công nghệ sinh học trong bảo quản và chế biến thực phẩm

• Chương I: Cơ sở sinh học của quá trình chế biến và bảo quản thực phẩm • Chương II:Ứng dụng probiotic, prebiotic và synbiotic trong thực phẩm • Chương III: Ứng dụng các hợp chất có ho

Công nghệ sinh học trong bảo quản và chế biến thực phẩm

CBGD: Đỗ Đức Cảnh

Trường đại học Nha Trang Viện Công nghệ sinh học và Môi trường

• Chương I: Cơ sở sinh học của quá trình chế biến và bảo quản thực phẩm

• Chương II:Ứng dụng probiotic, prebiotic và

synbiotic trong thực phẩm

• Chương III: Ứng dụng các hợp chất có hoạt

tính sinh học trong công nghệ thực phẩm

• Chương IV: Ứng dụng enzym trong công nghệ thực phẩm

• Chương V: Ứng dụng của quá trình lên men trong công nghệ thực phẩm

Chương I: Cơ sở sinh học của quá trình

chế biến và bảo quản thực phẩm

1 Giới thiệu về thực phẩm và giá trị

dinh dưỡng của thực phẩm

• Thực phẩm là gì?

• Phân loại:

- Thực phẩm có nguồn gốc thực vật, động vật, thực phẩm lên men…

Giá trị dinh dưỡng của thực phẩm

Chất lượng thực phẩm

Chất lượng thực phẩm phản ánh mức độ giá trị sử dụng của

thực phẩm Để đánh giá được chất lượng thực phẩm cần phải dựa vào sự xác định các chỉ tiêu, như cảm quan: màu sắc, trạng thái, mùi vị, trạng thái ban đầu càng tươi nguyên thực phẩm càng ngon, nhất là các thực phẩm dùng vào chế biến thức ăn

hàng ngày hoặc ăn trực tiếp, các chỉ tiêu lý hóa và chỉ tiêu vệ sinh

Ngoài ra, cần chú trọng đến xuất sứ, thời gian thu hoạch và chế biến, thời hạn sử dụng các chỉ tiêu cảm quan, lý hóa, vệ sinh cần so sánh ở thời điểm ban đầu, thời điểm sử dụng và có thể với tiêu chuẩn nhà nước hoặc tiêu chuẩn hàng hóa do hãng sản xuất công bố trên nhãn hàng hóa

2.Biến đổi thực phẩm trong quá trình

chế biến và bảo quản

• 2.4 Các quá trình hóa sinh xảy ra trong bảo quản và chế biến thực phẩm

- Lên men rượu

- Lên men lactic

- Lên men propionic

- Lên men butyric

- Lên men axetic

- Lên men xitric

- Phân hủy xenluloza và các pectin ở các điều kiện hiếu khí

- Phân hủy chất béo và axit béo

• Cung cấp nguồn thực phẩm an toàn và dinh dưỡng, đa dạng hóa các loại sản phẩm, thực phẩm chức năng

• Giảm tiêu thụ năng lượng và nguyên liệu, đơn giản hóa quy trình công nghệ, đồng thời với giảm tối thiểu rác thải và khí thải trong quá

Chương II:Ứng dụng probiotic, prebiotic và

synbiotic trong thực phẩm

II.1 Probiotic

Khái niệm về probiotic

• Probiotic là một từ gốc tiếng Hy Lạp có nghĩa là "for life" Nó được dùng để mô tả các vi khuẩn "thân thiện" thường sống ở đường ruột và có đóng góp vào sức khỏe của vật chủ

• “Probiotic là nhân tố thúc đẩy tăng trưởng được sản xuất bởi các vi sinh vật“ (Lilly và Stillwell,1965)

• “Probiotic là những vi sinh vật còn sống khi đưa vào

cơ thể một lượng đầy đủ sẽ có lợi cho sức khỏe của vật chủ”, FAO,2001

Cơ chế tác động của probiotic

• Cạnh tranh vị trí bám dính và loại trừ vi khuẩn gây bệnh

• Cạnh tranh dinh dưỡng với các VSV có hại

• Sản sinh ra các chất ức chế

• Kích thích hệ miễn dịch

• Ức chế cơ chế dò tìm mật độ tới hạn của vi

khuẩn gây bệnh

Lợi ích của việc sử dụng probiotic cho con người,

- Cải thiện sự cân bằng của hệ vi khuẩn đường ruột

- Sản xuất enzym lactase và các enzym tiêu hoá, do đó tăng khả năng tiêu hoá đường lactose và thức ăn

