công nghiệp sản xuất sữa và đồ uống

CNCB sữa và đồ uống Sản xuất whey protein concentrate và
isolate
MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU
CBHD: LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 1
CNCB sữa và đồ uống Sản xuất whey protein concentrate và
isolate
I. GIỚI THIỆU CHUNG
I.1. Whey
I.1.1. Định nghĩa
Whey – chất lỏng được tách ra từ quá trình sản xuất phô mai và casein – là một
trong những nguồn protein thực phẩm lớn nhất vẫn còn phổ biến ở ngoài kênh tiêu thụ của
con người. Tổng đầu ra của whey, xấp xỉ 120 triệu tấn vào năm 1990, chứa khoảng 0.7
triệu tấn protein hoàn hảo, bằng với hàm lượng protein hoàn hảo có trong 2 triệu tấn đậu
nành.
Whey là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất phô mai cứng, bán cứng, phô mai
mềm và casein đông tụ – còn gọi là whey ngọt – có pH từ 5.9 – 6.6. Quá trình sản xuất acid
khoáng làm kết tủa casein, sinh ra whey acid có pH từ 4.3 – 4.6.
Cho đến nay, mặc dù lượng protein hoàn hảo không đủ cung cấp cho thế giới
nhưng một lượng lớn dịch whey vẫn bị lãng phí, tỉ lệ lãng phí khoảng 50% trong giai đoạn
1989 – 1990.
I.1.2. Thành phần
Whey chiếm 80 – 90% tổng thể tích của sữa được đưa vào sản xuất và chứa
khoảng 50% chất dinh dưỡng có nguồn gốc từ sữa nguyên chất như: protein hòa tan,
lactose, vitamin và khoáng.
Whey thường được pha loãng với nước. Bảng 1 cho biết thành phần của whey
không pha loãng.
Bảng 1: Thành phần cấu tạo của whey
Mặc dù whey chứa những chất dinh dưỡng có giá trị, nhưng chỉ những năm gần
đây các quy trình thương mại mới phát triển để sản xuất sản phẩm whey chất lượng cao.
CBHD: LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 2

CNCB sữa và đồ uống Sản xuất whey protein concentrate và
isolate
I.1.3. Tính chất
Whey là 1 phần chất lỏng có trong sữa, được tách ra từ khối sữa đông trong quá
trình sản xuất phô mai.
Whey có tính ăn mòn. Vật liệu thích hợp cho các vật dụng chứa dịch whey là
nhựa, thuỷ tinh, thép không rỉ và gỗ.
Whey rất mau hư hỏng. Nếu để trên 36 giờ mà không có phương pháp bảo quản
thích hợp, dịch whey trở nên chua (pH giảm) do các phản ứng thuỷ phân tạo nên acid lactic.
I.1.4. Các sản phẩm từ whey
Bảng 2: Một vài lĩnh vực ứng dụng của whey và sản phẩm từ whey
I.2. Whey protein
I.2.1. Định nghĩa
Whey protein là một protein hoàn hảo với chất lượng rất cao, nó chứa một
lượng lớn tất cả các acid amin không thay thế, do đó nó thường được xem là “tiêu chuẩn
vàng” (gold standard) trong việc đánh giá chất lượng của protein.
Whey protein có trong sữa. Sữa có 2 dạng protein là casein và whey protein.
Whey protein tự nhiên có dạng hình cầu, khả năng hòa tan cao hơn casein và có chất lượng
cao hơn.
CBHD: LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 3
CNCB sữa và đồ uống Sản xuất whey protein concentrate và
isolate
Thành phần protein trong sữa bò: casein chiếm 80% và whey protein chiếm
20%, được thể hiện ở bảng 3:
Bảng 3: Thành phần của protein trong sữa một số loài động vật
Whey protein của sữa được cấu tạo chủ yếu bởi 2 thành phần: α-lactalbumin và
β-lactoglobulin. β-lactoglobulin có nhiều nhất trong whey protein, với khối lượng phân tử
là 36000.
CBHD: LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 4
CNCB sữa và đồ uống Sản xuất whey protein concentrate và

