Tận dụng và xử lí phế phụ liệu từ công nghệ chế biến sữa

300C
Kiểm sốt pH
BỘ CƠNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
VIỆN CƠNG NGHỆ SINH HỌC VÀ THỰC PHẨM

BÁO CÁO
CaO

Công nghệ xử lý phế phụ liệu thực phẩm
Tận dụng và xử lí phế phụ liệu
trong quy trình cơng nghệ sản xuất các sản phẩm từ sữa

Cơ đặ

Nhóm 7

Lớp: DHTP13D

GVHD: Đỗ Viết Phương

1


LỜI CẢM ƠN
Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sự tri ân sâu sắc đối với quý thầy cơ
trường Đại Học Cơng Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh, đặc biệt là quý thầy cô trong Viện
Sinh Học và Thực phẩm đã tạo điều kiện cho chúng em trong quá trình học tập
Em xin chân thành cảm ơn thầy Đỗ Viết Phương đã cung cấp cho em nguồn kiến
thức để em có thể hồn thành bài tiểu luận này.
Xin cảm ơn thầy và các bạn sinh viên đã theo dõi và đóng góp ý kiến, lời nhận xét để

nhóm em hồn thiện bài tiểu luận này
Em xin chân thành cảm ơn.

2


MỤC LỤC

3


MỞ ĐẦU
Khoảng 2500 năm trước Hippocrates đã sáng chế ra một số loại sữa có tác dụng tăng
cường sức khỏe, tăng sức đề kháng, tăng sức mạnh và cải thiện tốc độ phát triển cơ bắp
Đến cuối thế kỷ 16 tại Thụy Sỹ, một số nông dân làm việc ở trang trai nuôi heo phát hiện
ra rằng nếu heo tắm bằng sữa sẽ phát triển nhanh hơn Phát hiện này đã dẫn đến sự ra đời
của Whey Protein
Khi thực hiện q trình đơng tụ sữa trong sản xuất phơ mai, sữa tươi sẽ chuyên thành một
hệ gồm có hai pha: rắn và lỏng. Pha rằn được gọi là khối đông (curd), còn pha lỏng là
huyết thanh sữa (whey). Thành phần hóa học chủ yếu của huyết thanh sữa gồm có nước,
các protein hịa tan, đường lactose, một số muối khống, vitamin. Ngày nay, do nhu cầu
về thực phẩm của con người ngày càng tăng, các sản phẩm whey protein đang được các
nhà sản xuất cài thiện để thỏa mãn thị trường.

4


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHÔ MAI VÀ PHẾ PHỤ LIỆU WHEY
PROTEIN
1. Phô mai

1.1 Tổng quan về phô mai (1) (2)
Từ thời đế chế La Mã cổ đại, phô mai đã xuất hiện và chiếm vị trí quan trọng trong
ẩm thực nước Ý. Bắt nguồn từ nhu cầu bảo quản và nhất là vận chuyển sữa, người dân La
Mã đã nghĩ ra cách kết đông và lên men sữa động vật, sữa được chuyển từ thể lỏng sang
thể rắn – chính là phơ mai. Trong các cuộc viễn chinh của quân đội La Mã, phô mai rất
được binh sĩ ưa chuộng vì tính chất bổ dưỡng, thơm ngon, dễ vận chuyển. Từ những điều
kiện ấy, qua thời gian, ảnh hưởng của phô mai trong ẩm thực Ý ngày càng trở nên sâu
rộng.

Hình 1: Phơ mai
Phơ mai (Tiếng anh – cheese, tiếng Pháp – fromage) là một sản phẩm rất giàu dinh
dưỡng được chế biến từ sữa. Theo phương pháp sản xuất truyền thống người ta tiến hành
đông tụ casein trong sữa, sau đó tách khối đơng thu được (curd) để chế biến tiếp thành
5

phô mai.
Phô mai được tiêu thụ nhiều nhất ở châu Âu. Ở Pháp, trung bình hàng năm mỗi
người sử dụng 26 – 28kg phô mai các loại. Có nhiều phương pháp khác nhau để phân loại
phơ mai.


-

Hàm lượng nước trong phô mai thường được biểu diễn thông thường qua tỷ lệ phần trăm
giữa lượng nước và tổng khối lượng phơ mai đã trừ béo, được kí hiệu là MFFB (Moisture
on Fat Free Basis):

Dựa vào giá trị MFFB, người ta chia phô mai thành 5 loại:
Loại sản phẩm

Giá trị MFFB
(%)

Phô

mai

rất

cứng
Phô mai cứng
Phô mai bán

<41
49 - 56
54 - 63

Loại
sản
Giá
phẩm
MFFB (%)
Phô mai bán
61 – 69
mềm
>67
Phô
mai
mềm

trị

cứng

Bảng 1: Phân loại phô mai theo giá trị MFFB
-

Lượng chất béo trong phô mai thường được biễu diễn thông qua tỷ lệ phần trăm giữa
lượng chất béo và tổng khối lượng phô mai đã trừ chất béo, được ký hiệu là FDB (Fat on
Dry Basis)

