ỨNG DỤNG ÁP SUẤT CAO TRONG BẢO QUẢN VÀ CHẾ BIẾN THỊT

ỨNG DỤNG ÁP SUẤT CAO TRONG BẢO QUẢN VÀ CHẾ BIẾN THỊT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH

KHOA KĨ THUẬT HÓA HỌC

NĂM HỌC 2010- 2011

MỞ ĐẦU

Theo xu hướng toàn cầu hóa, các nhà sản xuất các sản phẩm thịt đang phảicạnh tranh gay gắt với nhau Để giữ vững và nâng cao vị trí của họ, các công ty thựcphẩm và thịt cần quan tâm đến sự thay đổi trong thói quen mua sắm và tiêu thụ sảnphẩm của người tiêu dùng, cũng như quan điểm và nhu cầu của họ

Nhu cầu của người tiêu dùng thay đổi liên tục nhưng một vài quan điểmchính không thay đổi Nhìn chung, người tiêu dùng luôn đòi hỏi chất lượng cao và

sự tiện dụng của các sản phẩm thịt, với mùi vị tự nhiên Bên cạnh đó, họ còn yêu cầu

sự an toàn và các sản phẩm phải tự nhiên không bổ sung phụ gia như các chất bảoquản, chất giữ ẩm…

Để đáp ứng tất cả những yêu cầu này mà không làm giảm độ an toàn thựcphẩm cần phải áp dụng các công nghệ mới trong công nghiệp thực phẩm nói chung

và trong công nghiệp thịt nói riêng Hơn nữa, các sản phẩm thịt đóng gói chânkhông dạng lát mỏng và dạng ướp là những dòng sản phẩm có nhu cầu gia tăng rấtcao trong vài năm gần đây Những sản phẩm này có khả năng nhiễm khuẩn trướckhi đóng gói Vì thế, giải pháp cần thiết là ứng dụng các kỹ thuật mới cho các dòngsản phẩm trên Hiện nay, một vài công nghệ mới đang được nghiên cứu trong đó ápsuất cao là một phương pháp có tiềm năng ứng dụng rất cao

Áp suất cao là một kỹ thuật rất hứa hẹn đối với các sản phẩm thịt và nó chothấy tiềm năng trong việc phát triển các dòng sản phẩm mới tiêu thụ ít năng lượng

1 Lịch sử phát triển:

Giáo sư PW Bridgman (1914), một người tiên phong trong vật lý áp suất cao,báo cáo về albumin lòng trắng trứng và lòng đỏ bị đông tụ dưới áp suất thủy tĩnh cao500-600 MPa mà không có sự phân rã của lớp vỏ Điều này cho thấy rằng áp suấtthủy tĩnh cao (cao áp) là một công cụ hữu ích cho chế biến thực phẩm thay vì xử lýnhiệt Tuy nhiên ứng dụng của áp suất cao để chế biến thực phẩm đã gần như bỏ quacho đến khi sự khởi đầu của dự án "Phát triển áp suất cao lên men sử dụng Dense-Mass" được hỗ trợ bởi Bộ Nông nghiệp, Lâm nghiệp và Thuỷ sản (1989) tại NhậtBản Đặc biệt, các nhà khoa học về thịt ở Úc đã tiến hành áp dụng áp suất cao kể từđầu những năm 1970 (Macfarlane 1973; Bouton, Ford, Harris, Macfarlane, O'Shea1977) Kể từ khi khởi phát của các dự án tại Nhật Bản, việc áp dụng áp suất cao đểchế biến thực phẩm đã thu hút nhiều sự chú ý ở Nhật Bản và Châu Âu bởi vì nhữngthay đổi trong đặc tính của nguyên liệu thực phẩm gây ra bởi áp suất trong cácphương thức khác nhau từ nhiệt (Cheftel 1992 ; Hayashi 1992; Johnston 1995;Knorr 1996) Một số loại thực phẩm được chế biến bằng việc sử dụng áp suất đã cómặt trên thị trường (Suzuki 2002)

Nhìn chung, áp suất cao sử dụng trong khoảng 100-600 MPa tại nhiệt độphòng Áp suất cao làm phá hủy các tế bào sinh dưỡng của vi khuẩn và vô hoạtenzyme, nhưng không làm thay đổi đặc điểm bề ngoài của sản phẩm và giữ lại một

số vitamins Tuy nhiên, khả năng chịu đựng của vi sinh vật rất khác nhau phụ thuộcvào giống và loại thịt được xử lý Ảnh hưởng của xử lý áp suất cao cũng phụ thuộcvào áp suất sử dụng, nhiệt độ và thời gian Sử dụng áp suất cao có thể gây ra nhữngbiến đổi đặc biệt về cấu trúc của sản phẩm và khả năng này có thể được sử dụng đểphát triển một dòng sản phẩm mới hoặc gia tăng chức năng của một số thành phầnnào đó

Vì thế, để có thể áp dụng kỹ thuật này trên quy mô công nghiệp với cácnghiên cứu từ phòng thí nghiệm cần tiến hành: Thiết lập các điều kiện xử lý tốt nhấtcho mỗi loại sản phẩm Kết hợp áp suất cao với các hệ thống đóng gói mới, các chấtkháng khuẩn có nguồn gốc tự nhiên, enzyme…

2 Ảnh hưởng của áp suất cao trong công nghiệp thịt

Ảnh hưởng của áp suất cao lên các thành phần dinh dưỡng trong thịt

Thịt là môi trường tốt cho sự phát triển của vi sinh vật, thành phần hóa họccủa thịt chủ yếu là nước, protein (15-21%), chất béo (0,5-25%), các vitamin (giàuvitamin nhóm B) và các oligonutrient Theo quan điểm vật lý, khi gia tăng áp suất sẽ

có một ảnh hưởng vật lý lên các phân tử làm chúng tiến lại gần nhau hơn dẫn đến sựchuyển pha, sự chuyển pha này có thể đảo ngược lại sau khi giảm áp Điều này lànhững gì đã xảy ra với nước và chất béo Theo quan điểm hóa học, áp suất cao tácđộng nhẹ hơn so với nhiệt độ Các liên kết cộng hóa trị không bị phá vỡ nhưng cácliên kết yếu như liên kết hydro và liên kết kỵ nước có thể bị biến đổi bất thuậnnghịch (Cheftel, 1995)

