Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
CHƯƠNG 4: Các quá trình xử lý nhiệt

CHƯƠNG 4: Các quá trình xử lý nhiệt

Tải bản đầy đủ - 0trang

vi sinh vật, có thể do khả năng ngoại nhiễm hoặc hệ vi sinh có sẵn, nguyên nhân là do sự giàu chất dinh

dưỡng đáp ứng nhu cầu hoàn hảo cho vi sinh vật. Nhiều loại bệnh gây nguy hiểm đặc biệt cho hệ miễn dịch

non yếu của trẻ như bệnh lao, sốt rét … đều có khả năng lan truyển qua nguồn sữa.

Thuật ngữ “Thanh trùng – Pasteurization” được đặt tên dựa theo người phát hiện ra dựa trên những

nghiên cứu cơ bản bắt nguồn từ sự tác động nhiệt lên vi sinh vật, dẫn đến sự chết hay sự đình chỉ hoạt động

của chúng. Thanh trùng từ đó được xử dụng như một trong những kỹ thuật xử lý nhiệt nhằm có thể bảo quản

sữa trong thời gian đáng kể sau thu vắt. Thanh trùng là biện pháp được chú trọng do khả năng “tiêu diệt

hoàn toàn vi khuẩn gây bệnh đặc biệt nguy hiểm ví dụ như trực khuẩn lao-T.B”, tuy nhiên không gây ảnh

hưởng đáng kể đến các đặc tính lý hóa của sữa [36].

Mức độ nhiệt cần thiết cần được thiết lập, các yếu tố khác cũng cần được kiểm soát do khả năng biến

nhiệt lớn và khả năng vẫn còn tồn tại các yếu tố vi khuẩn lây nhiễm. Vi khuẩn ở mức độ kháng nhiệt cao

nhất là vi khuẩn T.B (đối với các loại vi khuẩn không sinh bào tử), bị giết chết khi xử lý sữa ở 63oC trong

10-30 phút [38].

Ngoài các vi sinh vật gây bệnh, sữa còn chứa các hợp chất và vi sinh vật phân hủy khác có thể làm

hỏng mùi vị và rút ngắn thời gian bảo quản của các sản phẩm có nguồn gốc từ sữa khác nhau. Do đó, một

mục đích thứ cấp của xử lý nhiệt là để tiêu diệt càng nhiều càng tốt các sinh vật gây hư hỏng và bất hoạt các

enzym. Điều này đòi hỏi phải xử lý nhiệt cao hơn mức cần thiết để loại bỏ các nhân tố gây hư hỏng [42].

Mục đích thứ hai của xử lý nhiệt ngày càng trở nên quan trọng vì các nhà máy sữa đã trở nên lớn hơn

và có số lượng ít hơn nhiều. Khoảng cách dài hơn giữa các lần vận chuyển có nghĩa là, mặc dù các kỹ thuật

làm lạnh hiện đại, các vi sinh vật có nhiều thời gian để nhân lên do sự kìm hãm chức năng sinh tổng hợp và

đình chỉ hoạt tính của hệ enzym. Khi các thành phần của sữa bị phân hủy dẫn đến tính acid, giảm độ pH,…

Để khắc phục những vấn đề này, các quy trình xử lý nhiệt cần được áp dụng đối với sữa ngay khi thu vắt

xong [43].

May mắn thay, các vi sinh vật mang mầm bệnh trong sữa không sinh bào tử [38].

2.



Sự kết hợp giữa thời gian gia nhiệt và ngưỡng nhiệt tối ưu



Như đã nêu trên, sự kết hợp giữa thời gian gia nhiệt và ngưỡng nhiệt tối ưu là rất quan trọng trong quá

trình xử lý nhiệt [45].



Hình 34.Đường cong biểu diễn hiệu ứng nhiệt có thể tiêu diệt vi khuẩn Coliform, vi khuẩn

Typhus và vi khuẩn Tubercle.