FDB

6


Dựa vào giá trị FDB, người ta chia phô mai thành 5 loại:

-

Loại sản phẩm
Phơ mai có hàm lượng béo rất cao

Giá trị FDB (%)
>60

Phơ mai có hàm lượng béo cao

45 – 60

Phơ mai có hàm lượng béo trung bình

25 – 45

Phơ mai có hàm lượng béo thấp

10 – 25

Phơ mai gầy

<10

Bảng 2: Phân loại phô mai theo giá trị FDB
Dựa vào quy trình cơng nghệ sản xuất phơ mai có q trình ủ chín hay khơng và dựa vào
hệ vi sinh vật gây nên các biến đổi trong giai đoạn ủ chín sản phẩm, người ta chia phơ mai
thành hai nhóm chính:
Loại sản phẩm
Phơ mai tươi
Phơ mai có qua giai đoạn ủ chín

Đặc điểm
Khơng qua giai đoạn ủ chín
Hệ vi sinh vật tham gia trong q trình ủ
chín:
- Vi khuẩn
- Vi khuẩn và nấm mốc
Các biến đổi trong giai đoạn ủ chín diễn ra
chủ yếu:
- Trên bề mặt khối phô mai

- Trong bề sâu khối phô mai
- Trên bề mặt và trong bề sâu
khối phô mai

Bảng 3: Phân loại phơ mai theo q trình ủ chín
Ngồi ra cịn có một loại phô mai đặc biệt khác được gọi là phô mai chế biến hay
phô mai nấu chảy (tiếng anh: processed cheese; tiếng Pháp: fromage fondu), được sản
xuất từ một số loại phơ mai khác.
Cịn có phơ mai tươi đại diện
cho một nhóm đa dạng các loại được sản xuất bằng
7
cách đông tụ sữa, kem hoặc váng sữa thông qua q trình axit hóa, axit hóa với một
lượng nhỏ men dịch vị, hoặc kết hợp giữa axit và nhiệt và sẵn sàng để tiêu thụ sau khi
sản xuất xong. [1].


1.2 Tổng quan về nguyên liệu sản xuất phô mai (1)
Sữa: người ta có thể sản xuất phơ mai từ sữa bò, sữa dê hoặc sữa cừu dưới dạng sữa
tươi, sữa đã tách một phần béo hoặc sữa gầy.
Trong sản xuất phô mai, yêu cầu về các chỉ tiêu chất lượng sữa rất nghiêm ngặt. Sữa
phải thu nhận từ những động vật khỏe mạnh, khơng chứa kháng sinh và bacteriophage.
Ngồi ra, sữa cũng không bị nhiễm bẩn các chất tẩy rửa, chất sát trùng.
Các nhà sản xuất thường quan tâm đến chỉ tiêu vi sinh của sữa, đặc biệt là nhóm vi
khuẩn sinh bào tử (giống Clostridium) và nhóm vi sinh vật ưa lạnh (giống Pseudomonas).
Vi khuẩn Clostridium bền nhiệt, lên men chuyển hóa acid lactic thành acid butyric và khí
hydro tạo mùi khó chịu và gây hư hỏng sản phẩm. Vi khuẩn Pseudomonas thì có khả năng
ưa lạnh và tiết ra những enzym ngoại bào xúc tác quá trình thủy phân lipid và protein có
thể gây ra mùi ơi và vị đắng.
Hàm lượng protein-casein trong sữa cũng là một chỉ tiêu hóa lý quan trọng.
Chất béo: để sản xuất phơ mai có hàm lượng chất béo cao, người ta sử dụng thêm

cream hoặc sữa bơ (buttermilk). Các chất béo này phải đạt các yêu cầu nghiêm ngặt về vi
sinh vật.
Tác nhân đông tụ sữa: phổ biến là chế phẩm rennet được thu nhận từ ngăn thứ tư dạ
dày bê. Thành phần enzym quan trọng nhất trong chế phẩm là chymosin, ngồi ra rennet
cịn có những hoạt tính khác như peppsin, lipase... Chế phẩm phải được bảo quản ở nhiệt
độ thấp(4÷60c). Để giảm giá thành sản phẩm, người ta sử dụng các tác nhân đơng tụ sữa
có nguồn gốc từ thực vật và vi sinh vật.
Giống vi sinh vật: trong sản xuất phô mai, tùy thuộc loại sản phẩm mà các nhà sản
xuất có thể sử dụng một lồi hoặc tổ hợp loài vi sinh vật khác nhau.
8

Phổ biến nhất trong sản xuất phơ mai là vi khuẩn lactic, có chức năng tạo acid lactic
trong q trình lên men. Nhóm vi khuẩn propionic được sử dụng trong ủ chín, tạo nên
những lỗ hỏng trong cấu trúc phô mai cứng và góp phần tạo hương vị cho sản phẩm.