isolate
Hình 1: Cấu trúc của
β
-lactoglobulin
Hình 2: Cấu trúc của α-lactalbumin
Ngoài ra, trong whey protein còn có serum albumin và immunoglobulin.
CBHD: LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 5
CNCB sữa và đồ uống Sản xuất whey protein concentrate và
isolate
I.2.2. Whey protein concentrate
Whey protein concentrate chứa từ 30 – 80% protein tùy thuộc vào sản phẩm, nó
được sản xuất từ whey.
Whey protein concentrate sử dụng những phương pháp tiết kiệm hơn (sử dụng
thiết bị siêu lọc) để loại bỏ các thành phần không mong muốn của whey như lactose,
carbohydrate, natri, cholesterol và chất béo khi so với whey protein isolate.
Bảng 4: Hàm lượng một số acid amin có trong whey protein concentrate
CBHD: LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 6
Acid amin Hàm lượng (g/100g)
Lysine 4.9
Histadine 1.1
Arginine 1.7
Acid aspartic 5.6
Threonine 3.6
Serine 3
Acid glutamic 9.2
Proline 3
Glycine 1.1
Alanine 2.7
Valine 2.9
Methionine 1.2

Isoleucine 2.8
Leucine 6.1
Tyrosine 1.9
Phenylalanin 2.1
Tryptophan 0.9
Cystine 1.3
Tổng cộng 55
CNCB sữa và đồ uống Sản xuất whey protein concentrate và
isolate
I.2.3. Whey protein isolate
Whey protein isolate là dạng tinh sạch nhất và cô đặc của whey protein sẵn có.
Nó chứa hơn 90% hàm lượng protein , trong khi hàm lượng chất béo và lactose lại chiếm
rất ít.
Whey protein isolate có chất lượng cao hơn whey protein concentrate do sử
dụng thiết bị tiên tiến hơn (thiết bị trao đổi ion).
II. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
Hình 3: Các quy trình sản xuất khác nhau đi từ whey cho ra các sản phẩm khác nhau
II.1. Xử lý whey trước khi đưa vào sản xuất
CBHD: LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 7
CNCB sữa và đồ uống Sản xuất whey protein concentrate và
isolate
Trước khi đưa vào quy trình sản xuất để tạo ra các sản phẩm từ whey, ta phải có
quá trình xử lý whey trước gồm tách béo và casein sót, sau đó làm lạnh hoặc thanh trùng.
II.1.1. Bảo quản whey sau khi thu nhận
Whey phải được xử lý ngay sau khi thu nhận vì thành phần hóa học của whey
thích hợp cho sự phát triển của vi khuẩn. Do đó, có thể làm lạnh nhanh dịch whey xuống
5
o
C để hạn chế sự phát triển của vi khuẩn.
Nếu được cho phép, whey có thể được bảo quản bằng NaH

2
PO
4
, hay SO
2
0.4%,
H
2
O
2
0.2% hoặc dung dịch H
2
O
2
30%.
II.1.2. Tách béo và casein sót
Casein luôn tồn tại trong dịch whey do quá trình đông tụ chưa hoàn toàn.
Chúng ảnh hưởng đến quá trình tách béo, do đó phải được tách ra trước. Có thể áp dụng
nhiều phương pháp tách, chẳng hạn như tách bằng ly tâm hoặc lọc.
Chất béo được tách bằng thiết bị ly tâm.
Casein thường được nén cùng một cách như phô mai, sau đó có thể sử dụng
trong chế biến phô mai, cũng như có thể dùng trong nấu ăn sau khi đã ủ chín.
Whey cream có hàm lượng chất béo từ 25 – 30 %, có thể tái sử dụng trong quá
trình sản xuất phô mai để chuẩn hóa sữa phô mai, điều này làm cho cream tươi có chất
lượng phù hợp dùng trong sản phẩm cream đặc biệt.
1. Bồn chứa dịch whey
2. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng bản mỏng
3. Thiết bị lọc ly tâm
4. Bồn thu hồi casein
5. Thiết bị ly tâm tách cream

