Đề tài Ứng dụng tia cực tím trong thanh trùng không nhiệt Đối với thực phẩm dạng lỏng

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAMKHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM ---&---TIỂU LUẬN MÔN HỌC CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN THỰC PHẨM NÂNG CAO TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG TIA CỰC TÍM TRONG THANH TRÙNG KHÔNG NHIỆT ĐỐI V

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

-& -TIỂU LUẬN MÔN HỌC CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN THỰC PHẨM NÂNG CAO

TÊN ĐỀ TÀI:

ỨNG DỤNG TIA CỰC TÍM TRONG THANH TRÙNG KHÔNG NHIỆT

ĐỐI VỚI THỰC PHẨM DẠNG LỎNG

Giảng viên hướng dẫn : PGS.TS Trần Thị Lan Hương

Học viên thực hiện : Bùi Thúy Ngọc – 31284014

Tăng Nam Phương –

Học kỳ : II

Năm học : 2023 - 2024

Hà Nội – Tháng 06/2024

Mục lục

Mở đầu

Quá trình xử lý nhiệt trước đây là một trong những phương pháp được sử dụng phổ biến nhất trên thế giới để ngăn ngừa các bệnh do thực phẩm gây ra và đảm bảo an toàn thực phẩm thông qua việc vô hiệu hóa các enzyme gây hư hỏng và tiêu diệt các vi sinh vật gây bệnh và gây hư hỏng trong thực phẩm Cường độ xử lý nhiệt phụ thuộc và sự kết hợp giữa nhiệt độ và thời gian xử lý Mặc dù xử lý nhiệt ở cường độ cao giúp đem lại hiệu quả bảo quản tối ưu cho thực phẩm, nhưng có thể gây ra những kết quả không mong muốn về mặt cảm quan và làm giảm chất lượng dinh dưỡng của sản phẩm Do đó, một số sản phẩm thực phẩm khi được xử lý nhiệt ở cường độ cao có thể an toàn về mặt vi sinh vật nhưng chất lượng dinh dưỡng lại bị suy giảm, đặc biệt là các vitamin không bền với nhiệt (ví dụ vitamin A, C và thiamin) hoặc làm biến tính và giảm khả năng tiêu hóa của một số protein Các phương pháp mới trong chế biến thực phẩm đang được nghiên cứu

để giải quyết tình trạng suy giảm giá trị dinh dưỡng do bảo quản bằng chế độ xử lý nhiệt

độ cao Các phương pháp chế biến không dùng nhiệt đã được sử dụng, trong đó, chiếu xạ tia cực tím đem lại những kết quả tốt trong việc bảo quản sản phẩm đồng thời duy trì hàm lượng chất dinh dưỡng và chất lượng cảm quan của sản phẩm Tia cực tím hứa hẹn là giải pháp thay thế cho quá trình thanh trùng bằng nhiệt truyền thống đối với thực phẩm dạng lỏng, bao gồm nước trái cây, nước ngọt và các loại đồ uống giải khát khác Trong bài tiểu luận này, nhóm học viên sẽ cung cấp những nội dung tổng quan về khái niệm, phân loại,

cơ chế tác động của tia cực tím đến thực phẩm, những thông tin liên quan đến việc ứng dụng tia cực tím trong công nghệ thực phẩm; cuối cùng là hiện trạng và xu hướng tương lai khi ứng dụng tia cực tím trong ngành thực phẩm – đồ uống (nước ép trái cây, bia, rượu, nước ngọt, mật hoa)

I Giới thiệu chung

1.1 Khái niệm

Tia cực tím (UV – Ultraviolet) là một dạng bức xạ không ion hóa, một phần của phổ điện từ có bước sóng từ 200 – 400nm (Gayan và cs., 2012) Chiếu xạ bằng tia cực tím đã được Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA), Bộ Y tế Canada

và Liên minh Châu Âu (EU) phê duyệt tính an toàn và hiệu quả khi ứng dụng cho các sản

phẩm dạng lỏng, như nước trái cây và sữa (Bộ Y tế Canada, 2004; Quy định (EU) 2015/2283, 2015; FDA Hoa Kỳ, 2012)