Đồ thị chỉ rõ sự ảnh hưởng nhiệt đến các loại vi khuẩn:





Tiêu diệt Coliform ở 70oC trong 1s







Tiêu diện Coliform ở 65oC trong 10s



 Sự ảnh hưởng đến sự tồn tại của vi sinh vật ở hai sự kết hợp trên là như nhau

Các loại vi khuẩn gây bệnh ví dụ như trực khuẩn lao có khả năng chịu nhiệt tốt hơn nhóm Coliform.





70oC trong 20s







65oC trong 2 phút



Trong sữa cũng tồn tại một số loại vi khuẩn kháng nhiệt nhưng chúng hồn tồn vơ hại đối với người

sử dụng [65].

3.



Các yếu tố cần cân nhắc khi tiến hành xử lý nhiệt



Các phương pháp xử lí nhiệt ở cường độ cao với mong muốn là loại bỏ hầu hết các loại vi sinh trong

sữa, nhưng nhiệt độ cao cũng làm ảnh hưởng đến các tính chất của sữa, đặc biệt là ảnh hưởng đến cảm quan

sản phẩm và làm thất thoát giá trị dinh dưỡng [76]. Protein trong sữa bị biến tính, vón cục ở nhiệt độ cao,

ứng dụng của sữa trong ngành công nghệ sản xuất bánh cũng bị ảnh hưởng nghiêm trọng [45]. Nhiệt độ cao

còn làm thay đổi mùi vị sữa: đầu tiên các chất mùi được đun nóng, sau đó chúng biến tính và hoàn toàn thay

đổi kết cấu cũng như bay hơi một phần. Sự



kết hợp nhiệt độ và thời gian xử lý nhiệt là điều cần được tối ưu hóa cũng như đặt vấn đề lên trên hàng đầu,

bởi vì bên cạnh hiệu ứng vi sinh, chúng còn ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm [65].



T(oC)

Hình 35. Sự kết hợp của nhiệt độ (T) và thời gian (t') của việc xử lý nhiệt sữa gây ra [67]

(A, B) bất hoạt (giảm hoạt động xuống khoảng 1%) của một số enzyme sữa và lipase vi khuẩn;

(C) giết chết (giảm đến 10-6) các chủng vi khuẩn Pseudomonas viscosa, Mycobacterium

tuberculosis, Listeria monocytogenes và Microlacticum, và bào tử (10-4) của Bacillus cereus và

B. stearothermophilus; (D) đông tụ nhìn thấy được (HC), một mức độ nhất định của phản ứng



hóa nâu, giảm hàm lượng lysine có sẵn giảm 1%, vị khét khác biệt và mất hoạt tính kết dính lạnh;

(E) beta-lactoglobulin khơng hòa tan 1%, 30% và 90% và 30% α-lactalbumin [38][43][69].



(----) Kết quả gần đúng.

Xử lý nhiệt là quy trình quan trọng trong ngành sản xuất và chế biến sữa, nhiều nghiên cứu đã

được đưa ra thảo luận, đúc kết và được ứng dụng rộng rãi [65].

Bảng 3.Các phương thức xử lý nhiệt chính trong ngành công nghiệp sữa [78]

Phương thức gia nhiệt

Thanh trùng trong bao bì

Sữa thanh trùng nhiệt độ thấp, thời gian dài



Nhiệt độ (oC)

63



Thời gian

30 phút



LTLT pasteurization of milk

Thanh trùng ngồi bao bì

Sữa thanh trùng nhiệt độ cao, thời gian ngắn



72 – 75



15 – 20s



>80



1–5s



125 – 138



2–4s



135 – 140



Vài giây



115 – 120



20 – 30 phút



HTST pasteurization of milk

Thanh trùng ngồi bao bì – Kem tươi

(Thanh trùng nhiệt độ cao, thời gian ngắn)

HTST pasteurization of Cream, etc.

Sữa siêu thanh trùng

Ultra pasteurization

UHT

Ultra High Tempeture

Tiệt trùng trong bao bì



4.



Khái quát các quá trình xử lý nhiệt



4.1.



