Đồ án thiết kế phân xưởng sản xuất shortening

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SHORTENING 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ SHORTENING 1.1.1. Lịch sử phát triển của shortening[11],[20],[6] - Ban đầu, shortening là thuật ngữ để chỉ các chất béo rắn trong tự nhiên như mỡ heo, mỡ bò, bơ dùng trong bánh nướng. Các chất béo này làm bánh nướng đàn hồi do tác dụng hạn chế các liên kết của mạng gluten bột mì trong quá trình trộn và nướng. Sau đó, shortening được dùng để nói đến các sản phẩm từ tất cả dầu thực vật có thể thay thế mỡ heo.Trong hầu hết trường hợp, những sản phẩm được xem là shortening sẽ chứa 100% chất béo, nhưng một số trường hợp ngoại lệ như trong puff- pastry và roll-in shortenings thì sản phẩm có thêm một phần ẩm nữa [11]. Hiện nay, shortening được định nghĩa là sản phẩm chất béo hoặc dầu ở dạng bán rắn có màu trắng đục, xốp, bề mặt bóng, dẻo, nhiệt độ nóng chảy 40-420C. Shortening nóng chảy trong suốt, có màu vàng nhạt, không mùi, có vị đặc trưng của nguyên liệu. Shortening được sử dụng nhiều trong ngành công nghiệp chế biến thực phẩm (mì ăn liền, bánh, kẹo, snack, các sản phẩm chiên…) nhờ tác dụng làm tăng nhiệt độ, tăng mùi vị và tăng khả năng bảo quản .[20] - Shortening ra đời là kết quả của sự kết hợp của sự phát triển khoa học kỹ thuật, kinh tế và sự nỗ lực cạnh tranh. Trong suốt nửa thế kỷ 19, do giá thành của bơ cao, các nhà kỹ thuật đã tiến hành nghiên cứu để tìm ra một sản phẩm thay thế bơ. Sản phẩm đầu tiên được chấp nhận để thay thế bơ được một nhà hóa học người Pháp Mege Mouries tạo ra 1869. Trong những ngày đầu, mỡ heo và mỡ bò được sử dụng làm nguyên liệu chính để sản xuất shortening vì chúng có nhiều tính chất thuận lợi cho quá trình sản xuất để tạo ra sản phẩm có độ đặc mong muốn. Đến nửa cuối thế kỷ 19, khi yêu cầu sử dụng chất béo của thế giới tăng lên, hàng hoạt các cải tiến mới được đưa ra nhằm phát triển nguồn nguyên liệu thay thế mỡ heo. Năm 1873, một người Mỹ, Roudebush, đã đưa ra một công thức nguyên liệu thay thế. Ông sử dụng hỗn hợp chất béo nóng chảy của mỡ bò và dầu bông đánh với sữa tươi hoặc với kem để thay thế mỡ heo. Sau đó, phát minh này được công ty sữa Mỹ mua bản quyền và bắt đầu sản xuất shortening ở Mỹ. Khi shortening phát triển, giới hạn áp dụng ban đầu là chỉ dùng trong bánh nướng. Từ 1873, sản xuất shortening được phát triển nhanh chóng ở Mỹ và shortening được sử dụng rộng rãi cho nhiều đối tượng khác ngoài bánh nướng. Cuối thế kỷ 19, các kỹ thuật tinh luyện chất béo và dầu được phát triển mạnh và các nguồn nguyên liệu dầu thô khác bắt đầu được sử dụng như dầu bông, dầu bắp, dầu dừa, dầu nành, dầu cọ. Năm 1903, Norman đã phát minh ra kỹ thuật hydro hóa dầu. Năm 1911, công ty Procter và Gamble đã sản xuất sản phẩm shortening từ phương pháp hydro hóa đầu tiên và đưa ra thị trường với thương hiệu Crisco. Sau đó, phương pháp hydro hóa