HÓA SINH HỌC SỮA ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC, CƠ CHẾ ĐÔNG TỤ, BIẾN ĐỔI TRONG QUÁ TRÌNH CHẾ BIẾN BẢO QUẢN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

HÓA SINH HỌC SỮA
ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC, CƠ CHẾ ĐÔNG TỤ, BIẾN ĐỔI TRONG
QUÁ TRÌNH CHẾ BIẾN BẢO QUẢN

GVHD: TS. Trần Bích Lam
HVTT:

1


MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Thành phần cấu tạo của sữa.
Bảng 1.2: Thành phần acid béo (% w/w) có trong tổng acid béo trong sản phẩm sữa ở Swedish
năm, 2001 (Mansson, 2008)
Bảng 3.1: Nhiệt độ sinh trưởng của một số nhóm vi sinh vật

2


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Hạt cầu béo trong sữa
Hình 1.2: Cấu tạo của hạt cầu béo với những thành phần chính của lớp màng giọt béo sữa
(MFGM)
Hình 1.3: Những yếu tố ảnh hưởng đến thành phần của lớp màng MFGM.

Hình 1.4: Thành phần các loại protein trong sữa (F.O'Mahony, 1988)
Hình 1.5: Hình ảnh của Micelle casein qua kính hiển vi điện tử (Dalgleish và cộng sự, 2004)
Hình 1.6: Cấu tạo của phân tử Lactose
Hình 2.1: Cấu tạo một micelle casein. A: lõi casein bên trong gồm: αs1, αs2,β-casein; B :chuỗi
glycan bề mặt; C: liên kết Phosphat canxi; D: k-casein; E: nhóm phosphat
Hình 2.2: Cấu trúc phân tử k-casein
Hình 2.3: Chymosin thủy phân k-casein
Hình 2.4: Quá trình động tụ casein sữa dưới tác động của enzyme rennet
Hình 2.5: Tác động của acid lên cấu trúc của micelle
3


Hình 2.6: Quá trình hòa tan cầu Canxi phosphate và tạo gel của sữa ở pH <5
Hình 3.1: Phức chất Lactoperoxidase
Hình 3.2: cơ chế phản ứng của Lactoperoxidate
Hình 3.3: Phản ứng oxi hóa acid béo không no
Hình 3.4: Cấu tạo của chất chống oxi hóa dodecyl gallate

CHƯƠNG 1: THÀNH PHẦN CẤU TẠO, ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC CỦA SỮA
Thành phần cấu tạo của sữa bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau như: con giống,
gen, giai đoạn sinh trưởng, chế độ dinh dưỡng, tình trạng sức khoẻ của con giống, thời tiết và
điều kiện môi trường sống sẽ ảnh hưởng và quyết định đến các thành phần trong sữa.
Bảng 1.1: Thành phần cấu tạo của sữa.
Thành phần
Nước
Tổng chất khô
Chất béo sữa
Protein
Lactose
Khoáng

Tỉ lệ (%)
86 – 88
11 – 14
3–6
3–4
5
0.7

(Theo N.A. Michael Eskin và H.Douglas Goff, 2013)
1.1 Nước
Nước là thành phần 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
4


chiếm khoảng 86 – 88%. Phần lớn lượng nước 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.
1.2 Chất béo sữa
Chất béo là một trong những thành phần quan trọng nhất của sữa. Hàm lượng chất béo
của sữa thay đổi trong một phạm vi khá rộng. Có loại sữa ít béo, khoảng 3g trong 100ml sữa, có
loại sữa nhiều chất béo khoảng 5 - 6g trong 100ml sữa. Đối với sữa bò hàm lượng béo khoảng
3 - 6%. Chất béo của sữa dưới dạng những hạt hình cầu rất nhỏ, kích thước trong khoảng từ nhỏ
hơn 1 đến 15 µm. Kích thước của những hạt chất béo phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: loài
giống, tùy từng con vật, thời gian khác nhau trong thời kỳ tiết sữa … Các hạt chất béo kích
thước lớn thì dễ tách ra khỏi sữa hơn là những hạt chất béo có kích thước nhỏ. Khi để sữa yên
lặng một thời gian, các hạt chất béo của sữa sẽ nổi lên trên mặt thành một lớp váng mỏng gọi là
váng sữa.

Dưới kính hiển vi, váng sữa có thể được nhìn thấy như là số lượng lớn những hạt cầu có
kích thước khác nhau trôi nổi trong dung dịch sữa (Hình 1). Mỗi tiểu cầu thì được bao quanh bởi
lớp vỏ mỏng gọi là lớp màng giọt béo sữa (MFGM). MFGM hoạt động như là một tác nhân nhũ
hoá để tạo dung dịch nhũ tương trong sữa (chất béo trong nước). Dung dịch nhũ tương này có
thể bị phá vỡ bởi tác nhân vật lý như lắc đều. Lớp màng này bảo vệ chất béo khỏi enzymes và
ngăn những tiểu cầu béo này liên kết với nhau tạo thành hạt bơ.

