Luận án tiến sĩ Công nghệ thực phẩm: Ứng dụng kỹ thuật gia nhiệt OHM để thanh trùng nước ép bưởi

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐOÀN NHƯ KHUÊ

ỨNG DỤNG KỸ THUẬT GIA NHIỆT OHM ĐỂ THANH TRÙNG NƯỚC ÉP BƯỞI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

TP HỒ CHÍ MINH - NĂM 2022

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐOÀN NHƯ KHUÊ

ỨNG DỤNG KỸ THUẬT GIA NHIỆT OHM ĐỂ THANH TRÙNG NƯỚC ÉP BƯỞI

Chuyên ngành: Công Nghệ Thực Phẩm Mã số chuyên ngành: 62540101

Phản biện độc lập: Phản biện độc lập:

Phản biện: PGS TS Lê Nguyễn Đoan Duy Phản biện: PGS TS Kha Chấn Tuyền Phản biện: PGS TS Trần Thị Thu Trà NGƯỜI HƯỚNG DẪN:

1 PGS TS LẠI QUỐC ĐẠT

2 PGS TS LÊ THỊ KIM PHỤNG

i

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận án

Chữ ký

Đoàn Như Khuê

ii

TÓM TẮT LUẬN ÁN

Nước ép bưởi chứa hàm lượng cao các thành phần dinh dưỡng, các hợp chất có hoạt tính sinh học Tuy nhiên, nước ép bưởi có thể nhiễm vi sinh vật gây ngộ độc cho người, vi sinh vật gây hư hỏng sản phẩm và bị tách lớp do enzyme pectin methylesterase (PME) Gia nhiệt Ohm là một phương pháp gia nhiệt tiên tiến, có thể được áp dụng để thanh trùng/tiệt trùng nước ép quả nhằm ức chế sự phát triển của VSV, enzyme và giảm thiểu những thay đổi về dinh dưỡng và đặc tính cảm quan của nước ép Hiệu quả của phương pháp gia nhiệt Ohm phụ thuộc vào các thông số của quá trình gia nhiệt, đặc tính của từng sản phẩm cụ thể Do đó, mỗi loại thực phẩm khác nhau sẽ có những biến đổi khác nhau về thành phần hóa lý, cảm quan hay vi sinh khi chịu tác động của gia nhiệt Ohm Nghiên cứu này nhằm xác định tác động của gia nhiệt Ohm đến chất lượng nước ép bưởi thanh trùng thông qua việc đánh giá (1) ảnh hưởng của tần số, cường độ điện trường, nhiệt độ trong gia nhiệt Ohm đến vi sinh vật trong nước ép bưởi, (2) ảnh hưởng của tần số, nhiệt độ trong gia nhiệt Ohm đến enzyme trong nước ép bưởi, (3) ảnh hưởng của tần số, cường độ điện trường trong gia nhiệt Ohm đến các hợp chất có hoạt tính sinh học trong nước ép bưởi Kết quả nghiên cứu chỉ ra tỷ lệ

bất hoạt vi khuẩn gây bệnh Salmonella enterica serovar Enteritidis (S Enteritidis), Escherichia coli O157:H7 (E coli O157:H7) và vi khuẩn gây hư hỏng Lactobacillus plantarum (L plantarum) khi gia nhiệt Ohm cao hơn so với gia nhiệt thông thường (p <0,05)

Các thông số bất hoạt vi sinh D và z trong điều kiện gia đã được được xác định Ảnh hưởng

của tần số và cường độ dòng điện xoay chiều đến sự bất hoạt của S Enteritidis, E coli O157:H7 trong nước ép bưởi cũng được chỉ ra Kết quả cho thấy rằng áp dụng tần số dòng

điện xoay chiều từ 50 đến 20.000 Hz ở cường độ trường 20, 30 V/cm tác động đáng kể đến

sự bất hoạt S Enteritidis và E coli O157:H7 (p<0,05) Hiệu quả bất hoạt VSV cao nhất ở 60

và ≥ 500 Hz và cường độ điện trường càng cao, hiệu quả bất hoạt VSV càng lớn Trong khi

đó, L plantarum bị bất hoạt cao nhất ở 60 Hz, theo sau là 50 Hz, hoặc trong dải tần số từ 500 Hz trở lên (p <0,05) Ngoài ra, hình thái tế bào và màng tế bào S Enteritidis và E coli

O157:H7 được quan sát bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), đồng thời, độ hấp thu PI được xác định, để làm rõ tác động bất hoạt VSV trong quá trình OH Đối với enzyme, động học bất hoạt PME khi xử lý nhiệt Ohm được chỉ ra và yếu tố phi nhiệt góp phần vào việc tăng cường sự bất hoạt PME PME trong nước bưởi xử lý nhiệt Ohm bị bất hoạt nhanh

iii

hơn so với xử lý nhiệt thông thường Tuy nhiên, xử lý nhiệt Ohm trong khoảng tần số 50 - 20.000 Hz tại cường độ điện trường 30 V/cm, không ảnh hưởng đến sự bất hoạt PME trong nước ép bưởi (p> 0,05) Đối với các hợp chất hóa học: thực hiện gia nhiệt Ohm tại tần số 50 - 20.000 Hz ảnh hưởng đến sự phân hủy axít ascorbic (p<0,05) nhưng không tác động đến hàm lượng axít citric, polyphenol tổng, naringin, limonin khi gia nhiệt từ 20 đến 80 oC và giữ nhiệt trong 10 s (p > 0,05) Cường độ điện trường (20, 30 và 40 V/cm) ảnh hưởng đến hàm lượng axít ascorbic, polyphenol tổng, và hoạt tính chống oxy hóa, chúng bị giảm đáng kể ở cường độ điện trường thấp (20 V/cm) Sự phân hủy những hợp chất này trong nước ép tương tự ở cả hai phương thức xử lý: gia nhiệt Ohm (ở 30 V/cm và 60 Hz) và gia nhiệt thông thường Điều này có nghĩa là yếu tố phi nhiệt không ảnh hưởng đến sự phân hủy của các hợp chất hóa học trong quá trình gia nhiệt Ohm nếu nước ép bưởi được thanh trùng ở các thông số phù hợp Như vậy, trong gia nhiệt Ohm, yếu tố phi nhiệt tăng cường bất hoạt VSV và enzyme nhưng không phá hủy các hợp chất hóa học trong nước ép bưởi (khảo sát tại 60 Hz, 30 V/cm), , dẫn đến giảm thiểu tác động bất lợi của quá trình thanh trùng đối với sản phẩm nước quả chế biến Do đó, gia nhiệt Ohm có thể được đề xuất như một phương pháp thanh trùng nước ép bưởi hiệu quả

iv

ABSTRACT

Pomelo (Citrus maxima) juice contains high content of nutrients and bioactive compounds

Unfortunately, it can be contaminated with pathogenic microorganisms, spoilage microorganisms and changed in delamination, and turbidity by pectin methylesterases (PME) Ohm heating (OH) is an advanced heating method that pasteurizes/sterilizes fruit juice to inactivate the growth of microorganisms and enzyme while minimizing changes in nutritional and organoleptic qualities of the juice The efficiency of OH depends on the system parameters and the characteristics of the specific food products Therefore, each different kind of food will have different changes in chemical, physical, sensory, or microbiological properties when subjected to OH This study examined the impact of OH on the quality of pomelo juice, including: 1) studying the effect of frequency, electric field strength, and temperature parameters of OH on microorganisms in pomelo juice, 2) studying the effect of frequency and temperature parameters of OH on enzymes in pomelo juice, and 3) studying the effect of frequency and electric field strength of OH on bioactive compounds

in pomelo juice As a result, the inactivation rates of Salmonella Enteritidis (S Enteritidis), Escherichia coli O157:H7 (E coli O157:H7) and Lactobacillus plantarum (L plantarum) in

pomelo juice were higher when subjected to OH as compared to conventional heating (CH)

(p <0.05) The inactivating parameters of D, z of the bacteria were estimated The influence of alternating current frequency and electric field strength on the inactivation of S Enteritidis, E coli O157:H7 in pomelo juice were also investigated Results showed that

alternating current frequency from 50 to 20,000 Hz at electric field strengths of 20 and 30

V/cm had a statistically significant effect on the inactivation of S Enteritidis, E coli

