ỨNG DỤNG CỦA KỸ THUẬT TRƯỜNG XUNG ĐIỆN TRONG NGÀNH THỰC PHẨM

Hòa nhịp cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật

BÁO CÁO MÔN:

NHỮNG VẤN ĐỀ MỚI TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

ĐỀ TÀI:

ỨNG DỤNG CỦA KỸ THUẬT TRƯỜNG XUNG

ĐIỆN TRONG NGÀNH THỰC PHẨM

TP.HCM, tháng 3 năm 2011

LỜI MỞ ĐẦU

Hòa nhịp cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật Ngành công nghệthực phẩm cũng đang hướng tới việc phát triển những ứng dụng của kỹ thuật hiệnđại trong sản xuất thực phẩm Hiện nay, có ba kỹ thuật hiện đại đang được ứng dụngtrong sản xuất thực phẩm đó là: kỹ thuật trường xung điện, kỹ thuật áp suất cao và

kỹ thuật siêu âm Trong đó kỹ thuật trường xung điện đang được quan tâm khánhiều Bởi những ưu điểm của kỹ thuật này hoàn toàn phù hợp với xu hướng của thịtrường người tiêu dùng thực phẩm

Vậy kỹ thuật trường xung điện là gì? Nó được sử dụng như thế nào trong Ngànhthực phẩm? Những ưu điểm của kỹ thuật này là gì? Liệu người tiêu dùng có đượchưởng lợi gì từ kỹ thuật này hay không? Để giải đáp tất cả những câu hỏi đó chúng

em đã trải qua thời gian nghiên cứu và tìm hiểu Bài tiểu luận này chính là kết quảcuối cùng

Tuy nhiên, do thời gian và trình độ còn hạn chế nên bài còn nhiều thiếu sót Mongthầy và các bạn góp ý thêm Chúng em chân thành cảm ơn!

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT TRƯỜNG XUNG ĐIỆN

1.1 Định nghĩa

Trường xung điện (PEF) là một phương pháp không sử dụng nhiệt trong bảo quảnthực phẩm và có sử dụng dòng điện để vô hoạt hoá vi sinh vật và ảnh hưởng tốithiểu hoặc không gây hại đến các thuộc tính chất lượng thực phẩm PEF có thể đượcdùng để chế biến các sản phẩm thức ăn lỏng và nửa lỏng

Quá trình chế biến cường độ cao xung điện trường (PEF) liên quan đến việc ápdụng các xung điện áp cao (thường 20-80 kV / cm) để thực phẩm được đặt giữa 2điện cực Xử lý PEF được thực hiện ở nhiệt độ môi trường xung quanh hoặc hơi caohơn nhiệt độ môi trường xung quanh chưa tới 1s, và tổn thất năng lượng để làmnóng các loại thực phẩm được giảm thiểu Đối với các thuộc tính chất lượng thựcphẩm, công nghệ PEF được xem là tiện ích hơn xử lý nhiệt truyền thống đố với cácloại thực phẩm vì nó tránh hoặc làm giảm đáng kể những thay đổi bất lợi các đặctính cảm quan và vật lý trong các loại thực phẩm (Quass 1997) Mặc dù một sốnghiên cứu đã kết luận rằng PEF bảo tồn các thành phần dinh dưỡng trong thựcphẩm, ảnh hưởng của PEF về hóa chất và cạnh dinh dưỡng trong thực phẩm phảiđược hiểu rõ hơn trước khi nó được sử dụng trong chế biến thực phẩm (Qin vànhững người khác 1995b)

1.2 Mô tả về trường xung điện

PEF có thể được áp dụng dưới các hình thức theo cấp số nhân phân rã, sóng vuông,lưỡng cực, hoặc xung dao động Một làn sóng điện áp theo cấp số nhân phân rã làmột điện áp một chiều mà tăng lên nhanh chóng đến một giá trị tối đa và phân rã từ

từ về giá trị không Các mạch như trong hình 1 có thể được sử dụng để tạo ra mộtdạng sóng phân rã theo hàm mũ Một nguồn điện DC nạp điện cho một tụ điện nốitiếp với một điện trở sạc (R s). Khi một tín hiệu kích hoạt được áp dụng, điện nănglưu trữ trong tụ điện chạy vào trong thức ăn trong buồng chế biến

