Đề tài Quy trình công nghệ sản xuất bơ

MỤC LỤC Mục lục Tài liệu tham khảo I/ TỔNG QUAN VỀ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BƠ: 1) Nguyên liệu: 1.1. Cream: Nguyên liệu chính trong sản xuất bơ là cream. Các nhà máy sản xuất bơ có thể thu nhận cream từ nguyên liệu sữa tươi bằng phương pháp ly tâm hoặc thu mua cream từ những nhà máy chế biến sữa khác. 1.1.1 Các chỉ tiêu chất lượng của cream: Để đánh giá chất lượng cream, người ta dựa vào ba nhóm chỉ tiêu: cảm quan, hóa lý, vi sinh. Chỉ tiêu cảm quan: hai chỉ tiêu quan trọng nhất là: Mùi. Vị. => Không được có mùi vị lạ, đặc biệt là mùi ôi do chất béo bị oxy hóa. Chỉ tiêu hóa lý: Hàm lượng chất béo: thường dao động trong khoảng 35 – 40%, min 12%. Chỉ số iod: Nếu chỉ số iod quá cao (lớn hơn 42), bơ thành phẩm sẽ có cấu trúc rất mềm. Nếu chỉ số iod quá thấp (nhỏ hơn 28), bơ sẽ trở nên cứng và khó phết lên bánh khi sử dụng. => Dựa vào giá trị chỉ số iod của nguyên liệu, nhà sản xuất sẽ thay đổi các thông số công nghệ thích hợp để chất lượng bơ thành phẩm luôn ổn định và đạt yêu cầu. Dư lượng kháng sinh, các chất tẩy rửa công nghiệp: không được chứa các chất này. => Do những chất này sẽ ức chế hoạt động của các vi khuẩn lactic và kéo dài thời gian lên men. Hơn nữa, hàm lượng các sản phẩm trao đổi chất do vi khuẩn giống tạo ra sẽ không cân đối và ảnh hưởng không tốt đến hương vị sản phẩm. Chỉ tiêu vi sinh: hàm lượng vi sinh vật (VSV) trong cream càng thấp càng tốt. Nhóm vi khuẩn ưa lạnh: người ta thường chú ý đến nhóm vi khuẩn này vì chúng có khả năng sinh tổng hợp enzym lipase chịu nhiệt. Trong quá trình thanh trùng cream, hầu hết các VSV bị tiệu diệt. Tuy nhiên, lipase từ vi khuẩn ưa lạnh có thể giữ được hoạt tính ở nhiệt độ 100°C (Luquet, 1986). Enzym này xúc tác quá trình thủy phân chất béo, làm thay đổi thành phần chất béo trong nguyên liệu. => Giải pháp: tiến hành thanh trùng ngay sữa tươi khi mới nhập về nhà máy rồi bảo quản sữa ở nhiệt độ thấp ( 2 – 4°C) trước khi đem vào chế biến. Chế độ thanh trùng là 63 – 65°C trong 15 giây. Khi đó nhóm VSV ưa lạnh – nguồn sinh tổng hợp lipase chịu nhiệt – sẽ bị tiêu diệt hoàn toàn. Nếu các nhà máy không có điều kiện thanh trùng ngay sữa tươi mới thu mua thì phải tiến hành làm lạnh và bảo quản sữa ở 2 – 4°C. Trong thời gian tối đa 24 giờ tiếp theo, ta phải thực hiện quá trình thnah trùng sữa. 1.1.2 Xử lý cream có độ chua cao: Trong trường hợp nhà máy mua cream nguyên liệu có chất lượng không tốt, độ chua cao (15 – 20°D) thì cần tiến hành xử lý cream trước khi đưa vào sản xuất bơ. Các phương pháp: Rửa cream bằng nước sạch với tỉ lệ cream/nước là 1/2 (v/v), sau đó tiến hành ly tâm để tách nước. Trung hòa để làm giảm độ chua của nguyên liệu cream, hóa chất thường dùng là CaO, Ca(OH)2... 