Nghiên cứu, ứng dụng công nghệ Modified Atmosphere Packaging (MAP) bảo quản nhãn tươi ở nhiệt độ thấp

Nghiên cứu, ứng dụng công nghệ Modified Atmosphere Packaging (MAP) bảo quản nhãn tươi ở nhiệt độ thấpThứ hai 03032014 15:40Tóm tắt:Bài báo trình bày phương pháp xây dựng mô hình dự đoán thời gian bảo quản các sản phẩm rau, củ quả mới nhất hiện nay dùng trong ngành bảo quản các sản phẩm sau thu hoạch trong và ngoài nước. Các kết quả nghiên cứu về chế độ bảo quản tối ưu nhãn tươi tại Hưng Yên nói riêng được trình bày trong công trình này

1 Đặt vấn đề

Nằm trong khu vực khí hậu nhiệt đới gió mùa, Việt Nam là một trong những nước có sản lượng rau quả đa dạng và phong phú Hàng năm nước ta thu về hàng trăm triệu USD từ việc xuất khẩu các mặt hàng nông sản Tuy nhiên, việc xuất khẩu vẫn có nhiều hạn chế, mà nguyên nhân chủ yếu là do tình trạng hư hỏng của rau quả sau thu hoạch rất cao, chiếm tới hơn 20% tổng sản lượng [1] Đây là một tổn thất đáng kể với người nông dân Trước nhu cầu bức thiết về công nghệ bảo quản sau thu hoạch, từ nhiều năm nay các nhà khoa học tâm huyết ở trong nước

đã không ngừng nỗ lực thực hiện nhiều công trình nghiên cứu, nhằm tìm ra cách thức bảo quản rau quả có hiệu quả và phù hợp với điều kiện khí hậu ở Việt Nam

Trong khi đó, trên thế giới đã có bước tiến lớn về bảo quản hoa quả tươi bằng môi trường khí điều chỉnh (Control Atmosphere – CA), môi trường khí điều biến (Modified Atmosphere – MA) Đây là những phương pháp bảo quản rau quả tươi tiên tiến nhằm giữ được chất lượng tự nhiên của rau quả, hạn chế sử dụng hóa chất trong quá trình bảo quản và đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm Thay vì cách tạo ra kho CA và MA đắt tiền, có phương pháp ứng dụng đơn giản, giá thành thấp hơn là sử dụng bao bì để tạo ra môi trường CA và MA theo yêu cầu mong muốn, phương pháp này được gọi là bao gói khí điều biến - MAP (Modified Atmosphere Packaging) [7]

Nghiên cứu, ứng dụng công nghệ Modified Atmosphere Packaging (MAP) bảo quản nhãn tươi ở nhiệt độ thấp

“Research and application of technology Modified Atmosphere Packaging (MAP) to preserve fresh longan at low temperatures”

Ths Nguyễn Tuấn Anh *

* Trường Đại học Sao Đỏ

Tóm tắt:

Bài báo trình bày phương pháp xây dựng

mô hình dự đoán thời gian bảo quản các sản phẩm rau, củ quả mới nhất hiện nay dùng trong ngành bảo quản các sản phẩm sau thu hoạch trong và ngoài nước Các kết quả nghiên cứu về chế độ bảo quản tối ưu nhãn tươi tại Hưng Yên nói riêng được trình bày trong công trình này.

Abstract:

This article presents a method to build models to predict the shelf life of vegetables, and fruits in most current use in preserving the harvest products at home and abroad

The results of studies on the optimal mode fresh longan stored in Hung Yen in particular

is presented in this work.