Những dạng sóng xung lực hình vuông có thể gây tử vong và hiệu quả năng lượngnhiều hơn so với xung lực phân rã theo hàm mũ Một dạng sóng vuông có thể thuđược bằng cách sử dụng một mạng lưới hình thành xung lực (PFN) bao gồm mộtloạt các tụ điện và cuộn cảm và các thiết bị chuyển mạch trạng thái rắn (Hình 2) Các xung lực phụ tải tức thì đảo ngược được đặc trưng bởi một phần electron ( + )

và một phần electron ( - )(Hình 3) với độ rộng khác nhau và độ cao các đỉnh củapeak khác nhau Chiều rộng của xung lực phụ tải tức thì đảo ngược với sự đảo

ngược phụ tải ở cuối xung động thì khác nhau đáng kể so với một xung lực lưỡngcực chuẩn.

Tại thời điểm sau đó, các cực của những xung lực được đảo ngược luân phiên vớithời gian nghỉ giữa những xung lực Ngay cả với một xung lực tần số cao hơn (ví dụ,

1000 Hz), thời gian nghỉ của điện môi ở điện áp bằng không giữa những sóng xunglực vuông 4 μss là 0,996 ms (Quass 1997) Những xung lực nghịch đảo tức thời cóthể làm giảm mạnh nhu cầu năng lượng thấp đến mức 1,3 J / ml (EPRI 1998)

Hình 3 Một vạch điện áp (V) của một xung lực nghịch đảo tức thời, a là chu kỳxung (s), b là độ rộng xung (μss), c là thời gian (s) tăng xung động để đạt e (kV), d làchiều rộng tăng giảm đột biến (s), e là một điện áp đỉnh (kV), và f được một điện áptăng giảm đột biến (kV) (Hồ và những người khác 1995)

Dao động xung phân rã là những hiệu quả tối thiểu, bởi vì chúng ngăn chặn các tếbào khỏi bị liên tục tiếp xúc với một trường điện cường độ cao trong một thời gian

kéo dài, do đó ngăn ngừa các màng tế bào khỏi sự cố không thuận nghịch trên mộtvùng lớn (Jeyamkondan và những người khác 1999).

1.3 Hiện trạng sử dụng trường xung điện trong ngành thực phẩm

Áp dụng công nghệ PEF đã được chứng minh thành công đối với việc thanh trùngcác loại thực phẩm như nước hoa quả, sữa, sữa chua, súp, và trứng lỏng Áp dụngcủa PEF chế biến bị hạn chế đối với sản phẩm thực phẩm không có bọt khí và có độdẫn điện thấp Các kích thước hạt tối đa trong chất lỏng phải nhỏ hơn khoảng cáchcủa các khu vực xử lý trong khoang chứa để đảm bảo điều trị thích hợp PEF là mộtphương pháp chế biến liên tục, không phù hợp cho các sản phẩm thức ăn rắn màkhông có khả năng bơm được PEF cũng được áp dụng để tăng khả năng chiết xuấtcác đường và hàm lượng tế bào khác từ các tế bào thực vật, chẳng hạn như củ cảiđường PEF cũng thấy các ứng dụng trong việc giảm khối lượng rắn (bùn) của nướcthải

Tại Hoa Kỳ, quy mô thương mại đầu tiên hệ thống liên tục PEF được đặt tại Sở Đạihọc bang Ohio của của thực phẩm Khoa học và Công nghệ Hệ thống này PEF làmột phần của một hệ thống xử lý thực phẩm mới kết hợp bởi một phòng tài trợ BộQuốc phòng tài trợ, liên minh trực tiếp Đại học công nghiệp Đa dạng TechnologiesInc, Bedford, MA, xây dựng hệ thống thương mại PEF khối lượng chế biến khácnhau, từ 500 đến 2.000 lít / giờ, với trường Đại học Nhà nước Ohio cung cấp việnđiều trị PEF

