CÔNG NGHỆ sản XUẤT bơ

Định nghĩa : Sữa thương phẩm là sản phẩm tiết ra từ bò cái cho sữa, có chứa không dưới 3% chất béo và 8.5% các chất khô khác – trong đó thành phần nitơ từ casein không kém hơn 75% tổng

CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BƠ TỪ SỮA

I GIỚI THIỆU CHUNG :

Bơ là sản phẩm chế biến từ chất béo của sữa Hàm lượng chất béo trong bơ rất cao và chiếm trung bình 80% khối lượng sản phẩm Việc sản xuất bơ bắt đầu được công nghiệp hóa kể từ khi Gustaf de Laval phát minh ra thiết bị chất béo - cream vào năm 1879 Đến năm 1890, người ta bắt đầu sử dụng canh trường vi

khuẩn lactic thuần khiết trong sản xuất bơ lên men

II NGUYÊN LIỆU

Sữa là một trong số các nguồn thức ăn quan trọng của con người Nó có thể được lấy ra từ cơ thể con người, bò, dê, cừu Trong đó nguồn cung cấp quan trọng nhất cho ngành công nghiệp chế biến sữa là sữa bò Các chất trong sữa cung cấp năng lượng, vật chất cần thiết cho cơ thể phát triển

Bơ là một sản phẩm quan trọng được làm từ chất béo của sữa bò Để sản xuất bơ người ta có thể đi từ hai nguồn nguyên liệu: sữa tươi và từ kem tươi.Thực chất kem tươi cũng là một thành phần được lấy ra từ sữa do đó có thể kết luận nguồn nguyên liệu chính để sản xuất bơ là sữa tươi.

1 Định nghĩa :

Sữa thương phẩm là sản phẩm tiết ra từ bò cái cho sữa, có chứa không dưới 3% chất béo và 8.5% các chất khô khác – trong đó thành phần nitơ từ casein không kém hơn 75% tổng số nitơ chứa trong sữa – khi đun nóng không làm sữa đóng vón lại

2 Cấu tạo, thành phần của chất béo :

Sữa là một thức uống rất phức tạp với trên 100000 phân tử các chất đặc biệt khác nhau được tìm thấy trong nó Trong sữa chứa chủ yếu là H2O, chất béo, protein, đường lactose và chất khoáng Ngoài ra sữa còn chứa những nguyên tố khác với lượng nhỏ hơn như chất màu, enzym, phospholipid và một số chất khí khác Tuỳ vào chế độ nuôi cũng như thời gian cho sữa (đầu chu kỳ hay cuối chu kỳ) mà thành phần các chất trong sữa có thay đổi Tuy nhiên chúng ta có thể đưa ra thành phần của nó một cách tương đối như sau:

- Khoáng (Ca ,P,Mg,K,Na,Fe,Cu ): 0.65%

- Acids (citrate, formate, acetate, lactate, oxalate): 0.18%

- Enzyms (peroxidase, catalase, phosphatase, lipase)

- Vitamins (A, C, D, thiamine, riboflavin, )

Bảng 1 Kích thước của các thành phần trong sữa

+ Tính chất hoá học của chất béo trong sữa:

Lượng chất béo trong sữa là yếu tố cơ bản để đáng giá chất lượng của sữa trên thị trường do đó quyết định đến giá thành của sữa Thành phần chủ yếu của sữa béo là các triglycerides Triglyceride được tạo thành bởi sự kết hợp giữa gốc glycerol với ba gốc acid béo, thông thường ba gốc acid béo cùng kết hợp với một gốc glycerol là khác nhau về mặt cấu tạo

Bảng 2 Các acid béo chính trong sữa

đôi

Điểm nóng chảy

dạng cis 95% chỉ có 5% tồn tại ở dạng trans do sự chuyển đổi trong quá trình hydro hoá

Triglycerides chiếm 98.3% tổng lượng chất béo trong sữa Mặc dù có hàng trăm cách kết hợp nhưng sự sắp xếp các gốc acid béo vào các vị trí trên gốc glycerol đều tuân theo quy luật Các nhà nghiên cứu đã đưa ra kết luận

“Vị trí SN1 thường kết hợp với các gốc acid béo có mạch carbon dài hơn trong khi vị trí SN3 chủ yếu kết hợp với gốc acid béo có mạch carbon ngắn và gốc acid béo không no”

