MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU 4 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU 6 1.1. Sữa: 6 1.1.1. Thành phần hóa học của sữa: 6 1.1.1.1. Nước: 7 1.1.1.2. Lipid: 8 1.1.1.3. Protein: 12 1.1.1.4. Glucid: 16 1.1.1.5. Chất khoáng và muối: 18 1.1.1.6. Vitamin: 19 1.1.1.7. Enzyme: 20 1.1.1.8. Các chất khí và sắc tố trong sữa: 21 1.1.1.9. Các hợp chất khác: 22 1.1.2. Các tính chất hóa lý của sữa: 23 1.1.2.1. Sữa là hệ phân tán cao: 23 1.1.2.2. Độ chua của sữa: 23 1.1.2.3. Tính oxi hóa- khử của sữa: 23 1.1.2.4. Khối lượng riêng: 23 1.1.2.5. Áp suất thẩm thấu và nhiệt độ đóng băng: 24 1.1.2.6. Tính kháng khuẩn: 24 1.1.3. Các hệ trong sữa: 24 1.1.3.1. Hệ keo: 24 1.1.3.2. Hệ nhũ tương: 25 1.1.4. Những biến đổi thành phần của sữa trong quá trình bảo quản: 28 1.2. Vi sinh vật: 29 1.2.1. Chủng vi sinh vật dùng trong sản xuất yaourt: 29 1.2.2. Chủng vi sinh vật dùng trong sản xuất sữa Kefir: 34 1.2.2.1. Vi sinh vật trong hạt Kefir: 34 1.2.2.2. Chu kì phát triển của giống Kefir: 36 1.2.2.3. Kefiran: 37 1.2.2.4. Vi khuẩn lactic: 37 1.2.2.5. Dinh dưỡng và lợi ích sứa khỏe từ Kefir: 42 1.2.2.6. Phương pháp chế biến và bảo quản giống Kefir: 43 1.2.3. Chủng vi sinh vật dùng trong sản xuất sữa yakult: 44 1.2.3.1. Probiotic: 44 1.2.3.2. Vi khuẩn lactic và một số chủng làm probiotic cho người: 47 1.3. Quá trình lên men: 50 1.3.1. Lên men lactic: 50 1.3.2. Lên men ethanol: 53 1.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men: 54 CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH SẢN XUẤT CÁC SẢN PHẨM TỪ SỮA: 55 2.1. Quy trình sản xuất yaourt: 55 2.1.1. Quy trình sản xuất tiền sữa nguyên liệu: 55 2.1.1.1 Quy trình sản xuất sữa chua dạng tĩnh 61 2.1.2.2. Quy trình sản xuất sữa chua dạng khuấy (stirred yaourt) : 66 2.1.2.3. Quy trình sản xuất sữa chua dạng uống (drinking yaourt) : 69 2.1.2.4. Sản phẩm và chỉ tiêu chất lượng. 72 2.2. Quy trình sản xuất sữa Kefir: 77 2.2.1. Quy trình sản xuất sữa men giống Kefir: 77 2.2.2. Quy trình sản xuất sữa Kefir: 79 2.2.3. Các chỉ tiêu chất lượng đối với sản phẩm: 87 2.3. Quy trình sản xuất yakult: 88 2.4. Các thiết bị sử dụng trong sản xuất sữa: 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO: 105 LỜI MỞ ĐẦU Sữa là loại thực phẩm bổ dưỡng và cung cấp chất dinh dưỡng cần thiết cho cơ thể, giúp trẻ em có được sự phát triển toàn diện về trí tuệ và thể lực. Đồng thời cũng đáp ứng nhu cầu sử dụng cho mọi lứa tuổi bởi thành phần đặc biệt trong chính các sản phẩm sữa và đã góp phần cải thiện chất lượng cuộc sống nói chung và chất lượng bữa ăn nói riêng. Ngoài việc sử dụng sữa dạng tươi, ngày nay trên thị trường xuất hiện rất nhiều dạng sản phẩm từ sữa đễ đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người, từ sữa bột, sữa tách béo, sữa tươi trái cây, sữa chua, phomat... trong số đó, các sản phẩm dữa dạng lên men có thể nói là một sản phẩm mang tính chất toàn diện. Lên men sữa là một trong những phương thức lâu đời nhất mà con người đã thực hiện để chuyển đổi sữa thành những loại sản phẩm khác. Quá trình lên men sữa cũng thật sự là một trong những phương thức bảo quản sữa. Trong khi nguồn sữa tươi pH vào khoảng 6.5 – 6.7 chỉ với thời gian bảo quản ngắn thì sữa chua sẽ có một thời hạn bảo quản dài hơn do đặc tính môi trường pH thấp của sản phẩm vào khoảng 4.4 – 4.7). Ngoài việc kéo dài thời gian bảo quản, sữa chua còn làm đa dạng và cải thiện khả năng lựa chọn sản phẩm của người tiêu dùng. Hơn nữa, lợi ích từ sữa chua còn mang đến cho người tiêu dùng cái gọi là “probiotics”. Về mặt vi sinh vật tồn tại trong sữa chua, do là thực phẩm phục vụ cho nhu cầu con người, sữa chua chỉ được và nên sử dụng một số loài vi khuẩn đã được kiểm tra độ an toàn và khả năng giúp ích cho sức khỏe