Đề tài Ảnh hưởng áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng sữa tươi

Mục lục: I/ Thành phần dinh dưỡng của sữa tươi.......................................................................... 3 1/ Các hợp chất có chứa Nitơ ............................................................................................ 3 2/ Chất béo ........................................................................................................................ 4 3/ Hợp chất khoáng ........................................................................................................... 5 4/ Vitamin ......................................................................................................................... 5 5/ Lactose .......................................................................................................................... 5 II/ Nguyên lý của quá trình sử dụng áp suất cao và thiết bị tạo áp suất cao ............... 6 1/ Nguyên lý của quá trình sử dụng áp suất cao ............................................................... 6 2/ Thiết bị tạo áp suất cao ................................................................................................. 6 III/ Ảnh hưởng của áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng của sữa tươi .......................... 9 1/ Ảnh hưởng đến các hợp chất chứa Nitơ ....................................................................... 9 2/ Ảnh hưởng đến chất béo ............................................................................................. 21 3/ Ảnh hưởng đến hợp chất khoáng ................................................................................ 26 4/ Ảnh hưởng đến vitamin .............................................................................................. 31 5/ Ảnh hưởng đến lactose ............................................................................................... 33 IV/ Ưu, nhược điểm của việc sử dụng áp suất cao đối với giá trị dinh dưỡng của sữa tươi ............................................................................................................................. 33 1/ Ưu điểm ...................................................................................................................... 33 2/ Nhược điểm ................................................................................................................ 34 V/ Hướng nghiên cứu sử dụng áp suất cao để tác động đến thành phần dinh dưỡng trong các sản phẩm sữa trong tương lai ........................................................................ 34 VI/ Tài liệu tham khảo .................................................................................................... 35 Ảnh hưởng áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng sữa tươi GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt Mẫn 2 Mục lục hình: Hình 1: Một hệ thống áp suất cao xử lý thực phẩm trước khi đóng gói .............................. 7 Hình 2: Ảnh hưởng của áp suất lên kích thước trung bình của các casein micelle ........... 10 Hình 3: Ảnh hưởng của thời gian xử lí áp suất cao lên casein micelle ............................. 11 Hình 4: Ảnh hưởng của pH lên hiệu qủa tác động của áp suất cao đối với casein micelle ............................................................................................................................... 12 Hình 5: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên hiệu qủa tác động của áp suất cao đối với casein micelle ............................................................................................................................... 13 Hình 6: Ảnh hưởng của whey protein lên hiệu qủa tác động của áp suất cao đối với casein micelle ............................................................................................................................... 