Quá trình gia nhiệt



Ở một số khu vực chăn ni cung cấp lượng sữa lớn khiến việc xử lý nhiệt độ gặp khó khăn. Sữa

được chứ trong các silo lớn trong nhiều giờ hoặc nhiều ngày. Như vậy, ngay cả khi làm lạnh đông sâu cũng

không thể ngăn cản sự đi xuống của chất lượng sữa [62].

Vì lý do trên và các loại sản phẩm sữa trước tiên được gia nhiệt ở nhiệt độ thanh trùng nhằm hạn chế

một phần sự phát triển của vi sinh vật. quá trình này được gọi là q trình gia nhiệt.

Sữa được làm nóng đến 63 – 65 oC trong khoảng 15 giây, nhằm không làm mất hoạt tính enzyme

phosphatase [67].

Ở một số quốc gia đưa ra luật cấm thành trùng kép đối với sữa và chế phẩm từ sữa, vì vậy quá trình

gia nhiệt chỉ làm nóng ở mức độ thời gian ngắn, ngừng trước khi trở thành điều kiện thanh trùng.

Để ngăn ngừa loại vi khuẩn hiếu khí tạo bào tử phát triển khi nhiệt hóa, sữa sau đó được làm lạnh

nhanh đến 4oC hoặc đơi khi thấp hơn nữa. Sau đó khơng được trộn lẫn với sữa chưa qua xử lý. Việc xử lý

nhiệt như trên khiến bào tử quay trở lại trạng thái thực vật và dễ dàng bị loại bỏ khi sữa được tiệt trùng ở

giai đoạn tiếp theo [45].

Quá trình gia nhiệt khơng nên được áp dụng q thường xuyên trừ những trường hợp thực sự cần

thiết. Mục tiêu chính vẫn là q trình xử lý nhiệt đối với sản phẩm trong vòng 24 tiếng sau khi được thu vắt

[67][89].

4.2.



LTLT pasteurization



Phương thức xử lý nhiệt điển hình, nhiệt độ đạt 63oC trong các thùng chứa khơng đóng kín và được

duy trì trong 30 phút. Đây gọi là phương pháp gia nhiệt ở ngưỡng nhiệt thấp trong thời gian dài [60].

Ngày nay, hầu hết các quá trình xử lý sữa mang tính liên tục từ giai đoạn gia nhiệt, HTST

pasteurization hay xử lý UHT [60].

4.3.



HTST pasteurization



HTST là chữ viết tắt của High Temperature Short Time. Sự kết hợp thời gian / nhiệt độ thực tế thay

đổi dựa trên những ảnh hưởng đến chất lượng của sữa tươi, loại sản phẩm cần thiết được xử lý và có các

tính chất lưu trữ cần thiết [60].



4.3.1. Sữa

Quá trình HTST đối với sữa mức nhiệt độ được nâng lên 72 - 75°C, thời gian kéo dài 15- 20 giây

trước khi làm nguội [64]. Enzym phosphatase bị phá hủy bởi sự kết hợp thời gian / nhiệt độ này [44]. Do đó,

thử nghiệm về phosphatase được sử dụng để kiểm tra xem sữa được thanh trùng đúng cách hay không. Kết

quả kiểm tra phải là âm, kết luận phosphatase đã mất hoạt tính [38].



Hình 36.Sự ảnh hưởng của yếu tố nhiệt độ và thời gian đến sự mất hoạt tính các loại

enzyme [39]

4.3.2. Kem tươi và các sản phẩm lên men

Việc đánh giá hoạt tính phosphatase nên loại trừ đối với các loại sản phẩm có hàm lượng chất béo

lớn hơn 8% do khả năng tái kích hoạt của enzyme sau thời gian thanh trùng khá ngắn [80]. Nhiệt độ xử lý

các loại sản phẩm này cũng phải cao hơn do chất béo làm hạn chế sự truyển nhiệt trong sản phẩm [37].