Các phương tiện truyền thông truyền tải cảm tưởng rằng công nghệ PEF đã đượchoàn thiện lần đầu tiên tại Ấn Độ và đã sẵn sàng cho sử dụng thương mại Ngược lạinhiều công việc cần phải làm để chuẩn hóa quá trình chế biến các sản phẩm trái câynhiệt đới và thực vật phổ biến trong nước Sữa có lẽ là đối tượng thích hợp nhất để

áp dụng hàng loạt công nghệ này, nhưng thực tế không có thông tin đáng tin cậy liênquan đến sự phù hợp của nó đối với một hợp chất phức tạp như protein-chất béo nhưsữa Vài báo cáo cho thấy ứng dụng của PEF đi đôi với việc gia nhiệt có thể kéo dàithời hạn sử dụng của sữa lên tới 24 ngày Hãy tưởng tượng những thuận lợi cho

người tiêu dùng trung lưu khi các gói sữa mà mỗi ngày đến trước nhà họ, có thểđược giữ trong điều kiện môi trường xung quanh hay thậm chí trong tủ lạnh ít nhấtmột tuần hoặc nhiều hơn Đây là nơi mà nỗ lực kêu gọi Ấn Độ là nước sản xuất sữalớn nhất thế giới và một phần lớn được tiêu thụ như sữa dung dịch trong hàng triệungôi nhà tổ chức trên toàn quốc.

Chương 2: QUY TRÌNH LÀM VIỆC CỦA TRƯỜNG XUNG ĐIỆN

2.1 Phân tích các yếu tố quan trọng

Có ba yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hoạt động khử vi sinh vật của kỹ thuậttrường xung điện:

- Quá trình: cường độ điện trường, độ rộng xung, nhiệt độ và thời gian xử lý,hình dạng của sóng xung

- Vi sinh vật: chủng loại, số lượng, giai đoạn tăng trưởng của vi sinh vật

- Các yếu tố sản phẩm: pH, độ dẫn điện, lực ion…

2.1.1 Các yếu tố quá trình

a Cường độ điện trường

Cường độ điện trường là một trong những yếu tố chính ảnh hưởng đến khả năng vôhoạt hóa các vi sinh vật (theo Hüshelguer và Niemann 1980; Dunne và cộng sự1996) Sự gia tăng số lượng các vi khuẩn bị vô hoạt tỷ lệ thuận với sự gia tăngcường độ điện trường ( theo Qin và cộng sự, năm 1998) Điều này phù hợp với lýthuyết electroporation Trong đó, các tác động gây ra qua màng tế bào là tỷ lệ thuậnvới điện trường áp dụng Một số mô hình toán học thực nghiệm đã được đề xuất để

mô tả mối quan hệ giữa cường độ điện trường và sự vô hoạt của các vi khuẩn

Độ rộng của xung điện cũng ảnh hưởng đến khả năng vô hoạt các vi sinh vật Ví

dụ, với độ rộng xung lớn hơn 50 s thì Ec là 4,9 kV/cm, còn với độ rộng xung nhỏhơn 2s thì Ec là 40 kV/cm ( theo Schoenbach và những người khác 1997)

b Thời gian xử lý

Thời gian xử lý là kết quả của số lượng xung và thời gian xung, theo đó sự gia tăngbất kì của các yếu tố này sẽ làm tăng khả năng vô hoạt hóa các vi sinh vật (Sale vàHamilton 1967) Như đã nói ở trên, chiều rộng xung tăng hay giảm cũng ảnh hưởngđến khả năng vô hoạt hóa các vi sinh vật bằng cách tác động đến cường độ điệntrường Tuy nhiên, việc kéo dài thời gian xung có thể làm tăng nhiệt độ thực phẩmmột cách không mong muốn Do đó, các điều kiện chế biến tối ưu nên được thiết lập

để các thiết bị xung điện trường có thể cho kết quả làm việc tốt nhất với tác dụnglàm nóng thấp nhất Hülsheger và cộng sự (1981) đã đề xuất một mô hình vô hoạthóa liên quan đến phần sống của vi sinh vật (S) với thời gian xử lý bằng PEF (t).Qua đó cho thấy số lượng vi sinh vật ngừng hoạt động tăng lên tương ứng với mứctăng thời gian xử lý