+ Tính chất vật lý của chất béo trong sữa

Các tính chất vật lý cơ bản của sữa béo được trình bày dưới đây:

- Khối lượng riêng ở 20oC: 915 kg/m3

- Khả năng tan của nước trong béo: 0.14%

+ Cấu trúc của chất béo trong sữa:

Hơn 95% lượng lipit trong sữa tồn tại ở dạng hạt nhỏ có đường kính trong khoảng 0.1 –15m tạo thành hệ nhũ tương dầu trong nước Thông thường các hạt này có kích thước trung bình vào khoảng 3 – 4 m Số lượng hạt trong 1ml dung dịch sữa vào khoảng 15 tỷ hạt Các hạt này được bao quanh bởi một lớp màng mỏng dày 8 – 10nm có tính chất hoàn toàn khác với chúng Lớp màng này có thành phần cấu tạo tương đối phức tạp, nó chứa chủ yếu là protein và phospholipids (có thành phần chủ yếu là lexithin và xephalin) và có nhiệm vụ ngăn ngừa sự kết tủa bông và kết dính giữa các hạt chất béo Ngoài

ra thành phần của màng membrance còn có các enzym (nhiều nhất là enzym phosphataza mang tính kiềm tập trung trong phần protit và enzym reductaza

có trong phần không hoà tan được), nguyên tố vi lượng (chủ yếu là Fe, Cu), acid nucleic, cerebrosides, phospho và nước

Hình 1 Cấu trúc của một tiểu cầu dưới kính hiển vi điện tử

Sự phân bố các glycerid trong lòng các tiểu cầu mang đặc điểm sau: phần trung tâm tiểu cầu chứa glycerid có điểm nóng chảy thấp, giàu acid oleic và luôn ở dạng lỏng trong điều kiện nhiệt độ môi trường Phần ngoại vi nơi tiếp xúc với màng chứa các glycerid với chỉ số iode rất thấp (5 – 6) nhưng có điểm nóng chảy cao và có thể đông đặc ở nhiệt độ môi trường

Sự toàn diện về cấu trúc của tiểu cầu quyết định sự ổn định của chất béo

có trong sữa Đặc biệt sự biến tính của màng sẽ tăng cường sự hoạt động trực tiếp của một số loài vi sinh vật hoặc sự tăng lên của chỉ số acid, ngoài ra còn làm thay đổi một số tính chất vật lý một cách sâu sắc gây ra sự tiến lại gần rồi kết dính với nhau làm mất tính đồng nhất của sữa

Hình 2 Cấu trúc của sự liên kết một phần giữa các hạt chất béo

3 Các quá trình ảnh hưởng đến chất lượng của chất béo trong sữa: 3.1 Sự oxy hoá chất béo:

Sự oxy hoá chất béo dẫn đến kết quả chất béo có mùi ôi Cũng giống như trong các loại chất béo khác, sự oxy hoá trong milkfat xảy ra ở nối đôi của acid béo không no Trong số này lecithin dễ bị tấn công nhất Sự hiện diện của muối Fe hoặc muối Cu sẽ thúc đẩy quá trình tự oxy hoá của chất béo

và do đó làm tăng mùi lạ của sản phẩm Nguyên nhân khác nữa là do sự hiện

diện của O2 hoà tan và chế độ chiếu sáng đặc biệt như dưới ánh sáng trực tiếp của mặt trời hoặc đèn ống Flo

Sự oxy hoá tạo mùi thối thường xảy ra trong mùa đông hơn là trong mùa

hè Điều này được giải thích là do sự oxy hoá dễ xảy ra ở nhiệt độ thấp bởi vi khuẩn lactic khó hoạt động ở điều kiện này (vi sinh vật như lactic –acid bacteria tiêu thụ oxy và làm giảm ảnh hưởng của quá trình oxy hoá) đồng thời lượng oxy hòa tan lại giảm xuống, chế độ ăn của bò trong mùa đông gây ảnh hưởng đến chất lượng sữa và do đó cũng gây ảnh hưởng đến quá trình oxy hoá

Sự oxy hoá chất béo có thể được chống lại bởi vi sinh vật trong sữa, bởi quá trình thanh trùng > 80o C bởi chất chống oxy hoá D6A, dodecyl gallate hoặc một chế độ bảo quản thích hợp Liều lượng tối đa của D6A được phép dùng là 0.00005%

