Bài viết giới thiệu khái quát về sự phát triển của ngành sản xuất lương thực, thực phẩm. Từ sự khởi nguồn khi con người tìm ra lửa, biết trồng trọt, chăn nuôi cho đến việc áp dụng các ngành khoa học kĩ thuật khác vào ngành thực phẩm, giúp các độc giả có một cái nhìn sâu hơn về tầm quan trọng của thực phẩm đối với con người, các vấn đề sản xuất thực phẩm trong tương lai... Tài liệu này trích trong quyển "Cơ sở lý thuyết và kỹ thuật sản xuất thực phẩm" của TS. Nguyễn Xuân Phượng và TSKH. Nguyễn Văn Thoa
1. Sự sống là một dạng vận động của vật chất.
Sự sống là một dạng vận động của đặc biệt của vật chất, đặc trưng bởi sự trao đổi chất của sinh vật đối với môi trường bên ngoài. Nếu sự trao đổi này ngừng thì sự sống cũng ngừng theo.
Quá trình trao đổi chất bên trong cơ thể con người bắt đầu từ sự tiếp thu các thức ăn, thức ăn đó vào cơ thể qua quá trình đồng hóa, biến các phân tử hữu cơ của thức ăn (protein, gluxit, lipit…) nguồn gốc khác nhau thành các thành phần hữu cơ khác (protein, gluxit, lipit…) đặc hiệu của cơ thể. Kết quả của quá trình đồng hóa là sự tổng hợp nên các phân tử hữu cơ phức tạp tham gia cấu tạo và xây dựng các mô và các tế bào, hoặc được dùng làm thức ăn dự trữ cho cơ thể. Quá trình này cần tới năng lượng. Cùng với quá trình đồng hóa là quá trình dị hóa, là quá trình thoái hóa phân giải các chất hữu cơ thành các sản phẩm cuối cùng, các chất cặn bã thải ra ngoài (CO2, H2O, urê…). Quá trình này năng lượng giải phóng ra rất nhiều, một phần ở dạng nhiệt cho hoạt động cơ thể, một phần được tích trữ lại trong ATP sử dụng cho các phản ứng tổng hợp và các hoạt động sinh lý.
2. Tầm quan trọng của thực phẩm đối với con người.
Như vậy là có ăn mới có sự tồn tại sự sống của con người. Ăn uống là một vấn đề xã hội rất lớn, nó liên quan đến mọi người hàng ngày. Trong cuộc sống xã hội ít có vấn đề có tính phổ biến và thường xuyên như vấn đề ăn uống. Về vật chất mà nói thì con người có ăn mới sống, có ăn mới phát triển từ nhỏ đến lớn. Con người có sống, có phát triển thì mới có sự tồn tại của xã hội. Con người có ăn, có sức khỏe thì mới có lao động với năng suất cao, có lao động sáng tạo, có mọi hoạt động của xã hội. Triết học nói rằng vật chất là hạ tầng cơ sở để xây lên dựng thượng tầng tư tưởng của lâu đài xã hội loài người. Đã là vấn đề thường xuyên của tất cả mọi người thì phải được xã hội quan tâm hết sức. Giải quyết tốt vấn đề này là một mục tiêu chính trị quan trọng của mọi chế độ xã hội.
Nó là vấn đề xã hội lớn nên cũng là vấn đề kinh tế lớn. Theo thống kê của Liên hiệp quốc thì ăn uống ở những nước tiên tiến chiếm 20 – 25% thu nhập gia đình, còn các nước đang phát triển chiếm 65 - 70% tính với mức ăn còn thiếu. Ở chúng ta trong những năm gần đây cũng khoảng 70%.
Một người sống 70 tuổi cần tới 50 tấn nước; 1,5 ÷ 2 tấn protein; 1,2 tấn lipit; 14 ÷ 15 tấn gluxit; 0,5 tấn muối. Cộng bằng 70 tấn. Các thành phần này đều lấy từ lương thực và thực phẩm. Đó là chưa kể các nhu cầu có liên quan khác đến ăn uống như dụng cụ, chất đốt… Khoa học về chế biến bảo quản thực phẩm là một vấn đề khoa học kỹ thuật phức tạp. Nó liên quan đến nhiều ngành khoa học khác. Mỗi vấn đề giải quyết phải trên cơ sở kết hợp nhiều ngành khoa học khác nhau. Sự phát triển khoa học kỹ thuật trong ngành này và những tiến bộ đặc biệt tạo nên sự nhảy vọt trong ngành so với nhiều ngành khác hãy còn chậm.