- Tăng cường hệ miễn dịch, giảm nguy cơ ung thư ruột kết

- Hỗ trợ trong điều trị các bệnh dị ứng do thức ăn, làm giảm mức LHD cholesterol trong máu, giảm huyết áp trong

tăng huyết áp

- Đóng một vai trò quan trọng trong phòng chống và điều trị tiêu chảy

Food Applications

Challenges for Probiotics in Food Products

1 Stability of probiotics during processing and

storage

2 Protection in the gastrointestinal tract and

controlled release of probiotics in the

intestines

3 Clinical proof of health effects of the food

product containing the probiotics

Yoghurt

• It has been reported that microencapsulation using calcium-induced alginate–starch polymers), potassium-induced k-carrageenan polymers (and whey protein polymers have increased the survival and viability of probiotic bacteria in set and stirred yoghurts during storage

• The encapsulates above are semipermeable, and protect the still active probiotics against harsh conditions (oxygen, low pH of around 4) Another approach has been disclosed by Tessier (2005), who used granules composed of dormant, dehydrated lactic acid bacteria and coated with a solid fat in fermented milk

Cheese

• Among the traditional dairy foods, cheddar cheese has

a markedly higher pH (4.8–5.6) than fermented milks and yoghurt (pH 3.7–4.3) and thus help in providing a more stable medium to support the long-term survival

of acid-sensitive probiotic bacteria (Stanton et al

1998)

• The metabolism of various lactic acid bacteria in

cheddar cheese results in anaerobic environment

within a few weeks of ripening, favoring the survival of probiotic bacteria Furthermore, the matrix of cheddar cheese and its relatively high fat content offers

protection to probiotic bacteria during passage through gastrointestinal tract

Powdered Formulations

• In powdered milk products, the challenge is to

protect the probiotics from the excessive heat

and osmotic degradation during spray-drying

Improved viability upon conjointly spray-drying of milk and probiotics might be achieved by the use

of a second drying step in two fluidized bed

compartments operating at 60–90°C and a last, third compartment to cool to about 30° C

• The addition of a thermoprotectant such as

trehalose may help to improve the viability

during drying and storage

Meat Products

• While dairy products are the most commonly used

food vehicles for delivery of probiotics, their use in

meat is not reported widely

• Meat emulsion for the manufacture of small goods such as dry fermented sausages with their low water activity, pH, curing salts and competing starter culture organisms presents a challenging environment for the survival of introduced probiotics during processing

• When Lactobacillus plantarum and Pediococcus

pentosaeccus were immobilized in alginate micro

capsules, the fermentation rate was much rapid with the encapsulated cells

Fermented Plant-Based (Vegetarian)

Probiotic Products

• With regard to plant-fermented products, probiotics are most frequently incorporated into soy products, although interest is increasing in the use of probiotics in fermented cereals and vegetable pickles

• For stabilization of bifidobacteria during a traditional

African-fermented corn product, the bacterial cells were encapsulatedin mixed polymer (gellan/xanthan) beads

• Microencapsulation improved the survival of L rhamnosus

subjected to freezing in a cranberry juice concentrate and

during storage of the frozen product Microencapsulation can be of benefit to the stability of probiotic cultures

Prebiotic Thuật ngữ prebiotic được giới thiệu bởi Gibson và Roberfroid

 Là thành phần TP không tiêu hóa được

 Có lợi cho sức khỏe

• Kích thích chọn lọc

• Cải thiện sức khỏe vật chủ

Tính chất của prebiotic

Prebiotics đóng vai trò là yếu tố hỗ trợ cho probiotic Các carbohydrate phức tạp đi qua ruột non đến ruột già, nơi chúng được sử dụng bởi một vài VK đường ruột nhất định, không phải tất cả VSV có mặt trong ruột kết

Sản phẩm chính của quá trình chuyển hóa các carbohydrate này là các acid béo chuỗi ngắn, như acetate, butyrate và propionate Những chất này được cơ thể chủ dùng như là nguồn cung cấp năng lượng

Tính chất của prebiotic

Mối quan hệ giữa probiotic va

prebiotic

Synbiotic= Probiotic+ Prebiotic

• Khái niệm synbiotics được đưa ra nhằm

mô tả các TP và chất bổ sung nhằm tăng cường sức khỏe, được dùng như là những thành phần thực phẩm chức năng bởi con người(Gibson, 2004)

• Hợp lực tiềm năng giữa pro-& prebiotics

• Cải thiện khả năng sống ở phần đầu của quá trình tiêu hóa

• Thúc đẩy hiệu quả của probiotics

• Cải thiện khả năng sống của VK trong sản phẩm TP, kéo dài thời gian sử dụng

• Tăng cường số lượng VK đến ruột kết ở dạng còn sống

• Kích thích sinh trưởng và bám dính vào

ruột kết của cả VK nội sinh và ngoại sinh

Prebiotic and Synbiotic Food

• Every year a remarkable number of new food and drink items are launched onto the market, to which

fructooligosaccharides and other prebiotic

carbohydrates, mostly inulin and oligofructose, have been added In contrast to probiotic food, however,

only a minority of them, if any at all, is seen by

consumers as a food of its own kind The consumers

see prebiotics more as a health-promoting additive to normal food—analogous e.g to vitamins

