Tài liệu Kỹ thuật xử lý thực phẩm không sử dụng nhiệt ppt

Chương 4 : Kỹ thuật xử lý thực phẩm không sử dụng nhiệt 4.1 Kỹ thuật trường điện từ dạng xung high tensity pulsed electric field PEF 4.1.1 Mở đầu Kỹ thuật trường điện từ dạng xung là p

Trang 1

Chương 4 : Kỹ thuật xử lý thực phẩm

không sử dụng nhiệt

4.1 Kỹ thuật trường điện từ dạng xung (high tensity

pulsed electric field (PEF))

4.1.1 Mở đầu

Kỹ thuật trường điện từ dạng xung là phương pháp

bảo quản thực phẩm không sử dụng nhiệt mà cơ

sở của nó là sử dụng xung điện để loại bỏ các vi

sinh vật gây bệnh và cũng như kiểm soát bào tử

trong thực phẩm

Công nghệ này không sử dụng nhiệt nên giữ được

các tính chất của thực phẩm như giá trị cảm quan,

dinh dưỡng ít biến đổi và nhất là kiểm soát an toàn

thực phẩm.

Kỹ thuật trường điện từ dạng xung

high tensity pulsed electric field (PEF)

Mở đầu

Dòng điện được sử dụng trong quá trình thanh trùng sữa

vào đầu thế kỷ 19 do công trình của Anderson and

Finkelstein, 1919; Fetterman, 1928; Getchell, 1935 bằng

cách cho dòng điện tách dụng trực tiếp vào dung dịch lỏng

và thấy rằng nó có tác dụng tiêu diệt một vài loại vi khuẩn

bacteria

- 1949, Flaumenbaun đã thông báo về sử dụng trường điện

từ dạng xung trên thực phẩm, nhưng tác giả không nghiên

cứu về bảo quản thực phẩm và vô hoạt vi sinh vật, tác giả

đềcập đến sựtăng tính bán thấm của màng tế bào, tạo

điều kiện dễ dàng cho quá trình ép dịch quả, đây cũng là

một phát hiện lớn cho các ứng dụng của kỹ thuật trường

điện từ dạng xung sau này

Mở đầu

- Sales and Hamilton, 1967, 1968 đã công bố nhiều công

trình ứng dụng trường điện từ dạng xung liên quan đến vi

sinh vật, các vi sinh vật bị thủng các lỗ nhỏ trên màng tế

bào, và làm mất tính bán thấm của chúng, các lỗ này không

thể phục hồi lại được và làm chết vi sinh vật Các thông số

ảnh hưởng đến việc đánh thủng lỗ trên màng vi sinh vật là

cường độ dòng điện, điện thế đầu vào, cường độ điện

trường, thời gian tác động, hình dạng và kích thước của vi

sinh vật

- Trên lĩnh vực di truyền học, Zimmermann et al., 1974 đã

phát triển một phương pháp dung hợp tế bào dựa trên kỹ

thuật xung điện Kỹ thuật dùng trường điện từ dạng xung

đánh thủng màng tế bào và gắn kết các lỗ trên màng lại,

làm dung hợp hai tế bào vào nhau

Trang 2

Mở đầu

- Tháng 7/1995, The Food and Drug

Administration (FDA) không phản đối cho sử

dụng kỹ thuật trường điện từ dạng xung,

được phát triển bới công ty PurePulse, để

tiêu diệt vi sinh vật trong dịch lỏng bơm

kỹ thuật trường điện từ dạng xung ở qui mô

công nghiệp

4.1.2 Nguyên lý của kỹ thuật trường điện từ

dạng xung (PEF)

- ĐN: Kỹ thuật trường điện từ dạng xung

dựa trên khả năng trường điện từ dạng xung

có cường độ cao làm biến dạng màng tế

bào, kết quả là vi sinh vật bị chết.