5


Hình 1.1: Hạt cầu béo trong sữa

Cấu tạo bên ngoài của MFGM được biểu diễn trong Hình 2. Một lớp màng lipid đôi phân
cực nằm trên lớp màng lipid đơn phân cực bên trong của MFGM. Lớp màng protein đặc biệt thì
nằm dọc theo lớp màng lipid đôi phân cực. Adipophilin (ADPH) thì được gắn bên trên lớp màng
đơn phân cực bên trong. Xanthine dehydrogenase/oxidase (XDH/XO) thì nằm giữa hai l71p
màng đôi. Mucin 1 (MUC1), butyrophilin (BTN), cụm phân biệt 36 (CD36) và periodic
acid/Schiff III (PAS III) thì nằm bên ngoài lớp màng kép. Periodic acid/Schiff 6/7 (PAS 6/7) và
proteose peptone 3(PP3) thì được đính kèm lỏng lẻo bên ngoài MFGM. Choline chứa
phospholipids, PC và SM và Glycolipids, cerebrosides và ganliosides thì nằm bên ngoài màng,
trong khi phosphatidyl ethanolamine (PE), phosphatidylserine (PS) và phosphatidylinositol (PI)
thì tập trung chủ yếu ở bên trong bề mặt của lớp màng.

Hình 1.2: Cấu tạo của hạt cầu béo với những thành phần chính của lớp màng giọt béo sữa
(MFGM).
Cấu tạo bên trong của MFGM là một lớp màng lipid đơn phân cực và protein bao quanh
nội bào giọt béo với dày đặc các electron có protein bao bên ngoài bề mặt bên trong của lớp

6

màng kép. Lớp phospholipid kép có vai trò như là bộ khung để nâng đỡ lớp màng và để cho
những chất lỏng đi qua.
Tính chất tự nhiên của lipid phân cực (phospholipids và sphingolipids) trong lớp màng
MFGM có những ảnh hưởng quan trọng đến độ bền của pha béo trong sữa và những thay đổi xảy
ra trong suốt quá trình chế biến sữa và kem. Hình 3 tóm tắt những yếu tố ảnh hưởng đến thành
phần của lớp màng MFGM như: giống, giai đoạn cho sữa, bò bị bệnh, quá trình chế biến: bảo
quản, làm lạnh đồng hóa, xử lí nhiệt, sấy khô, vật nuôi bị căng thẳng, vi khuẩn từ môi trường,
nhiễm kim loại của vật chứa… điều này sẽ gây ảnh hưởng đến chất lượng các sản phẩm chế biến
từ sữa như: chất béo bị thủy phân, tỉ lệ kem sữa thay đổi, thời gian chần trong sản xuất bơ sữa,
kem sữa bị đắng, bị oxy hóa, mùi đun nấu…

Hình 1.3: Những yếu tố ảnh hưởng đến thành phần của lớp màng MFGM.

7


Triacyglycerol chiếm khoảng 97 – 98% của tổng chất béo sữa. Thành phần acid béo của
triacyglycerol bị ảnh hưởng bởi con giống, chăn nuôi, và mùa. Chất béo bão hoà thấp trong mùa
hè và cao hơn trong mùa đông. Chất béo sữa không bị ảnh hưởng rõ ràng bởi việc thay đổi chế
độ ăn chứa lipid vì một vài loại lipid được chuyển hoá bởi hệ vi sinh trong dạ dày của con bò.
Tuy nhiên, sự thay đổi của chất béo sữa có thể bị ảnh hưởng bởi chế độ cho ăn có
triacylglycerol , được bảo vệ bởi màng protein làm cho chất béo không bị chuyển hoá bởi hệ vi
sinh trong dạ dày bò. Điều này, cho phép thành phần acid béo của chất béo sữa được thay đổi và
hàm lượng chất béo không bão hoà được thay đổi. Thành phần acid béo của sữa bò thì đa dạng
hơn bất kỳ những sản phẩm tự nhiên khác. Bảng 2 cho biết hàm lượng acid béo no bão hoà
chiếm 70%, không bão hoà một nói đôi 25%, không bão hoà đa cấu hình cis 2,3%, và acid béo
cấu hình trans là 2,7%. Acid béo mạch dài (C14 – C23) chiếm 85% và acid béo mạch ngắn (C4 –
C6) là 15% tổng acid béo trong triacylglycerol của chất béo sữa.

8


Bảng 1.2: Thành phần acid béo (% w/w) có trong tổng acid béo trong sản phẩm sữa ở
Swedish năm, 2001 (Mansson, 2008).

9


1.3. Protein
Protein là một nhóm chất cực kỳ quan trọng của các hợp chất tự nhiên, là yếu tố cần thiết
trong tất cả các quá trình sống của sinh vật. Nó thực hiện nhiều loại chức năng khác nhau trong
quá trình chuyển hoá từ tham gia cấu trúc cho đến tái sản sinh của sự sống. Protein của sữa đóng
góp phần quan trọng nhất của sữa đối với chế độ dinh dưỡng cho con người. Các protein của
sữa là những protein hoàn thiện. Protein là những polymer của amino acid. Trong thành phần
protein của sữa có đến 20 loại axit amin khác nhau, trong đó có đầy đủ các acid amin không
thay thế được như: valin, lơxin, izolơxin, metionin, treonin, phenylalanin, triptophan và lyzin.
Công thức tổng quát của protein là:

Trong đó, R đại diện cho gốc hữu cơ sinh học, mỗi amino acid có gốc R khác nhau làm
cho những amino acid khác nhau thì có tính chất khác nhau, hàm lượng và sự phân bố của amino
acid trong protein sẽ ảnh hưởng đến chức năng sinh học của protein.
Trong sữa có 3 loại protein chủ yếu : Casein chiếm khoảng 80%, lactalbumin chiếm 12%
và lactoglobulin chiếm 6% trong toàn bộ lượng protein có trong sữa và còn một vài loại protein
khác nhưng hàm lượng không đáng kể.