O157:H7 The frequencies of highest bacteria inactivation were 60 and ≥ 500 Hz and the

higher electric field strength, the greater the bacteria inactivation efficiency Meanwhile, L plantarum was most effectively inactivated at 60 Hz, followed by 50 Hz, and in the frequency

range ≥ 500 Hz (p < 0.05) In addition, bacterial cell morphology and membrane were observed by TEM imaging and evaluated through PI absorbance, to further clarify the effect of OH The results demonstrated that the electric field of OH had an additional effect on microbial destruction For enzymes, frequency range of 50 – 20,000 Hz and an electric field strength of 30 V/cm in OH did not influence the inactivation of PME in pomelo juice (p >

v

0.05) In addition, the inactivation kinetics of PME and the impact of nonthermal factor were given The nonthermal factor has contributed to the inactivation enhancement of PME For chemical compounds, frequency range of 50 – 20.000 Hz significantly influenced the degradation of acid ascorbic, but insignificantly influenced citric acid, total phenolic content, antioxidant activity, naringin, and limonin in pomelo juice when OH temperature ranged from 20 to 80 oC and remaining time was 10 s (p > 0,05) The electric field strength (20, 30 and 40 V/cm) affects the decomposition of chemical compounds Ascorbic acid, total polyphenols content, and antioxidant activity were significantly reduced at low electric field strength (20 V/cm) The degradation of these compounds in the juice at the same temperature was similar in both treatments: OH (at 30 V/cm and 60 Hz) and CH This means that the nonthermal factor did not affect the degradation of these compounds during OH if the juice was heated at those approximate parameters OH increased the inactivation of bacteria and enzymes in pomelo juice, but did not destroy the chemical compounds of the juice (surveyed at 60 Hz, 30 V/cm), thereby, minimized the negative effects of pasteurization on processed juice products OH can be recommended as an effective method of pasteurization for pomelo juice

vi

LỜI CÁM ƠN

Trong quá trình thực hiện đề tài: “Ứng dụng kỹ thuật gia nhiệt Ohm để thanh trùng nước ép bưởi”, tôi đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của nhà trường, các Thầy, Cô hướng dẫn, các cơ quan, đơn vị, đồng nghiệp, bạn bè, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo sau đại học, khoa kỹ thuật hóa học, bộ môn Công nghệ thực phẩm, các đơn vị của Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh và Ban lãnh đạo, đồng nghiệp của tôi tại trường Đại học Công Nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi thực hiện luận án trong những năm qua Tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Lại Quốc Đạt và PGS TS Lê Thị Kim Phụng đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện nghiên cứu và hoàn thành luận án này Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè trong và ngoài cơ quan, và nhất là người thân trong gia đình luôn hết lòng động viên, khích lệ và giúp đỡ cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án

Chân thành cảm ơn Đoàn Như Khuê

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 5

2.1 Đặc tính hóa, sinh của nước ép bưởi 5

2.1.1Thành phần hóa lý trong nước ép bưởi 5

2.1.2Vi sinh vật trong nước ép bưởi 8

2.1.3Enzyme gây hư hỏng nước ép bưởi 9

2.2 Đặc tính của nước ép bưởi Năm Roi 11

2.3 Gia nhiệt Ohm 11

2.3.1 Nguyên lý 12

2.3.2 Cấu hình cơ bản của hệ thống gia nhiệt Ohm 13

2.3.3 Ưu và nhược điểm của phương pháp gia nhiệt Ohm 14

2.3.4 Phản ứng điện hóa và ăn mòn điện cực trong gia nhiệt Ohm 15

2.3.5 Biến đổi thành phần vi sinh vật trong nước ép quả sau gia nhiệt Ohm và cơ chế bất hoạt 17

viii

2.3.5.1 Biến đổi thành phần vi sinh trong nước ép quả sau gia nhiệt 17

2.3.5.2 Các yếu tố gây bất hoạt vi sinh vật trong quá trình gia nhiệt Ohm 20

2.3.6 Biến đổi pectin methylesterase có trong nước ép quả sau khi xử lý nhiệt Ohm 222.3.7 Sự biến đổi của các tính chất hóa lý và thành phần hóa học trong quá trình gia nhiệt Ohm nước trái cây 24

2.3.8 Biến đổi cảm quan 32

2.4 Nội dung nghiên cứu 35

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 37

3.1 Nguyên liệu và hóa chất 37

3.1.1Nguyên liệu 37

3.1.2 Hóa chất 37

3.2 Chủng vi khuẩn và điều kiện nuôi cấy 38

3.2.1Đối với vi sinh vật gây bệnh: S Enteritidis và E coli O157:H7 38

3.2.2Đối với vi sinh vật gây hư hỏng L plantarum 38

3.3 Thiết bị gia nhiệt 39

3.3.1Thiết bị gia nhiệt Ohm 39

3.3.2Gia nhiệt thông thường (để khảo sát ảnh hưởng của yếu tố phi nhiệt) 40

3.4 Thiết kế thí nghiệm 40

3.5 Nội dung thí nghiệm 41

3.5.1 Ảnh hưởng của gia nhiệt Ohm đến sự bất hoạt S Enteritidis 42

3.5.2 Ảnh hưởng của gia nhiệt Ohm đến sự bất hoạt E coli O157: H7 45

3.5.3 Ảnh hưởng của gia nhiệt đến sự bất hoạt L plantarum 46

3.5.4Ảnh hưởng của gia nhiệt Ohm đến sự bất hoạt pectin methylesterase 47

3.5.5 Ảnh hưởng của gia nhiệt Ohm đến hàm lượng các hợp chất hóa học đặc trưng trong nước ép bưởi 48

3.6 Các phương pháp phân tích 49

3.6.1Định lượng vi sinh vật 49

3.6.3Xác định các thông số động học bất hoạt vi sinh vật 50

3.6.4Xác định hoạt tính pectin methylesterase 51

3.6.5 Xác định tổng chất rắn hòa tan, pH, axít tổng, độ dẫn điện 52

3.6.6Xác định hàm lượng axít ascorbic 52

3.6.7 Xác định hàm lượng axít citric 52

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 55

4.1 Ảnh hưởng của gia nhiệt Ohm đến sự bất hoạt S Enteritidis 55

4.1.1Ảnh hưởng của tần số dòng điện xoay chiều đến sự bất hoạt S Enteritidis 55

4.1.2Ảnh hưởng của cường độ điện trường đến sự bất hoạt của S Enteritidis 56

4.1.3Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự bất hoạt S Enteritidis 59

4.1.4Các thông số động học S Enteritidis trong xử lý nhiệt Ohm và thông thường

60

4.1.5Xác định các thay đổi cấu trúc tế bào S Enteritidis 62

4.2 Ảnh hưởng của gia nhiệt Ohm đến sự bất hoạt E coli O157:H7 63

4.2.1Ảnh hưởng của tần số dòng điện xoay chiều đến sự bất hoạt E coli O157: H7

63

4.2.2Ảnh hưởng của cường độ điện trường đến sự bất hoạt của E coli O157: H7 65

4.2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự bất hoạt E coli O157:H7 67

4.2.4 Các thông số động học của E coli O157:H7 trong gia nhiệt Ohm và gia nhiệt thông thường 68

4.2.5Xác định các thay đổi cấu trúc tế bào E coli O157: H7 70

4.3 Ảnh hưởng của gia nhiệt Ohm đến sự bất hoạt L plantarum trong nước ép bưởi

71

4.3.1Ảnh hưởng của tần số dòng điện xoay chiều đến sự bất hoạt của L plantarum

71

4.3.2Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự bất hoạt L plantarum 72

4.4 Ảnh hưởng điều kiện xử lý nhiệt Ohm đến sự bất hoạt của pectin methylesterase

x

4.5 Ảnh hưởng của gia nhiệt Ohm đến sự biến đổi hàm lượng các hợp chất hóa học

đặc trưng trong nước ép bưởi 80

4.5.1Tốc độ gia nhiệt nước bưởi với gia nhiệt Ohm 80

4.5.2 Ảnh hưởng của tần số đến hàm lượng các hoạt chất sinh học trong nước ép bưởi 82

4.5.3Ảnh hưởng của cường độ điện trường đến hàm lượng các chất có hoạt chất sinh học trong nước bưởi 87

4.5.4 Ảnh hưởng phi nhiệt của gia nhiệt Ohm đến hàm lượng các chất có hoạt chất sinh học trong nước bưởi 90

4.5.5 Ảnh hưởng của tần số đến sự ăn mòn điện cực 92

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 94

5.1 Kết luận 94

5.2 Kiến nghị 95

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 96

TÀI LIỆU THAM KHẢO 97

PHỤ LỤC 115

xi

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 2 1 Cắt gốc methyl của pectin bởi pectin methylesterase 11

Hình 2 2 Sự hình thành calcium pectate 11

Hình 2 3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động thiết bị gia nhiệt Ohm 13

Hình 2 4 Mô hình thiết bị gia nhiệt Ohm 14

Hình 2 5 Bộ phận gia nhiệt Ohm 14

Hình 2 6 Đề xuất cơ chế phi nhiệt ảnh hưởng đến sự bất hoạt vi sinh vật 22

Hình 3 1 Thiết bị gia nhiệt Ohm 39

Hình 3 2 Qui trình xác định ảnh hưởng của tần số đến vi sinh vật 43

Hình 3 3 Qui trình xác định ảnh hưởng của nhiệt độ đến vi sinh vật 44

Hình 4 3 Hình ảnh chụp TEM tế bào S Enteritidis 62

Hình 4 4 Hấp thu PI và giảm mật độ VSV sau xử lý nhiệt Ohm và thông thường tại 60 °C trong 20 s đối với S Enteritidis trong BPW 62

Hình 4 5 Mật độ E coli O157:H7 trong nước ép bưởi và trong BPW xử lý nhiệt Ohm tại các tần số khác nhau 64

Hình 4 6 Mật độ E coli O157:H7 trong nước ép bưởi và BPW sau khi xử lý nhiệt Ohm và thông thường 69

Hình 4 7 Hình ảnh chụp TEM tế bào E coli O157: H7 70

Hình 4 8 Độ hấp thu PI và giảm mật độ E coli O157:H7 trong BPW sau nhiệt Ohm và thông thường tại 65 °C trong 30 s 70

Hình 4 9 Ảnh hưởng của tần số đến L plantarum trong nước ép bưởi và trong PBS 72

Hình 4 10 Mật độ L plantarum trong nước ép bưởi sau xử lý nhiệt Ohm và thông thường 73

Hình 4 11 Bất hoạt pectin methyesterase trong nước ép bưởi được gia nhiệt đến 70 oC và duy trì ở nhiệt độ này trong 30 s tại các tần số khác nhau 75

Hình 4 12 Đường cong gia nhiệt nước ép bưởi bằng kỹ thuật nhiệt Ohm và thông thường tại 60 Hz, 30 V/cm 77