2 Giới thiệu về MAP

Bao gói khí điều biến là tạo ra môi trường mà trong đó tỷ lệ thành phần các khí N2, O2 và CO2 khác với không khí thường Phương pháp tạo ra MA trong môi

trường bảo quản bằng cách dùng một số bao bì để bao gói được gọi là bao gói khí

điều biến MAP [4]

MAP là dạng bao gói nhằm điều chỉnh thành phần khí xung quanh sản phẩm được bao gói để giảm cường độ hô hấp của sản phẩm và ức chế hoạt động của vi sinh vật Kết

quả là kéo dài thời gian bảo quản và duy trì đặc tính tự nhiên của sản phẩm Đây là phương

pháp bảo quản dựa trên nguyên lý tiềm sinh – Anabioza

MAP là sự tự sửa đổi thành phần khí xung quanh rau quả được dán kín trong túi bằng màng chất dẻo nhờ hô hấp và khuếch tán hoặc lựa chọn thành phần khí xung quanh rau

quả tươi trong bao bì chất dẻo dán kín sao cho rau quả vẫn hô hấp được

Môi trường khí bên trong bao gói được hình thành nhờ cường độ hô hấp của sản phẩm và khả năng thích hợp của màng bao gói Đó là một hàm số biểu diễn mối quan hệ

giữa các thông số như độ thấm khí, diện tích bề mặt tiếp xúc, khối lượng, nhiệt độ, độ dày,

nồng độ khí và hoạt độ nước….như sau

MAP = f(R, yCO2, yO2, aw, A, W, T, L, t….) Trong đó:

R : cường độ hô hấp, ml/kg.h W : khối lượng rau, quả, kg

yCO2: nồng độ khí CO2 yêu cầu, % T : nhiệt độ, 0C

yO2 : nồng độ khí O2 yêu cầu, % L : độ dày màng chất dẻo, µm

aw : hoạt độ nước t : thời gian, ngày

A : diện tích bề mặt màng chất dẻo, m2

MAP là một hệ thống động học, gồm hai quá trình chính đồng thời diễn ra là hô hấp và sự thấm khí của màng Màng bao gói phải cho phép O2 từ bên ngoài thấm

vào trong bao gói với tỷ lệ bằng chính lượng O2 do rau quả tiêu thụ Tương tự, khí

CO2 phải thấm ra bên ngoài bao gói đúng bằng lượng CO2 sinh ra, thành phần khí

luôn phải được thiết lập nhanh

Ưu điểm MAP là tăng đáng kể thời gian bảo quản do hạn chế được quá trình

hô hấp, trao đổi và chuyển hóa các chất do đó giảm tổn thất sau thu hoạch mà vẫn duy trì

được chất lượng thương phẩm và giá trị của sản phẩm mà không cần dùng đến bất cứ hóa

chất bảo quản nào Sản phẩm được bảo quản bằng MAP là sản phẩm “sạch” do không cần

dùng hóa chất bảo quản nên tuyệt đối an toàn cho sức khỏe người tiêu dùng và môi trường

xung quanh Giảm chu kỳ đưa sản phẩm, giảm thiểu phế phẩm, tốt cho chất lượng cảm

quan, tăng khoảng cách phân phối, sản xuất tập trung, dễ kiểm soát Bảo quản sản phẩm

bằng công nghệ MAP làm cho quá trình mềm hóa bị chậm lại, quả vẫn giữ được độ chắc,

cứng cần thiết, các sắc tố chllorophil giảm chậm, carotenoids và anthocian không tăng,

giảm sự tạo thành các hợp chất thơm nhưng khi ra ngoài không khí thì ảnh hưởng này bị

mất đi MAP đã trở thành phương pháp thông dụng đáp ứng được những đòi hỏi của công

nghệ bảo quản, vận chuyển và bán lẻ rau quả [6]

Nếu thời gian bảo quản rau quả ở 20 ÷ 250C là một đơn vị thì bảo quản bằng MAP tăng gấp đôi, bảo quản lạnh là gấp 3 và bảo quản lạnh kết hợp với MAP là gấp