Ngoài ra, các loài nấm mốc thuộc giống Penicillium được sử dụng trong giai đoạn ủ chín,
xúc tác chuyển hóa protein và lipid.
Phụ gia và các nguyên liệu khác:
Muối ăn (NaCl): tạo vị, chất bảo quản và là tác nhân tham tạo cấu trúc phô mai. Hàm
lượng thường dao động từ 97-99%.
CaCl2: ion Ca2+ có vai trị quan trọng trong đông tụ casein.
CO2: làm giảm nhẹ pH sữa. Theo Bylund Gosta (1995) thì việc sục CO 2 cho phép rút
ngắn thời gian đông tụ hoặc tiết kiệm lượng chymosin sử dụng
NaNO3 hoặc KNO3: được sử dụng như một tác nhân ức chế vi sinh vật trong sữa.
hàm lượng tối đa cho phép dùng là 30g/100kg sữa.
Chất màu: màu sắc của phơ mai là do các hợp chất carotenoides hịa tan trong chất
béo của sữa tạo nên. Cường độ màu sắc sẽ thay đổi theo thời tiết trong năm. Để ổn định
màu sắc của phô mai, nhà snar xuát thường sử dụng các chất màu tự nhiên như
carotenoides (E160) hoặc chlorophylle (E140).

Những nguyên liệu khác: đường saccharose, nước ép trái cây, mứt trái cây… được sử
dụng trong sản xuất một số loại phơ mai tươi để làm đa dạng hóa hương vị sản phẩm.
2. Tổng quan về Whey protein
2.1 Whey protein – Phế phụ liệu từ công nghệ sản xuất phô mai
Whey là sản phẩm sữa dạng lỏng thu được trong q trình sản xuất phơ mai, casein
hoặc các sản phẩm tương tự bằng cách tách khỏi sữa đông sau khi đông tụ sữa và / hoặc
các sản phẩm thu được từ sữa. Sự đông tụ thu được thông qua hoạt động của các enzym
Mỗi kg phô mai được sản xuất thì tạo ra được khoảng 9 lít whey và một nhà máy sản xuất
phơ mai lớn có thể tạo ra hơn 1 triệu lít whey mỗi ngày [2]
9

Trước đây, whey thường bị coi là phụ phẩm phế thải, công nghệ chế biến tiên tiến đã
đưa whey protein lên đầu danh sách các chất dinh dưỡng quan trọng, và những công nghệ
mới hơn sẽ giúp giữ nó vĩnh viễn. Whey khơng được sử dụng cho con người mà chỉ cho


lợn hoặc gia súc khác ăn, được rải làm phân bón, hoặc đơn giản là thải ra ngồi. Whey là
thức ăn được bổ sung cho lợn trong nhiều thế kỷ.
Whey protein là một dung dịch phức hợp dạng nước chứa gần 7% chất rắn hòa tan.
Chất rắn bao gồm khoảng 10-12% protein, phần còn lại chủ yếu là đường lactose (74%),
khoáng chất (8%), chất béo sữa (3%) và axit lactic.
Việc thải whey bằng cách đổ ra sông thường được sử dụng ở Hoa Kỳ trước khi các
quy định về môi trường có hiệu lực. [3]
Ngày nay, whey đang phát triển thành một sản phẩm được sử dụng vì lactose,
khống chất và protein mà nó chứa cũng như các đặc tính chức năng mà nó truyền cho
thực phẩm .
Thế giới ngày càng chuộng sử dụng whey nhiều hơn
2.2 Thành phần của Whey protein [4]
Whey là nguồn protein, đường và chất khoáng có chất lượng và hoạt tính sinh học
cao. Các chế phẩm từ whey được phân thành một số loại khác nhau.

Các protein chủ yếu của whey là β-lactoglobulin và α-lactalbumin

Hình 2: β-lactoglobulin (nguồn: wikipedia)
β-Lactoglobulin chiếm khoảng 50% tổng thành phần whey protein của sữa bị. Nó
kết hợp với canxi và kẽm và có một phần chuỗi protein tương đồng với các protein gắn
10
kết retinol (vitamin A). β-Lactoglobulin
có nhiều điểm bám cho các chất khoáng, lipid và

các vitamin tan trong chất béo, vì vậy chúng được sử dụng để gắn kết các hợp chất ưa
chất béo như tocopherol và vitamin A vào trong các sản phẩm ít chất béo.