Ảnh hưởng của áp suất lên nước chủ yếu bao gồm sự giảm nhiệt độ nóngchảy và gia tăng sự ion hóa dẫn đến sự giảm pH Những biến đổi này là thuậnnghịch theo áp suất Nhưng chúng góp phần làm biến đổi những đặc điểm của sảnphẩm được xử lý áp suất cao Calpastatin bị ức chế tại áp suất từ 200MPa trở lêntrong khi calpain bị thoái hóa ở áp suất trên 400MPa

Tại áp suất thấp hơn 200MPa các lysosome bị phá vỡ, khả năng tự phân giatăng và thịt mềm hơn Cathepsin H và aminopeptidase bị vô hoạt ở áp suất từ200MPa trở lên và cathepsin D bị vô hoạt khi áp suất đạt tới 500MPa (Montero &Gomez-Guillen, 2002) Các vitamin và đường trong thịt không bị biến đổi bởi ápsuất cao nhưng các polysaccharide có thể bị biến đổi Nhìn chung, sự hình thành gel

bị ức chế bởi áp suất cao vì áp suất cao có thể biến đổi nhiệt độ chuyển pha từ solđến gel Sự đông lại có thể được tạo ra bởi áp suất và sau đó gel tạo thành sẽ mềm

và sáng hơn Cấu trúc chính của protein bị ảnh hưởng nhẹ bởi áp suất cao, sự biếnđổi các liên kết yếu có thể làm biến tính protein hoặc ngược lại làm hoạt hóaenzyme Các ảnh hưởng này rất khác nhau phụ thuộc vào loại protein và điều kiệncủa quá trình xử lý

Áp suất cao mang lại sự chuyển pha thuận nghịch cho lipid từ lỏng thành rắndẫn đến sự đông lại Nếu là một hỗn hợp lipid, áp suất cao có thể tạo ra sự phân táchcác pha khác nhau bằng việc phá hủy các tế bào membrane Cheah và Ledward

(1996) cũng nghiên cứu các ảnh hưởng của áp suất về quá trình oxy hóa chất béotrong cơ bắp băm nhỏ Trên cơ sở dựa vào số đo của acid thiobarbituric (TBA), họchỉ ra rằng trị giá TBA không tăng trong cơ bắp băm nhỏ tiếp xúc với áp suất caolên đến 200 MPa, sau đó hơi tăng lên khi áp suất là 300 MPa, và tăng rõ rệt khi 800MPa Áp suất cao trên 300 MPa đến 400 MPa sẽ làm giảm myoglobin vàoxymyoglobin, Fe2+ myoglobin trở thành Fe3+ metmyoglobin và protein globin bịbiến tính., từ đó làm gia tăng quá trình oxy hóa lipid Ngoài ra, nguyên nhân của sựgia tăng còn có thể do các kim loại trong thịt nằm trong các muối phospholipidshoặc muối acid hữu cơ với kim loại Vì thế trong quá trình áp suất cao, các ion kimloại (có thể là Fe và Cu) đã giải thoát ra khỏi các phức chất này và xúc tác phản ứngoxy hóa chất béo Hoặc sự gia tăng oxy hóa chất béo trong thịt ở áp suất cao có thể

do sự thay đổi cấu tạo của hemoprotein làm bộc lộ các nhóm heme xúc tác oxy hóachất béo Ngược lại, Orlien và Hansen (2000) đã báo cáo quá trình oxy hóa lipid ở

áp suất cao không liên quan đến việc giải phóng các nonheme sắt hay hoạt tính xúctác của metmyoglobin, nhưng có thể liên quan đến sự phá hủy membrane

Theo Cheftel và Culioli (1997), sự oxy hóa gây ra bởi áp suất có thể đượchạn chế các quá trình công nghệ cho các sản phẩm thịt, bằng cách đóng gói sảnphẩm hay sử dụng các chất chống oxy hóa Loại bỏ oxy hoặc thêm dioxide carbon(CO2) trước khi xử lý áp suất cao để ngăn chặn quá trình oxy hóa lipid

Ảnh hưởng của áp suất cao đến độ mềm thịt

Khi một con vật được giết mổ, quá trình co cứng sẽ phát triển trong vòng vàigiờ với sự co của các sợi cơ và làm tăng độ nhớt của thịt Miếng thịt sau đó sẽ mềmnhưng hương vị bị giảm sút đáng kể, và thịt đó thì không phù hợp cho nấu ăn và chếbiến vì độ nhớt cao và khả năng giữ nước thấp Nếu thịt được giữ ở nhiệt độ thấptrong một vài ngày, thịt trở nên mềm mại và giữ trạng thái đó trong vài tuần tiếptheo Vì vậy, quá trình sử dụng rộng rãi nhất cho thịt với cải tiến của hương vị và

mùi được gọi là conditioning và aging

Nếu những miếng thịt dai, đặt biệt là từ những con động vật già có thể đượclàm mềm bởi áp suất cao thì áp suất cao có tiềm năng lớn trong việc tận thu nguồnnguyên liệu từ thịt của các con vật già, tránh lãng phí

Một thử nghiệm để tăng độ mềm của thịt bởi áp suất cao lần đầu tiên đượcthực hiện bởi Macfarlane (1973) ở Úc Một điều rất quan trọng là phải lựa chọn thờigian nào của thịt sau khi giết mổ thích hợp cho việc áp dụng áp suất cao

2.2.1 Ảnh hưởng của áp suất cao lên cơ trước giai đoạn tê cứng:

Macfarlane (1973) đã thực hiện các phép đo khác nhau trên các cơ Biceps

femoris tại 100 MPa trong 2-4 phút Kết quả cho thấy các cơ rút ngắn khoảng 35%

so với các cơ không được xử lý áp suất Tuy nhiên các phép đo lực cắt chỉ ra rằng ápsuất làm tăng độ mềm của thịt

Kết quả nghiên cứu của Macfarlane cho thấy rằng việc sử dụng áp suất caotrong vài phút ở nhiệt độ môi trường đã làm giảm lực cắt lên cơ trước tê Phươngpháp làm tăng độ mềm cho thịt bởi áp suất cao cũng đã được báo cáo trong các tàiliệu của Macfarlane (Macfarlane, Mckenzie, Turner, và Jones năm 1981; Macfarlane

và Morton 1978) và những người khác (Elgasim và Kennick 1982; Kennick,Elgasim, Holmes, và Meyer 1980; Riffero và Holmes 1983)