1.2. Vi sinh vật: Trong sản xuất bơ lên men, người ta sử dụng vi khuẩn lactic dạng LD. Thường gặp nhất là Streptococcus diacetylactis và Leuconostos citrovorum. Trong quá trình lên men, ngoài acid lactic, chúng sinh tổng hợp các hợp chất dễ bay hơi như aldehyde acetic, diacetyl, acetoin… Các hợp chất này sẽ tạo cho sản phẩm bơ hương vị đặc trưng. 1.3. Các phụ gia: Chất màu: Màu sắc của bơ do các hợp chất carotenoides quyết định. Thông thường, vào mùa đông hàm lượng các hợp chất trên trong sữa thấp hơn mùa hè nên bơ thành phẩm có màu nhạt hơn. Người ta cho phép sử dụng một số chất màu thực phẩm trong sản xuất bơ. Ví dụ như ở Pháp, các chất màu có nguồn gốc thiên nhiên sau đây được phép sử dụng: Curcumine (E100) Cochenille (E120) Chlorophylle(E140) Carbomedicinalis vegetalis (E153) Anthocyane (E160) Lactoflavin (E101) Indigotine (E132) Caramel (E150) Carotenoides (E160) Muối NaCl: yêu cầu độ tinh sạch không thấp hơn 99,7%. Chất chống oxy hóa: phổ biến nhất làgallat propyle, gallate octyl, gallate dodecyl, butyl hydroxy anisol (BHA) hoặc butyl hydroxy toluen (BHT). Hàm lượng sử dụng thường không quá 0,01%. Các gia vị khác: Để đa dạng hóa các sản phẩm bơ trên thị trường, nhà sản xuất có thể sử dụng một số gia vị khác. Việc lựa chọn gia vị phụ thuộc vào thị hiếu người tiêu dùng và quy định của mỗi nước. Ví dụ như ở Pháp, người ta cho phép sử dụng những gia vị như tiêu, tỏi, mùi tây, củ đinh hương… trong sản xuất bơ. 2) Quy trình công nghệ sản xuất bơ: 2.1. Quy trình công nghệ sản xuất bơ lên men: 2.1.1. Thanh trùng: Mục đích: tiêu diệt hệ VSV và ức chế hoạt tính các enzym trong cream. Phương pháp thực hiện: Nhiệt độ thanh trùng thường sử dụng là 90 – 95°C trong thời gian tối đa 15 – 20 giây. Nếu cream có chất lượng tốt, người ta thường gia nhiệt nhanh nguyên liệu đến 95°C rồi làm nguội ngay. Nếu tăng nhiệt độ và thời gian thanh trùng thì hiệu quả của quá trình sẽ tăng. Tuy nhiên, cream sẽ có mùi nấu và ảnh hưởng xấu đến chất lượng bơ thành phẩm. Trường hợp cream có mùi lạ: Sử dụng phương pháp bài khí trong điều kiện chân không để tách các cấu tử dễ bay hơi ra khỏi cream. Quá trình bài khí sẽ được kết hợp thực hiện cùng với quá trình thanh trùng cream. Quy trình thực hiện: Đầu tiên, cream sẽ được bơm vào thiết bị trao đổi nhiệt dạng bảng mỏng để gia nhiệt lên đến 78°C. Tiếp theo, cream được đưa vào bồn chân không để thực hiện quá trình bài khí. Áp lực chân không cần được hiệu chỉnh sao cho nhiệt độ sôi của cream trong bồn dao động quanh giá trị 62°C. Khi đó các cấu tử dễ bay hơi sẽ được tách ra khỏi cream. Cuối cùng, cream được đưa trở lại hệ thống trao đổi nhiệt bản mỏng để gia nhiệt tiếp lên đên 95°C rồi làm nguội. Ở châu Âu, vào mùa hè sữa tươi thường có mùi hành do nhóm cây họ hành mọc phổ biến trên các đồng cỏ. Khi đó quá trình bài khí cream trong sản xuất bơ là cần thiết. Cream Thanh trùng Cấy giống Lên men và xử lý nhiệt – lạnh Tạo hạt bơ (churning) và xử lý Bao gói Bao bì Muối Bơ lên men Vi khuẩn lactic Nhân giống Sữa bơ (buttermilk) Hình 