Đề tài Ảnh hưởng áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng sữa tươi

Mục lục: I/ Thành phần dinh dưỡng của sữa tươi.......................................................................... 3 1/ Các hợp chất có chứa Nitơ ............................................................................................ 3 2/ Chất béo ........................................................................................................................ 4 3/ Hợp chất khoáng ........................................................................................................... 5 4/ Vitamin ......................................................................................................................... 5 5/ Lactose .......................................................................................................................... 5 II/ Nguyên lý của quá trình sử dụng áp suất cao và thiết bị tạo áp suất cao ............... 6 1/ Nguyên lý của quá trình sử dụng áp suất cao ............................................................... 6 2/ Thiết bị tạo áp suất cao ................................................................................................. 6 III/ Ảnh hưởng của áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng của sữa tươi .......................... 9 1/ Ảnh hưởng đến các hợp chất chứa Nitơ ....................................................................... 9 2/ Ảnh hưởng đến chất béo ............................................................................................. 21 3/ Ảnh hưởng đến hợp chất khoáng ................................................................................ 26 4/ Ảnh hưởng đến vitamin .............................................................................................. 31 5/ Ảnh hưởng đến lactose ............................................................................................... 33 IV/ Ưu, nhược điểm của việc sử dụng áp suất cao đối với giá trị dinh dưỡng của sữa tươi ............................................................................................................................. 33 1/ Ưu điểm ...................................................................................................................... 33 2/ Nhược điểm ................................................................................................................ 34 V/ Hướng nghiên cứu sử dụng áp suất cao để tác động đến thành phần dinh dưỡng trong các sản phẩm sữa trong tương lai ........................................................................ 34 VI/ Tài liệu tham khảo .................................................................................................... 35 Ảnh hưởng áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng sữa tươi GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt Mẫn 2 Mục lục hình: Hình 1: Một hệ thống áp suất cao xử lý thực phẩm trước khi đóng gói .............................. 7 Hình 2: Ảnh hưởng của áp suất lên kích thước trung bình của các casein micelle ........... 10 Hình 3: Ảnh hưởng của thời gian xử lí áp suất cao lên casein micelle ............................. 11 Hình 4: Ảnh hưởng của pH lên hiệu qủa tác động của áp suất cao đối với casein micelle ............................................................................................................................... 12 Hình 5: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên hiệu qủa tác động của áp suất cao đối với casein micelle ............................................................................................................................... 13 Hình 6: Ảnh hưởng của whey protein lên hiệu qủa tác động của áp suất cao đối với casein micelle ............................................................................................................................... 14 Hình 7: biểu đồ biểu diễn sự biến đổi của các axit béo mạch ngắn (C4:0-C8:0), các axit béo mạch vừa (C10:0-C14:0) và các axit béo mạch dài (C16:0-C18:2) ở mỗi thời gian thử trong các mẫu thử được xử lý khác nhau .......................................................................................... 24 Mục lục bảng: Bảng 1: Ảnh hưởng các yếu tố nhiệt độ, pH lên hiệu qủa tác động của áp suất cao đối với alpha-lactalbumin và beta-lactoglobulin ........................................................................... 15 Bảng 2: Ảnh hưởng của thời gian xử lí lên hiệu qủa tác động của áp suất cao đối với alpha-lactalbumin và beta-lactoglobulin ........................................................................... 16 Bảng 3: Thành phần của cấu axit béo tự do có trong mẫu sữa tươi chưa qua xử lý áp suất cao, và các mẫu sữa chua đã qua xử lý ở áp suất cao ở những điều kiện áp suất và nhiệt độ khác nhau trong suốt quá trình bảo quản ...................................................................... 22 Bảng 4 : Các cấp độ xử lý mẫu sữa tươi ............................................................................ 27 Bảng 5 : Hàm lượng Canxi, Magie và Photpho trong mẫu sữa tươi đã qua xử lý ở nhiệt độ 85 0 C trong 10 phút và trong 30 phút ................................................................................. 27 Bảng 6 : Hàm lượng Canxi, Magie, tổng lượng Photphovà photpho vô cơ trong mẫu sữa tươi đã qua xử lý ở áp suất cao, xử lý nhiệt, xử lý áp suất cao sau khi xử lý nhiệt,và xử lýnhiệt sau khi xử lý ở áp suất cao .................................................................................... 28 Bảng 7 : Lượng ion Ca2+ và giá trị pH trong các mẫu sữa đã qua xử lý ở áp suất cao, xử lý nhiệt, xử lý áp suất cao sau khi xử lý nhiệt,và xử lý nhiệt sau khi xử lý ở áp suất cao ... 28 Bảng 8 : Lượng ion Ca2+ và giá trị pH trong các mẫu sữa đã qua xử lý nhiệt có và không có xử lý ở áp suất cao tiếp theo sau ................................................................................... 30 Ảnh hưởng áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng sữa tươi GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt Mẫn 3 I/ Thành phần dinh dưỡng của sữa tươi: 1/ Các hợp chất có chứa nitơ:. a/ Casein: - Casein là thành phần protein chủ yếu có trong sữa. Chúng tồn tại dưới dạng micelle. Mỗi micelle chứa khoảng 65% nước, phần còn lại là các loại casein và khoáng (gồm calci,magie, phosphate và citrate). - Mỗi micelle do khoảng 400-500 tiểu micelle (submicelle) hợp thành. Tiểu micelle có dạng hình cầu, đường kính dao động 10-15nm bao gồm khoảng 10 phân tử casein kết hợp lại với nhau. Thành phần các casein αs, β và κ trong tiểu micelle có thể thay đổi theo những tỷ lệ khác nhau. Các phân tử κ-casein được bố trí tại vùng biên tiểu micelle. Phân tử κ-casein có hai đầu: đầu ưa béo sẽ tương tác với αs và β-casein ở vùng tâm tiểu micelle, đầu ưa nước sẽ hướng ra ngoài vùng biên micelle. Mỗi tiểu micelle có phân tử lượng trung bình 250.000Da. b/ Protein hoà tan: bao gồm các thành phần sau: - β-lactoglobulin: có cấu trúc bậc hai gồm 10-50% xoắn α, 20-30% lá xếp β, 50-60% vòng cung β và phần còn lại với cấu trúc không trật tự. β-lactoglobulin có dạng hình cầu. Các gốc phân cực, không phân cực và các gốc ion hoá được phân bố đều trong phân tử, riêng các gốc ưa béo tập trung ở phần bên trong của cấu trúc hình cầu nên β-lactoglobulin ít tương tác hoặc kết hợp với các phân tử khác. - α-lactalbumin: là protein dạng hình cầu. cấu trúc của nó gần giống với lysozyme. α- lactalbumin là một metalloprotein. Trong mỗi phân tử có chứa một nguyên tử calci. α- lactalbumin là một protein có giá trị dinh dưỡng cao.Thành phần các acid amin trong phân tử của nó rất cân đối. - Peptone-proteose: bao gồm những phân đoạn protein khác nhau.Chúng là sản phẩm thuỷ phân từ β-casein bởi plasmine. Cùng với γ-casein , đến nay người ta đã tìm thấy được ba phân đoạn khác nhau peptone-proteose từ quá trình thuỷ phân trên. - Immunoglobulin: đến nay vẫn chưa có nhiều công trình nghiên cứu sâu về nhóm này. Hầu hết các immunoglobulin được tổng hợp bởi bạch cầu lymphocyte B. Người ta đã tìm thấy ba loại immunoglobumin trong sữa bò là IgG, IgA và IgM. Trong số các immunoglobulin, IgG1 có thể chiếm đến 80% tổng khối lượng các protein hoà tan trong sữa. Ảnh hưởng áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng sữa tươi GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt Mẫn 4 - Ngoài ra, trong sữa còn có các protein màng (membrane protein). Hàm lượng của chúng rất thấp. Membrane protein tạo nên một lớp màng mỏng bao xung quanh các hạt béo,góp phần làm ổn định hệ nhũ tươmg trong sữa. Một số membrane protein là những lipo-protein. Lipid và nhóm các aicd amin ưa béo trong membrane protein sẽ tạo nên phần ưa béo và tương tác với lipid của các hạt cầu béo. Ngược lại, phần ưa nước của chúng sẽ được bố trí tại vùng biên các hạt cầu béo và hướng vào nước. 2/ Chất béo: Gồm có: Lipid đơn giản: công thức đơn giản của triglyceride Hàm lượng các acid béo không bão hoà trong sữa được xác định bởi chỉ số iod của chất béo. Nếu sữa chứa nhiều acid béo nóng chảy ở nhiệt độ cao thì lipid sữa sẽ có “cấu trúc cứng”. Ngược lại,sữa chứa nhiều acid béo nóng chảy ở nhiệt độ thấp thì lipid sữa sẽ có “cấu trúc mềm” hơn. Lipid phức tạp: gồm hai nhóm chính Nhóm 1:hợp chất với glycerol -Có acid phosphoric trong phân tử: Phospholipid -Không có acid phosphoric: Galactosyl glyceride Nhóm 2: hợp chất với sphingosine (C18H37NO2) Các hợp chất hoà tan trong chất béo: Cholesterol Các hydrocacbon trong sữa: Squalene, Phytene, -caroten Ảnh hưởng áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng sữa tươi GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt Mẫn 5 3/ Khoáng: Hàm lượng chất khoáng trong sữa dao động từ 8÷10g/l. Các muối trong sữa ở dạng hòa tan hoặc dung dịch keo (kết hợp với casein). Trong số các nguyên tố khoáng có trong sữa, chiếm hàm lượng cao nhất là calci, phosphore và magie. Một phần chúng tham gia vào cấu trúc micelle, phần còn lại tồn tại dưới dạng muối hoà tan trong sữa. Các nguyên tố khoáng khác như kali, natri, clore…đóng vai trò chất điện ly (electrolyte). Cùng với lactose, chúng góp phần cân bằng áp lực thẩm thấu của sữa trong bầu vú động vật với áp lực máu. Thông thường vào cuối chu kỳ tiết sữa, đặc biệt khi con vật bị viêm vú, hàm lượng NaCl tăng vọt làm cho sữa có vị mặn. Ngoài ra, sữa còn chứa các nguyên tố khác như Zn, Fe,I, Cu, Mo…Chúng cần thiết cho quá trình dinh dưỡng của con người. Một số nguyên tố độc hại như Pb, As… đôi khi cũng được tìm thấy ở dạng vết trong sữa bò. 4/ Vitamin: - Các vitamin trong sữa được chia làm hai nhóm: Vitamin hoà tan trong nước gồm: B1, B2, B3, B5, B6, C…. Vitamin hoà tan trong chất béo gồm:A, D, E - Nhìn chung, hàm lượng các vitamin nhóm B trong sữa bò thường ổn định, là do chúng được tổng hợp chủ yếu bởi các vi khuẩn trong ngăn thứ nhất của dạ dày của nhóm động vật nhai lại và không phụ thuộc vào điều kiện ngoại cảnh. Tuy nhiên, hàm lượng vitamin tan trong chất béo bị ảnh hưởng sâu sắc bởi thành phần thức ăn và điều kiện thời tiết… 5/ Lactose: - Lactose là một disaccharide do một phân tử glucose và một phân tử galactose liên kết với nhau tạo thành. - Trong sữa, đường lactose tồn tại dưới hai dạng: Dạng α-lactose monohydrate C12H22O11.H2O (phân tử α-lactose ngậm một phân tử nước) Ảnh hưởng áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng sữa tươi GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt Mẫn 6 Dạng β-lactose anhydrous C12H22O11 (phân tử β-lactose khan) - Tỷ lệ hàm lượng giữa α-lactose monohydrate và β-lactose anhydrous trong sữa phụ thuộc vào giá trị pH và nhiệt độ của sữa. - Lactose là đường khử. Độ ngọt của lactose thấp hơn nhiều so với các disaccharide và monosacharide thường gặp. Nếu như độ ngọt của saccharose được đánh giá với chỉ số là 100, của maltose là 32, glucose là 74 và fructose là 173 thì độ ngọt của lactose chỉ đạt 16. - Lactose có thể bị thuỷ phân tạo ra hai monosacharide là glucose và galactose bởi enzyme β-galactosidase (latase). - Các đường đơn giản như glucose, fructose, saccharose, có nhiều trong thực vật (hoa, trái cây các loại…). Tuy nhiên chỉ có sữa động vật là nguồn chứa lactose duy nhất trong tự nhiên. - Ngoài lactose,trong sữa bò còn có glucose (hàm lượng trung bình 70mg/l), galactose(20mg/ml) và các hợp chất glucid chứa nitơ như N-acetyl glucosamine, N-acetyl galactosamine, acid N-acetyl neuraminic…Tuy nhiên, hàm lượng của chúng rất thấp ,chỉ ở dạng vết. II/ Nguyên lý của quá trình sử dụng áp suất cao và thiết bi tạo áp suất cao: 1/ Nguyên lý hoạt động của thiết bị áp suất cao: bao gồm 2 nguyên lý: - Nguyên lý thứ nhất (nguyên lý Le Chatelier): nếu bất kì một hiện tượng (sự chuyển pha, phản ứng hoá học, độ tái kích hoạt hoá học, sự thay đổi hình thể phân tử) nào xảy ra mà kèm theo sự giảm thể tích thì sẽ được gia tăng bởi sự tăng áp suất và ngược lại. - Nguyên lý thứ hai: áp suất phát ra ngay lập tức và đều mà không phụ thuộc vào kích thước hay hình dạng của thực phẩm. Đây là sự đẳng tĩnh của áp suất. 2/ Thiết bị tạo áp suất cao: a/ Hệ thống thiết bị: Các thành phần chính trong một hệ thống áp suất cao là bình áp suất, hệ thống tạo áp suất và các thành phần phụ kèm theo. Ảnh hưởng áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng sữa tươi GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt Mẫn 7 Hình 1 : Một hệ thống áp suất cao xử lý thực phẩm trước khi đóng gói - Bình áp suất: Một bình cao áp, nơi chứa nguyên liệu để xử lý áp suất là thiết bị quan trọng của phương pháp dùng áp suất cao. Các bình áp suất sử dụng trong sữa phải chịu được vài ngàn chu kỳ xử lý áp suất mỗi năm để có thể sử dụng cho một lượng lớn sữa. Quá trình sử dụng áp suất càng nhiều thì tuổi thọ của bình càng thấp. Ngoài ra, các bình còn phải được bảo trì do sự ăn mòn của nguyên liệu và các chất lỏng thường sử dụng để vệ sinh thiết bị. Hơn nữa, các bình còn phải được thiết kế sao cho vệ sinh thiết bị được dễ dàng. - Hệ thống tạo áp suất: Có 2 hệ thống tạo áp suất được định nghĩa là gián tiếp và trực tiếp. Trong hệ thống gián tiếp, môi trường áp suất (ví dụ như nước) đầu tiên được bơm qua máy tăng áp (được biểu diễn ở hình dưới), rồi vào bình áp suất. Máy tăng áp là một bơm cao áp được sử dụng để làm tăng áp suất đến giá trị mong muốn. Bơm cao áp là một thiết bị riêng biệt so với bình áp suất. Hệ thống này yêu cầu phải có đường ống chịu được áp suất và bộ phận lọc thích hợp để vận chuyển môi trường áp suất vào bình áp suất. Trong hệ thống trực tiếp, máy tăng áp suất sẽ nằm ở bên trong bình cao áp (hình dưới). Trong hệ thống này, cả bình và máy tăng áp được chế tạo trong cùng một thiết bị, và tổng kích thước của bình là khá lớn. Hệ thống này yêu cầu các mối hàn phải thật kín Ảnh hưởng áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng sữa tươi GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt Mẫn 8 để có thể mở hoặc đóng mà không có khe hở. Một điều cũng quan trọng trong phương pháp này là các mối hàn phải giữa bình cao áp và piston phải kín. Trong quá trình sử dụng áp suất cao, khí và nước thường được sử dụng làm môi trường áp suất nhất. Do hệ số nén của khí cao hơn nước nên nước trở thành môi trường áp suất được ưu tiên trong nhiều ứng dụng hơn cả. Sự giảm thể tích nước khoảng 5% khi áp suất tăng từ 0 đến 4000 kg/cm2 tại 22oC. Sự giảm này nhỏ hơn so với sự giảm của khí. Chính sự giảm thể tích cao của khí làm cho quá trình vận hành trở nên nguy hiểm. Khi nước được sử dụng làm môi trường áp suất và khi áp suất lên cao, có sự truyền động áp suất qua nguyên liệu ngay lập tức. Một lượng dầu nhỏ có thể được bổ sung vào nước để giảm sự ăn mòn thiết bị và để bôi trơn. b/ Cách vận hành: Một cách vận hành đơn giản sử dụng trong một hệ thống áp suất cao được tiến hành như sau: đầu tiên, nguyên liệu sẽ được đóng gói, sau đó được cho vào bình cao áp, cho nước vào bình rồi tạo áp lực lên bình và giữ áp lực mong muốn trong thời gian xác định trước, sau đó xả áp lấy nguyên liệu ra. Thời gian tạo áp suất trong bình bị ảnh hưởng bởi hệ số nén của môi trường áp suất và nguyên liệu. Thời gian tạo áp suất lên nguyên liệu độc lập với lượng nguyên liệu chứa trong bình. Sự có mặt của không khí trong nguyên liệu làm gia tăng thời gian tạo áp suất do không khí có hệ số nén cao hơn nước. Sau khi tạo áo suất như mong muốn, nguyên liệu được giữ nguyên áp suất trong khoảng thời gian xác định, có thể là vài phút. Sau khi nguyên liệu được để đúng thời gian quy định, sự giảm áp có thể được tiến hành nhanh. * Quá trình chế biến gián đoạn: Quá trình áp suất cao gián đoạn có một vài ưu điểm như là: các loại nguyên liệu khác nhau có thể được chế biến mà không bị nhiễm tạp chất, không cần vệ sinh giữa các lần chạy, thiết bị đơn giản, số lượng nguyên liệu bị hư hỏng ít hơn trong trường hợp thiết bị bị trục trặc. Một vài bình cao áp có thể được vận hành trong một hệ thống điều khiển để làm giảm thời gian chậm trễ trong lúc vận hành. Hầu hết thiết bị áp suất cao được sử dụng hiện nay được vận hành theo kiểu gián đoạn. Vì bước tăng áp và giảm áp có thể được thực hiện nhanh chóng. Các chu kỳ tăng và giảm áp nhanh cũng có thể làm giảm sức chịu đựng của kim loại và qua đó làm giảm tuổi thọ thiết bị. Áp suất trên 4000 kg/cm2 thì trọng lượng cũng như chi phí thiết bị sẽ tăng đáng kể. Ảnh hưởng áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng sữa tươi GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt Mẫn 9 * Quá trình chế biến liên tục: Một phương pháp áp suất cao khác là phương pháp bán liên tục. Hệ thống này bao gồm nhiều bình cao áp được sắp xếp theo trình tự để có thể hoạt động liên tục. Sơ đồ được biểu hiện trong hình dưới. Trong khi một bình đang được tăng áp suất thì một bình khác lại đang giảm áp. Phương pháp này đã được sử dụng trong một vài nhà máy ở Japan. Một hệ thống liên tục khác bao gồm 5m đường ống có khả năng chịu được áp suất 700MPa. Một máy bơm để bơm chất lỏng vào đường ống. Khi đóng van bên ngoài, nguyên liệu sẽ được tăng áp lực. Giàn ống này được để trong một bể điều nhiệt, với nhiệt độ duy trì trong khoảng từ 5-80oC. Khi van được mở, nguyên liệu qua xử lý áp suất được vận chuyển đến thiết bị xử lý tiếp theo. Một hệ thống áp suất cao đã được cải tiến khác bao gồm việc sử dụng độ rung động áp suất cao. Đặc điểm của hệ thống mới này là thiết bị gia tăng áp suất được truyền động bởi không khí, nó cho phép thay đổi áp suất nhanh chóng. Thêm vào đó, van giảm áp được kết nối đến bình cao áp rất tiện lợi cho việc giải thoát lượng nước cao áp. Bắng cách sử dụng các van điều chỉnh áp lực, ta có thể có được độ rung động như mong muốn. Các bình cao áp được để trong bể điều nhiệt. Người điều khiển có thể tăng áp suất lên 500 MPa chỉ trong 10s. Thời gian xử lý có thể giảm nếu kết hợp với nhiệt độ cao. Chi phí của quá trình áp suất cao phụ thuộc vào áp suất, thời gian và nhiệt độ. Vì thế, quá trình vận hành cần phải được lựa chọn cẩn thận III/Ảnh hưởng của áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng của sữa tươi: 1/ Ảnh hưởng đến thành phần protein trong sữa tươi: a/ Ảnh hưởng lên casein micelle: - Phương pháp