14 Hình 7: biểu đồ biểu diễn sự biến đổi của các axit béo mạch ngắn (C4:0-C8:0), các axit béo mạch vừa (C10:0-C14:0) và các axit béo mạch dài (C16:0-C18:2) ở mỗi thời gian thử trong các mẫu thử được xử lý khác nhau .......................................................................................... 24 Mục lục bảng: Bảng 1: Ảnh hưởng các yếu tố nhiệt độ, pH lên hiệu qủa tác động của áp suất cao đối với alpha-lactalbumin và beta-lactoglobulin ........................................................................... 15 Bảng 2: Ảnh hưởng của thời gian xử lí lên hiệu qủa tác động của áp suất cao đối với alpha-lactalbumin và beta-lactoglobulin ........................................................................... 16 Bảng 3: Thành phần của cấu axit béo tự do có trong mẫu sữa tươi chưa qua xử lý áp suất cao, và các mẫu sữa chua đã qua xử lý ở áp suất cao ở những điều kiện áp suất và nhiệt độ khác nhau trong suốt quá trình bảo quản ...................................................................... 22 Bảng 4 : Các cấp độ xử lý mẫu sữa tươi ............................................................................ 27 Bảng 5 : Hàm lượng Canxi, Magie và Photpho trong mẫu sữa tươi đã qua xử lý ở nhiệt độ 85 0 C trong 10 phút và trong 30 phút ................................................................................. 27 Bảng 6 : Hàm lượng Canxi, Magie, tổng lượng Photphovà photpho vô cơ trong mẫu sữa tươi đã qua xử lý ở áp suất cao, xử lý nhiệt, xử lý áp suất cao sau khi xử lý nhiệt,và xử lýnhiệt sau khi xử lý ở áp suất cao .................................................................................... 28 Bảng 7 : Lượng ion Ca2+ và giá trị pH trong các mẫu sữa đã qua xử lý ở áp suất cao, xử lý nhiệt, xử lý áp suất cao sau khi xử lý nhiệt,và xử lý nhiệt sau khi xử lý ở áp suất cao ... 28 Bảng 8 : Lượng ion Ca2+ và giá trị pH trong các mẫu sữa đã qua xử lý nhiệt có và không có xử lý ở áp suất cao tiếp theo sau ................................................................................... 30 Ảnh hưởng áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng sữa tươi GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt Mẫn 3 I/ Thành phần dinh dưỡng của sữa tươi: 1/ Các hợp chất có chứa nitơ:. a/ Casein: - Casein là thành phần protein chủ yếu có trong sữa. Chúng tồn tại dưới dạng micelle. Mỗi micelle chứa khoảng 65% nước, phần còn lại là các loại casein và khoáng (gồm calci,magie, phosphate và citrate). - Mỗi micelle do khoảng 400-500 tiểu micelle (submicelle) hợp thành. Tiểu micelle có dạng hình cầu, đường kính dao động 10-15nm bao gồm khoảng 10 phân tử casein kết hợp lại với nhau. Thành phần các casein αs, β và κ trong tiểu micelle có thể thay đổi theo những tỷ lệ khác nhau. Các phân tử κ-casein được bố trí tại vùng biên tiểu micelle. Phân tử κ-casein có hai đầu: đầu ưa béo sẽ tương tác với αs và β-casein ở vùng tâm tiểu micelle, đầu ưa nước sẽ hướng ra ngoài vùng biên micelle. Mỗi tiểu micelle có phân tử lượng trung bình 250.000Da. b/ Protein hoà tan: bao gồm các thành phần sau: - β-lactoglobulin: có cấu trúc bậc hai gồm 10-50% xoắn α, 20-30% lá xếp β, 50-60% vòng cung β và phần còn lại với cấu trúc không trật tự. β-lactoglobulin có dạng hình cầu. Các gốc phân cực, không phân cực và các gốc ion hoá được phân bố đều trong phân tử, riêng các gốc ưa béo tập trung ở phần bên trong của cấu trúc hình cầu nên β-lactoglobulin ít tương tác hoặc kết hợp với các phân tử khác. - α-lactalbumin: là protein dạng hình cầu. cấu trúc của nó gần giống với lysozyme. α- lactalbumin là một metalloprotein. Trong mỗi phân tử có chứa một nguyên tử calci. α- lactalbumin là một protein có giá trị dinh dưỡng cao.Thành phần các acid amin trong phân tử của nó rất cân đối. - Peptone-proteose: bao gồm những phân đoạn protein khác nhau.Chúng là sản phẩm thuỷ phân từ β-casein bởi plasmine. Cùng với γ-casein , đến nay người ta đã tìm thấy được ba phân đoạn khác nhau peptone-proteose từ quá trình thuỷ phân trên. - Immunoglobulin: đến nay vẫn chưa có nhiều công trình nghiên cứu sâu về nhóm này. Hầu hết các immunoglobulin được tổng hợp bởi bạch cầu lymphocyte B. Người ta đã tìm thấy ba loại