3. Sản xuất và chế biến lương thực, thực phẩm tương lai.
Thành phần cấu trúc của một người nặng 50 kg bao gồm 32 ÷ 33 kg nước, 10 ÷ 11 kg chất đạm, 4 ÷ 5 kg chất béo, 2 ÷ 2,5 kg chất khoáng, 0,5 kg gluxit. Các chất cấu trúc con người này không phải là những vật liệu cố định mà luôn luôn được thay thế và đổi mới.. Chất đạm, một nửa được đổi mới trong vòng 80 ngày. Ở gan và máu còn nhanh hơn – trong vòng 10 ngày. Lượng đạm thải ra hàng ngày theo phân và nước tiểu, ở người lớn thường tương đương với lượng đạm ăn vào.
Để đảm bảo sự hoạt động bình thường của cơ thể, lương thực và thực phẩm phải đảm bảo cung cấp cho một người lớn, một ngày lao động trung bình khoảng 2100kcal. Nhu cầu này cần phải lấy từ 75g đạm, 30g chất béo, và 400g chất bột.
So nhu cầu cần thiết của con người với khả năng sản xuất lương thực, thực phẩm hiện nay thì một phần ba dân số hiện đang thiếu ăn. Nguyên nhân là do dân số tăng nhanh, kèm với thiên tai, sâu bệnh, đất đai sản xuất sói mòn, thoái hóa và thu hẹp làm cho khả năng sản xuất lương thực, thực phẩm bị hạn chế.
Cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật trên thế giới hiện nay đang diễn ra sôi nổi, tốc độ nhanh và quy mô lớn chưa từng thấy giúp cho loài người hoàn toàn có thể giải quyết được nhu cầu lương thực và thực phẩm trong tương lai. Khoa học hiện đại đang giúp chúng ta tăng nhanh hiệu suất trồng trọt và chăn nuôi, bảo quản có hiệu quả cao các sản phẩm nông nghiệp cung cấp, từ những nguyên liệu không phải do thực phẩm làm thành thực phẩm cho người và gia súc, cùng một loại hoặc cùng một số lượng thực phẩm cung cấp nhưng chất lượng sử dụng được nâng cao hơn.
Hóa học và sinh học đã được áp dụng rộng rãi trong nông nghiệp và chế biến. Đặc biệt công nghiệp hóa học đã giúp cho sản xuất ra các loại phân bón và thuốc trừ sâu, kích thích tố cho trồng trọt và chăn nuôi, sản xuất ra các thực phẩm giả, các nguyên liệu thay thế thường phải dung đến nguyên liệu thực phẩm.
Dùng chất kích thích axetilen có thể cho dứa ra quả trái vụ theo ý muốn. Duxin làm cho rau quả rất mau lớn và chống rụng các quả non.
Giống mới, dứa cabezona trồng ở Paetoricô quả nặng 2,7 đến 5,4kg có quả trên 10kg. Năng suất trồng ở Hawai trung bình 32 tấn/ha, chăm sóc tốt 80 tấn, ở ruộng thí nghiệm 250 -325 tấn/ha. Áp dụng giống lúa mì mới, ở Ấn Độ đã đưa được sản lượng từ 8,85 triệu tấn năm 1964 lên 23,2 triệu tấn năm 1970 trên cùng diện tích gieo trồng. Cuộc “cách mạng xanh” ở Đông Nam Á xảy ra từ năm 1965-1970 (về lúa nước) đang vào thời kỳ phát triển mạnh mẽ. Philippin áp dụng giống lúa mới cho năng suất 24,3-25,7 tấn/ha trong 3, 4 vụ một năm. Ngày nay nhiều giống lúa mới đã được tạo ra làm cho sản lượng lương thực của nước ta tăng cao. Chúng ta từ những nước thiếu lương thực những thập kỷ 80 đến thập kỷ 90 của thế kỷ XX đến nay ta đã đủ ăn và còn xuất khẩu. Ngày nay Việt Nam là nước xuất khẩu gạo đứng thứ 2 thế giới.
Vi sinh vật ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm. Đã từ lâu vi sinh vật đã được sử dụng trong sản xuất bia, rượu vang, rượu dân gian và rượu cồn. Ngoài bia, rượu, vi sinh vật còn được sử dụng trong các loại nước giải khát lên men và sản xuất các axit hữu cơ như sản xuất axit xitric, axit axetic, axit lactic … Đặc biệt vi sinh vật còn sử dụng trong sản xuất các axit amin như sản xuất lizin, sản xuất mì chính (bột ngọt) bằng phương pháp lên men… Trong công nghiệp hóa dầu người ta đã sản xuất ra lượng protein rất lớn dùng trong chăn nuôi. Nhật Bản đã sản xuất năm 1971: 18 vạn tấn, năm 1976:1,4 triệu tấn giá thành rẻ hơn sản xuất từ đậu tương và bột cá.