1.2 Phân loại

Ánh sáng tia cực tím được chia thành ba loại chính dựa trên bước sóng của chúng:

- Tia UV-A (315 - 400nm): loại tia này có bước sóng dài nhất và năng lượng thấp nhất trong ba loại UV-A chiếm khoảng 95% tia cực tím trên bề mặt Trái Đất và ít gây hại nhất cho các vi sinh vật

- Tia UV-B (280 - 315nm): có bước sóng ngắn hơn và năng lượng cao hơn UV-A Tia UV-B có thể gây h ại cho DNA và được sử dụng trong một số quy trình diệt khuẩn Tuy nhiên, UV-B cũng có thể gây hại cho con người, gây ra các vấn đề về da và mắt nếu tiếp xúc lâu dài

- Tia UV-C (100 – 280nm): loại này có bước sóng ngắn nhất và năng lượng cao nhất, là loại tia hiệu quả nhất trong việc tiêu diệt vi sinh vật UV-C được sử dụng rộng rãi trong công nghệ khử trùng và bảo quản thực phẩm, vì nó có khả năng phá hủy DNA của

vi sinh vật, ngăn chặn chúng sinh sản và phát triển (Bolton và Cotton, 2011)

1.3 Cấu tạo

Hệ thống chiếu tia cực tím (UV) trong ngành chế biến thực phẩm bao gồm các bộ phận chính sau:

- Nguồn phát tia UV:

Nhiều nguồn tia UV đã được sử dụng trong các hệ thống khử trùng bằng tia cực tím bao gồm ánh sáng xung (Pulsed Light), đèn kích thích, đèn thủy ngân áp suất thấp (Low-pressure Mercury), đèn thủy ngân áp suất trung bình (Medium-pressure Mercury),

… (Koca và cs., 2018) Loại đèn phổ biến nhất trong hệ thống chiếu UV dùng trong thực phẩm là đèn UV-C Loại đèn này thường sử dụng đèn thủy ngân áp suất thấp LPM, phát

ra tia UV ở bước sóng khoảng 254nm, là bước sóng lý tưởng để bất hoạt vi sinh vật Ngoài ra, đèn LED UV-C cũng được sử dụng để xử lý nước trái cây và đồ uống trong lò phản ứng liên tục Đèn LED UV-C là công nghệ mới hơn, mang lại hiệu suất cao hơn và tuổi thọ dài hơn so với đèn thủy ngân

- Buồng chiếu tia UV:

+ Buồng chiếu kín: được thiết kế để ngăn chặn tia UV thoát ra ngoài, bảo vệ người

sử dụng khỏi tia UV có hại Buồng này có thể được làm từ thép không gỉ hoặc vật liệu khác dễ vệ sinh

+ Bề mặt phản xạ: bên trong buồng chiếu thường được phủ lớp phản xạ như nhôm hoặc thép không gỉ để tối ưu hóa sự phân bố của tia UV, đảm bảo chiếu xạ đều lên

bề mặt thực phẩm

+ Băng chuyền: thực phẩm có thể được đặt trên kệ hoặc băng chuyền để đảm bảo mọi bề mặt của thực phẩm được tiếp xúc với tia UV

- Hệ thống quạt và lọc khí:

+ Hệ thống quạt đảm bảo không khí trong buồng chiếu được lưu thông tốt, giúp loại bỏ nhiệt độ dư thừa và duy trì điều kiện môi trường lý tưởng cho quá trình khử trùng

+ Hệ thống lọc khí giúp loại bỏ bụi bẩn và các vi sinh vật trong không khí trước khi chúng tiếp xúc với thực phẩm

- Bộ điều khiển và cảm biến:

+ Bộ điều khiển tự động: hệ thống điều khiển tự động cho phép người sử dụng điều chỉnh cường độ, thời gian chiếu xạ và các thông số khác một cách chính xác

+ Cảm biến cường độ UV: giúp giám sát và đảm bảo mức cường độ UV luôn ổn định và đủ mạnh để khử trùng hiệu quả