được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất shortening và margarine. Năm1941, tổ chức thực phẩm và dược phẩm Hoa Kỳ đã đưa ra tiêu chuẩn cho sản phẩm shortening và margarine. Ngày nay với sự phát triển của các quá trình tẩy màu, tẩy mùi, làm lạnh, tinh luyện nguyên liệu dầu thô và chất béo đã giúp cải tiến chất lượng và đa dạng hóa shortening. [6] Bảng 1.1:Tình hình sử dụng shortening trên thế giới ( triệu pounds) Năm Shortening 1989-1990 6,388.3 1990-1991 6,510.0 1991-1992 6,203.5 1992-1993 6,573.3 1993-1994 6,351.4 1994-1995 6,991.4 1995-1996 6,973.0 1996-1997 7,470.5 1997-1998 7,745.7 1998-1999 8,157.1 1999-2000 8,458.9 2000-2001 9,195.7 2001-2002 8,954.4 2002-2003 8,195.6 2003-2004 8,724.2 2004-2005 8,321.3 1.1.2.Tính chất của shortening[21],[13],[15] - Độ cứng là một trong những tính chất quan trọng của shortening. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ cứng của shortening là tỷ số thể tích giữa pha lỏng/pha rắn và tính chất pha rắn. Tỷ lệ pha rắn càng lớn thì khả năng các phân tử dễ đến gần nhau và kết dính với nhau làm cho sản phẩm càng cứng. Đối với shortening, yêu cầu giới hạn trên của pha rắn chiếm xấp xỉ 52% thể tích, giới hạn dưới thì dao động trong một khoảng rộng tùy thuộc vào kích thước phân tử và đặc tính của từng loại dầu , khoảng dao động chung thường 5-25%. Mỗi loại dầu khác nhau sẽ có thành phần triglyceride khác nhau. Thành phần triglyceride và phương pháp hóa rắn sẽ quyết định tạo ra những dạng tinh thể khác nhau và liên kết giữa cáctinh thể với nhau. Khi shortening chứa một lượng lớn triglyceride_ có khuynh hướng tạo ra tinh thể b’ bền_ thì toàn bộ chất béo khi kết tinh sẽ kết tinh b’.[21]. - Mạng tinh thể hình thành bởi dạng b thì lực liên kết giữa các tinh thể lớn nên sản phẩm sẽ rất cứng. Khi chịu tác dụng của một lực thì một vài liên kết trong mạng sẽ bị phá hủy và không thể tái thiết lập lại liên kết đó, vì vậy mà sản phẩm thường bị chảy dầu ra ngoài. Trong khi đó, với mạng tinh thể b’ sẽ có tính dẻo và các liên kết sẽ tái thiết lập lại được khi các liên kết này bị bẽ gãy do đó trong shortening luôn có nhiều liên kết giúp giữ pha lỏng bên trong nên không xảy ra hiện tượng rỉ dầu.[21]Mạng chứa các tinh thể càng nhỏ thì càng ổn định được các thành phần khí và lỏng trong hỗn hợp hơn là các tinh thể lớn.[15] - Ngoài độ cứng, tính chất bề mặt cũng là một tính chất quan trọng của shortening. Thành phần chất béo rắn trong hỗn hợp chất béo là một yếu tố chính quyết định tính chất bề mặt của chất béo nhưng hình dạng tinh thể chất béo kết tinh và liên kết của các tinh thể trong mạng tinh thể cũng quyết định tính chất cơ học của chất béo.