Chỉ tiêu đánh giá sản phẩm được thay thế bằng peroxidase, dùng để kiểm tra mức độ thanh trùng đối

với sản phẩm kem tươi ( do Storch phát hiện). Sản phẩm được gia nhiệt lên 80oC trong khoảng 5 giây, nhiệt

độ lớn sẽ khiến bất hoạt enzyme peroxidase, vì vậy khi kiểm tra hoạt tính peroxidase đạt giá trị âm, phép thử

tương tự đối với sản phẩm sữa [65][76].

Việc đánh giá hoạt tính của phosphatase cũng khơng đúng đối với các sản phẩm có độ pH giảm, có

nghĩa là có sự sinh ra một số loại acid ví dụ như acid acetic,… [87] Vì thế sự gia nhiệt khi này sẽ dựa trên

tính chất biến đổi loại enzyme xác định là peroxidase. Loại sản phẩm lên men



từ cơ chất sữa khi được gia nhiệt mức độ cao sẽ làm đông tụ protein và tăng sợi dây liên kết với phân tử

nước, ngăn sự hình thành whey [39].

4.3.3. Ultra Pasteurization

Siêu tiệt trùng có thể được sử dụng khi cần có thời hạn sử dụng đặc biệt [65]. Đối với một số nhà sản

xuất, thời hạn sử dụng trong hai ngày tiếp theo là đủ, trong khi số khác lại nhắm đến mục tiêu bảo quản

thêm 30-40 ngày so với từ 2-16 ngày của các sản phẩm thanh trùng truyển thống [54]. Nguyên tắc cơ bản là

làm giảm sự tái nhiễm của các sản phẩm trong q trình chế biến và đóng gói nhằm kéo dài tuổi thọ của sản

phẩm. Điều này đòi hỏi mức vệ sinh trong quy trình sản xuất phải rất cao và nhiệt độ băng chuyền không

quá 7°C; nhiệt độ càng thấp thì thời hạn sử dụng càng dài [49].

Nung nóng sữa đến 125 - 138 °C trong 2-4 giây và làm lạnh đến <7°C là cơ sở của việc kéo dài thời

hạn sử dụng. ESL, Extended Shelf Life, là một thuật ngữ chung cho các sản phẩm được xử lý nhiệt nhằm

cải thiện chất lượng khi bảo quản, bằng nhiều phương pháp khác nhau. Tuy nhiên, các sản phẩm ESL vẫn

phải được giữ trong tủ lạnh trong quá trình phân phối và trong các cửa hàng bán lẻ [87].

4.3.4. Xử lý UHT

UHT là viết tắt của Ultra High Temperature. UHT xử lý là một kỹ thuật để bảo quản các sản phẩm

thực phẩm lỏng bằng cách tiếp xúc với sự gia nhiệt cường độ cao, thường ở khoảng nhiệt độ 135-140°C.

Q trình có thể giết chết các vi sinh vật mà không phá hủy cấu trúc sản phẩm [93].

Xử lý UHT là một quá trình liên tục diễn ra trong một hệ thống khép kín để ngăn sản phẩm bị phơi

nhiễm do các vi sinh vật trong khơng khí. Sản phẩm đi qua các giai đoạn làm nóng và làm mát nhanh chóng.

Hệ thống kín vơ trùng, để tránh tái nhiễm sản phẩm, là một phần không thể tách rời của q trình [42].

Có hai phương pháp:

 Gia nhiệt gián tiếp và làm mát nhờ thiết bị trao đổi nhiệt [87].

 Gia nhiệt trực tiếp bằng cách phun hơi bão hòa ẩm hoặc hóa hơi sữa rồi làm mát trong

khoang có áp suất chân khơng [87].



4.3.5. Tiệt trùng

Hình thức ban đầu của tiệt trùng, vẫn còn đang sử dụng, là tiệt trùng trong thùng chứa, thông thường

ở 115 - 120 ° C trong khoảng 20 - 30 phút [65].