khi vào bên trong cơ thể người, người ta thường hay nhắc đến đó là “Probiotics”. Trong cơ thể người, cụ thể hơn là ở dạ dày và ruột non, tồn tại song song vi khuẩn tốt và vi khuẩn hại. Probiotics là một vi khuẩn lợi có khả năng xâm nhập vào môi trường bao tử với độ acid cao do dịch vị tiết ra, tiếp tục sống sót và thực hiện nghĩa vụ chuyển hóa lactose (loại đường chiếm chủ yếu trong sữa) thành đường đơn giản, đồng thời tiết các chất “antibacteria” để làm suy giảm khả năng tác động xấu của vi khuẩn có hại lên chức năng hoạt động của hệ tiêu hóa. Tình trạng bất dung nạp lactose ở một số người gây chứng đầy bụng, tiêu chảy, nôn mửa khi sử dụng sữa nguyên nhân do trong cơ thể thiếu hụt enzyme lactase giúp phân giải lactose, sẽ thật thiệt thòi cho những người không sử dụng được sữa vì triệu chứng này, vì họ đã bỏ qua một nguồn dinh dưỡng phong phú, một nguồn calcium dồi dào. Tuy vậy, vẫn có giải pháp cho người mắc chứng bất dung nạp lactose. Sữa chua lên men là giải pháp tối ưu nhất, trong thành phần của nó hàm lượng lactose đã giảm thiểu đáng kể do vi sinh vật đã sử dụng để tiến hành quá trình lên men. Người mắc chứng bất dung nạp lactose được khuyên rằng nên ăn một hũ sữa chua trước khi uống sữa sẽ cải thiện đáng kể tình trạng đào thải. Ngành công nghiệp thực phẩm đã nắm bắt được nhu cầu thiết yếu này của cuộc sống nên đã nghiên cứu và tạo ra hàng loạt các sản phẩm với những đặc trưng khác nhau nhằm đáp ứng một cách đầy đủ nhất về thị hiếu và ích lợi cho sức khỏe. Và ngành công nghiệp sản xuất sữa và các sản phẩm sữa lên men (trong đó là yaourt, kefir và yahult) ngày một phát triển và chiếm lĩnh thị trường thực thực phẩm nhanh, thực phẩm chức năng trong nước và cả trên thế giới. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU Sữa: Thành phần hóa học của sữa: Ngoài thành phần chủ yếu là nước, trong sữa còn chứa những thành phần chất khô quan trọng khác và chúng chịu ảnh hưởng nhiều của quá trình lên men hình thành nên cấu trúc sản phẩm sữa chua. Có thể tham khảo thành phần chính trong sữa theo bảng dưới đây: Bảng 1.1: Thành phần chính của 1 lít sữa. Thành phần Trọng lượng % Nước Pha lỏng 902 87,4 Glucid (40 – 60 g/l) Dạng tự do: lactose (galactose và glucoza) ở trạng thái phân tử. Dạng kết hợp: galactose, galactosamin, acid sialic ở trạng thái keo, được liên kết với protein < 1g/l. 49 4,75 Chất béo (25 – 45 g/l) Ở dạng cầu béo: là những giọt chất béo có đường kính từ 1 – 10μm, được bao bằng một màng lipoprotein, ở dạng nhũ tương. Ở dạng các hợp chất hòa tan trong chất béo: các sắc tố (β caroten), sterol (cholesterol), các vitamin... 39 3,78 Hợp chất chứa nitơ (25 – 40 g/l) Ở dạng mixen (~ 28g): ở dạng huyền phù, là phức của phosphat canxi liên kết với một liên hợp của các casein. Ở dạng hòa tan (~ 4,7g): là những cao phân tử của albumin và imunoglobulin. Dạng Nitơ phi protein (~ 0,3g): ure, acid uric, creatin... 33 3,2 Chất khoáng (25 – 40 g/l) Ở trạng thái keo và hoàn tan: Ở dạng phân tử và ion: acid xitric, K, Ca, P, Na, Cl, Mg... Ở dạng nguyên tô trung lượng (oligo – element): Zn, Al Fe, Cu, I,... 9 0,87 Chất khô tổng số (MST) Sữa đã được làm bốc hơi nước. 130 12,6 Các chất khác Các chất xúc tác sinh học: các vitamin (A, D, E, K, B1, B2, PP, B6, B12, C...) và các enzyme. Các khí hòa tan: CO2, O2, N¬2, ...