Thành tựu của ngành vật lý-năng lượng hạt nhân, đồng vị phóng xạ ngày càng được ứng dụng rộng rãi để bảo quản lương thực, thực phẩm và kiểm tra các quá trình sản xuất. Liên Xô (cũ) có hàng chục viện nghiên cứu đang đi sâu nghiên cứu việc sử dụng đồng vị phóng xạ để bảo quản thịt, cá và rau quả, ngũ cốc. Trong quy định của cơ quan bảo vệ sức khỏe nhà nước Liên Xô (cũ) đã cho phép dùng các lương thực, thực phẩm đã bảo quản bằng tia bức xạ.
Ở Mỹ, trong chương trình nghiên cứu của Ủy ban nguyên tử lực có phần nghiên cứu sử dụng đồng vị phóng xạ trong công nghiệp thực phẩm. Việc ứng dụng cũng đã trở thành rộng rãi và đã được Nhà nước cho phép.
Ngoài Liên Xô (cũ) và Mỹ, việc nghiên cứu và sử dụng năng lượng bức xạ hạt nhân trong sản xuất lương thực, thực phẩm còn được tiến hành ở nhiều nước. Canada, Anh, Pháp, CHLB Đức, Ấn Độ và nhiều nước khác. Ở Việt Nam người ta đã dùng bức xạ hạt nhân trong bảo quản giống.
Siêu âm được dùng nhiều trong sản xuất: lèn chặt sản phẩm vào thùng chứa làm tăng tốc độ khuếch tán các phần tử khi muối rau, quả; thịt, cá, hun khói, tẩm bột các bán chế phẩm; rửa chai lọ; làm trong nước quả và rượu bia…
Tia hồng ngoại dùng vào các quá trình nhiệt để đun nóng, nướng hay sấy khô nhanh các thực phẩm đảm bảo sản phẩm có chất lượng cao. Tia tử ngoại ở vùng sóng ngắn có tính sát trùng mạnh nên được dùng trong các phân tích phát quang thanh trùng và tác dụng công nghệ lên men thực phẩm.
Công nghiệp sản xuất thực phẩm ở nước ta mới hình thành khoảng vài chục năm nay. Trong thời gian ngắn ngủi đó miền Bắc xã hội chủ nghĩa đã đào tạo được một đội ngũ cán bộ khoa học kỹ thuật chuyên ngành đông đảo, đã mở ra hàng trăm nhà máy thực phẩm lớn nhỏ, đã sản xuất được nhiều sản phẩm phục vụ đời sống nhân dân và xuất khẩu. Ở miền Nam trong thời Mỹ Ngụy, để phục vụ cho yêu cầu chiến tranh và đội quân viễn chinh, nhiều nhà máy chế biến lương thực, thực phẩm có trình độ sản xuất tiên tiến đã được xây dựng. Tuy vậy nguyên liệu là từ của nước Pháp nhập vào. Các chủ nhà máy phần nhiều là từ công ty nước ngoài, cán bộ kỹ thuật đa số cũng là người nước ngoài.
Trước mắt chúng ta, ngành công nghiệp thực phẩm phải giải quyết đồng thời nhiều vấn đề cấp bách phục vụ đờii sống nhân dân và tăng nguồn hàng xuất khẩu. Trong nghiên cứu và trong sản xuất cần nghiên cứu các biện pháp bảo quản nguyên liệu và thành phẩm, nghiên cứu sản xuất các sản phẩm mới, sử dụng phế liệu và ổn định các quy trình sản xuất sẵn có. Dần cơ giới hóa và tự động hóa các quy trình sản xuất.
4. Đối tượng nghiên cứu của môn học.