Sau khi chuẩn hóa chất béo, đồng nhất dung dịch và gia nhiệt đến khoảng 80°C, sữa được đóng gói

trong các bao bì sạch; thường là chai thủy tinh cho sản phẩm sữa và dạng lon cho sản phẩm sữa cô đặc. Sản

phẩm vẫn còn nóng được chuyển sang nồi hấp trong quy trình sản xuất mẻ hoặc đến một tháp thủy tĩnh

trong quy trình sản xuất liên tục [66].





Hệ thống gia nhiệt và làm mát là thành phần quan trọng nhất trong ngành chế biến sữa.



4.3.6. Pre-heating

Thông thường, nhiệt độ chế biến mong muốn đạt được ngay sau quá trình thanh trùng, nhưng đôi khi

sữa cần giữ lạnh và dự trữ tạm thời trước khi chế biến [90]. Ví dụ :





Sữa dùng để làm phơ mai được làm nóng trước tới 30-35 oC trước khi đưa vào thùng



chứa, nơi điều chỉnh nhiệt độ cuối cùng trước khi đưa enzyme renin (rennet)-loại enzyme

dùng để làm pho mát vào. Whey từ đợt làm cheese trước cũng được sử dụng làm môi

trường trao đổi nhiệt, nhằm giảm chi phí năng lượng.





Sữa dùng để làm sữa chua được làm nóng trước đến 40-45°C trước khi lên men, bổ



sung dịch ni cấy. Nước nóng được sử dụng làm mơi trường tuyển nhiệt.





Sữa cũng có thể được làm nóng trước khi thêm các thành phần khác (như bột sô cô la,



đường hoặc chất béo) vào sản xuất để tạo thành các sản phẩm thực phẩm mà có chứa thành

phần nguyên liệu là sữa.

5. Sự truyền nhiệt trong quy trình sản xuất các sản phẩm từ sữa

Một trong những yêu cầu quan trọng nhất của ngành sữa hiện đại là để có thể kiểm sốt được nhiệt

độ của sản phẩm ở mọi giai đoạn của quá trình. Việc làm nóng và làm mát là những hoạt động rất phổ biến.

5.1. Q trình gia nhiệt

Dòng nước nóng thường được dùng trong q trình gia nhiệt, đơi khi sử dụng dòng hơi nước bão hòa

dưới điều kiện áp suất. Lượng nhiệt trao đổi giữa hai dòng chất lỏng là q trình có thể tính tốn được.



5.2.



Q trình giải nhiệt



Ngay khi sữa được vận chuyển đến nhà máy, chúng được làm lạnh ở tối thiểu 5 oC, nhằm hạn chế

tạm thời sự phát triển của vi sinh vật trong sữa. Sau khi được thanh trùng, sữa cũng được làm nguội tới 4 oC.

Trong mọi trường hợp, nhiệt được truyền từ sữa đến môi trường làm mát. Nhiệt độ của sữa giảm xuống mức

mong muốn và nhiệt độ môi trường làm mát tăng tương ứng. Mơi trường làm mát có thể là nước lạnh, nước

đá, dung dịch nước muối hoặc dung dịch rượu, chẳng hạn như glycol [65].

5.3. Năng lượng tái tạo

Trong nhiều trường hợp, các sản phẩm trước tiên được gia nhiệt và giải nhiệt nhẹ để xử lý một số

thơng số. Thanh trùng trùng sữa là một ví dụ. Sữa ướp lạnh được nung nóng từ khoảng 4°C đến nhiệt độ

thanh trùng bằng 72°C, giữ ở nhiệt độ đó trong 15 giây và sau đó làm lạnh đến 4°C một lần nữa [47].

Nhiệt độ của sữa đã được tiệt trùng có thể được sử dụng để làm ấm dòng sữa lạnh. Sữa lạnh và sữa

nóng trao đổi nhiệt trong thiết bị trao đổi ngược dòng, đồng thời sữa lạnh được làm mát bằng nước. Thiết kế

giúp nhà máy tiết kiệm nguồn năng lượng tối đa. Quá trình diễn ra trong một bộ trao đổi nhiệt và được gọi

là trao đổi nhiệt tái sinh hoặc, thông thường gọi là phục hồi nhiệt. Có thể tái sử dụng đến 94 - 95% hàm

lượng nhiệt của sữa đã tiệt trùng [57].

