PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG KÍCH THÍCH XUNG ĐIỆN TRƯỜNG PEF (PULSED ELECTRIC FIELD) TRONG CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN SỮA

Pulsed Electric Field in dairy processing microbial inactivation 2013 Võ Phƣơng Vinh | MSSV 61004021 1 PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG KÍCH THÍCH XUNG ĐIỆN TRƯỜNG PEF (PULSED ELECTRIC FIELD) TRONG CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN SỮA 1. TỔNG QUAN: 1.1. Phƣơng pháp kích thích xung điện (PEF): Phương pháp PEF (Pulsed Electric Field) là một kỹ thuật dựa trên khả năng làm phá vỡ màng tế bào vi sinh vật của xung điện trường khi ta kích thích xung điện lên tế bào vi sinh vật. Dưới tác dụng của xung điện, hiệu ứng “electroporation” sẽ xảy ra và tạo ra những lỗ thủng có thể hay không thể khôi phục lại trên màng tế bào vi sinh vật, đây là nguyên nhân chính dẫn đến cái chết của vi sinh vật. Phương pháp PEF được ứng dụng để vô hoạt vi sinh vật cho các sản phẩm dạng lỏng (như sữa, nước trái cây…) hay được ứng dụng như một phương pháp tiền xử lý nông sản (trái cây, rau củ…). Phương pháp này được coi là một kỹ thuật tăng thời gian bảo quản sản phẩm với chế độ xử lý “nhẹ nhàng” so với các phương pháp xử lý nhiệt khác (như thanh trùng và tiệt trùng). 1.2. Ƣu và nhƣợc điểm của phƣơng pháp PEF: Phương pháp PEF có ưu điểm là hạn chế được sự tổn thất về giá trị dinh dưỡng, cũng như những tính chất cảm quan cần thiết cho sản phẩm, trong khi các phương pháp vật lý khác sử dụng nhiệt độ cao (như thanh trùng và tiệt trùng) lại làm mất đi hai yếu tố chất lượng quan trọng này của sản phẩm thực phẩm. Bên cạnh đó, phương pháp xử lý này còn tiết kiệm được một lượng năng lượng đáng kể so với các phương pháp xử lý nhiệt khác. Tuy nhiên, phương pháp này có một số nhược điểm như: - Chỉ áp dụng được chủ yếu là cho các sản phẩm dạng lỏng hay các sản phẩm có thể bơm đi được. - Các sản phẩm thực phẩm có độ nhớt cao, sản phẩm dạng hạt rời thì khó có thể áp dụng phương pháp này. - Giá thành thiết bị cao hơn các phương pháp khác. - Không hiệu quả để bất hoạt enzyme và bào tử vi sinh vật. 2. NHỮNG ỨNG DỤNG CỦA PHƢƠNG PHÁP PEF VÀO CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN SỮA: 2.1. Đặt vấn đề: Sữa là chất lỏng màu trắng tiết ra từ tiết vú của động vật lớp thú. Trong khi, phương pháp PEF thích hợp để áp dụng cho các sản phẩm dạng lỏng. Do đó, việc áp dụng vào công nghệ chế biến sữa là một ứng dụng quan trọng của phương pháp PEF. Phương pháp PEF sau khi được phát minh, đó là một giải pháp để hạn chế việc thất thoát dinh dưỡng và giá trị cảm quan của sản phẩm khi xử lý tăng thời gian bảo quản cho sản phẩm thực phẩm. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu đã nhận thấy rằng, việc sử dụng đơn lẻ phương pháp PEF và việc kết hợp PEF với các phương pháp xử lý khác sẽ đem đến các kết quả khác nhau. Đa phần, các nghiên cứu cho thấy rằng khi kết hợp với các phương pháp khác, PEF sẽ cho ra kết quả ức chế được nhiều vi sinh vật hơn so với việc chỉ sử dụng PEF để xử lý. Pulsed Electric Field in dairy processing microbial inactivation 2013 Võ Phƣơng Vinh | MSSV 61004021 2 Trong bài này, chúng ta sẽ tìm hiểu các nghiên cứu kết hợp PEF với các phương pháp khác như phương pháp tiền xử lý nhiệt (pre – heating), phương pháp sử dụng sóng nhiệt âm (thermosonication). Ngoài ra, chúng ta sẽ tìm hiểu thêm hướng ứng dụng mới của phương pháp PEF nano giây (10 -9 giây) thay vì PEF micro giây (10 -6 giây) như trước đây. 2.2. Phƣơng pháp PEF có tiền xử lý nhiệt: Đầu tiên, vào năm 1994, Leistner đã nghiên cứu hướng ứng dụng kết hợp tiền xử lý nhiệt ở chế độ nhiệt vừa phải với kỹ thuật PEF. Ông nhận thấy rằng, sự kết hợp này có tiềm năng lớn trong việc kéo dài thời gian bảo quản của sữa so với phương pháp thanh trùng sữa thông thường. Đến năm 2006, Floury và cộng sự đã kiểm chứng lại điều đó và nhận định rằng kết luận của Leistner là đúng. Gần đây, năm 2008, M. Walkling – Ribeiro và cộng sự đã nghiên cứu khả băng bất hoạt vi sinh vật khi kết hợp hai phương pháp, gia nhiệt sơ bộ và PEF, trên mẫu sữa UHT nghèo béo được cấy vào hệ vi sinh vật tự nhiên của sữa bò thô. M. Walkling – Ribeiro và cộng sự đã tiến hành các thí nghiệm: Thí nghiệm 1: xử lý nhiệt (30 o C, 40 o C, 50 o C trong 60s); Thí nghiệm 2: xử lý PEF (40kV/cm trong 50s và 60s, 50kV/cm trong 33s); Thí nghiệm 3: xử lý kết hợp hai phương pháp nhiệt và PEF (chế độ như hai thí nghiệm trước) và cuối cùng là thí nghiệm 4: thanh trùng sữa (chế độ 70 o C trong 26s). Hình 1. Sơ đồ tiến hành của phương pháp kết hợp tiền xử lý nhiệt và PEF. Sữa đã được xử lý sau mỗi thí nghiệm, sẽ được giữ trong điều kiện vô trùng để tiếp tục tiến hành đổ đĩa petri, ủ để đếm số khuẩn lạc tạo thành. Khi thu nhận được kết quả, M. Walkling – Ribeiro và cộng sự đã nhận thấy rằng, khi kết hợp hai phương pháp tiền xử lý nhiệt và PEF, tổng số vi sinh vật trong mẫu sữa sẽ giảm đáng kể và cao hơn so với cả các thí nghiệm còn lại. Khi kết hợp tiền xử lý nhiệt và PEF, mức độ giảm vi sinh vật thu được cao nhất là 7.0log (ở chế độ tiền xử lý: 50 o C kết hợp PEF: 40kV/cm trong 60s), cao hơn cả so với kết quả của thí nghiệm 1 (kết quả cao nhất thu được: 4.6log ứng với xử lý ở 50 o C), thí nghiệm 2 thu được giá trị cao nhất là 6.4log (ứng với xử lý PEF 50kV/cm trong 33s), thí nghiệm 4 thanh trùng 72 o C/26s: giảm 6.1log. Ngoài ra, trong nghiên cứu vào năm 2008, M. Walkling – Ribeiro và cộng sự còn tiến hành trên mẫu sữa bò thô nguyên kem. Trong trường hợp này, ông và cộng sự lại thu nhận được kết quả trái ngược so với nhận định bên trên, tức là khi áp dụng kết hợp 2 phương pháp sẽ cho ra kết quả bất hoạt vi sinh vật thấp hơn so với thanh trùng thông thường. Để giải thích cho điều này, ông nhận định rằng, do sự có Pulsed Electric Field in dairy processing microbial inactivation 2013 Võ Phƣơng Vinh | MSSV 61004021 3 mặt của chất béo sẽ làm giảm khả năng bất hoạt vi sinh vật của phương pháp. Chất béo sẽ đóng vai trò là chất bảo vệ vi sinh vật dưới tác động của phương pháp xử lý. Nhưng nhận định này không hẳn chính xác. Có nghiên cứu cho