- Nguyên lý: thực phẩm được đặt giữa hai điện cực dẫn

điện, hai điện cực này được lắp trên vật liệu không dẫn

điện, do đó không có hiện tượng truyền điện từ điện cực

này sang điện cực kia Cung cấp xung dòng điện có hiệu

điện thế cao sẽ sinh ra trường điện từ dạng xung có

cường độ cao Xung này tác động vào thực phẩm ở giữa

Trang 3

4.1.3 Cấu trúc của hệ thống trường điện từ

Phòng

xử lý Dòng ra

Dòng vào

4.1.3 Cấu trúc của hệ thống trường điện từ dạng xung

- Máy phát xung điện : có nhiệm vụ cung cấp xung điện hiệu điện thế

cao, có hình dạng xung, độ dài và biên độ xung khác nhau Bộ phận

thành một chiều, bộ phận tích trữ điện thường là một hoặc nhóm tụ

điện và bộ phận phóng xung Hiệu điện thế trong công nghiệp thường

dùng từ 220 volts đến 440 volts, khi đi qua hệ thống máy phát, dòng

điện được đưa lên khoảng 20 kV đến 60 kV Điện thế được nạp vào

tụ và thực hiện quá trình tạo xung gián đoạn bằng các thiết bị điều

khiển

4.1.3 Cấu trúc của hệ thống trường điện từ dạng xung

- Phòng xử lý thực phẩm : 2 bản cực được làm từ các

vật liệu có độ bền điện môi cao đặt trên các tấm đỡ

không dẫn điện các điện cực thường là vàng, platinun,

polyacetylen, cách bố trí hai cặp cực có thể song song,

dạng chữ U, dạng xoắn, dạng hội tụ và ống thuỷ tinh

xoắn

Trang 4

Trang 5

4.1.3 Cấu trúc của hệ thống trường điện từ

dạng xung

- hệ thống bơm dòng lỏng : sử dụng bơm

xử lý

- Hệ thống kiểm soát và hiển thị : hệ thống

máy tính và các thiết bị điều khiển tạo xung

điện,

4.1.4 Cơ chế vô hoạt vi sinh vật của PEF

- Vi sinh vật có màng tế bào dùng để trao đổi chất có chọn

lọc với môi trường bên ngoài, nhờ vào màng tế bào mà

chúng có thể sống sót ở trạng thái bình thường thì tồn tại

các lớp điện tích trước và sau màng tế bào tạo nên sự

đồng đều về áp suất giữa hai môi trường trong và ngoài tế

bào

Trang 6

- khi đưa một trường điện từ tích tụ điện tích trong màng tế trong và ngoài màng tế bào, vào lực điện trường do chênh này tác động vào màng tế bào, làm cho màng tế bào biến dạng, tại một số vị trí của màng tế bào mỏng đi và vượt

bị thủng thành các lỗ nhỏ Điện thế đánh thủng màng tế bào cần đạt đến độ chênh lệch khoảng 1V giữa bên trong và bên ngoài màng tế bào

- phụ thuộc vào hướng tác động của điện trường lên vi

sinh vật mà nó làm biến dạng màng và phá hỏng chúng,

khi tạo thành các lỗ nhỏ không thể khắc phục được thì

chúng không còn chức năng bán thấm nữa và làm mất

cân bằng áp suất thẩm thấu dẫn đến hư hỏng tế bào

-Theo một số thuyết thì sự thay đổi màng bán thấm dẫn đến sự thay đổi các yếu tố khác như là pha nội tại chứa lipid (Sugar anh chuyển hoá giữa hai lớp phân tử Lipid (Deuticke et al., 1983), làm đến sự chuyển hoá của pore kị nước thành ưu nước và mở ra, biến tính của các kênh prôtêin nhạy cảm (Tsong, 1992)

-Do tác động của các điện tích, nên các kênh mở ra đến mức chúng vượt quá kích thước giới được , chúng sẽ mở ra vĩnh viễn