Hình 3: α-lactalbumin (nguồn: wikipedia)
α-Lactalbumin chiếm khoảng 25% tổng thành phần whey protein của sữa bò; 70%
protein trong sữa người giống với protein của whey, và 41% trong số protein đó là α–
Lactalbumin. α-Lactalbumin chiếm 28% protein tổng số của sữa người. Bổ sung một
lượng α–Lactalbumin của sữa bò sẽ tạo được công thức sữa gần giống sữa mẹ cho trẻ sơ
sinh và các chế phẩm khác cho những người có lượng protein ăn vào hạn chế. Albumin và
globulin miễn dịch trong huyết thanh là những loại protein của máu, chúng kết hợp chặt
chẽ với sữa và sau đó có thể phục hồi trở thành loại protein thứ yếu của whey. Albumin
huyết thanh liên kết với các axit béo cũng như các phân tử nhỏ khác. Các globulin miễn
dịch gồm có IgG1, IgG2, IgA và IgM. Chúng cung cấp miễn dịch thụ động cho trẻ sơ sinh
và các khách hàng khác. Một lượng lớn globulin miễn dịch được tìm thấy trong loại whey
thu được từ sữa non Colostrum.
Các protein thứ yếu bao gồm các proteose-peptone, các protein của huyết thanh và
lactoferrin.
Protein của whey là loại protein dễ tiêu hoá, đáp ứng hoặc vượt chỉ tiêu về tất cả các
yêu cầu thiết yếu của acid amine do Tổ Chức Lương Nông Thế Giới (FAO) và Tổ Chức Y
Tế Thế Giới (WHO) thiết lập. Được công nhận trong thời gian dài như là nguồn protein

chất lượng cao, bản thân whey protein của Hoa Kỳ cịn có những thuộc tính chức năng và
dinh dưỡng khác được các nhà sản xuất thực phẩm nhìn nhận. Tác dụng miễn dịch của
whey protein đã được chứng minh rõ ràng cùng với việc cải thiện công nghệ tinh sạch.
Các con vật được cho ăn khẩu11phần chứa whey như là nguồn bổ sung protein, có khả
năng chống lại việc gây ung thư bằng hoá chất cao hơn so với những con vật cho ăn
casein hoặc đậu nành. Tính chất dinh dưỡng và chức năng của whey protein do cấu trúc
và chức năng sinh học của các loại protein này quyết định, chúng có rất nhiều đặc tính.


Hai loại protein khác có trong whey là lactoferrin và lactoperoxidase.

Hình 4: lactoferrin (nguồn: wikipedia)
Lactoferrin là protein liên kết và vận chuyển sắt, làm tăng khả năng hấp thụ sắt mà
khơng gây táo bón ở trẻ sơ sinh như trong trường hợp bổ sung sắt vơ cơ. Vì những lý do
đó nên lactoferrin được sử dụng rộng rãi ở Nhật Bản, Hàn Quốc và các nước châu Á khác
trong công thức sữa dành cho trẻ sơ sinh. Ngoài ra, lactoferrin cịn có nhiều lợi ích khác
như: chống oxy hố, tăng cường miễn dịch và chống ung thư. Lactoferrin cũng có thể là
một nhân tố điều chỉnh miễn dịch, nó là yếu tố kháng bệnh khơng đặc hiệu chủ yếu được
tìm thấy trong tuyến vú. Điểm quan trọng là, sau khi sắt được tách ra khỏi lactoferrin để
hấp thu, lactoferrin lại tiếp tục liên kết với sắt tự do có trong đường tiêu hoá. Nhờ khả
năng liên kết với sắt nên lactoferrin ức chế được hệ vi sinh vật có hại, thúc đẩy sự phát
triển của các vi sinh vật có lợi trong đường ruột bằng cách ức chế sự sinh trưởng phát
triển của vi khuẩn gây bệnh đường ruột. Hoạt tính kìm khuẩn của lactoferrin cũng đang
được nghiên cứu để có thể sử dụng làm chất bảo quản. Lactoferricin – chuỗi peptide cơ
bản thu được từ lactoferrin – có khả năng chống lại các căn nguyên gây bệnh đường ruột.

12

Hình 5: lactoperoxidase (nguồn: wikipedia)

Lactoperoxidase là enzyme phân huỷ hydrogen peroxyde. Thành phần này của sữa
và các chế phẩm từ whey là một enzyme có tính kháng khuẩn. Lactoperoxidase đã được
nghiên cứu sử dụng như là một cơng cụ kiểm sốt độ chua và kiểm sốt sự thay đổi pH
trong q trình bảo quản lạnh sữa chua, và đang được nghiên cứu để làm chất bảo quản tự
nhiên. Kết hợp với các chất bảo quản khác, nó đang được sử dụng làm thành phần ức chế
vi khuẩn của thuốc đánh răng.
Glycomacropeptide (GMP) – phần glycozyl hố của caseinomacropeptide (CMP) –
có trong loại whey ngọt được tạo ra tiếp sau quá trình phân tách k-casein và kết tủa casein
bằng rennin. Loại protein này khơng có trong whey chua được tạo ra khi casein được kết
tủa ở mức pH thấp hơn 4,6. Glycomacropeptide có thể ức chế tính ngon miệng do kích
thích tiết hormon tuyến tuỵ cholecystokinin (CCK), làm thay đổi quá trình sản xuất sắc tố
trong tế bào hắc tố (melanocyte), hoạt động như một prebiotic và có chức năng điều chỉnh
miễn dịch. Hoạt động sinh lý của GMP phụ thuộc vào khả năng glycozyl hố của nó.