• Furthermore, often only small amounts, less than 4 g per daily serving, are added, perhaps to avoid the risk

of gastrointestinal complaints and indisposition in

sensitive individuals

Các sản phẩm

Chương III: Ứng dụng các hợp chất có hoạt tính

sinh học trong công nghệ thực phẩm

Các hợp chất kháng khuẩn

Phổ hoạt động của một số chất bảo quản trên vi sinh vật

Chất chống vi sinh vật Vi khuẩn Nấm men Nấm mốc

Propionic acid + ++ ++ Sorbic acid ++ +++ +++ Benzoic acid ++ +++ +++ p-Hydroxybenzoic acid esters ++ +++ +++

– không tác dụng + tác dụng yếu ++ tác dụng trung bình +++ tác dụng mạnh

• Acid benzoic (C6H5COOH) có dạng tinh thể hình kim không màu, dễ tan trong rượu và ête, ít tan trong nước

• Acid benzoic là chất sát trùng mạnh đối với nấm men và nấm mốc và có tác dụng yếu hơn đối với vi khuẩn

• Tác dụng bảo quản chỉ xảy ra ở môi trường acid pH 2.5-3.5 (nồng độ gây tác dụng là 0.05%)

• Natri benzoate (C6H5COONa) dễ tan trong nước

• Acid benzoic và muối Na benzoate được công nhận là

GRAS (generally recognized as safe) Nồng độ sử dụng tối

đa là 0.1-0.12%; thường dùng 0.05-0.075% đối với nước quả chua và 0.075-0.1% đối với nước quả ít chua

• Có nhược điểm là có mùi kim loại dễ bị phát hiện, làm

giảm giá trị cảm quan của sản phẩm

Acid benzoic &

Natri benzoate

Acid acetic

• Acid acetic và các muối được sử dụng chủ yếu để tạo

vị chua và chống vi sinh vật, chủ yếu chống nấm men

và vi khuẩn (ngoại trừ các vi khuẩn lên men acid

acetic, acid latic, và acid butyric)

• Hoạt tính của acid acetic thay đổi tuz thuộc vào sản phẩm thực phẩm, môi trường, và vi sinh vật cần

chống

• Ở Mỹ, acid acetic được công nhận là GRAS

Acid propionic

• Sử dụng acid propionic và các muối propionate chủ yếu để chống nấm mốc; một vài nấm men và

vi khuẩn cũng bị ức chế bởi acid propionic

• Ở Mỹ, acid propionic và các muối Ca, Na

propionate được công nhận là GRAS, được sử

dụng không giới hạn, trừ một số trường hợp:

được dùng tối đa 0.32% trong bột mì để sx bánh

mì, 0.38% trong các sản phẩm lúa mì nguyên hạt, 0.3% trong các sản phẩm phô mai

Cơ chế tác dụng của chất chống vi

sinh vật

• Ảnh hưởng lên ADN

• Ảnh hưởng lên sự tổng hợp protein

• Ảnh hưởng lên hoạt động của enzyme

• Ảnh hưởng lên tính thẫm thấu của màng tế bào

• Ảnh hưởng lên vách tế bào

• Ảnh hưởng lên cơ chế trao đổi các chất dinh

dưỡng

Các hợp chất chống oxy hóa (COH )

• Gốc tự do

Tác hại của gốc tự do:

- Gây tổn thương cho các chất liệu và mô trong cơ thể,

hãm sự oxy hóa bằng cách oxy hóa chính chúng

Các hợp chất tạo màu, mùi, vị

 Các acid amin tương đối bền ở điều kiện thường nhưng bị vô hoạt bởi nhiệt với sự hiện diện của đường khử (phản ứng

Maillard) Mức độ phá vỡ các acid amin tỉ lệ thuận với nồng độ đường, thời gian và nhiệt độ xử lý

L-lysine: được bổ sung vào bánh mì trắng, gạo sấy ăn liền

Methionine: dùng để tạo vị ngọt của thịt trong một số sản phẩm

Taurine: được bổ sung vào sữa bột dùng cho trẻ em

Cysteine  Acid cysteic  Taurine

L-Serine L-Threonine

L-Tryptophan L-Tyrosine L-Valine

Các acid amin được chấp nhận cho vào

thực phẩm

Được sử dụng trong thực phẩm do các đặc tính:

- Cường độ ngọt rất cao (3000 lần saccharose)