Hình 1.4: Thành phần các loại protein trong sữa (F.O'Mahony, 1988)

10

 Casein

Casein là nhóm protein chủ yếu trong protein của sữa, chiếm 80% trong tổng protein
của sữa, có kích thước trong khoảng từ 30 – 300 nm. Trong sữa nó hiện diện như là những phân
tử tập hợp lại với nhau tạo thành một đại phân tử được gọi là “micelles casein” là những hạt keo
kết hợp với hạt cầu béo tồn tại trong sữa dưới dạng pha phân tán cùng với lactose, whey
protein, khoáng tan được và vitamins trong pha nước.

Hình 1.5: Hình ảnh của Micelle casein qua kính hiển vi điện tử (Dalgleish và cộng sự, 2004)
Nó bao gồm nhiều loại casein khác nhau: γ-casein, β-casein, κ-casein, α-casein là thể
phức hợp phosphoryl gồm có α 1, α 2, α 3, α 4, α 5, α 6-casein. β-casein là thành phần chủ yếu
s s s s s s
có trong sữa bò nhưng lại là thứ yếu trong sữa người. κ-casein là một glycoprotein và nó hiện
diện khắp nơi trong thể micelles casein. Chính vì vậy mà micelles casien ở trạng thái ổn định.
α-casein và β-casein không tan trong sữa tươi. Các protein này chứa nhóm phosphate
(phosphate chiếm khoảng 0.8% trong toàn casein) và nhóm phosphate này kết hợp với ion
Ca

2+
. Sự trung hòa một phần lớn các điện tích âm ngăn ngừa α-casein và β casein kết khối và

kết tủa. Hai phân tử α-casein và β-casein có thể tồn tại một cách ổn định trong sữa là do có sự
hiện diện của γ-casein. Casein không tồn tại tự do trong sữa nhưng tồn tại dưới dạng các hạt
micelles có kích thước từ 0.003µm đến 0.3µm. Trung bình mỗi hạt chứa hàng ngàn phân tử αcasein và β-casein. Hiệu quả bảo vệ của γ-casein có thể là do nó góp phần gia tăng điện tích âm
11


của hạt mà không kết hợp với ion Ca

2+
.

Mỗi hạt casein chứa khoảng 70% nước và 30% chất khô. Trong thành phần chất khô:
casein chiếm khoảng 93% , muối chiếm khoảng 7% (chủ yếu là canxi photphat).
α

α
1
s -casein: chiếm khoảng 40% trong tổng số -casein và có 199 gốc amino acid (trong

đó có 8,4% là gốc prolyl trong chuỗi polypeptide).
α

α
2
s -casein: chiếm khoảng 10% trong tổng số -casein và có 207 gốc amino acid. Nó là

casein ưa nước, có 10 – 13 gốc phosphoseryl nằm ở ba đoạn trong chuỗi polypeptide gồm:
8 - 16, 56 – 61 và 129 – 133.
β-casein: chiếm khoảng 13% trong tổng số casein và có 207 amino acid (trong đó có
16.7% là proline trong chuỗi polypeptide). β-casein kỵ nước nhất so với các casein khác, dễ bị
thuỷ phân khi tách ra khỏi hạt keo
γ-casein: chiếm khoảng 3% trong tổng số casein.
κ-casein: chiếm khoảng 36% trong tổng số casein, và có 169 gốc amino acid (trong đó
có 11.8% là proline trong chuỗi polypeptide), không hoà tan trong nước. Các κ-casein phân bố
chủ yếu trên bề mặt hạt keo làm cho các hạt keo có tính colloid. Các đầu cacbon háo nước của κcasein đưa ra ngoài giúp cho sự ổn định của các hạt keo.
 Whey protein

Whey cũng là một sản phẩm chính trong công nghệ sản xuất pho mát và casein. Trước

đây whey được coi như là một phụ phẩm trong quá trình sản xuất pho mát và casein. Tuy nhiên,
hiện nay whey được coi như là một loại thực phẩm chức năng bởi những hoạt tính sinh học từ
những cấu phần có trong whey protein. Nó gồm một nhóm protein có khả năng hoà tan trong
serum sữa hoặc kết tủa whey và tách khỏi casein tại pH = 4,6 ở 20 oC. Giống như protein trong
trứng, whey protein có thể bị kết tủa bởi nhiệt. Khi bị đông tụ, whey có thể được bao phủ bởi
một lớp casein trong sản xuất loại pho mát chua.

