Trong buổi seminar " Công nghệ chế biến và đảm bảo chất lượng thực phẩm"  cho các bạn sinh viên ngành Nông nghiệp và Công nghệ Thực phẩm - Thạc sĩ Đào Thị Mỹ Lâm đã chia sẻ về các sự biến đổi vật lý, hóa học và sinh học của sữa trong các quá trình chế biến sữa và các sản phẩm từ sữa.

Hình 1. Các sản phẩm từ sữa của Vinamilk

Thành phần hóa học của sữa rất đa dạng, bao gồm nước chiếm tỷ lệ lớn (trên 85%), đường lactose, protein (chủ yếu là casein và whey protein), chất béo, vitamin và khoáng chất. Lactose là loại đường duy nhất có trong sữa, thuộc nhóm đường khử, độ ngọt thấp hơn nhiều so với sucrose. Protein chính trong sữa là casein, tồn tại ở dạng micelle – những cấu trúc hình cầu bao gồm các phân tử casein liên kết với nhau bằng muối calci phosphate. Những micelle này là yếu tố then chốt làm cho sữa trở thành một hệ keo bền. Các hạt cầu béo trong sữa cũng phân tán đồng đều dưới dạng nhũ tương dầu trong nước, với một lớp màng lipo-protein bao bọc mang điện tích âm, giúp giữ cho hệ nhũ tương ổn định. Ngoài ra, trong sữa còn chứa các vitamin tan trong nước như B1, B2, B6, C và các vitamin tan trong chất béo như A, D, E cùng các khoáng chất quan trọng như calci, phospho, kali, magie, kẽm, đồng…

Hình 2. Bước vắt sữa tươi là dễ bị nhiễm khuẩn nhất trong các công đoạn

Tuy nhiên, sữa cũng chứa một hệ vi sinh vật phong phú có nguồn gốc từ bầu vú của động vật, thiết bị vắt, dụng cụ chứa và môi trường chuồng trại. Hệ vi sinh này bao gồm cả các vi sinh vật không gây độc như vi khuẩn lactic, vi khuẩn nhóm Coliform, vi khuẩn sinh acid butyric, propionic và vi khuẩn gây thối; đồng thời có thể chứa các vi khuẩn gây bệnh và sinh độc tố như Staphylococcus aureus, Salmonella, Listeria monocytogenes, Escherichia coli, Bacillus cereus, Clostridium botulinum và một số loài nấm mốc sinh độc tố như Aspergillus flavus. Nhóm vi khuẩn không sinh độc tố chủ yếu ảnh hưởng đến chất lượng cảm quan của sữa thông qua việc lên men lactose thành acid lactic, sinh khí và các hợp chất gây mùi. Trong khi đó, nhóm vi sinh vật gây bệnh và sinh độc tố lại là mối nguy lớn cho sức khỏe con người. Một số vi khuẩn như Staphylococcus aureus có khả năng sản xuất ngoại độc tố bền nhiệt gây ngộ độc thực phẩm dù vi khuẩn đã bị tiêu diệt trong quá trình thanh trùng.

Ngay sau khi vắt, sữa bắt đầu trải qua nhiều biến đổi sinh học, hóa học và vật lý. Các biến đổi sinh học chủ yếu đến từ hoạt động của vi sinh vật phân giải chất dinh dưỡng trong sữa, tạo thành các sản phẩm phụ như acid, khí, hợp chất thơm làm thay đổi pH, mùi vị và cấu trúc sữa. Để hạn chế những biến đổi này, cần tuân thủ nghiêm ngặt quy trình vệ sinh trong quá trình vắt và vận chuyển, bảo quản sữa ở nhiệt độ thấp (dưới 4°C), tránh tiếp xúc với oxy và tiêu thụ hoặc đưa vào chế biến trong vòng 24 giờ. Biện pháp thanh trùng sơ bộ ở 60–65°C trong 15 giây cũng thường được áp dụng khi chưa thể chế biến ngay.

