Thành phần - qui trình sản xuất sữa chua

Bảng 1.1 Thành phần của một số loại sữa
Bảng 1.2 Một số chỉ tiêu vật lý quan trọng của sữa bò
Bảng 1.3 Sự thay đổi hàm lượng các chất trong sữa bò (% khối lượng)
Bảng 1.4 Một số tính chất vật lý của lactose
Bảng 1.5 Thành phần Casein trong sữa bò
Bảng 1. 6 Thành phần các Protein hòa tan trong sữa bò
Bảng 1.7 Thành phần chất béo trong sữa bò
Bảng 1.8 Thành phần một số nguyên tố vi lượng trong sữa (mg/l)
Bảng 1. 9 Hàm lượng của một số lọai Vitamin trong sữa bò như sau (tính theo mg/l)
Bảng 2.1 Vi sinh vật sử dụng trong quá trình sản xuất các sản phẩm lên men từ sữa
(Oberman H. và Libudzisz.Z, 1998) .
Bảng 2.2 Một số sản phẩm lên men từ sữa phổ biến trên thế giới
Chủng vi sinh vật dùng trong sản xuất sữa chua đặc
Lactocillus bulgaricus
Streptococcus thermophilus
2.4 Thuyết minh qui trình :

2.4.1 Chuẩn hóa :
mục đích quá trình chuẩn hóa là hiệu chỉnh hàm lượng chất béo cho sản phẩm yaourt. Nguyên tắc và phương pháp chuẩn hóa tương tự như trong qui trình công nghệ sản xuất sữa thanh trùng hoặc tiệt trùng. Hàm lượng chất béo trong yaourt thành phẩm thường dao động trong khoảng 0,5 - 3,5%.

2.4.2 Hiệu chỉnh hàm lượng chất khô : theo Bourgeois và Larpent (1989), tổng hàm lượng chất khô tôí ưu cho quá trình lên me trong sản xuất yaourt là từ 14 - 16%. Thực tế, mỗi nhà sản xuất sẽ chọn một giá trị thích hợp cho sản phẩm của mình. Thông thường sưã tươi có hàm lượng chất khô khoảng 11,5 - 12,7%. Để tăng hàm lượng
chất khô trong sữa tươi, chuẩn bị cho quá trình lên men, ta có thể chọn một trong những giải pháp thông dụng dươí đây :
+ Cô đặc sữa trong điều kiện chân không để làm bay hơi đi một lượng nhất định. Thể tích sữa sau quá trình cô đặc thường giảm đi từ 10 - 20%. Khi đó, tổng hàm lượng chất khô trong sưã sẽ tăng từ 1,5 - 3,0%. Các nhà sản xuất có thể sử dụng thiết bị bài khí, kết hợp cô đặc sưã trong điều kiện chân không hoặc thiết bị cô đặc sưã dạng màng rơi.
+ Bổ sung thêm bột sữa gầy vào sữa tươi : hàm lượng bột sữa gầy sử dụng thường không cao hơn 3% so với khối lượng sữa tươi.
+ Bổ sung thêm sữa cô đặc vào sữa tươi.
+ Xử lý sữa gầy bằng phương pháp siêu lọc (ultra-filtration) trên thiết bị membrane. Dùng sản phẩm không qua màng (retentate) thoát ra từ thiết bị siêu lọc có hàm lượng chất khô cao sẽ được sử dụng để bổ sung vào sữa tươi. Tuỳ thuộc vào nguồn nguyên liệu và thiết bị sẵn có mà mỗi nhà máy sẽ chọn một giải pháp thích hợp cho việc hiệu chỉnh tổng hàm lượng chất khô trong nguyên liệu sữa tươi.










2.4.3 Bài khí :

hàm lượng chất khí hoà tan trong sữa nguyên liệu càng thấp càng tốt. Khi đó, hiệu quả của các quá trình đồng hoá và thanh trùng sẽ tăng, các hợp chất bay hơi có mùi khó chịu trong sữa sẽ được tách bỏ và chất lượng sản phẩm yaourt sẽ tốt hơn. Nếu bổ sung bột sữa gầy vào sữa tươi để hiệu chỉnh hàm lượng chất khô, sự khuấy trộn hỗn hợp sẽ làm gia tăng lượng khí hoà tan trong sữa. Khi đó, trong qui trình sản xuất bắt buộc phải có quá trình bài khí.
2.4.4 Đồng hoá : mục đích của quá trình là tránh hiện tượng tách pha của chất béo xảy ra trong quá trình lên men sữa và làm tăng độ đồng nhất cho sản phẩm yaourt.
Thông thường, đồng hoá được thực hiện ỡ áp lực 200 - 25bar, nhiệt độ sữa từ 65 - 70oC.