1: Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất bơ lên men 2.1.2. Cấy giống vi sinh vật: Các nhà máy sản xuất bơ có thể sử dụng sinh khối vi khuẩn lactic dưới dạng sấy thăng hoa do các hãng chuyên sản xuất giống VSV cung cấp. Nếu không, họ có thể tự nhân giống để phục vụ sản xuất. Cấy giống VSV: 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. Nhân giống: Ta sử dụng phương pháp nhân giống theo nhiều cấp để có đủ số tế bào vi khuẩn cấy vào cream. Các thông số kỹ thuật: Nhiệt độ: 20°C. Thời gian nhân giống cho mỗi cấp: 7 – 10 giờ. Canh trường VSV thu được có độ chua 18 – 20°SH, số tế bào vi khuẩn có thể lên đến 109 tế bào/ml. Những sản phẩm trao đổi chất quan trọng nhất của vi khuẩn trong canh trường là acid lactic, diacetyl và acid acetic. Chúng sẽ ảnh hưởng đến hương vị của bơ thành phẩm. Tỉ lệ giống cấy: phụ thuộc chỉ số iod của nguyên liệu và nhiệt độ lên men, tỉ lệ giống cấy thường khoảng 1 – 7% (v/v). 2.1.3. Lên men và xử lý nhiệt lạnh: Quá trình lên men và xử lý nhiệt – lạnh sẽ diễn ra song song. 2.1.3.1. Lên men: Mục đích: Sử sụng vi khuẩn lactic để sinh tổng hợp acid lactic và các sản phẩm trao đổi chất tạo độ chua và hương vị đặc trưng cho cream. Điều khiển quá trình lên men: Tốc độ acid hóa cream và chế độ xử lý nhiệt sẽ ảnh hưởng đến cấu trúc bơ thành phẩm. Yêu cầu kỹ thuật: Sau quá trình lên men Độ chua phần không béo trong cream cần đạt quanh giá trị 36°SH. Hàm lượng diacetyl trong cream khoảng 1,0 – 1,5ppm. Thiết bị: thiết bị hình trụ có cánh khuấy và bộ phận hiệu chỉnh nhiệt độ. 2.1.3.2. Xử lý nhiệt lạnh: Mục đích: kết tinh một lượng chất béo có trong cream. Nguyên tắc thực hiện: Do cream chứa hỗn hợp các chất béo có điểm nóng chảy khác nhau nên nhiệt độ kết tinh của chúng cũng khác nhau. Tốc độ kết tinh và độ tinh khiết của các tinh thể sẽ phụ thuộc vào chế độ xử lý nhiệt. Thông thường, người ta dựa vào chỉ số iod của cream để chọn chế độ xử lý nhiệt – lạnh tối ưu. Khi đó bơ thành phẩm sẽ không có cấu trúc quá cứng hoặc quá mềm. Bảng 1: Chế độ xử lý nhiệt lạnh và lượng giống cấy cho quá trình lên men cream tương ứng với các chỉ số iod khác nhau của nguyên liệu (Bylund Gosta, 1995) Chỉ số iod Chế độ xử lý nhiệt – lạnh (°C) Lượng giống cấy (%v/v) < 28 8 – 21- 20 1 28 – 29 8 – 21 – 16 2 – 3 30 – 31 8 – 20 – 13 5 32 – 34 6 – 19 – 12 5 35 – 37 6 – 17 – 11 6 38 – 39 6 – 15 – 10 7 > 40 20 – 8 – 11 5 Bảng 2: Aûnh hưởng tỷ lệ chất béo lỏng và chất béo rắn trong cream đến độ cứng của bơ thành phẩm (Luquet, 1985) Lượng chất béo lỏng (% TF) Lượng chất béo rắn (% TF) Cấu trúc bơ thành phẩm 85 15 Bơ mềm 55 45 Bơ cứng 65 – 78 22 - 35 Bơ có độ cứng vừa phải, dễ phết lên bánh Phương pháp thực hiện: Các hiện tượng: Làm nguội chậm: Trong quá trình thanh trùng cream ở 90 – 95°C, tất cả các hạt cầu béo đều ở trạng thái lỏng. Khi làm nguội cream xuống 40°C, một số phân tử chất béo bắt đầu kết tinh. Nếu ta làm nguội