immunoglobumin trong sữa bò là IgG, IgA và IgM. Trong số các immunoglobulin, IgG1 có thể chiếm đến 80% tổng khối lượng các protein hoà tan trong sữa. Ảnh hưởng áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng sữa tươi GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt Mẫn 4 - Ngoài ra, trong sữa còn có các protein màng (membrane protein). Hàm lượng của chúng rất thấp. Membrane protein tạo nên một lớp màng mỏng bao xung quanh các hạt béo,góp phần làm ổn định hệ nhũ tươmg trong sữa. Một số membrane protein là những lipo-protein. Lipid và nhóm các aicd amin ưa béo trong membrane protein sẽ tạo nên phần ưa béo và tương tác với lipid của các hạt cầu béo. Ngược lại, phần ưa nước của chúng sẽ được bố trí tại vùng biên các hạt cầu béo và hướng vào nước. 2/ Chất béo: Gồm có: Lipid đơn giản: công thức đơn giản của triglyceride Hàm lượng các acid béo không bão hoà trong sữa được xác định bởi chỉ số iod của chất béo. Nếu sữa chứa nhiều acid béo nóng chảy ở nhiệt độ cao thì lipid sữa sẽ có “cấu trúc cứng”. Ngược lại,sữa chứa nhiều acid béo nóng chảy ở nhiệt độ thấp thì lipid sữa sẽ có “cấu trúc mềm” hơn. Lipid phức tạp: gồm hai nhóm chính Nhóm 1:hợp chất với glycerol -Có acid phosphoric trong phân tử: Phospholipid -Không có acid phosphoric: Galactosyl glyceride Nhóm 2: hợp chất với sphingosine (C18H37NO2) Các hợp chất hoà tan trong chất béo: Cholesterol Các hydrocacbon trong sữa: Squalene, Phytene, -caroten Ảnh hưởng áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng sữa tươi GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt Mẫn 5 3/ Khoáng: Hàm lượng chất khoáng trong sữa dao động từ 8÷10g/l. Các muối trong sữa ở dạng hòa tan hoặc dung dịch keo (kết hợp với casein). Trong số các nguyên tố khoáng có trong sữa, chiếm hàm lượng cao nhất là calci, phosphore và magie. Một phần chúng tham gia vào cấu trúc micelle, phần còn lại tồn tại dưới dạng muối hoà tan trong sữa. Các nguyên tố khoáng khác như kali, natri, clore…đóng vai trò chất điện ly (electrolyte). Cùng với lactose, chúng góp phần cân bằng áp lực thẩm thấu của sữa trong bầu vú động vật với áp lực máu. Thông thường vào cuối chu kỳ tiết sữa, đặc biệt khi con vật bị viêm vú, hàm lượng NaCl tăng vọt làm cho sữa có vị mặn. Ngoài ra, sữa còn chứa các nguyên tố khác như Zn, Fe,I, Cu, Mo…Chúng cần thiết cho quá trình dinh dưỡng của con người. Một số nguyên tố độc hại như Pb, As… đôi khi cũng được tìm thấy ở dạng vết trong sữa bò. 4/ Vitamin: - Các vitamin trong sữa được chia làm hai nhóm: Vitamin hoà tan trong nước gồm: B1, B2, B3, B5, B6, C…. Vitamin hoà tan trong chất béo gồm:A, D, E - Nhìn chung, hàm lượng các vitamin nhóm B trong sữa bò thường ổn định, là do chúng được tổng hợp chủ yếu bởi các vi khuẩn trong ngăn thứ nhất của dạ dày của nhóm động vật nhai lại và không phụ thuộc vào điều kiện ngoại cảnh. Tuy nhiên, hàm lượng vitamin tan trong chất béo bị ảnh hưởng sâu sắc bởi thành phần thức ăn và điều kiện thời tiết… 5/ Lactose: - Lactose là một disaccharide do một phân tử glucose và một phân tử galactose liên kết với nhau tạo thành. - Trong sữa, đường lactose tồn tại dưới hai dạng: Dạng α-lactose monohydrate C12H22O11.H2O (phân tử α-lactose ngậm một phân tử nước) Ảnh hưởng áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng sữa tươi GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt Mẫn 6 Dạng β-lactose anhydrous C12H22O11 (phân tử β-lactose khan) - Tỷ lệ hàm lượng giữa α-lactose monohydrate và β-lactose anhydrous trong sữa phụ thuộc vào giá trị pH và nhiệt độ của sữa. - Lactose là đường khử. Độ ngọt của lactose thấp hơn nhiều so với các disaccharide và monosacharide thường gặp. Nếu như độ ngọt của saccharose được đánh giá với chỉ số là 100, của maltose là 32, glucose là 74 và fructose là 173 thì độ ngọt của lactose chỉ đạt 16. - Lactose có thể bị thuỷ phân tạo ra hai monosacharide là glucose và galactose bởi enzyme β-galactosidase (latase). - Các đường đơn giản như glucose, fructose, saccharose, có nhiều trong thực vật (hoa, trái cây các loại…). Tuy nhiên chỉ có