2.4.5 Xử lý nhiệt :
mục đích của quá trình là tiêu diệt hoặc ức chế đến mức tối đa hệ vi sinh vật và các enzym có trong sữa. Ngoài ra, quá trình này còn làm biến tính sơ bộ các protein sữa, đặc biệt là các whey protein. Nhờ đó, trong quá trình lên men lactic, khối đông được hình thành với cấu trúc ổn định, hạn chế sự thoát huyết thanh ra khỏi cấu trúc gel khi bảo quản yaourt. Theo Bylund Gosta (1995), đó là do ?-lactoglobulin - thành phần chính trong whey protein-đã tương tác với ?-casein trong cấu trúc mecille làm cải thiện cấu trúc đông của yaourt.
Quá trình xử lý nhiệt thường được thực hiện trong thiết bị trao đổi nhiệt dạng bảng mỏng hoặc ống lồng. Chế độ xử lý là 90 - 95oC trong 3 - 5 phút.

2.4.6 Cấy giống vi khuẩn lactic :
trong sản xuất yaourt, người ta sử dụng nhóm vi khuẩn lactic lên men đồng hình. Hai loài phổ biến nhất là Streptococcus thermophilus và Lactobacillus bulgaricus. Trong thực tế, chúng có thể sống cộng sinh với nhau (symbiosis). Thông thường, tỷ lệ giữa cầu khuẩn và trực khuẩn trong canh trường giống là 1:1 hoặc 2:1. Tuy nhiên, tỷ lệ này có thể thay đổi phụ thuộc vào hoạt tính của chúng sử dụng và những yêu cầu về chỉ tiêu chất lượng của sản phẩm.
Hiện nay, các nhà máy sản xuất yaourt với năng suất lớn thường mua chế phẩm vi khuẩn lactic để sử dụng. Như vậy, họ không cần đầu tư chi phí nhân công, nhà xưởng và nguyên liệu cho quá trình giữ giống và nhân giống tại nhà máy.



Quá trình hoạt hoá được thực hiện trong thiết bị vô trùng có dạng hình trụ, đáy côn và được chế tạo bằng vật liệu thép không rỉ. Nhiệt độ hoạt hoá được duy trì ở 43oC. Quá trình được xem là kết thúc khi độ chua canh trường đạt 85 - 90oD .
Giống vi khuẩn lactic sau khi được hoạt hoá, được cấy vào bồn chứa sữa nguyên liệu với tỷ lệ tối thiểu là 0,5% và tối đa là 7%(?/?). Sau quá trình nhân giống hoặc hoạt hoá giống, nếu chưa sử dụng ngay ta cần làm lạnh, giống để hạn chế sự gia tăng độ chua của canh trường. Việc tăng nhanh độ chua của canh trường giống sẽ ức chế hoạt tính lên men của vi khuẩn lactic.
Trường hợp giống được sử dụng trong 6 giờ tiếp theo, ta chỉ cần làm lạnh canh trường về nhiệt độ 10 - 12oC. Nếu thời gian bảo quản giống dài hơn 6 giờ, nhiệt độ canh trường nên được duy trì ở 5oC.
Cần chú ý là khi tiến hành cấy giống, ta nên cho cánh khuấy của thiết bị hoạt động trong một khoảng thời gian nhấ�t định để phân bố đều các tế bào vi khuẩn lactic trong môi trường sữa. Nhờ đó, quá trình lên men sẽ diễn ra nhanh và đồng đều hơn.

2.4.7 Hoạt hoá giống : để rút ngắn thời gian lên men và tiết kiệm lượng chế phẩm vi khuẩn cần dùng, các nhà sản xuất thường hoạt hoá vi khuẩn giống trên môi trường được pha chế từ bột sữa gầy. Hàm lượng chất khô trong môi trường hoạt hoá dao động từ 9 - 12%. Trước khi hoạt hoá giống, môi trường cần phải được thanh trùng ở 90 - 95oC trong thời gian 30 - 45 phút.
Quá trình hoạt hoá được thực hiện trong thiết bị vô trùng có dạng hình trụ, đáy côn và được chế tạo bằng vật liệu thép không rỉ. Nhiệt độ hoạt hoá được duy trì ở 43oC. Quá trình được xem là kết thúc khi độ chua canh trường đạt 85 - 90oD .