5.4.



Bản chất của sự truyền nhiệt



Chất trao đổi nhiệt phải có nhiệt độ khác nhau để sự truyển nhiệt có thể xảy ra. Nhiệt ln truyền từ

dòng chất nóng sang dòng chất lạnh, tốc độ truyền nhiệt dựa trên sự chệnh lệch khoảng nhiệt độ. Quá trình

trao đổi nhiệt chậm lại và dừng hẳn đến trạng thái cân bằng.

Sự truyền nhiệt theo ba cách thức:





Sự dẫn truyền có nghĩa là sự chuyển năng lượng nhiệt qua các cấu tử rắn và qua các lớp



chất lỏng khi khơng có sự vận chuyển lưu lượng phương thức vật lý hoặc sự khuấy trộn có truyền

nhiệt [43].



Hình 37.Cho thấy sự dẫn nhiệt truyền từ dung dịch đến tay cầm và thìa cà phê.





Sự đối lưu nhiệt là một hình thức truyền nhiệt xảy ra khi các hạt có hàm lượng nhiệt cao



được trộn với các hạt lạnh. Sự pha trộn nhiệt của chúng tạo thành lớp nhiệt thứ hai [45].



Hình 38.Muỗng nóng được xả dười vòi nước lạnh

Nếu muỗng cà phê được rửa sạch bằng nước lạnh, nhiệt sẽ được truyền từ muỗng sang nước, nước

trở nên nóng. Nước nóng tiếp tục được thay thế bởi nước lạnh, nước lạnh tiếp tục hấp thụ nhiệt từ muỗng.

Sự truyền nhiệt đối lưu tiếp tục cho đến khi muỗng và nước máy có cùng nhiệt độ.





Bức xạ là sự phát xạ của nhiệt từ bản thân chất tích lũy năng lượng nhiệt.Năng lượng nhiệt



được chuyển thành năng lượng bức xạ, phát ra từ chất hấp thụ và truyền nhiệt xung quanh [54].



Hình 39.Sự bức xạ nhiệt

Hầu như tất cả các chất đều phát ra năng lượng bức xạ.

5.5.



Nguyên tắc truyền nhiệt



Tất cả các quá trình truyền nhiệt trong các cơ sở sản xuất sữa diễn ra dưới dạng đối lưu nhiệt và dẫn

truyền nhiệt. Hai nguyên tắc được sử dụng: gia nhiệt trực tiếp và gia nhiệt gián tiếp.

5.5.1. Gia nhiệt trực tiếp

Quá trình gia nhiệt trực tiếp có nghĩa là dòng chất nóng được trộn lẫn với sản phẩm.

Kỹ thuật này được sử dụng để:





Làm nóng nước, hơi nước bão hòa được bơm trực tiếp vào nước và truyền nhiệt thông qua



cả đối lưu và dẫn truyền nhiệt [67].





Làm nóng sản phẩm, ví dụ như sữa đông trong sản xuất một số loại phô mai (bằng cách trộn



nước nóng với sữa đơng) hoặc tiệt trùng sữa trực tiếp bằng phương pháp thổi hơi bão hòa hay hóa

hơi sữa. Phương pháp truyền nhiệt trực tiếp hiệu quả do có thể làm nóng nhanh. Nó mang lại

những lợi ích nhất định. Tuy nhiên việc pha trộn sản phẩm với mơi trường làm nóng đòi hỏi một

số bước trong q trình tiếp theo, đồng thời có những u cầu nghiêm ngặt về chất lượng của mơi

trường làm nóng. Sự gia nhiệt trực tiếp bị cấm theo luật ở một số quốc gia với lý do đưa vật chất

lạ vào sản phẩm [62].

 Thiết bị gia nhiệt trực tiếp



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

CHƯƠNG 4: Các quá trình xử lý nhiệt

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×