xử lí bằng áp suất cao chủ yếu làm thay đổi kích thước trung bình của các casein micelle. Tùy vào giá trị của áp suất xử lí mà kích thước trung bình của các casein micelle có thể tăng hay giảm theo các mức độ khác nhau. Ngoài ra, các yếu tố: thời gian xử lí, pH sữa, nhiệt độ, sự có mặt của whey protein cũng gây ra những ảnh hưởng nhất định tới hiệu qủa tác động của áp suất lên các casein micelle. * Ảnh hưởng của áp suất lên kích thước trung bình của các casein micelle: - Để nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất lên kích thước trung bình của các casein micelle, người ta tiến hành xử lí các mẫu sữa gầy ( raw skim milk ) tại các giá trị áp suất khác Ảnh hưởng áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng sữa tươi GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt Mẫn 10 nhau (0 – 800 MPa). Sau đó, tiến hành xác định kích thước trung bình của các casein micelle bằng thiết bị quang phổ lượng tử Malvern Zetamaster ( Malvern Instruments, Ltd, Malvern, Worcestershire, UK ). - Theo Thom Huppertz, Patrick F Fox và Allan L Kelly, việc tiến hành xử lí ở áp suất 200 MPa, nhiệt độ là 20oC trong thời gian 30 phút không gây được những ảnh hưởng đáng kể nào lên kích thước trung bình của các casein micelle (hình 2). Khi áp suất tăng lên 250 MPa, cũng trong những điều kiện nhiệt độ và thời gian như trên, kích thước trung bình các casein micelle tăng thêm 25%, trong khi tại các giá trị áp suất cao hơn (300 – 800 MPa), lại làm giảm kích thước của các casein micelle xuống, chỉ còn khoảng 50% so với các mẫu sữa ban đầu. Thông thường, sự thay đổi kích thước ở đây xảy ra không thuận nghịch và có thể kéo dài tới 48 giờ sau khi xử lí ( hình 2 ). Việc tăng nhiệt độ bảo quản mẫu đã qua xử lí với áp suất cũng góp phần làm tăng thêm kích thước trung bình của các casein micelle trong thời gian sau xử lí. Hình 2: Ảnh hưởng của áp suất lên kích thước trung bình của các casein micelle Ảnh hưởng áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng sữa tươi GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt Mẫn 11 * Ảnh hưởng của thời gian xử lí lên hiệu qủa tác động của áp suất cao đối với casein micelle: - Để nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian xử lí lên hiệu qủa tác động của áp suất cao đối với các casein micelle người ta tiến hành xử lí sữa gầy trong khoảng thời gian từ 1 giây – 60 phút tại các giá trị áp suất khác nhau. - Theo Thom Huppertz, Patrick F Fox và Allan L Kelly, ở giá trị áp suất là 250 MPa, trong thời gian xử lí cực ngắn (1 giây), kích thước trung bình của casein micelle không có sự thay đổi. Trong khoảng thời gian xử lí ngắn (5 phút), kích thước trung bình của các casein micelle giảm xuống. Ở các khoảng thời gian dài hơn (10 – 60 phút), việc tăng thời gian xử lí sẽ làm tăng kích thước trung bình của các casein micelle. Mặt khác, ở các giá trị áp suất cao hơn (400 MPa), tác động của áp suất lên kích thước trung bình của casein micelle hầu như xảy ra ngay tức thì ( trong 1 giây làm giảm 40% kích thước trung bình của casein micelle so với mẫu chưa qua xử lí ), trong khi ở các khoảng thời gian dài hơn không tạo ra thêm được sự khác biệt ( trong thời gian lên tới 30 phút, kích thước trung bình của các casein micelle hầu như không giảm hơn so với khi xử lí trong 1 giây ). ( Hình 3 ) Hình 3: Ảnh hưởng của thời gian xử lí áp suất cao lên casein micelle Ảnh hưởng áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng sữa tươi GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt Mẫn 12 * Ảnh hưởng của pH lên hiệu qủa tác động của áp suất cao đối với casein micelle: - Tại tất cả các giá trị áp suất, pH thấp làm tăng hiệu qủa tác động của áp suất lên kích thước trung bình của các casein micelle. Theo Thom Huppertz, Patrick F Fox và Allan L Kelly, kích thước của các casein micelle trong mẫu sữa đã acid hóa đến pH 6.2 nhỏ hơn đáng kể so với mẫu sữa có pH là 6.7 khi xử lí ở áp suất 250 MPa (hình 4). Hình 4: Ảnh hưởng của pH lên hiệu qủa tác động của áp suất cao đối với casein micelle * Ảnh hưởng của nhiệt độ lên hiệu qủa tác động của áp suất cao đối với casein micelle: - Trong phương pháp xử lí bằng áp suất cao, tại giá trị áp suất thấp (khoảng 250 MPa), nhiệt độ có ảnh hưởng tới kích thước trung bình của các casein micelle. Nhìn chung, nhiệt độ thấp sẽ làm giảm kích thước trung bình của casein micelle, khi nhiệt độ tăng, kích thước trung bình của các casein micelle cũng sẽ tăng lên. Tại giá trị áp suất cao (trên 400 MPa), nhiệt độ không tạo được ảnh hưởng lên hiệu qủa tác động của áp suất cao đối với casein micelle. - Theo Thom Huppertz, Patrick F Fox và Allan L Kelly, khi tiến hành xử lí mẫu sữa gầy ở áp suất 250 MPa tại các nhiệt độ 20 và 40oC làm tăng kích thước trung bình của các Ảnh hưởng áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng sữa tươi GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt Mẫn 13 casein micelle lên lần lượt là 25% và 150% so với mẫu ban đầu. Trong khi đó, nếu tiến hành xử lí cũng với áp suất này ở nhiệt độ 5oC sẽ làm giảm kích thước trung bình của các casein micell. Tại giá trị áp suất 400 hay 600 MPa, trong các điều kiện nhiệt độ khác nhau, kích thước trung bình của các casein micelle đều giảm xuống 50% so với mẫu ban đầu. Hình 5: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên hiệu qủa tác động của áp suất cao đối với casein micelle * Ảnh hưởng của whey protein lên hiệu qủa tác động của áp suất cao đối với casein micelle: - Để nghiên cứu ảnh hưởng của whey protein lên hiệu qủa tác động của áp suất cao đối với casein micelle người ta tiến hành xử lí áp suất mẫu huyết thanh sữa gầy chứa protein tự do (serum protein-free skim milk). Một số nghiên cứu cho thấy có mối liên hệ giữa kích thước trung bình của casein micelle với sự hiện diện của các whey protein. Cụ thể, sự có mặt của whey protein trong huyết thanh sữa chứa protein tự do làm giảm đáng kể kích thước của casein micelle so với các mẫu sữa gầy khác (hình 6). Ảnh hưởng áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng sữa tươi GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt Mẫn 14 Hình 6: Ảnh hưởng của whey protein lên hiệu qủa tác động của áp suất cao đối với casein micelle b/ Ảnh hưởng lên whey protein: - Dưới tác dụng của áp suất, các thành phần whey protein có thể bị hiến tính, tùy vào cấu tạo của từng loại whey protein mà mức độ biến tính có thể rất khác nhau. * Ảnh hưởng của áp suất cao lên thành phần alpha-lactalbumin và beta- lactoglobulin: - Tất cả các nghiên cứu đều thống nhất rằng,dưới tác dụng của áp suất, beta-lactoglobulin kém bền hơn một cách đáng kể so với alpha-lactalbumin. Áp suất cao làm beta- lactoglobulin dễ dàng bị biến tính theo các dạng khác nhau, trong đó, có những kiểu biến tính tương tự như sự biến tính gây ra bởi nhiệt độ. Beta-lactoglobulin biến tính ngay ở áp suất trên 100 MPa và mức độ biến tính tăng cùng với sự gia tăng của áp suất xử lí (Thom Huppertz, Patrick F Fox và Allan L Kelly, López-Fandino và Olano, 1998b; Arias và cộng sự, 2000; Scollard và cộng sự; 2000). Khi áp suất xử lí là 600 MPa, các phân tử beta-lactoglobulin bị biến tính hoàn toàn. Trong khi đó, ở áp suất lớn hơn 400 MPa thì alpha-lactalbumin mới bắt đầu biến tính và mức độ biến tính chỉ đạt khoảng 72% sau 30 phút ở 800 MPa (Thom Huppertz, Patrick F Fox và Allan L Kelly). Hơn nữa, sự biến tính Ảnh hưởng áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng sữa tươi GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt Mẫn 15 xảy ra đối với các phân tử beta-lactoglobulin còn làm các phân tử này mất khả năng hòa tan trong sữa và bị lắng xuống (kết tủa, sedimentable denatured beta-lactoglobulin). Ở áp suất 400-800 MPa, có tới 80% beta-lactoglobulin biến tính có khả năng lắng xuống được (Thom Huppertz, Patrick F Fox và Allan L Kelly). Bảng 1: Ảnh hưởng các yếu tố nhiệt độ, pH lên hiệu qủa tác động của áp suất cao đối với alpha-lactalbumin và beta-lactoglobulin: * Ảnh hưởng của thời gian xử lí lên hiệu qủa tác động của áp suất cao đối với alpha- lactalbumin và beta-lactoglobulin: - Ở áp suất 250-400 MPa, các phân tử alpha-lactalbumin vẫn không bị biến tính khi tăng thời gian xử lí, trong khi mức độ biến tính của beta-lactoglobulin tăng theo thời gian xử lí ( đạt khoảng 20% sau 60 phút ở 250 MPa và 94% sau 30 phút ở 400 MPa, Thom Huppertz, Patrick F Fox và Allan L Kelly). Cùng với sự gia tăng mức độ biến tính của beta-lactoglobulin, mức độ beta-lactoglobulin biến tính có khả năng lắng cũng tăng theo thời gian khi xử lí ở khoảng giá trị áp suất này, lên tới 68% sau 60 phút ở 250 MPa và 64- 72% sau 8 phút ở 400 MPa (Thom Huppertz, Patrick F Fox và Allan L Kelly). Ảnh hưởng áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng sữa tươi GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt Mẫn 16 Bảng 2: Ảnh hưởng của thời gian xử lí lên hiệu qủa tác động của áp suất cao đối với alpha-lactalbumin và beta-lactoglobulin * Ảnh hưởng của pH sữa lên hiệu qủa tác động của áp suất cao đối với alpha- lactalbumin và beta-lactoglobulin: - Các giá trị pH khác nhau gây ảnh hưởng khác nhau lên mức độ biến tính của alpha- lactalbumin và beta-lactoglobulin dưới tác dụng của áp suất cao. Ở giá trị pH bằng 6.2, nhiệt độ 20oC làm giảm quy mô biến tính của cả alpha-lactalbumin và beta-lactoglobulin so với ở pH 6.7 trong khi tại giá trị pH 7.0 lại cho những kết qủa ngược lại (Thom Huppertz, Patrick F Fox và Allan L Kelly). Nhìn chung, trong khoảng pH từ 6-7, mức độ biến tính của cả alpha-lactalbumin và beta-lactoglobulin tăng theo giá trị