4 Vì lẽ đó, trong thập kỷ qua sự phát triển có ý nghĩa quan trọng trong thị trường

rau quả tươi với MAP tại Anh, Mỹ, Pháp với trên 50 triệu gói MAP được bán ở châu

Âu năm 1988 và 250 triệu gói MAP năm 1990 [7] Ở nước ta, người sản xuất và tiêu

dùng vẫn thường xuyên sử dụng bao bì màng chất dẻo để bao gói rau quả tươi từ

(1)

khoảng trên một thập kỷ nay, nhưng sử dụng bao bì thiếu cơ sở khoa học dẫn đến chất lượng và thời gian bảo quản chưa cao như mong đợi

3 Thiết kế MAP

Mục đích của MAP là tạo ra môi trường khí có nồng độ O2 với CO2 tối ưu xung quanh rau quả tươi bằng bọc màng bao bì dạng chất dẻo có độ thấm khí O2

và CO2 phù hợp ở nhiệt độ xác định Có nghĩa là lựa chọn màng chất dẻo để bao gói bảo quản sản phẩm sao cho có độ thấm khí O2 và CO2 vừa đủ để tạo ra môi trường không khí bên trong màng bao gói có nồng độ O2 và CO2 theo yêu cầu đặt

ra cho từng loại rau quả ở từng nhiệt độ nhất định Độ thấm khí O2 và CO2 này xảy

ra một cách tự nhiên trong suốt quá trình bảo quản, không cần có sự can thiệp của con người Để thiết kế một hệ thống MAP cho bảo quản sản phẩm, cần thực hiện

4 bước [6]

Bước 1: Đánh giá tiêu chuẩn thiết kế như: nhiệt độ, thời gian

Bước 2: Xác định mức độ O2 và CO2 tối ưu trong bao gói

Bước 3: Xác định cường độ hô hấp phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất hoặc xác định theo các kết quả được công bố

Bước 4: Hệ thống MAP phải đảm bảo duy trì được điều kiện không khí tối ưu trong bao gói

Khi rau quả trong MAP thích hợp bằng dạng plastic film có tỉ lệ hô hấp cao ở nhiệt độ nhất định thì thành phần khí trong môi trường cũng khác nhau Trong điều kiện hỗn hợp khí không đáp ứng nhưng sử dụng màng phù hợp thì vẫn đảm bảo được thời gian bảo quản, tỉ lệ giữa bề mặt film và khối lượng rau quả cũng được nghiên cứu Thiết kế MAP có thể làm tốt bằng trợ giúp bởi các phần mềm tin học và công thức toán học Mối quan hệ giữa các yếu tố bao bì plastic film và rau quả được thể hiện qua phương trình sau: [2]

Hệ phương trình 2 cho thấy, đối với đơn vị O2 hoặc CO2, có 6 yếu tố quan hệ lẫn nhau là mối quan hệ giữa: độ thấm khí, cường độ hô hấp, khối lượng rau quả, diện tích

bề mặt màng chất dẻo, nồng độ khí tối ưu bên trong túi, nồng độ khí bên ngoài túi, nhiệt

độ xác định

Khi biết trước 4 thông số bất kỳ, có thể tìm được hai thông số còn lại, đó chính là thiết

kế MAP

4 Nghiên cứu mô hình thực nghiệm

Mục đích nghiên cứu là ứng dụng kỹ thuật MAP để hoàn thiện công nghệ bảo quản nhãn tươi ở nhiệt độ thấp, nhằm kéo dài thời gian bảo quản đồng thời duy trì chất lượng sản phẩm của nhãn có hiệu quả và phù hợp nhất với điều kiện khí hậu

ở Việt Nam Như vậy nhiệm vụ của tác giả trong quá trình nghiên cứu của đề tài chính là:

Nghiên cứu bằng thực nghiệm mô hình hô hấp của nhãn phụ thuộc vào nhiệt độ và

− nồng độ khí bảo quản thông qua phương trình Mekhaelis-Menten

Xây dựng mô hình dự đoán nồng độ, nhiệt độ trong bao gói MAP từ đó kiểm soát

− điều kiện bảo quản của nhãn

(2)

.