12


Một số whey protein chính là: β-lactoglobulin (β-LG) và α-lactoalbumin (α-LA) là những
protein hình cầu chiếm khoảng 70 – 80% trong tổng số whey protein. Ngoài ra, trong whey còn
có những protein khác có tác dụng kháng khuẩn như: lactoferrin, Immunoglobulins (Ig) và các
enzyme: lactoperoxidase, lipase, peroxidase, catalase, phosphatase… nhưng chiếm số lượng nhỏ
hơn.
β-Lactoglobulin còn gọi là globulin của sữa. Hàm lượng lactoglobulin trong sữa
khoảng 0,1% theo khối lượng và chiếm tỉ lệ 3% so với lượng protein chung. Globulin sữa có
nhiều trong sữa non, thuộc loại protein đơn giản và là protein hoàn thiện. Trong sữa, globulin
tồn tại dưới dạng keo và có độ phân tán kém hơn so với albumin sữa khoảng 18.000 lần.
Globulin có 3 dạng đồng phân: β-glactoglobulin, epglobulin và pseudoglobulin. Chúng khác
nhau về khả năng hòa tan nước và tính kháng trùng. β-lactoglobulin không tan trong nước, hòa
tan tốt trong dung dịch muối loãng, epglobulin tan trong nước khi có mặt muối. Pseudoglobulin
hòa tan trong nước nguyên chất.
α –Lactoalbumin(α-LA) còn gọi là albumin của sữa. Hàm lượng α-lactoalbumin trong
sữa khoảng từ 3 - 4% trong tổng protein sữa hoặc chiếm khoảng 20% trong whey protein. Nó là
một protein hình cầu chứa 123 gốc amino acid. Trong sữa non có nhiều α-lactoalbumin hơn sữa
thường. α-LA cùng với β1,4- galactosyltransferase là cơ sở hình thành nên hợp chất lactose do có
khả năng chuyển galactose thành glucose. Khác với casein, lactoalbumin ở trong sữa dưới dạng
hòa tan. Dưới tác dụng của nhiệt độ cao lactoalbumin bị đông tụ. Trong môi trường acid, khi
tăng nhiệt độ thì mức độ đông tụ nhanh và mau. Các enzim làm đông tụ casein không có khả

năng làm đông tụ lactoalbumin. Sau khi đông tụ, lactoalbumin mất khả năng hòa tan lại trong
nước, nó chỉ có thể hòa tan lại trong một vài loại dung môi.
Lactoferritin là thành phần chính của nhóm protein với những tính chất liên kết ion sắt.
Nó là một chuỗi polypeptide đơn gồm 689 amino acid với nhiều gốc đường khác nhau.
Lactoferritin cung cấp sự bảo vệ chống lại bệnh tật liên quan đến sự lây nhiễm, viêm và chống
lại sự hoạt động của vi rút. Nó chiếm khoảng 8% trong tổng số whey protein trong sữa và theo
miễn dịch học nó xác định lượng albumin trong máu. Lactoferritin chứa 583 amino acid và 17
gốc disulfide. Nó đóng vai trò quan trọng trong việc vận chuyển, chuyển hoá, và phân phối cũng
như là bảo vệ các gốc tự do.

13


1.4. Lactose
Gluxit có ở trong sữa chủ yếu là lactose. Hàm lượng lactose trong sữa khoảng 4,5-5,1%
tùy theo từng loại sữa. Đối với sữa bò hàm lượng này khoảng 4,9% . Lactose ở trong sữa dưới
dạng hòa tan. Lactose khó bị thủy phân hơn các loại đường khác. Lactose bị thủy phân sẽ cho
một phân tử glucose và một phân tử galactose, 2 phân tử này liên kết với nhau bằng liên kết α1,4 glycosidic (Hình 6).

Hình 1.6: Cấu tạo của phân tử Lactose

Ở nhiệt độ cao, lactose bị biến thành caramen. Vì vậy khi khử trùng sữa, một phần
lactose bị caramen hóa nên màu của sữa sau khi đã khử trùng thường sẫm hơn lúc chưa khử
trùng, đồng thời lactose còn có thể kết hợp với các nhóm amin của protein sữa (casein) để tạo
thành hợp chất melanoidin có màu sẫm.
Dưới tác dụng của vi khuẩn lactic, lactose bị lên men thành acid lactic gọi là quá trình
lên men lactic. Dưới tác dụng của vi khuẩn propionic, acid lactic có thể chuyển hóa thành acid
propionic, acid acetic và khí cacbonic. Phản ứng này là cơ sở của quá trình chế biến một số loại
cheese. Sự lên men lactic được ứng dụng rộng rãi vào việc sản xuất ra các sản phẩm chế biến
của sữa như sữa chua, pho mát…

1.5. Chất khoáng:
Nhiều công trình nghiên cứu đã xác nhận lượng chất khoáng của sữa có thể thỏa mãn đầy
đủ nhu cầu về chất khoáng cho cơ thể. Hàm lượng chất khoáng trong sữa khoảng 0,6-0,8% tùy
từng loại sữa. Hàm lượng khoáng trong sữa bò khoảng 0,7%. Chất khoáng trong sữa có rất nhiều
loại như: kali, canxi, natri, magiê, sắt, mangan, iốt, nhôm, crôm,… Trong đó kali và canxi nhiều
nhất. Các loại muối khoáng ở trong sữa có nhiều loại, phổ biến là muối photphat, clorua, citrat,