pH. * Ảnh hưởng của nhiệt độ lên hiệu qủa tác động của áp suất cao đối với alpha- lactalbumin và beta-lactoglobulin: - Tại các giá trị áp suất thấp (dưới 400 MPa), alpha-lactalbumin không bị biến tính khi xử lí với các giá trị nhiệt độ khác nhau. Tại giá trị áp suất cao hơn, 600 MPa, mức độ biến tính tăng khi tăng nhiệt độ (mức độ biến tính lần lượt là 22, 62 và 78% ở các nhiệt độ 5, 20 và 40 o C, Thom Huppertz, Patrick F Fox và Allan L Kelly). - Trong khoảng nhiệt độ thấp (từ 5-20oC), ảnh hưởng của nhiệt độ lên mức độ biến tính của beta-lactoglobulin là rõ rệt (mức độ biến tính tăng khi tăng nhiệt độ). Nhưng khi nhiệt độ tiếp tục tăng thì mức độ biến tính beta-lactoglobulin không tăng thêm nữa. Đồng thời, mức độ beta-lactoglobulin biến tính có khả năng lắng xuống cũng chỉ tăng khi nhiệt độ Ảnh hưởng áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng sữa tươi GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt Mẫn 17 tăng trong khoảng 5-20oC, nếu nhiệt độ tăng ngoài khoảng này thì mức độ beta- lactoglobulin biến tính lắng xuống tăng không đáng kể (Thom Huppertz, Patrick F Fox và Allan L Kelly) * Ảnh hưởng của casein micelle lên hiệu qủa tác động của áp suất cao đối với alpha- lactalbumin và beta-lactoglobulin: - Để nghiên cứu liệu whey protein có khả năng lắng có thể kết hợp lại với nhau trong qúa trình xử lí áp suất cao hay không, người ta xác định mức độ protein hòa tan trong huyết thanh sữa chứa casein micelle tự do (CMF milk serum) đã qua xử lí bằng áp suất cao. Quá trình xử lí trong 30 phút, ở 250-600 MPa, 20oC không ghi nhận được ảnh hưởng đáng kể nào trên các protein tan trong huyết thanh sữa chứa casein micelle tự do (Thom Huppertz, Patrick F Fox và Allan L Kelly). Tuy nhiên, sự giảm sút đáng kể của protein hòa tan trong sữa ở phân đoạn protein không đông tụ tại pH 4.6 là đáng kể khi tăng áp suất chứng tỏ có sự biến tính của whey protein. * Ảnh hưởng của áp suất cao lên thành phần serum albumin và immunoglobulin: - Nhìn chung, cả serum albumin và immunoglobulin đều là những protein bền dưới tác dụng của áp suất. Cấu hình không gian của serum albumin vẫn không bị thay đổi khi áp suất là 400 MPa (López-Fandino và cộng sự, 1996) trong khi immunoglobulin có thể chịu được áp suất lên đến 300 MPa (Felipe và cộng sự, 1997). c/ Cơ sở khoa học: c1/ Giải thích về sự tăng kích thước trung bình của các phân tử casein micelle ở áp suất 250 MPa: - Sự tăng kích thước các phân tử casein micelle được ghi nhận sau khi xử lí trong khoảng thời gian là 20 phút ở 250 MPa (Thom Huppertz, Patrick F Fox và Allan L Kelly). Có thể giải thích hiện tượng này theo hai cơ chế sau: * Cơ chế 1: sự kết hợp giữa beta-lactoglobulin biến tính dưới tác dụng của áp suất cao và casein micell: - Trong điều kiện bình thường, sự kết hợp giữa beta-lactoglobulin và casein micelle không xảy ra. Sự kết hợp của beta-lactoglobulin với các phân tử casein micelle có thể được giải thích như sau: tác dụng của áp suất cao làm thay đổi cấu hình không gian của các phân tử beta-lactoglobulin, mà quan trọng trong việc hình thành liên kết với casein micelle là việc các nhóm sulphydryl tự do trong phân tử beta-lactoglobulin bị lộ ra ngoài. Các nhóm này có khả năng tương tác với các phân tử alpha-lactalbumin, beta- Ảnh hưởng áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng sữa tươi GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt Mẫn 18 lactoglobulin hay có thể cả với 2s  -casein, nhưng quan trọng nhất là với các phân tử kappa-casein thông qua các phản ứng trao đổi sulphydryl-disulphide . - Theo Thom Huppertz, Patrick F Fox và Allan L Kelly, việc xử lí ở áp suất 250 MPa làm tăng kích thước trung bình của các casein micelle trong sữa gầy nhưng kích thước casein micelle trong huyết thanh sữa gầy chứa protein tự do (serum protein-free skimmilk) không tăng. Hơn nữa, cùng với việc tăng thời gian xử lí (5-40 phút) ở 250 MPa sẽ làm xảy ra đồng thời sự gia tăng lũy tiến mức độ beta-lactoglobulin biến tính có khả năng lắng xuống và kích thước casein micelle (bảng 2). Một số ý kiến khác cũng cho rằng, tại các giá trị pH khác nhau cũng xảy ra song song sự gia tăng mức độ beta-lactoglobulin biến tính lắng được và kích thước casein micell. Trên đây đều là những bằng chứng quan trọng về vai trò tương tác giữa casein micelle và beta-lactoglobulin trong việc làm tăng kích thước của casein micell. - Tuy nhiên, sự gia tăng các beta-lactoglobulin biến tính lắng được ở áp suất 400 MPa lại không gây được ảnh hưởng đáng kể lên kích thước của casein micelle (hình 3). Điều này sẽ được tiếp tục giải thích trong những phần tiếp theo. * Cơ chế 2: Sự kết hợp giữa các phân tử casein micelle lại với nhau dưới tác dụng của áp suất cao: - Kromkamp và cộng sự cho rằng tác dụng của áp suất làm tăng lên những chuyển động nhẹ nhàng trong sữa tươi. Hiện tượng này xảy ra có tác dụng đảo trộn mẫu sữa một phần hay hoàn toàn khi tiến hành giảm áp suất sau khi đã xử lí ở 150-250 MPa hoặc 250-300 MPa. Mặt khác, họ cũng chỉ ra sự phá hủy các casein micelle dưới áp suất, kèm theo đó là qúa trình tái tổ hợp các casein micelle lại khi áp suất giảm xuống. Needs và cộng sự (2000a) cho rằng sự tái tổ hợp xảy ra là do các liên kết kị nước tăng lên cùng với sự tăng lên của nhiệt độ. Lí thuyết này phù hợp với những báo cáo về việc giảm bề mặt kị nước sau khi xử lí sữa ở 250 MPa khi tăng nhiệt độ xử lí từ 4oC lên 40oC (Gaucheron và cộng sự, 1997). Ở nhiệt độ cao (40oC), các liên kết kị nước giữa các tiểu micelle tái hình thành nhiều hơn kéo theo sự hình thành trở lại các tập hợp casein lớn dẫn tới làm tăng kích thước micelle (hình 5). Ở nhiệt độ thấp (5oC), các liên kết kị nước tái hình thành không nhiều (Johnston và cộng sự, 1992; Needs và cộng sự, 2000a) nên sự hình thành trở lại của các tiểu micelle bị ngăn cản (hình 5). Ở 20oC có thể hình thành một số tập hợp casein micell, do đó có thể làm tăng kích thước các casein micelle khi xử lí với áp suất 250 Mpa, nhiệt độ 20oC (hình 2-6). - Trong thời gian bảo quản sữa sau khi xử lí ở áp suất 250 MPa, việc gia tăng kích thước trung bình của các casein micelle là một qúa trình thuận nghịch (hình 2). Có thể giải thích Ảnh hưởng áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng sữa tươi GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt Mẫn 19 hiện tượng này là do sự hình thành trở lại một lượng lớn các phân tử micelle có kích thước nhỏ hơn kích thước của các tập hợp casein micell.Giả thiết được Needs và cộng sự đưa ra (2000a) trong khi gia nhiệt sữa đã xử lí bằng áp suất cao lên 43oC. Qúa trình này có thể xảy ra trong khi hình thành các liên kết kị nước (Schrader & Buchheim, 1998). Tính thuận nghịch về kích thước casein micelle của sữa giữ ở 20oC thì cao hơn sữa giữ ở 5 o C (hình 2). c2/ Giải thích về sự giảm kích thước trung bình của các phân tử casein micelle ở áp suất 300-800 MPa: - Nếu việc xử lí ở 250 MPa có hiện tượng tái tổ hợp làm tăng kích thước của các phân tử casein micelle thì trong việc xử lí ở áp suất 300-800 MPa, sự hình thành trở lại các micelle bị cản trở bởi sự kết hợp giữa các casein và các phân tử beta-lactoglobulin biến tính. Khi xử lí ở các giá trị áp suất này, một lượng lớn beta-lactoglobulin (lên tới 80%, bảng 1) sẽ kết hợp với các phân tử casein micell. Tuy nhiên, vai trò của whey protein biến tính trong việc ngăn cản sự hình thành trở lại của các micelle có khả năng chỉ là một phần nhỏ trong cả cơ chế gây tác động của áp suất cao làm phá hủy các casein micell, bao gồm cả những phá hủy không thuận nghịch các thành phần cấu tạo khác trong cấu trúc casein micelle sẽ được trình bày trong phần tiếp theo đây. - Trong phân tử casein micelle tồn tại sự cân bằng giữa lực đẩy tĩnh điện và các tương tác kị nước. Trong đó, các cầu nối calcium phosphate đóng vai trò liên kết các phân tử casein lại với nhau và trung hòa các nhóm phosphoserine tích điện âm, cho phép hình thành các tương tác kị nước giữa các phân tử casein (Horn, 1998). Dưới tác dụng của áp suất từ 300-800 MPa, các tương tác kị nước và tĩnh điện bị phá vỡ (Mozhaev và cộng sự, 1996) còn các phân tử calcium phosphate bị hòa tan (Buchheim và cộng sự, 1996; Schrader và cộng sự, 1997; López-Fandino và cộng sự, 1998; De la Fuente và cộng sự, 1999). Điều này giải thích cho sự phá vỡ các phân tử casein micelle ở khoảng áp suất này. c3/ Giải thích về ảnh hưởng của pH lên hiệu qủa tác động của áp suất cao đối với casein micell: Ảnh hưởng của pH sữa lên hiệu qủa tác động của áp suất cao đối với kích thước casein micelle (hình 4) có thể do sự tương quan giữa các phân tử calcium phosphate và pH (Roefs và cộng sự, 1985; Dalgleish & Law, 1989). Do vai trò quan trọng của calcium phosphate trong việc duy trì sự nguyên vẹn của phân tử casein micelle (Walstra, 1990; Horne, 1998), nên việc làm giảm hàm lượng calcium phosphate khiến cho casein micelle trở nên mẫn cảm hơn với tác dụng phá vỡ của áp suất cao và ngược lại (hình 4). Ảnh hưởng áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng sữa tươi GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt Mẫn 20 c4/ Giải thích về ảnh hưởng của nhiệt độ lên hiệu qủa tác động của áp suất cao đối với casein micell: - Trong phương pháp xử lí bằng áp suất cao, chỉ có các giá trị áp suất nhỏ hơn 250 MPa mới chịu tác động của nhiệt độ còn tại các giá trị nhiệt độ cao hơn (trên 400 MPa), nhiệt độ không còn duy trì được ảnh hưởng lên hiệu qủa tác động của áp suất đối với casein micelle. Điều này có thể được giải thích như sau: - Như đã nêu trong phần trước, kích thước của casein micelle tăng