P

S y y

R w

P

S y y

mlo h atm

m mlco h atm

24 24

out in

co out co in

2 2

2 2

O

CO CO

2

2

O

2

2

=

-=

-Z [

\ ]]

]]

Tính toán thiết kế bao gói MAP thích hợp cho nhãn.

− Nhãn tươi được chọn làm thí nghiệm là loại nhãn lồng Hưng Yên đạt độ chín từ 8 ÷ 9

độ thành thục và được hái vào buổi sáng sớm [3]

- Nhãn tươi được lựa chọn loại bỏ những quả sâu bệnh, dập nát theo tiêu chuẩn TCVN 5102-90 (ISO 874-1980)

- Nhãn tươi sau khi lựa chọn được cắt cành, xử lý qua hóa chất để loại bỏ bớt vi sinh vật và nấm mốc gây hại

- Trọng lượng quả, thể tích được xác định bằng phương pháp cân “cân tiểu ly MW2

có sai số ± 0,01g” và bình thí nghiệm

Nhãn tươi được xác định cường độ hô hấp bằng phương pháp kín và thành phần khí

O2 và CO2 được đo bằng máy sắc ký khí - gas chromatography GC-MS và được tính toán

Hình 1 Nhãn lồng Hưng Yên (đối tượng thí nghiệm).

Hình 2 Máy sắc ký khí - gas chromatography GC-MS

bởi các phần mềm TCWIN4, ORIGIN50, Excel 2010, pascal 7.0 và Matlab7.0 [6], ta được kết quả sau:

Bảng 1 Cường độ hô hấp của nhãn xác định theo O2 ở 250C

Từ số liệu ở bảng 1, bằng phương pháp phân tích toán học, phần mềm TCWIN4 ta xác định được mối quan hệ giữa thời gian và hàm lượng O2 tiêu thụ ở điều kiện W = 0,5kg,

V = 1746ml, t = 250C thông qua phương trình 3

y = a + b.x2 với sai số y’ = 2.b.x

Bảng 2 Cường độ hô hấp của nhãn xác định theo CO2 ở 250C

(3) (4)

Hình 3 Hàm lượng O 2 theo thời gian ở điều kiện 25 0 C

t

%o2

Từ số liệu ở bảng 2, bằng phương pháp phân tích toán học, phần mềm TCWIN4 ta xác định được mối quan hệ giữa thời gian và hàm lượng O2 tiêu thụ ở điều kiện W = 0,5kg,

V = 1746ml, t = 250C thông qua phương trình 3,4

y = a + b.x2 với sai số y’ = 2.b.x

Bảng 3 Cường độ hô hấp của nhãn xác định theo O 2 ở 4 0 C

Từ số liệu ở bảng 3, bằng phương pháp phân tích toán học, phần mềm TCWIN4 ta xác định được mối quan hệ giữa thời gian và hàm lượng O2 tiêu thụ ở điều kiện W = 0,5kg,

V = 1746ml, t = 40C thông qua phương trình 5

y = a1 + b1.x + c1.x2 với sai số y’ = b1 + 2c1.x (5) (6)

Hình 4 Hàm lượng CO 2 theo thời gian ở điều kiện 25 0 C

Hình 5 Hàm lượng O 2 theo thời gian ở điều kiện 4 0 C

t

t

%co2

%o2

Bảng 4 Cường độ hô hấp của nhãn xác định theo CO2 ở 40C

Từ số liệu ở bảng 4, bằng phương pháp phân tích toán học, phần mềm TCWIN4 ta xác định được mối quan hệ giữa thời gian và hàm lượng O2 tiêu thụ ở điều kiện W = 0,5kg,