6. Bồn chứa cream
7. Dịch whey thu được để xử lý tiếp
Hình 4: Quy trình tách casein và tách béo trong whey
 Mục đích :
• Chuẩn bị :
CBHD: LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 8
Whey
Casein
Cream
Môi trường nhiệt
CNCB sữa và đồ uống Sản xuất whey protein concentrate và
isolate
Chuẩn bị cho quá trình thu nhận protein.
• Chế biến :
Thu nhận casein và whey cream trong whey.
• Bảo quản :
Giảm thiểu các phản ứng oxy hóa chất béo và đông tụ casein trong quá trình bảo
quản và chế biến whey nguyên liệu.
 Những biến đổi trong quá trình :
• Biến đổi vật lý :
Thay đổi khối lượng riêng, tỷ trọng.
• Biến đổi hóa họ c:
Giảm hàm lượng chất béo, hàm lượng casein.
• Biến đổi hóa lý :
Dịch whey trở nên đồng nhất.
• Các biến đổi khác không đáng kể.
 Thiết bị : thiết bị ly tâm dạng đĩa
1. Thùng quay
2. Đĩa quay
3. Cửa nạp nguyên liệu

4. Cửa ra cho sản phẩm tỷ trọng thấp (whey cream và casein)
5. Cửa ra cho sản phẩm tỷ trọng cao (whey đã tách béo)
CBHD: LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 9
1
2
3
4
5
CNCB sữa và đồ uống Sản xuất whey protein concentrate và
isolate
Hình 5: Thiết bị ly tâm dạng đĩa
• Nguyên lý hoạt động :
Đây là dạng thiết bị hoạt động liên tục.
Dịch whey được nạp vào máy ly tâm, dưới tác dụng của lực ly tâm, dịch whey bị
tách thành 2 phần: phần whey cream và casein (hàm lượng chất béo cao nên có khối lượng
riêng nhỏ) chuyển động về phía tâm của trục thùng quay, phần whey đã tách kiệt béo (hàm
lượng chất béo rất thấp nên có khối lượng riêng lớn) chuyển động về phía biên của thùng
quay. Tốc độ quay của thiết bị phải ổn định thì mới tách kiệt béo trong dịch whey.
Cuối cùng, ta thu được 2 dòng sản phẩm: dòng whey cream – casein và dòng dịch
whey đã tách kiệt béo theo các kênh riêng thoát ra ngoài.
• Ưu điểm :
Thiết bị hoạt động liên tục nên năng suất cao.
Chất lượng sản phẩm cao do không dùng nhiệt, vì khi dùng nhiệt thì các cấu tử
mẫn cảm với nhiệt sẽ bị tổn thất.
Tiết kiệm năng lượng do không tốn chi phí cho quá trình xử lý nhiệt.
• Nhược điểm :
Không tiêu diệt hay ức chế vi sinh vật.
 Thông số công nghệ :
Hàm lượng casein và whey cream trong dịch tách được: 55%.
Tốc độ ly tâm: 2000 – 3000 vòng/phút.

Thời gian ly tâm: 10 – 15 phút.
II.1.3. Làm lạnh hay thanh trùng
Whey được dự trữ để chế biến cần được làm lạnh hay thanh trùng ngay khi
chất béo được tách ra.
Để bảo quản whey trong thời gian ngắn (10 – 15 giờ), có thể làm lạnh dịch
whey để ức chế sự phát triển của vi khuẩn.
Để bảo quản whey trong thời gian dài, ta phải thanh trùng dịch whey.
Làm lạnh và thanh trùng đều sử dung thiết bị trao đổi nhiệt bản mỏng.
Làm lạnh đến 4
0
C để bảo quản.
Thanh trùng: Giữ dịch whey ở nhiệt độ 63 – 65
0
C trong 15 phút.
II.2. Quy trình sản xuất whey protein concentrate
II.2.1. Quy trình 1
CBHD: LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 10
CNCB sữa và đồ uống Sản xuất whey protein concentrate và
isolate
Hình 6: Sơ đồ khối quy trình sản xuất whey protein concentrate
Giải thích quy trình:
Quy trình trên gồm 2 quá trình chính là thu nhận protein và sấy dịch thu nhận
được.
II.2.1.1. Thu nhận protein
Nhìn chung, whey protein không thể bị kết tủa bởi men dịch vị hoặc acid.
Tuy nhiên, có thể làm kết tủa whey protein với acid nếu làm biến tính chúng trước bởi
nhiệt. Quá trình này chia làm 2 giai đoạn:
- Kết tủa protein bởi sự kết hợp của xử lý nhiệt và pH hợp lý.
- Cô đặc protein bằng ly tâm.
CBHD: LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 11

