nguyên lý ứng dụng kỹ thuật dpcd vào công nghệ thuc phẩm

Đồ án Công nghệ Thực phẩm LỜI NÓI ĐẦU Xã hội ngày phát triển, nhu cầu người ngày nâng cao đòi hỏi kỹ thuật phải có bước phát triển phù hợp Công nghệ thực phẩm không ngoại lệ Việc tìm phương pháp xử lý mới, sản phẩm nguồn nguyên liệu trở thành vấn đề mang tính chiến lược CO2 siêu tới hạn đề tài tìm hiểu nhiều suốt thời gian gần nhờ ưu điểm mà CO2 siêu tới hạn ứng dụng nhiều lónh vực nghiên cứu thực tế trích ly, tinh sạch, làm môi trường phản ứng Đặc biệt, việc sử dụng CO2 siêu tới hạn để trùng, tiệt trùng thực phẩm nhiều nhà khoa học nghiên cứu đưa kết luận ưu điểm kỹ thuật so với kỹ thuật truyền thống Nhiệm vụ đồ án “Tổng quan tài liệu kỹ thuật Dense Phase CO2 – Nguyên lý ứng dụng công nghệ thực phẩm” tìm hiểu kỹ thuật trùng, tiệt trùng dùng CO2 siêu tới hạn, gọi kỹ thuật Dense Phase Carbon Dioxide (DPCD), phân tích ảnh hưởng kỹ thuật lên chất lượng thực phẩm nguyên lý ứng dụng kỹ thuật DPCD vào công nghệ thực phẩm Đồ án Công nghệ Thực phẩm Chương GIỚI THIỆU Các kỹ thuật không dùng nhiệt (chiếu xạ, dùng áp lực cao (UHP), dùng xung động điện, kỹ thuật dense phase CO2 (DPCD), xung động từ trường) nhằm tiêu diệt vi sinh vật vô hoạt enzyme thực phẩm thu hút quan tâm ngày chấp nhận phương pháp xử lý thực phẩm giàu tiềm khả dó thay hay hỗ trợ cho kỹ thuật xử lý truyền thống trùng, tiệt trùng sử dụng phụ gia So với kỹ thuật truyền thống kỹ thuật giúp làm giảm thay đổi mùi vị cách không mong muốn trình xử lý, biến tính thành phần dinh dưỡng, tạo độc tố thay đổi tính chất vật lý, hoá lý sản phẩm Trong kỹ thuật không dùng nhiệt nói kỹ thuật Dense phase CO2 xem kỹ thuật có nhiều ưu điểm Dense phase CO2 (DPCD) kỹ thuật sử dụng CO2 trạng thái dense phase (trạng thái siêu tới hạn) để vô hoạt vi sinh vật enzyme có nguyên liệu nhiệt độ thấp mà giảm ảnh hưởng bất lợi nhiệt đến chất lượng thực phẩm Kỹ thuật nghiên cứu 50 năm qua, đặc biệt thập kỷ vừa qua, ảnh hưởng lên tế bào sinh dưỡng, bào tử vi sinh vật, bao gồm mầm bệnh, vi sinh vật gây thối, nấm men, nấm mốc, nhiều loại enzyme khác chứng minh Nhiều thực phẩm lỏng đạt giá trị cảm quan tốt, giữ hương vị tự nhiên, giá trị dinh dưỡng tính chất hoá lý sau xử lý DPCP Mặt khác, CO2 loại nguyên liệu không độc, không gây cháy nổ, giá thành thấp, bên cạnh thành phần nhiều loại thực phẩm chẳng hạn loại thức uống có gas Đồ án Công nghệ Thực phẩm Nghiên cứu cho mở đầu cho khả ứng dụng kỹ thuật DPCD nghiên cứu Fraser (1951) Nghiên cứu kết luận giải phóng đột ngột khí CO2 áp suất cao khoảng 34 atm áp suất thường phá vỡ tế bào vi khuẩn Quá trình tiến hành nghiên cứu có bước nén CO2 áp suất cao để tăng khả thẩm thấu qua màng tế bào giải phóng áp suất khiến CO2 giãn nở phá vỡ tế bào Giả thuyết ngày chứng minh công trình Fraser cộng xem chứng ứng dụng kỹ thuật DPCD phương pháp trung, tiệt trùng không dùng nhiệt Năm 1969, nhà sản xuất Swift & Co nhận sáng chế Hoa Kỳ cho phát minh hệ thống tiệt trùng thực phẩm sử dụng CO2 Họ kết luận thực phẩm tiệt trùng giữ mùi vị tự nhiên tiệt trùng CO2 áp suất cao Kể từ đó, nhiều nghiên cứu tiến hành nhằm tìm hiểu chế, động học yếu tố ảnh hưởng