Giống vi khuẩn lactic sau khi được hoạt hoá, được cấy vào bồn chứa sữa nguyên liệu với tỷ lệ tối thiểu là 0,5% và tối đa là 7%(?/?). Sau quá trình nhân giống hoặc hoạt hoá giống, nếu chưa sử dụng ngay ta cần làm lạnh, giống để hạn chế sự gia tăng độ chua của canh trường. Việc tăng nhanh độ chua của canh trường giống sẽ ức chế hoạt tính lên men của vi khuẩn lactic.
Trường hợp giống được sử dụng trong 6 giờ tiếp theo, ta chỉ cần làm lạnh canh trường về nhiệt độ 10 - 12oC. Nếu thời gian bảo quản giống dài hơn 6 giờ, nhiệt độ canh trường nên được duy trì ở 5oC.
Cần chú ý là khi tiến hành cấy giống, ta nên cho cánh khuấy của thiết bị hoạt động trong một khoảng thời gian nhấ�t định để phân bố đều các tế bào vi khuẩn lactic trong môi trường sữa. Nhờ đó, quá trình lên men sẽ diễn ra nhanh và đồng đều hơn.

2.4.8 Phối trộn : sau khi cấy giống vi khuẩn, môi trường sữa được đảo trộn đều và gia nhiệt lên đến 43 - 45oC rồi đưa qua thiết bị rót vào bao bì, đóng nắp.

2.4.9 Rót sản phẩm : các thiết bị rót sản phẩm đều làm việc trong điều kiện vô trùng để tránh nhiễm vi sinh vật từ môi trường bên ngoài vào sữa. Hiện nay, người ta thường sử dụng loại bao bì nhựa với khối lượng sản phẩm 200g/1bao bì.



2.4.10 Lên men : tiếp theo, các bao bì chứa hỗn hợp sữa và giống vi khuẩn lactic được đưa vào phòng lên men. Nhiệt độ lên men tối ưu thường là 42 - 43oC. Mặc dù sữa được đựng trong các bao bì kín nhưng phòng lên men phải luôn được vệ sinh sạch sẽ. Người ta sử dụng không khí vô trùng có qua hệ thống vi lọc membrane để thông khí cho phòng lên men.
Thời gian lên men phụ thuộc vào chủng vi khuẩn sử dụng, trạng thái sinh lý của giống và yêu cầu về độ chua của yaourt thành phẩm. Trên môi trường sữa, thời gian thế hệ của Streptococcus thermophilus và Lactobacillus bulgaricus khoảng 20 - 30 phút. Thông thường, quá trình lên men kết thúc sau 2,5 - 3h. Độ chua yaourt đạt 70 - 80oD.

2.4.11 Làm lạnh : sau đó, ta cần làm lạnh môi trường lên men để ổn định cấu trúc gel của sản phẩm, đồng thời làm chậm tốc độ sinh tổng hợp acid lactic của vi khuẩn. Các bao bì chứa yaourt sẽ được đưa vào phòng làm lạnh để đưa yaourt về nhiệt độ 18 - 20oC trong vòng 30 - 40 phút.

2.4.12 Bảo quản : cuối cùng, ta hạ nhiệt độ yaourt xuống 4oC và bảo quản sản phẩm trong kho lạnh ở nhiệt độ 2 - 4oC.



2.5 Tiêu chuẩn chất lượng sữa chua đặc :

Các chỉ tiêu cảm quan : tùy vào từng loại sữa chua mà ta có tiêu chuẩn đánh giá khác nhau, nhưng yêu cầu chung cần có :


Các chỉ tiêu hóa lý hóa :


Các chỉ tiêu vi sinh :
CÁC BIẾN ĐỔI HOÁ SINH VÀ SINH HỌC DIỄN RA TRONG QUÁ TRÌNH LÊN MEN LACTIC

CÁC BIẾN ĐỔI HOÁ SINH VÀ SINH HỌC :

Trong công nghệ vi sinh vật, nhìn chung các vi khuẩn lactic đồng hình luôn chiếm ưu thế. Tuy nhiên, trong công nghệ sản xuất một số thực phẩm lên men truyền thống như phômai, kefir ... các vi khuẩn lactic dị hình đôi khi vẫn được sử dụng nhằm mục đích đa dạng hoá các chỉ tiêu về mùi, vị và cấu trúc cho sản phẩm.
Quá trình lên men lactic diễn ra trong tế bào chất của vi khuẩn. Đầu tiên, đường lactose trong sữa sẽ được vi khuẩn lactic đưa vào bên trong tế bào nhờ những cơ chế vận chuyển đặc trưng của màng tế bào chất (cytoplasmic membrane). Tiếp theo, lactose sẽ được thuỷ phân thành hai monosaccharid rồi đi vào các chu trình chuyển hoá khác nhau.