trong qúa trình xử lí áp suất cao là do có sự kết hợp các phân tử casein micelle với các phân tử whey protein biến tính có khả năng lắng hoặc sự tái tổ hợp của các phân tử casein micelle với nhau sau khi đã bị phá hủy bởi nhiệt độ. Tại các giá trị nhiệt độ thấp (5oC), các phân tử casein micelle chuyển động nhiệt kém, do đó, khả năng chúng có thể kết hợp với nhau sau khi bị phân hủy hoặc với các phân tử whey protein biến tính lắng được là khó xảy ra. Do đó, sự phân hủy của các casein micelle chiếm ưu thế hơn so với sự tái tổ hợp lại làm kích thước của casein micelle giảm xuống. Ngược lại, tại các giá trị nhiệt độ cao hơn (20 và 40oC), chuyển động nhiệt của các phân tử trong sữa là nhiều hơn, do đó khả năng các phân tử casein micelle tái tổ hợp lại hay kết hợp với các phân tử whey protein biến tính chiếm ưu thế so với sự phân hủy casein micelle dưới tác dụng áp suất cao làm tăng kích thước của các phân tử casein micelle. Nhiệt độ cao thì mức độ chuyển động nhiệt càng cao dẫn tới khả năng các phân tử casein micelle tái tổ hợp hoặc liên kết với whey protein biến tính càng nhiều nghĩa là kích thước casein micelle càng lớn. - Trong khi đó, tại các giá trị áp suất cao hơn, trên 400 MPa, như đã nêu trong phần trước, sự tái tổ hợp các phân tử casein micelle là không xảy ra, do đó, tại những giá trị áp suất này, kích thước trung bình của các phân tử casein micelle không còn chịu tác động từ nhiệt độ. c5/ Giải thích về mức độ chịu ảnh hưởng bởi áp suất khác nhau giữa các phân tử whey protein: * Giải thích về sự bền vững của alpha-lactalbumin so với beta-lactoglobulin trước tác dụng của áp suất: - Sự bền vững của alpha-lactalbumin so với beta-lactoglobulin trước tác dụng của áp suất có thể được giải thích bằng sự bền chặt của các liên kết trong phân tử (López-Fandino và cộng sự, 1996; Gaucheron và cộng sự, 1997) alpha-lactalbumin so với beta-lactoglobulin. Nguyên nhân một phần là do trong phân tử alpha-lactalbumin có nhiều liên kết disulphide hơn so với trong phân tử beta-lactoglobulin, 4 cầu dislphide trong alpha-lactalbumin so với 2 trong beta-lactoglobulin (Hinrichs và cộng sự,1996; Gaucheron và cộng sự, 1997), mặt khác, là do sự có mặt của nhóm sulphydryl tự do trong phân tử beta-lactoglobulin Ảnh hưởng áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng sữa tươi GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt Mẫn 21 (López-Fandino và cộng sự, 1996). Các nhóm này kém bền do có thể dễ dàng bị oxi hóa ( sulphydryl-oxidation) hoặc tham gia vào các phản ứng trao đổi sulphydryl-disulphide như đã trình bày trong cơ chế của sự liên kết giữa beta-lactoglobulin và casein micell. * Giải thích về sự bền vững của các phân tử serum-albumin và immunoglobulin: - Có thể giải thích sự bền vững của các phân tử serum-albumin và immunoglobulin trước tác dụng của áp suất dựa theo những nguyên nhân như trên. Đó là do sự bền vững trong cấu tạo không gian của các phân tử nhờ một số lượng lớn các liên kết disulphide (serum- albumin sở hữu tới 17 liên kết disulphide trong phân tử). 2/Ảnh hưởng đến chất béo: - Sữa được chuẩn hóa về hàm lượng chất béo vào khoảng 3.5 ± 0.2%, và sau đó được giữ qua đêm ở nhiệt độ 4oC. Tiến hành xử lý áp suất cao đối với với mẫu sữa trên ở những điều kiện nhiệt độ và áp suất khác nhau (200MPa và 300C, 200MPa và 400C, 300MPa và 30 0 C, 300MPa và 40 0 C). Các mẫu sữa sau khi đem xử lý ở áp suất cao sẽ được đem đi bảo quản ở nhiệt độ 40C và trong bóng tối. a/Ảnh hưởng của áp suất cao đến các axit béo tự do: - Ở ngày đầu tiên bảo quản, tổng lượng axit béo tự do trong mẫu UHPH (xử lý bằng đồng hóa áp lực cao) ở 200MPa 30oC tăng gần gấp đôi so với các mẫu UHPH khác và mẫu sữa thanh trùng, với C18:0, C18:1, C16:0 là những axit béo tự do chính được tìm thấy trong mẫu sữa. Sự este hóa của các axit béo chính có trong sữa không phải là ngẫu nhiên: axit palmitic (C16:0 ) và axit stearic (C18:0) bị este hóa phần lớn ở vị trí C thứ nhất của các triglyceride, trong khi các axit béo không bão hòa bị este hóa phần lớn ở vị trí C thứ nhất và thứ ba của triglyceride. Sự phân giải lipid trong sữa có thể do các enzyme lipase tự nhiên, như là Lipoprotein Lipase (LPL), loại mà hoàn toàn bị vô hoạt khi xử lý ở nhiệt độ 72 o C trong vòng 15 giây hoặc bởi các lipase của vi khuẩn từ psychrotrophic bacteria, loại enzyme này có khả năng chịu được ở nhiệt độ thanh trùng và thậm chí là tiệt trùng UHT. LPL sẽ ưu tiên thủy phân vị trí số 1 và 3 của chuỗi triglyceride, nơi mà nó liên kết với các axit béo bậc cao như C18:0, C18:1, C16:0. Khi xử lý ở 200MPa 30 o C, nhiệt độ đạt được sau xử lý áp suất cao vào khoảng 75oC, trong khi ở nhiệt độ cao hơn (từ 85 đến 100 o C phụ thuộc vào hệ thống áp suất cao) đạt được ở những xử lý UHPH khác. Hầu như chắc chắn rằng, dòng sữa chịu tác dụng ở nhiệt độ 75oC trong thời gian ngắn, và nhiệt độ của dòng sữa cũng chỉ duy trì ở nhiệt độ này là không đủ cao để vô hoạt hoàn toàn các enzyme LPL. Như là một hệ quả của sự phá hủy các màng của cầu béo trong sữa (milk fat globule membrance) và sự giảm kích thước của các hạt cầu béo sau quá trình đồng Ảnh hưởng áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng sữa tươi GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt Mẫn 22 hóa, enzyme này có thể dễ dàng tiến lại gần chất béo và việc tăng diện tích bề mặt đã tạo điều kiện cho enzyme này dễ dàng xúc tác cho phản ứng phân hủy lipid trong sữa. Xử lý ở áp suất từ 50 đến 200MPa, quan sát thấy có sự tăng pH trong quá trình bảo quản lạnh ở 4 o C sau 24h, và họ cho rằng LPL hầu như không bị vô hoạt hoàn toàn bởi sự kết hợp giữa áp suất và nhiệt độ như các điều kiện xử lý ở trên. Các nhà khoa học cho rằng ảnh hưởng của UHPH làm mất hoạt tính của các enzyme trong sữa như là plasmine, lactoperoxidase, và alkaline phosphatase. Theo Datta (2001) thì phương pháp UHPH không làm mất hoạt tính của LPL hơn so với phương xử lý nhiệt tương ứng; ngược lại, xử lý bằng áp suất cao dường như còn làm tăng hoạt tính của enzyme. Bảng 3: Thành phần của cấu axit béo tự do có trong mẫu sữa tươi chưa qua xử lý áp suất cao, và các mẫu sữa chua đã qua xử lý ở áp suất cao ở những điều kiện áp suất và nhiệt độ khác nhau trong suốt quá trình bảo quản Ảnh hưởng áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng sữa tươi GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt Mẫn 23 - Trong suốt quá trình bảo quản lạnh ở 4oC, tổng lượng các axit béo tự do (FFA) tăng lên trong tất cả các mẫu; tuy nhiên, sự tăng lên này có ý nghĩa thống kê ( P < 0.05 )giữa các ngày chỉ đối với mẫu xử lý ở 200MPa ở cùng một nhiệt độ đầu vào. Như đã được giải thích trước, những dấu hiệu của sự phân hủy lipid ở 200MPa và 30oC được quan sát từ ngày bảo quản đầu tiên, tổng nồng độ FFA của mẫu này khoảng chừng 100mg FFA/L so với 50 mg FFA/L ở các mẫu sữa khác. Trong trường hợp 200MPa và 40oC, sự tăng lên của FFA bắt đầu có thể nhận thấy được từ ngày bảo quản thứ 7. - Qua phân tích các mẫu sữa, người ta đã nhận thấy sự xuất hiện của Pseudomonas spp. ở cuối quá trình bảo quản ( ngày 18 ), trong sữa xử lý ở 200 và 300 MPa với nhiệt độ đầu vào 40 o C, có thể sản sinh ra các enzyme lipase từ vi khuẩn. Sự tăng lên của tổng lượng FFA sẽ chậm lại khi càng về cuối của quá trình bảo quản đối với mẫu sữa xử lý ở 200MPa 40 o C kết hợp với nhiệt độ cao đạt được trong quá trình xử lý ( 85oC ), có thể vô hoạt LPL, và sự có mặt của Pseudomonas spp., cho rằng sự phân hủy lipid có thể là một hệ quả của các enzyme lipase từ vi khuẩn nhưng không gây ra bởi LPL. Tuy nhiên, mặc dù Pseudomonas spp. có mặt trong cả 2 mẫu xử lý ở áp suất 200MPa và 300MPa với Ti=40 o C (nhiệt độ đầu vào), sữa được xử lý ở 300MPa và 40oC không trải qua như sự phân hủy cường độ cao ở cuối quá trình bảo quản như sữa xử lý ở 200MPa 40oC. Sự khác nhau có thể được giải thích bằng sự có mặt của các chùm cầu béo quan sát được trong mẫu sữa xử lý ở áp suất 300MPa, có thể làm tăng kích thước của các giọt béo nhỏ thành ra sẽ làm giảm diện tích bề mặt để enzyme lipase của Pseudomonas spp. có thể xúc tác. - Dưới đây là biểu đồ biểu diễn sự biến đổi của các axit béo mạch ngắn (C4:0-C8:0), các axit béo mạch vừa (C10:0-C14:0) và các axit béo mạch dài (C16:0-C18:2) ở mỗi thời gian thử trong các mẫu thử được xử lý khác nhau. Các axit béo mạch ngắn chiếm khoảng chừng 2% tổng lượng các axit béo trong tất cả các mẫu sữa, trong khi đối với mạch vừa và mạch dài lần lượt là 20 và 78%. Như có thể thấy ở bảng 1, axit myristic (C14:0) là axit nổi bật nhất trong nhóm các axit béo mạch vừa, trong khi axit palmitic (C16:0), stearic (C18:0) và oleic (C18:1) là các axit chính trong nhóm các axit béo mạch dài và cũng là các axit béo tự do chính có trong mẫu sữa. Ảnh hưởng áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng sữa tươi GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt Mẫn 24 Hình 7: biểu đồ biểu diễn sự biến đổi của các axit béo mạch ngắn (C4:0-C8:0), các axit béo mạch vừa (C10:0-C14:0) và các axit béo mạch dài (C16:0-C18:2) ở mỗi thời gian thử trong các mẫu thử được xử lý khác nhau Ảnh hưởng áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng sữa tươi GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt Mẫn 25 - Sự tăng lên về nồng độ của các axit béo mạch ngắn trong suốt quá trình bảo quản cao hơn so với các axit béo mạch vừa và mạch dài, và điều đó thể hiện rõ ràng nhất ở mẫu xử lý ở 200MPa. Sự tăng lên của các axit béo mạch ngắn có thể được giải thích bởi tính đặc hiệu của LPL chỉ tác động lên các liên kết este cơ bản với sự ưu tiên hơn với các vị trí C