Cải thiện quá trình sản xuất kem bằng siêu âm

Việc ứng dụng siêu âm công suất mang lại nhiều tác động có lợi cho quá trình sản xuất kem chất lượng cao. Những ưu điểm chính của xử lý siêu âm bao gồm giảm kích thước tinh thể và đẩy nhanh quá trình đông lạnh kem. Nhờ đó, xử lý siêu âm cải thiện chất lượng và cảm nhận của người tiêu dùng, đồng thời giảm chi phí sản xuất.

Tác động của siêu âm đối với sản xuất kem

Sản xuất kem đòi hỏi quy trình chế biến phức tạp để thu được sản phẩm thực phẩm ngọt chất lượng cao, đáp ứng nhu cầu của khách hàng. Các bước chế biến công phu chủ yếu xuất phát từ việc kem là một trong những loại thực phẩm phức tạp nhất: kem vừa là hệ bọt vừa là hệ nhũ tương. Kem chứa các tinh thể băng và hỗn hợp lỏng chưa đông lạnh. Siêu âm công suất cao được áp dụng trong quá trình sản xuất kem có thể thúc đẩy sự tạo mầm tinh thể băng để tăng tốc quá trình truyền nhiệt và truyền khối diễn ra cùng với quá trình đông lạnh. Nhờ đó, xử lý siêu âm làm giảm kích thước tinh thể và rút ngắn thời gian đông lạnh trong sản xuất kem. Nghiên cứu của Mortazavi và Tabatabaie cho thấy thời gian đông lạnh trong chế biến kem có thể giảm khoảng 30% khi xử lý siêu âm trong 20 phút.

Sản xuất kem và lợi ích của siêu âm

Để sản xuất kem, cần có hỗn hợp nguyên liệu làm kem. Hỗn hợp này bao gồm sữa, sữa bột, kem sữa, bơ hoặc chất béo thực vật, đường, chất khô, chất nhũ hóa, chất ổn định cũng như các chất bổ sung như trái cây, các loại hạt, hương liệu và chất tạo màu. Hỗn hợp đặc biệt này phải được đồng hóa và thanh trùng, sau đó được khuấy chậm trong quá trình đông lạnh để ngăn hình thành các tinh thể băng lớn. Trong quá trình đó, các bọt khí rất nhỏ được trộn vào (gọi là quá trình sục khí) để tạo bọt cho kem, tạo thành món tráng miệng lạnh có kết cấu mịn. Xử lý siêu âm thúc đẩy sự phân bố đồng đều của tất cả các thành phần trong hỗn hợp kem, đồng thời góp phần vào quá trình thanh trùng. Đọc thêm về thanh trùng thực phẩm lỏng bằng siêu âm tại đây!
Tiếp theo, siêu âm được áp dụng trong giai đoạn đông lạnh của quá trình sản xuất kem. Xử lý siêu âm thúc đẩy sự tạo mầm và phát triển của các tinh thể băng, nhờ đó đẩy nhanh đáng kể quá trình đông lạnh. Đồng thời, xử lý siêu âm làm giảm kích thước tinh thể băng, tạo ra các tinh thể băng nhỏ đồng đều. Điều này mang lại cho kem kết cấu mịn và cảm giác dễ chịu trong miệng – cả hai đều là những thuộc tính chất lượng được người tiêu dùng đánh giá cao.

Các bước sản xuất kem

Quá trình sản xuất kem có năm giai đoạn:

1. chuẩn bị hỗn hợp nguyên liệu làm kem
2. đồng hóa, thanh trùng, ủ chín hỗn hợp nguyên liệu làm kem
3. đông lạnh và sục khí
4. tạo hình và đổ khuôn
5. làm cứng và đóng gói

Các bước sản xuất kem.
Nguồn:Sổ tay chế biến sữa. Do Tetra Pak Processing Systems AB, Lund, Thụy Điển xuất bản. tr.387.

Thúc đẩy quá trình đông lạnh kem bằng siêu âm

Trong quá trình đông lạnh, các tinh thể hình thành từ nước siêu lạnh. Hình thái của các tinh thể băng đóng vai trò quan trọng đối với các đặc tính kết cấu và vật lý của thực phẩm đông lạnh và bán đông lạnh. Kích thước và sự phân bố của các tinh thể băng có tầm quan trọng đặc biệt đối với chất lượng của các sản phẩm có cấu trúc mô sau khi rã đông; đối với kem, các tinh thể băng nhỏ hơn được ưu tiên vì các tinh thể lớn tạo ra kết cấu dăm đá. Sự tạo mầm là yếu tố quan trọng nhất để kiểm soát phân bố kích thước tinh thể trong quá trình kết tinh. Do đó, tốc độ đông lạnh thường là thông số được sử dụng để kiểm soát kích thước và phân bố kích thước của các tinh thể băng trong kem. Trong quá trình đánh bông và đông lạnh, không khí được đưa vào để tạo kết cấu mịn cho kem. Mức tăng thể tích do khí, gọi là “over-run”, tức lượng không khí được đưa vào, được điều chỉnh theo tỷ lệ với tổng thể tích chất rắn và nước – phù hợp riêng với từng công thức. Vì vậy, mức tăng thể tích do khí thay đổi tùy theo các công thức kem và các dòng chế biến khác nhau. Kem tiêu chuẩn có mức tăng thể tích do khí là 100%, nghĩa là sản phẩm cuối cùng chứa thể tích hỗn hợp nguyên liệu làm kem và thể tích bọt khí bằng nhau.
Việc sử dụng các thiết bị xử lý siêu âm hiệu suất cao của Hielscher giúp cải thiện chất lượng kem bằng cách thúc đẩy kết tinh, giảm kích thước tinh thể băng và tránh sự đóng cặn trên bề mặt đông lạnh. Kích thước tinh thể băng trong kem nhỏ hơn và sự phân bố bọt khí được cải thiện giúp kem có độ đặc tốt hơn và cảm giác béo mịn hơn trong miệng. Quá trình đông lạnh ngắn hơn đáng kể, với thời gian đông lạnh giảm khoảng 30%, giúp tăng năng suất quy trình và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng trong sản xuất.