Đối với nhóm vi khuẩn lactic đồng hình như giống Lactococcus, các loài Streptococcus thermophilus, Lactobacillus bulgaricus, Lactobacillus helveticus, Lactobacillus lactis ... chu trình đường phân là con đường chính chuyển hoá glucose thành acid lactic. Acid lactic là sản phẩm chủ lực trong quá trình lên men lactic đồng hình.
Phương trình tổng quát quá trình lên men lactic đồng hình :

C6H12O6 + 2ADP +2Pi 2CH3-CH-COOH + 2ATP

OH
Các vi khuẩn lactic dị hình như giống Leuconostoc do không có một số enzym của chu trình đường phân nên chúng chuyển hoá glucose giai đoạn đầu theo chu trình pentose-phosphate và tạo ra sản phẩm trung gian là xylulose-5-P. Chất này sẽ được chuyển hoá tiếp thành glyceraldehyde-3-P rồi tiếp tục đi theo giai đoạn cuối của chu trình đường phân để tạo thành acid pyruvic rồi acid lactic như trong quá trình lên men đồng hình. Theo một con đường trao đổi chất khác, xylulose-5-P sẽ được chuyển hoá thành acetyl-P và tiếp theo sau đó là thành ethanol. Trong quá trình lên men dị hình, các sản phẩm chuyển hoá chính thu được bao gồm acid lactic, ethanol, CO2 ...
Lên men lactic là một quá trình trao đổi năng lượng. Các phân tử ATP được hình thành trong quá trình chuyển hoá cơ chất (lactose) sẽ được vi khuẩn giữ lại trong tế bào để phục vụ cho các hoạt động trao đổi chất và sinh trưởng của vi sinh vật. Ngược lại, các sản phẩm như acid lactic, ethanol và CO2 sẽ được vi khuẩn "thải" vào môi trường lên men. Kết quả là hàm lượng acid lactic tích luỹ trong môi trường lên men ngày càng tăng, làm giảm pH môi trường và kéo theo những biến đổi hoá lý khác.
Trong quá trình lên men lactic, ngoài sản phẩm acid lactic (lên men đồng hình), acid lactic, ethanol, CO2 (lên men dị hình), trong dịch lên men còn xuất hiện cả trăm hợp chất hoá học mới khác. Chúng là những sản phẩm trung gian hoặc sản phẩm phụ của quá trình lên men. Hàm lượng của chúng trong dịch lên men thường rất thấp (vài ppm hoặc ít hơn). Một số hợp chất trong nhóm trên rất dễ bay hơi. Chúng đóng vai trò quan trọng trong việc góp phần hình thành nên mùi, vị đặc trưng cho những sản phẩm lên men lactic. Đáng chú ý nhất là diacetyl và acetaldehyde.
Qúa trình sinh tổng hợp diacetyl liên quan đến sự chuyển hoá citrate
Sinh tổng hợp acetaldehyde ở một số vi khuẩn lactic ưa nhiệt
2. SỰ THAY ĐỔI THÀNH PHẦN CỦA SỮA TRONG LÊN MEN SỮA CHUA

2.1 Biến đổi đường sữa (lactose) :

Quá trình chủ yếu xảy ra trong lên men sữa chua là đường lactose chuyển hóa thành glucose và galactose dưới tác dụng của enzym lactaza. Sau đó các sản phẩm đường đơn này tiếp tục chuyển hóa theo các phản ứng trung gian phức tạp thành axit piruvic. Từ axit piruvic sẽ khử hydro tạo thành axit lactic làm sữa bị axit hóa và sau đó bị đông tụ lại.


Quá trình hình thành axit lactic theo chuỗi phương trình sau

C12H22O11H2O C6H12O6 + C6H12O6
Lactose ngậm nước Galactose Glucose


2C6H12O6 4 CH3COOH + 4 CH3CHOH-COOH
Axit lactic Axit piruvic
2.2 Biến đổi protein sữa :

Trong quá trình lên men axit lactic được tạo ra nhiều thì quá trình tách ion Canxi ra khỏi Cazein càng nhanh. Cấu trúc của casein bị thay đổi nhiều và tạo thành khối casein bị vón cục lại khi ở pH đẳng nhiệt.