Theo sinh vật học thì loài người có trên trái đất từ 4 triệu năm về trước, khi đó người ta sống hoang dại như các thú rừng, thiên nhiên là mối đe dọa khủng khiếp. Thức ăn là những sản phẩm do lượm hái, bắt cá và săn bắn. Mãi tới cách đây khoảng 5 vạn năm, người ta đã tìm ra lửa, rồi trải qua các thời kì đồ đá cũ, đồ đá mới, đồ đồng, đồ sắt… người ta vẫn sống thành từng bày, trong hang hốc. Nhưng khi đó người ta đã biết dùng lửa để chế biến thức ăn đơn giản: củ cây rừng, thú vật bắt được nướng lên trong lửa để ăn. Dần dần loài người đã biết trồng trọt và chăn nuôi, rồi những kĩ thuật đầu tiên do kinh nghiệm, làm thế nào để bảo quản thực phẩm trong một thời gian nào đó và như vậy sấy, hun khói, ướp muối ra đời. Chỉ đến vài thế hệ sau, khi khoa học kĩ thuật phát triển nhanh chóng thì việc chế biến lương thực, thực phẩm cũng tiến những bước khá nhanh, cách xa so với trình độ chế biến cổ xưa. Xuất hiện sự bổ sung những kĩ thuật chế biến để ổn định sản phẩm trong thời gian tàng trữ. Từ đó hình thành một ngành công nghiệp riêng lẻ - ngành công nghệ thực phẩm.
Người ta đã áp dụng những thành tựu mới nhất của các ngành khoa học vào sản xuất và chế biến lương thực, thực phẩm. Tiếp đó, vấn đề thuận tiện cho việc sử dụng được đưa vào công nghệ thực phẩm để giảm bớt khâu chế biến ở gia đình (chỉ cần làm nóng lại). Các hình thức chế biến thực phẩm cung cấp cho người ăn ngay ngày càng phát triển và phong phú so với các loại thức ăn cổ truyền hoặc những thực phẩm còn mang tính chất nguyên liệu. Ngày nay, từ một nguyên liệu thực phẩm, người ta đã chế biến được hàng trăm các sản phẩm khác nhau. Có những sản phẩm chế biến không còn gì trạng thái của nguyên liệu ban đầu. Từ bột mì có thể làm thành bánh mì, thành nhiều loại bánh kẹo, sản xuất rượu, đường làm ra mì chính v.v… Từ thịt có thể làm ra nhiều loại đồ hộp khác nhau, sản xuất pate, lạp xưởng… Để sản xuất ra các sản phẩm thực phẩm, nguyên liệu phải qua các quá trình chế biến. Mỗi quá trình chế biến đều nhằm tạo cho thực phẩm có giá trị sử dụng cao hơn: hoặc về hình thức, hoặc về giá trị khẩu vị, hoặc về giá trị dinh dưỡng.
Mỗi một tập hợp quá trình thích hợp sẽ hình thành một quy trình để sản xuất ra một sản phẩm có trạng thái, khẩu vị, hình thức và giá trị dinh dưỡng nhất định. Hiện nay trong công nghiệp chế biến thực phẩm đã hình thành hàng trăm các quá trình đặc trưng khác nhau. Tổ hợp khác nhau của một số quá trình thành quy trình chế biến ra các sản phẩm khác nhau. Vì vậy các sản phẩm thực phẩm ngày càng nhiều và không ngừng sản xuất ra các sản phẩm mới. Nghiên cứu chế biến là nghiên cứu tổ hợp các quá trình một cách khoa học nhất sẽ tạo ra được sản phẩm tốt nhất. Không để quá trình thừa, phải áp dụng khoa học tiên tiến, thiết bị hiện đại để thực hiện quá trình đưa vào quy trình mới nhằm nâng cao chất lượng của thực phẩm là nhiệm vụ thường xuyên cấp bách của công tác nghiên cứu chế biến thực phẩm.
Quá trình chế biến các nguyên liệu thực phẩm nhất thiết sẽ có sự thay đổi về giá trị dinh dưỡng nhiều hay ít. Có thể làm tăng giá trị dinh dưỡng cũng có thể giảm đi. Để giải quyết nâng cao một giá trị này lại có thể làm giảm đi một giá trị khác. Nhiều trường hợp do yêu cầu cần nâng cao giá trị cảm quan mà có thể làm giảm giá trị dinh dưỡng đi phần nào, nếu yếu tố nâng cao giá trị cảm quan có tính đặc biết cần thiết thì vẫn cần thiết phải tiến hành. Bản thân mỗi quá trình chế biến nhằm nâng cao giá trị dinh dưỡng của thực phẩm về mặt này cũng có thể làm giảm đi về mặt khác. Ví dụ trong quá trình làm chín các thực phẩm không những sẽ tăng cường về mặt cảm quan, mà còn làm tăng độ tiêu hóa nhưng do tác dụng của nhiệt, của các hệ men và oxi trong không khí ở nhiệt độ cao có thể phá hủy một số vitamin, đường và axit amin.