Gia nhiệt
Phun hơi
Acid
Hạ pH
Làm nguội
Cô đặc
Sấy
Whey
protein
concentrate
Whey đã xử lý
CNCB sữa và đồ uống Sản xuất whey protein concentrate và
isolate
1. Bồn chứa whey
2. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng bản mỏng
3. Bơm phun hơi nước
4. Hệ thống ống giữ nhiệt
5. Bồn chứa acid
6. Thiết bị lọc
7. Bồn thu nhận whey protein biến tính
Hình 7: Quá trình thu nhận whey protein biến tính
II.2.1.1.1. Gia nhiệt
 Mục đích :
• Chuẩn bị :
Tăng nhiệt độ sơ bộ dịch whey để chuẩn bị cho quá trình phun hơi.
 Những biến đổi trong quá trình :
• Biến đổi vật lý :
Nhiệt độ dịch whey tăng.
• Biến đổi hóa sinh :
Một phần enzyme bị vô hoạt.

 Thiết bị : thiết bị trao đổi nhiệt dạng bản mỏng
• Cấu tạo:
Thiết bị trao đổi nhiệt dạng bản mỏng được cấu tạo bởi nhiều đĩa truyền nhiệt rất
mỏng, gấp nếp, làm bằng thép không rỉ gắn chặt vào nhau trong khung. Các nếp gấp giúp
cho đĩa chống lại sự chênh lệch áp suất, tăng diện tích truyền nhiệt và tạo nên dòng chảy rối
trong đường dẫn. Cứ lần lượt như thế, sự chuyển động của dòng chảy rối mang lại hiệu suất
CBHD: LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 12
CNCB sữa và đồ uống Sản xuất whey protein concentrate và
isolate
truyển nhiệt cao, đây chính là ưu điểm của thiết bị trao đổi nhiệt dạng bản mỏng so với
thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ ống truyền thống.
• Nguyên lý hoạt động:
Cứ mỗi giây, ống dẫn mở ra cho lưu chất chảy vào. Giữa mỗi cặp đĩa có một
miếng đệm cao su, để ngăn cản lưu chất hòa lẫn vào nhau hoặc rỉ ra bên ngoài. Vì thế, nhiệt
được truyền từ lưu chất nóng sang lưu chất lạnh qua các đĩa mỏng làm bằng thép không rỉ.
Hình 8: Thiết bị gia nhiệt dạng bản mỏng
• Ưu điểm :
Sử dụng vật liệu mỏng nhất cho bề mặt truyển nhiệt nên quá trình truyền nhiệt đạt
tối ưu.
Ngoài ra, dòng chảy rối trong môi trường giúp cho quá trình đối lưu diễn ra thuận
lợi hơn, dẫn đến tăng hiệu quả truyền nhiệt giữa các môi trường.
Hệ quả của hệ số truyền nhiệt cao trên từng khu vực không chỉ đòi hỏi một bề mặt
truyền nhiệt nhỏ hơn mà còn mang lại hiệu quả cao trong quá trình chế biến.
CBHD: LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 13
CNCB sữa và đồ uống Sản xuất whey protein concentrate và
isolate
Sự chảy rối mạnh giúp khả năng tự lau sạch hiệu quả hơn, giảm thiểu sự đóng cặn
trên bề mặt truyền nhiệt. Điều này có nghĩa là thiết bị trao đổi nhiệt dạng bản mỏng giữ cho
thời gian bảo dưỡng được lâu hơn.
Vì thiết bị trao đổi nhiệt dạng bản mỏng được cấu tạo bởi một khung chứa các đĩa,

nên ta có thể thêm nhiều đĩa vào khung để tăng năng suất, và có thể tách các đĩa ra dễ dàng
khi vệ sinh thiết bị.
• Nhược điểm :
Không làm việc dưới áp suất cao và không thích hợp cho quá trình chế biến các
sản phẩm dạng nhão và dạng hạt.
Những nếp gấp trên đĩa tạo nên những điểm tiếp xúc mà tại đó đòi hỏi độ cứng, và
những điểm “tựa” được tạo nên đã giữ các chất dạng bột nhão và dạng hạt ở lại đó. Vì thế,
giữ cho thiết bị trao đổi nhiệt dạng bản mỏng sạch trước khi chạy sản phẩm mới là điều vô
cùng khó khăn, thậm chí bất khả thi.
 Thông số công nghệ :
Dòng lạnh là dịch whey cần gia nhiệt.
Dòng nóng là dịch whey sau khi ra khỏi bộ phận giữ nhiệt.
Nhiệt độ đầu ra của dòng nóng là 40
0
C.
Quá trình gia nhiệt được thực hiện đồng thời với quá trình làm nguội để thu
hồi nhiệt.
II.2.1.1.2. Phun hơi
 Mục đích :
• Chuẩn bị :
Chuẩn bị cho quá trình kết hợp với chỉnh pH để làm biến tính hoàn toàn protein.
• Chế biến :
Làm biến tính protein..
 Những biến đổi trong quá trình :
• Biến đổi vật lý :
Nhiệt độ dịch whey tăng.
• Biến đổi hóa học :
Hàm lượng chất khô tăng lên do độ ẩm giảm.
• Biến đổi hóa lý :
Một phần whey protein bị kết tủa và nước bay hơi.