NH2-R(COO)2Ca + 2CH3CHOH-COOH NH2R(COOH)2 + CH3CHOH-COO)Ca
Cazeinat Canxi Axit lactic Axit Cazeinic Canxi lactat

Chính các casein chứa trong sữa ở dạng Canxi Cazeinat tác dụng với axit lactic tạo ra axit Cazeinic và Canxi lactat. Axit Cazeinic tự do không hòa tan, do đó gây đông tụ sữa. Ngoài quá trình lên men chính chuyển hóa lactose thành axit lactic còn các quá trình lên men phụ tạo các axit bay hơi, rượu, khí CO2, các vi khuẩn sinh hương tạo axeton, diaxetin . Đặc biệt là loại nấm men gây lên men rượu trong sữa chua chỉ phân giải được đường lactose, không phân giải các đường khác như saccarose, glucose ., nhờ đặc điểm này nó phát triển tốt trong sữa (vì đường trong sữa chủ yếu là lactose) nên được gọi là nấm men sữa.
C12H22O11 + H2O 4C2H5OH + 4CO2 + CH3COCOOH Axit Piruvic


CH3COCOOH CH3CHO + CO2
Axetaldehyt

CH3CHO + H2O CH3CH2OH
Rượu Etylic
Nếu tiếp tục cho lên men sản phẩm, cazein sẽ bị phân hủy, tạo thành pepton và các sản phẩm khác (quá trình pepton hóa hóa này tạo thành enzym proteaza phân hủy protein thành dạng đơn giản dễ tiêu hóa hơn là pepton, tăng khả năng tiêu hóa cho cơ thể người). Vi sinh vật vẫn chuyển hóa tiếp tục thì cazein sẽ bị chuyển hóa thành axit amin và các khí NH3, H2S . tạo mùi vị khó chịu cho sản phẩm.
Khi quá trình lên men diễn ra, đường lactose chuyển hóa thành axit lactic, axit này sẽ ngưng kết Cazein ở pH= 4 - 5. Sữa đông đặc lại, có vị chua dịu, các protid phần lớn bị đông tụ, phần nhỏ còn lại được vi sinh vật sử dụng thành các chất đơn giản hơn. Các vitamin hầu như không bị tổn thất mà còn được tăng lên do sự tổng hợp của vi khuẩn gây chua lactic như vitamin B1, C.

CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH LÊN MEN :

Trong công nghiệp sản xuất các sản phẩm lên men từ sữa như yaourt, kefir, koumiss, phô mai, bơ. các giai đoạn xử lý sản phẩm sau quá trình lên men thường đơn giản. Sản phẩm cuối cùng, bao gồm cả sinh khối vi sinh vật, các sản phẩm trao đổi chất ngoại bào do vi sinh vật tiết ra và cơ chất sót. Thành phần và hàm lượng của từng chất sẽ góp phần hình thành nên hương vị sản phẩm. Do đó, để sản xuất được thực phẩm lên men với chất lượng mong muốn, chúng ta cần phải :
+ Chọn được giống vi sinh vật thích hợp.
+ Xác định được môi trường lên men với thành phần cơ chất đầy đủ theo tỷ lệ tối ưu.
+ Xác định được các điều kiện lên men thích hợp như lượng giống cấy, nhiệt độ và thời gian lên men. Ngoài ra, ta còn phải quan tâm đến những vấn đề khác như việc cung cấp oxy, sự khuấy trộn.

- Giống vi sinh vật

- Môi trường lên men :
một môi trường với thành phần cơ chất đầy đủ, theo tỷ lệ tối ưu sẽ giúp cho quá trình lên men diễn ra nhanh và sản phẩm lên men đạt chất lượng tốt.
Sữa được xem là một môi trường lên men hoàn hảo chứa đầy đủ các nguyên tố cơ bản, khoáng và các yếu tố sinh trưởng cần thiết cho quá trình trao đổi chất của vi sinh vật, nên việc bổ sung thêm các chất dinh dưỡng khác vào môi trường sữa là không cần thiết. Tuy nhiên, để sản phẩm lên men đạt được các chỉ tiêu hoá lý (hàm lượng hydratcarbon, lipid.) và cảm quan (cấu trúc, mùi vị.) mong muốn, trong một số trường hợp người ta sử dụng bột sữa gầy, đường saccharose hoặc cream để bổ sung vào môi trường sữa trước khi lên men.
- Điều kiện lên men :

+ Lượng giống cấy

+Nhiệt độ

+Thời gian lên men

+ Cung cấp oxy cho nhóm vi sinh vật hiếu khí