đến trình xử lý thực phẩm dùng kỹ thuật DPCD để tối ưu hoá trình xử lý Bên cạnh đó, nhà khoa học tìm hiểu ảnh hưởng kỹ thuật lên thực phẩm tiến hành so sánh với kỹ thuật trùng, tiệt trùng khác Ngày nay, kỹ thuật DPCD cho thấy ưu điểm tầm ứng dụng rộng rãi công nghệ cần xử lý vi sinh vật enzymes Nhiều nghiên cứu tiến hành với quy mô lớn nhỏ khác để tìm hiểu sâu kỹ thuật ưu việt Đồ án Công nghệ Thực phẩm Chương KHÁI NIỆM, TÍNH CHẤT DENSE PHASE CO2 2.1 Giới thiệu CO2 2.1.1 Lịch sử Carbon dioxide loại khí xác định tồn tự không khí Vào kỷ 17, Jan Baptist Helmont, nhà hoá học người Bỉ, người phát tồn loại khí không màu sau thí nghiệm đốt than củi gọi loại “gas” Trong thập niên 50 kỷ 17, Joseph Black, nhà vật lý học người Scotland, tìm hiểu tính chất CO2 kết luận loại khí nặng không khí, không trì cháy sống sinh vật, tạo cách nung nóng hay cho đá vôi tác dụng với acid Ông nhận thấy dung dịch nước vôi sau sục khí CO2 hoá đục tạo thành calcium carbonate, dùng tượng giải thích cho việc tạo thành CO2 từ hoạt động trao đổi chất người, động vật từ trình lên men vi sinh vật Sau đó, nhà hoá học người Pháp, ông Antoine Lavoisier chứng minh chất khí tạo thành từ phản ứng đốt cháy than củi Jan Baptist Helmont có tính chất Black mô tả oxide carbon Năm 1775, Joseph Priestley sử dụng CO2 tạo thành từ phản ứng acid sulfuric đá vôi để sản xuất soda, loại thức uống có CO2 Năm 1823, Humphrey Davy Micheal Faraday lần hoá lỏng CO2 Năm 1834, Charles Thilorier tai nạn tình cờ phát cách tạo carbon dioxide dạng rắn (thường gọi băng khô) sau mở bình cao áp chứa CO2 Đồ án Công nghệ Thực phẩm Ngày nay, CO2 tìm hiểu kỹ lưỡng ứng dụng nhiều lónh vực khác 2.1.2 Tính chất vật lý hoá học CO2 Carbon dioxide hợp chất hoá học không phân cực, hình thành từ nguyên tử carbon nối đôi với hai nguyên tử oxy, có công thức hoá học CO2 Hình 2.1: Cấu trúc phân tử CO2 CO2 tồn trạng thái khí điều kiện thường, không màu, không mùi, không trì cháy, tồn không khí với nồng độ xấp xỉ 0,03%, độc với người động vật Bảng 2.1: Một số thông số hoá lý CO2 Khối lượng riêng (đkc) 1,98 kg/m3 Độ tan nước (to phòng) 1,45 kg/m3 Điểm đông đặc -57oC (nén) -78oC (thăng hoa) Điểm sôi pKa1 6,35 pKa2 10,33 o Độ nhớt (-78 C) 0,07 cP Nhiệt độ tới hạn 31,1oC p suất tới hạn 7,37 MPa Khả hoà tan nước CO2 tính chất quan trọng Tại điều kiện thường (14,7 psi, 15oC), thể tích CO2 hoà tan hoàn toàn thể tích nước Tuy nhiên, để trì hoà tan ta cần phải trì áp suất, không CO2 giải phóng khỏi nước dạng bọt nhỏ Khả hoà tan CO2 phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ pH dung dịch, cụ thể hàm lượng CO2 hoà Đồ án Công nghệ Thực phẩm tan nước tăng tăng áp suất, giảm nhiệt độ tăng pH Trong đó, áp suất ảnh hưởng lớn đến khả hoà tan CO2: áp suất cao lượng CO2 hoà tan nhiều Khả hòa tan CO2 vào nước p suấ t (psi) Hình 2.2: Đồ thị biểu diễn khả hoà tan CO2 nước nhiệt độ khác theo áp suất Quá trình hoà tan CO2 vào nước mô tả sau: Ban đầu, CO2 trạng thái khí hoà tan vào nước Sau đó, CO2 tương tác với nước để tạo thành acid carbonic Chỉ khoảng 1% CO2 hoà tan tồn dạng H2CO3 Acid carbonic acid yếu, phân ly qua hai giai đoạn H2CO3 ↔ H+ + HCO3- pKa = 6,57 HCO3- pKa = 10,62 + ↔H + CO32- Acid carbonic bị phân huỷ tạo thành CO2 nước Đồ án Công nghệ Thực phẩm Ngoài ra, CO2 hợp chất không phân cực, mà dễ dàng tan vào dung môi không phân cực chất béo Đây đặc tính quan trọng CO2 ứng dụng trạng thái dense phase để trùng hay tiệt trùng thực phẩm CO2 hoà tan vào phần kỵ nước màng lipid kép tế bào vi sinh vật gây biến tính màng 2.1.3 Giản đồ pha CO2 Hình 2.3: Giản đồ pha CO2 CO2 tồn nhiều trạng thái khác nhau: rắn, lỏng, khí tuỳ thuộc vào điều kiện áp suất nhiệt độ Tại điểm tới hạn (critical point), tăng áp suất nhiệt độ, CO2 tiến vào vùng trạng thái siêu tới hạn (supercritical), có tính chất nằm trạng thái lỏng khí Tại nhiệt độ cố định nhiệt độ tới hạn Tc, ta tăng áp suất, CO2 không ngưng tụ chuyển trạng thái lỏng được, khối khí CO2 bị nén lại, mà mật độ chúng tăng lên, tạo nên trạng thái dày đặc mà ta gọi trạng thái dense phase Vì vậy, trạng thái dense phase xem trạng thái siêu tới hạn Đồ án Công nghệ Thực phẩm 2.2 Tổng quan dense phase CO2 (Coustantina Tzia George Liadakis, 2003) 2.2.1 Định nghóa dense phase hay trạng thái siêu tới hạn Trạng thái siêu tới hạn trạng thái chất, hợp chất hay hỗn hợp mà nhiệt độ áp suất tồn nhiệt độ tới hạn (Tc), áp suất tới hạn (Pc) áp suất chuyển sang thể rắn chất 2.2.2 Nguyên lý tạo thành CO2 siêu tới hạn Trạng thái chất biến đổi thay đổi thông số trạng thái chất Nguyên tắc tạo trạng thái siêu tới hạn chất hiệu chỉnh nhiệt độ áp suất chất phải lớn nhiệt độ tới hạn áp suất tới hạn Bảng 2.2: Nhiệt độ tới hạn áp suất tới hạn số chất thông dụng Như vậy, CO2, ta trì áp suất 7,37 Mpa nhiệt độ 31,1oC tạo CO2 trạng thái siêu tới hạn 2.2.3 Tính chất lưu chất siêu tới hạn 2.2.3.1 Hằng số tới hạn Điểm tới hạn chất xác định nhiệt độ áp suất, trạng thái pha lỏng pha khí phân biệt Đồ án Công nghệ Thực phẩm Khi chất bị nén gia nhiệt đến áp suất nhiệt độ cao điểm tới hạn chất chuyển sang trạng khác gọi trạng thái siêu tới hạn Nhiệt độ, áp suất thể tích mol chất điểm tới hạn gọi nhiệt độ tới hạn (Tc), áp suất tới hạn (Pc) thể tích mol tới hạn (Vc) tương ứng Các tham số gọi số tới hạn Mỗi chất có số tới hạn định (bảng 2.2) 2.2.3.2 Tỷ trọng Tỷ trọng lưu chất siêu tới hạn thay đổi nhiệt độ áp suất tương ứng môi trường thay đổi Trong trường hợp, gia tăng nhiệt độ dẫn đến giảm tỷ trọng Tỷ trọng lưu chất biến đổi nhanh vùng nhiệt độ áp suất gần điểm tới hạn Tỷ trọng rút gọn (ρr = ρ/ρc) hợp chất tinh khiết áp suất rút gọn (Pr = P/Pc) 1,0 thay đổi từ giá trị khoảng 0,1 (tỷ trọng giống chất khí) đến khoảng 2,0 (tỷ trọng giống chất lỏng) ta tiến hành hiệu chỉnh nhiệt độ rút gọn (Tr = T/Tc) dãy từ 0,9 – 1,2 (hình 2.4, bảng 2.3) Hình 2.4: Sự biến thiên tỷ trọng rút gọn chất vùng lân cận tới hạn Đồ án Công nghệ Thực phẩm Bảng 2.3: So sánh đặc tính vật lý chất lỏng, chất khí chất lỏng siêu tới hạn Khi tỷ trọng lưu chất siêu tới hạn có giá trị tương đương với tỷ trọng chất trạng thái lỏng chất lỏng siêu tới hạn hoạt động dung môi lỏng Tuy nhiên, nhiệt độ rút gọn tăng đến giá trị khoảng 1,6, chất lỏng siêu tới hạn trở nên giống chất khí giãn nở tăng với tăng nhiệt độ 2.2.3.3 Hằng số điện môi Tại áp suất