[15] - Shortening thường chứa nhiều trans acid béo, một sản phẩm đồng phân sinh ra chủ yếu do hydro hóa dầu mỡ, ứng dụng chính để sản xuất shortening (trong tự nhiên hầu hết các acid béo ở dạng cis). Các khuyến cáo đầu tiên nói về tác dụng không tốt của acid trans xuất hiện từ thập niên 50, ngay sau khi công nghiệp hydro hóa dầu mỡ(để sản xuất chế phẩm dầu mỡ ổn định và bền nhiệt phục vụ công nghiệp chế biến thực phẩm) phát triển mạnh. Nhưng phải đến hơn 50 năm sau, sau vô số nghiên cứu với cùng kết luận, chính quyền nhiều nước mới bắt đầu công nhận có tác hại này và cũng chỉ dừng lại ở mức khuyến cáo mọi người chú ý giảm thiểu tiêu thụ các sản phẩm chứa dầu mỡ hydrogen hóa và các nhà sản xuất phải công khai lượng acid béo trans có trong sản phẩm chế biến trên bảng kê khai thành phần chất dinh dưỡng trên bao bì[13].Mới đây nhất, thành phố New York đã thông qua điều luật cấm các nhà hàng khách sạn sử dụng chất béo hydrogen hóa trong chế biến thức ăn, có hiệu lực trong năm 2007. Ơû Việt Nam, công nghiệp “mì ăn liền” vẫn còn ở đỉnh cao, mọi người tiếp tục ăn mì gói rất “vô tư”, toàn bộ chất béo dùng sản xuất mì ăn liền là shortening, sản phẩm cực kỳ “giàu” acid béo trans nhất, chưa kể qua trình gia nhiệt kéo dài, bao nhiêu sản phẩm nhiệt phân có hại tồn đọng, không có tiêu chuẩn hạn chế và kiểm định nào hết. - Một số tính năng cơ bản của shortening: Nhiệt độ nóng chảy cao (40 - 420C). Có độ bền nhiệt, nhiệt độ trùng hợp sản phẩm cao. Có độ rắn cần thiết nhưng dẻo thích hợp. Có độ ổn định. Giữ được một số lượng glucid cấu tạo bởi acid béo cần thiết theo quy định. Ít bị hôi, trở mùi, có khả năng nhũ hóa nhiều, nhất là thêm vào 4-6% mono và diglycerid. Ít bị oxy hóa hơn nên tăng thời gian bảo quản. 1.2. NGUYÊN LIỆU 1.2.1. Nguyên liệu chính[13],[11] - Nguyên liệu chính dùng để sản xuất shortening là tất cả các chất béo có nguồn gốc từ thực vật lẫn động vật, nhưng phổ biến là dầu thực vật đã hydro hóa. Các loại dầu dùng để sản xuất shortening thường có chỉ số axit thấp để thuận tiện cho việc hydro hóa hoặc dầu đã được hydro hóa một phần để có độ rắn nhưng dẻo thích hợp và độ ổn định tốt để tăng thời gian sử dụng và tăng mùi vị. Shortening được làm từ dầu thực vật hydro hóa một phần sẽ chứa hàm lượng trans acid béo cao_ một sản phẩm của phản ứng hydro hóa dầu thực vật có ảnh hưởng xấu đến sức khỏe_ Để làm giảm hàm lượng trans acid béo nên sử dụng hỗn hợp chưa hydro hóa hoàn toàn hoặc chưa hydro hóa. - Trong công nghiệp, người ta thường sử dụng dầu bông, dầu phộng, dầu dừa hay hỗn hợp dầu phộng và dầu dừa để sản xuất shortening. Mặt khác, để tăng giá trị dinh dưỡng, đôi khi người ta còn dùng dầu lỏng chứa nhiều acid béo chưa no trộn với dầu đặc để có hỗn hợp vừa đảm bảo các yêu cầu trên vừa có giá trị phù hợp.[13] 1.2.1.1.Mỡ động vật (mỡ heo, mỡ bò)[11] - Ngay từ những ngày đầu, chất béo từ mỡ được sử dụng làm nguồn nguyên liệu chủ yếu để sản xuất shortening. Mỡ động vật chứa hàm lượng TAGs bão hoà cao và hoá rắn ở nhiệt độ thường. Mỡ có thể cung cấp tính dẻo cần thiết cho việc đánh khuấy ở một khoảng nhiệt độ rộng. Đến 1940 thì việc sử dụng nguồn nguyên liệu này bị giảm do sự xuất hiện nguồn nguyên liệu mới là dầu bông. Năm 1950 với sự phát triển của phương pháp chuyển nội ester, mỡ đã đạt được độ đặc, tính chất tạo cream tương tự như dầu thực vật và mỡ lại được sử dụng lại để sản xuất shortening. Tuy nhiên, mỡ dễ có mùi không mong muốn do hiện tượng trở mùi sau khi đã khử mùi(mỡ thường có chứa hàm lượng nhỏ linolenic và linoleic). 