
- Rút ngắn thời gian và tối ưu chi phí: Việc kết hợp 0,5% GDL giúp đẩy nhanh tốc độ axit hóa, rút ngắn đáng kể chu kỳ lên men so với phương pháp vi sinh truyền thống, hạn chế rủi ro tạp nhiễm vi sinh và giảm tổng chi phí nguyên liệu tính trên 100 kg sản phẩm.
- Đóng góp học thuật và thực tiễn: Khóa luận là công trình thực nghiệm trong nước đầu tiên làm sáng tỏ tương tác giữa GDL, vi khuẩn lactic và MTGase trên hệ nền sữa bột hoàn nguyên tại Việt Nam, mở ra tiềm năng sản xuất phô mai công nghiệp chủ động về nguồn nguyên liệu.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Giá trị tham khảo
Tài liệu khóa luận mang lại giá trị tham khảo chuyên môn cao cho các đối tượng:
- Sinh viên, học viên ngành Công nghệ Thực phẩm, Công nghệ Sinh học: Nguồn tài liệu học thuật thực chứng về công nghệ chế biến các sản phẩm từ sữa, cơ chế đông tụ protein casein, động học lên men và kỹ thuật phân tích cấu trúc thực phẩm (TPA).
- Kỹ sư R&D và doanh nghiệp chế biến sữa: Cung cấp thông số vận hành thực tế (nhiệt độ lên men 40°C, nồng độ MTGase 2,2 U/g protein, tỷ lệ vi khuẩn : GDL = 0,075% : 0,5%) để áp dụng rút ngắn thời gian sản xuất và đa dạng hóa danh mục sản phẩm phô mai tươi từ nguyên liệu sữa hoàn nguyên.
- Nội dung đáng tham khảo nhất: Sơ đồ quy trình công nghệ hoàn chỉnh; phương pháp phân tích động học giảm pH; bảng tổng hợp số liệu đo cấu trúc CT3; quy chuẩn đánh giá an toàn vi sinh và dữ liệu kiểm soát chất lượng bảo quản trong 42 ngày.
Câu hỏi thường gặp
1. Việc bổ sung Glucono delta-lactone (GDL) mang lại lợi ích công nghệ gì cho sản phẩm phô mai tươi?
GDL thủy phân chậm trong nước tạo thành axit gluconic, giúp kiểm soát tốc độ hạ pH một cách chủ động và đồng đều. Khi phối hợp cùng vi khuẩn lactic, GDL giúp rút ngắn thời gian lên men đông tụ, giảm chi phí nguyên vật liệu sản xuất, hạn chế sự phụ thuộc vào hoạt lực của giống vi sinh vật và giữ nguyên được mùi vị thanh dịu đặc trưng của phô mai mà không gây chua gắt.
2. Thông số nhiệt độ và tỷ lệ phối trộn vi khuẩn lactic : GDL nào được xác định là tối ưu nhất?
Nhiệt độ lên men tối ưu được xác lập là 40°C và tỷ lệ phối trộn giữa vi khuẩn lactic : GDL tối ưu là 0,075% : 0,5% (khối lượng/khối lượng). Ở chế độ này, mẫu (ký hiệu 40C) đạt sự hài hòa tốt nhất về thời gian lên men, hiệu suất thu hồi, độ cứng, độ đàn hồi dẻo mịn và điểm số đánh giá cảm quan.
3. Vai trò của enzyme transglutaminase (MTGase) trong quy trình sản xuất này là gì?
Enzyme MTGase (bổ sung ở liều lượng 2,2 U/g protein, ủ 4,5 giờ tại 40°C) xúc tác phản ứng hình thành liên kết ngang đồng hóa trị isopeptide giữa dư lượng glutamine và lysine trong protein sữa. Liên kết này giúp củng cố mạng lưới gel protein casein, cải thiện độ đàn hồi, tăng khả năng giữ nước và nâng cao chất lượng cấu trúc tổng thể cho phô mai làm từ sữa bột hoàn nguyên.
4. Thành phần dinh dưỡng và chỉ tiêu an toàn vi sinh của phô mai tươi thành phẩm đạt mức nào?
Sản phẩm phô mai tươi tối ưu có tổng hàm lượng chất khô đạt 36,60%, hàm lượng protein đạt 13,70% và hàm lượng lipid đạt 16,00%. Kiểm nghiệm vi sinh cho thấy hoàn toàn không phát hiện Listeria monocytogenes và Staphylococci dương tính với coagulase, đáp ứng đúng theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 5-3:2010/BYT.
5. Chất lượng phô mai tươi có bổ sung GDL biến đổi ra sao trong 42 ngày bảo quản lạnh ở 4°C?
Trong 42 ngày bảo quản, độ chua của mẫu có bổ sung GDL tăng chậm và ổn định hơn so với mẫu đối chứng chỉ dùng vi khuẩn; màu sắc sản phẩm duy trì ổn định. Tổng lượng vi khuẩn lactic sống tăng dần trong 28 ngày đầu và giảm nhẹ sau đó, nhưng luôn duy trì mật độ > 10^7 CFU/g (đạt TCVN 7030:2016). Khối lượng whey tách ra ở ngày thứ 42 là 15,86%.
Kết luận
Khóa luận tốt nghiệp đã nghiên cứu và hoàn thiện thành công quy trình sản xuất phô mai tươi từ nguyên liệu sữa bột nguyên kem hoàn nguyên có xử lý enzyme microbial transglutaminase và đông tụ kết hợp giữa vi khuẩn lactic với Glucono delta-lactone. Nghiên cứu đã chứng minh chế độ lên men ở 40°C với tỷ lệ vi khuẩn : GDL là 0,075% : 0,5% giúp tối ưu hóa thời gian sản xuất, nâng cao hiệu suất thu hồi và cải thiện cấu trúc cảm quan của sản phẩm. Thành phẩm đạt các chỉ tiêu chất lượng hóa lý và an toàn vi sinh vật theo quy chuẩn Việt Nam, đồng thời duy trì độ ổn định cao trong suốt 42 ngày bảo quản lạnh ở 4°C.