Bảng 4: Thành phần protein của sữa
13


CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH HƯỚNG TẬN DỤNG

1. Sơ đồ quy trình sản xuất phơ mai

Sữa tươi

Chuẩn hóa

Thanh trùng

Giống vi khuẩn Lactic

Cấy giống

Lên men

Rennet

Đông tụ
Huyết thanh sữa
Tách huyết thanh sữa

Cream hoặc các ngun
liệu phụ khác

Bao bì

Khuấy trộn

Rót sản phẩm

14

Phơ mai Blanc

Hình1: Sơ đồ quy trình cơng nghệ sản xuất phơ mai Blanc


2. Các hướng tận dụng

Trong những năm gần đây, người ta đã quan tâm nhiều đến việc tăng hàm lượng whey

protein trong pho mát . Việc hướng tới sự kết hợp whey protein nhiều hơn đã xảy ra vì:
a) Từ góc độ dinh dưỡng, whey protein được bao gồm trong pho mát là mong muốn.
b) Việc kết hợp nhiều hơn whey protein sẽ làm tăng năng suất pho mát (kg pho mát /
100 kg sữa).
c) Tăng khả năng giữ lại whey protein trong phô mai làm giảm số lượng được sản xuất
và bán trên thị trường ở các dạng giá trị gia tăng như whey protein cô đặc hoặc cô
lập. Trong nhiều trường hợp, việc chuyển đổi whey protein thành pho mát sẽ tiết kiệm hơn
là thành các nguyên liệu đặc biệt như vậy. Trong trường hợp dòng whey bị loại bỏ, việc giữ
lại thành phần protein trong pho mát sẽ giúp giảm thiểu các vấn đề về nước thải. [5]
Khả năng tận dụng whey: [6]
(1)

(5)

whey

Acid whey

Nước ép

(4)
(3)

(2)

UF

Muối hữu cơ tự nhiên

Thấm vào

Lên men
Đồ uống

Bột whey
Đường lactose
Riboflavin

(6)

retentat

Sinh khối

Acid lactic
(7)

Phô mai albumin

Lên men
15

WPC ; IPS
α- Lactalbumin

Cồn sinh học


Hướng tận dụng 1:
Có thể dùng váng sữa kết hợp với một số trái cây: xoài, mãng cầu,…

Hướng tận dụng 2:
Có thể dùng để lên men acid lactic
Hướng tận dụng 3:
Lactose là thành phần chính của whey, và chiếm ~ 70% tổng lượng whey khô nên
whey được coi là chất nền tốt để sản xuất lactose. Do đó, lactose được phân lập từ whey
đã khử protein (ví dụ whey thấm qua UF) bằng cách áp dụng các quy trình khác nhau như
cô đặc whey bằng cách bay hơi; kết tinh lactose từ whey cô đặc và tách các tinh thể thu
được bằng máy ly [7]. Theo cách này, lactose thô hoặc tinh chế được sản xuất.
Hướng tận dụng 4:
Sản phẩm lâu đời nhất có nguồn gốc từ whey được gọi là albumin hoặc whey cheese.
Phô mai whey là các sản phẩm rắn, bán rắn hoặc mềm chủ yếu thu được thơng qua việc
cơ đặc whey và q trình đúc sản phẩm cơ đặc [8] hoặc thơng qua q trình đơng tụ whey
bằng nhiệt có hoặc khơng có thêm axit [9].
Hướng tận dụng 5:
Axit lactic và các dẫn xuất của nó được sử dụng rộng rãi trong các ngành công
nghiệp thực phẩm, mỹ phẩm, dược phẩm, da, dệt may và hóa chất. Axit lactic cũng có thể
được sử dụng thay cho axit xitric hoặc axit tartaric trong sản xuất đồ uống khơng cồn, kẹo
chua, sản phẩm thuốc, v.v…
Axit lactic có thể được sản xuất bằng cách lên men vi sinh vật hoặc tổng hợp bằng
cách thủy phân lactonitril [10].
16

Hướng tận dụng 6:
Lợi ích của WPC và WPI trong các ứng dụng thực phẩm bao gồm hàm lượng protein
và axit amin cao; hàm lượng calo, chất béo và natri thấp; không mầm bệnh, hợp chất độc


hại, và các yếu tố phản dinh dưỡng; khả năng tạo nhũ tốt; khả năng tương thích với các
thành phần khác; ln sẵn có và nhận thức rằng nó là một sản phẩm “tự nhiên” WPC và
WPI là những sản phẩm nhạt với hương vị sữa đặc trưng, mặc dù các hợp chất oxy hóa