2.2.2 Ảnh hưởng của các quá trình xử lý nhiệt và áp suất cao lên cơ sau giai đoạn tê cứng

Mặc dù việc sử dụng áp suất tác động lên cơ trước tê cứng là một cách hiệuquả trong việc xử lý độ dai của thịt Quá trình còn có tiềm năng áp dụng cho thịt sau

tê cứng Bouton et al (1977) chứng minh rằng cơ sau tê cứng của trâu, bò sẽ khôngđạt được biến đổi như vậy khi sử dụng lực cắt tương tự, trừ khi sử dụng áp suất cao

ở nhiệt độ cao Họ nói rằng khi áp suất là 150 MPa ở 60oC trong 30 phút là cần thiết

để cải thiện giá trị cắt Locker và Wild (1984) cũng cho rằng áp suất- nhiệt (PH) cóhiệu quả trong việc giữ mềm thịt sau một thời gian đáng kể tại một nhiệt độ cao

Macfarlane (1985) đã trình bày một đề án bao gồm việc áp suất làm phân giảicác protein và mức độ mềm thịt bằng cách kết hợp áp suất với nhiệt độ Trong đề áncủa mình, các protein bị phân giải bởi áp suất cao là biến tính và không thể kết hợpbằng cách xử lý nhiệt, kết quả là làm mềm thịt Việc sử dụng PH thì hiệu quả trongviệc khắc phục độ dai Tuy nhiên, quá trình này có ảnh hưởng không tốt cho thịt domàu nâu tạo ra bởi áp suất và nhiệt

2.2.3 Cải thiện độ mềm của cơ sau tê cứng bằng cách sử dụng áp suất cao.

Từ góc độ của các ứng dụng thương mại khi sử dụng áp suất cao, độ mềmcủa cơ sau tê cứng thì quan trọng hơn cơ trước tê cứng Suzuki, Kim, Honma,Ikeuchi, và Saito (1992) đo độ cứng và độ đàn hồi của cơ bắp vai sau tê cứng thuđược từ một con bò sữa già khi sử dụng áp suất cao từ 100-300 MPa trong 5 phútbằng máy Rheo Meter (Fudoh Công ty, Nhật Bản Kết quả cho thấy không có sựkhác biệt đáng kể nào về độ đàn hồi Điều này cho thấy cơ sau tê cứng có thể đượclàm mềm bằng áp suất cao mà không cần xử lý nhiệt Việc sử dụng P-H trong thờigian dài được Macfarlane đề xuất (1985), còn những người khác (Bouton et al1977; Riffero và Holmes 1983) thì cho rằng không cần thiết phải kết hợp với nhiệt

độ trong việc làm mềm cơ sau tê cứng nếu áp suất sử dụng cao hơn so với trong thínghiệm

2.2.4 Cơ chế làm mềm và sự gia tăng những biến đổi của thịt khi sử dụng áp suất cao

Ta biết rằng thịt của con vật sau khi chêt sẽ bị mềm sau một khoảng thời giannhất định do những thay đổi xảy ra trong cơ, chủ yếu là do tác động của các proteasenội sinh:

- Sự suy yếu của tương tác actin-myosin

- Phân mảnh của tơ cơ thành các phân đoạn ngắn do Z-line tan rã

- Sự thoái hóa của các sợi đàn hồi bao gồm connectin (còn gọi là titin)

- Suy yếu của mô liên kết

Để làm rõ cơ chế gây ra áp suất làm mềm thịt hoặc việc tăng tốc các biến đổicủa thịt, các đối tượng sau đây đã được xem xét:

- Áp suất ảnh hưởng lên tương tác của actin-myosin

- Áp suất ảnh hưởng đến sự phân mảnh của tơ cơ,

- Áp suất ảnh hưởng đến sự chuyển đổi -connectin thành  -connectin

- Áp suất ảnh hưởng lên mô liên kết

2.2.4.1 Các ảnh hưởng từ sự tương tác của actin-myosin.

Quá trình tương tác của actin-myosin và cơ cấu của các sợi cơ được biến đổitrong thời gian con vật sau khi chết được minh chứng bằng những thay đổi tronghoạt tính ATPase của tơ cơ Ouali (1984) báo cáo rằng hoạt tính ATPase gia tăng tạicường độ ion thấp (khoảng dưới 0,2 M KCl), trong khi nó giảm ở những cường độcao hơn (0,3 M hoặc cao hơn) khi gia tăng thời gian bảo quản Ông kết luận rằng giátrị nghiêng (giá trị xác định sự nhạy cảm với cường độ ion) có thể là một thông sốchỉ thị chính xác về mức độ lão hóa của cấu trúc các sợi cơ và được thể hiện bằngcác chỉ số sinh hóa của Miofibrillar Aging (BIMA)

Nishiwaki, Ikeuchi, và Suzuki (1996) đo hoạt tính của ATPase (cường độ ion

là khoảng 0,06-0,32 M KCl) của các cơ được xử lý bằng áp suất cao (30-300 MPa,

5 phút) và ở 4oC trong 7 ngày Sự thay đổi giá trị BIMA được hiển thị trong hình8.1 Đối với cơ được xử lý như trên, giá trị BIMA tăng dần với sự gia tăng của thờigian lưu trữ và đạt khoảng 2,5 lần so với các cơ của con vật chết (hình 8,1) Giá trịBIMA của các tơ cơ gia tăng khi tăng áp suất lên 200 MPa và đạt đến mức giốngnhư của các tơ cơ để ở 4oC trong 7 ngày Tuy nhiên, khi áp suất cao hơn (300 MPa)

sẽ làm sụt giảm đáng kể giá trị của BIMA

Sự thay đổi cấu trúc của các sợi mỏng gây ra bởi áp suất là yếu tố chính ảnhhưởng đến giá trị BIMA thu được trong các sợi cơ khi sử dụng áp suất cao trong mộtthời gian ngắn (5 phút) Những thay đổi cấu trúc mạnh mẽ được quan sát từ nhữngsợi cơ được xử lý áp suất , những thay đổi đó không quan sát thấy trong các sợi cơkhông xử lý bằng áp suất Kết quả này gợi ý rằng việc áp dụng áp suất cao cho cácsợi cơ là nguyên nhân gây ra những thay đổi trong hoạt tính của ATPase và giá trịBIMA của các sợi cơ