và tạo thành các lỗ trên thành tế bào

Sơ đồ màng phospholipid kép

Trang 7

4.1.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến kỹ thuật điện từ

trường dạng xung

4.1.5.1 yếu tố kỹ thuật : cường độ điện trường và

thời gian xử lí là hai yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất

đến quá trình xử lí pef

- cường độ điện trường : cường độ điện trường

tạo ra giữa 2 môi trường : trong và ngoài tế bào

khoảng 1V, sẽ phá hỏng thành tế bào Chỉ có

cường độ của trường điện từ và thời gian xử lí mới

làm hư hỏng màng tế bào, còn các yếu tố khác

như vùng xử lí, hằng số điện môi, cường độ dòng

điện hoặc công suất không đóng vai trò làm hư

hỏng màng tế bào

4.1.5.1 yếu tố kỹ thuật

-thời gian xử lí: kỹ thuật xung điện sử dụng các

dạng xung ngắn để tránh tăng nhiệt và những phản

ứng thuỷ phân không mong muốn thời gian xử lí

được tính bằng chiều rộng xung nhân với số xung

-Thời gian xử lí khoảng từ 1µ giây đến 5µ giấy là

đủ để làm vô hoạt tế bào, vì rằng với quá trình xử lí

10 nsec trong xung điện trường đã thiết lập được

điện thế chênh lệch

-Sau khi các pore tạo thành, thì với sự tác động

của xung trong khoảng 1µ giây đến 5µ giấy làm

cho vi sinh vật không kịp sửa chữa những hư hỏng

trên thành tế bào

yếu tố kỹ thuật :

- hình dạng xung : xung vuông có đường tắt xung dạng đường cong

mũ có tác dụng mạnh hơn đến sự làm thủng lỗ trên thành tế bào.

Xung tắt dần dạng mũ Xung vuông

xung lưỡng cực vuông xung lưỡng cực dạng mũ xung xoay chiều

Trang 8

4.1.5.2 Yếu tố sinh học

-kích thước và hình dạng của tế bào :

Vc = f.Ec.a.cosυ trong đó-Vc là điện thế đánh thủng,

-a : bán kính của tế bào,

-Ec : điện trường tới hạn yêu cầu

-υ : là góc nghiêng của màng tế bào với điện trường

-f là hệ số = 1,5 cho hình cầu và f = l/(l-d/3) trong đól: chiều dài của vi sinh vật

và d: đường kính của vi sinh vật

- dạng vi sinh vật: hình cầu, ô van, trụ, nấm men nhạy

cảm nhất với xử lí PEF

Dễ bị tiêu diệt nhất

- các vi khuẩn gram (-) cũng nhạy cảm

hơn các vi khuẩn gram(+)

Thành tế bào vi khuẩn Gram (+) Thành tế bào vi

khuẩn Gram (-)

Lớp peptidoglucan

Trang 9

Yếu tố sinh học (tt)-trạng thái sinh lí của vi

sinh vật: pha log

4.1.5.2 Yếu tố thực phẩm

- Thành phần các chất : sự đồng đều về kích thước và

thành phần sẽ ảnh hưởng đến hằng số điện môi của thực

phẩm và ảnh hưởng đến quá trình xử lí pef khá nhiều Sự

có mặt của chất béo, prôtêin cũng khó khăn hơn trong việc

xử lí pef

4.1.5.2 Yếu tố thực phẩm

-Nhiệt độ : là yếu tố ảnh hưởng đứng sau cường độ điện

trường và thời gian xử lí Khi nhiệt độ của thực phẩm tăng

lên, hiệu quả của quá trình xử lí pef cũng tăng lên Quá trình

sử dụng pef thường được thực hiện ở nhiệt độ dưới 65°C

trong thời gian vài giây

-Sự tăng hiệu quả xử lí pef ở nhiệt độ cao phụ thuộc vào tính

chất lưu biến của màng tế bào dưới tác động của nhiệt độ

Nguyên nhân của màng tế bào bị đánh thủng là do tính chất

co dãn của màng tế bào khi nhiệt độ tăng lên(giống như chất

lỏng) vì thế khi tăng nhiệt độ thì dễ dàng đánh thủng màng tế

bào bằng xung điện

-Một số nghiên cứu cho thấy rằng điện thế đánh thủng màng

tế bào dạng lipid-protein là 2V ở 4°C, 1V ở 20°C và 500 mV ở

30-40°C (Zimmermann, 1986)

Trang 10

4.1.6 Một số ứng dụng của PEF

-Ứng dụng quá trình tách chiết : PEF có thể làm rách màng

tế bào của vi sinh vật thuận lợi cho việc tách chiết các chất

trong tế bào ra ngoài PEF còn ứng dụng vào việc làm rách

màng bán thấm của tế bào động vật và thực vật, ứng dụng

vào việc ép các chất dinh dưỡng từ trái cây, từ đường

mía,

-Ví dụ quá trình áp dụng pef cho việc tách chiết nước ép táo

có năng suất tăng từ 67% đến 73% so với phương pháp ép

thông thường và sản phẩm trong hơn, với nước ép carrot

tăng từ 51% đến 67% khi sử dụng pef và đạt được hàm

lượng cao β-carotene tốt hơn phương pháp ép cổ truyền

(Knorr et al, 1994)

4.1.6 Một số ứng dụng của PEF

-Hỗ trợ quá trình sấy : pef làm tăng quá trình truyền

khối và truyền nhiệt của thực vật và động vật nhờ

vào khả năng làm rách màng tế bào

- Vô hoạt enzyme : khi có tác dụng của pef có thể

làm tăng hoạt tính hoặc giảm hoạt tính của

enzyme, vấn đề này còn nhiều báo cáo trái ngược

nhau.