14


caseinat…
1.6. Vitamin:
Sữa là thức ăn có chứa rất nhiều loại vitamin cần thiết cho cơ thể, nhưng hàm lượng các
vitamin không cao lắm. Số lượng và hàm lượng các loại vitamin trong sữa phụ thuộc vào nhiều
yếu tố như thức ăn, điều kiện chăn nuôi, giống loài và tuổi của các loại gia súc. Trong sữa bò có
rất nhiều loại vitamin tan trong chất béo (vitamin A, D, E, K…), nhóm vitamin tan trong nước
(vitamin B1, B2, B12, C, PP…).
CHƯƠNG 2: CƠ CHẾ ĐÔNG TỤ SỮA DO ENZYME VÀ VI SINH VẬT

2.1 Cơ chế đông tụ sữa do enzym rennet (chymosin)

Casein bình thường tồn tại trong sữa dưới dạng các hạt keo với lớp vỏ ưa nước k-casein
(là một glycoprotein), gọi là các micelle casein. Mỗi micelle casein với đường kính trung bình
khoảng 200 nm, chứa hàng ngàn phân tử α-casein, β-casein liên kết với nhau bởi cầu nối canxi
phosphate bên trong các micelle. Tính toàn vẹn của cấu trúc micelle là do các tương tác caseincanxi, liên kết hydro, tương tác tĩnh điện và kỵ nước. Protein k-casein đóng vai trò chính trong
việc ổn định cấu trúc của hệ thống các hạt micelle casein trong sữa, do sự tích điện âm của nó
gây ra lực đẩy tĩnh điện giữa các micelle và nhánh glucan ưa nước tại đầu (–COOH) trong phân
tử của nó tạo thành các sợi bao quanh bề mặt micelle.

15

Hình 2.1: Cấu tạo một micelle casein. A: lõi casein bên trong gồm: αs1, αs2,β-casein; B :chuỗi
glycan bề mặt; C: liên kết Phosphat canxi; D: k-casein; E: nhóm phosphat

Hình 2.2: Cấu trúc phân tử k-casein

16


Khi enzyme rennet (chymosin) được cho vào sữa, sau một thời gian nhất định, sữa bắt
đầu đông lại và trở thành một mạng lưới gel ba chiều. Giai đoạn đầu tiên là sự thủy phân protein,
trong đó chymosin cắt chuỗi polypeptid của k-casein tại vị trí liên kết peptid giữa acid amin
phenylalanin 105 và methionin 106, tạo thành 2 đoạn: 1 đoạn ưa nước đầu (–COOH) chứa các
nhánh glycan gọi là caseinomacropeptid (CMP) hay còn gọi là glycomacropeptid (GMP) ; 1
đoạn kị nước đầu (–NH2 ) là para-k-casein. Khi đó các đoạn caseinomacropeptid tách ra khỏi hệ
micelle và phân tán vào pha nước của sữa, dẫn đến các micelle bị mất lớp vỏ ưa nước. Khi đó
giai đoạn 2 của quá trình đông tụ bắt đầu: các casein kị nước αs1, αs2,β-casein bên trong micelle
được giải phóng, cùng với các para-k-casein chúng liên kết lại với nhau bởi cầu nối Ca

2+

tạo

thành khối đông casein sữa. Khối đông này lớn dần lên tạo mạng lưới gel 3 chiều giữ nước, chất
béo bên trong.

Hình 2.3: Chymosin thủy phân k-casein

17

Hình 2.4: Quá trình động tụ casein sữa dưới tác động của enzyme rennet

Các nghiên cứu cho thấy rằng tỉ lệ phản ứng thủy phân protein ở giai đoạn 1 phụ thuộc
vào nồng độ enzyme và nhiệt độ. Tỉ lệ protein được thủy phân tăng tuyến tính với nồng độ
enzyme rennet.
Trong giai đoạn 2, quá trình kết hợp của các micelle xảy ra do sự mất đi trở ngại về
không gian (mất lớp vỏ ưa nước) và giảm lực đẩy tĩnh điện (do mất lớp vỏ ưa nước tích điện âm
của k-casein). Để xảy ra quá trình đông tụ thì cần có ít nhất 85-90% k-casein bị thủy phân. Các
nghiên cứu cho thấy rằng các micelle sau khi bị phân cắt bởi rennet vẫn tiếp tục phân tán tự do
trong sữa. Chỉ khi có hơn 70% k-casein bị cắt, thì quá trình phân tán mới bị giới hạn, tuy nhiên
quá trình đông tụ vẫn chưa xảy ra. Quá trình đông tụ chỉ thực sự xảy ra khi có gần 90% đoạn ưa
nước CMP được giải phóng. Và sự hình thành mạng lưới gel 3 chiều chỉ xảy ra khi có 95% kcasein bị phân cắt. Một số nghiên cứu cho thấy các tương tác gây ra quá trình đông tụ gồm có
cầu nối canxi, tương tác kị nước và lực van der wal. Sự đông tụ của các micelle bị giảm mạnh
khi vắng mặt ion Ca2+ và nhiệt độ dưới 150C (do liên kết kị nước giảm ở nhiệt độ thấp).
Sự đông tụ sữa bởi rennet và sự bền vững của cấu trúc gel cuối cùng, chịu ảnh hưởng bởi
nhiều yếu tố. Nhiệt độ tối ưu cho sự hoạt động của enzyme rennet là khoảng 30 0C và pH tối ưu là
18