cream xuống nhiệt độ thấp hơn với tốc độ chậm, quá trình kết tinh sẽ kéo dài nhưng các tinh thể béo sẽ lần lượt xuất hiện với độ tinh khiết cao. Tuy nhiên do thời gian dài nên hàm lượng các sản phẩm tạo vị chua và hương cho bơ được sinh tổng hợp bởi vi khuẩn lactic trong cream sẽ không đạt được tỷ lệ cân đối như mong muốn. Trong thực tế sản xuất , ta cần phải rút ngắn thời gian kết tinh chất béo bằng phương pháp làm nguội nhanh. Làm nguội nhanh: Khi làm nguội nhanh, quá trình kết tinh chất béo trong cream sẽ diễn ra nhanh. Tuy nhiên, trong trườn hợp này, một số tinh thể chất béo thu được không đạt độ tinh khiết cao và được gọi là “tinh thể hỗn hợp” (mixed crystals). Đó là các phân tử triglycerid có điểm nóng chảy thấp bị nhốt trong các tinh thể triglycerid có điểm nóng chảy cao. Khi đó tỷ lệ giữa khối lượng chất béo ở thể lỏng so với tổng khối lượng chất béo (TF) trong cream sẽ giảm và bơ thành phẩm có cấu trúc cứng, khó phết lên bánh khi sử dụng. => Giải pháp kỹ thuật: Để khắc phục hiện tượng trên, sau khi giảm nhiệt độ cream để kết tinh một phần chất béo, người ta nâng dần nhiệt độ lên để các triglycerid có điểm nóng chảy thấp sẽ hóa lỏng và tách ra khỏi các “tinh thể hỗn hợp”. Cuối cùng, tiến hàn hạ nhiệt độ cream nhưng không quá thấp như ở lần hạ nhiệt độ đầu tiên để tái kết tinh chất béo. Khi đó một số triglycerid sẽ tiếp tục kết tinh, tuy nhiên độ tinh khiết của các tinh thể trong cream sẽ tăng, số “tinh thể hỗn hợp” giảm. Ta có thể đạt được tỷ lệ phần trăm giữa lượng chất béo lỏng so với tổng khối lượng chất béo trong cream (TF) như mong muốn. Sau cùng, người ta hạ nhiệt độ hỗn hợp xuống 5 – 6°C và giữ trong khoảng 2 giờ. Theo Luquet (1985), giải pháp kỹ thuật này sẽ làm giảm độ tổn thất chất béo theo sữa bơ ở giai đoạn tạo hạt bơ tiếp theo. Bảng 3: Thành phần các acid béo trong sữa Acid béo % tổng lượng acid béo Điểm nóng chảy Số phân tử Trạng thái C H O A. butyric 3,0 – 4,5 -7,9 4 8 2 Lỏng ở nhiệt độ phòng A. caproic 1,3 – 2,2 -1,5 6 12 2 A. caprylic 0,8 – 2,5 16,5 8 16 2 A. capric 1,8 – 3,8 31,4 10 20 2 Rắn ở nhiệt độ phòng A. lauric 2,0 – 5,0 43,6 12 24 2 A. myristic 7,0 – 11,0 53,8 14 28 2 A. palmitic 25,0 – 29,0 62,6 16 32 2 A. stearic 3,0 – 7,0 69,3 18 36 2 A. oleic 30,0 – 40,0 14,0 18 34 2 Lỏng ở nhiệt độ phòng A. linoleic 2,0 – 3,0 -5,0 18 32 2 A. linolenic < 1,0 -5,0 18 30 2 A. arachidonic <1,0 -49,5 20 32 2 2.1.4. Tạo hạt bơ (churning) và xử lý: Mục đích: Quá trình tạo hạt bơ và xử lý có thể thực hiện theo phương pháp gián đoạn hoặc liên tục với các công đoạn sau đây: Khuấy đảo (churning) hỗn hợp cream có chứa các tinh thể chất béo để biến chúng thành các hạt bơ và sữa bơ (butter milk). Tách sữa bơ để thu nhận các hạt bơ. Xử lý các hạt bơ riêng lẻ để tạo thành một khối kết dính. Bổ sung muối và phân bố đều trong toàn bộ khối bơ. Hiệu chỉnh độ ẩm và phân bố đều các hạt nước nhỏ li ti trong toàn khối