sữa động vật là nguồn chứa lactose duy nhất trong tự nhiên. - Ngoài lactose,trong sữa bò còn có glucose (hàm lượng trung bình 70mg/l), galactose(20mg/ml) và các hợp chất glucid chứa nitơ như N-acetyl glucosamine, N-acetyl galactosamine, acid N-acetyl neuraminic…Tuy nhiên, hàm lượng của chúng rất thấp ,chỉ ở dạng vết. II/ Nguyên lý của quá trình sử dụng áp suất cao và thiết bi tạo áp suất cao: 1/ Nguyên lý hoạt động của thiết bị áp suất cao: bao gồm 2 nguyên lý: - Nguyên lý thứ nhất (nguyên lý Le Chatelier): nếu bất kì một hiện tượng (sự chuyển pha, phản ứng hoá học, độ tái kích hoạt hoá học, sự thay đổi hình thể phân tử) nào xảy ra mà kèm theo sự giảm thể tích thì sẽ được gia tăng bởi sự tăng áp suất và ngược lại. - Nguyên lý thứ hai: áp suất phát ra ngay lập tức và đều mà không phụ thuộc vào kích thước hay hình dạng của thực phẩm. Đây là sự đẳng tĩnh của áp suất. 2/ Thiết bị tạo áp suất cao: a/ Hệ thống thiết bị: Các thành phần chính trong một hệ thống áp suất cao là bình áp suất, hệ thống tạo áp suất và các thành phần phụ kèm theo. Ảnh hưởng áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng sữa tươi GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt Mẫn 7 Hình 1 : Một hệ thống áp suất cao xử lý thực phẩm trước khi đóng gói - Bình áp suất: Một bình cao áp, nơi chứa nguyên liệu để xử lý áp suất là thiết bị quan trọng của phương pháp dùng áp suất cao. Các bình áp suất sử dụng trong sữa phải chịu được vài ngàn chu kỳ xử lý áp suất mỗi năm để có thể sử dụng cho một lượng lớn sữa. Quá trình sử dụng áp suất càng nhiều thì tuổi thọ của bình càng thấp. Ngoài ra, các bình còn phải được bảo trì do sự ăn mòn của nguyên liệu và các chất lỏng thường sử dụng để vệ sinh thiết bị. Hơn nữa, các bình còn phải được thiết kế sao cho vệ sinh thiết bị được dễ dàng. - Hệ thống tạo áp suất: Có 2 hệ thống tạo áp suất được định nghĩa là gián tiếp và trực tiếp. Trong hệ thống gián tiếp, môi trường áp suất (ví dụ như nước) đầu tiên được bơm qua máy tăng áp (được biểu diễn ở hình dưới), rồi vào bình áp suất. Máy tăng áp là một bơm cao áp được sử dụng để làm tăng áp suất đến giá trị mong muốn. Bơm cao áp là một thiết bị riêng biệt so với bình áp suất. Hệ thống này yêu cầu phải có đường ống chịu được áp suất và bộ phận lọc thích hợp để vận chuyển môi trường áp suất vào bình áp suất. Trong hệ thống trực tiếp, máy tăng áp suất sẽ nằm ở bên trong bình cao áp (hình dưới). Trong hệ thống này, cả bình và máy tăng áp được chế tạo trong cùng một thiết bị, và tổng kích thước của bình là khá lớn. Hệ thống này yêu cầu các mối hàn phải thật kín Ảnh hưởng áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng sữa tươi GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt Mẫn 8 để có thể mở hoặc đóng mà không có khe hở. Một điều cũng quan trọng trong phương pháp này là các mối hàn phải giữa bình cao áp và piston phải kín. Trong quá trình sử dụng áp suất cao, khí và nước thường được sử dụng làm môi trường áp suất nhất. Do hệ số nén của khí cao hơn nước nên nước trở thành môi trường áp suất được ưu tiên trong nhiều ứng dụng hơn cả. Sự giảm thể tích nước khoảng 5% khi áp suất tăng từ 0 đến 4000 kg/cm2 tại 22oC. Sự giảm này nhỏ hơn so với sự giảm của khí. Chính sự giảm thể tích cao của khí làm cho quá trình vận hành trở nên nguy hiểm. Khi nước được sử dụng làm môi trường áp suất và khi áp suất lên cao, có sự truyền động áp suất qua nguyên liệu ngay lập tức. Một lượng dầu nhỏ có thể được bổ sung vào nước để giảm sự ăn mòn thiết bị và để bôi trơn. b/ Cách vận hành: Một cách vận hành đơn giản sử dụng trong một hệ thống áp suất cao được tiến hành như sau: đầu tiên, nguyên liệu sẽ được đóng gói, sau đó được cho vào bình cao áp, cho nước vào bình rồi tạo áp lực lên bình và giữ áp lực mong muốn trong thời gian xác định trước, sau đó xả áp lấy nguyên liệu ra. Thời gian tạo áp suất trong bình bị ảnh hưởng bởi hệ số nén của môi trường áp suất và nguyên liệu. Thời gian tạo áp suất lên nguyên liệu độc lập với lượng nguyên liệu chứa trong bình. Sự có mặt của không khí trong nguyên