(4 – 5% thể tích của sữa). Vết Nước: Nước là thành phần chiếm chủ yếu của sữa và đóng một vai trò quan trọng, là dung môi hòa tan các chất hữu cơ và vô cơ, là môi trường cho các phản ứng sinh hóa. Hàm lượng nước trong sữa chiếm khoảng 87%/lit sữa. Phần lớn lượng nước ở trong sữa có thể thoát ra ngoài khi đun nóng, người ta làm bốc hơi nước ở sữa tươi để chế biến thành sữa đặc, sữa bánh hoặc sữa bột là những sản phẩm dễ vận chuyển và dễ bảo quản hơn sữa tươi. Lipid: Lipid là một trong những thành phần quan trọng và có ảnh hưởng đặc biệt đến cấu trúc sữa chua. Nó tồn tại ở 2 dạng chính: Lipid đơn giản: các glyceride và steride. Lipid phức tạp: các phosphatide, đại diện là lecithin, cephalin. Cấu tạo một tiểu cầu lipid: Chất béo trong dữa tồn tại dưới dạng các tiểu cầu phân tán trong sữa và trong các tiểu cầu này có sự sắp xếp khá trật tự. Hình 1.1 : Cấu trúc một tiểu cầu béo. Sơ đồ trên cho phép ta xác định được cấu trúc của một tiểu cầu chất béo, các tiểu cầu này được bao quanh bởi một màng, thành phần của nó bao gồm protein, lipoprotein, acid nucleic…, chúng gồm có hai phần ưa nước và kị nước[1]. Bề mặt trong của màng này có liên hệ mật thiết với một lớp phụ có bản chất là phospholipid hay còn gọi là phosphatide có thành phần chủ yếu là lecithin và cephalin. Hai thành phần này đóng vai trò rất quan trọng đến việc gia tăng tính bền vững của sản phẩm. Sự phân bố các triglyceride trong lòng các tiểu cầu mang đặc điểm sau: phần trung tâm của các tiểu cầu chứa glyceride có điểm nóng chảy thấp, giàu acid oleic và luôn ở trạng thái lỏng trong điều kiện nhiệt độ môi trường. Trong khi đó phần ngoại vi nơi tiếp xúc với màng chứa các glyceride có điểm nóng chảy cao và có thể đông đặc lại ở nhiệt độ thường. Sự toàn diện về cấu trúc của các tiểu cầu là điều kiện quyết định cho sự ổn định chất béo trong sữa. Đặc biệt sự biến chất của màng sẽ làm thay đổi các tính chất vật lý một cách sâu sắc gây ra hiện tượng tiến lại gần rồi kết dính các tiểu cầu với nhau dẫn đến quá trình tách chất béo làm mất đi tính đồng nhất của sữa. Ảnh hưởng đến tính bền vững của sản phẩm: ** Sức căng bề mặt và năng lượng bề mặt. Do không cân bằng về lực tương tác phân tử nên các phân tử ở bề mặt chất chịu tác dụng của lực hút vào trong bề mặt chất. Nói cách khác mỗi phân tử ở bề mặt chất lỏng tồn tại một năng lượng lớn hơn so với các phân tử trong lòng chất lỏng. Năng lượng dư của tất cả các phân tử bề mặt chất lỏng so với năng lượng của tất cả các phân tử trong lòng chất được gọi là năng lượng tự do bề mặt, ký hiệu F. Nếu chỉ quy về một đơn vị diện tích thì năng lượng bề mặt được gọi là sức căng bề mặt, kí hiệu σ. Trong hệ SI thì thứ nguyên của sức căng bề mặt là N/m, do đó định nghĩa của sức căng bề mặt như sau: sức căng bề mặt là lực tác dụng lên một đơn vị chiều dài bề mặt phân chia hai pha để chống lại sự kéo dãn bề mặt. Quan hệ giữa năng lượng bề mặt và sức căng bề mặt theo công thức: F = σ.S (S: Diện tích bề mặt của hệ). Đối với hệ phân tán thì S là bề mặt dị thể của hệ. Sữa và sữa chua là một hệ phân tán dị thể phức tạp, do đó diện tích bề mặt dị thể rất lớn dẫn đến năng lượng bề mặt của hệ cũng rất lớn. Vì vậy theo nhiệt động lực học thì hệ phân tán là một hệ không bền vững, sẽ xảy ra các quá trình làm giảm sức căng bề mặt của hệ, làm giảm diện tích bề mặt dị thể để tối thiểu hóa năng lượng dư bề mặt để hệ đạt trạng thái bền vững. Sữa và sữa chua nếu để lâu sẽ xảy ra hiện tượng tách lớp nguyên nhân là do quá trình này. Thực chất trong bản thân sữa cũng có chứa các thành phần giúp kháng cự lại hiện tượng tách lớp nhưng chỉ với một hàm lượng nhỏ, các chất này có hoạt động được xem tương tự như chất hoạt động bề mặt. ** Chất hoạt động bề mặt trong sữa: Chất hoạt động bề mặt là một chất khi cho vào một môi trường phân tán lỏng chúng sẽ làm giảm sức căng bề mặt của hệ từ đó làm hệ bền vững hơn. Đặc tính quan trọng này của được quy bởi cấu tạo của chúng, với một đầu phân cực và một đầu không phân cực. Khi tồn tại trong một hệ phân tán chúng sẽ tập trung tại bề mặt phân chia pha và quay đầu tương ứng tương tác với pha tương ứng. Kết quả là sự phân tán giữa các pha trong hệ bền vững hơn và hạn chế được sự tách pha.
GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU
Sữa
1.1.1 Thành phần hóa học của sữa:
Sữa không chỉ chủ yếu chứa nước mà còn có nhiều thành phần chất khô quan trọng khác, những thành phần này bị ảnh hưởng đáng kể bởi quá trình lên men, tạo nên cấu trúc đặc trưng của sản phẩm sữa chua Dưới đây là bảng tham khảo về thành phần chính trong sữa.
Bảng 1.1: Thành phần chính của 1 lít sữa.
Dạng tự do : lactose (galactose và glucoza) ở trạng thái phân tử.
Dạng kết hợp : galactose, galactosamin, acid sialic ở trạng thái keo, được liên kết với protein < 1g/l.
Trong khoảng 25 – 45 g/l, chất béo tồn tại dưới dạng cầu béo, với kích thước từ 1 – 10 μm, được bao bọc bởi một màng lipoprotein trong trạng thái nhũ tương Ngoài ra, chất béo cũng chứa các hợp chất hòa tan như sắc tố β-caroten, sterol (cholesterol) và các vitamin.
Trong sản phẩm chứa 25 – 40 g/l, ở dạng mixen (~ 28g), các thành phần tồn tại dưới dạng huyền phù, là phức hợp của phosphat canxi liên kết với các casein Bên cạnh đó, ở dạng hòa tan (~ 4,7g), sản phẩm bao gồm các cao phân tử của albumin và imunoglobulin.
Dạng Nitơ phi protein (~ 0,3g): ure, acid uric, creatin
(25 – 40 g/l) Ở trạng thái keo và hoàn tan:
- Ở dạng phân tử và ion: acid xitric, K, Ca, P, Na, Cl, Mg
- Ở dạng nguyên tô trung lượng (oligo – element): Zn, Al Fe,
Sữa đã được làm bốc hơi nước.
Các chất xúc tác sinh học : các vitamin (A, D, E, K, B1, B2, PP, B6,
Các khí hòa tan : CO2, O2, N2, (4 – 5% thể tích của sữa).
Nước là thành phần chính trong sữa, chiếm khoảng 87% thể tích, và đóng vai trò quan trọng như dung môi hòa tan các chất hữu cơ và vô cơ, cũng như là môi trường cho các phản ứng sinh hóa Khi đun nóng, một phần lớn nước trong sữa có thể thoát ra, dẫn đến quá trình bốc hơi để chế biến thành các sản phẩm như sữa đặc, sữa bánh và sữa bột, giúp dễ dàng vận chuyển và bảo quản hơn so với sữa tươi.
Lipid là một trong những thành phần quan trọng và có ảnh hưởng đặc biệt đến cấu trúc sữa chua Nó tồn tại ở 2 dạng chính:
Lipid đơn giản: các glyceride và steride.
Lipid phức tạp: các phosphatide, đại diện là lecithin, cephalin.
Cấu tạo một tiểu cầu lipid:
Chất béo trong dữa tồn tại dưới dạng các tiểu cầu phân tán trong sữa và trong các tiểu cầu này có sự sắp xếp khá trật tự.
Hình 1.1 : Cấu trúc một tiểu cầu béo.
Sơ đồ cho thấy cấu trúc của tiểu cầu chất béo, được bao quanh bởi một màng chứa protein, lipoprotein và acid nucleic Màng này có hai phần ưa nước và kị nước Bề mặt trong của màng liên kết chặt chẽ với lớp phụ phospholipid, chủ yếu là lecithin và cephalin, đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường tính bền vững của sản phẩm.