1

300

600 2000-3000

 Acid được sử dụng trong thực phẩm nhằm mục đích tạo vị cho sản phẩm cuối

 Các acid còn đóng góp vào việc làm thay đổi các tính năng đưa đến việc cải thiện chất lượng sản phẩm

hoá để giúp ngăn ngừa sự ôi hoá dầu mỡ

sự khởi phát của sự oxy hoá và phản ứng hoá nâu

 Giúp bảo quản thực phẩm, do tạo ra môi

trường có pH thấp

1.3 Các chất tạo vị chua

- Trong thực phẩm vị đắng là một chỉ tiêu đựơc yêu cầu và không yêu cầu

- Vị đắng do một số chất trong tự nhiên tạo ra:

Alkaloid, Glucosid

- Các chất tạo vị đắng trong chế biến thực phẩm

gồm

Hữu cơ: Các acid amin như Cysteine, Tryptophan, Isoleucine, Leucine; và các hợp chất khác

1.4 Các chất tạo vị đắng

- Quinin: được dùng trong sản xuất nước giải khát (Tonic)

- Caffein: vị đắng của cà phê, được dùng trong sản xuất bánh kẹo, kem, nước giải khát

- Theobromin (từ hạt ca cao): vị đắng của

chocolate, có công dụng tương tự caffein

- Naringin: có nhiều trong trái nho, trái cây có múi

- Hisperdin: có nhiều trong vỏ trái cây có múi

1.5 Các chất tạo vị mặn

- NaCl

- Trong trường hợp cần hạn chế Na thì sử dụng các muối khác

NaCl KCl

LiBr NaBr

LiI NaI

NaNO3 KNO3

44

2.2.1 Nhóm Flavonoids

Gồm Quercetin (vỏ củ hành) và Anthocyanins

Anthocyanins (đỏ  xanh dương):

Dùng cho nước giải khát, nước uống có cồn,

bánh kẹo, mứt, bánh kem, rau muối chua, thực phẩm đông lạnh, thực phẩm đóng hộp, sản

phẩm sữa

2.2 Các chất màu tự nhiên và ứng

dụng trong thực phẩm

45

2.2.1 Nhóm Flavonoids

Anthocyanins (đỏ  xanh dương):

- pH có ảnh hưởng đến màu của Anthocyanins

47

2.2.2 Nhóm Carotenoids

a Annatto (cam): gồm Bixin và Norbixin

Phẩm màu Bixin tan trong dầu: dùng cho các sản phẩm của chất béo và sữa, phô mai, bơ,

margarin, kem (creams), đồ tráng miệng, thực phẩm nướng và bánh snack

Phẩm màu Norbixin tan trong nước: dùng cho bánh kẹo, phô mai, cá xông khói, kem và sản phẩm của sữa, đồ tráng miệng, sản phẩm của ngũ cốc và bánh mì (phần ruột bánh)

48

2.2.2 Nhóm Carotenoids

b Beta-Caroten (vàng  cam):

Dùng cho bơ, margarin, dầu, mỡ, phô mai

Dạng phân tán trong nước: nước giải khát,

nước quả, bánh kẹo, kem, yaourt (yoghurt), đồ tráng miệng, phô mai, súp, đồ hộp

Độ bền của Beta-Caroten:

Ánh sáng: tốt; Nhiệt: tốt

Tính chất: tan trong dầu, nhạy cảm đối với sự oxy hoá Sắc màu của Caroten phụ thuộc vào nồng độ sử dụng

49

Beta-Caroten  Vitamin A (Retinol) trong cơ

thể người

Chlorophyll

- Zn và Cu có thể tạo phức với Chlorophyll, liều lượng Zn sử dụng không được vượt quá 75

ppm

52

3 Các chất mùi

Các lý do để sử dụng chất mùi

1 Qui trình sản xuất thực phẩm có thể cần đến

sự bổ sung chất mùi (do bị mất mùi)

2 Khả năng sẵn có của hương liệu tự nhiên là

không nhiều, nên cần phải sử dụng chất mùi

3 Yếu tố kinh tế có thể hạn chế việc sử dụng

nguyên liệu thiên nhiên để tạo mùi

4 Dạng nguyên liệu tự nhiên không được cho

phép sử dụng cho vào thành phẩm (củ gừng)

5 Cường độ mùi của nguyên liệu là không đủ

mạnh để có thể sử dụng

53

3 Các chất mùi

Các chất mùi được xếp thành 3 nhóm

1 Chất mùi: là những chất chính nó gây ra tác

dụng tạo mùi hoàn toàn cho sản phẩm

2 Chất cải thiện hay biến đổi mùi: là những

chất, khi được cho vào sản phẩm, cải thiện tác dụng tạo mùi, vị

3 Chất tăng mùi: là những chất không được

xem như là nguyên liệu, nhưng khi cho nó

vào nguyên liệu sẽ làm giảm lượng nguyên liệu cần dùng