Bên cạnh đó, các phản ứng hóa học và hóa sinh trong sữa cũng diễn ra mạnh mẽ dưới tác động của enzyme nội sinh hoặc do vi sinh vật tiết ra. Phản ứng thủy phân chất béo (lipolysis) tạo ra acid béo tự do gây mùi ôi khét, trong khi phản ứng oxy hóa lipid, đặc biệt là acid béo không bão hòa, tạo thành hydroperoxide làm sữa có mùi kim loại. Phản ứng thủy phân protein (proteolysis) gây vị đắng, còn sự phân hủy acid amin dẫn đến sự hình thành các hợp chất như cetoacid, khí NH₃, CO₂ làm thay đổi sâu sắc thành phần và cảm quan sản phẩm. Các yếu tố xúc tác như ánh sáng, nhiệt độ, oxy, muối kim loại (Fe, Cu) có thể thúc đẩy các phản ứng này, do đó cần được kiểm soát chặt chẽ.

Về mặt vật lý, các chỉ tiêu như độ nhớt, tỷ trọng, chỉ số khúc xạ ít bị ảnh hưởng khi bảo quản lạnh. Tuy nhiên, ở nhiệt độ thấp, cấu trúc micelle casein có thể bị phá vỡ do sự rò rỉ ion calci và phosphate, làm giảm độ bền hệ keo. Các hạt cầu béo có xu hướng kết tụ và nổi lên bề mặt tạo thành lớp váng, ảnh hưởng đến tính đồng nhất của sản phẩm. Do vậy, quá trình đồng hóa là một bước quan trọng trong công nghệ chế biến sữa nhằm phân chia đều các hạt cầu béo, ngăn hiện tượng tách lớp.

Trong công nghiệp, sữa được chế biến qua nhiều công đoạn như bài khí, ly tâm, vi lọc bằng màng, đồng hóa, thanh trùng hoặc tiệt trùng, cô đặc, sấy phun, lên men hoặc đông tụ casein. Mỗi quá trình đều góp phần ổn định thành phần, tiêu diệt vi sinh vật, tăng giá trị cảm quan và kéo dài thời gian bảo quản. Ví dụ, quá trình thanh trùng ở 72°C trong 15 giây giúp tiêu diệt phần lớn vi khuẩn gây bệnh mà vẫn giữ lại phần lớn giá trị dinh dưỡng. Trong khi đó, quá trình lên men sử dụng vi khuẩn lactic để tạo ra các sản phẩm như sữa chua, góp phần cải thiện hệ tiêu hóa cho người tiêu dùng.

Hình 3. Máy ly tâm loại bỏ cặn, vi sinh vật nếu có trong sữa.

Việc kiểm soát chất lượng trong toàn bộ chuỗi sản xuất sữa bao gồm nhiều bước từ khâu nguyên liệu đến sản phẩm cuối cùng. Với sữa tươi nguyên liệu, cần kiểm tra cảm quan (màu sắc, mùi, trạng thái), độ acid, pH, tỷ trọng, điểm đông đặc, số lượng tế bào soma (để phát hiện bò bị viêm vú), và tổng số vi khuẩn. Phép thử Resazurine là công cụ định tính mức độ nhiễm khuẩn qua khả năng khử của vi khuẩn. Sữa có điểm đông đặc cao bất thường có thể đã bị pha loãng bằng nước. Ngoài ra, kiểm soát còn bao gồm giám sát thiết bị chế biến, điều kiện môi trường sản xuất, độ kín bao bì, thông tin nhãn và theo dõi hạn sử dụng.

Tóm lại, quá trình chế biến sữa là một chuỗi liên tục các bước kiểm soát và xử lý để hạn chế tác động bất lợi từ các biến đổi sinh học, hóa học và vật lý, đồng thời đảm bảo giữ nguyên giá trị dinh dưỡng, cảm quan và độ an toàn cho người tiêu dùng. Việc nắm rõ bản chất và cơ chế của các biến đổi trong sữa sẽ giúp các kỹ sư thực phẩm, doanh nghiệp và cơ sở chế biến đưa ra các giải pháp tối ưu nhằm duy trì chất lượng sản phẩm trong một ngành hàng đầy tiềm năng nhưng cũng không ít thách thức.