Hình 4 13 Hoạt tính pectin methyesterase trong nước ép bưởi sau khi xử lý nhiệt Ohm và thông thường 77

xii

Hình 4 14 Ảnh hưởng của tần số dòng điện xoay chiều đến tốc độ gia nhiệt nước ép bưởi 81

Hình 4 15 Ảnh hưởng của cường độ dòng điện đến tốc độ gia nhiệt Ohm nước ép bưởi 81

xiii

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Hiệu quả bất hoạt vi sinh vật trong nước trái cây được xử lý nhiệt Ohm và so sánh với gia nhiệt thông thường 18 Bảng 2 2 Hiệu quả bất hoạt pectin methylesterase trong nước trái cây bằng gia nhiệt Ohm so với gia nhiệt thông thường 22 Bảng 2 3 Ảnh hưởng của xử lý nhiệt thông thường và Ohm đến axít ascorbic 26 Bảng 2 4 Ảnh hưởng của xử lý nhiệt Ohm và xử lý nhiệt thông thường đến hợp chất polyphenol tổng 29 Bảng 2 5 Ảnh hưởng của xử lý nhiệt thông thường và xử lý nhiệt Ohm đến chất lượng cảm quan nước ép 33 Bảng 4 1 Mật độ S Enteritidis trong nước ép bưởi và BPW khi xử lý nhiệt Ohm tại các tần số và cường độ điện trường 58 Bảng 4 2 Giá trị k, E, D và z của S Enteritidis trong xử lý nhiệt Ohm và xử lý nhiệt thông thường 58 Bảng 4 3 Mật độ E coli O157:H7 trong nước bưởi và BPW khi xử lý nhiệt Ohm ở các mức tần số và cường độ điện trường 66 Bảng 4 4 Giá trị k, E, D và z của E coli O157:H7 khi xử lý nhiệt Ohm và xử lý nhiệt thông

thường 66

Bảng 4 5 Giá trị D, z, k, E của L plantarum trong nước ép bưởi xử lý nhiệt Ohm và xử lý nhiệt

thông thường 74 Bảng 4.6 Thông số gia nhiệt Ohm bất hoạt hiệu quả vi sinh vật và enzyme trong nước ép bưởi…79 Bảng 4 7 Ảnh hưởng của tần số đến sự biến đổi hàm lượng các hợp chất hóa học trong nước ép bưởi xử lý nhiệt Ohm 84 Bảng 4 8 Ảnh hưởng của cường độ điện trường đến hàm lượng các hợp chất có hoạt tính sinh học trong nước ép bưởi 89 Bảng 4 9 Đánh giá ảnh hưởng phi nhiệt của điện suốt quá trình OH đến hàm lượng các hợp chất sinh học trong nước ép bưởi 91 Bảng 4 10 Ảnh hưởng của tần số đến sự ăn mòn điện cực Titanium 92

xiv

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

A axítoterrestris Alicyclobacillus axítoterrestris

AA Ascorbic Acid AC Alternating Current

ATCC American Type Culture Collection

B cheniformis Bacillus cheniformis B coagulans Bacillus coagulans

B licheniformis Bacillus licheniformis B subtilis Bacillus subtilis

BPW Buffer peptone water CA Citric Acid

CH Conventional heating

DPPH 2,2-Diphenyl-1-picrylhydrazyl

E coli O157: H7: Escherichia coli O157: H7

EMB Eosin Methylene Blue

FDA Food and Drug Administration

G stearothermophilus Geobacillus stearothermophilus

HTST High temperature short time

L acidophilus Lactobacillus acidophilus L monocytogenes Listeria monocytogenes L plantarum Lactobacillus plantarum

MRPs Maillard reaction products MRS de Man, Rogosa & Sharpe OH Ohmic heating

PBS Phosphate buffer salt

S Enteritidis Salmonella enterica serovar Enteritidis S flexneri PTCC Shigella flexneri PTCC

S serevisiae Saccharomyces serevisiae

S Typhimurium Salmonella enterica serovar Typhimurium

TA Total acid

TSS Total solube solid

TEM Transmission Electron Microscopic TPC Total phenolic content

TSA Tryptic Soy Agar TSB Tryptic Soy Broth TSS Total solude solid VSV Vi sinh vật

XLD Xylose lysine deoxycholate

2

có những biến đổi khác nhau về thành phần hóa lý hay vi sinh khi chịu tác động của OH Nước ép bưởi, được biết đến như một loại nước ép có lợi cho sức khỏe, chứa hàm lượng cao các thành phần dinh dưỡng, các hợp chất có hoạt tính sinh học Tuy nhiên, đã có

những vụ ngộ độc xảy ra do sử dụng nước ép trái cây mà tác nhân gây ngộ độc là E coli và Salmonella Theo FDA, E coli và Salmonella cần được kiểm soát trong sản phẩm

nước ép trái cây Để đảm bảo an toàn sinh học cho người tiêu dùng nước trái cây, cơ quan FDA đề xuất các nhà chế biến phải xử lý để đạt mức giảm tối thiểu 5 log đối với loại VSV gây bệnh có tính kháng cao nhất Bên cạnh nhóm VSV gây bệnh, nước ép trái

cây họ có múi bị hư hỏng bởi VSV chịu acid Trong đó, Lactobacillus và Leuconostoc

là đối tượng gây hư hỏng chính Nhóm vi khuẩn lactic này có khả năng kháng nhiệt và chịu được axít cao Chúng không gây ngộ độc thực phẩm nhưng lại gây hư hỏng, khiến cho nước trái cây lên men và tạo ra hương bơ Ngoài VSV, PME cũng tác động xấu đến chất lượng nước quả họ có múi, làm thay đổi trạng thái, cấu trúc nước quả

Hiện vẫn chưa có tác giả nào nghiên cứu ảnh hưởng của kỹ thuật OH đến chất lượng nước ép bưởi Do đó, để đảm bảo an toàn vi sinh nhưng vẫn duy trì được chất lượng nước ép bưởi chế biến, chúng tôi thực hiện luận án:” Ứng dụng kỹ thuật gia nhiệt Ohm để thanh trùng nước ép bưởi”

1.2 Mục tiêu

Mục tiêu của luận án nhằm nghiên cứu và đánh giá khả năng ứng dụng kỹ thuật gia nhiệt Ohm để thanh trùng nước ép bưởi Cụ thể là trong nghiên cứu này xác định được ảnh hưởng của tần số, cường độ điện trường và nhiệt độ trong OH đến VSV, enzyme và các hợp chất hóa học trong quá trình thanh trùng nước ép bưởi Đồng thời, xác định được các thông số động học bất hoạt VSV đặc trưng trong nước ép bưởi Kết quả thu được trong nghiên cứu này nhằm cung cấp dữ liệu, làm tiền để triển khai ứng dụng

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.3.1 Đối tượng

Đối tượng của nghiên cứu này là phương pháp OH được dùng để thanh trùng nước ép bưởi

3

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu

Để có thể triển khai ứng dụng, các nội dung sau được thực hiện như (1) xác định vấn đề, (2) xác định các yếu tố ảnh hưởng, (3) xác định mô hình, (4) thiết kế chế độ thanh trùng, (5) thực hiện thanh trùng, (6) đánh giá hiệu quả Để hoàn thiện qui trình trên cần có yêu cầu đầu vào cụ thể như công suất, công thức nước ép… Trong luận án này, ảnh hưởng của tần số, cường độ điện trường, nhiệt độ trong OH đến hiệu quả của quá trình thanh trùng nước ép bưởi được khảo sát và đánh giá ở qui mô phòng thí nghiệm với phạm vi sau:

- Nguyên liệu bưởi được sử dụng là giống bưởi Năm Roi (Bình Minh, Vĩnh Long)

- Những tác nhân cần kiểm soát trong nước ép bưởi thanh trùng (pH<4,6) là vi

sinh vật gây bệnh (E coli O157: H7 và S Enteritidis), vi sinh vật gây hư hỏng (L plantarum) và enzyme (PME) gây hư hỏng nước ép

- Xác định điều kiện gia nhiệt OH phù hợp để hạn chế được sự tổn thất các hợp chất hóa học có hoạt tính sinh học trong nước ép bưởi như axít ascorbic, axít citric, polyphenol tổng, narringin, limonin, hoạt tính chống oxy hóa

- Xác định các thông số động học bất hoạt những vi sinh vật đích

Kết quả thu được trong luận án này là dữ liệu đầu vào để tiến hành thiết kế điều kiện thanh trùng, thực hiện thanh trùng và đánh giá hiệu quả thanh trùng trong các bước triển khai nghiên cứu, ứng dụng tiếp theo

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

1.4.1 Ý nghĩa khoa học

Nghiên cứu phương pháp gia nhiệt Ohm để thanh trùng/tiệt trùng nước ép bưởi đã xác

định được: Điện trường trong gia nhiệt Ohm có tác động gia tăng tỷ lệ bất hoạt S Enteritidis, E coli O157:H7, L plantarum, PME Hiệu quả bất hoạt VSV và sự phân

hủy các hợp chất hóa học đặc trưng trong nước ép bưởi thanh trùng Ohm chịu ảnh hưởng bởi tần số, cường độ dòng điện áp dụng Các thông số bất hoạt (D, z, k, E) của