3.2 Sự phân giải chất béo:

Sự phá vỡ chất béo thành glycerin và acid béo được gọi là sự phân giải chất béo Chất béo bị phân giải có mùi ôi, mùi này gây ra bởi sự tồn tại của các acid béo tự do phân tử lượng thấp (butyric, caproic ) Nguyên nhân gây

ra sự phân giải này là do các enzym lipase Enzym lipase sẽ không thể thuỷ phân chất béo nếu như cấu trúc hạt của chất béo không bị phá vỡ Để khắc phục tình trạng này ta có hai phương pháp: thanh trùng sữa ở nhiệt độ cao để biến tính enzym hoặc tránh khuấy trộn mạnh khi sữa không thanh trùng

3.3 Sự vón cục do nhiệt :

Sữa được thanh trùng ở 70 – 800C trong vòng 15 phút, thông thường hiện tượng vón cục xảy ra ở nhiệt độ khoảng 740C Nhiều giả thuyết cho rằng hiện tượng vón cục là do sự kết dính của các hạt chất béo khi chúng va chạm vào nhau Sự đồng hoá được giới thiệu để tránh hiện tượng vón cục của kem

4 Yêu cầu về nguyên liệu :

Đối với nguyên liệu từ sữa tươi, ngoài các yêu cầu về thành phần dinh dưỡng như đã trình bày ở trên, sữa còn phải đảm bảo tính vô trùng, tươi không bị mất các tính chất tự nhiên, phải đồng nhất không vón cục, không lẫn vật lạ

5 Vi khuẩn lactic LD:

Streptococcus lactic:

- Thuộc chuỗi khuẩn cầu, gram (+)

- Nhiệt độ phát triển 10 – 45oC, tối thích 30 – 35oC

- Có khả năng chịu được nồng độ NaCl 14%

- Khi lên men đường glucose, maltoe, lactose, saccharose, sẽ sinh ra acid lactic, CO2, acid axetic, diacetyl

III CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BƠ :

1 Sơ đồ qui trình công nghệ dạng sơ đồ khối :

Thanh trùng

Ly tâm

Tạo và xử lý hạt bơ

Lên men và xử lý nhiệt lạnh

Đóng gói bơ Thanh trùng Sữa tươi

Sữa bơ

2 Sơ đồ qui trình công nghệ dạng thiết bị :

Hình 3 Sơ đồ qui trình công nghệ dạng thiết bị

IV THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ :

1 Thanh trùng trước khi ly tâm:

- Mục đích:

 Chuẩn bị : Chuẩn bị cho quá trình li tâm và lên men

 Bảo quản: Tiêu diệt toàn bộ hệ vi sinh vật thông thường, hệ vi sinh vật có hại cho sức khỏe, gây hư hỏng sản phẩm

- Biến đổi:

 Vật lý: thay đổi thể tích, trọng lượng

 Hóa học: phản ứng maillard tạo sản phẩm melanoidin

 Hóa lý: gây ra những biến đổi về pha

 Sinh học: vi sinh vật bị ức chế và bị tiêu diệt

 Hóa sinh: các enzyme bị vô hoạt

- Cách tiến hành: Sau khi tiếp nhận sữa thì ta sẽ đi qua thiết bị thanh trùng sơ

Hình 4 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng bảng mỏng

- Biến đổi của nguyên liệu :

+ Vật lý: Trong quá trình ly tâm chủ yếu tác động lên nguyên liệu ở đây là sữa là lực cơ học (lực ly tâm) Vì vậy ngoài sự tách pha ra thì không có biến đổi gì đáng kể trong quá trình ly tâm

+ Hóa lý: Sự tách pha trong quá trình ly tâm sẽ làm cho sữa từ dạng nhũ tương thì

sẽ phân ra cream với độ nhớt cao, sữa gầy với độ nhớt thấp

- Cách tiến hành:

+ Sau khi thanh trùng thì sữa sẽ được đưa vào thiết bị để giai đoạn tách béo được diễn ra

+ Do vị trí đĩa khác nhau nên cần điều chỉnh khoảng cách giữa các đĩa với trục quay

để nâng cao chất lượng của cream

+ Phần tách ra được gọi là sữa gầy Sữa gầy sau khi ra khỏi thiết bị tách sẽ được thanh trùng và làm lạnh rồi được đưa vào bồn chứa Sữa gầy sẽ được đưa vào quá trình nhân giống vi khuẩn lactic chuẩn bị cho quá trình ủ chín