lipid và sinh nhiệt có thể dẫn đến hương vị khơng có mùi (Carunchia Whetstine et al.
2005) [3]
Hướng tận dụng 7:
Thái độ đối với whey và việc sử dụng nó đã thay đổi trong những năm qua từ một
sản phẩm phụ sang nguyên liệu thô giá trị gia tăng. Các vấn đề môi trường đã buộc các
chính phủ phải lập pháp luật liên quan đến việc thải bỏ váng sữa và do đó, những thách
thức khoa học dẫn đến việc phát triển các công nghệ khác nhau để sử dụng những gì từng
được coi là 'chất thải' từ sản xuất pho mát thành một nguyên liệu thô quan trọng và kinh tế
cho sản xuất nhiều nguyên liệu / sản phẩm cho ngành công nghiệp thực phẩm. Mặc dù
khối lượng lớn whey vẫn cần được chế biến, nhưng việc sản xuất cồn sinh học có thể trở
nên khả thi hơn và mang lại nhiều lợi nhuận hơn bằng cách cải tiến cơng nghệ và giảm
chi phí sản xuất.
3. Giới thiệu sản phẩm

3.1 Whey cô đặc (whey protein concentrates – WPCs)
WPC có thể chứa từ 20 đến 89% protein; WPC với 35% protein (WPC-35) là một
sản phẩm thông thường. Sự kết hợp của UF và DF loại bỏ các khoáng chất và đường
lactose khỏi dịch tiết, cho phép sản xuất WPC với > 50% protein (Kelly 2003). Gần 170
triệu kg WPC đã được sản xuất ở Hoa Kỳ vào năm 2005, và 86% trong số đó được dùng
cho con người (Gould 2006). [3]
3.2 Whey protein cô lập (whey protein isolates - WPIs) [11]
Công dụng:
Tăng sức đề kháng
17
Tốt cho tim mạch
Hỗ trợ xây dựng cơ bắp


Whey protein cơ lập (WPI) chứa ít nhất 90% protein, hầu như đã loại bỏ hết lactose.
Tháp trao đổi ion, phân tách các thành phần bằng điện tích ion thay vì kích thước phân tử,

thường được sử dụng cùng với quá trình lọc màng (Foegeding và Luck 2003). Sản lượng
WPI của Hoa Kỳ năm 2005 là 15,6 triệu kg (Gould 2006)
Để sản xuất WPI, whey được tách béo bằng cách ly tâm hoặc lọc microfi và khử khoáng
bằng trao đổi ion, thẩm tách điện hoặc lọc nano. Các protein được cô đặc bằng phương
pháp lọc màng hoặc phương pháp sắc ký trao đổi ion.
3.3 Sản xuất Lactose tinh thể từ Whey
Cơ chế: lactose có khả năng hịa tan thấp, khi được cô đặc trước để tăng nồng độ chất
khô, tiếp sau cho qua các thiết bị bay hơi, kết tinh thì dễ kết tinh hình thành tinh thể ở
nồng độ cao hơn 11%(w/v), thu được tinh thể lactose [12].
3.4 Sản xuất Canxi propionate [13]
Cơ chế: trong quá trình lên men trong lò phản ứng sinh học, đường được sử dụng lên
men là glucose có trong Lactose. Glucose được chuyển vào tế bào chất, đi vào chu trình
đường phân và chuyển hóa thành phosphoenolpyruvic (PEP) ( một chất trung gian giàu
năng lượng ). Sau đó, phần lớn PEP được chuyển thành Pyruvate và phần Pyruvate lại
chuyển thành acid propionic theo chu trình Wood-Werkman, một ít chuyển thành acid
acetic. Sau khi kết thúc quá trình lên men, kết quả thu được là hỗn hợp acid propionic và
acetic. Thực hiện bước tách để thu acid propionic, sau đó cho tác dụng với CaO để thu
được muối Canxipropionate mà mình cần [14].

18


CHƯƠNG 3: QUY TRÌNH SẢN XUẤT CÁC SẢN PHẨM TẬN DỤNG
1. Whey cơ đặc (whey protein concentrates – WPCs)

Quy trình sản xuất

[11]

Whey

protein

Lọc 30-40oC

Đun sơ bộ
50oC

Hạt casein mịn

Phân tách

Thanh trùng
72oC, 15s
Sửa đổi
Điều
chỉnh pH

Nước
DF

Whey cream

Giữ nhiệt

WPC

Làm nguội
50oC

Vào túi

UF/DF
(Siêu lọc)