Mức độ quan trọng của thời gian xử lý cũng phụ thuộc vào cường độ điện trường

áp dụng

c Hình dạng sóng xung

Trường xung điện có thể được áp dụng theo hình thức phân rã, sóng vuông, daođộng, lưỡng cực Trong đó, hình thức dao động là hiệu quả nhất để vô hoạt hóa các

vi sinh vật vá các sóng vuông thì có nhiều năng lượng và hiệu quả làm chết tốt hơn

so với các xung phân rã Xung lưỡng cực làm chết tốt hơn so với các xung chỉ cómột cực vì một xung điện trường gây ra chuyển động của các phân tử tích điện trongcác màng tế bào của vi sinh vật và đổi chiều theo hướng hoặc chiều phân cực củađiện trường gây ra một sự thay đổi tương ứng theo hướng của các phân tử mang điện(theo Ho và cộng sự 1995; Qin cộng sự 1994) Với xung lưỡng cực, sự chuyển độngcủa các phân tử tích điện gây ra áp lực trên màng tế bào và tăng khả năng phá vỡ nó.Dùng xung lưỡng cực sẽ thuận lợi trong việc tiết kiệm năng lượng, giảm lắng đọngcủa các chất rắn trên bề mặt điện cực

Các xung đảo ngược tức thì có thể được mô tả như là một phần mang điện vàotrước thì ngay tức thì một phần không mang điện vào sau Đặc tính này của hìnhdạng sóng chịu ảnh hưởng bởi độ dẫn điện của các thực phẩm đem đi xử lý

Sự khác biệt giữa các xung đảo ngược và xung lưỡng cực là thời gian phục hồi củacác xung Tác dụng vô hoạt hóa của các xung đảo ngược liên tục là gây ra áp lực xen

kẽ trên tế bào vi khuẩn là nguyên nhân làm cấu trúc của chúng yếu đi Hiệu quả củadạng sóng khi vô hoạt hóa các vi sinh vật so với phương pháp khác là có thể tiếtkiệm 1/5 đến 1/6 tổng số năng lượng và chi phí thiết bị Tuy nhiên, các nghiên cứusâu hơn là cần thiết để chứng minh tác dụng vô hoạt hóa vi sinh vật của phươngpháp này

Một nghiên cứu tiến hành bởi Zhang và cộng sự (1997) cho thấy ảnh hưởng củasóng vuông, sóng phân rã và các xung đảo ngược tức thì đến thời gian bảo quản củanước cam Ba loại dạng xung được sử dụng là:

1 Sóng vuông với điện trường cao 35 kV / cm, có chiều rộng xung là 37,22 μss vàkéo dài xung một thời gian là 60 ns

2 Phân rã theo cấp số nhân với một sóng điện trường cao 62,5 kV / cm, có chiềurộng xung là 0,57 μss và xung một thời gian là 40 ns

3 Xung đảo ngược với điện trường cao điểm là 37 kV / cm, có chiều rộng xung 0,96μss, và xung một thời gian là 400 ns

Kết quả nghiên cứu cho thấy sóng vuông có hiệu quả hơn so với hai sóng còn lại

Qin và cộng sự (1994) cũng đã nghiên cứu khả năng vô hoạt của S Cerevisiae khi

sử dụng hai dạng sóng là hình mũ phân rã và sóng vuông, ở cùng điều kiện điệntrường cao điểm là 12 KV/cm và 60J/xung Kết quả này cho thấy cả hai dạng sóngđều cho hiệu quả vô hoạt vi sinh vật, nhưng với sóng vuông thì cho hiệu quả tốtnhất

d Nhiệt độ xử lý

Kết quả thực nghiệm đã chứng minh rằng, nhiệt độ xử lý và nhiệt độ chế biến cóảnh hưởng đến sự sống sót và phục hồi của vi sinh vật

Xử lý bằng phương pháp PEF ở nhiệt độ vừa phải ( từ 50-60oC) đã được tiến hành

để cho thấy tác dụng của nhiệt độ đến vô hoạt hóa các vi sinh vật Với cường độđiện trường không đổi, mức độ vô hoạt hóa tăng theo sự gia tăng nhiệt độ Cường độ

điện trường là nguyên nhân làm tăng nhiệt độ của một vài thực phẩm, vì vậy, việclàm nguội là cần thiết để duy trì nhiệt độ của thực phẩm xuống thấp hơn những thựcphẩm được tạo ra bởi thanh trùng.