rằng sự có mặt của chất béo chỉ có tác dụng bảo vệ vi sinh vật khi chất béo có một hàm lượng tối ưu nào đó (theo Picart và cộng sự, năm 2002). Nhƣ vậy: khi kết hợp 2 phương pháp (xử lý nhiệt và PEF) sẽ cho kết quả về mức độ tiêu diệt vi sinh vật khả quan hơn so với phương pháp thanh trùng thông thường và khi áp dụng đơn lẻ kỹ thuật PEF. Tuy nhiên, cần quan tâm đến sự ảnh hưởng của các yếu tố khác đến kết quả xứ lý, như sự có mặt của chất béo xét trong nghiên cứu này. 2.3. Phƣơng pháp PEF kết hợp kỹ thuật sóng nhiệt âm TS: Cũng trong năm 2008, nhóm cộng sự của M. Walkling – Ribeiro và ông lại tiếp tục nghiên cứu khả năng bất hoạt vi sinh vật khi kết hợp PEF với tiền xử lý sóng nhiệt âm Thermosonication (TS). Nhưng khác với nghiên cứu bên trên, lần này ông chỉ nghiên cứu sự tác động của phương pháp lên chủng Listeria innocua 11288. Thermosonication (TS) là phương pháp sử dụng hàng loạt các sóng âm được cung cấp bởi nguồn sóng siêu âm tần số ≥ 20kHz, công suất 400W. Cơ chế chính của phương pháp này là dưới tác dụng của sóng âm mẫu sẽ bị xốc cơ học do hiện tượng xâm thực khí của sóng âm tạo ra. Phương pháp này ít được quan tâm hơn các phương pháp xử lý khác. Nó thường được sử dụng để bất hoạt enzyme, bất hoạt vi sinh vật và thường được sử dụng kết hợp với các phương pháp khác như xử lý nhiệt, kết hợp với kháng sinh. Trong nghiên cứu này, nhóm cộng sự và M. Walkling – Ribeiro đã nghiên cứu hiệu quả của sự kết hợp TS với phương pháp PEF. Tiến hành 3 thí nghiệm trên mẫu sữa UHT nghèo béo để đánh giá mức độ bất hoạt Listeria innocua gồm: thí nghiệm 1: sử dụng phương pháp TS; thí nghiệm 2: sử dụng phương pháp PEF và thí nghiệm 3 tiến hành kết hợp PEF và TS. Hình 2: Sơ đồ tiến hành a) xử lý kết hợp PEF và TS không tiền gia nhiệt. b) xử lý PEF và TS có tiền gia nhiệt. Khi tiến hành thí nghiệm 1 ứng với các công suất 240W, 320W và 400W, nhóm cộng sự M. Walkling – Ribeiro nhận thấy rằng kết quả bất hoạt Listeria innocua đạt hiệu quả không đáng kể lắm. Xét trên tổng thể, khi ta tăng công suất và kéo dài thời gian lưu (từ 80s đến 160s) thì kết quả bất hoạt Listeria innocua sẽ tăng nhưng tăng thật sự chưa đáng kể (kết quả cao nhất là giảm được 1.2log ứng với công suất 400W). Pulsed Electric Field in dairy processing microbial inactivation 2013 Võ Phƣơng Vinh | MSSV 61004021 4 Thí nghiệm 3 được tiến hành gồm 3 thí nghiệm nhỏ hơn để khảo sát sự thay đổi các thông số kỹ thuật của các phương pháp có làm ảnh hưởng đến kết quả bất hoạt vi khuẩn Listeria innocua hay không. Trong đó bao gồm: - Thí nghiệm 3.1: thay đổi công suất TS và cường độ xung PEF - Thí nghiệm 3.2: chế độ có và không có gia nhiệt. - Thí nghiệm 3.3: thay đổi cường độ xung điện (PEF strength) và mật độ xung điện (PEF density). Đối với thí nghiệm 3.1, nhóm cộng sự của W. Walkling – Ribeiro, nhận thấy khi tăng công suất của TS (từ 320W lên 400W) và tăng cường độ xung PEF (từ 30 kV/cm lên 40kV/cm) thì mức độ ức chế Listeria innocua sẽ tăng lên đáng kể. Ứng với công suất TS 400W và PEF 40kV/cm sẽ cho ra kết quả bất ngờ là 6.8log