Hình 1: Ảnh hưởng của áp suất cao và thời gian lên giá trị BIMA

Các tơ cơ khi sử dụng các điều kiện đồng hóa thì ngắn hơn và tạo ra nhữngkhúc cơ ngắn hơn là của những miếng thịt sau khi giết mổ (Takahashi, Fukazawa, vàYasui 1967) và sự phá vỡ các tơ cơ tại Z-line thì liên quan đến sự gia tăng độ mềmthịt (Davey và Gilbert 1967; Fukazawa và Yasui 1967; Takahashi et al 1967) Do đó

sự phân mảnh các sợi tơ cơ được coi là hữu dụng để dự đoán sự mềm của thịt(Calkins và Davis năm 1980; Olson, Parrish, và Stromer 1977)

Suzuki, Watanabe, Iwamura, Ikeuchi, và Saito (1990) cho thấy mức độ phânmảnh trong tơ cơ từ các bắp thịt trâu, bò với áp suất (100-300 MPa, 5 phút) tronghình 8.2 Mức độ phân mảnh được thể hiện như tỷ lệ phần trăm của số cơ tơ đoạngồm 1-4 sarcomeres (khúc cơ) để tổng số tơ cơ dưới kính hiển vi tương phản pha.Mức độ phân mảnh, thì ít hơn 10% so với các cơ bắp không được xử lý áp suất, đãđược tăng tốc bằng cách tăng áp lên hơn 30%, 70%, 80%, và 90% tương ứng tại

100, 150, 200, và 300 MPa Mức độ phân mảnh, 80% đến 90%, trên mức tối đa củacác phân mảnh của tơ cơ trong các cơ tự nhiên Từ các kết quả của sự phân mảnhnày là sự tiếp xúc ngắn của các cơ sau tê cứng trong điều kiện áp suất cao có vẻ làhữu ích cho quá trình làm mềm thịt

Hình 2: Ảnh hưởng của áp suất cao lên mức độ phá vỡ tơ cơ

Các yếu tố đặc trưng trong những báo cáo của Suzuki et al (1990) đó là tácđộng của áp suất cao đến cấu trúc myofibrillar (sợi cơ tơ) sau tê cứng trong các bắpthịt trâu, bò Trong tơ cơ được xử lý tại 100 MPa, quá trình co của các sarcomeređược quan sát, và sự khác biệt trong mật độ giữa các A-band và I-band trở nên đồngnhất so với các mẫu bình thường (không qua xử lý) Đánh dấu sự vỡ của cấu trúc

dạng sợi của I-band và sự biến mất của các M-line được quan sát trong tơ cơ của các

cơ bắp tại tại áp suất 150 MPa Trong tơ cơ của các cơ bắp tại 200 MPa, mạch liêntục cấu trúc của sarcomere đã gần như hoàn toàn bị mất, với tấm A-và I-sợi trải rộngtrên các khúc cơ này Sự biến mất của M-line và sự dày lên của Z-line, có thể là do

sự co rút của I-filament, đã được quan sát Sự phân tách của các A-band, thêm vào

đó nhiều thay đổi đã được đề cập và được quan sát trong tơ cơ của các cơ bắp tại ápsuất 300 MPa Chiều dài của các sarcomere(khúc cơ), được xử lý tại 100 MPa,dường như đã dần dần phục hồi với sự gia tăng áp suất, vì những mất mát ngày càngnhiều của kết cấu liên tục Như đã đề cập, phân mảnh của tơ cơ có nguồn gốc từ sựđứt đoạn của tơ cơ tại Z-line, trong khi các Z-line từ tơ cơ bị phân mảnh trong các cơbắp được xử lý áp suất vẫn còn nguyên vẹn

Mặc dù việc xử lý áp suất cho các cơ sau tê cứng diễn ra trong thời gian ngắn(5 phút) và nhiệt độ thấp (khoảng 10oC), thì sự thay đổi siêu cấu trúc (ultrastructure)của tơ cơ phù hợp với những báo cáo của Macfarlane và Morton (1978) và Locker

và Wild (1984) Việc áp dụng áp suất cao được biết là ảnh hưởng của tình trạng kếthợp của cả hai actin và myosin, đó là những thành phần chủ yếu của tơ cơ Một sốbáo cáo mô tả sự khử polymer của actin-F (Ikkai và Ooi 1966; Ivanov, Bert, vàLebedeva 1960; O'Shea, Horgan, và Macfarlane 1976), myosin polymer (Josephs vàHarrington 1966, 1967, 1968), và actomyosin (Ikkai và Ooi 1969) dưới áp suất cao

đã được công bố Mặc dù nó không rõ liệu sự khử polymer của actin-F xảy ra trong

cơ và sự suy thoái của các sợi-I (tức là, sự khử polymer của F-actin do áp suất cao)

có thể là một trong những nguyên nhân của sự phân mảnh Một khả năng làm tăngtốc sự phân mảnh của tơ cơ và đông tụ của các myofibrillar protein tại nơi phân tách

đã được Macfarlane đề nghị (1985) có thể làm tăng độ mềm của thịt khi sử dụng ápsuất cao

Từ những quan sát và phân tích ultrastructural SDS-PAGE của tơ cơ (dữ liệukhông được hiển thị, Suzuki et al 1990)., Cơ chế cho sự rối loạn trong cấu trúc liêntục của tơ cơ gây ra bởi áp suất trong các điều kiện khác nhau

-Connectin

Nghiên cứu gần đây cho thấy một cách rõ ràng rằng một protein, thường đượcgọi là connectin (còn gọi là titin) duy trì tính đàn hồi và tính ổn định cơ học của cơxương Lúc chết, các -connectin (khoảng 3.000 kDa) tồn tại cùng với một lượngnhỏ các phân đoạn phụ của nó, -connectin (khoảng 2.000 kDa; Maruyama, Kimura,Yoshidomi, Sawada, và Kikuchi 1984; Wang, McClure và Tu 1979)