sản phẩm. Xử lý chân không để làm giảm lượng khí có trong khối bơ. Các biến đổi xảy ra trong quá trình tạo hạt bơ: Chất béo trong hỗn hợp cream được nạp vào thiết bị sẽ tồn tại dưới hai dạng: tinh thể và dịch lỏng. Sự tạo bọt: Khi thiết bị thực hiện chuyển động xoay sẽ khuấy đảo mạnh hỗn hợp cream bên trong và làm xuất hiện các bọt khí. Các hạt cầu béo sẽ phân bố tạp trung tại bề mặt tiếp xúc pha giữa bọt khí (pha phân tán) và pha lỏng (pha liên tục) trong hỗn hợp. Sự phá vỡ membrane và giải phóng chất béo: Nếu sự khuấy đảo vẫn tiếp tục, các bọt khí sẽ trở nên nhỏ hơn, bọt dày hơn, membrane bao xung quanh một số hạt cầu béo bị vỡ và giải phóng ra các phân tử chất béo lỏng bên trong. Các phân tử béo này sẽ tạo nên một màng mỏng bề mặt các bọt khí và các hạt cầu béo còn lại. Sự vỡ bọt: Bọt khí càng dày thì thì số phân tử chất béo được giải phóng ra từ các hạt cầu béo do hiện tượng membrane bị phá vỡ sẽ càng lớn. Theo thời gian, bọt trở nên kém bền và nổ vỡ. Sự hình thành hạt bơ: Các hạt cầu béo và tinh thể béo nhờ những phân tử béo ở dạng lỏng tự do sẽ liên kết lại với nhau thành khối và hình thành nên các hạt bơ. Lúc đầu, kích thước các hạt bơ rất nhỏ và ta không thể nhìn thấy được bằng mắt thường nhưng sau đó chúng lớn dần. Lưu ý: Để chọn giá trị nhiệt độ thích hợp cho quá trình tạo hạt bơ, người ta dựa vào hàm lượng chất béo có trong hỗn hợp cream trong thiết bị. Trong trường hợp có sử dụng chất màu, chúng được bổ sung vào hỗn hợp cream trong thiết bị trước khi quá trình khuấy đảo bắt đầu. 2.1.5. Bao gói: Thiết bị: Hiện nay, quá trình bao gói sản phẩm được thực hiện trên hệ thống thiết bị làm việc tự động. Sản phẩm: Bơ thường được tạo hình dạng khối chữ nhật với khối lượng 250g hoặc 500g. Bao bì: Loại bao bì thích hợp nhất là giấy nhôm hoặc hộp plastic do chúng ngăn cản được ánh sáng, ẩm và hạn chế tối đa sự tổn thất các cấu tử hương có trong bơ. Sản phẩm bơ bao gói trong giấy nhôm hoặc hộp plastic tiếp tục được xếp vào những thùng carton rồi đem bảo quản trong kho lạnh. 2.2. Quy trình công nghệ sản xuất bơ không lên men: Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất bơ không lên men tương tự như đối với sản phẩm bơ lên men nhưng đơn giản hơn. Ta bỏ qua hai giai đoạn cấy giống và lên men. Như vậy nguyên liệu cream sau khi qua thanh trùng sẽ được đem đi xử lý nhiệt lạnh để tạo một số tinh thể chất béo và để đạt được tỷ lệ thích hợp giữa lượng chất béo dạng pha lỏng và lượng chất béo dạng tinh thể. Sau đó, hỗn hợp được đưa vào hệ thống thiết bị hoạt động liên tục để tạo hạt bơ và xử lý bơ thành phẩm. Cream Thanh trùng Xử lý nhiệt lạnh Tạo hạt bơ (churning) và xử lý Bao gói Bao bì Muối Bơ không lên men Sữa bơ (buttermilk) Hình 2: Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất bơ không lên men 3) Bơ thành phẩm: 3.1. Các chỉ tiêu chất lượng sản phẩm: Chỉ tiêu cảm quan: Màu sắc: phải đồng đều trong cả khối