+ Cảm biến nhiệt độ: đảm bảo nhiệt độ trong buồng chiếu không quá cao, bảo vệ chất lượng của thực phẩm và thiết bị

2 Ứng dụng của tia UV trong công nghệ thực phẩm

2.2 Ứng dụng tia UV-C trong thanh trùng không nhiệt đối với thực phẩm dạng lỏng

2.2.1 Cơ chế tác động

Tia UV có tác dụng diệt khuẩn rộng, bất hoạt hầu hết các vi sinh vật gây bệnh và gây hư hỏng, bao gồm cả vi khuẩn, nấm men và nấm mốc (Bintsis và cs., 2000) Vì axit nucleic của vi sinh vật hấp thụ tia UV từ vừng bước sóng ngắn (200 – 280nm), đặc biệt là

ở 253,7nm, UV-C được cho là có tác dụng diệt khuẩn mạnh nhất (Kouthcma, 2009) Các

photon UV-C được hấp thụ bởi các nucleotide trong DNA của vi sinh vật, gây ra sự dịch chuyển vật lý của các electron, phá vỡ một số liên kết và dẫn đến sự hình thành các sản phẩm quang liên kết cộng hóa trị, như các dimer pyrimidine – là liên kết giữa các cặp thymine và cytosine pyrimidine liền kề trên cùng một sợi (Baysal, 2018) Những sản phẩm này, đặc biệt là cyclobutyl-pyrimidine (CPD), ức chế quá trình phiên mã và sao chép DNA, cuối cùng dẫn đến đột biến và chế tế bào (Guerrero-Beltrán và BarbosaCánovas, 2004; Koutchma, 2009)

Hình 2.1 Cơ chế ảnh hưởng của tia UV-C lên DNA của vi sinh vật Ảnh hưởng của tia UV đối với vi sinh vật không chỉ phụ thuộc vào bước sóng để bất hoạt chúng mà còn phụ thuộc vào đặc tính của mỗi loài Độ nhạy với tia UV của vi sinh vật cũng thay đổi đáng kể tùy theo cấu trúc thành tế bào, độ dày, thành phần, sự hiện diện của protein hấp thụ tia cực tím hoặc sự khác biệt trong cấu trúc của axit nucleic Nhìn chung khả năng chống bức xạ tia cực tím của vi sinh vật trong thực phẩm lỏng tuân

theo thứ tự: vi khuẩn Gram (-) < vi khuẩn Gram (+) < nấm men < bào tử vi khuẩn nấm mốc < virus (Shama, 1999)

2.2.2 Nguyên lý hoạt động

Kiểu dòng chảy trong buồng chiếu có tác động lớn đến liều UV-C cần thiết để vô hiệu hóa các vi sinh vật không mong muốn Có nhiều loại buồng phản ứng UV-C với các kiểu dòng chảy khác nhau Trong đó, 4 loại dòng chảy phổ biến là: dòng chảy Taylor-Couette, dòng chảy Dean-Vortex, dòng chảy tầng và dòng chảy hỗn loạn Tùy theo chế

độ dòng chảy khác nhau thì hệ thống buồng chiếu sẽ được thiết kế khác nhau để đạt được hiệu quả tối ưu các đặc tính của dòng chảy

a) Buồng chiếu dòng chảy tầng và dòng chảy hỗn loạn

Dòng chảy tầng là loại dòng chảy trong đó chất lỏng di chuyển trơn tru hoặc thông qua các đường dẫn theo một chiều chảy, trái ngược với dòng chảy hỗn loạn, nơi chất lỏng trải qua những biến động và trộn lẫn không ổn định

Hình 2.2a Dòng chảy tầng Hình 2.2b Dòng chảy hỗn loạn

Cơ chế dòng chảy hỗn loạn trộn chất lỏng một cách hiệu quả, cho phép phân bổ tia UV-C đồng đều hơn (Csapo và cs., (2019); Rossito và cs., (2012)) Các loại buồng phản