Hình 3: Biểu diễn kết quả chạy điện di trong gel 2% polyacrylamide chứa 0,1%

- M = chuỗi myosin lớm

Bởi vì khi sử dụng áp suất cao không tạo nên các chuỗi peptid , do đó nó đượcquan tâm để giải thích những nghi ngờ rằng tại sao việc chuyển đổi -connectinthành -connectin được gây ra bởi áp suất Có hai lý thuyết về cơ chế táchconnectin; một là sự phân hủy protein bởi calpain (protease làm tăng hoạt tính Ca2+)

và cathepsin D (Kim et al 1993, 1995; Suzuki, Kim, và Ikeuchi 1996), và hai là cácphản ứng trực tiếp của ion Ca2+ (Tatsumi, Hattori, và Takahashi năm 1996) Báo cáocủa Kim et al (1993) cho thấy rằng hiệu quả của áp suất cao lên các connectin trongisolated myofibrils (cơ riêng biệt) tương tự như của connectin trong cơ bắp, đượcquan sát những phân tích của SDSPAGE Họ tìm thấy hai loại chất ức chế protease,

1 mM leupeptin và 1 mM E64, hoàn toàn ngăn chặn sự suy thoái của connectin(100-400 MPa cho 5 phút), mặc dù các tơ cơ bên trong đều có sự hiện diện của3mM CaCl2 Như vậy giả thiết về sự suy thoái của connectin do tác động trực tiếpcủa các ion canxi dưới áp suất cao như vậy là không thể xảy ra Kết quả này chứngminh sự tham gia của một số protease nội sinh, đặc biệt là calpain, trong việc chuyểnđổi -connectin thành -connectin

Điều này có thể được giải thích bằng cách giả sử rằng sự mẫm cảm củaconnectin đối với calpain được tăng rõ rệt bởi việc áp dụng các áp suất, nhưng khảnăng của calpain để thủy phân connectin được giảm dần với tăng áp suất Nó đãđược chứng minh rằng áp suất cao 100 MPa hoặc cao hơn thì sẽ làm tăng tính mẫmcảm đến quá trinh proteolysis (phân hủy Protein) Bởi vì nồng độ ion canxi trongdung dịch sarcoplasmic là gần tối ưu để kích hoạt calpain do việc hình hành từ lướisarcoplasmic trong khi sử dụng áp suất cao (Suzuki, Okamoto, Ikeuchi, vàSaito1993, 1994), mức độ chuyển đổi của -connectin thành -connectin được cho

là chủ yếu liên quan đến sự phụ thuộc áp suất của các thay đổi cấu trúc của connectin và sự vô hoạt của calpain

-Cơ chế cho việc chia connectin dưới áp suất cao có lẽ là giống như trong cơsuốt quá trình xử lý (Kim et al 1995) Sự gia tăng của những hợp chất được trích ly

từ connectin có thể cho thấy được những thay đổi về chất lượng của cấu trúcconnectin trong cơ gây ra bởi áp suất (Suzuki et al 1987)

Độ mềm của thịt thì phụ thuộc vào hai thành phần khác nhau: độ dai và độdẻo dai của actomyosin Độ dẻo dai của actomyosin là do các protein myofibrillar,trong khi độ dai do sự hiện diện của các mô liên kết Nói chung, nó được chấp nhậnrằng những thay đổi của các mô liên kết trong quá trình bảo quản thịt thì thấp hơn sovới những biến đổi trong myofibrillar protein

Một vài báo cáo mô tả những ảnh hưởng của áp suất đến mô liên kết cũng như

là đối với protein tơ cơ Ratcliff, Bouton, Ford, Harris, và Macfarlane (1977) chothấy rằng mặc dù sử dụng P-H có hiệu quả trong việc loại bỏ được tính dai của tơ cơ(độ dai actomyosin), độ mềm của các mẫu được xử lý thì được hạn chế bởi độ daicủa các mô liên kết Macfarlane et al (1981) cũng cho thấy một sự chuyển tiếp dothiếu vắng của các actin-F, nhưng mà do các mô liên kết đã không được thay đổitrong thermograms (biểu đồ nhiệt độ) của cơ đã được sử lý bằng áp suất Beilken,Macfarlane, và Jones (1990) cho rằng áp suất điều trị ở các nhiệt độ khác nhau, từ

40 C đến 80C có rất ít hoặc không có biến đổi rõ rệt về sự dẻo dai hơn là để tăngnhiệt độ bằng xử lý nhiệt làm giảm độ dai Suzuki, Watanabe, Ikeuchi, Saito, vàTakahashi (1993) báo cáo rằng không có sự khác biệt đáng kể trong siêu cấu trúc(ultrastructure), điện di, nhiệt độ hòa tan, và thermogram (biểu đồ nhiệt độ) của phânquét calorimetry (đo nhiệt lượng) (DSC) phân tích của các collagen bắp phân lập từmột con bò sữa già đã được quan sát trong số các mẫu cơ không được xử lý áp suất

và các cơ được xử lý áp (100-400 MPa, 5 phút) Ảnh hưởng của áp suất vào nhiệt độbiến tính và enthalpy theo thermogram được thể hiện trong bảng 1

Gần đây Nishimura, Hattori, và Takahashi (1995) cho rằng sự suy yếu của các

mô liên kết trong cơ, endomysium (vỏ nội cơ) và perimysium (màng cơ), gây ratrong quá trình thì tương quan với sự mềm thịt bằng cách sử dụng kính hiển vi điện

tử để quét Ueno, Ikeuchi và Suzuki (1999) mô liên kết trong các cơ đã qua chế biến

và xử lý áp suất bằng kính hiển vi quét điện tử Trong suốt thời gian xử lý, sự suyyếu cấu trúc của các endomysium và perimysium và sự phá vỡ các cấu trúc tổ ong

đã xuất hiện Trong cơ được xử lý áp suất, biến dạng của cấu trúc tổ ong củaendomysium được tăng lên với sự gia tăng của áp suất tác động lên các cơ bắp, và

mở rộng mạng lưới của endomysium đã được quan sát trong các mẫu cơ tại 400MPa Hiện nay, kết luận đó không phải là chắc chắn rằng các áp suất gây ra nhữngthay đổi cơ cấu trong các mô liên kết dẫn đến một số hiệu ứng đáng kể đến độ mềm

của thịt Nhưng nếu muốn hiểu rõ thêm thì phải nghiên cứu sâu hơn nữa để làm rõvấn đề này

Bảng 1: Ảnh hưởng của áp suất lên tình trạng biến tính của collagen

65.65  0.6765.35  0.2566.05  0.8866.03  0.9965.90  1.23

68.70  0.6568.95  0.6468.80  0.6468.73  0.7268.95  0.83

15.00  1.4015.53  1.6515.78  1.8016.93  1.1015.50  1.65

T o = Nhiệt độ bắt đầu biến tính; T p = nhiệt độ biến tính nhiều nhất;