1.2.1.2. Dầu bông[11] - Dầu bông được phát hiện và sử dụng từ thế kỷ 19. Ban đầu dầu được dùng để pha loãng dầu olive nhằm giảm giá thành của dầu olive. Với sự phát triển của kỹ thuật của phương pháp tẩy màu, tẩy màu làm cải thiện đáng kể màu và mùi của dầu bông và giúp dầu bông nhanh chóng được ứng dụng rãi trở thành nguồn nguyên liệu chính để sản xuất shortening sau dầu nành. 1.2.1.3. Dầu nành[11] - Năm 1940, lượng dầu nành dùng để sản xuất shortening chiếm 18% nguồn nguyên liệu sản xuất shortening. Sau chiến tranh thế giới thứ II, dầu nành trở thành nguyên liệu chủ yếu khi chiếm 48,7% nguồn nguyên liệu sản xuất shortening. Sau đó, lượng dầu sử dụng tiếp tục tăng lên hơn 50% (1960) và 86% (2000) lượng dầu sản xuất shortening. 1.2.1.4. Dầu cọ[11] - Dầu cọ có tính chất dễ dẻo hóa để tạo thành tinh thể b’_ dạng tinh thể đặc trưng trong shortening_ là nguyên liệu sản xuất shortening chính ở Mỹ 1970, 1975 đạt 16% nguồn nguyên liệu sản suất shortening. Đến 1990, lượng dầu giảm xuống còn 1,5% nguyên liệu sản xuất shortening. Nhưng ngày nay dầu cọ đang đươc sử dụng nhiều hơn. 1.2.1.5. Dầu dừa[11] - Loại này không được sử dụng phổ biến do độ dẻo thấp. Hỗn hợp dầu dừa và một số chất béo khác có khuynh hướng tạo bọt khi chiên sâu, tạo mùi xà phòng khi bị thủy phân. Tuy nhiên tính chất độ dẻo thấp của dầu dừa rất thích hợp sử dụng trong bánh bích quy ngọt và kẹo và tạo cảm giác “get away” trong miệng. Dầu dừa khi nguyên chất thì có tính ổn định cao khi chiên vì dầu có độ bão hóa cao. Vì vậy dầu dừa được người Mêxico dùng phổ biến để chiên thực phẩm (1980-1981). Nhưng sau đó có nghiên cứu dùng dầu dừa nguyên chất chiên sẽ ảnh hưởng không tốt sức khỏe nên dầu dừa chỉ được dùng trong sản xuất shortening. - Ngoài những loại dầu trên, người ta cũng sử dụng dầu bắp , dầu hướng dương hay dầu canola để sản xuất shortening. Những loại này được sử dụng không phổ biến do dầu chứa nhiếu chất béo không no cao. Bảng 1.2:Tình hình sử dụng các chất béo để sản xuất shortening ở Mỹ ( triệu pound) [11] Năm 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 Dầu dừa 18 20 10 45 103 34 - Dầu bắp 1 1 4 12 - 270 27 Dầu bông 823 549 365 276 189 252 166 Dầu cọ - - - 90 188 209 187 Dầu phộng 23 12 2 16 - - - Dầu nành 212 841 1169 2182 2651 4004 5714 Mỡ heo 17 177 480 430 378 264 239 Mỡ bò 58 32 268 522 673 637 284 Loại khác 44 27 3 7 18 14 - Tổng cộng 1196 1727 2301 3580 4200 5684 6617 1.2.1.9.Yêu cầu chất lượng của nguyên liệu dầu dùng để sản xuất shortening Palm stearin Acid béo tự do (%): 0.08 – 0.1 Chỉ số iod: 30 – 54 Màu (Lovibon): Max 3.5 đỏ Nhiệt độ nóng chảy (0F): 111 Palm olein Acid béo tự do (%): 0.05 Chỉ số iod: Min 56 Màu (Lovibon): Max 3.5 đỏ Nhiệt độ nóng chảy (0F): 82 RBD palm Acid béo tự do (%): 0.05 Chỉ số iod: 50 – 55 Màu (Lovibon): Max 3.5 đỏ Nhiệt độ nóng chảy (0F): 100 – 108 Dầu nhành đã hydro hóa Acid béo tự do (%): 0.05 Chỉ số iod: 48 Màu (Lovibon): Max 3.5 Nhiệt độ nóng chảy (0F): 96 1.2.2. Nguyên liệu phụ[11] 1.2.2.1.Chất nhũ hóa[11] - Chất nhũ hóa là một phụ gia quan trọng trong sản xuất shortening. Ở Mỹ, trong công nghiệp sản xuất thực phẩm người ta sử dụng hơn 350 triệu pounds chất nhũ hóa/ một năm. Trong đó 90% chất nhũ hóa có nguồn gốc từ hóa học và10% còn lại có nguồn gốc từ tự nhiên. - Chất nhũ hóa là chất hoạt động bề mặt, trong phân tử có nhóm háo nước và nhóm kỵ nước. 1.2.2.1.1. Chức năng của chất nhũ hóa[11] - Chất nhũ hóa được bổ sung vào shortening với nhiều mục đích khác nhau. Một số chức năng của chất tạo nhũ: Làm bền hệ nhũ tương: tạo sự liên kết giữa nước và dầu, tạo hệ nhũ tương bền giúp kéo dài thời gian bảo quản. Chất chống thoái hoá tinh bột: giúp kéo dài thời gian sử dụng sản phẩm nướng bằng cách tạo phức với phân tử tinh bột. Tăng độ nở của bánh. Tác nhân giữ khí: tạo các lỗ khí bên trong bột nhào, lớp đường cô phủ trên bánh ngọt, lớp kem trên mặt bánh và một số sản phẩm khác. Tăng chất lượng bề mặt: làm biến đổi độ dãn của protein làm cho bề mặt bánh mịn hơn. Chất tạo độ trơn trượt: giảm độ nhớt, độ dính làm cho sản phẩm không bị dính vào dao cắt và răng khi ăn. Chất phá bọt Màng bọc bảo quản: giúp bảo vệ sản phẩm không bị tổn thất ẩm trong quá trình bảo quản và bảo vệ các thành phần dễ bị oxy hóa. Điều khiển kết tinh chất béo: ảnh hưởng đến hình dạng, kích thước và tốc độ kết tinh chất béo. Chất mang: chất cố định mùi, hòa tan các chất màu và các thành phần không tan trong nước. Tăng độ mềm của bánh. - Một chất nhũ hóa không thể có tất cả chức năng trên đo đó ta có sử dụng kết hợp nhiều chất tạo nhũ với nhau. Để chọn chất nhũ hóa sử dụng phù hợp cần xác định rõ mục đích sử dụng chất tạo nhũ, phương pháp chuẩn bị chất tạo nhũ, lọai hệ nhũ tương, ảnh hưởng của các thành phần khác trong sản phẩm, kinh tế. 1.2.2.1.2. Các chất tạo nhũ thường sử dụng[11] Monoglyceride và diglyceride[11] - Đây là chất tạo nhũ đầu tiên được sử dụng trong thực phẩm. Lượng mono- và diglycerides sử dụng chiếm 70% tổng lượng chất nhũ hóa sử dụng. Ở nhiệt độ phòng mono- và diglycerides không tan trong nước nóng và tan rất giới hạn trong dầu. Khi nâng nhiệt độ lên thì độ tan của chúng tăng. - Trên thị trường, mono- và diglycerides được sản xuất ở 3 nồng độ: 43%, 52% và 90%. - Mono- và diglycerides cũng tồn tại dưới nhiều trạng thái vật lý khác nhau như: rắn (bao gồm loại có hình vẩy, hạt, bột), xốp, dẻo ( dạng lỏng, bán lỏng). Dạng lỏng đến xốp có tính chất giữ khí tốt khi sử dụng ở độ ẩm thấp. Dạng rắn thì tạo cấu trúc tốt cho sản phẩm bánh nướng và kéo dài thời gian sử