Sự phân bố triglyceride trong tiểu cầu có đặc điểm là phần trung trạng thái lỏng ở nhiệt độ môi trường, trong khi phần ngoại vi tiếp xúc với màng chứa glyceride có điểm nóng chảy cao và có thể đông đặc ở nhiệt độ thường Cấu trúc toàn diện của tiểu cầu quyết định sự ổn định chất béo trong sữa Biến chất của màng có thể làm thay đổi các tính chất vật lý, gây ra hiện tượng các tiểu cầu tiến lại gần và kết dính với nhau, dẫn đến quá trình tách chất béo và làm mất tính đồng nhất của sữa.
Ảnh hưởng đến tính bền vững của sản phẩm:
** Sức căng bề mặt và năng lượng bề mặt.
Do sự không cân bằng lực tương tác phân tử, các phân tử ở bề mặt chất lỏng bị tác động bởi lực hút vào trong, dẫn đến việc mỗi phân tử tại bề mặt có năng lượng cao hơn so với các phân tử bên trong.
Năng lượng tự do bề mặt, ký hiệu F, là năng lượng dư thừa của các phân tử bề mặt chất lỏng so với năng lượng của các phân tử bên trong chất lỏng.
Năng lượng bề mặt, hay còn gọi là sức căng bề mặt, được ký hiệu là σ và được đo bằng đơn vị N/m trong hệ SI Sức căng bề mặt là lực tác dụng lên một đơn vị chiều dài của bề mặt phân chia hai pha, nhằm chống lại sự kéo dãn bề mặt.
Quan hệ giữa năng lượng bề mặt và sức căng bề mặt theo công thức:
F = σ.S (với S là diện tích bề mặt của hệ) Trong trường hợp hệ phân tán, S đại diện cho bề mặt dị thể Sữa và sữa chua là ví dụ điển hình của hệ phân tán dị thể phức tạp, dẫn đến diện tích bề mặt dị thể lớn và năng lượng bề mặt cao Theo quy luật nhiệt động lực học, hệ phân tán không bền vững và sẽ trải qua các quá trình làm giảm sức căng bề mặt, từ đó giảm diện tích bề mặt dị thể nhằm tối thiểu hóa năng lượng dư thừa và đạt trạng thái bền vững.
Sữa và sữa chua có thể tách lớp nếu để lâu, nguyên nhân là do các thành phần trong sữa Mặc dù sữa chứa các chất giúp ngăn ngừa hiện tượng này, nhưng hàm lượng của chúng khá nhỏ và hoạt động giống như chất hoạt động bề mặt.
** Chất hoạt động bề mặt trong sữa:
Chất hoạt động bề mặt là chất làm giảm sức căng bề mặt trong môi trường phân tán lỏng, giúp tăng tính bền vững của hệ thống Đặc tính quan trọng này xuất phát từ cấu trúc của chúng, với một đầu phân cực và một đầu không phân cực Khi có mặt trong hệ phân tán, chúng tập trung tại bề mặt phân chia pha và tương tác với các pha tương ứng, nhờ đó cải thiện sự phân tán giữa các pha và hạn chế hiện tượng tách pha.
Hình 1.2: Sơ đồ đơn giản của một chất hoạt động bề mặt.
Khi tối thiểu hóa năng lượng dư bề mặt trong hệ phân tán, trạng thái bền vững được cải thiện Công thức F = σ.S cho thấy để giảm giá trị F, cần giảm một trong hai đại lượng σ hoặc S Tuy nhiên, với sản phẩm sữa chua, chúng ta cần cấu trúc mịn màng và đồng nhất, điều này yêu cầu diện tích bề mặt dị thể lớn Do đó, thay vì giảm giá trị S, chúng ta có thể giảm sức căng bề mặt của các thành phần trong sản phẩm bằng cách sử dụng chất hoạt động bề mặt.
Lecithin và cephalin trong sữa, nhờ vào bản chất photpholipid, đóng vai trò như chất hoạt động bề mặt, giúp ổn định nhũ tương của sữa.
Hình 1.3: Cấu trúc phân tử của lecithin và cephalin
Sức căng bề mặt của một chất hình thành do sự tương tác giữa các phân tử trong lòng chất, tạo ra sự cân bằng lực Trong khi đó, các phân tử ở bề mặt chỉ tương tác với nhau và một phần với các phân tử bên trong, dẫn đến việc xuất hiện các vectơ lực dư Điều này gây ra lực đè nén lên bề mặt, được gọi là sức căng bề mặt.
Hình 1.4: Sự tương tác không đều giữa các phân tử trong lòng và trên bề mặt
Vi sinh vật
1.2.1 Chủng vi sinh vật dùng trong sản xuất yaourt:
Vi khuẩn lên men lactic, thuộc họ Lactobacterium, là nhóm vi khuẩn đơn bào có kích thước nhỏ từ 0,3-1μm, với hình dạng đa dạng như cầu, que và bầu dục Chúng là các trực khuẩn và cầu khuẩn không tạo bào tử, chủ yếu không di động và hô hấp theo kiểu tùy tiện.