ứng UV-C có dòng chảy hỗn loạn khác nhau đã được phát triển tại nhiều quốc gia trên thế giới Trong buồng phản ứng hỗn loạn Aquionics UV-C (Hanovia, Slough, Vương Quốc Anh), chất lỏng đi qua một ngăn hình trụ làm bằng thép không gỉ, trong đó có 12 đèn áp suất thấp UV-C 42W được đặt song song trong ống thạch anh

Hình 1.1c Cấu tạo buồng chiếu UV-C dòng chảy hỗn loạn b) Buồng chiếu dòng chảy Taylor-Couette

Buồng chiếu dòng chảy Taylor-Couette được thiết kế gồm hai hình trụ đồng tâm: một stator bên ngoài (hình trụ cố định bên ngoài) và một roto bên trong (hình trụ quay bên trong) Thực phẩm dạng lỏng được bơm qua không gian hình khuyên giữa các xi lanh và được chiếu UV-C từ các đèn được bố trí xung quanh xi lanh bên ngoài Hình trụ bên trong quay tạo ra dòng chảy Taylor-Couette (Antonio-Gutiérrez O.T và cs., 2019)

Hình 2.2c Cấu tạo buồng chiếu UV-C dòng chảy Taylor-Couette

Các dòng xoáy tạo dòng chảy xoay quanh trục và giảm thiểu độ dày của ranh giới giữa chất lỏng và đèn UV, tạo cường độ bức xạ đồng đều và đạt được thời gian tiếp xúc tối ưu với tia cực tím cho thực phẩm Một số nghiên cứu đã chứng minh kiểu dòng chảy Taylor-Couette UV-C thích hợp để bảo quản nhiều loại nước ép, đặc biệt là những loại

có hệ số hấp thụ cao (Ye Z và cs, 2008)

c) Buồng chiếu UV-C dòng chảy Dean-Vortex

Chất lỏng đi qua ống ehtylene propylene (FEP) trong suốt có khả năng chống tia cực tím cao, được cuộn theo hình xoắn ốc xung quanh một hoặc nhiều đèn UV-C Hệ thống dòng chảy Dean bao gồm một modul được tạo thành từ lớp vỏ polytetrafluoroehtylene (PTFE) với một ống xoắn ốc được gắn chặt vào một ống trụ thủy tinh thạch anh chứa nguồn sáng UV-C (Gayán E và cs., 2014) Các dòng xoáy được hình thành do lực ly tâm tác dụng lên thể tích chất lỏng trong quá trình quay Điều này tạo ra

sự đảo trộn và sự đồng nhất cao về sự phân bố vận tốc và thời gian tiếp xúc của chất lỏng với ánh sáng tia cực tím

Hình 2.2d Cấu tạo buồng chiếu UV-C dòng chảy Dean-Vortex

3 Những hạn chế hiện tại và xu hướng tương lai của chế biến thực phẩm bằng tia UV-C

3.1 Hạn chế hiện tại

- Khả năng xuyên thấu kém: Các đặc tính quang học và hóa lý của thực phẩm dạng lỏng có thể gây cản trở sự tiếp xúc của vi khuẩn với nguồn tia cực tím, điều này làm giảm hiệu quả khử trùng của bức xạ UV-C Ví dụ, bức xạ UV-C dễ dàng xuyên qua chất lổng trong suốt, tuy nhiên, do ánh sáng UV-C có thể dễ dàng được hấp thụ bởi các nền

mờ đục nên khả năng xuyên thấu của nó trong các loại thực phẩm mờ đục khá hạn chế (Fan X và cs., 2017) Ngoài ra, màu sắc và độ nhớt của sản phẩm cũng như sự hiện diện của các chất hòa tan hữu cơ, chất rắn lơ lửng và sắc tố tự nhiên cũng hạn chế sự xâm nhập

của tia UV Vì vậy, cần phải nghiên cứu từng loại thực phẩm và đồ uống để có được thông tin về liều lượng UV-C tối ưu