Ảnh hưởng của nhiệt độ được quan sát khi thấy E coli giảm từ 1-6,5 lần trong chu

kỳ tương ứng với sự thay đổi nhiệt độ từ 32-55oC (Vega-Mercado và cộng sự, năm1996)

2.1.2 Các yếu tố về sản phẩm

a Tính dẫn điện, pH, lực ion

Các tính dẫn điện trung bình ( đơn vị σ, Siems / m) được định nghĩa như là khảnăng dẫn điện hiện hành, là một biến quan trọng trong PEF Dẫn điện là nghịch đảocủa điện trở suất, được định nghĩa bởi các tính hiệu r và được đo bằng ohm-mét(W.m) Thực phẩm có tính dẫn điện cao gây ra những điểm điện nhỏ hơn trên buồng

xử lý, do đó không thích hợp để xử lý bằng PEF (Barbosa-Cánovas và cộng sự,

1999) Khi vô hoạt hóa Lactobacillus brevis bằng PEF cho thấy tính dẫn của chất

lỏng tăng lên, khả năng chống ăn mòn của buồng xử lý đã giảm Do đó, làm giảm độrộng xung và giảm khả năng vô hoạt các vi sinh vật Bởi vì tính dẫn điện tăng dẫnđến kết quả là lực liên kết ion trong chất lỏng cũng tăng Hơn nữa, sự gia tăng độchênh lệch giữa độ dẫn điện của một tế bào và vi sinh vật sẽ làm suy yếu cấu trúcmàng tế bào do một chất làm tăng lượng ion qua màng tế bào

Vega-Mercado và cộng sự (1996) đã nghiên cứu tác động của pH và lực ion củamôi trường trong khi xử lý bằng PEF Tỷ lệ vi sinh vật bị vô hoạt hóa tăng khôngthể nhận biết từ chu kỳ 2,5 khi lực ion được điều chỉnh từ 168-28mm Dunne vàcộng sự (1996) báo cáo rằng, tùy thuộc vào loại vi sinh vật, độ pH mà làm tăng khảnăng vô hoạt hóa các vi sinh vật

b Hạt thực phẩm

Khử hoạt tính của vi sinh vật trong hệ thống hạt chất lỏng đã được nghiên cứu bởi

Dunne và cộng sự tại (1996) Theo đó, E coli, L innocua, aureus Staphyloccocus,

Lactobacillus acidophilus đã bị vô hoạt trong trong hệ thống hạt alginate có đường

kính là 2mm và ảnh hưởng của các biến khác trong phương pháp này cũng đã đượcthử nghiệm.

c) Kết hợp các yếu tố

Nhìn chung, sự kết hợp của các yếu tố (chướng ngại) như pH, độ ion và các hợpchất kháng sinh trong điều trị PEF sẽ là một phương tiện hiệu quả để hỗ trợ trongviệc vô hoạt hóa các vi sinh vật với PEF

2.1.3 Các yếu tố vi sinh vật

a Loại vi sinh vật

Trong số các vi khuẩn, các vi khuẩn gram dương có khả năng kháng PEF cao hơn

so với những vi khuẩn gram âm Nhìn chung, nấm men dễ bị tác động hơn so với visinh vật do chúng có kích thước lớn hơn, mặc dù ở cường độ điện thấp, chúng cóthể tránh được nhiều hơn so với các tế bào vi khuẩn gram âm (Sale and Hamilton1967; Qin and others 1995a) Một so sánh giữa sự vô hoạt của hai loại nấm men cókích thước khác nhau cho thấy cường độ điện trường cần thiết để chúng ngừng hoạtđộng tỷ lệ nghịch với kích thước tế bào Những kết quả trên hợp lý nhưng khôngphù hợp với kết quả của Hülsheger và cộng sự (1983) Vì vậy các nghiên cứu tronglĩnh vực này cần được tiếp tục để hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của loại vi sinh vật đếnkết quả của phương pháp PEF