-Chúng có khả năng lên men nhiều loại đường đơn và đường đôi nhưng không có khả năng lên men các loại glucid phức tạp và tinh bột
Sự phát triển của nó phụ thuộc vào peptone, axit amin và muối amôn, đồng thời yêu cầu dinh dưỡng đặc biệt với hàm lượng vitamin, axit amin và khoáng chất phong phú.
Quá trình lên men diễn ra hiệu quả nhất trong môi trường có pH từ 5,5 đến 6 Khi pH giảm xuống dưới 5,5, quá trình này sẽ bị ngừng lại Nhiệt độ lý tưởng cho quá trình lên men nằm trong khoảng từ 15 độ C trở lên.
Mỗi loài vi khuẩn lactic có dãy nhiệt độ tối ưu khác nhau cho sự phát triển Vi khuẩn lactic nhiệt trung (Mesophilic) phát triển tốt nhất trong khoảng 28-45°C, trong khi vi khuẩn lactic chịu nhiệt (Thermophilic) thích hợp ở 45-62°C Nếu nhiệt độ vượt quá 80°C, vi khuẩn lactic sẽ bị tiêu diệt hoàn toàn.
-Dựa vào quá trình lên men chia vi khuẩn lactic thành hai loại: vi khuẩn lactic lên men đồng hình và dị hình.
Vi khuẩn lên men lactic đồng hình:
• Sản phẩm chính là acid lactic 90-98%.
• Sản phẩm phụ ethanol, acid acetic, CO2, acetone.
• Giống vi khuẩn này chủ yếu thuộc hai giống Lactobacterium ( trực khuẩn) và Streptococcus.
Lactobacterium casei là một loại vi khuẩn rất ngắn có khả năng gây chua sữa tự nhiên Chúng hoạt động trong môi trường yếm khí, lên men tốt các loại đường như glucose, maltose và lactose, tạo ra khoảng 0,8 đến 1% axit lactic Dưới điều kiện bình thường, vi khuẩn này có thể gây chua sữa trong khoảng 10 đến 12 giờ Nguồn nitơ cần thiết cho sự phát triển của chúng là peptone, với nhiệt độ tối thiểu để phát triển là 10°C và nhiệt độ tối ưu cho sự phát triển.
35 o C và tối đa là 45 o C, chúng thuỷ phân casein và gelatin rất yếu.
Lactobacterium bulgaricus là một loại vi khuẩn dài, phát triển tốt nhất ở nhiệt độ 20°C Loại vi khuẩn này có khả năng lên men glucose và lactose, đồng thời tạo ra độ axit cao với 3,7% acid lactic.
Lactobacterium delbruckii là một loại vi khuẩn thường xuất hiện trên hạt đại mạch, nổi bật với kích thước lớn và khả năng tạo thành sợi trong quá trình phát triển Nhiệt độ tối ưu cho sự phát triển của chúng dao động từ 45 đến 50 độ C Đặc biệt, khác với các loài vi khuẩn khác, Lactobacterium delbruckii không có khả năng lên men đường lactose, do đó chúng không được sử dụng trong chế biến sản phẩm từ sữa.
Lactobacterium cueumeris fermenti là một loại vi khuẩn thường xuất hiện trong sữa ủ chua Đây là loại trực khuẩn không di động, thường tồn tại dưới dạng tế bào đơn lẻ hoặc tạo thành chuỗi trong quá trình lên men Chúng có khả năng tạo ra axit tối đa trong môi trường có nồng độ từ 0,9 đến 1,2%.
+ Streptococcus cremoris: thường tạo thành chuỗi dài, thường phát triển ở nhiệt độ thấp hơn Lactobacterium casein, tối ưu từ 25 o C ÷ 30 o C, lên men glucose, galactose.
Streptococcus thermophilus (S thermophilus) là vi khuẩn lactic chịu nhiệt, phát triển tốt ở nhiệt độ 50°C và sinh sản hiệu quả ở 37-40°C Loại vi khuẩn này có khả năng chịu nhiệt lên đến 65°C trong 30 phút, nhưng chỉ có thể phát triển trong môi trường acid thấp hơn so với Lactobacillus bulgaricus.
Vi khuẩn lên men dị hình :
Streptobacterium hassice fermentatae là vi khuẩn thường gặp trong các dịch lên men rau cải chua, tồn tại dưới dạng tế bào riêng lẻ, đôi hoặc chuỗi ngắn Trong quá trình lên men rau cải chua, vi khuẩn này sản sinh ra axit lactic, axit acetic, rượu etylic và CO2 Quá trình lên men đường saccarose diễn ra hiệu quả hơn so với đường lactose.