số 1 và C số 3 của triglyceride. Nhìn chung, ở vị trí C số 3 thường là các axit béo mạch ngắn. Các axit béo tự do, nhất là các axit mạch ngắn và vừa có mùi vị mạnh, vì thế ở những nồng độ cao, các axit đó được diễn tả như chất bị ôi, chua, và chát. Các axit béo mạch dài có một lượng ít cũng làm xuất hiện vị lạ; tuy nhiên, các axit béo chưa bão hòa như axit oleic C18:1 và linoleic C18:2 dễ bị oxi hóa và sinh ra mùi kim loại. b/Ảnh hưởng đến sự oxi hóa lipid: - Oxi hóa lipid là một chuỗi các phản ứng của các gốc tự do bao gồm sự kích hoạt, sự lan truyền, và sự kết thúc. Bước đầu tiên của sự tự oxi hóa các axit béo không bão hòa là sự hình thành các gốc tự do, sau đó chúng phản ứng lại với phân tử O2 để tạo thành peroxide tự do. Các gốc tự do phản ứng lại với các phân tử không bão hòa khác để tiếp tục phản ứng và tạo thành hydroperoxide. Hydroperoxide là sản phẩm oxi hóa ban đầu được tạo thành trong suốt các phản ứng oxi hóa lipid, sau đó phần lớn hydroperoxide chuyển thành các andehit và xeton ( sản phẩm oxi hóa bậc 2). - Theo số liệu phân tích thu được đối với các sản phẩm oxi hóa bậc hai, TBARS ( các hợp chất có thể phản ứng với TBA) trong đó TBA là thiobarbituric acid và hexanal, và của sản phẩm oxi hóa bậc một hydroperoxide có một sự phân biệt rõ ràng giữa các mẫu. Như có thể thấy ở bảng 2, ngay sau khi xử lý ở áp suất 300 MPa thì mẫu này đã có sự giảm lượng hydroperoxide và tăng lượng TBARS và hexanal nhiều hơn so với mẫu sữa xử lý ở 200MPa và mẫu sữa thanh trùng (PA). Sự giảm lượng hydroperoxide kết hợp với sự tăng lên của TBARS và hexanal trong mẫu sữa xử lý ở 300 MPa chứng tỏ sự tiến triển của quá trình oxi hóa đi từ bậc 1 đến bậc 2. Kết quả hiện tại chỉ ra rằng xử lý ở 300 MPa làm cho hệ nhũ tương giảm đi tính ổn định và chống lại sự oxi hóa lipid so với xử lý ở 200 MPa, có thể được quy cho các nguyên nhân khác. Theo O’Brien và O’Connor (2004) thì xử lý nhiệt sẽ thúc đẩy sự hình thành các gốc alkyl, mà các gốc này phản ứng lại quá mức và có thể làm phát sinh ra phản ứng oxi hóa lipid. Trong suốt quá trình xử lý ở 300 MPa, sữa đạt được nhiệt độ vào khoảng 100oC, điều đó có thể giải thích cho sự khác nhau của oxi hóa lipid giữa các mẫu và mẫu ở 200MPa và mẫu PA. Ở cách giải thích khác, quá trình xử lý ở áp suất cao đối với sữa được cho rằng đã làm giảm khả năng oxi hóa bị giảm độ nhạy đi so với mẫu sữa tươi chưa qua xử lý bởi vì sau khi đồng hóa, các giọt cầu béo nhỏ sẽ bám vào bề mặt casein và cũng vì các phospholipid từ màng cầu béo sữa (milk fat globule membrane - MFGM ), chưa được bão hòa tốt, được chuyển một phần vào pha nước. Tuy nhiên, mẫu xử lý bằng áp lực đồng hóa ở cường độ cao nhất (300MPa) thì chịu Ảnh hưởng áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng sữa tươi GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt Mẫn 26 nhiều sự oxi hóa bậc hai hơn. Kết quả trái ngược này có thể được hiểu là do sự có mặt của các chùm giọt cầu béo nhỏ quan sát được ở áp suất trên 200MPa, vì ở những áp suất cao hơn làm tăng bề mặt chất béo. Một lượng lớn casein có thể bị giới hạn, dẫn đến việc bao phủ không đủ các giọt béo nên chúng có thể tái tổ hợp lại. Nếu các giọt béo không được bảo vệ hoàn toàn bởi protein, nó càng dễ dàng tham gia phản ứng oxi hóa. Casein được biết như là chất có khả năng chống oxi hóa mạnh, điều này có thể được hiểu rằng bản chất kỵ nước của chúng và sự định hướng của phía chuỗi chất chống oxi hóa tiềm năng lên bề mặt lipid; tuy nhiên, chúng cũng có thể liên kết với các kim loại có khả năng oxi hóa để phosphoseryl bã. Hầu như chắc chắn, sự có mặt của các casein bảo vệ trên bề mặt của hạt cầu béo nhỏ trong mẫu sữa xử lý ở 200MPa là lý do tại sao quá trình oxi hóa diễn ra bị chậm đi so với mẫu sữa 300MPa, mặc dù trong mẫu sữa 200MPa có chứa một lượng các axit béo tự do chưa bão hòa như axit oleic và linoleic cao hơn. - Andehit là sản phẩm oxi hóa bậc hai trong sữa, với ngưỡng nhận mùi thông thường thấp hơn so với các rượu và xeton, và chính vì lý do, nó tác động mạnh đến mùi của sữa ở những nồng đồ cao hơn ngưỡng nhận mùi. Mặc dù lượng hexanal trong mẫu 300MPa vào khoảng 15ppb so với 5ppb của mẫu 200MPa và 2ppb của mẫu PA, ngưỡng nhận mùi của hợp chất này trong mẫu sữa đồng hóa là 0.049ppm; do đó, andehit không nhất thiết liên quan trực tiếp đến khi có một vấn đề về mùi. Trong suốt quá trình bảo quản, nhìn chung không có sự thay đổi mức độ oxi hóa của mẫu sữa khi quan sát, mặc dù nhỏ nhưng không có ý nghĩa, trong giai đoạn cuối bảo quản nhận thấy có sự tăng lên của giá trị TBARS. Lượng TBARS vào khoảng 10-11 µg/1L sữa trong sữa 200MPa và sữa PA và khoảng 13µg/ 1L sữa trong mẫu sữa 300MPa. Theo Pereda (2003) đã mô tả nét đặc trưng của các hợp chất dễ bay hơi trong mẫu xử lý bằng UHPH và họ đã nhận thấy sự tăng lên của 2- heptanone và 2-nonanone trong mẫu sữa trong suốt quá trình bảo quản. Các xeton có thể được tạo thành trong khi xử lý nhiệt do sự β-oxi hóa các axit béo bão hòa kéo theo quá trình tách cacbonxyl hay quá trình tách cacbonxyl của β-keto axit có mặt trong chất béo sữa, và kể từ đây, chúng có thể can thiệt vào kết quả TBA. - Kết quả cuối cùng là trong khi quá trình phân hủy chất béo xảy ra ở các mẫu xử lý ở 200MPa, thì quá trình oxi hóa chất béo xảy ra ở các mẫu xử lý ở 300MPa. Tuy nhiên, phân tích cảm quan sẽ phải được sử dụng để xác nhận xem người tiêu dùng có nhận biết được nồng độ hexanal trong mẫu 300MPa và sự tăng lên của các axit béo tự do trong mẫu 200MPa và 40 o C hay không. 3/ Ảnh hưởng đến các hợp chất khoáng: - Những mẫu sữa tươi được đem đi xử lý với các điều kiện khác nhau, và bảo quản một thời gian trong vòng 10-15 ngày. Sau đó tiến hành phân tích thành phần các hợp chất Ảnh hưởng áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng sữa tươi GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt Mẫn 27 khoáng của các mẫu sữa sau khi qua xử lý và đem so sánh với mẫu sữa tươi chưa qua xử lý. Bảng 4 : Các cấp độ xử lý mẫu sữa tươi a/ Ảnh hưởng của xử lý bằng nhiệt độ: Bảng 5 : Hàm lượng Canxi, Magie và Photpho trong mẫu sữa tươi đã qua xử lý ở nhiệt độ 850C trong 10 phút và trong 30 phút - Ảnh hưởng của nhiệt độ ở 85oC trong 10 và 30 phút lên sự cân bằng khoáng được trình bày ở bảng trên. Lượng Ca, P và Mg hòa tan trong mẫu sữa xử lý nhiệt thấp hơn so với mẫu sữa chưa qua xử lý. Không có sự khác nhau đáng kể vì thời gian xử lý nhiệt (10 hoặc 30 phút). - Khi sữa tươi chỉ phải chịu xử lý nhiệt độ trong điều kiện ít khắc nghiệt hơn (85oC trong vòng 20s), thì cũng không có sự thay đổi đáng kể về lượng Ca, Mg và P hòa tan so với mẫu chưa qua xử lý. Ảnh hưởng áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng sữa tươi GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt Mẫn 28 - Một lượng khoáng hòa tan trong sữa xử lý nhiệt ở 85oC trong vòng 10 hoặc 30 phút giảm đi nhiều hơn so với sữa được xử lý ở nhiệt độ 85oC trong vòng 20 giây. Hàm lượng của các khoáng chất hòa tan tương tự nhau trong sữa xử lý nhiệt trong 10 hoặc 30 phút được quy cho là do một cơ chế có hai bước được trình bày bởi Rose & Tessier (1959). Họ quan sát thấy ban đầu các khoáng chất hòa tan giảm xuống trong 5 phút đầu xử lý nhiệt và theo sau đó là một giai đoạn 20 phút và trong suốt giai đoạn này có rất ít sự thay đổi hơn nữa. b/ Ảnh hưởng của xử lý bằng áp suất cao và nhiệt độ: Bảng 6 : Hàm lượng Canxi, Magie, tổng lượng Photphovà photpho vô cơ trong mẫu sữa tươi đã qua xử lý ở áp suất cao, xử lý nhiệt, xử lý áp suất cao sau khi xử lý nhiệt,và xử lýnhiệt sau khi xử lý ở áp suất cao - Khả năng của các muối hòa tan trở lại giá trị ban đầu khi mẫu sữa đã xử lý nhiệt rồi sau đó đem đi xử lý ở áp suất cao. Tuy nhiên, sữa xử lý nhiệt trước khi xử lý áp suất cao thì làm giảm hàm lương muối hòa tan, và giá trị này gần bằng với sữa chỉ xử lý nhiệt. Bảng 7 : Lượng ion Ca2+ và giá trị pH trong các mẫu sữa đã qua xử lý ở áp suất cao, xử lý nhiệt, xử lý áp suất cao sau khi xử lý nhiệt,và xử lý nhiệt sau khi xử lý ở áp suất cao Ảnh hưởng áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng sữa tươi GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt Mẫn 29 - Việc xử lý nhiệt sữa làm giảm lượng các ion Ca2+ , trong khi xử lý áp suất cao không làm thay đổi mức độ của sữa và tăng mức độ của sữa qua xử lý nhiệt về giá trị ban đầu. Điều tương tự cũng được tìm thấy ở pH. - Xử lý bằng áp suất cao gây ra các ảnh hưởng rất hạn chế lên lượng ion Ca2+. Nồng độ Ca 2+ có sự tăng lên rất ít tương ứng với sự thay đổi nhỏ của pH. Do sự giảm xuống của pH trong sữa qua xử lý nhiệt đến lượng nhiệt gây ra sự hình thành của keo Canxi photphat, và sự tăng lên của pH đến áp suất gây ra sự phân hủy cùa keo canxi photphat. - Sự tăng lên một cách rõ ràng của lượng Ca và P trong pha hòa tan là kết quả của việc xử lý ở áp suất cao. Áp suất làm tăng các phản ứng kết hợp với thể tích tăng lên, và do đó gây ra một ảnh hưởng phá hủy các ion và các tương tác kỵ nước có thể làm mất mát của các mảnh vỡ micelle cùng với Canxi photphat từ casein micelle . Ảnh hưởng giới hạn của áp suất lên lượng ion Ca2+ xác nhận sự giải thích này. - Sự thay đổi nhỏ hơn của Mg trong cả 2 loại sữa xảy ra trong suốt quá trình xử lý nhiệt. Sự thay đổi một cách tương đối nhỏ của Mg là do sự tâp hợp của Mg lên bề mặt lớn hơn là số lượng lớn các vi hạt. Mg có thể liên kết trực tiếp với casein mà không cần nhóm photphat làm cầu nối. Mặc dù không có thông tin nào nói về sự thay đổi của Mg trong suốt quá trình xử lý ở áp suất cao, nhưng áp suất cao không làm hòa tan Ca trực tiếp vào bề mặt của casein nhưng làm tăng tính tan của canxi photphat. - Xử lý ở áp suất cao đối với sữa đã qua xử lý nhiệt về cơ bản khôi phục lại lượng Ca và P trở lại ban đầu như sữa chưa qua xử lý, vì xử lý ở áp suất cao làm tăng tính tan của các tinh thể canxi photphat hình thành trong quá trình xử lý nhiệt. Xử lý ở áp suất cao đối với sữa được thực hiện trước khi xử lý nhiệt sẽ không làm cho lượng muối hòa tan cao hơn so với mẫu sữa chưa qua xử lý, vì các phức hợp casein-canxi-whey protein được hình thành trong suốt quá trình xử lý nhiệt có độ nhạy với áp suất thấp hơn micelle casein trong sữa chưa qua xử lý do đó không có thêm khoáng được giải phóng vào trong pha hòa tan. - Lượng muối hòa tan trong sữa xử lý nhiệt và sữa xử lý nhiệt sau khi đã xử lý ở áp suất cao tương tự nhau đã chứng tỏ rằng sự cân bằng khoáng ban đầu trong sữa xử lý nhiệt không ảnh hưởng đến trạng thái cân bằng cuối cùng, mà chủ yếu là phản ánh lại các điều kiện gia nhiệt. c/ Ảnh hưởng của xử lý áp suất cao ở nhiệt độ cao: Bảng 8 : Lượng ion Ca2+ và giá trị pH trong các mẫu sữa đã qua xử lý nhiệt có và không có xử lý ở áp suất cao tiếp theo Ảnh hưởng áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng sữa tươi GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt Mẫn 30 sau - Đối với mẫu sữa chịu cả 2 tác dụng trên thì giá trị pH giảm nhẹ, và lượng các ion Ca2+ cũng được giữ nguyên không thay đổi sau khi xử lý áp suất cao ở 75oC. Xử lý nhiệt mà không có áp suất cao làm cho giá trị pH và ion Ca2+ giảm đi đáng kể. đối với sữa chịu cả hai tác dụng thì hàm lượng khoáng trong pha hòa tan sau khi xử lý sẽ tăng nhiều hơn so với chỉ xử lý nhiệt độ cao. -Kết hợp nhiệt độ và áp suất không làm thay đổi lượng ion Ca2+ so với sữa tươi(bảng 5). Có vẻ như áp suất hạn chế ảnh hưởng của xử lý bằng nhiệt độ cao. Điều đó là phù hợp với sự thay đổi nhỏ của pH và Canxi hòa tan trong suốt quá trình xử lý ở áp suất cao ở 75 o C. - Ở các điều kiện của thí nghiệm hiện tại, áp suất làm tăng nhẹ Ca và P hòa tan trong sữa bò, trong sữa dê có sự giảm nhẹ. Sự khác nhau này có thể được giải thích bằng nhiều cách. Đầu tiên, sự tăng lên của bậc của các liên kết ngang trong các micelle của sữa dê làm cho chúng mạnh mẽ hơn và ít nhạy cảm với áp lực. - Không thực hiện ở các điều kiện tương tự nhau để đánh giá ảnh hưởng của cả 2 yếu tố nhiệt độ và áp suất lên mẫu sữa. Theo Gaucheron và cộng sự (1997), các ảnh hưởng của áp suất ở 40oC thì thấp hơn so với 20oC. Họ nhận thấy có sự giảm hàm lượng β- lactoglobulin trong pha hòa tan trong mẫu sữa xử lý ở 400C, nhưng không có sự khác nhau về hàm lượng muối hòa tan ở những nhiệt độ khác nhau. - Mặc dù các ảnh hưởng của nhiệt độ và của áp suất cao lên sự cân bằng khoáng là không dễ để xác định và giải thích, các kết quả hiện tại ủng hộ một điều rằng áp suất gây ra sự phân hủy của micelle không phải chỉ là kết quả của sự phá vỡ các mối liên kết giữa casein với các thành phần vô cơ. Sự yếu đi của các gốc kỵ nước, ion và các liên kết hydro cũng đóng một vai trò quyết định đến sự cân bằng của casein trong sữa. 4/ Ảnh hưởng đến vitamin: Ảnh hưởng áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng sữa tươi GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt Mẫn 31 - Theo các nhà nghiên cứu thì lượng vitamin trong sữa tươi không bị ảnh hưởng đáng kể bởi quá trình xử lý ở áp suất cao. Theo Bignon(1996), xử lý ở áp suất cao có thể duy trì được vitamin A,B1,B2,E và acid folic và lượng vitamin C sẽ giảm đi không đáng kể nếu đem so sánh với mẫu sữa tươi thanh trùng được bảo quản ở 4oC trong 40 ngày. a/Ascorbic acid: - Ảnh hưởng của áp suất cao lên acid ascorbic được nghiên cứu kỹ hơn so với các loại vitamin khác như A,B,D,E và K. Nghiên cứu về sự ổn định của vitamin C trong sữa tươi sau khi xử lý ở áp suất cao là có đạt được. Lượng vitamin C trong sữa tươi không bị ảnh hưởng đáng kể bởi áp suất cao. - Nghiên cứu về sự thay đổi của hàm lượng vitamin C trong sữa đã qua xử lý áp suất cao trong suốt quá trình bảo quản, người ta nhận thấy rằng bảo quản ở nhiệt độ thấp có thể loại trừ được sự phân giải vitamin C sau khi đã xử lý ở áp suất cao. Ví dụ như chất lượng của sữa đã qua xử lý áp suất cao vẫn được giữ nguyên khi bảo quản ở nhiệt độ 5oC trong vòng từ 8-10 ngày, nhưng có một sự làm hư hỏng vitamin C xảy ra trong suốt quá trình bảo quản ở 25oC. Một số nghiên cứu khác thì nhận thấy rằng vitamin C hầu như được giữ nguyên trong suốt quá trình sữa tươi xử lý ở áp suất cao (500MPa/nhiệt độ phòng/3 phút) nhưng bị giảm xuống trong quá trình bảo quản (lên đến 12.5% so với lượng ban đầu sau khi bảo quản trong 8-10 ngày ở 5oC). - Ảnh hưởng của oxi lên sự ổn định của acid ascorbic dưới áp suất được nghiên cứu. Ở 600MPa và 75 oC trong 40 phút đặt ngoài không khí, acid ascorbic trong dung dịch đệm (đệm Natri acetat 0.1M,pH 3.5-4) giảm xuống 45% so với lượng ban đầu của nó trong khi có mặt của oxi, thì quan sát thấy lượng vitamin ít bị mất hơn. Ngoài ra, nếu cho thêm vào 10% đường saccharose thì bảo vệ cho acid ascorbic khỏi bị giảm giá trị dinh dưỡng. Điều này chứng tỏ, vitamin C trong sữa sẽ bị tổn thất nhiều hơn so với dung dịch đệm. - Ở áp suất 850MPa và 50oC trong 1 giờ, quan sát thấy vitamin C không bị tổn thất. Kết hợp nhiệt độ cao với áp suất cao ở 850MPa và 65-80oC làm giảm giá trị sinh dưỡng của vitamin C, đồng thời kéo theo một loạt các phản ứng phụ khác. Tốc độ làm giảm giá trị dinh dưỡng của vitamin C ở 850MPa sẽ tăng lên khi tăng nhiều độ từ 65oC tới 80oC, điều này chứng tỏ rằng áp suất và nhiệt độ tác động hợp chung với nhau. Sự phụ thuộc của sự làm giảm giá trị dinh dưỡng của acid ascorbic vào nhiệt độ độc lập với giá trị của áp suất. Dựa vào những gì đã nghiên cứu, có thể rút ra kết luận là acid ascorbic không giữ được sự ổn định ở áp suất cao (850MPa) khi kết hợp với nhiệt độ cao (65oC-80oC). b/ Vitamin A và carotene: - Ảnh hưởng của áp suất cao lên sự ổn định của carotene đã được nghiên cứu. Dựa trên các số liệu đã nghiên cứu được thì người ta đã đưa ra kết luận rằng áp suất cao không ảnh hưởng đến (hoặc ảnh hưởng rất ít) đến lượng carotene trong sữa tươi. Lượng β-carotene trong sữa tươi chỉ bị ảnh hưởng nhẹ bởi áp suất 600MPa và 75oC trong 40 phút (Tauscher,1998). Áp suất cao (500 và 800MPa/nhiệt độ phòng/5 phút) không ảnh hưởng Ảnh hưởng áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng sữa tươi GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt Mẫn 32 hoặc ảnh hưởng rất đến hàm lượng carorenoid và trong suốt quá trình bảo quản ở 4oC; hàm lượng carotenoid sau khi chịu áp suất cao vẫn được duy trì không đổi trong 10 ngày(Fernandez Garcia và cộng sự,2001). - Ảnh hưởng của áp suất đến retinol và vitamin A được nghiên cứu trong hệ thống dung dịch đệm. Áp suất cao có thể gây sự giảm giá trị dinh dưỡng của vitamin A. Ví dụ, áp suất từ 400-600MPa gây ra giảm đáng kể giá trị dinh dưỡng của retinol (trong dung dịch 100% ethanol). Sự phá hủy có thể lên đến 45% sau 5 phút xử lý ở 600MPa kết hợp với nhiệt độ 40,60 và 75oC. Áp suất và nhiệt độ phá hủy retinol kéo theo một loạt các phản ứng khác. Các nghiên cứu khác trên vitamin A acetate (trong dung dịch 100% ethanol) chỉ ra rằng sự phá hủy vitamin A acetate dễ dàng nhận thấy khi ta tăng nhiệt độ và áp suất. Khoảng một nửa nồng độ vitamin A acetate có thể được giữ lại bởi xử lý áp suất ở áp suất/nhiệt độ/thời gian xử lý kết hợp khác nhau tức là 650 MPa/70°C/15 phút và 600 MPa/25°C/40 phút.Ở 90oC, quan sát thấy sự phá hủy hoàn toàn sau 2-16 phút (áp suất lên đến 600MPa). Không có ảnh hưởng của oxi lên sự phá hủy retinol và vitamin A acetat. c/ Vitamin B,E và K: - Sự ổn định của các vitamin B,E và K theo hướng xử lý bằng áp suất đã được nghiên cứu. Xử lý ở áp suất (200,400, và 600MPa) tại 20oC trong vòng 30 phút không ảnh hưởng gì đáng kể đến vitamin B1(thiamine) và B6(pyridoxal). Ảnh hưởng của áp suất lên vitamin K1 chỉ ra rằng một lượng nhỏ sản phẩm m- và p- isomeric Diels–Alder được hình thành sau 3 giờ xử lý ở 650MPa và 70oC. - Ở sữa bò, áp suất cao (400MPa/nhiệt độ phòng/30 phút) không làm thay đổi hàm lượng vitamin B1 và B6. Tuy nhiên ở những điều kiện xử lý khắc nghiệt hơn như nhiệt độ cao(100 o C) kết hợp với áp suất 600MPa, hầu như 50% thiamin trong sữa tươi hoàn toàn bị phá hủy chỉ trong vòng 15 phút. Ngoài ra, riboflavin trong sữa chỉ bị ảnh hưởng nhẹ (giảm 20%) sau khi xử lý ở áp suất 600MPa trong vòng 15 phút kết hợp với nhiệt độ trong khoảng từ 25oC tới 100oC. Độ nhạy cảm về nhiệt của các vitamin như riboflavin,acid folic, α-tocopherol và thiamine không thay đổi trong suốt quá trình xử lý ở áp suất từ 400 đến 1000 MPa ở 25oC trong vòng 30 phút. - Có thể đưa ra kết luận rằng xử lý ở áp suất cao gây ra rất ít ảnh hưởng lên lượng vitamin trong sữa tươi. Tuy nhiên, ở điều kiện xử lý khắc nghiệt hơn khi kết hợp áp suất cao với nhiệt độ cao trong một thời gian xử lý dài thì có xảy ra sự phá hủy vitamin. Đối với việc sử dụng áp suất cao ở quy mô công nghiệp, thì sự kết hợp giữa áp suất/nhiệt độ/thời gian còn phải được lựa chọn kỹ để hạn chế sự phá hủy vitamin mà vẫn có thể vô hoạt được các vi sinh vật. Ví dụ, xử lý ở điều kiện nhiệt độ và áp suất vừa phải thì cũng giống như quá trình thanh trùng thông thường để giữ được lượng vitamin trong sữa và chỉ vô hoạt các tế bào sinh dưỡng. Khi xem vô hoạt bào tử là mục tiêu cần đạt được, thì cần phải kết hợp áp suất cao với xử lý nhiệt và những biện pháp xử lý này sẽ ảnh hưởng đến giá trị dinh dưỡng của sữa. Đây vẫn là một câu hỏi mở không biết việc kết hợp xử lý nhiệt thông thường với quá trình áp suất cao có làm vô