Phun làm khô
Nước

Permeate
Sửa đổi

Làm nguội
50oC

Retentate
19

Làm lạnh
4oC

Buffer tank

Thanh trùng
65/72oC, 15s

Làm khơ
25-49% TS
Nước

Hình: Sơ đồ quy trình đơn giản hóa để sản xuất WPC

Thuyết minh quy trình:
Tiền xử lý Whey
Trước khi siêu lọc, đặc biệt để sản xuất WPC có chứa >75% protein, cần phải loại bỏ
các hạt mịn cịn sót lại của casein hoặc sữa đông phô mai, chất béo. Điều này thường
được thực hiện bằng cách sử dụng thiết bị lọc hoặc tách ly tâm, trong trường hợp váng
sữa phô mai thường được lọc trước bằng bộ lọc sàng quay (ví dụ: 17 µm) để loại bỏ phần
lớn ‘hạt mịn'.
Sau khi lọc, whey phô mai thường được thanh trùng ở nhiệt độ cao trong 15 s và có
thể được bảo quản ở nhiệt độ lạnh (ví dụ: dưới 6°C) trước khi thực hiện công đoạn tiếp
theo.
Máy lọc xác định thời gian và khối lượng lưu trữ cần thiết để ổn định thành phần
canxi photphat của whey trước khi siêu lọc như một phương tiện để giảm sự tắc nghẽn
của màng. Điều này thường đạt được bằng cách làm nóng whey đến nhiệt độ cao hơn
nhiệt độ được sử dụng trong quá trình siêu lọc (ví dụ: thường là 50°C) và giữ trong một
khoảng thời gian trước khi làm lạnh đến nhiệt độ mong muốn để siêu lọc. Các điều kiện
cụ thể được sử dụng phụ thuộc vào loại whey và loại máy siêu lọc và màng được sử dụng.
APV Pasilac AS (Nielsen, 1988) khuyến nghị sử dụng 60 - 65°C trong 30 - 60 phút đối
với whey phơ mai.[15]
Whey có thể được cô đặc trước khi siêu lọc. Những lợi thế của điều này đối với sản
xuất WPC bao gồm giảm chi phí vận chuyển whey, khối lượng lưu trữ và tiêu thụ năng
lượng (ví dụ như bơm, làm nóng, làm mát), khả năng tách chất béo được cải thiện, tăng
tổng chất rắn trong WPC ít protein, tăng tổng chất rắn thẩm thấu và giảm lượng nước
được loại bỏ trong quá trình bay hơi và / hoặc làm khơ chất thấm và thấm.
Siêu lọc
Nhiệt độ ưu tiên cho quá trình siêu lọc whey thường được coi là 50°C (tối đa là
55°C). Ở nhiệt độ này, các dịng chảy có thể chấp nhận xuyên qua được và tránh các vấn
đề về tắc nghẽn màng, sự phát triển của vi sinh vật và biến tính nhiệt của protein. Có thể
vận hành ở nhiệt độ thấp hơn (ví dụ 10oC) và vì khả năng hòa tan của canxi tăng lên ở
20

những nhiệt độ thấp hơn này, nên không cần xử lý nhiệt whey trước khi siêu lọc. Những
bất lợi chính là thơng lượng giảm xuống khoảng một nửa thông lượng đạt được ở 50°C và
hoạt động có thể dễ bị nhiễm vi sinh hơn.


Đối với các sản phẩm chứa nhiều hơn 60-65% protein (trong tổng chất rắn), cần sử
dụng phương pháp lọc. Chất lượng của nước được sử dụng để lọc (và để làm sạch và khử
trùng) là đặc biệt quan trọng nếu cần tránh các vấn đề về tắc nghẽn màng. Mối quan tâm
đặc biệt là sự hiện diện của sắt, mangan, nhôm (như AI203) và silica (như Si02). Madsen
(1985) đã gợi ý rằng nồng độ của tất cả các thành phần này nói chung nên nhỏ hơn 0-5
ppm. Sự hiện diện của canxi, axit humic và trong trường hợp của một số màng, clo cũng
có thể gây ra khó khăn. Điều này có thể yêu cầu sử dụng nước đã khử khoáng hoặc làm
mềm (canxi để trao đổi ion natri), hoặc nước từ một số nguồn thích hợp khác (ví dụ như
nước ngưng tụ của thiết bị bay hơi và chất thấm thẩm thấu ngược đã được đề xuất). Số
lượng giai đoạn lọc và khối lượng nước sử dụng phụ thuộc vào thiết kế và hoạt động của
máy siêu lọc và thông số kỹ thuật WPC được sản xuất. Thông thường, lưu lượng của nước
lọc cho mỗi giai đoạn dao động từ 40 đến 95% lưu lượng thấm từ giai đoạn. Nielsen
(1988) đã chỉ ra rằng nước lọc nên được bổ sung vào thời điểm khi đã đạt đến hàm lượng
tổng chất rắn giảm dần mà tại đó thơng lượng tức thời vẫn còn tương đối cao. Để sản xuất
bột WPC có chứa 80% protein, điểm này là khoảng 22-25% tổng chất rắn. Cần phải duy
trì tổng hàm lượng chất rắn này trong suốt các giai đoạn lọc tiếp theo để giảm thiểu cả
lượng nước lọc cần thiết và diện tích màng cần thiết cho quá trình lọc.[16]
Xử lý retentate
Retetate là sản phẩm thu được bằng cách cô đặc protein sữa bằng siêu lọc sữa,
sữa tách một phần chất béo hoặc sữa tách béo. (TCVN 6403:2007)
Permeate là sản phẩm thu được bằng cách tách protein và chất béo sữa ra khỏi
sữa, sữa tách một phần chất béo hoặc sữa tách béo bằng siêu lọc. (TCVN 6403:2007).
Retentate ra khỏi máy siêu lọc có thể cần được làm mát đến nhiệt độ làm lạnh (ví dụ
4°C) và được bảo quản cho đến khi tích lũy đủ thể tích để bắt đầu làm khơ. Việc thanh

trùng phần retentate bằng xử lý nhiệt 66-72oC trong 15 s cũng có thể cần thiết để giảm số
lượng vi khuẩn, bởi vì, đối với sản phẩm 80% protein, vi khuẩn trong whey có thể tập
trung trong q trình siêu lọc lên đến 130 lần.
21