V = 1746ml, t = 40C thông qua phương trình 7

y = a2 + b2.x2 với sai số y’ = 2.b2.x

Từ các kết quả thực nghiệm cho thấy rằng khi bảo quản ở nhiệt độ môi trường các phản ứng oxi hóa diễn ra nhanh chóng dẫn tới thời gian bảo quản sản phẩm ngắn Khi trong điều kiện nhiệt độ thấp cường độ hô hấp của nhãn giảm xuống, điều này được thể hiện qua nồng độ O2 & CO2 theo thời gian Như vậy thấy rằng để kéo dài thời gian bảo quản, chất lượng của sản phẩm thì việc sử dụng công nghệ bao gói kết hợp với quá trình xử lý nhiệt vật lý là cần thiết

Từ kết quả thực nghiệm và tính toán ở trên ta xác định được các hệ số mô hình theo phương trình 9 [5]

RO2 = Vmax x (O2)/{(O2) + Km x{1 + (CO2)/Ki}} (9) Trong đó:

RO2 : cường độ hô hấp, mlO2/kg.h

Vmax : cường độ hô hấp cực đại, mlO2/kg.h

Km : hằng số michaelis-Menten của O2, ml/100 mlO2

Ki : hằng số michaelis-Menten của CO2, ml/100 mlCO2

(7) (8)

Hình 6 Hàm lượng CO 2 theo thời gian ở điều kiện 4 0 C

t

%co2

(O2) và (CO2): Nồng độ O2 và CO2 ở tại 1/2 cường độ hô hấp cực đại, % Bằng tính toán bằng phần mềm Matlab7.0, ta xác định được các hệ số theo bảng 5

Bảng 5 Ước tính mô hình bảo quản nhãn tươi ở nhiệt độ 4 0 C

TT mlO Vm

2 /kg.h ml/100 mlO Km 2 ml/100 mlO Ki 2 mlCO R 2 /kg.h R 2

5.Tính toán bao bì bao gói nhãn tươi.

Dựa vào dữ liệu bao bì về hệ số thấm khí (a1, a2, b11, b12, b21, b22) được xác định ở [2], căn cứ vào cường độ hô hấp và hệ phương trình10, chọn khối lượng quả cần bao gói (0,5 kg/gói) ta có thể xác định được độ dày của bao gói, kết quả ở bảng 6

Bảng 6 Kết quả tính toán MAP cho nhãn tươi.

RO2

(mlO2/

kg.h)

RCO2 (mlCO2/ kg.h)

W (kg)

PO2 (mlO2/

m2.24h.

atm)

PCO2 (mlCO2/

m2.24h.

atm)

Kết quả 1

S

8556 (LDPE) 58064 (PEmpSX)

24302 (LDPE) 164909 (PEmpSX)

Kết quả tính toán MAP có nhiều nghiệm, trong các nghiệm đó, chọn nghiệm sao cho

A (diện tích) và đủ để bao gói một đơn vị khối lượng rau quả, không quá lớn và cũng không quá bé để thuận tiện cho sử dụng Hoặc độ dày cũng không quá dày (vì cứng và đắt tiền), không quá mỏng (dễ rách) Kết quả ta chọn bao bì cho công tác bảo quản nhãn như sau Chọn A = 0,095 m2 để bao gói 0,5 kg nhãn tươi, bao bì là LDPE có độ dày 14 µm

(10)

[ ( ) ]

[ ( ) ]

R

W L

S P o p

R

W L

S P co p

m mlo h atm

m mlco h atm

0 21

100

100

24 24

o

2

2

2 2

2 2

CO

2

O

O

2

2

2

-=

Z [

\

] ]]

] ]]

6 Mô hình dự đoán bảo quản nhãn ở 4 0 C.

Cường độ hô hấp của sản phẩm là yếu tố đặc trưng cho mỗi loại sản phẩm, đồng thời

có ảnh hưởng không nhỏ tới quá trình bảo quản sản phẩm và công tác thiết kế chế độ bảo

quản [4] Từ đó giúp ta xác định được mô hình dự đoán nhằm phục vụ công tác nghiên cứu

bảo quản sản phẩm sau thu hoạch

Từ hệ phương trình 12 và kết quả ở bảng số liệu 6 ta xây dựng được diễn biến nồng