T c = Nhiệt độ kết thúc biến tính, H = enthalpy của biến tính, mJ/mg khối lượng

khô

Nguồn: Suzuki, Wantanabe, Ikenchi, Saito, and Takahashi (1993)

Ảnh hưởng của áp suất cao lên vi sinh vật

Tốc độ và động học vô hoạt vi sinh vật phụ thuộc vào một vài thông số như:loại vi sinh vật, cường độ áp suất, thời gian, nhiệt độ, pH, hoạt tính nước và thànhphần thực phẩm Nhìn chung, sự ức chế càng tốt khi áp suất càng cao

2.3.1 Sự phá hủy của áp suất lên vi sinh vật:

Sự ức chế vi sinh vật bởi áp suất cao có lẽ là do tác động của nhiều yếu tố kếthợp lại Áp suất cao không ức chế hoặc phá hủy một vị trí nào đó trong tế bào hoặcmột chức năng của tế bào., mà sự chết của tế bào là bởi những hư hỏng nhiều hoặctích tụ bên trong tế bào (Simpson & Gilmour, 1997)

Màng tế bào là mục tiêu chính của sự phá hủy, chủ yếu qua việc làm rối loạn

sự vận chuyển các chất của màng tế bào do hậu quả của sự kết tinh phospholipid.Các chức năng khác của tế bào bị ảnh hưởng bởi áp suất bao gồm: sự thay đổi traođổi ion, thành phần acid béo, hình thái học của ribosome, hình thái học tế bào, biếntính protein và ức chế hoạt tính enzyme, sự mất ổn định của việc sao chép DNA, sựhình thành không bào…Sự khác nhau về tính chất của màng tế bào có thể là mộtnhân tố quan trọng trong việc xác định ảnh hưởng của áp suất hoặc stress lên vi sinhvật Trong một vài hệ vi sinh vật, người ta cho rằng sự phá hủy là do rối loạn sự vậnchuyển protein qua màng tế bào (Vogel, Molina-Guiterrez, Ulmer, Winter, &

Ganzle, 2001) Đây có thể là cơ chế chung làm cho tế bào chết Nhìn chung, các tếbào chết gia tăng khi tăng áp suất nhưng nó không tuân theo động học bậc 1

2.3.2 Khả năng chịu áp suất cao của vi sinh vật

Nhìn chung, các vi khuẩn gram dương chịu được áp suất cao hơn vi khuẩngram âm Hình thái tế bào cũng ảnh hưởng đến tác động của áp suất, vi khuẩn hìnhque bị ảnh hưởng nhiều hơn hình cầu Các tế bào ở pha phát triển dễ bị ảnhh hưởnghơn các tế bào ở pha ổn định

Bảng 2: Sự tiêu diệt vi sinh vật bởi áp suất

Bào tử Tế bào sinh dưỡng

Tế bào trong pha ổn định Tế bào trong pha phát triển

Bacillus, Clostridium, Staphylococcus,

Listeria, Escherichia coli O157:H7

Yersinia, Vibrio, Salmonella, parasites

pH acidNhiệt độ cao

Có thuốc kháng sinhNguồn: Masoliver và Grebol

Nhiệt độ có vai trò quan trong trong việc ức chế vi sinh vật bằng áp suất cao Tại nhiệt độ tối ưu cho sự phát triển, sự ức chế sẽ thấp hơn so với các nhiệt độ khác

Độ chảy màng có thể bị phá vỡ dễ dàng hơn tại nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tối ưu

Khi các tế bào được làm sốc lạnh trước khi dùng áp suất cao, chúng có khảnăng chịu áp tốt hơn Điều này được giải thích là do sự duy trì độ chảy màng của tếbào ở nhiệt độ thấp Sự thích nghi của màng ở nhiệt độ thấp được thực hiện bằngviệc thay đổi độ phân nhánh và làm giảm chiều dài của các acid béo màng, vì thếlàm cho vi sinh vật chịu được áp suất tốt hơn (Wemekamp-Kamphuis, Karatzas,Wouters, & Abee, 2002) Các protein tạo ra trong quá trình sốc lạnh có thể bảo vệ tếbào trước áp suất cao

Sự khác nhau về ảnh hưởng của áp suất lên các giống gây bệnh của một vàiloài (Listeria monocytogenes; Staphylococcus aureus; Escherichia coli vàSalmonella typhimurium) đã được báo cáo bởi một vài tác giả (Alpas,Kalchayanand, Bozoglu, Sikes, Dunne, & Ray, 1999; Simpson & Gilmour, 1997)

2.3.3 Ảnh hưởng của thực phẩm lên khả năng chịu áp suất cao của vi sinh vật

Theo Archer (1996), 2 ảnh hưởng chính của thực phẩm lên độ an toàn vi sinhlà: ảnh hưởng của thành phần thực phẩm trong suốt quá trình xử lý và ảnh hưởngsau xử lý trong suốt quá trình phục hồi của vi sinh vật

Khả năng chịu áp suất của vi sinh vật có thể bị tác động bởi nhiều yếu tố môitrường và bên trong, bản chất của môi trường là quan trọng nhất Kết quả đạt đượctrong môi trường tổng hợp hoặc môi trường đệm không thể kết luận ngay tức khắc

về tình trạng của thành phần thực phẩm Như đã biết, thành phần thực phẩm có độacid thấp như thịt (bảng 1) và sữa (Garcıa-Graells, Masschalck, và Michiels, 1999),

có khuynh hướng bảo vệ vi khuẩn chống lại ảnh hưởng của áp suất cao so với môitrường đệm phosphate

4.674.673.975.544.513.984.223.914.553.841.29Nguồn: Garriga (chưa xuất bản)

Khả năng chịu áp suất cao của vi khuẩn có thể được gia tăng đáng kể khiđược xử lý trong môi trường giàu dinh dưỡng chứa các chất như carbohydrate, cácchất này có thể bảo vệ vi khuẩn khỏi sự hư hại (Hoover et al., 1989) Sự có mặt củacarbohydrate và protein trong thể nhũ tương thực phẩm làm gia tăng khả năng chịu

áp suất của một vài vi sinh vật (Simpson và Gilmore, 1997) Sau khi so sánh sự ứcchế vi khuẩn trong các sản phẩm thịt ở các hoạt tính nước khác nhau (bảng 2) Dựa

trên bảng ta thấy mức độ chết của Staphylococcus aureus và vi khuẩn acid lactic

trong thịt đùi lợn khô là thấp nhất nếu so với thịt bò ướp và thịt đùi lợn nấu chín.Trong thực tế, khả năng chịu áp suất cao của vi sinh vật sẽ gia tăng khi giảm hoạttính nước.