- Thông số quá trình: Trước khi đưa vào thiết bị tách béo, sữa tươi đã được gia nhiệt đến 55-65 o C

- Thiết bị :

Hình 6 Thiết bị ly tâm

Hình 7 Mặt cắt thiết bị

- Cấu tạo:

Hình 8 Cấu tạo của thiết bị ly tâm

+ Thiết bị gồm có thân máy (1), bên trong là thùng quay (2) được nối với một motor truyền động bên ngoài thông qua trục dẫn (3) Các đĩa quay (4) có đường kính dao động từ 20-102cm và được xếp chồng lên nhau Các lỗ trên đĩa li tâm sẽ tạo nên những kênh dẫn theo phương thẳng đứng Khoảng cách giữa hai đĩa ly tâm liên tiếp

là 0.5-1.3mm

- Nguyên lý hoạt động:

+ Khi quay các trục vít, do chất béo nhẹ hơn dung dịch sữa gầy nên nó sẽ chuyển động lên trên đỉnh các đĩa hình nón và được lấy ra phía đỉnh, phần sữa gầy do nặng hơn sẽ chạy xuống cạnh đĩa hình nón và lấy ra theo đường phía dưới

+ Dung dịch sữa ở đây được cấp vào thiết bị theo một ống ở tâm như trên hình vẽ + Tuỳ yêu cầu thành phần chất béo trong kem sau khi tách mà người ta sẽ điều chỉnh

vị trí các lỗ trên đĩa

+ Sau khi ra khỏi thiết bị tách, dòng kem tươi lại được cho kết hợp với dòng sữa đã tách béo với một tỉ lệ nhất định (thông thường từ 1– 7% lượng kem) nhằm có được nồng độ béo mong muốn và tạo điều kiện tốt cho quá trình lên men sau này

+ Một số nhà sản xuất không dùng quá trình này mà họ trộn sữa gầy với cream ở ngay trong bồn lên men

+ Kem tươi sau đó được đem đi thanh trùng Pasteur

3 Thanh trùng cream:

- Mục đích :

+ Bảo quản: Tiêu diệt toàn bộ hệ vi sinh vật thông thường, hệ vi sinh vật có hại cho

sức khỏe, gây hư hỏng sản phẩm và vô hoạt các enzyme lipaza để tăng thời gian bảo quản của bơ

+ Hoàn thiện: Thay đổi đáng tính chất của thành phần cream đặc biệt là pha chất béo

qua đó tạo mùi thơm đặc trưng (mùi hạnh nhân)

+ Chuẩn bị: Khi tiêu diệt các vi sinh vật không mong muốn trong quá trình tiệt trùng

rất có lợi trong trường hợp sản xuất bơ chua bởi nó tạo ra một môi trường hoàn hảo cho sự phát triển của các vi sinh vật lên men (Ngăn chặn sự canh tranh giữa vi sinh vật có lợi và vi sinh vật có hại)

- Biến đổi:

 Vật lý: thay đổi thể tích, trọng lượng

 Hóa học: phản ứng maillard tạo sản phẩm melanoidin

 Hóa lý: gây ra những biến đổi về pha: tách pha

 Sinh học: vi sinh vật bị ức chế và bị tiêu diệt

 Hóa sinh: các enzyme bị vô hoạt

- Thông số quá trình:

 Nhiệt độ: 90-95°C

 Thời gian: 15-20s

- Thiết bị: Thiết bị trao đổi nhiệt dạng bản mỏng

Hình 9 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng bảng mỏng

có thể chuyển động cùng chiều hay ngược chiều Tùy thuộc vào từng điều kiện cụ thể, các nhà sản xuất sẽ bố trí hệ thống những đường dẫn thích hợp

- Mục đích: chuẩn bị cho quá trình lên men

- Các biến đổi: việc bổ sung canh trường vào cream không làm thay đổi đáng kể thay phần hóa học của cream

- Cách tiến hành: Môi trường nhân giống phổ biến nhất là sữa gầy Trước khi nhân giống, sữa gầy được thanh trùng ở 90-95°C trong thời gian 15-30 phút Quá trình nhân giống được thực hiện ở 20°C

- Thông số quá trình: Nhiệt độ hoạt hóa của vi khuẩn là 200C Quá trình hoạt hóa sẽ kết thúc khi độ chua của canh trường đạt 8 – 200SH

- Thiết bị và thông số thiết bị:

Hình Thiết bị cấy giống vi khuẩn lactic

5 Lên men và xử lý nhiệt lạnh:

- Mục đích: Hoàn thiện: quá trình lên men tổng hợp một số cấu tử đặc

trưng về mùi vị cho sản phẩm

- Biến đổi:

 Vật lí: Sự thay đổi kích thước của các hạt tinh thể béo, thay đổi tỉ

trọng của pha liên tục trong cream

là quá trình sinh tổng hợp năng lượng của vi khuẩn lactic

 Sinh ra các sản phẩm phụ: aldehyde acetic, diacetyl và acetoin tạo mùi cho sản phẩm

 Sinh học: Các vi khuẩn lactic sẽ thực hiện quá trình trao đổi chất

và tăng sinh khối

- Cách tiến hành: cream sau khi được thanh trùng sẽ được chuyển qua thiết

bị lên men có cánh khuấy Tại đây, canh trường cũng sẽ được chuyển đến

thiết bị lên men Trong quá trình lên men, cánh khuấy có nhiệm vụ làm phân

tán đồng đều các sản phẩm lên men

- Thông số quá trình: thời gian < 24 giờ

- Thiết bị và thông số thiết bị:

Hình Thiết bị lên men cánh khuấy

o Cấu tạo: Thiết bị có dạng hình trụ đứng, bên trong có cánh khuấy Bộ điều chỉnh nhiệt độ có thể được lắp đặt dưới dạng ống xoắn ở bên trong thiết bị hoặc ở vỏ áo ở xung quanh thiết bị

o Nguyên lý hoạt động: Thiết bị sẽ hoạt động với cánh khuấy được chọn lựa tùy vào môi trường và được điều chỉnh tốc độ khuấy để môi trường được đồng đều Ngoài ra, thiết bị được điều chỉnh nhiệt độ tùy vào sản phẩm mong muốn

o Thông số thiết bị:

6 Tạo và xử lý hạt bơ

- Mục đích:

o Khai thác:quá trình tạo hạt bơ nhằm chuyển hóa cream sau lên men

và xử lý nhiệt lạnh thành các hạt bơ và sữa bơ Phần sữa bơ sẽ được tách ra và nó là một phụ phẩm trong quy trình sản xuất bơ Các hạt bơ

sẽ được xử lý tiếp tục để tạo thành sản phẩm bơ

o Hoàn thiện: quá trình xử lý hạt bơ có công đoạn bổ sung muối để hiệu chính chỉ tiêu chất lượng của bơ thành phẩm

- Biến đổi:

o Hóa lý và vật lý: xuất hiện các bọt khí trong cream do sự khuấy trộn

 Các hạt cầu béo sẽ dược phân bố tại bề mặt tiếp xúc pha giữa bọt khí pha lỏng

 Hiện tượng bọt bị vỡ sẽ làm phá vỡ các hạt membrane của một số hạt cầu béo và giải phóng chất béo ra dưới dạng tự

do

 Chất béo dưới dạng tự do sẽ liên kết các tinh thể béo và những hạt cầu béo khác, từ đó hình thành các hạt bơ

 Kích thước hạt bơ sẽ lớn dần theo thời gian

 Các hạt bơ sẽ được ép thành một khối và hình thành nên một hệ nhũ tương mới: nước trong dầu

- Cách tiến hành: cream sau khi được lên men sẽ được vận chuyển đến thiết bị làm bơ liên tục Tại khu vực (I) của thiết bị các cánh khuấy hoạt động làm cream tạo các hạt bơ Tại khu vực (II), sẽ tách hạt bơ và sữa

bơ ra, hạt bơ sẽ đến khu vực (III) để tạo hạt khối Cuối cùng sẽ ra bơ thành phẩm

- Thông số quá trình:

- Thiết bị và thông số kĩ thuật: máy làm bơ liên tục

Hình Thiết bị làm bơ liên tục

Vùng tạo hạt bơ (I), Vùng tạo hạt bơ và tách sơ bộ sữa bơ (II), cửa nạp

nguyên liệu (1), rây để tách sữa bơ (2), Cửa thoát sữa bơ (3), cửa vào tác nhân điều nhiệt (4), Cửa bổ sung thêm phụ gia hoặc gia vị vào bên trong thiết bị (5), Cửa tháo sản phẩm (6)

Hình Mặt cắt của máy làm bơ liên tục