- Bảo quản các chất rắn và bán rắn : làm vô hoạt

enzyme và vi sinh vật.

Ứ ng dụng của áp suất cao

(high pressure processing)

Đổi đơn vị

1 at = 105Pa

hPa = hectopascal where 1 hPa = 100 Pa

kPa = kilopascal where 1 kPa = 1000 Pa

MPa = megapascal where 1MPa = 1000000 Pa = 10 at

Trang 11

4.2.1 MỞ ĐẦU

Thực phẩm khi bảo quản và chế biến cần giữ được giá trị

dinh dưỡng và giá trị cảm quan trong đó cần đảm bảo an

toàn vi sinh vật, thời gian bảo quản dài hơn, giữ được giá trị

của thực phẩm như lúc còn tươi Phương pháp sử dụng áp

suất cao đã được ứng dụng theo nhiều hình thưc khác

nhau

Khi sử dụng áp suất cao để xử lý thực phẩm, vi sinh vật bị

vô hoạt mà không cần sử dụng nhiệt, khi đó hàm lượng

vitamin, chất màu và màu sắc của thực phẩm không bị tác

động hoặc thay đổi rất ít ứng dụng áp suất cao để xử lý

thực phẩm coi như là một quá trình chế biến lạnh (Crawford

et al, 1996)

4.2.1 MỞ ĐẦU

Một số loại thực phẩm hiện nay có xử lý áp suất cao xuất

hiện trên thị trường là mứt dẻo, nước sốt, đồ ăn dẻo, sữa

chua, nước ép trái cây, trái cây nhúng đường, thịt bò, các

sản phẩm khác nhau từ thuỷ sản, một vài nước ép trái cây

xử lý với áp suất cao có mùi tốt hơn, giữ được hàm lượng

vitamin cao và thời gian bảo quản dài hơn

4.2.2 thiết bị và thao tác của quá trình xử lý

áp suất cao -thiết bị : áp suất cao được tạo ra trực tiếp đến 600 Mpa và thường được nén trong nước là chính, thường kết hợp với chất chống ăn mòn Phòng xử lý có thể duy trì áp môi trường nước.

- quá trình xử lý thực phẩm bằng áp suất liên tục ví dụ với các sản phẩm rắn thường như trái cây nghiền, chất lỏng và các loại ứng dụng trong các dây chuyền bán liên tục

quá trình gián đoạn có nhiều điểm lợi vì nó tránh được sự nguy cơ nhiễm tạp từ vật liệu,

từ thiết bị chứa vì khi quá trình xử lý kết thúc, thiết bị chứa không được rửa sạch