E coli O157:H7, S Enteritidis, L plantarum trong nước ép bưởi cũng đã được xác

định, làm cơ sở cho các nghiên cứu và triển khai ứng dụng tiếp theo

để duy trì chất lượng nước ép bưởi thanh trùng

5

Cây có múi là nhóm cây ăn quả có diện tích, sản lượng lớn nhất trong sản xuất cây ăn

quả nước ta diện tích, sản lượng cây có múi trong cả nước liên tục tăng trong những năm

gần đây, với tốc độ tăng trưởng cao Tính đến năm 2019, diện tích trồng tăng bình quân 10%/năm (tương ứng 7,3 nghìn ha/năm), sản lượng tăng 12,5%/năm ( tương ứng 69,4 nghìn tấn/năm) Tổng diện tích cây có múi cả nước đến hết năm 2019 đạt 256,86 nghìn ha, chiếm 24,07% tổng diện tích cây ăn quả; Tổng sản lượng quả có múi đạt hơn 2,46 triệu tấn Trong đó, bưởi và cam có diện tích lớn nhất (khoảng 38%) so với các loại quả có múi khác Quả có múi nói chung và bưởi nói riêng, hiện nay chủ yếu được tiêu thụ dưới dạng quả tươi tại thị trường nội địa Gần đây giá các loại trái cây có múi như cam, bưởi bắt đầu giảm dần do nguồn cung ra thị trường ngày càng lớn (Theo Cục trồng trọt – 11/12) Do đó, nhằm thúc đẩy phát triển sản xuất cây có múi nói chung và bưởi nói riêng cần phát triển công nghệ chế biến để gia tăng giá trị cho quả bưởi, giải quyết các vấn đề tiêu thụ sản phẩm và tăng giá trị kinh tế cho người trồng và người sản xuất

2.1 Đặc tính hóa, sinh của nước ép bưởi

Bưởi có tên khoa học là Citrus grandis, được trồng rộng rãi ở Trung Quốc, Thái Lan,

Việt Nam, Mã Lai… Ở nước ta, nhóm cây ăn quả có múi nói chung, bưởi nói riêng được coi là một trong những loại cây ăn quả chủ lực với nhiều giống bưởi nổi tiếng như bưởi Đoan Hùng, bưởi Phúc Trạch, bưởi Năm Roi, bưởi Diễn, bưởi Tân Triều, bưởi Da Xanh

Bưởi cung cấp chất xơ, vitamin C, nhiều vi chất dinh dưỡng bao gồm folate, thiamin, niacin, vitamin B6, riboflavin, axít pantothenic, kali, calcium, phospho, magie, đồng và các chất phytochemical như flavonoid, carotenoids…[6],[7] Các chất có hoạt tính sinh học trong bưởi có tác dụng tăng cường sức khỏe, giảm nguy cơ mắc các bệnh mãn tính và lão hóa [6],[7]

2.1.1 Thành phần hóa lý trong nước ép bưởi

2.1.1.1 Đường và axít hữu cơ

Tổng chất rắn hòa tan (TSS), hàm lượng axít (TA), độ chín (TSS/TA) là các thông số

6

chất lượng quan trọng ảnh hưởng đến thị hiếu của người tiêu dùng và chất lượng cảm quan Nishad và cộng sự xác định thành phần 16 giống bưởi và đã công bố TSS của bưởi dao động từ 8,27-12,12 °Brix TA trong bưởi dao động từ 0,48-0,96% Nước ép bưởi chứa bốn axít hữu cơ chính bao gồm: axít citric, axít malic, axít succinic và axít ascorbic Trong đó, axít citric là axít chính, chiếm hàm lượng lớn, dao động từ 5,92-11,71 g/L Axít malic chiếm ưu thế thứ hai và dao động từ 0,47-1,47 g/L, tiếp theo là axít ascorbic (0,06-0,43 g/L) và axít succinic (0,125-0,38 g/L) [8],[9] Axít hữu cơ không chỉ ảnh hưởng đến hương vị nước quả mà còn ảnh hưởng đến điều kiện chế biến và bảo quản Đường tổng trong các giống bưởi dao động từ 49,96-102,76 g/L Trong đó, sucrose được xác định là thành phần chính, chiếm 71-80% tổng lượng đường Hai loại đường khác gồm glucose và fructose, có hàm lượng nhỏ (5-20%) và tỷ lệ giữa hai loại đường này gần như bằng nhau [8] Tỉ số TSS/TA cho thấy độ chín của quả, quyết định hương vị và cấu trúc của các loại trái cây Giống bưởi có tỷ lệ TSS/TA cao (> 10) là giống bưởi có chất lượng cảm quan phù hợp để chế biến nước ép Đường và axít hữu cơ còn ức chế và che vị đắng bằng cách tăng ngưỡng cảm nhận hai chất đắng limonin và naringin có trong nước ép bưởi [10]

2.1.1.2 Hợp chất phenolic trong nước ép bưởi

Hợp chất phenolic là một nhóm phức tạp của các chất chuyển hóa thứ cấp trong trái cây Cấu trúc hóa học gồm một nhóm hydroxyl liên kết với một vòng thơm

Phenolics chứa hàm lượng lớn trong nước bưởi Ấn Độ, dao động từ 22,18-48,0 mg GAE/100 mL [7] Kết quả này tương tự như công bố của Cheong và cộng sự [8] Tuy nhiên, phenolics trong nước ép bưởi của Nigeria có hàm lượng thấp hơn (10 mg GAE/ 100 mL) [11] Trong đó, naringin là thành phần có hàm lượng lớn nhất (8,94–41,94 mg/100mL) trong hợp chất phenolic [7] Những thành phần khác của hợp chất phenolics trong nước ép bưởi như caffeic, benzoic axít narirutin (0,19 mg/100mL), epicatechin (0,04–0,29 mg/100mL), neoeriocitrin (0,046–0,112 mg/100mL) và hesperidin, chỉ có trong một số giống bưởi (0,070 – 0,22 mg/100mL) [7] Zhang và cộng sự khảo sát thành

phần của 4 giống bưởi “Grandis” ở Trung Quốc như C grandis ‘Shatianyu’, C grandis ‘Guanximiyu’, C grandis ‘Yuhuanyu’, và C grandis ‘Cuixiangtianyu’ [12] Tác giả

7

này cũng kết luận naringin là thành phần chủ yếu của hợp chất phenolics có trong các giống bưởi

2.1.1.3 Hoạt tính chống oxy hóa

Chất chống oxy hóa quét gốc tự do, giúp người sử dụng ngăn ngừa một số căn bệnh như viêm khớp, tiểu đường và ung thư [6],[7] Gardner và cộng sự đã xác định được axít ascorbic chiếm từ 65 đến 100 % hoạt tính chống oxy hóa trong nước ép bưởi [13] Đồng thời, giữa hợp chất phenolic và hoạt tính chống oxy hóa có mối quan hệ tuyến tính (R2= 0,8), cho phép kết luận phenolics cũng là yếu tố ảnh hưởng lớn đến hoạt tính chống oxy hóa Như vậy, trong nước ép bưởi, axít ascorbic, naringin (thuộc nhóm phenolics) là những hợp chất đóng góp chính cho hoạt tính chống oxy hóa Ngoài ra, các chất chống oxy hóa như các hợp chất carotenoids và hợp chất flavonoid khác, cũng có thể có hiệu quả chống oxy hóa Do đó, giữa các giống bưởi khác nhau có sự khác nhau về hoạt tính chống oxy hóa, có thể là do thành phần hóa học khác nhau hoặc do liên kết cộng hưởng hoặc đối kháng giữa những hợp chất phenolic khác nhau [14]

2.1.1.4 Chất gây đắng

Nước ép bưởi chứa nhiều hợp chất có hoạt tính sinh học tốt cho sức khỏe, một vài chất trong số chúng là những chất gây đắng, gia tăng trong quá trình chế biến làm giảm chất lượng cảm quan của sản phẩm Trong đó, limonin và naringin được cho là hai thành phần chính gây ra vị đắng

Naringin là flavanone có hàm lượng lớn nhất và là thành phần gây đắng chủ yếu trong nước bưởi [15] Ngưỡng cảm nhận vị đắng của naringin trong nước ép bưởi khoảng 20 mg/L [16]

Limonin, dẫn xuất triterpene của nhóm limonoid, là chất gây đắng chính trong nước cam, có thể có mặt một lượng nhỏ trong một số giống bưởi Tuy nhiên, chất đắng gây ra do limonin được gọi là "chất đắng muộn", gia tăng trong quá trình bảo quản và xử lý nhiệt, làm giảm chất lượng nước ép chế biến Limonin được phát hiện bởi vị giác ở hàm lượng thấp, khoảng 6 - 8 mg/L Limonin là chất đắng được tổng hợp từ chất không đắng limonoate A -ring lactone (LARL), sau khi tiếp xúc với môi trường axít (xảy ra ở công

2.1.2 Vi sinh vật trong nước ép bưởi

đích, được kiểm soát chặt chẽ trong ngành công nghiệp chế biến nước trái cây họ có múi [19] Để đảm bảo an toàn sinh học cho người tiêu dùng nước trái cây, cơ quan FDA đã yêu cầu các nhà chế biến phải có chế độ xử lý để đạt mức giảm tối thiểu 5 log đối với loại VSV gây bệnh có tính kháng cao nhất [18]…

Nhiễm E coli O157:H7 gây hiện tượng tan huyết, tăng ure [20] E coli O157:H7

có thể sống và phát triển được trong điều kiện hiếu khí và kỵ khí, chịu được axít của dạ

dày hoặc trong các thực phẩm có tính axít [19] Nhiệt độ tăng trưởng của E coli O157:H7 phụ thuộc vào môi trường cấy pH tối thiểu cho sự phát triển của E.coli là 4,0-4,5 [21] E coli O157:H7 là VSV gây bệnh chịu axít có tính chịu nhiệt cao FDA khuyến

cáo rằng nếu không xác định được VSV gây bệnh đích có trong sản phẩm nước trái cây

có tính axít (pH ≤ 4,6) thì E coli O157: H7 nên được sử dụng làm VSV đích, cần được

kiểm soát [18]