Đã được khoa học chứng minh: Cải thiện chất lượng kem nhờ xử lý siêu âm

Aslan và Dogan (2021) đã nghiên cứu tác động của xử lý siêu âm đối với sản xuất kem bằng thiết bị siêu âm dạng đầu dò UP400St của Hielscher (xem hình bên trái). Kết quả nghiên cứu chứng minh rằng siêu âm thúc đẩy việc giảm kích thước hạt nhờ hiện tượng xâm thực. Kết quả cho thấy rõ rằng xử lý siêu âm cải thiện chất lượng kem và các sản phẩm thực phẩm đông lạnh vì tạo ra các tinh thể băng có kích thước nhỏ hơn. Do các tinh thể băng mang lại cảm giác đặc trưng trong miệng khi ăn kem, việc thu được các tinh thể nhỏ nhất trong quá trình đông lạnh là rất quan trọng để ngăn kết cấu lợn cợn và đạt được độ mịn, mềm mong muốn của kem. Nghiên cứu này cũng kết luận rằng đồng hóa bằng siêu âm tạo ra hệ nhũ tương phân tán tốt. Thử nghiệm đánh giá cảm quan thực phẩm và hương vị với một nhóm người tiêu dùng cho thấy đồng hóa kem bằng siêu âm giúp đáp ứng sở thích của người tiêu dùng nhờ các tinh thể băng nhỏ hơn và cảm giác dễ chịu tương ứng trong miệng khi ăn kem.
(xem Aslan và Dogan, 2021)

Thiết bị xử lý thực phẩm bằng siêu âm hiệu suất cao dùng cho sản xuất kem

Hielscher Ultrasonics có nhiều năm kinh nghiệm ứng dụng siêu âm công suất trong ngành thực phẩm và đồ uống cũng như nhiều ngành công nghiệp khác. Các thiết bị xử lý siêu âm của chúng tôi được trang bị đầu phát siêu âm và buồng dòng chảy (các bộ phận tiếp xúc với sản phẩm) dễ vệ sinh (vệ sinh tại chỗ CIP / tiệt trùng tại chỗ SIP).
Các thiết bị siêu âm công nghiệp của Hielscher Ultrasonics có thể cung cấp biên độ rất cao khi vận hành liên tục 24/7. Việc kiểm soát chính xác biên độ từ cường độ nhẹ đến cao đóng vai trò quan trọng để tinh chỉnh quá trình xử lý siêu âm theo các đặc tính sản phẩm mục tiêu của công thức kem.
Với các thiết bị xử lý thực phẩm bằng siêu âm ở mọi quy mô, Hielscher cung cấp các hệ thống đáng tin cậy để xử lý theo mẻ và liên tục các sản phẩm thực phẩm và đồ uống, bao gồm cả kem. Đối với một cơ sở làm kem gelato thủ công nhỏ, các mẫu thiết bị siêu âm UP400ST (400 oát) hoặc UIP1000hdT (1000 oát) cung cấp đủ năng lực xử lý, còn một nhà máy sản xuất kem công nghiệp sẽ lắp đặt các mẫu thiết bị siêu âm có năng suất xử lý cao UIP6000hdT (6000 oát) hoặc UIP16000hdT (16.000 oát).
Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các thiết bị siêu âm của chúng tôi:

Tài liệu / Tài liệu tham khảo

• Mortazavi, A. and Tabatabaie, F. (2008): Study of Ice Cream Freezing Process after Treatment with Ultrasound. World Appl. Sci. J 4, 188-190.
• Aslan Türker, Duygu; Dogan, Mahmut (2021): Effects of ultrasound homogenization on the structural and sensorial attributes of ice cream: optimization with Taguchi and data envelopment analysis. Journal of Food Measurement and Characterization 15, 2021, 1-11.
• Vildan Akdeniz, A. Sibel Akalın (2019): New approach for yoghurt and ice cream production: High-intensity ultrasound. Trends in Food Science & Technology, Volume 86, 2019. 392-398.
• Petzold, G. and Aguilera, J. M. (2009): Ice Morphology: Fundamentals and Technological Applications in Foods. Food Biophysics Vol.4, No. 4, 378-396.
• Dairy Processing Handbook. Published by Tetra Pak Processing Systems AB, S-221 86 Lund, Sweden. p.387.