dụng sản phẩm. - Ngoài ra còn có một số loại dẫn xuất từ mono- và diglycerides cũng được sử dụng phổ biến: Ester của diacetyl tartaric và monoglyceride: tác dụng kéo dài sợi gluten giúp tăng khả năng giữ khí cuối cùng làm tăng thể tích bánh. Ester của acid lactic và monoglyceride: có tính háo nước hơn so với mono- và diglycerides, tác dụng chính là tăng thoáng khí. Thường được sử dụngtrong bánh ngọt, lớp đường cô phủ lên bánh, lớp kem phủ trên bánh. Acetylated monoglycerides : tăng thoáng khí, thể tích, chống oxy hóa, chống mất ẩm. - Tùy theo mục đích mà ta lựa chọn sử dụng các loại cho phù hợp. Ester propylene glycol[11] - Ester propylene glycol là chất tạo nhũ trung bình. Ester propylene glycol ảnh hưởng đến tốc độ đánh nổi cream, thể tích và độ ổn định của bọt. Ban đầu, Ester propylene glycol được sử dụng nhằm làm giảm lượng chất béo sử dụng. Sau này, nó được phát hiện là có nhiều chức năng rất tốt trong sản xuất bánh nướng khi kết hợp với mono- và diglycerides. Hàm lượng thường sử dụng trong shortening từ 2.8%-8.5% với 4%-5.5% monoglycerid. Ester sorbitan[11] - Ester sorbitan tan ít trong nước có tác dụng chính là làm tăng độ thoáng khí, ta9ng khả năng giữ ẩm. Sorbitan monoestearate là chất nhũ hóa phổ biến nhất trong loại này. Sorbitan monoestearate có thể ở dạng khối rắn hoặc dạng hạt do đó cần hòa tan trong nước hoặc chất béo trước khi sử dụng. Sorbitan có tác dụng làm tăng độ thoáng khí, tăng độ láng bề mặt, khả năng ổn định, biến đổi tinh thể chất béo kết tinh. Monoestearate thường được dùng trong cream phủ lên bánh. Ester polysorbate với acid béo[11] - Polyoxyethylene sorbitan ester gọi chung là polysorbate được tạo ra từ phản ứng của ester sorbitan với oxid ethylen. Có 3 loại polysorbate: polysorbate 60, polysorbate 65, polysorbate 80. lạoi này khi sử dụng dụng với hàm lượng lớn sẽ gây vị đắng. Polysorbate là chất hoạt động bề mặt mạnh nên tạo hệ nhũ tương rất bền. Polysorbate 60 thường được dùng trong sản xuất shortening. Ester polyglycerol[11] - Ester polyglycerol được tạo ra từ phản ứng của acid béo với polyglycerol gồm 2 đến 10 gốc monomer.Thường được ứng dụng trong : bơ đậu phộng, áo bao ngoài của kẹo ( hàm lượng 0.5%-5%), margarine ( hàm lượng 0.1%-0.5%), ức chế sự tạo thành tinh thể trong dầu salad (hàm lượng 0.02%-0.04%), lớp cream phủ trên bánh (hàm lượng1%-2%), bánh ngọt giúp làm giảm hàm lượng shortening sử dụng và tăng thể tích bánh ( hàm lượng 1%-3%). Ester lactated[11] - Có nhiều dạng Ester lactated sử dụng trong thực phẩm.Mục đích sử dụng nhằm tăng thể tích bánh, tạo cấu trúc xốp cho bánh... Hai dạng sử dụng phổ biến là glycerol-lacto palmitate (GLP) và glycerol-lacto stearate. Stearoyl lactylates là sản phẩm của phản ứng giữa acid stearic và acid lactic. Thường được sử dụng trong sản xuất bánh nướng, bánh quế, lớp cream phủ lên bánh... Lecithin[11] - Lecithin là chất nhũ hóa có nguồn gốc từ tự nhiên, được tìm th