Lactobacterium lycopersici là một loại trực khuẩn gram dương có khả năng sinh hơi, thường xuất hiện dưới dạng chuỗi hoặc đôi Khi lên men, chúng sản xuất acid lactic, rượu etylic, acid acetic và CO2 Loại vi khuẩn này có khả năng tạo bào tử, nhưng tế bào sinh dưỡng của chúng sẽ chết khi gặp nhiệt độ 80°C.
Sự phối trộn các giống vi khuẩn trong sản xuất yaourt:
Ngoài nồng độ chất khô và thời gian lên men, lượng vi khuẩn cấy vào và tỷ lệ giữa các giống vi khuẩn cũng ảnh hưởng lớn đến cấu trúc và hương vị sản phẩm Nghiên cứu cho thấy, ở nhiệt độ 40 oC, tỷ lệ Lactobacillus bulgaricus và Streptococcus thermophilus là 4:1, trong khi ở 45 oC, tỷ lệ này là 1:2 Nếu sử dụng tỷ lệ 1:1 với lượng men khoảng 2,5-3% trong thời gian 2,5-3 giờ, nhiệt độ tối ưu sẽ là 43 oC Tuy nhiên, các giá trị này có thể thay đổi tùy thuộc vào chủng loại vi khuẩn và công nghệ sản xuất.
Trong giai đoạn đầu sản xuất sữa chua, pH của sữa tạo điều kiện cho Streptococcus phát triển, khởi đầu quá trình lên men lactic Khi pH thay đổi, sự phát triển của Streptococcus bị hạn chế và Lactobacillus sẽ thay thế chúng.
Trước đây người ta cho rằng sự tạo hương cho sản phẩm là do vi khuẩn
Streptococcus là một loại vi khuẩn quan trọng trong sản xuất sữa chua Tuy nhiên, một số tác giả như Petter và Lolkema nhấn mạnh vai trò của Lactobacillus trong việc tạo hương thơm cho sản phẩm Cụ thể, acetaldehyde được coi là thành phần quan trọng góp phần tạo nên hương vị đặc trưng của sữa chua.
Nghiên cứu cho thấy Streptococcus được sử dụng để tạo acid cho sản phẩm, trong khi Lactobacillus chủ yếu tạo hương vị Việc kết hợp Lb bulgaricus và Str thermophilus sẽ sản xuất nhiều acetaldehyde hơn so với chỉ sử dụng Lb bulgaricus.
1.2.2 Chủng vi sinh vật dùng trong sản xuất sữa Kefir:
1.2.2.1 Vi sinh vật trong hạt Kefir:
Quá trình lên men
Nguyên tắc làm sữa chua dựa vào sự phát triển của vi khuẩn lactic, dẫn đến sự giảm pH mạnh mẽ và làm đông tụ casein trong sữa Quá trình này chuyển đổi sữa từ dạng lỏng sang dạng keo sệt với hương vị thơm ngon Để làm sữa chua, cần sử dụng hai chủng vi khuẩn lactic: đồng hình và dị hình Vi khuẩn lactic đồng hình lên men nhanh chóng, giúp giảm pH, trong khi vi khuẩn lactic dị hình lên men chậm hơn, tạo ra hương thơm đặc trưng cho sản phẩm.
Cơ chế của quá trình chuyển hóa đường trong sữa do vi khuẩn lactic gây nên có thể biểu diễn theo sơ đồ sau:
Các sản phẩm trung gian
CH 3 CHOHCOOH CH 3 CHOHCOOH CH 3 CHO
CO2 + O +CH3OH lên men đồng hình
CH 3 CH 2 OH CH 3 COOH CH 3 CHOHOCCH 3 etanol Aceton
Di-acetyl Lên men dị hình
Acetaldehyde, ethanol, acid acetic, aceton và diacetyl là những hợp chất tạo nên hương vị đặc trưng cho sữa chua, giúp sản phẩm này khác biệt so với các loại sản phẩm khác.
Lên men lactic đồng hình:
Lên men lactic đồng hình là quá trình sản xuất axit lactic chiếm hơn 90% sản phẩm, trong khi chỉ một lượng nhỏ pyruvat được chuyển hóa thành axit axetic, etanol, CO2 và axeton Sự hình thành các sản phẩm phụ này phụ thuộc vào điều kiện có mặt của oxy.
C6H12O6 → 2CH3CHOH-COOH + các sản phẩm phụ
Lactose được vi khuẩn lên men lactic tấn công, sản sinh ra enzyme lactaza để phân hủy thành glucose và galactose Galactose sau đó chuyển hóa thành các acid, trong đó có acid lactic quan trọng Glucose được chuyển hóa theo sơ đồ Embden-Mayerhof-Parnas (EMP), với sự tham gia của các enzyme aldolase Hydro tách ra khi dehydro hóa triozophophat được chuyển đến pyruvat, và axit pyruvic sẽ chuyển thành axit lactic nhờ enzyme lactatdehydrogenase Do vi khuẩn lên men lactic đồng hình không có enzyme cacboxylase, axit pyruvic không bị phân hủy mà tiếp tục khử thành axit lactic.