Các cấu tử mẫn cảm với nhiệt bị tổn thất.
• Biến đổi sinh học :
Phần lớn vi sinh vật bị tiêu diệt.
• Biến đổi hóa sinh :
Enzyme bị vô hoạt.
 Thiết bị : Bơm phun hơi nước
 Thông số công nghệ :
CBHD: LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 14
CNCB sữa và đồ uống Sản xuất whey protein concentrate và
isolate
Nhiệt độ của dịch whey sau quá trình phun hơi: 90 – 95
o
C.
II.2.1.1.3. Hạ pH
 Mục đích :
• Chế biến :
Kết hợp với nhiệt độ cao để làm biến tính toàn bộ whey protein.
 Những biến đổi trong quá trình :
• Biến đổi vật lý :
pH giảm.
• Biến đổi hóa lý :
Phần lớn whey protein bị kết tủa.
• Biến đổi sinh học :
Vi sinh vật bền nhiệt bị tiêu diệt trong môi trường pH acid.
 Cách tiến hành:
• Sử dụng acid là acid hữu cơ (acid lactic) hay acid vô cơ (HCl).
• Bổ sung acid trong quá trình giữ nhiệt để kết hợp với tác dụng của nhiệt độ.
• Acid được đưa trực tiếp vào hỗn hợp bằng bơm định lượng.
 Thiết bị : Bồn chứa acid và bơm định lượng.
 Thông số công nghệ :

pH trong dịch whey: 4.6
Thời gian cho sự kết hợp của nhiệt độ và acid: 3 – 4 phút.
II.2.1.1.4. Làm nguội
 Mục đích :
• Chuẩn bị :
Chuẩn bị cho quá trình lọc.
 Những biến đổi trong quá trình :
Chủ yếu là biến đổi vật lý (nhiệt độ giảm).
 Thiết bị : thiết bị trao đổi nhiệt dạng bản mỏng
 Thông số công nghệ :
Làm nguội đến nhiệt độ: 40
o
C.
II.2.1.1.5. Cô đặc
 Bản chất : Tách whey protein biến tính bằng phương pháp ly tâm, loại bỏ
hỗn hợp whey và acid.
 Mục đích :
• Chuẩn bị :
Tăng hàm lượng whey protein biến tính trong hỗn hợp, chuẩn bị cho quá trình sấy.
 Những biến đổi trong quá trình :
• Biến đổi vật lý :
CBHD: LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 15
CNCB sữa và đồ uống Sản xuất whey protein concentrate và
isolate
Khối lượng riêng của hỗn hợp tăng, dịch lỏng giảm, nhiệt độ giảm.
• Biến đổi hóa học :
Hàm lượng whey protein biến tính tăng.
 Thiết bị : thiết bị ly tâm dạng đĩa
 Thông số công nghệ :
Thời gian lọc: 3 phút

Nồng độ whey protein biến tính khi ra khỏi thiết bị: 45 – 55%.
II.2.1.2. Sấy
 Mục đích :
• Chế biến :
Tạo sản phẩm dạng bột.
• Bảo quản :
Quá trình sấy làm giảm hàm ẩm, từ đó ức chế vi sinh vật.
 Những biến đổi trong quá trình sấy :
• Biến đổi vật lý :
Thay đổi khối lượng riêng, tỷ trọng.
• Biến đổi hóa học :
Độ ẩm giảm, xảy ra các phản ứng oxy hóa…
• Biến đổi hóa lý :
Nước bay hơi, hỗn hợp chuyển sang pha rắn.
 Thi ết bị : Hệ thống sấy phun 2 giai đoạn: sấy phun và sấy tầng sôi.
CBHD: LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 16