Trang 12

4.2.3 Biến đổi hoá học và hóa lý

4.2.3.1 Tác động của áp suất cao đến thực phẩm

Nước trong thực phẩm tồn tại dưới dạng dung dịch hoặc phân tán

và dạng huyền phù liên kết với prôtêin, cacbonhydrat, lipid, Vì áp

suất tác động đến tính chất liên kết của nước, sức căng bề mặt,

khối lượng riêng, mômen lưỡng cực, hằng số điện môi và các tính

chất nhiệt Sự thay đổi áp lực nước ảnh hưởng đến vi sinh vật,

enzyme và các phản ứng hoá học trong môi trường lỏng của thực

phẩm

Các chất như lipid, prôtêin, đường, có cấu trúc bậc một (dạng

thẳng) ít chịu ảnh hưởng của áp suất trong khoảng 1000 đến 2000

MPa nhờ vào các liên kết cộng hoá trị

Sự tạo thành các liên kết Hydrogen làm giảm thể tích, và liên kết

này được quan tâm đến nhiều khi sử dụng áp suất cao Áp suất cao

làm biến tính prôtêin, với áp suất < 101MPa, sự biến tính này giảm

khi các liên kết hydrogen có sẵn trong cấu trúc xoắn của các peptid

4.2.3.1 Tác động của áp suất cao đến thực phẩm (tt)

Các liên kết ưu nước cũng bị ảnh hưởng bởi áp suất, vì với

áp suất nhỏ hơn 1000 atm, các tương tác với nước làm tăng

thể tích còn nếu tăng hơn 1000 atm thì các liên kết này bị

phá vỡ và làm giảm thể tích, hướng tới cấu trúc bền nhất

như vậy, áp suất tác động đến cấu trúc của prôtêin bậc 4,

bậc 3, bậc 2 Nhìn chung, khi tăng áp suất đến khoảng 400

MPa thì bắt đầu biến tính prôtêin

Sự ảnh hưởng của áp suất cao đến các phản ứng của

enzym có thể theo hai hướng : (i) liên kết các cơ chất, tính

đàn hồi của phức enzyme-cơ chất và (ii) quá trình xúc tác

mà hệ enzyme-cơ chất được hoạt hoá

4.2.3.1 Tác động của áp suất cao đến thực phẩm (tt)

Như vậy, thể tích thay đổi liên quan đến sự tạo thành các

tương tác trong hệ thống sinh học Một vài tương tác quan

trọng trong thực phẩm được giới thiệu sau đây:

- liên kết hydrogen : liên quan đến thu nhỏ thể tích nhỏ nhất

nhờ vào bán kính liên kết nhỏ của nguyên tử H và cũng như

khoảng cách liên kết nhỏ (Tauscher, 1995)

-Tương tác ưa nước: các chất phân cực có xu hướng tập

hợp trong môi trường nước, phân tử nước thường liên kết

với các H-C, các phân tử sinh học khác như prôtêin,

lipid, và các tương tác này tăng lên khi các thành phần tồn

tại dưới dạng ion

-các liên kết cộng hoá trị: khoảng cách liên kết thường rất

ngắn và tạo thành các hợp chất phức tạp;

-biến đổi thể tích của phản ứng hoá học

Trang 13

4.2.3.2 Thay đổi pha

Áp suất cao làm giảm điểm kết tinh và nóng chảy của

nước, ở 207,5 MPa thì là -22°C, vì áp suất đối ngược với

sự tăng thể tích xảy ra với nước loại I (là loại nước rất tinh

khiết, sử dụng trong các thiết bị phân tích chất lượng cao)

- sự tăng tốc độ làm lạnh khi sử dụng áp suất, làm giảm

nhiệt độ nóng chảy, cho phép tạo thành các điểm quá lạnh

tại -20°C, sự tạo thành nhanh và đồng đều của các mầm

tinh thể

- sự tăng tỷ lệ tan chảy (tan giá)

- bảo quản thực phẩm dạng tan chảy và dưới 0°C

4.2.4 ứng dụng của áp suất cao

4.2.4.1 Ức chế hoạt động của vi sinh vật

sự áp dụng áp suất tác dụng trên cơ thể sống được gọi là

Áp suất trong khoảng 0,2 đến 2 MPa gọi làhyperbaric Hiệu

ứng của áp suất trên vi sinh vật được xác định bởi tác động

của áp suất đối với nước, nhiệt độ trong quá trình xử lí,

thành phần hoá học và các giai đoạn phát triển của vi sinh

vật, trong đó áp suất và nhiệt độ được dùng nhiều nhất và

nó liên quan đến an toàn thực phẩm

Áp suất tăng lên khoảng 40MPa gọi là barophiles và nằm

trong khoảng 0,1 đến 50 MPa gọi là eurybaric và trong

khoảng 20 đến 202 MPa gọi là baroduric.

4.2.4.1 Ức chế hoạt động của vi sinh vật (tt)

Nguyên lí cơ bản : vô hoạt vi sinh vật có thể là nguyên

nhân của một vài yếu tố

Yếu tố thứ nhất làm thay đổi tính bán thấm của màng tế

bào kéo theo sự biến tính của prôtêin, là nguyên nhân của

cắt đứt liên kết và làm vô hoạt các trung tâm của enzym

Áp suất khoảng 101 đến < 303 MPa làm biến tính thuận

nghịch prôtêin và áp suất đạt 303 MPa làm biến tính không

thuận nghịch

Định dạng
Số trang	26
Dung lượng	2,66 MB