6,5 (tương đương với pH tự nhiên của sữa). Ion Ca 2+ tự do thì rất cần thiết cho quá trình đông tụ
sữa và tạo độ cứng cho khối gel. Vì vậy mà trong sản xuất pho mát, người ta thường cho thêm
khoảng 1mM CaCl2 vào sữa. Ngoài ra, sự có mặt của ion Na+ (NaCl), thành phần của casein, chất
béo đã đồng hóa, whey protein biến tính thì cũng quan trọng trong quá trình đông tụ và ảnh
hưởng đến cấu trúc cuối cùng của gel.
Xử lý nhiệt của sữa là một bước thông thường trong các ngành công nghiệp sữa và là một
bước thiết yếu trong sản xuất sữa chua và một số loại pho mát mềm. Tuy nhiên ở nhiệt độ trên
750C thì sẽ tạo ra các liên kết disulfide giữa whey protein biến tính với k-casein trên bề mặt
micelle hình thành nên phức hợp whey protein và k-casein tan trong pha nước của sữa. Những

thay đổi do nhiệt độ gây ra trong cấu trúc micelle casein gây cản trở hoạt động chức năng của
rennet. Do đó, pho mát được sản xuất từ sữa đã qua xử lí nhiệt có cấu trúc kém và tính chất cảm
quan không thể chấp nhận. Khối đông mềm, ướt, rời rạc, tính kéo giãn và tính nóng chảy kém.
Xử lý nhiệt sữa, do đó hiếm khi được sử dụng trong làm pho mát.

2.2. Cơ chế đông tụ sữa do vi sinh vật
Quá trình đông tụ sữa do vi sinh vật là sự đông tụ protein sữa dưới tác dụng của acid
lactic sinh ra do vi khuẩn lactic lên men đường lactose trong sữa. Các giống vi khuẩn lactic
thường sử dụng trong sản xuất sữa chua gồm: Streptococcus thermophilus, Streptococcus lactic,
Lactobacillus bulgaricus, Lactobacillus acidophilus… Cơ chế của quá trình này là sự đông tụ
sữa khi lượng acid lactic sinh ra đủ lớn để làm giảm pH môi trường về pH đẳng điện của casein
(khoảng 4,6). Tại điểm đẳng điện, các điện tích âm trên bề mặt các micelle casein bị trung hòa,
đồng thời gây hư hỏng lớp vỏ ưa nước glucan, dẫn đến sự mất ổn định các micelle. Mặt khác khi
pH giảm, các keo canxi phosphate (CCP) bị hòa tan, làm suy yếu cấu trúc nội phân tử của các
micelle. Quá trình đông tụ sữa dưới tác động của acid xảy ra theo 3 giai đoạn của sự giảm pH.
Giai đoạn 1: Khi pH giảm từ 6,7 đến 6,0: các điện tích âm trên bề mặt micelle casein
giảm xuống, dẫn đến việc giảm lực đẩy tĩnh điện giữa các micelle. Kích thước và cấu trúc của
hạt micelle hầu như chưa thay đổi vì chỉ có 1 lượng rất nhỏ cầu canxi phosphate bị hòa tan tại pH
= 6,0.

19


Giai đoạn 2: Khi pH giảm từ 6,0 đến 5,0: số lượng điện tích âm trên các sợi glucan bao
quanh bề mặt micelle tiếp tục giảm xuống thấp hơn, dẫn đến làm giảm cả lực đẩy tĩnh điện và sự
ổn định về không gian của các hạt micelle. Do đó, các sợi lông glucan tích điện này bị co lại và
các micelle trở nên mất ổn định dễ bị đông tụ hơn. Ngoài ra, việc giảm pH cũng gây ra sự giảm
số điện tích âm của các acid amin có tính acid của cấu trúc casein như: aspartic, glutamic, gốc
phosphoserine. Theo đó, số điện tích bề mặt của các αs1, αs2, β-casein cũng giảm, điều này làm
tăng độ tan của muối canxi phosphate trong nước. Kết quả, các ion Canxi và phosphate từ

micelle hòa tan vào pha nước của sữa, các CCP sẽ hòa tan hoàn toàn ở pH = 5,0. Quá trình này
làm đứt các liên kết nội phân tử giữa các casein bên trong micelle, gây ra sự phân ly của các
casein ra khỏi micelle. Các nghiên cứu cho thấy rằng sự phân ly này phụ thuộc vào nhiệt độ và
pH. Mức pH tối đa để casein phân ly ở nhiệt độ ≤ 20ºC là 5,2 - 5,4.
Giai đoạn 3: Khi pH <5,0, sự phân ly của các casein ra khỏi micelle diễn ra mạnh mẽ
đồng thời có sự tái sắp xếp lại cấu trúc giữa các tiểu đơn vị micelle. Trong khi pH giảm và đạt
đến điểm đẳng điện, các điện tích âm được trung hòa gây ra sự giảm tính lưỡng cực của α, β và
k-casein làm giảm lực đẩy tĩnh điện giữa các casein, các casein sẽ tiến lại gần nhau, tạo thành
khối đông sữa thông qua các liên kết kị nước, tĩnh điện, van der waals.