Các triệu chứng nhiễm khuẩn Salmonella là tiêu chảy, đau bụng, sốt nhẹ và ớn lạnh [22] Khoảng 5% bệnh nhân nhiễm Salmonella bị nhiễm trùng máu, dẫn đến suy giảm miễn dịch nghiêm trọng, thậm chí tử vong [23] Salmonella có thể tồn tại trong điều kiện axít

(pH từ 3,5 đến 4,0), đặc biệt, có thể được coi là "VSV đích" cho các sản phẩm nước ép họ có múi [18], [24]

9

Các VSV gây bệnh E.coli, Salmonella không phát triển trong nước trái cây có pH thấp

nhưng có thể sống sót và thích nghi với điều kiện môi trường này [25]

2.1.2.2 Vi sinh vật gây hư hỏng

Bên cạnh nhóm VSV gây bệnh, nước ép trái cây họ có múi bị hư hỏng bởi VSV chịu axít, nhiễm vào trong quá trình chế biến Phân lập nước quả họ có múi lên men thu được

204 chủng vi sinh, thuộc 5 chi gây hư hỏng nước quả chưa thanh trùng là Lactobacillus, Leuconostoc, Aerobacter, Xanthomonas và Achromobacter [26] Trong đó, Lactobacillus và Leuconostoc là đối tượng gây hư hỏng chính được phân lập [27] Nhóm

vi khuẩn lactic này có khả năng kháng nhiệt và chịu được axít cao Chúng không gây ngộ độc thực phẩm nhưng lại gây hư hỏng, khiến cho nước trái cây bị lên men và có hương bơ do sản sinh ra diacetyl [28] Chế độ xử lý cần thiết để tiêu diệt hoàn toàn

Lactobacillus plantarum và Leuconostoc mesenteroides trong nước ép cam thanh trùng

được xác định là 12 s tại 74 oC [27] Với điều kiện xử lý này, coliform, nấm men, nấm mốc nhiễm vào nước quả cũng bị tiêu diệt [27] Tính kháng nhiệt của vi khuẩn lactic cao hơn những VSV khác (men, mốc), cũng phù hợp với công bố của nhiều nghiên cứu

[29], [28] Do đó, chế độ tiêu diệt hoàn toàn vi khuẩn Lactobacillus plantarum và Leuconostoc mesenteroides cũng đảm bảo vô trùng nước quả

2.1.3 Enzyme gây hư hỏng nước ép bưởi

Pectin methylesterase (PME) là enzyme được tìm thấy trong mô thực vật, một số loại nấm và vi khuẩn PME là đối tượng gây hư hỏng nước ép bưởi, có tính kháng nhiệt cao hơn VSV Sự có mặt của PME tác động xấu đến chất lượng nước quả họ có múi, làm thay đổi trạng thái, cấu trúc nước quả PME cắt nhóm methyl (-CH3) khỏi pectin, làm tăng số lượng nhóm carboxyl (COO-) tự do, tạo thành axít pectinic hoặc axít pectic và methanol [30] Các nhóm carboxyl (COO-) này kết hợp với các ion khoáng hóa trị hai có sẵn trong nước ép bưởi hình thành gel, gây ra sự tách lớp nước quả [30]

10

Hình 2.1 Cắt gốc methyl của pectin bởi pectin methylesterase [31]

Hình 2.2 Sự hình thành calcium pectate [31]

Như vậy, E.coli O157:H7, Salmonella spp là hai VSV gây bệnh, Lactobacillus spp là

VSV gây hư hỏng, và PME là enzyme gây hư hỏng nước ép bưởi cần được kiểm soát để đảm bảo an toàn vi sinh cho người sử dụng và kéo dài hạn sử dụng nước ép bưởi Thanh trùng/tiệt trùng bằng nhiệt là một trong những kỹ thuật phổ biến nhất được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp thực phẩm, để ức chế sự phát triển của VSV, PME trong nước ép bưởi [32][33] Tuy nhiên, những kỹ thuật này có hạn chế, đó là làm phá hủy chất dinh dưỡng và ảnh hưởng xấu đến các đặc tính cảm quan của nước ép [34][35] Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra bên cạnh nhiệt độ, thời gian gia nhiệt là thông số chính tác động đến sự phân hủy các chất dinh dưỡng, màu sắc và mùi vị của nước ép trái cây Vì vậy, cần thiết phải có một kỹ thuật thanh trùng/tiệt trùng tiên tiến thay thế phương thức cũ để hạn chế những tác động của nhiệt độ

11

2.2 Đặc tính của nước ép bưởi Năm Roi

Việt Nam có nhiều giống bưởi nổi tiếng như bưởi Năm Roi, bưởi Tân Triều, bưởi da xanh, bưởi Diễn…Một số đặc điểm nổi bậc về bưởi được trồng ở Việt Nam như sau: - Bưởi năm roi nhanh cho thu hoạch, sau 2,5 năm trồng cây đã có thể ra hoa đậu quả Bưởi Năm Roi nhiều nước, nước ép bưởi có mùi hương khá đậm, màu vàng sáng, vị chua ngọt hài hòa (TSS/TA >17 (mg/100 g), ít đắng, hàm lượng vitamin C cao, được mô tả chi tiết như sau:

+ Về mặt cảm quan: Bưởi Năm Roi có hình quả lê, núm thấp, khi chín màu xanh vàng đến vàng, vỏ mỏng, dễ bóc Trọng lượng trung bình của bưởi từ 1-1,4 kg, ruột đặc, tỷ lệ ăn được là 55 – 60 %, múi đều, dễ tách, có mùi thơm đậm đà, và đặc biệt là rất ít hạt hoặc không có hạt

+ Về mặt chất lượng: Bưởi Năm Roi có vị ngọt thanh, hơi chua nhẹ, không đắng, không the Hàm lượng nước trung bình 89 % (cao nhất 90,41 %, thấp nhất 88,13 %), hàm lượng chất khô trung bình 10,58 % (cao nhất 11,87 %, thấp nhất 9,59 %), hàm lượng đường tổng số trung bình 6,88 % (cao nhất 7,91 %, thấp nhất 5,8 %), hàm lượng chất rắn hòa tan (độ Brix) trung bình 10,23 % (cao nhất 10,82 %, thấp nhất 9,67 %), hàm lượng axít trung bình 0,48 % (cao nhất 0,63 %, thấp nhất 0,32 %), hàm lượng

vitamin C trung bình 55,54 mg/100g (cao nhất 67,86 mg, thấp nhất 49,16 mg) (Chỉ dẫn địa lý số 00036, Quyết định số 2064/QĐ-SHTT, Cục SHTT, 2013)

Trong các giống bưởi của Việt Nam, bưởi Năm Roi nhiều nước, nước ép bưởi có màu sắc vàng sáng, mùi hương khá đậm, vị chua ngọt hài hòa (TSS/TA >17), ít đắng, hàm

lượng vitamin C cao rất phù hợp để chế biến nước ép quả

2.3 Gia nhiệt Ohm

Thanh trùng/tiệt trùng bằng nhiệt được ứng dụng phổ biến hiện nay là các phương pháp gia nhiệt gián tiếp theo phương thức gia nhiệt trong bao bì, hoặc ngoài bao bì (sử dụng các bộ trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống, bản mỏng…) Phương pháp này truyền nhiệt cho thực phẩm theo cơ chế dẫn nhiệt và đối lưu có tốc độ truyền nhiệt chậm vì độ dẫn nhiệt của thực phẩm thấp Do đó, để nhiệt độ tại tâm khối thực phẩm đạt được nhiệt độ cần thiết đã gây ra sự quá nhiệt cho lớp ngoài Trong hầu hết các trường hợp, chế độ xử lý nhiệt để đạt được sự an toàn và ổn định lâu dài về VSV lại làm thực phẩm bị biến đổi

12

tính chất lý, hóa, cảm quan như mất các hợp chất có hoạt tính sinh học nhạy nhiệt, biến đổi cấu trúc, màu sắc và hương vị Để khắc phục nhược điểm trên, gia nhiệt Ohm (OH) được đánh giá là phương pháp gia nhiệt có triển vọng Phương pháp OH được gọi là phương pháp gia nhiệt thể tích, là quá trình gia nhiệt HTST (thời gian ngắn, nhiệt độ cao), hạn chế những biến đổi tính chất hóa lý và cảm quan của thực phẩm [36]

2.3.1 Nguyên lý

Gia nhiệt Ohm (OH), còn gọi là gia nhiệt Joule, là một quá trình sinh nhiệt khi cho một dòng điện xoay chiều đi qua khối thực phẩm, trong đó thực phẩm đóng vai trò như một điện trở, cản trở dòng điện nên điện năng chuyển thành nhiệt năng bên trong khối thực phẩm [37], do đó cần sự tiếp xúc trực tiếp giữa các điện cực và dòng thực phẩm Nguyên tắc của OH được trình bày như Hình 2.3 Suốt quá trình OH, điện thế dòng điện xoay chiều được áp vào 2 đầu điện cực Nhiệt sinh ra bằng bình phương cường độ điện trường áp dụng và độ dẫn điện của thực phẩm 𝑄 = σ ∗ 𝐸2, trong đó σ là độ dẫn điện và

E là cường độ điện trường [38]