hoạt được các bào tử đồng thời cải thiện chất lượng của vitamin hay không. Ảnh hưởng áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng sữa tươi GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt Mẫn 33 5/ Ảnh hưởng của áp suất cao đến lactose: - Hiện nay, chưa có nhiều tài liệu nghiên cứu về ảnh hưởng của áp suất cao đến thành phần lactose của sữa. Tuy nhiên, cũng có một vài ý kiến cho rằng áp suất cao có tác dụng làm giảm khả năng bị caramel hóa cũng như làm giảm khả năng tham gia phản ứng Maillard của lactose trong điều kiện pH kiềm dưới tác dụng của nhiệt độ (giảm khả năng xảy ra sự hóa nâu không do enzyme) (F. Javier Moreno, Mar Villamiel và Augustin Olano). - Hiện tượng này có thể được giải thích như sau: Qúa trình caramel hóa carbohydrate bao gồm các phản ứng đồng phân hóa aldose thành ketone, các phản ứng phân hủy và hóa nâu. Trong suốt qúa trình xử lí nhiệt của sữa, lactose đầu tiên được chuyển thành lactulose, tiếp theo là qúa trình chuyển hóa lactulose thành isosaccarinic acid và galactose, hợp chất này sau đó lại chuyển thành các tiền chất của sản phẩm hóa nâu. Tác dụng của áp suất cao gây ức chế các qúa trình đồng phân hóa và phân hủy nói trên, do đó làm giảm khả năng hóa nâu của sản phẩm khi xử lí bằng nhiệt độ. - Theo F. Javier Moreno, Mar Villamiel và Augustin Olano, khi tiến hành xử lí một mẫu chỉ chứa đường lactose hòa tan trong dung dịch đệm sodium carbonate-bicarbonate ở nhiệt độ là 60oC dưới áp suất khí quyển và một mẫu dưới áp suất 400 MPa trong 3 giờ. Kết qủa thu được là ở mẫu xử lí với áp suất 400 MPa, chỉ có 7.8% lactose chuyển hóa thành lactulose và 1.8% lactose bị hân hủy thành galactose, trong khi con số này ở mẫu xử lí ở áp suất khí quyển lần lượt là 18.8% và 12.6%. Điều này đã thể hiện rõ cho những giải thích nêu trên. IV/ Ưu và nhược điểm của việc sử dụng áp suất cao đối với các thành phần dinh dưỡng trong sữa tươi: - Ưu điểm: * Hàm lượng vitamin trong sữa tươi có sự biến đổi không đáng kể sau quá trình ở áp suất cao. * Hàm lượng khoáng chất trong sữa tươi sau khi xử lý áp suất vẫn đạt được sự cân bằng như trước khi xử lý. * Nhiệt độ trong quá trình xử lý áp suất cao luôn được giữ không đạt đến giá trị cao, nên đảm bảo được sự ổn định của các giá trị dinh dưỡng của sữa tươi. * Sự an toàn về vi sinh vật tăng lên, và tăng thời gian bảo quản bằng cách vô hoạt các tác nhân gây bệnh, các vi sinh vật gây hư hỏng và một số loại enzyme dẫn đến thành phần dinh dưỡng của sữa tươi được đảm bảo sau quá trình xử lý. Ảnh hưởng áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng sữa tươi GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt Mẫn 34 * Phần lớn các protein hòa tan như -lactalbumin, serum-albumin, immunoglobulin vẫn giữ được những đặc tính ban đầu, vẫn bền vững sau khi xử lý ở áp suất cao. - Nhược điểm: * Chi phí ban đầu để đầu tư cho thiết bị vẫn còn rất cao (vào khoảng 1.8 triệu USD cho một hệ thống sản xuất điển hình). Tuy nhiên, nhiều công ty đang cố gắng cân chỉnh lại mức giá bằng cách bù đắp lại, tạo cơ hội cho những sản phẩm sữa mới có giá trị dinh dưỡng cao, tăng giá thành sản phẩm, và hỗ trợ giảm chi phí vận hành thiết bị hoạt động ở áp suất cao (high pressure processing) một cách tương đối. * Thành phần chất béo trong sữa tươi có thể bị phân giải thành các axit béo tự do, và ở những áp suất cao hơn gây ra hiện tượng oxi hóa chất béo làm giảm giá trị dinh dưỡng của sữa tươi. V/ Hướng nghiên cứu sử dụng áp suất cao để tác động đến thành phần dinh dưỡng trong các sản phẩm sữa tươi trong tương lai: - Áp suất cao tác động lên các hợp chất dinh dưỡng và vô hoạt các vi khuẩn ở áp suất 400MPa ngay tại nhiệt độ phòng. Từ kết quả nghiên cứu trên, nhận thấy rằng quá trình xử lý áp suất cao (HPP) có tiềm năng thay thế xử lý nhiệt độ thấp trong thời gian dài (Low Temperature Long Time) hay quá trình thanh trùng (Pasteurization) đối với sữa tươi. Công việc trong tương lai là cần tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất cao lên việc giữ lại được nhiều nhất các thành phần dinh dưỡng được bổ sung vào cũng như có sẵn trong sữa tươi. Thời gian xử lý sữa tươi ở áp suất cao cũng đóng một vai trò hết sức quan trọng trong quá trình xử lý, vì vậy trong tương lai cần phải có những nghiên cứu sâu về vấn đề này để thiết lập nên những khoảng thời gian xử lý ở áp suất cao tối ưu đối với sữa tươi sao cho hàm lượng các hợp chất dinh dưỡng được giữ lại nhiều nhất và giúp giảm chi phí vận hành thiết bị. - Hầu hết các nghiên cứu đều nhận định rằng phương pháp xử lý sữa tươi ở áp suất cao là phương pháp xử lý mà trong suốt quá trình bảo quản vẫn giữ được phần lớn các giá trị dinh dưỡng của sữa tươi. Do đó, những kết quả nghiên cứu về vai trò của phương pháp xử lí bằng áp suất cao cần được tiến hành và đem ra ứng dụng để nâng cao giá trị dinh dưỡng và sự an toàn của sữa tươi. - Khi so sánh với phương pháp xử lý nhiệt thông thường, thì phương pháp xử lý áp suất cao được xem như một phương pháp mới có thể đảm bảo chắc chắn tăng chất lượng của sữa tươi nói chung, trong đó có chất lượng dinh dưỡng. Tuy nhiên trong quá trình xử lý ở áp suất cao đi chung với việc tăng các giá trị dinh dưỡng có thể là việc xuất hiện của các hợp chất độc hay chất gây dị ứng. Vì vậy trong tương lai điều này phải được nghiên cứu kỷ lưỡng hơn. Ảnh hưởng áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng sữa tươi GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt Mẫn 35 - Ngày nay, kết hợp xử lý ở áp suất cao với xử lý nhiệt độ cao trong thời gian ngắn đã được đề xuất để tiệt trùng sữa bởi vì những ảnh hưởng của chúng làm vô hoạt các bào tử vi sinh vật. Ở một hướng khác, một số nghiên cứu đã cho rằng sự cân bằng dinh dưỡng (như vitamins, lipids, các hợp chất có lợi cho sức khỏe có trong sữa) và các hợp chất hóa học có thể chấp nhận được sẽ bị giới hạn bởi các điều kiện áp suất-nhiệt độ khắc nghiệt. Vì vậy cần phải nghiên cứu thêm về các số liệu động học cũng như về thiết bị cũng rất quan trọng. VI/ Tài liệu tham khảo: 1. Gregory D. Miller, Ph.D., F.A.C.N, Judith K. Jarvis, M.S., R.D., L.D.Lois D. McBean, M.S., R.D. Handbook of dairy foods and nutrition, second edition. National Dairy Council® Rosemont, Illinois, 2000, 414p. 2. Edited by Gerrit Smit, Dairy processing. Woodhead Publishing Limited, Cambridge England,2003, 528p. 3. Edited by James G. Brennan, Food processing handbook. Copyright © 2006 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim,2006, 602p. 4. P. Fellows, Food processing technology, Principles and Practice, Second Edition. Woodhead Publishing Limited, Cambridge England, 2000, 579p. 5. Katarzyna Kiełczewska, Maria Czerniewicz, Joanna Michalak and Waldemar Brandt. The effect of high pressure on nitrogen compounds of milk. Journal of physics: Condens. Matter 16 S1067–S1070. Institute of physics publishing, 2004 6. H. Y. Kim, S. H. Kim, M. J. Choi, S. G. Min, and H. S. Kwak. The Effect of High Pressure–Low Temperature Treatment on Physicochemical Properties in Milk. J. Dairy Sci. 91:4176–4182. American Dairy Science Association, 2008. 7. Maurice G Hayes, Patrick F Fox and Alan L Kelly. Potential applications of high pressure homogenization in processing of liquid milk. Journal of Dairy Research 72 25– 33. Proprietors of Journal of Dairy Research, 2005. 8. Thom Huppertz, Patrick F Fox and Alan L Kelly. High pressure-induced denaturation of -lactalbumin and -lactoglobulin in bovine milk and whey: a possible mechanism. Journal of Dairy Research (2004) 71 489–495. Proprietors of Journal of Dairy Research 2004. 9. Thom Huppertz, Patrick F Fox and Alan L Kelly. High pressure treatment of bovine milk: effects on casein micelles and whey proteins. Journal of Dairy Research (2004) 71 97–106. Proprietors of Journal of Dairy Research 2004. 10. Maurice G Hayes and Alan L Kelly. High pressure homogenisation of raw whole bovine milk (a) effects on fat globule size and other properties. Journal of Dairy Research (2003) 70 297–305. Proprietors of Journal of Dairy Research 2003. 11. Miguel Angel De La Fuente, Agustin Olano, Vicente Casal and Manuela Jua Rez. Effects of high pressure and heat treatment on the mineral balance of goats' milk. Journal of Dairy Research (1999) 66 65±72. Proprietors of Journal of Dairy Research 1999. Ảnh hưởng áp suất cao đến giá trị dinh dưỡng sữa tươi GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt Mẫn 36 12. F.Javier Moreno, Mar Villamiel, and Agustian Olano. Effect of High Pressure on Isomerization and Degradation of Lactose. J. Agric. Food Chem. 2003, 51, 1894-1896. 13. Felix Sancho, Yann Lambert, Gerard Demazeau, Alain Largeteau Jean-Marie Bouvier, Jean-Francßois Narbonne. Effect of ultra-high hydrostatic pressure on hydrosoluble vitamins. Journal of Food Engineering 39 (1999) 247±253. 14. Thom Huppertz, Alan L Kelly and Cornelis G. de Kruif. Disruption and reassociation of casein micelles under high pressure. Journal of Dairy Research (2006) 73 294–298. Proprietors of Journal of Dairy Research 2006. 15. Thom Huppertz and Cornelis G de Kruif. Disruption and reassociation of casein micelles during high pressure treatment : influence of whey proteins. Journal of Dairy Research (2007) 74 194–197. Proprietors of Journal of Dairy Research 2007. 16. Thom Huppertz, and Cornelis G. Dekruif. Disruption and Reassociation of Casein Micelles under High Pressure: Influence of Milk Serum Composition and Casein Micelle Concentration. J. Agric. Food Chem. 2006, 54, 5903-5909. Journal of agricultural and food chemistry 2006.