20


Hình 2.5: Tác động của acid lên cấu trúc của micelle

Hình 2.6: Quá trình hòa tan cầu Canxi phosphate và tạo gel của sữa ở pH <5

Đối với sữa không xử lí nhiệt thì cấu trúc gel bắt đầu hình thành ở pH khoảng 4,9. Tuy
nhiên, cấu trúc gel của sữa không qua xử lí nhiệt rất yếu, và cho một giá trị độ nhớt thấp. Nguyên
nhân là do sự kết tụ dày đặc của các cụm hạt casein trong quá trình hình thành gel, làm cho một
số hạt casein bị lấp bên trong cụm casein, không thể hình thành liên kết ngang với các hạt khác.
Đối với sữa đã qua xử lí nhiệt trước khi tạo gel, thì quá trình hình thành gel xảy ra ở pH cao hơn
do sự biến tính của whey protein trong xử lí nhiệt. Kết quả là sữa xử lí nhiệt trở nên dễ đông tụ
bởi acid hơn, vì các whey protein biến tính liên kết với k-casein trên bề mặt của micelle và làm
tăng điểm đẳng điện của micelle lên khoảng pH = 5,3 (vì β –lactoglobulin là thành phần chính
của whey protein có pHi =5,3). Hơn nữa, cấu trúc gel của sữa xử lí nhiệt cũng bền vững hơn gel
sữa không xử lí nhiệt do các whey protein biến tính liên kết với k-casein, tạo nên những cầu nối
bên trong sữa, đồng thời làm tăng số liên kết giữa các hạt casein trong quá trình tạo gel. Do đó,
xử lí nhiệt sữa trước khi lên men lactic là chìa khóa để tạo ra sữa chua có cấu trúc mong muốn.

21


CHƯƠNG 3: BIẾN ĐỔI CỦA SỮA TRONG QUÁ TRÌNH CHẾ BIẾN & BẢO QUẢN
3.1.Biến đổi sinh học và phương pháp hạn chế các biến đổi.
 Nguyên nhân

Hệ vi sinh vật tồn tại trong sữa trong quá trình bảo quản diễn ra quá trình trao đổi chất gây
biến đổi cho sữa. Trao đổi chất bao gồm 2 quá trình: đồng hóa và dị hóa. Quá trình trao đổi chất
có thể được chia thành 2 nhóm: trao đổi năng lượng và trao đổi vật chất. Cả hai đều phục vụ cho
sự tồn tại cũng như sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật trong môi trường, sản phẩm của quá
trình trao đổi chất làm thay đổi tính chất của sữa.
Tốc độ của quá trình trao đổi chất và sinh trưởng của hệ vi sinh vật có trong sữa phụ thuộc
vào nhiêu yếu tố, các yếu tố quan trọng là:
 Nhiệt độ bảo quản sữa.
22


Bảng 3.1: Nhiệt độ sinh trưởng của một số nhóm vi sinh vật
Nhóm vi sinh vật

Nhiệt dộ sinh trưởng
tối ưu (0C)

Đại diện vi sinh vật thường tìm
thấy trong sữa

Ưa lạnh (psychrophile)

5-10

-

Cận ưa lạnh (psychrotrophile)

20-25

Ưa ấm (mesophile)

30-37

Pseudomonas fluorescens
Pseudomonas putida
Propionibacterium
Clostridium butyrium
Coliform
Vi khuẩn lactic: Lactobacillus casel,
Lactobacillus acidophilus
Nấm men
Nấm sợi
Streptococcus thermophiles

Ưa nóng (thermophile)

45

Lactobacillus lactis
Lactobacillus helveticus

Rất ưa nóng ( extremely

thermophile)

>70

-

 Số lượng vi sinh vật.

Theo Luquet (1985), nếu hàm lượng vi sinh vật trong sữa tươi không lớn hơn 10.000 tế
bào/ml, quá trình bảo quản sữa ở 4 0C có thể kéo dài trong 3 ngày mà không có những thay đổi
đáng kể về chất lượng sữa. Tuy nhiên cần lưu ý rằng, sau ba ngày bảo quản sữa dù ở nhiệt độ
thấp, tổng hàm lượng vi sinh vật trong sữa có thể tăng đến 1.000.000 tế bào/ml. Khi đó, những
biến đổi làm hư hỏng chất lượng sữa do vi sinh vật sẽ diễn ra với tốc độ nhanh hơn.
Nếu hàm lượng vi sinh vật trong sữa tươi sau khi vắt lên đến 50.000 tế bào/ml, quá trình
bảo quản sữa ở 40C chỉ có thể kéo dài trong 2 ngày. Sau 2 ngày, lượng vi sinh vật trong sữa sẽ
tăng lên 1.000.000 tế bào/ml.
Đối với vi khuẩn: Chúng sinh sản theo phương pháp vô tính, chủ yếu là nhân đôi. Số tế bào
vi khuẩn trong sữa tăng rất nhanh nếu được bảo quản ở điều kiên thích hợp cho vi khuẩn sinh
trưởng và phát triển. Tuy nhiên, sự gia tăng số tế bào vi khuẩn sẽ bị giới hạn bởi hàm lượng các
23


chất dinh dưỡng có trong sữa. Ngoài ra, chính sự tích lũy một số sản phẩm trao đổi chất do vi
sinh vật tiết vào sữa có thể ức chế sự trao đổi chất và sự sinh trưởng của chúng. Trong thực tế,
người ta sử dụng nhiệt độ thấp để kìm hãm sự sinh sản của vi khuẩn nói riêng và vi sinh vật nói
chung trong quá trình bảo quản sữa.
Đối với nấm men: Nấm men có thể sinh sản bằng phương pháp vô tính hoặc hữu tính. Nấm
men sinh trưởng vô tính bằng hình thức nảy chồi hoặc phân đôi, sinh sản hữu tính bằng cách hai
tế bào sẽ tiếp hợp nhau tạo điều kiện cho sự tiếp hợp giữa hai nhân. Nấm men sinh trưởng tốt ở
nhiệt độ 30-370C.