- Tạo các hóa chất độc hại: Cần phải theo dõi chặt chẽ các đặc tính hóa lý của thực phẩm và đồ uống đã qua xử lý tia cực tím vì tia UV-C nếu sử dụng ở liều lượng cao có thể tạo ra các hóa chất độc hại (Roselló-Soto E và cs., 2018)

- Các loài vi sinh vật có thể có mức độ nhạy cảm và sức đề kháng khác nhau, điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu quả thâm nhập của tia UV-C Do đó, sẽ cần liều lượng ánh sáng UV-C cao hơn để bất hoạt các loài có khả năng kháng cự cao nhất Vì UV-C có độ sâu thâm nhập nông nên vi sinh vật cần phải tiếp xúc trực tiếp với nó mới bị bất hoạt Do

đó, khó khăn kỹ thuật lớn trong các ứng dụng UV-C thương mại là làm thế nào để đảm bảo rằng tất cả các bề mặt của sản phẩm đều được tiếp xúc đồng đều với bức xạ UV-C để cho phép phân phối liều đều đặn và tiếp xúc hoàn toàn với vi khuẩn (Yan R và cs., 2017)

Tuy nhiên, việc thay đổi tốc độ dòng chảy sẽ cải thiện hiệu quả của nó trong việc bất hoạt vi khuẩn Một biện pháp khác là sử dụng dòng chảy hỗn loạn để đảm bảo sự thành công của quá trình khử trùng chất lỏng (Koutchma T và cs., 2006)

3.2 Xu hướng tương lai

Gần đây, phương pháp xử lý bằng tia cực tím xung (Pulsed Ultraviolet) đã được nghiên cứu để khử trùng các loại thực phẩm lỏng PUV có một số lợi ích so với công

nghệ UV-C liên tục: chứa bức xạ diệt khuẩn UV-C (200–280 nm) và bao gồm cả dải bước sóng UV-B và UV-A (280–400 nm); nó có cường độ cao hơn và thời gian tiếp xúc ngắn hơn (Koutchma T., 2019) Đèn xenon là nguồn sáng phổ biến trong ứng dụng PUV,

có ưu điểm là không chứa thủy ngân, nhưng chi phí lắp đặt và bảo trì cao hạn chế việc sử dụng chúng trong xử lý PUV, tuy nhiên, điều này có thể được bù đắp bằng chi phí vận hành rẻ và độ bền lâu Do đó, bức xạ UV-C từ đèn xenon PUV mang lại giải pháp thay thế an toàn cho các công nghệ bảo quản thực phẩm UV-C truyền thống và cung cấp giải pháp cho việc phát ra năng lượng thấp của bức xạ UV-C thông qua việc phát ra ánh sáng cường độ rất cao so với đèn UV-C thông thường

Kết luận

Công nghệ UV-C là một quy trình thân thiện với môi trường, tiết kiệm năng lượng và tiết kiệm chi phí, có đặc tính diệt khuẩn đáng kể, có thể bất hoạt nhiều loại mầm bệnh vi sinh bao gồm vi khuẩn, nấm và vi rút để ngăn ngừa hiệu quả các bệnh do thực

phẩm và kéo dài thời hạn sử dụng của thực phẩm thông qua việc giảm số lượng bào tử vi sinh vật mà không ảnh hưởng đến chất lượng thực phẩm. Một số khó khăn và hạn chế liên quan đến kỹ thuật này vẫn còn bao gồm nhu cầu thiết kế lò phản ứng phù hợp, lựa chọn thông số xử lý phù hợp và các biện pháp phòng ngừa an toàn Ngoài ra, luật pháp và tiêu chuẩn quản lý các ứng dụng công nghệ UV-C trong ngành thực phẩm ở mỗi quốc gia đều khác nhau Do đó, cần nâng cao nhận thức của người tiêu dùng về công nghệ chế biến này, đồng thời tiến hành nghiên cứu thêm để tối ưu hóa quy trình và giảm thiểu mọi tác động tiêu cực đến độ an toàn, chất lượng cảm quan, đặc tính hóa lý và thuộc tính dinh dưỡng của thực phẩm

Tài liệu tham khảo