trong khi chế độ TS 320W và PEF 30kV/cm lại cho kết quả thấp hơn, chỉ có 1.4log. Thí nghiệm 3.2, khi có và không có chế độ xử lý nhiệt trước khi thực hiện TS và PEF, nhóm cộng sự của W. Walkling – Ribeiro cho rằng, khi có tiền xử lý nhiệt thì xác suất bất hoạt được nhiều vi sinh vật sẽ cao hơn so với phương pháp không có tiền xử lý nhiệt. Có thể giải thích thêm rằng, khi có xử lý nhiệt, một phần vi sinh vật sẽ bị ức chế, cũng như cấu trúc màng tế bào sẽ bị tác động một phần để tăng hiệu qua khi xử lý TS và PEF sau này. Ở thí nghiệm 3.3, tiến hành khảo sát sự ảnh hưởng của việc thay đổi cường độ và mật độ xung điện PEF đến kết quả bất hoạt Listeria innocua, nhóm cộng sự của W. Walkling – Ribeiro nhận thấy, kết quả tăng không đáng kể. Tuy nhiên, họ cho là tuy rằng hiệu quả bất hoạt vi sinh vật không tăng đáng kể (xét trong cùng khoảng thời gian xử lý), nhưng khi quy về cùng một mức độ bất hoạt vi sinh vật (giả sử quy về cùng mức 6.5log) thì thời gian xử lý của phương pháp có cường độ và mật độ PEF cao hơn sẽ cho thời gian xử lý ngắn hơn. Như vậy, ta sẽ rút ngắn được thời gian xử lý của sản phẩm. Kết luận lại rằng, khi kết hợp với phương pháp TS, thì hiệu quả bất hoạt vi sinh vật sẽ tăng cũng như PEF kết hợp với tiền xử lý nhiệt như trong nghiên cứu bên trên. Ngoài ra, khi thay đổi một số giá trị như công suất TS, cường độ và mật độ PEF sẽ làm tăng hiệu quả bất hoạt vi sinh vật, thậm chí sẽ làm rút ngắn được thời gian xử lý sản phẩm. 2.4. Phƣơng pháp PEF nano giây (nsPEF): Bên cạnh các biện pháp sử dụng kết hợp PEF với các phương pháp xử lý khác, các nhà khoa học còn đi sang hướng nghiên cứu khác là cải tiến kỹ thuật PEF bằng cách giảm chu kỳ của xung điện thông thường từ micro giây (một phần triệu giây) xuống cấp độ nano giây (một phần tỷ giây). Kỹ thuật PEF sử dụng xung điện “nano giây/một xung” (nanosecond/pulse) gọi là phương pháp PEF nano giây (nsPEF). Theo nghiên cứu của Phumin Kirawanich và cộng sự được công bố vào năm 2011, họ tiến hành thí nghiệm trên các mẫu thực phẩm dạng lỏng (nước nhiễm vi sinh vật…) và bán rắn (sản phẩm dạng sệt…) và cho thấy rằng khả năng bất hoạt vi sinh vật bởi kỹ thuật nsPEF này là khá tốt (cho kết quả 5.0log đối với mẫu thực phẩm dạng lỏng). Đây cũng sẽ là một phương pháp xử lý thay thế cho phương pháp thanh trùng thông thường. Tuy Phumin Kirawanich và cộng sự, không tiến hành nghiên cứu tác dụng bất hoạt vi sinh vật của phương pháp nsPEF trực tiếp trên mẫu sữa nhưng nó cũng đã được tiến hành trên sản phẩm dạng lỏng và cho kết quả khá khả quan, từ đó, đã mở ra hướng đi mới của kỹ thuật dùng xung điện trường vào công nghiệp chế biến sữa. Pulsed Electric Field in dairy processing microbial inactivation 2013 Võ Phƣơng Vinh | MSSV 61004021 5 Trong nghiên cứu của mình, Phumin Kirawanich và cộng sự đã sử dụng hệ thống tạo xung điện nano giây bao gồm 1 nguồn điện một chiều cao áp, 1 bộ tạo xung, 1 công tắt tự động và 1 tải. Hình 3: Hệ thống tạo xung PEF nano giây. Các thí nghiệm của Phumin Kirawanich được thực hiện bởi xung điện có tần số 