Đối với nấm sợi: Nấm sợi thường sinh sản theo phương pháp vô tính tạo ra bào tử. Sự phát
triển của hệ nấm sợi kéo theo việc tổng hợp các bào tử với số lượng lớn. Các bào tử này có thể
tồn tại trong các điều kiện không thuận lợi về nhiệt độ, độ ẩm… Một số nấm sợi có thể sinh sản
theo phương pháp hữu tính thông qua sự tiếp hợp và trao đổi vật chất di truyền giữa các sợi nấm.
Sự phát triển của vi khuẩn lactic bị kìm hãm, số lượng của chúng bị giảm xuống khi nồng
độ axit lactic trong sữa đến nồng độ nhất định (khoảng 1,2%). Lúc này nấm men (Mycoderma)
và nấm mốc (Oidiumlactic, Penicilinum, Aspergillus) bắt đầu phát triển. Các loại này sử dụng
được lactic axit, làm cho độ axit của sữa giảm xuống, tạo điều kiện cho vi khuẩn thối rữa phát
triển mạnh, kết quả sữa nhanh chóng bị hư hỏng.
 Các quá trình biển đổi

Sự sinh trưởng và trao đổi chất của hệ vi sinh vật có trong sữa là quá trình sinh học, sự
sinh trưởng của vi sinh vật sẽ làm thay đổi thành phần hóa học và tính chất cảm quan của sữa
(màu sắc, mùi, vị,…).
Đường sữa là nguồn cơ chất cho hoạt động của vi sinh vật. Trong quá trình bảo quản, chế
biến, vi sinh vật lên men đường tạo các sản phẩm:
 Quá trình lên men rượu

Enzyme Lactase sẽ lên men Lactose  Glucose + Galactose, sau đó glucose lên men
rượu tạo thành rượu và CO2. Quá trình này tạo ra nhiều sản phẩm trung gian và hương vị đặc
trưng, đặc biệt cho sữa chế biến.
 Quá trình lên men lactic

24


Lên men lactic xảy ra tương tự như lên men rượu nhưng sản phẩm cuối cùng là axit lactic.
Quá trình này đóng vai trò quan trọng trong quá trình sản xuất sữa chua.
Đối với nhóm vi khuẩn lactic, để sinh tổng hợp ATP, một số loài có thể chuyển hóa đường
lactose thành acid lactic theo chu trình đường phân. Nhiều sản phẩm trung gian và sản phẩm phụ

của quá trình này xuất hiện trong sữa như acetaldehyde, diacetyl, aceton, các acid hữu cơ…
 Quá trình lên men butyric

Vi khuẩn butyric phân huỷ đường cho ra sản phẩm cuối cùng là axit butyric, CO 2 và H2 làm
cho sữa có mùi xốc, khét, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.
 Quá trình lên men propionic

Phản ứng này do vi khuẩn mà điển hình là Propionibacterium. Chúng sử dụng axit lactic
và muối lactat cho sản phẩm cuối cùng là propionic, axit axetic, CO 2, H2O. Phản ứng này thường
được ứng dụng trong sản xuất pho mát. Đối với nhóm vi khuẩn propionic, trong quá trình tổng
hợp năng lượng, chúng chuyển hóa đường thành acid propionic, acid acetic, khí CO 2… và nhiều
sản phẩm phụ khác.
 Biện pháp giảm hư hỏng do vi sinh vật
 Đảm bảo vệ sinh trong giai đoạn vắt và vận chuyển sữa từ nơi thu hoạch về nhà

máy chế biến, nhằm giảm đến mức tối đa hàm lượng vi sinh vật ban đầu có trong
sữa.
 Tại nhà máy, nếu sữa tươi chưa đưa vào chế biến ngay thì có thể tiến hành thanh
trùng sữa (nhiệt độ 630C, thời gian 15s).
 Quá trình bảo quản sữa từ sau khi vắt đến trước khi chế biến phải được thực hiện
trong điều kiện nghiêm ngặt: nhiệt độ sữa không lớn hơn 4 0C, tránh sự khuấy trộn
và sự có mặt của oxy trong sữa.
 Bảo quản bằng phức chất LPS

Phức chất Lactoperoxydase (LPS) là phương tiện bảo vệ tự nhiên có sẵn trong sữa. Nó bao
gồm một enzym (Lactoperoxydase), liên kết với một anion và một lượng nhỏ peroxyde. Phức
chất này oxy hoá các cơ chất đặc trưng trên màng tế bào vi khuẩn, dẫn đến rối loạn quá trình trao
đổi chất và kết quả là vi khuẩn có thể bị chết. Thông thường, phức chất này có tác dụng diệt các
vi khuẩn Gram (-) và tác động kìm hãm các vi khuẩn Gram (+) phát triển.

25