độ O2, CO2 bên trong bao gói LDP của nhãn ở 40C

7 Kết luận.

MAP kết hợp với bảo quản lạnh có thể giúp kéo dài thời gian bảo quản sản phẩm

tươi sống Các thông số của Michaelis-Menten là loại phương trình hô hấp dựa trên động

học enzyme được ước tính sử dụng hệ thống thấm trong khi sản phẩm hô hấp và thấm khí

được coi là cùng một lúc Mô hình trao đổi khí xác nhận với các thông số này có thể được

sử dụng rộng rãi cho các sản phẩm sau thu hoạch hoặc ổn định hoặc không ổn định để lựa

chọn thông số kỹ thuật bao gói kích thước cũng như để dự đoán nồng độ trạng thái ổn định

của O2 và CO2

Từ các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng điều kiện bảo quản tối ưu nhất cho nhãn

lồng Hưng Yên là bảo quản MAP ở điều kiện nhiệt độ 40C

Trong điều kiện tại Việt Nam, việc áp dụng phương pháp bảo quản mới (MAP) không

Hình 7 Diễn biến % O 2 , CO 2 bên trong bao gói LDPE của nhãn ở 4 0 C.

(11)

(12)

.

[ ( ) ]

.

[ , ( ) ]

dt

d o

W L

S Po o p

V

W Ro

dt

d co

V

W Rco

W L

S Pco co p

100

0 21

100

100

0 00

100

2

2

2

=

-`

`

j j

Z

[

\

]

]]

]

]]

*

*

4 4

.

( ) ( )

[ ( ) ]

.

( ) ( )

[ ( ) , ]

R

dt

d o

W

V

W L

S Po o p

R

dt

d o

W

V

W L

S P co p

m mlo h atm

m mlco h atm

100

0 21

100

100

100 0 00

24 24

o

2

2

2

2

2

2 2

2 2

CO

2

O2

2

-Z

[

\

]

]]

]

]]

t

o2

co2

những mang lại hiệu quả kinh tế cao mà còn mở ra hướng phát triển mới cho công nghệ bảo quản sau thu hoạnh và hơn nữa là tính phù hợp với hệ thống quản lý chất lượng sản phẩm từ nó mở rộng thị trường tiêu thụ sản phẩm nông sản ở Việt Nam

Tài liệu tham khảo

[1] Cao Văn Hùng, Nghiên cứu bảo quản một số rau quả bằng kỹ thuật bao gói khí điều biến, Luận án Tiến Sỹ, tr 65- 92, 2006.

[2] Cao Văn Hùng, Nghiên cứu độ thấm khí O 2 và CO 2 của một số plastic film Việt Nam trong công nghệ bao gói khí điều biến (MAP) bảo quản rau quả, Tạp chí Nông nghiệp

và Phát triển nông thôn số 21, tr 59 - 66, 2006

[3] Trần Minh Tâm, Bảo quản và chế biến nông sản sau thu hoạch, Nhà xuất bản

Nông nghiệp, Hà Nội, tr 92 - 98, 2004

[4] Harte & J Miltz Technomic Publishing Co., Lancaster, PA, pp 157-69 Song, Y., Kim, H K & Yam, K L Respiration rate of blueberry in modified atmosphere at various temperatures J Am Sot Hart Sci,1992

[5] Lee, J The design of controlled or modified packaging systems for fresh produce

In Food Product-Package Compatibility Proceedings, ed J I Gray, B R, 1987

[6] Talasila, P C., Cameron, A C & Joles, D W Frequency distribution of steady-state oxygen partial pressures in modified-atmosphere packages of cut broccoli J Am Sot Hart Sci, 1994

[7] Yang, C C and Chinnan, M S, Modeling the Effect of O2 and CO2 on Respiration

and Quality of Stored Tomatoes, Trans ASAE, vol 31, no 3: p 920-925, 1988.