Quá trình lên men sữa chua

Mục đích:

Chế biến: quá trình lên men làm thay đổi thành phần hoá học, và giá trị cảm quan của hỗn hợp sữa nguyên liệu ban đầu.

Bảo quản: acid lactic được sinh ra trong quá trình lên men, làm giảm pH sữa (pH 4,6), môi trường pH thấp có tác dụng ức chế vi sinh vật giúp kéo dài thời gian bảo quản.

Các biến đổi nguyên liệu:

Sinh học: Vi khuẩn sử dụng chất dinh dưỡng (lactose, protein,…) trong nguyên liệu để thực hiện quá trình trao đổi chất và sinh trưởng.

Hoá sinh và hoá học: Lactose trong sữa được vi khuẩn sử dụng tạo acid lactic. Phản ứng này nhằm sinh tổng hợp năng lượng cho vi khuẩn. Mỗi mol đường lactose tạo ra 4 mol ATP và 4 mol aicd lactic trong lên men đồng hình. Đồng thời trong quá trình lên men ngoài acid lactic còn tạo ra rất nhiều hợp chất tạo mùi đặc trưng cho sản phẩm yaourt là acetaldehyde và diacetyl.

Hoá lý: Việc tạo ra acid lactic trong quá trình lên men làm giảm pH dịch sữa nguyên liệu. Khi pH đạt 4,6 làm casein đông tụ tại giá trị đẳng điện (pIcasein = 4,6) tạo cấu trúc gel đặc trưng cho sản phẩm.

Vật lý: quá trình lên men xảy ra kèm theo hiện tượng toả nhiệt, do vậy cần hiệu chỉnh nhiệt độ lên men 42¸ 43⁰C trong suốt quá trình lên men.

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. 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).

Hình 1 Cơ chế lên men từ Lactose

Hình 2. Ảnh hưởng của acid và kiềm đến Casein 

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.

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 α_s1, α_s2, 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. 

Hình 3. Tác động của acid lên cấu trúc của micelle

Hình 4. Quá trình hòa tan 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 pH_i =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.

 Vi khuẩn lên men sữa chua Streptococcus thermophilus và Lactobacillus bulgaricus

Bảng 1.  Tính chất của vi khuẩn lên men

Đặc tính	Streptococcusb thermophilus (ST)	Lactobacillus delbrueckii subsp. Bulgaricus (LB)
Dạng tế bào và hình thể	Từ hình cầu đến dạng trứng, kết thành chuỗi dài	Hình que, đơn, chuỗi ngắn,
Phản ứng Catalase	-	-
Nhiệt độ phát triển Tối thích Tối thiểu Tối đa	40-45 20 50	40-45 22 52
Nhiệt độ lên men	40–45	42
Chịu nhiệt (600C/30 phút)	++	+
Đồng phân Acid Lactic	L (+)	D (–)
% Acid lactic tạo ra	0,7–0,8	1,5–4,0
Acetic acid (%)	Vết	Vết
Khí (CO2) sinh ra	-	-
Phân giải protein	±	-
Lên men Citrate	-	-
Chất thơm, hương vị	++	++
Tạo H2O2	±	+
Tạo alcohol	-	Vết
Nồng độ muối (cao nhất %)	2.0	2.0
Có thê lên men Cáccarbohydrates: Lactose Glucose Galactose Sucrose Fructose	+ + - + +	+ + - + +

Streptococcus thermophilus

Là cầu khuẩn gram Dương, kỵ khí, không có khả năng di chuyển, tế bào hình cầu hoặc trứng với đường kính 0.7–0.9 μm

Streptococus themophillus: phát triển tốt ở nhiệt độ 50^oC, sinh sản tốt ở nhiệt độ 37 ÷ 40^oC, có khả năng chịu nhiệt đến 65^oC trong 30 phút. Lượng acid lactic tạo thành là 1.5%. pH tối thích của S. themophillus là 6,6 ÷ 6,8.