Hình 1.18: lên men đồng hình
Lên men lactic dị hình:
Trong trường hợp vi khuẩn lactic thiếu các enzyme quan trọng như aldolase và triozophotphatizomerase trong sơ đồ Embden – Mayerhorf – Parnas, xilulose 5-phosphat sẽ được hình thành thông qua con đường pento-photphat (PP).
Trong quá trình này, chỉ 50% lượng đường được chuyển hóa thành axit lactic, trong khi các sản phẩm phụ khác như axit axetic, etanol và CO2 cũng được hình thành Những sản phẩm phụ này tương tác với nhau để tạo ra các ester có mùi thơm đặc trưng.
C6H12O6 CH3CHOHCOOH + CH3COOH + C2H5OH + COOH(CH2)2COOH + CO2
Sản phẩm phụ từ quá trình phân hủy đường phụ thuộc vào giống vi sinh vật, môi trường dinh dưỡng và điều kiện ngoại cảnh Thông thường, axit lactic chiếm 40% tổng lượng đường đã phân hủy, axit succinic chiếm 20%, rượu etylic 10%, axit acetic 10%, và khí chiếm gần 20%.
Trong công nghệ sản xuất sản phẩm lên men từ sữa, quá trình lên men ethanol chủ yếu được thực hiện bởi nấm men thuộc giống Saccharomyces.
Kluyveromyces là một loại nấm men quan trọng trong quá trình chuyển hóa đường hexose Khi đường hexose được vận chuyển vào tế bào chất, nó trải qua chu trình đường phân để tạo ra acid pyruvic Sau đó, acid pyruvic sẽ được chuyển hóa thành acetaldehyde và cuối cùng là ethanol.
Dihydroxyacetone phosphat là một sản phẩm trung gian trong chu trình đường phân, có khả năng chuyển hóa thành glycerol Ở môi trường pH acid, glycerol chỉ được sản xuất với hàm lượng nhỏ, trong khi ở môi trường pH kiềm, lượng glycerol sinh ra tăng đáng kể, trở thành một trong những sản phẩm chủ yếu của quá trình lên men.
Phương trình tổng quát của quá tr.nh lên men trong môi trường pH acid
C6H12O6 + 2ADP +2Pi 2 C2H5OH + 2CO2 + 2ATP
Quá trình chuyển hóa đường hexose thành ethanol và khí CO2 diễn ra trong tế bào chất của nấm men, là một phần quan trọng trong trao đổi năng lượng của nấm men trong điều kiện kỵ khí Ethanol và CO2 được nấm men thải ra môi trường lên men.
Cơ chất + giống vi sinh vật
Cơ chất sót và sinh khối vi sinh vật tạo ra nhiều sản phẩm trao đổi chất ngoại bào từ nấm men, bao gồm hàng trăm sản phẩm phụ và sản phẩm lên men khác Những hợp chất này, mặc dù có hàm lượng rất nhỏ, được phân loại thành bốn nhóm: glyxerol, rượu bậc cao, aldehyde, acid hữu cơ và ester Trong quá trình lên men ethanol, một lượng lớn acid hữu cơ cũng được hình thành.
Một số axit hữu cơ được tổng hợp từ chu trình Krebs khi quá trình lên men không diễn ra trong điều kiện kỵ khí nghiêm ngặt Trong dịch lên men, các axit hữu cơ chiếm hàm lượng cao nhất bao gồm axit citric, axit malic, axit acetic và axit lactic.
1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men:
Các quá trình lên men trong sản xuất công nhiệp có thể tóm tắt như sau:
Môi trường trước khi lên men Môi trường sau lên men
Trong ngành công nghiệp sản xuất thực phẩm lên men từ sữa như yaourt và Kefir, các giai đoạn xử lý sản phẩm sau quá trình lên men thường đơn giản Sản phẩm cuối cùng bao gồm sinh khối vi sinh vật, các sản phẩm trao đổi chất ngoại bào và cơ chất sót, với thành phần và hàm lượng của từng chất ảnh hưởng đến hương vị sản phẩm Để đạt được chất lượng thực phẩm lên men mong muốn, việc kiểm soát các yếu tố này là rất cần thiết.
- Chọn được giống vi sinh vật thích hợp.
- Xác định môi trường lên men với cơ chất đầy đủ theo tỷ lệ tối ưu.
Để đạt được quá trình lên men hiệu quả, cần xác định các điều kiện tối ưu như lượng giống cấy, nhiệt độ và thời gian lên men Bên cạnh đó, việc cung cấp oxy đầy đủ và thực hiện khuấy trộn cũng là những yếu tố quan trọng cần được chú ý.