liệu làm gia tăng thời gian tạo áp suất do không khí có hệ số nén cao hơn nước. Sau khi tạo áo suất như mong muốn, nguyên liệu được giữ nguyên áp suất trong khoảng thời gian xác định, có thể là vài phút. Sau khi nguyên liệu được để đúng thời gian quy định, sự giảm áp có thể được tiến hành nhanh. * Quá trình chế biến gián đoạn: Quá trình áp suất cao gián đoạn có một vài ưu điểm như là: các loại nguyên liệu khác nhau có thể được chế biến mà không bị nhiễm tạp chất, không cần vệ sinh giữa các lần chạy, thiết bị đơn giản, số lượng nguyên liệu bị hư hỏng ít hơn trong trường hợp thiết bị bị trục trặc. Một vài bình cao áp có thể được vận hành trong một hệ thống điều khiển để làm giảm thời gian chậm trễ trong lúc vận hành. Hầu hết thiết bị áp suất cao được sử dụng hiện nay được vận hành theo kiểu gián đoạn. Vì bước tăng áp và giảm áp có thể được thực hiện nhanh chóng. Các chu kỳ tăng và giảm áp nhanh cũng có thể làm giảm sức chịu đựng của kim loại và qua đó làm giảm tuổi thọ thiết bị. Áp suất trên 4000 kg/cm2 thì trọng lượng cũng như chi phí thiết bị sẽ tăng đáng kể. Ảnh hưởng áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng sữa tươi GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt Mẫn 9 * Quá trình chế biến liên tục: Một phương pháp áp suất cao khác là phương pháp bán liên tục. Hệ thống này bao gồm nhiều bình cao áp được sắp xếp theo trình tự để có thể hoạt động liên tục. Sơ đồ được biểu hiện trong hình dưới. Trong khi một bình đang được tăng áp suất thì một bình khác lại đang giảm áp. Phương pháp này đã được sử dụng trong một vài nhà máy ở Japan. Một hệ thống liên tục khác bao gồm 5m đường ống có khả năng chịu được áp suất 700MPa. Một máy bơm để bơm chất lỏng vào đường ống. Khi đóng van bên ngoài, nguyên liệu sẽ được tăng áp lực. Giàn ống này được để trong một bể điều nhiệt, với nhiệt độ duy trì trong khoảng từ 5-80oC. Khi van được mở, nguyên liệu qua xử lý áp suất được vận chuyển đến thiết bị xử lý tiếp theo. Một hệ thống áp suất cao đã được cải tiến khác bao gồm việc sử dụng độ rung động áp suất cao. Đặc điểm của hệ thống mới này là thiết bị gia tăng áp suất được truyền động bởi không khí, nó cho phép thay đổi áp suất nhanh chóng. Thêm vào đó, van giảm áp được kết nối đến bình cao áp rất tiện lợi cho việc giải thoát lượng nước cao áp. Bắng cách sử dụng các van điều chỉnh áp lực, ta có thể có được độ rung động như mong muốn. Các bình cao áp được để trong bể điều nhiệt. Người điều khiển có thể tăng áp suất lên 500 MPa chỉ trong 10s. Thời gian xử lý có thể giảm nếu kết hợp với nhiệt độ cao. Chi phí của quá trình áp suất cao phụ thuộc vào áp suất, thời gian và nhiệt độ. Vì thế, quá trình vận hành cần phải được lựa chọn cẩn thận III/Ảnh hưởng của áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng của sữa tươi: 1/ Ảnh hưởng đến thành phần protein trong sữa tươi: a/ Ảnh hưởng lên casein micelle: - Phương pháp xử lí bằng áp suất cao chủ yếu làm thay đổi kích thước trung bình của các casein micelle. Tùy vào giá trị của áp suất xử lí mà kích thước trung bình của các casein micelle có thể tăng hay giảm theo các mức độ khác nhau. Ngoài ra, các yếu tố: thời gian xử lí, pH sữa, nhiệt độ, sự có mặt của whey protein cũng gây ra những ảnh hưởng nhất định tới hiệu qủa tác động của áp suất lên các casein micelle. * Ảnh hưởng của áp suất lên kích thước trung bình của các casein micelle: - Để nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất lên kích thước trung bình của các casein micelle, người ta tiến hành xử lí các mẫu sữa gầy ( raw skim milk ) tại các giá trị áp suất khác Ảnh hưởng áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng sữa tươi GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt Mẫn 10 nhau (0 – 800 MPa). Sau đó, tiến hành xác định kích thước trung bình của các casein micelle bằng thiết bị quang phổ lượng tử Malvern Zetamaster ( Malvern Instruments, Ltd, Malvern, Worcestershire, UK ). - Theo Thom Huppertz, Patrick F Fox và Allan L Kelly, việc tiến hành xử lí ở áp suất 200 MPa, nhiệt độ là 20oC trong thờ