Sữa là môi trường tốt để S.thermophilus (ST) phát triển. Chúng có thể lên men glucose, fructose, mannose, sucrose and lactose. Lactose trong sữa được chuyển vào trong màng tế bào với sự giúp đỡ của enzyme galactoside permease, có trên màng. Lactose trong tế bàng được thủy phân bởi enzyme lactase or β-galactsidase. ST sản xuất 1 lượng đáng kể lactase, để xúc tác cho phản ứng thủy phân lactose thành glucose và galactose. Glucose được chuyển thành pyruvate thông qua con đường Embden–Meyerhof. Pyruvate được biến thành lactic acid bơi emzyme lactic dehydrogenase

Lactobacillus delbrueckii subsp. Bulgaricus

Lactobacillus bulgaricus là vi khuẩn lên men điển hình, phát triển tốt ở nhiệt độ 45 ÷ 50^o C trong môi trường có độ axit cao pH = 4,32. L. bulgaricus có thể tạo ra trong khối sữa đến ượng 2,7% acid lactic từ đường lactose. pH tối thích của L. bulgaricus là 5,2 ÷ 5,6.

Giống như ST, LB sản xuất enzyme lactase để thủy phân lactose thành glucose và galactose. Glucose được chuyển hóa thành acid lactic, trong khi galactose tích tụ trong môi trường phát triển.

Các tế bào của LB dạng que mảnh với đầu tròn dưới kính hiển vi. Các tế bào xuất hiện đơn lẻ hoặc trong chuỗi ba hoặc bốn que ngắn (0,5-0,8 x 2,0-9,0 mm) với đầu tròn. Các tế bào chủ yếu là đơn lẻ hoặc theo cặp.

Nhiệt độ tăng trưởng tối ưu của LB là 45°C (113°F), nhưng để sản xuất sữa chua ở nhiệt độ 42-43 ° C (107,6-109,4 ° F) được sử dụng để điều tiết nhiệt độ tăng trưởng thấp hơn tối ưu của ST. LB sử dụng lactose, glucose, fructose và trong một số chủng, galactose tạo ra cao bằng 1,8% D (-) acid lactic. Nó chịu được pH thấp hơn nhiều so với ST. Không giống như ST, LB có thể thủy phân casein (β-casein, ưu tiên) thành peptide, bằng cách sử dụng proteinase liên màng. Nhưng để chuyển đổi các peptide thành các axit amin, LB phải dựa vào ST, nhờ vào hoạt tính peptidase.

ST and LB khá tương thích với nhau khi cộng sinh phát triển trong cùng một môi trường.

Khi sử dụng hỗn hợp hai loại vi khuẩn lactic trên, người ta thấy ở giai đoạn đầu của quá trình lên men, pH thích hợp cho S.thermophilus hoạt động chiếm ưu thế và đảm bảo cho quá trình lên men lactic được bắt đầu. Hoạt động của các enzyme phân huỷ casein của L. bulgaricus kích thích sự phát triển của S.thermophilus và đôi khi cũng làm cho độ acid tăng lên. Việc giảm pH của sữa làm cho S.thermophilus khó phát triển, khi đó L. bulgaricus thay thế.

Sự hình thành chất thơm trong sản phẩm sữa chua trước đây người ta cho rằng chỉ có vai trò của S.thermophilus. Nhưng các nghiên cứu gần đây cũng đã nhấn mạnh đến vai trò của L.bulgaricus trong việc tạo nên hương thơm cho sản phẩm, trong đó thành phần acetaldehyde được coi là thành phần quan trọng góp phần tạo nên hương thơm đặc trưng của sữa chua. Nhiệt độ thích hợp cho sự phát triển của hỗn hợp hai loại vi khuẩn này là 43 ÷ 45^oC.

Hình 5 Tóm tắt sự ức chế và kích thích sự phát triển của vi khuẩn trong sữa

Tài liệu tham khảo:

E. Spreer, Milk and Dairy Product Technology. Taylor & Francis, 1998.
G. Bylund, Dairy processing handbook. Tetra Pak Processing Systems AB, 2003, p. 442.
M. Boland, H. Singh, and A. Thompson, Milk Proteins: From Expression to Food. Elsevier Science, 2014.
Chanokphat Phadungath, "The mechanism and properties of acid-coagulated milk gels," Songklanakarin J. Sci. Technol., vol. Vol.27, no. 2, pp. 433-448, 2005.
R. C. Chandan and A. Kilara, Manufacturing Yogurt and Fermented Milks. Wiley, 2013, p. 478.
P. Walstra, P. Walstra, J.T.M. Wouters, and T.J. Geurts, Dairy Science and Technology, Second Edition. Taylor & Francis, 2005, p. 769.