Các loại thực phẩm rất khác nhau về bề ngoài, về tổ hợp các cấu tử, về cấu tạo vật lý, về thành phần hóa học. Mỗi thành phần này đều bị chi phối hoặc biến đổi trong các quá trình chế biến và ngược lại nó cũng quyết định đến việc tiến hành các quá trình chế biến. Nghiên cứu chế biến trước tiên phải dựa vào các đặc tính cơ lý và thành phần hóa học của các nguyên liệu chế biến. Chúng khác nhau nhưng cấu tạo có quy luật. Nghiên cứu thành phần cấu tạo của thực phẩm là nghiên cứu các quy luật cấu tạo đó. Ví dụ về cấu trúc, chúng cũng cấu tạo từ các tế bào và tế bào tập hợp thành các mô chức năng. Bên trong tế bào là nhân, không bào, chất nguyên sinh bao bọc bởi màng tế bào. Về thành phần hóa học, các nguyên liệu thực vật cấu tạo chủ yếu là gluxit( xenlulozo, đường, tinh bột,…) và các hợp chất thứ cấp( pectin, axit, vitamin, khoáng,… ); các nguyên liệu động vật cấu tạo chủ yêu là protein chất béo và các chất thứ cấp khác.
Trong quá trình chế biến, các thành phần trên bị tác động của nhiều yếu tố kỹ thuật, sẽ biến đổi theo những quy luật nhất định. Những biến đổi này vừa có tính riêng rẽ vừa có tính liên quan với nhau. Chúng có thể ức chế hoặc kích thích lẫn nhau. Chúng ta cần phải nắm được các quy luật biến đổi đó để có thể điều khiển chúng theo yêu cầu. Ví dụ, dưới tác dụng của nhiệt độ, các vitamin C sẽ bị phá hủy. Sự phá hủy này càng nhanh nếu có oxi của không khí và càng chậm lại nếu trong môi trường axit. Axit amin bị phá hủy nhanh ở nhiệt độ cao nếu có đường khử với tỉ lệ tương đương. Hoặc một quy luật tất nhiên là khi nhiệt độ cao (160o C) trong quá trình chế biến đường sẽ bị cháy theo phản ứng caramen hóa làm cho sản phẩm bị đen, khét. Thịt tươi, ở nhiệt độ thường protein bị vi sinh vật gây thối phá hủy đến indon, scaton và cuối cùng là NH3 , H2S… gây ra mùi thối. Khi bào quản rau quả tươi, quá trình hô hấp cần O2, thải ra CO2 và hơi nước, sinh nhiệt và tiêu thụ chất dinh dưỡng trong rau quả. Những biến đổi mang tính tất yếu trên đây, chúng ta không thể loại trừ mà phải tìm biện pháp để hạn chế.
Khoa học kỹ thuật phát triển đòi hỏi cần được áp dụng vào các ngành sản xuất phục vụ đời sống ngày càng cao của con người. Phải áp dụng các phương pháp tiên tiến vào các quá trình sản xuất nhằm hạn chế những biến đổi xấu của thực phẩm. Ngày nay các thiết bị cô đặc chân không hiện đại đã được áp dụng khi sản xuất các sản phẩm cần qua cô đặc, cho phép giảm nhiệt độ sôi, rút ngắn thời gian thực hiện quá trình. Phương pháp sấy đông khô là làm bay hơi nước ở nhiệt độ dưới 0oC đã giữ cho thực phẩm bị biến đổi phẩm chất rất ít so với phương pháp sấy khô thông thường. Phương pháp thẩm thấu ngược được áp dụng để tách nước trong các thực phẩm lỏng ở nhiệt độ thường đã được áp dụng làm cho sản phẩm cô đặc có chất lượng cao. Đặc biệt sự phát triển của ngành vi sinh vật đã có tác động rất lớn đến sự phát triển của công nghiệp thực phẩm. Đã sản xuất mì chính bằng phương pháp lên men thay cho phương pháp axit, tiết kiệm nguyên liệu và giá thành rất rẻ. Thành tựu của ngành hóa học, vật lý cũng có tác dụng vô cùng to lớn đối với bảo quản và chế biến lương thực , thực phẩm. Tuy nhiên so với thành tựu của các ngành đã đạt được và khả năng ứng dụng của chúng thì sự vận dụng những thành tựu đó vào ngành chế biến lương thực, thực phẩm hãy còn chậm và ít, cần phải đẩy mạnh hơn nhiều.
Phương pháp sản xuất các thực phẩm khác nhau từ nguyên liệu khác nhau đều có sự khác biệt. Chúng khác nhau về quy trình và về thực hiện quá trình. Quá trình và quy trình đều có tính quy luật cần được nghiên cứu.