Cô đặc và làm khô
Retentate có thể được cơ đặc trước khi sấy để giảm thiểu chi phí loại bỏ nước và cải
thiện các đặc tính vật lý (ví dụ: khối lượng riêng) của bột. Việc sử dụng thiết kế đặc biệt,
chân không cao, nhiệt độ sơi thấp (ví dụ: 50°C), thiết bị bay hơi màng rơi cho phép các


sản phẩm chứa 35, 60 và 80% protein được cô đặc đến 44, 32-34 và 25 -28% tổng chất
rắn, đồng thời tránh biến tính nhiệt và có thể kết tủa hoặc đông tụ protein. Những cải tiến
gần đây trong thiết kế của thiết bị siêu lọc (bao gồm thiết kế dạng tấm và khung, xoắn ốc
và sợi rỗng) cho phép tạo ra tổng chất rắn cao và trong một số trường hợp có thể loại bỏ
nhu cầu bay hơi.
Q trình làm khô vật thấm thường được thực hiện bằng cách sử dụng máy sấy phun
có gắn đầu phun. Thơng thường, nhiệt độ khơng khí đầu vào và đầu ra được sử dụng lần
lượt là 160-180°C và dưới 80°C. Làm khô tầng chất lỏng thứ cấp cũng có thể được sử
dụng. Vì bột WPC mịn và có khối lượng riêng tương đối thấp, để giảm thiểu thất thốt bột
trong khơng khí sấy khô, cần sử dụng bộ lọc túi dệt để thu hồi bột từ khơng khí sấy sau
xyclon bột sơ cấp.
Bột WPC được đóng gói trong các túi giấy nhiều vách có lót polyethylene 20-25 kg
trực tiếp từ xyclon bột và / hoặc chất độn túi hoặc cách khác từ silo bột.
Thiết bị sử dụng:

Thiết bị ly tâm Decanter
Tách casein bằng thiết bị ly tâm Decanter.
Cấu tạo của thiết bị gồm chén xoay hình trụ, có một đầu dạng cơn. Bên trong có một
trục vis. Cả chén xoay và trục vis đều phải quay cùng chiều nhưng tốc độ của chốn xoay

phải lớn hơn của trục vis (thường nhanh hơn khoảng 25 vòng/phút). Khi hoạt động, phần
22

chất rắn bị đẩy ra thành của chén xoay và được trục vis đẩy về phía đầu cơn. Pha lịng sẽ
di chuyển đến đầu cịn lại và thốt ra ngồi.
Tách béo bằng thiết bị ly tâm đạng đĩa. Tốc độ 2000 – 3000 vòng/phút, thời gian 10
– 15 phút.


Thiết bị ly tâm dạng đĩa
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 mới tách kiệt béo trong dịch whey.

23

Thiết bị trao đổi nhiệt bản mỏng


Sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt bản mỏng sau đó dung dịch được đưa qua màng lọc với
kích thước lỗ sấp xỉ 10 µm trước khi đưa vào thiết bị lọc UF.

Thiết bị siêu lọc UF
Thiết bị: Sử dụng thiết bị lọc membrance dạng ống. Kích thước lỗ màng khơng nhỏ hơn
10-2µm. Áp suất 1-10 bar.
Bên trong thiết bị membrance được chia thành nhiều khoang, mỗi khoang gồm một số
ống trụ nhỏ nằm song song nhau. Đầu tiên nguyên liệu được bơm vào khoang đầu tiên
của thiết bị, dòng retentate thoát ra khỏi khoang này sẽ tiếp tục đi vào các khoang tiếp

theo, dịng retentate thốt ra khỏi khoang cuối cùng sẽ đạt được nồng độ yêu cầu.

24


Thiết bị lọc DF
Nước được bơm vào một cách gián đoạn để rửa phần retentate. Phương pháp này linh
động trong việc điều khiển nồng độ tạp chất cần giảm và nồng độ protein mong muốn.

Thiết bị cô đặc dạng màng rơi
Thiết bị: Sử dụng thiết bị chân không nhiều cấp dạng màng rơi.
Thông số kỹ thuật: Nhiệt độ dung dịch trong q trình cơ đặc khơng được vượt q 65oC,
nồng độ chất khô sau khi cô đặc vào khoảng 45-65%. Thời gian lưu trong thiết bị khoảng
10-30 giây.

25