Bảng 4: So sánh sự tiêu diệt vi khuẩn Staphylococcus aureus và lactic acid

Loài Sản phẩm được đóng gói chân không

Thịt bò ướp Jambon nấu chín Jambon muối hun khóiBan đầu dùng HHP Ban đầu dùng HHP Ban đầu dùng HHPStaph aureus

0.95

2.67

0.95

3.99 0.985

3.705.63

2.58

1.12

1.06

4.57 0.987

2.744.23

2.19

0.55

2.65

1.58 0.890

2.3.4 Ảnh hưởng của loại thiết bị lên hiệu quả ức chế vi sinh vật của áp suất cao

Các thiết bị áp suất và môi trường khác nhau có thể tạo ra những kết quảkhác nhau về những vi khuẩn sống sót trong suốt giai đoạn bảo quản Hơn nữa, sựkhác nhau về thời gian, nhiệt độ, áp suất trong quá trình thực tế tại các vị trí khácnhau của thùng áp suất có thể dẫn đến một sự ức chế vi sinh vật không đồng nhất tạicác vị trí khác nhau đó Trái với quá trình thanh trùng hay tiệt trùng cổ điển, điểmtới hạn của áp suất cao là ở gần vỏ thiết bị, bởi vì sự truyền nhiệt xảy ra giữa vỏ thiết

bị và khối chất lỏng, dẫn đến sự giảm nhiệt độ sản phẩm nằm ở gần vỏ thùng Ảnhhưởng của thời gian tăng áp, tốc độ xả áp và nhiệt độ của quá trình vẫn chưa đượcnghiên cứu một cách đầy đủ Một tốc độ giảm áp chậm có thể làm giảm hiệu quả củaquá trình và do đó việc giảm áp phải được thực hiện nhanh

Sản phẩm thịt đùi lợn đã chín và bao gói được xử lý bằng áp suất tại 600MPatrong 6 phút tại 31oC trong 2 thiết bị khác nhau (A và B), số lượng vi khuẩn lactictrong suốt giai đoạn bảo quản lạnh đã được đánh giá (hình sau)

Hình 4: Động học phát triển của vi khuẩn lactic trong jambon chín theo thời

gian

Trong mẫu của thiết bị A, số lượng vi sinh vật luôn nằm dưới hàm lượngphát hiện trong suốt thời gian lưu mẫu (120 ngày, 4oC) Các mẫu trong thiết bị Bđược giữ dưới điểm phát hiện trong 30 ngày bảo quản, khi kết thúc thời gian lưu trữthì số lượng của chúng khoảng 108cfu/g Trong một thí nghiệm tương tự (bảng 3) so

sánh ảnh hưởng của áp suất lên các mẫu đùi lợn khô được cấy Listeria

monocytogenes, và trong 2 thiết bị khác nhau (A và C) tại 600MPa, 31oC trong 6phút

Bảng 5: So sánh sự tiêu diệt Listeria monocytogenes trong 2 thiết bị khác

nhau

Thời gian Thiết bị A Thiết bị C

Trước khi dùng HHP

1 ngày sau khi qua HHP

30 ngày sau khi qua HHP

60 ngày sau khi qua HHP

120 ngày sau khi qua HHP

Qua thí nghiệm thấy rằng mẫu trong thiết bị A đã vô hoạt hoàn toàn Listeria

monocytogenes (trong 10g) trong suốt giai đoạn tồn trữ (120 ngày) Trong khi ở thiết

bị C thì mầm bệnh vẫn hiện diện trong suốt thời gian tồn trữ

Sự khác nhau này không phải là do mẫu vì các mẫu được lấy từ một nguồn

và được chuẩn bị giống nhau nhưng chỉ khác thiết bị Do đó có ý kiến cho rằng cầnthiết lập các cách thức chuẩn bị mẫu cho các thiết bị áp suất trước khi kiểm tra thínghiệm

Ảnh hưởng của áp suất cao đến các cấu tử hương

Như ta đã biết thịt có hương vị tương tự như huyết thanh hoặc huyết, khi cóthay đổi về nhiệt để sản xuất sẽ ảnh hưởng đến hương vị (thường có ảnh hưởng tốt).Mùi vị của bắp thịt nấu chín thì phong phú hơn là các bắp thịt có mùi tự nhiên Hầuhết các cấu tử tạo nên hương vị và "meaty flavor" bao gồm một lượng đường khử(thường là glucose), một nguồn axit amin và peptide, và hợp chất làm tăng hương vị(taste enhancer)(ví dụ như inosinic acid; Baines và Mlotkiewicz 1984) Nói chung

có thể chấp nhận rằng hầu hết các thành phần này làm cho các mô cơ bắp tăng thờigian bảo quản, do phản ứng hóa học của các thành phần nhất định của cơ Rất ítthông tin về các ảnh hưởng của áp suất cao đến các cấu tử tạo mùi và hương vị chothịt

Trong báo cáo của Suzuki, Homma, Fukuda, Hirao, Uryu, và Ikeuchi (1994)cho thấy rằng số lượng của các peptide và axit amin dường như tăng lên khi ta xử lý

áp suất cao đến 300 MPa (5 phút) đối với bắp thịt thỏ dorsi Longissimus, nhưng sựkhác nhau giữa các lần xử lý bằng áp suất cao đã không ý nghĩa thống kê Khi các

cơ bắp được lưu trữ tại 2C trong 7 ngày, số lượng PPM (phenol reagent positivematerials) tăng lên đáng kể (khoảng 140-150%) đã được khảo sát cả đối với các cơbắp được xử lý lẫn không được xử lý bằng áp suất cao Số lượng PPM từ các cơ bắpđược xử lý áp suất cao thì cao hơn những từ các cơ bắp không được xử lý NhưngPPM lai giảm tại 400 MPa, so với 300 MPa, có thể là do một giảm nhẹ của hoạtđộng phân giải protein của enzyme nội sinh trong cơ bắp gây ra bởi áp suất cao , giảthiết này phù hợp những nghiên cứu của Ohmori, Shigehisa, Taji, và Hayashi(1992), Homma, Ikeuchi, và Suzuki (1994), và Jung, de Anton-Lamballerie, Taylor,

và Ghouk (2000) Homma et al (1994) mô tả những ảnh hưởng của việc sử dụng áp

suất cao lên enzyme phân hủy protein, đặc biệt là các enzym catheptic ảnh hưởngđến thịt độ mềm của thịt, cũng như ảnh hưởng đến acid phosphatase, là hợp chấtđược sử dụng để phá vỡ các màng lysosomal Báo cáo của họ kết luận rằng sự giatăng áp suất gây ra những tác động đến số lượng protease hoạt động cơ bắp là doviệc phát hành của các enzyme từ lysosome