bơ, từ vàng nhạt đến vàng hơi sậm tùy sản phẩm. Mùi: mùi thơm đặc trưng (mùi hạnh nhân do quá trình thanh trùng, mùi của các hợp chất hữu cơ sinh ra trong quá trình lên men: acid acetic, acid lactic, diacetyl), không lẫn mùi lạ. Vị: vị ngậy đặc trung của chất béo, vị mặn vừa phải; bơ lên men phải có vị chua nhẹ của acid lactic. Cấu trúc: đánh giá qua độ cứng, độ dẻo, bề mặt khô ráo, bóng mịn, … bằng cách phết bơ lên bánh rồi quan sát. Chỉ tiêu hóa lý: Tùy theo quy định của mỗi nước và mỗi cơ sở sản xuất mà các chỉ tiêu hóa lý có thể dao động trong những khỏang khác nhau. Hàm lượng chất béo: Fmin = 80 -82%. Độ ẩm: Wmax = 18%. Hàm lượng muối. Độ chua. Hàm lượng vitamin A, D. Các chỉ tiêu khác: hàm lượng protein, … Chỉ tiêu vi sinh: Tổng số vi khuẩn hiếu khí. Nấm men, nấm sợi. VSV gây bệnh (salmonella , Listeria): không có. 3.2. Bảo quản: Điều kiện bảo quản: Nhiệt độ: 5°C. Thời gian: vài tháng. => Theo Vierling (1999), người ta có thể sử dụng nhiệt độ thấp hơn –15°C để kéo dài hơn nữa thời gian bảo quản bơ. Các biến đổi trong quá trình bảo quản: Quan trọng nhất là sự oxy hóa chất béo tạo nên các hợp chất peroxyde gây mùi khó chịu và làm giảm giá trị dinh dưỡng của bơ. Một số peroxyd gây độc cho người sử dụng. => Để hạn chế các biến đổi này, ta phải luôn bảo quản bơ trong bao bì kín ở nhiệt độ thấp. II/ THIẾT BỊ TRONG QUY TRÌNH SẢN XUẤT BƠ: 1) Các thiết bị thanh trùng (thiết bị làm việc liên tục): 1.1. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng bản mỏng (plate heat exchangers): 1.1.1. Cấu tạo chung: Bộ phận chính của thiết bị là những tấm bảng hình chữ nhật với độ dày rất mỏng và được làm bằng thép không gỉ được ghép lại với nhau. Mỗi tấm bảng sẽ có bốn lỗ tại bốn góc và hệ thống các đường rãnh trên khắp bề mặt để tạo sự chảy rối và tăng diện tích truyền nhiệt. Hình 3 : Một số hình dạng bảng mỏng 1.1.2. Nguyên lý hoạt động: Khi ghép các tấm bản mỏng lại với nhau, trên bộ khung của thiết bị sẽ hình thành nên những hệ thống đường ống vào và ra cho mẫu khảo sát và chất tải nhiệt chuyển động xen kẽ nhau. Mẫu khảo sát và chất tải nhiệt có thể chuyển động cùng chiều hay ngược chiều. Tùy thuộc vào điều kiện cụ thể, các nhà sản xuất sẽ bố trí hệ thống những đường dẫn thích hợp. Hình 4 : Nguyên tắc chảy của mẫu khảo sát và chất tải nhiệt sữa chất tải nhiệt Hình 5 : Ví dụ về sơ đồ dòng chảy của sữa và chất tải nhiệt ( 4 x 2/ 2 ) 1.1.3. Giới thiệu một số thiết bị: Hãng Invensys APV Gasketed plate heat exchanger - Paraflow Bề mặt truyền nhiệt : trên 3800 m2 Khoảng cách giữa các bảng mỏng : 2.5 – 4 mm Aùp suất : 0– 25 Bar Nhiệt độ: -35 - +2500C Hãng API schmidt – bretten SIGMA SIGMAFIT Series Universal Plates Lưu lượng : 2000 m3/h Khoảng cách giữa các bảng mỏng : 2.5 – 4 mm SIGMA X Series High Performance Plates Lưư lượng : 250 m3/h Khoảng cách giữa các bảng mỏng : 4.5 – 5.5 mm Tranter Lưu lượng : 10 - 4600 m3/h Aùp suất l