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý phương pháp gia nhiệt Ohm

Kỹ thuật OH đã được phát triển và ứng dụng vào thế kỷ thứ 19 và nửa đầu thế kỷ 20 (Getchell, 1935) Đối với thực phẩm lỏng hoặc rắn – lỏng, OH đã được ứng dụng ở qui mô công nghiệp trên phạm vi sáu bang của nước Mỹ [39] Sau đó, công nghệ này đã biến mất do không có vật liệu làm điện cực trơ và khó khăn trong kiểm soát các thông số vận hành [37] Trong vòng hai thập kỷ qua, ngành công nghệ vật liệu đã có những

13

bước tiến, phát triển được vật liệu chống ăn mòn, đồng thời đã phát triển kỹ thuật kiểm soát tốt các thông số hệ thống của thiết bị OH Hiệp hội ngành điện của Vương quốc Anh đã cấp phép giải pháp công nghệ và bằng sáng chế cho tập đoàn APV Baker về thiết bị OH [40] Do đó, nhóm công nghệ này đã thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học và phát triển ứng dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm

2.3.2 Cấu hình cơ bản của hệ thống gia nhiệt Ohm

Nguồn Lee và cộng sự [5]

Hình 2.4 Mô hình nguyên lý hoạt động thiết bị gia nhiệt Ohm

Hình 2.5 Bộ phận gia nhiệt Ohm (a-gián đoạn; b, c, d-liên tục)

14

Hệ thống thiết bị OH điển hình bao gồm: bộ phận chứa mẫu, hai điện cực, cảm biến nhiệt, thiết bị điều chỉnh tần số, thiết bị điều chỉnh cường độ điện trường, máy tính Bộ phận chứa mẫu thường được làm bằng thủy tinh hoặc teflon có tính trơ, cách điện (Hình 2.4) Mẫu được đặt giữa hai điện cực và luôn phải tiếp xúc với điện cực Dòng điện đi qua bộ phận OH được điều chỉnh tần số nhờ thiết bị phát xung và điều chỉnh cường độ điện trường nhờ thiết bị khuếch đại cường độ điện trường Nhiệt sinh ra trong mẫu thực phẩm được ghi nhận bằng thiết bị cảm biến nhiệt, đặt tại tâm của bộ phận chứa mẫu, sau đó được chuyển về máy tính để xử lý kết quả OH gồm phương thức gia nhiệt gián đoạn hoặc liên tục (Hình 2.5)

2.3.3 Ưu và nhược điểm của phương pháp gia nhiệt Ohm

2.3.3.1 Ưu điểm

Gia nhiệt Ohm (OH) là một phương pháp gia nhiệt trực tiếp, cung cấp nhiệt nhanh và đồng nhất cho khối thực phẩm [1] Do đó, không xảy ra sự quá nhiệt giữa lớp bề mặt và tâm khối thực phẩm Sản phẩm sau xử lý nhiệt bằng phương pháp OH sẽ ít xuất hiện những biến đổi về dinh dưỡng, cảm quan [41] và hạn chế sự tổn thất năng lượng (tiết kiệm được 82 đến 97 % năng lượng) so với gia nhiệt truyền thống [4] Ngoài ra, bộ thiết bị OH không có bề mặt truyền nhiệt nóng nên không làm cháy sản phẩm, không phân hủy những thành phần nhạy nhiệt [42] Phương pháp OH có hiệu quả sử dụng năng lượng cao, không gây ô nhiễm môi trường [42] Kĩ thuật OH hứa hẹn là một kĩ thuật gia nhiệt tiềm năng ứng dụng để bảo quản, chế biến thực phẩm

2.3.3.2 Nhược điểm

Bên cạnh những ưu điểm như trên, phương pháp OH cũng có một số hạn chế Lượng nhiệt tạo ra trong quá trình OH liên quan trực tiếp đến độ dẫn điện của thực phẩm [43] Do đó, OH không phù hợp để ứng dụng cho thực phẩm có chứa thành phần không phân cực như chất béo và thực phẩm có độ ẩm thấp [44] Ngoài ra, mỗi loại thực phẩm có độ dẫn điện khác nhau, tức là tốc độ gia nhiệt khác nhau, cần phải khảo sát lại trên từng đối tượng nghiên cứu

Tác động của OH đến thực phẩm là tác động kép của điện và nhiệt Bên cạnh tác động nhiệt, các phản ứng điện hóa tiềm ẩn ở bề mặt tiếp xúc giữa các điện cực và thực phẩm

15

cũng như những ảnh hưởng phi nhiệt của điện trường cũng có thể xảy ra [45], tùy thuộc vào điều kiện của quá trình Cần khảo sát và kiểm soát chặt chẽ các thông số để ngăn ngừa những hiệu ứng không mong muốn, đồng thời nâng cao hiệu quả quá trình xử lý

2.3.4 Phản ứng điện hóa và ăn mòn điện cực trong gia nhiệt Ohm

Stirling (1987) báo cáo có phản ứng điện hóa xảy ra trong quá trình OH Các hiệu ứng điện hóa giảm dần khi tăng tần số dòng điện [46] Sử dụng điện cực titanium và titanium mạ platin để OH cũng hạn chế được các phản ứng điện hóa khi gia nhiệt ở tần số thấp (50 Hz, 60 Hz) [47]

- Ăn mòn điện cực

Trong suốt quá trình OH luôn có sự tiếp xúc trực tiếp giữa các điện cực và thực phẩm Tính chất điện tử tại bề mặt điện cực sẽ thay đổi khi đặt vào điện cực cường độ điện trường khác nhau thông qua nguồn điện bên ngoài Điện tử từ điện cực giải phóng ra là nguyên nhân chính cho sự ăn mòn bề mặt điện cực

Thiết bị gia nhiệt OH có cấu trúc như một pin điện hóa Tại điện cực xảy ra quá trình oxy hóa (điện cực nhận electron), được gọi là “cực dương (anode)” và tại điện cực xảy ra quá trình khử (điện cực cho electron) được gọi là “cực âm (cathode)” [48] Những vị trí trên bề mặt điện cực xảy ra phản ứng oxy hóa khử hình thành các lỗ thủng Trong quá trình xử lý OH, điện cực bị ăn mòn khi sử dụng AC tần số thấp (<=100 Hz), theo phương trình phản ứng hóa học sau:

M (rắn)  Mn+ (lỏng) + ne- (trong đó n = 1, 2, 3…)

Một số thành phần thực phẩm có bản chất polyhydroxyl, là điều kiện cho các ion kim loại bị giữ lại trong cấu trúc hoặc tạo thành các phức hợp với các nhóm chức khác có trong thực phẩm Các phức kim loại này thường có màu sắc đặc trưng, và do đó, chúng có thể làm thay đổi màu sắc và tính chất hóa học của thực phẩm Một số ion kim loại chuyển tiếp có tác động xúc tác đối với một vài phản ứng xảy ra trong thực phẩm và có thể tạo điều kiện cho quá trình oxy hóa xảy ra nhanh hơn Vì vậy, sự ăn mòn điện cực có thể có ảnh hưởng đến hương vị và chất lượng tổng thể của thực phẩm [48] Nghiêm trọng hơn, các phân tử sinh học tự nhiên có mặt ở dạng vô hại trong thực phẩm có thể

16

chuyển thành các chất độc hại/ chất gây ung thư/ thay đổi mùi vị hoặc biến đổi màu sắc thực phẩm chế biến thông qua các phản ứng oxy hóa khử điện hóa sau khi chúng kết hợp với các phần tử giải phóng từ điện cực [46]

- Hiện tượng điện phân nước:

Quá trình OH ở tần số thấp gây ra sự điện phân nước tạo ra khí H2 và O2 tại các bề mặt điện cực/dung dịch Các phản ứng tại anode, cathode và phản ứng điện phân tổng quát như sau:

Phản ứng tại anode (phản ứng oxy hóa): 2H2O(liq)  O2(g) + 4H+(aq) + 4e-

Phản ứng tại cathode (phản ứng khử): 4H+(aq) + 2e- H2(g)

2H2O(liq) + 2e-  H2(g) + 2OH(aq) Phản ứng điện phân tổng quát: 2H2O(liq)  2H2(g) + O2(g)

-Trong quá trình gia nhiệt, phản ứng xảy ra được biểu hiện bằng sự giải phóng các chất khí và thay đổi màu sắc của các điện cực do ăn mòn Sự ăn mòn điện cực khi xử lý OH xuất hiện dưới dạng một màng mỏng màu nâu nhạt và "bong bóng khí” do mật độ dòng điện cục bộ cao hoặc do các sản phẩm phụ sinh ra từ các phản ứng oxy hóa khử (ví dụ khí H2 hoặc O2) [49] Tùy thuộc vào vật liệu điện cực được sử dụng, trên bề mặt điện cực xảy ra các phản ứng điện hóa với tốc độ nhanh/chậm hoặc không xảy ra Do đó, để tránh hoặc ức chế các phản ứng điện hóa phải chọn các vật liệu làm điện cực thích hợp Vật liệu được sử dụng để làm điện cực phải có các tính chất sau: (i) chống ăn mòn cao, (ii) độ dẫn điện cao, (iii) kháng axít, (iv) dẫn nhiệt tốt, (v) bền cơ học, (vi) dễ chế tạo và sửa chữa, (vii) chi phí thấp và có sẵn Trong đó, khả năng chống ăn mòn là yêu cầu quan trọng nhất trong chế biến thực phẩm bởi vì phần lớn thực phẩm giàu ẩm và có các thành phần hóa học phức tạp Việc lựa chọn điện cực phụ thuộc vào bản chất của thực phẩm [48] Có nhiều loại vật liệu được sử dụng để làm điện cực như cacbon, graphite, nhôm,