3Hz và 500ns, ứng với cường độ sử dụng là 15kV/cm trong khoảng thời gian 450s. Mẫu sau khi được xử lý bằng nsPEF sẽ được trải đỉa petri và ủ ở nhiệt độ 35 o C trong 24h, rồi sẽ được tiến hành đếm tổng tế bào vi khuẩn hiếu khí bằng phương pháp Petrifilm để xác định mức độ bất hoạt vi sinh vật. Kết quả thí nghiệm trên mẫu sản phẩm lỏng, ta thu được mức độ bất hoạt vi sinh vật là 5.15log. Kết quả này tương ứng với kết quả của mẫu xử lý bằng PEF thông thường (15kV/cm, 15s/1 xung, thời gian 75 - 300s). Như vậy, ta có thể coi đây là một phương pháp xử lý thay thế các biện pháp thanh trùng thông thường hiện nay. Ngoài kết quả bất hoạt vi sinh vật, phương pháp này còn có thêm một ưu điểm là hạn chế ở mức thấp nhất sự tăng nhiệt độ trong quá trình xử lý nsPEF. Đây cũng là một ưu điểm đáng được chú ý của phương pháp này cho các hướng nghiên cứu sau này. Lưu ý rằng: khi áp dụng phương pháp nsPEF vào trong mẫu sữa, chúng ta cần quan tâm đến một số yếu tố ảnh hưởng đến kết quả như thành phần của sữa, độ nhớt, pH… 3. KẾT LUẬN: Kỹ thuật dùng xung điện trường là một kỹ thuật mới, về cơ chế tác động vẫn chưa được tìm hiểu rõ, do đó, phương pháp này cần phải nghiên cứu sâu hơn và kỹ hơn.Nhưng nhìn chung về khả năng ứng dụng của phương pháp này, nếu được sử dụng riêng lẻ một mình thì kết quả sẽ không cao bằng việc sử dụng kết hợp với các phương pháp xử lý khác (như tiền xử lý nhiệt, sóng nhiệt âm TS,…) Hiện nay, các nhà nghiên cứu vẫn đang tiến hành khảo sát điểm tối ưu của các thông số vận hành khi áp dụng kết hợp PEF với các phương pháp khác nhằm đạt những kết quả với mức độ mong muốn cao hơn. Chú thích: log là đơn vị tính mức độ bất hoạt vi sinh vật: log = 𝑙𝑜𝑔 𝑁 0 𝑁 ; với N 0 là lượng vi sinh vật có trong mẫu trước khi xử lý (CFU/mL) , N là lượng vi sinh vật sau khi xử lý (CFU/mL) Pulsed Electric Field in dairy processing microbial inactivation 2013 Võ Phƣơng Vinh | MSSV 61004021 6 4. TÀI LIỆU THAM KHẢO: [1] M. Walkling-Ribeiro, F. Noci, D.A. Cronin, J.G. Lyng and D.J. Morgan. Antimicrobial effect and shelf-life extension by combined thermal and pulsed electric field treatment of milk. Journal of Applied Microbiology ISSN 1364-5072. 2008. [2] F. Noci, M. Walkling-Ribeiro, D.A. Cronin, D.J. Morgan, J.G. Lyng. Effect of thermosonication, pulsed electric field and their combination on inactivation of Listeria innocua in milk. International Dairy Journal. 2008. [3] Phumin Kirawanich, P. Satusap, Visith Chavasit and Naz E. Islam. Microorganism Inactivation by Nanosecond Pulsed Electric Fields: Full-wave Analysis and Experiment. International Conference on Food Engineering and Biotechnology IPCBEE vol.9 (2011) IACSIT Press, Singapoore. 2011. . TRƯỜNG PEF (PULSED ELECTRIC FIELD) TRONG CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN SỮA 1. TỔNG QUAN: 1.1. Phƣơng pháp kích thích xung điện (PEF) : Phương pháp PEF (Pulsed Electric. PEF thích hợp để áp dụng cho các sản phẩm dạng lỏng. Do đó, việc áp dụng vào công nghệ chế biến sữa là một ứng dụng quan trọng của phương pháp PEF. Phương