b Số lượng vi sinh vật

Số lượng vi sinh vật có trong thực phẩm có thể ảnh hưởng đến sự vô hoạt hóachúng bằng phưong pháp PEF Barbosa-Cánovas và cộng sự (1999) đã báo cáo rằng

mức độ vô hoạt hóa E coli trong một hệ thống thực phẩm dạng sữa ultrafiltrate

(SMUF) không bị ảnh hưởng khi nồng độ của vi sinh vật được thay đổi từ 103-108

cfu/ml sau khi phải chịu đến 70 KV/cm, 16 xung và chiều rộng xung là 2 μss

Còn trong nước táo, ở điều kiện 25 kV / cm, 1 xung, và độ rộng xung là 25 μss, nếu

tăng số lượng S Cerevisiae thì khả năng vo hoạt hóa sẽ giảm đi Ảnh hưởng của

nồng độ vi sinh vật đến mức độ vô hoạt hóa có thể liên quan tới sự hình thành nhómcác tế bào nấm men hoặc vi sinh vật được giấu trong khu vực có điện trường thấp

c) Giai đoạn sinh trưởng của vi sinh vật

Nhìn chung, các tế bào ở giai đoạn tăng trưởng mạnh thì nhạy cảm hơn so với các

tế bào ở giai đoạn tăng trưởng chậm hoặc suy thoái Vi sinh vật trong giai đoạn tăngtrưởng mạnh được đặc trưng bởi quá trình phân chia tế bào liên tục Trong đó, màng

tế bào nhạy cảm hơn với điện trường áp dụng Hülsheger và cộng sự (1983) kết luậnrằng tế bào từ các giai đoạn tăng trưởng mạnh nhạy cảm với PEF hơn là giai đoạn

tăng trưởng chậm và suy thoái Nghiên cứu với E Coli cho kết quả tương tự.

Gaskova và cộng sự (1996) báo cáo rằng hiệu quả làm chết của PEF trong giai đoạntăng trưởng mạnh là 30% lớn hơn trong giai đoạn chậm hoặc ngừng tăng trưởng

2.2 Cơ chế khử hoạt vi sinh vật

Hai cơ chế đã được đưa ra như là phương thức hoạt động của PEF trên vi sinh vật:

và electroporation

2.2.1 Electrical breakdown

Zimmermann (1986), như trong hình 5 đã giải thích những gì điện phá hủy màng tếbào Màng này có thể được coi là một tụ đầy với một chất điện môi (Hình 5a) Sựkhác biệt là khả năng chống lại bình thường trên màng V'm là 10 mV và dẫn đếnhình thành sự khác biệt thế màng V do sự tích điện trên màng tế bào V là tỷ lệ thuận

với cường độ trường E và bán kính của tế bào Sự gia tăng điện thế màng dẫn đến

giảm độ dày màng tế bào Sự phá hủy màng xảy ra nếu điểm tới hạn điện thế Vc đạtđược một sự gia tăng hơn nữa cường độ trong trường bên ngoài (Hình 5c) Người tacho rằng sự phá hủy gây ra sự hình thành các lỗ rỗng trên màng (đầy dung dịch dẫnđiện), dẫn đến sự phóng điện ngay lập tức tại màng tế bào và do đó phân hủy màng

tế bào Sự phá hủy có thể hồi phục nếu sản phẩm các lỗ rỗng là nhỏ đối với tổng bềmặt màng Trên điểm tới hạn cường độ trường với thời gian tiếp xúc dài, khu vựclớn hơn của màng là bị phân hủy (Hình 5d) Nếu kích thước và số lượng các lỗ chânlông trở nên lớn đối với tổng bề mặt màng, sự phá hủy có thể hồi phục biến thành sựphá hủy không thể hồi phục, đó là liên quan đến phá hủy cơ học của màng tế bào