17

thép không gỉ, platinium, titanium, và các hợp kim của chúng Trong đó, thép không gỉ là loại điện cực phổ biến nhất được sử dụng trong hệ thống gia nhiệt OH so với những loại điện cực platin (tốn kém hơn), graphite (dễ bị ăn mòn) và điện cực titanium hoặc titanium mạ platinium là vật liệu chống ăn mòn tốt nhất [48] Titanium vừa có ưu điểm chống ăn mòn điện hóa tốt vừa có giá thành rẻ nên được sử dụng khá nhiều trong các nghiên cứu Nhờ tác động chống ăn mòn tốt mà nước ép trái cây được xử lý OH với điện cực bằng vật liệu titanium có chất lượng cao hơn so với xử lý OH bằng vật liệu khác [86]

2.3.5 Biến đổi thành phần vi sinh vật trong nước ép quả sau gia nhiệt Ohm và cơ chế bất hoạt

2.3.5.1 Biến đổi thành phần vi sinh trong nước ép quả sau gia nhiệt

Trước đây, một số tác giả cho rằng ảnh hưởng của OH và CH đến VSV là như nhau Họ

chỉ ra yếu tố bất hoạt VSV chính là nhiệt khi làm thí nghiệm bổ sung bào tử B subtilis

với mật độ ban đầu là 107 (CFU/mL) vào nước muối (hàm lượng 0,1%) tại các mức nhiệt độ từ 88 đến 99 °C trong 40 phút [50] Tuy nhiên, các nghiên cứu sau đó đã chứng minh yếu tố phi nhiệt có tác động gia tăng bất hoạt VSV và tác động đến chất lượng nước quả

(Bảng 2.1) Có thể thấy, VSV được phân tích gồm có men, mốc, vi khuẩn sinh bào tử,

vi khuẩn gây bệnh, nhiều nhất là E coli, theo sau là S Typhimurium và L monocytogenes, ba VSV này có khả năng gây bệnh ở mức độ cao trong thực tế [51]

Mặc dù, một số loại nước trái cây bị nhiễm bào tử ở mức không thể chấp nhận được, ngay cả sau khi thanh trùng Tuy nhiên, Rico-Munoz chỉ ra rằng thành phần thực phẩm ảnh hưởng đến sự tồn tại, phát triển và bất hoạt VSV [52] Trong đó, nước trái cây có tính axít (pH<4,6) là môi trường ức chế sự phát triển của bào tử [18]

Dựa vào đường cong động học biến đổi của VSV theo thời gian và nhiệt độ, một số tác

giả đã khảo sát ảnh hưởng của OH và so sánh với CH (Bảng 2.1) Hiệu quả bất hoạt

VSV được xác định thông qua thông số thời gian phá hủy thập phân (D) và nhiệt độ phá hủy thập phân (z) Kết quả các nghiên cứu chỉ ra OH có hiệu quả bất hoạt VSV cao hơn CH xét ở nhiệt độ thấp Tuy nhiên, khi ở nhiệt độ cao hiệu quả bất hoạt VSV ở hai phương pháp tương tự nhau và tùy thuộc loài VSV

- Giá trị D, z đối với tế bào sinh dưỡng

18

Hầu hết các nghiên cứu công bố giá trị D, z của VSV trong mẫu được xử lý OH thấp hơn được xử lý CH, tuy nhiên tùy vào nhiệt độ xử lý Trong nghiên cứu của Pereira và

cộng sự đã xác định được giá trị D của E coli O157:H7 được xác định trong khoảng

nhiệt độ khảo sát từ 60 đến 75 °C được xử lý bằng OH thấp hơn CH, trừ nhiệt độ 55 °C,

gần với nhiệt độ phát triển tối thích của E.coli O157:H7 [53] Nghiên cứu của Rodrigues và cộng sự chỉ ra tỷ lệ bất hoạt S aureus của OH cao hơn CH đối với tất cả các nhiệt độ

được khảo sát (57,5, 60,0, 62,5 và 65,1 °C), giá trị D giảm từ 15,06 phút còn 3,41 phút

tại 57,5 °C và từ 1,42 còn 0,53 phút ở 65,1 °C Tương tự, giá trị D của E coli giảm từ

14,46 còn 1,88 phút tại 57,5 °C Tuy nhiên, giá trị D của những VSV này không đổi với cả hai phương pháp xử lý lý OH và CH ở các nhiệt độ cao hơn [54] Mặt khác, Rodrigues và cộng sự xác định được giá trị z của hai VSV trên khác nhau đáng kể khi xử lý OH và

CH [54] Giá trị z của S aureus là 9,49 °C và 7,91 °C và của E coli là 10,13 °C và 4,88

°C khi lần lượt xử lý với CH, và OH [54]

- Giá trị D, z đối với bào tử

So sánh giá trị D của bào tử G stearothermophilus và B coagulans khi bổ sung vào

nước cà chua được xử lý CH và OH ở hai tần số khác nhau (60 Hz và 10 kHz) [55][56]

Ở 121 °C, xử lý mẫu chứa G stearothermophilus bằng OH tần số cao (10 kHz) bất hoạt

bào tử cao hơn so với OH tần số thấp (60 Hz) và cao hơn CH; ở 125 °C, cả hai tần số cho kết quả bất hoạt cao hơn CH và ở 130 °C, hiệu quả cả hai quá trình xử lý bào tử OH và CH bằng nhau về mặt thống kê [55] Mặt khác, ở nhiệt độ 95 và 100 °C, tần số thấp

cho thấy hiệu quả bất hoạt B coagulans cao hơn so với tần số cao và CH; ở 105 °C, OH

cho kết quả tốt hơn CH ở cả hai tần số và ở 110 °C, không có sự khác biệt đáng kể giữa

các tần số xử lý đến sự bất hoạt B coagulans theo OH [56] Trong cả hai nghiên cứu,

tại nhiệt độ cao nhất, giá trị D (thời gian phá hủy thập phân) bằng nhau về mặt thống kê

ở cả hai phương pháp xử lý Xu hướng tương tự chỉ ra: B licheniformis bị bất hoạt nhanh

hơn trong OH ở 70, 75 và 80 °C khi so sánh với CH Tuy nhiên, ở 90 °C, không có sự khác biệt nào được phát hiện, với giá trị D là 1,57 phút đối với CH và 1,19 phút đối với

OH (p> 0,05) [53] Hơn nữa, khảo sát sự bất hoạt của A axítoterrestris trong nước cam

và nhận thấy có sự khác biệt đáng kể giữa hai phương pháp gia nhiệt OH và CH [57]

19

Giá trị D thấp hơn thu được khi xử lý OH ở 30 V/cm là 58,48, 12,24 và 5,97 phút tương ứng ở 70, 80 và 90 °C so với CH là 83,33, 15,11 và 7,84 phút ở cùng nhiệt độ với OH Giá trị z của bào tử được đánh giá trong cả hai quá trình gia nhiệt CH và OH của một số nghiên cứu [53], [57], [55] Baysal & Icier chỉ ra không có sự khác biệt thống kê giữa các giá trị z trong OH và CH [57] Somavat và cộng sự xác định giá trị z đối với bào tử

G stearothermophilus trong sốt cà chua khi xử lý OH là 8,30 °C ở 10.000 Hz, 7,59 °C tại 60 Hz và với CH là 7,42 °C [55] Pereira và cộng sự nghiên cứu bào tử B cheniformis

trong mức mâm xôi, giá trị z lần lượt là 11,4 và 11,8 °C đối với CH và OH [53] Pereira và cộng sự đã khảo sát một số loài sinh dưỡng và bào tử và chứng minh các giá trị z khác nhau chỉ xảy ra đối với các loài sinh dưỡng [53]

Như vậy, trong một khoảng nhiệt độ xác định, giá trị D của VSV được xử lý OH thấp hơn CH VSV sinh dưỡng có thể có sự thay đổi giá trị z đáng kể khi xử lý OH, ngược lại, sự biến đổi giá trị z khi xử lý OH và CH đôí với bào tử là không đáng kể OH đã được chứng minh có hiệu quả cao hơn CH trong việc giảm mật độ VSV trong hầu hết các nhiệt độ được phân tích Tuy nhiên, sự khác biệt này có xu hướng giảm khi nhiệt độ tăng

Ngoài nhiệt độ, các kết quả nghiên cứu ở bảng trên cũng chỉ ra, cường độ dòng điện trong gia nhiệt Ohm càng lớn, hiệu quả bất hoạt VSV càng cao [53], [58], [60], [61] Trong khi đó, ảnh hưởng của tần số đến VSV còn phụ thuộc vào nền mẫu, nhiệt độ xử lý [55]

18

Bảng 2.1 Hiệu quả bất hoạt VSV trong nước trái cây được xử lý nhiệt Ohm và so sánh với gia nhiệt thông thường

lý CH

lượng nước quả

Nguồn

Vi khuẩn, Nấm men, nấm mốc

Nước cam 50 Hz;

90, 120, 150 oC; 1,13, 0,85, 0,68 s

Bể ổn nhiệt: 90 oC, 50 s

Bất hoạt hoàn toàn Vi khuẩn, nấm men, nấm mốc sau khi xử lý CH và OH

OH: hợp chất hương giữ lại cao hơn (so với CH), PME giảm 98 % và vitamin C giảm 15%, không có khác biệt về cảm quan giữa mẫu tươi và mẫu OH

[41]