Thành phần của acid inosinic (IMP), là chất được coi là đóng góp cho hương

vị “umami” của thịt (Suzuki et al 1994), hầu như không bị ảnh hưởng bởi áp suất.Những thay đổi về thành phần của các acid amin và kết quả từ phân tích bằng sắc kýlỏng cao áp (HPLC) mô hình của peptide hòa tan trong các chiết xuất từ các bắp thịtthỏ được xử lý áp suất cũng được phân tích Từ những kết quả này, cho thấy rằngkhi sự dụng áp suất cao lên các cơ thịt không gây ra những biến đổi đáng kể nào vềmùi

Ảnh hưởng áp suất cao đến độ bền màu

Có rất nhiều nghiên cứu mô tả các phương pháp xử lý áp suất cao về màu sắcthịt và ổn định chất béo Theo đề nghị của MacDougall (1983), màu sắc của thịt phụthuộc vào số lượng và loại sắc tố heme, và các tính chất tán xạ của thịt Defaye,Ledward, MacDougall, và Tester (1995) cho thấy khi sử dụng áp suất cao đối vớimyoglobin gây ra biến tính một phần và có sự phục hồi lại sau này Zip vàKauzmann (1973) đã không quan sát được sự biến tính của myoglobin ở áp suấtdưới 235 MPa ở 20C, và Ooi (1994) đã không quan sát được các biến tính cho đếnkhi áp suất ở 500 MPa ở 10oC Carlets, Veciana-Nugues, và Cheftel (1995) nghiêncứu sự thay đổi màu sắc và myoglobin trong thịt bò băm được đóng gói chân không,không khí, hoặc oxy và được xử lý bằng áp suất cao trong 10 phút Họ kết luận rằng

sự đổi màu thịt trong quá trình xử lý áp suất xuất hiện khoảng 200 MPa đến 350MPa, có thể do biến tính globin hay heme và quá trình oxy hóa của myoglobin sắt IIthành metmyoglobin sắt III, tại hoặc ở trên 400 MPa Cheah và Ledward (1997) báocáo rằng tác dụng của áp suất tại 80 MPa đến 100 MPa trong 20 phút cải thiện sự ổnđịnh màu sắc, được đo bằng tỷ lệ hình thành metmyoglobin của Longissimus dorsi

và thịt bò Psoas major tiếp xúc với không khí 2 ngày sau khi giết mổ (sau tê cứng).

Tuy nhiên, áp suất xử lý của cơ bắp từ 7 đến 20 ngày sau khi giết mổ đã không cảithiện được sự ổn định màu sắc của chúng Các kết quả này cho thấy áp suất chỉ ức

chế, ít nhất là một phần cơ chế gây ảnh hưởng đến sự ổn định màu sắc của thịt bò rấttươi

Hình 5: Màu sắc thịt ức gà dưới các điều kiện khác nhau về nhiệt độ, áp suất

trong thời gian 10 phút.

Mặc dù xử lý áp suất cao gây ra thay đổi nhìn thấy được thể hiện bằng màusắc của thịt sống, sự khác biệt màu sắc đã được giảm đi rất nhiều sau khi nấu chín.Theo đề nghị của Cheftel và Culioli (1997), sử dụng áp suất cao đối với thịt đỏ tươithì cần thiết phải có quá trình nấu sau đó hoặc nấu đồng thời khi dùng áp suất cao,rồi sau đó mới có thể mang ra thị trường tiêu thụ Ngược lại, sử dụng áp suất cao vớithịt trắng thì không cần có quá trình nấu do không gây ra bất kỳ sự khác nhau đáng

kể về màu sắc

Kết hợp với các chất chống oxy hóa:

Khi sử dụng áp suất cao, sự oxy hóa lipid cần phải được xem xét Sự oxy hóalipid là nguyên nhân chính làm hư hỏng thịt và các sản phẩm thịt trong suốt quátrình bảo quản, đặc biệt với thịt qua chế biến nhiệt và thịt có hàm lượng acid béochưa bão hòa cao

Thịt gà sau khi xử lý sẽ được bảo quản tại 5oC dưới điều kiện chiếu sáng liêntục trong 2 tuần Sử dụng TBARS là phương pháp đo sự oxy hóa chất béo trong suốtgiai đoạn bảo quản Mức độ oxy hóa được biểu diễn trong hình dưới

Hình 6: Sự hình thành các sản phẩm oxy hóa lipid trong thời gian bảo quản

Dựa vào đồ thị ta thấy áp suất ở 300 và 500 MPa hầu như không có bất kỳmột ảnh hưởng nào lên sự oxy hóa lipid Nhưng tại áp suất cao hơn 500 MPa thì sựgia tăng tốc độ oxy hóa lipid xảy ra.

Chính vì thế, việc sử dụng các chất chống oxy hóa là cần thiết cho các sảnphẩm qua xử lý áp suất cao Hiện nay, nhiều báo cáo đã được đưa ra về vấn đề nàyvới các chất chống oxy hóa như acid citric, BHA, BHT …Kết quả thu được đượcbiểu diễn dưới các hình sau

Hình 7: Ảnh hưởng của acid citric (0,2%) lên TBARS trong thịt heo xử lý tại áp

suất cao trong 20 phút tại 19 o C

Chú thích:

- ■ : không qua áp suất

- □ : không qua áp suất, có acid citric

- ▲: 400MPa

- Δ :400MPa, có acid citric

- ● : 800MPa

- ○ : 800MPa, có acid citric

Hình 8: Ảnh hưởng của BHT lên giá trị peroxide của chất béo thịt heo trong

thời gian tồn trữ ở 45 o C