E coli O157:H7, S Typhimurium L monocytogens

Nước cam 60 Hz, 25-40 V/cm Cường độ điện trường càng cao, hiệu

Nước ép cà chua

60 Hz, 25-40 V/cm Cường độ điện trường càng cao, hiệu quả bất hoạt càng lớn

E coli O157:H7 S Typhimurium L monocytogens L Monocytogenes

Nước ép táo 30 V/cm, 20 kHz, 60 s, 36 oBrix

60 V/cm, 20 kHz, 20 s, 48 oBrix

Giảm 5 log, 3 loại VSV trên sau OH L*, a*, và b* của nước ép xử lý tại 60 V/cm, 20 s, 48 oBrix tương tự như mẫu không xử lý

[59]

20, 40, 60 và 120 V/cm, 60 Hz,

Tốc độ trượt (454,6, 166,8 và 2879 s−1)

40 và 50 °C, cùng thể tích với OH

Hiệu quả bất hoạt của nghiệm thức xử lý kết hợp giữa cắt và MEF cao hơn so với từng phương pháp xử lý riêng (p <0,05)

Cường độ điện trường càng lớn hiệu quả bất hoạt VSV càng cao

Chế độ xử lý kết hợp giữa cắt va OH tại 50 °C không làm biến đổi pH, màu sắc, hoạt tính chống oxy hóa nước ép tươi

[60]

E coli, S aureus,

Tỷ lệ nước ép chanh:

2 phút; 99,4 °C, 150, 200, 250 V

90 °C; 15 phút

` Thời gian bất hoạt VSV: OH<CH: 20-30%

[61]

19

S Typhimurium, S dysenteriae, S flexneri PTCC

cam ngọt là 1:1 (pH 4,04 và 14,7 °Brix),

Cường độ điện trường càng lớn hiệu quả bất hoạt VSV càng cao

Gochujang

100 oC,

2,5 phút, 60 Hz, 30 V/cm,

100 oC, 8 phút Tế bào Bacillus: OH: 99,7 % ↓ CH: 81,9 % ↓

Hương, vị, màu sắc, cấu trúc:

OHKhông xử lý nhiệt OH> CH

[62]

Bào tử

Alicyclobacillus Axítoterrestris

Nước ép táo 100 oC,

30 s, 25 kHz, 26,7 V/cm,

100 oC, 30 s OH: Bất hoạt hoàn toàn bào tử CH: còn 2,0–3,6 log CFU/mL

Không thay đổi chất lượng (°Brix, color, and pH)

[63]

xôi

70, 75, 80, 85, 90 oC, 50 Hz, 20 V/cm - 54 V/cm

70, 75, 80, 85, 90 oC

DOH <DCH zOH: 11,1 oC zCH: 11,4 oC

60 Hz và 10 kHz

Cùng thời gian và nhiệt độ xử lý OH

DOH (121 oC) - 10 kHz: 0,88 phút DOH (121 oC) - 60 Hz: 1,17 phút DCH (121 oC): 2,53 phút;

DOH (125 oC) - 10 kHz: 0,43 phút DOH (125 oC) - 60 Hz: 0,34 phút DCH (125 oC): 0,64 phút

Giá trị D tại 130 oC của cả ba chế độ xử lý khác nhau không có ý nghĩa

[55]

E coli, S aureus

Thực phẩm ăn liền cho trẻ em

57,5, 60,0, 62,5, và 65,0 °C

30 V, 60 Hz

57,5, 60,0, 62,5, và 65,0 °C

- S aureus:

+OH: D: 3,41, 1,46, 0,96, 0,53 phút và z: 9,49 °C

+CH: D:15,06, 2,01, 1,65, 1,42 phút và z: 7,91 °C

- E coli

+OH: D: 1,88, 0,70, 0,41, 0,33 phút và z: 10,13 °C

+CH: D: 14,46, 0,72, 0,45, 0,33 phút và z: 4,88 °C

[54]

20

2.3.5.2 Các yếu tố gây bất hoạt vi sinh vật trong quá trình gia nhiệt Ohm

Tác động của nhiệt độ: Cơ chế chính bất hoạt VSV bởi OH là ảnh hưởng của nhiệt đến

sự phá hủy cấu trúc màng và enzym của VSV [64], không kể đến ảnh hưởng của dòng

điện [65] Nghiên cứu về sự bất hoạt nấm men S bailii và E coli trong dung dịch đệm

photphat (0,2 M, pH 7) bởi OH (60 Hz) và CH tại cùng nhiệt độ và thời gian xử lý Kết quả chỉ ra đối với nấm men, mặc dù giá trị D đối với OH là 274,02, 112,97, và 43,11 phút tương ứng tại 49,75, 52,30 và 55,75 oC thấp hơn so với CH trong bể nước ổn nhiệt là 294,62, 149,74 và 47,21 phút tương ứng 49,75, 52,30 và 55,75 oC ở tất cả các nhiệt độ khảo sát và giá trị z xử lý OH thấp hơn CH tương ứng 7,19 và 7,68 oC nhưng sự khác

biệt này không có ý nghĩa thống kê Đối với E coli được xử lý ở các mức nhiệt độ 60,

64,5, 68,5, 71 oC, kết quả chỉ ra tốc độ bất hoạt VSV này bởi OH và CH tương tự nhau

(không có sự khác biệt đáng kể giá trị D và giá trị z) [66] Nghiên cứu sự bất hoạt E coli O157: H7, S Typhimurium và L monocytogenes trong nước cam cũng chỉ ra rằng khi

ba mầm bệnh này tiếp xúc với OH (20 kHz, 25,6 V/cm) và CH (đun cách thủy) ở 50 oC trong 2 phút tại cùng pH, không quan sát thấy tác dụng gia tăng sự bất hoạt VSV của OH [67] Những kết quả này có nghĩa là VSV bị bất hoạt do nhiệt, không bị tác động của dòng điện Tuy nhiện, nhưng kết luận này không tương đồng với nhiều nghiên cứu khác

Tác động của các hợp chất hóa học Cơ chế bất hoạt VSV của OH chủ yếu do nhiệt,

và có thể có hiệu quả gia tăng do tác động của một số tác nhân hóa học, hình thành gốc tự do: oxy, hydro, clorua, hydroxyl, hydroperoxyl và các ion kim loại Một số nhà nghiên

cứu đã cho tế bào E coli tiếp xúc với dòng điện xoay chiều (50 Hz, 200 ± 20 mA/cm2,

5h) trong điều kiện hiếu khí E coli bị bất hoạt chủ yếu bởi độc tính của hydrogen

peroxide, hình thành trong dung dịch đệm phosphat (pH 7,0) [68], [69] Sự hình thành các chất độc như clorine tự do có thể góp phần làm bất hoạt VSV trong quá trình OH, các chất độc này có thể giảm ngay sau khi kết thúc quá trình xử lý OH và biến mất [70]

Hiện tượng Electroporation: Electroporation là quá trình trong đó điện trường có tác

dụng tăng tính thấm của màng tế bào, bất hoạt chủ yếu VSV sinh dưỡng (vegetative species) Quá trình bất hoạt do electroporation được giải thích như sau: VSV chứa các hợp chất nội bào tích điện, chẳng hạn như cation (ví dụ, K+ và Na+) và các protein tích

21

điện âm Khi có tác động của điện trường từ bên ngoài sẽ kích thích thế xuyên màng phospholipid, nhờ đó các hợp chất nội bào tích điện âm sẽ bị hút bởi điện tích dương bên ngoài, và ngược lại Sự thay đổi điện tích trong và ngoài màng tế bào làm thay đổi lực điện trường, từ đó làm thay đổi thế trong và ngoài màng tế bào Sự chênh lệch này tác động vào màng tế bào, làm cho màng tế bào biến dạng, tại một số vị trí của màng tế bào bị mỏng Khi lực điện trường lớn hơn giới hạn đàn hồi của màng VSV, màng bị thủng, tăng tính thấm, dẫn đến mất cân bằng áp suất thẩm thấu và tế bào bị tổn thương

Nghiên cứu của Yoon và cộng sự đã chứng thực lý thuyết này, họ chứng minh rằng

lượng chất nội bào tiết ra do S cerevisiae lớn hơn khi xử lý OH so với CH [71] Phân tích hình thái tế bào E.coli O157: H7 bằng kĩ thuật chụp TEM và nhuộm màu tế bào E.coli O157: H7 với thuốc nhuộm phát huỳnh quang PI (propidium iodide) để xác định

sự thủng/vỡ và tính thấm của màng tế bào VSV được xử lý ở 30 oC, 60 s [72] Kết quả cho thấy sự phân hủy cấu trúc (vách tế bào và màng cytoplasmic) và sự biến đổi nội chất bên trong tế bào xử lý CH ít hơn so với OH

Somavat et al (2012) đề xuất một cơ chế khác gây bất hoạt bào tử: quá trình tăng nhiệt sẽ gia tăng giải phóng các hợp chất ion (chẳng hạn như phức hợp canxi-axít ađipicolinic (Ca-DPA) từ nhân tế bào, là một trong những yếu tố chính ảnh hưởng đến khả năng chịu nhiệt của bào tử [55] Các tác giả đưa ra giả thuyết rằng sự tương tác của các hợp chất này với điện trường kích thích sự gia tăng độ dẫn điện của bào tử, làm cho chúng dễ bị ảnh hưởng của điện [55]

Wagner và cộng sự tổng hợp kết quả nhiều nghiên cứu và kết luận rằng, các tế bào vi khuẩn bị tác động của yếu tố phi nhiệt (electroporation) do OH xảy ra ở một khoảng nhiệt độ xác định, và tại nhiệt độ cao hơn chỉ có tác động của nhiệt [73] Do đó, tại nhiệt độ thấp, VSV bị bất hoạt là do tác động của nhiệt (biến tính protein) và phi nhiệt (electroporation), tại nhiệt độ cao, VSV bị bất hoạt chỉ do nhiệt (biến tính protein) [73]