cao, chất khí không tồn trạng thái khí lý tưởng tăng cường liên kết vật lý ion, lưỡng cực, lưỡng cực tạm thời nhiều cực ảnh hưởng tới tương tác phân tử hệ Năng lượng tương tác (Eq) điện tích q1, q2 xác định hàm số điện môi (ε) khoảng cách điện tích (r) Eq = q1 q 4π ε r Hằng số điện môi tónh thông số hiệu để đánh giá đặc tính dung môi chất lỏng có cực ethanol, methanol nước Hằng số điện môi thông số phụ thuộc vào tỷ trọng thay đổi cách hiệu chỉnh nhiệt độ áp suất hệ Hằng số điện môi chất lỏng siêu tới hạn thông số quan trọng để ước lượng tăng cường liên kết nội phân tử thông qua tương tác lưỡng cực – lưỡng cực Ví dụ: nhiệt độ 40oC, giá trị số điện môi CO2 tăng áp suất tăng từ 70 – 200.105Pa đạt trạng thái giống chất lỏng áp suất hệ dao động quanh giá trị 200.105Pa Như vậy, áp suất cao liên kết nội phân tử củng cố, tính chất không phân cực CO2 tăng cường Điều 10 Đồ án Công nghệ Thực phẩm Hình 4.2: Hệ thống thiết bị sử dụng phương pháp microbubble liên tục (Shimoda cộng sự, 1998) 4.3.1.3 Hoạt động CO2 sau điều chỉnh áp suất nhiệt độ theo yêu cầu bơm liên lục vào bình chứa qua lưới phân phối bên Nguyên liệu bơm vào bình chứa phía hoà trộn với CO2 Trong trình di chuyển hỗn hợp từ đáy bình lên CO2 phát huy tác dụng Độ cao mực chất lỏng bình tính toán cho 78 Đồ án Công nghệ Thực phẩm hỗn hợp vừa đạt đến mực phía bình nguyên liệu xử lý xong thời gian di chuyển thời gian xử lý nguyên liệu CO2 Sau di chuyển đến độ cao mực chất lỏng theo yêu cầu, nghóa kết thúc thời gian xử lý, hỗn hợp tháo khỏi bình chứa di chuyển qua van điều áp (II) bình phân ly Khi qua van điều áp (II) bình phân ly hỗn hợp giảm áp, CO2 giải phóng khỏi sản phẩm thu hồi để tái sử dụng 4.3.1.4 Ưu, nhược điểm phương pháp Ưu điểm Hiệu ức chế enzyme tiêu diệt vi sinh vật phương pháp cao tốc độ hoà tan CO2 nguyên liệu lớn, nâng cao hiệu rút ngắn thời gian xử lý Năng suất thiết bị cao làm việc liên tục Nhược điểm Thiết bị phức tạp, chi phí đầu tư cao hơn, thích hợp với quy mô sản xuất lớn Chỉ thích hợp với nguyên liệu dạng lỏng, không thích hợp xử lý nguyên liệu dạng rắn Phạm vi áp dụng Phương pháp microbubble áp dụng cho nguyên liệu lỏng, huyền phù độ nhớt thấp Thích hợp cho sản xuất quy mô lớn 4.3.2 Phương pháp liên tục sử dụng membrane tiếp xúc CO2 (continuous membrane contact CO2 method) (Damar Balaban, 2006) 4.3.2.1 Nguyên tắc Cho CO2 nguyên liệu di chuyển ngược chiều cách liên tục qua membrane để tăng diện tích tiếp xúc tạo hiệu cao việc tăng tốc độ hoà tan CO2 nguyên liệu 4.3.2.2 Cấu tạo hệ thống thiết bị Hệ thống thiết bị liên tục sử dụng membrane tiếp xúc CO2 trình bày hình vẽ Bộ phận quan trọng ảnh hưởng định đến hiểu phương pháp 79 Đồ án Công nghệ Thực phẩm bình chứa membrane làm vật liệu polypropylene Mỗi bình chứa có 15 màng membrane song song có đường kính 1,8 mm, chiều dài 39 cm diện tích bề mặt 83 cm2 Bơm vận chuyển nguyên liệu loại bơm dùng kỹ thuật sắc ký lỏng hiệu cao (HPLC), bơm CO2 dùng để nén làm tăng áp suất hệ thống Hình 4.3: Hệ thống thiết bị xử lý DPCD liên tục sử dụng membrane tiếp xúc CO2 4.3.2.3 Nguyên tắc hoạt động CO2 trạng thái dense phase nguyên liệu bơm ngược chiều qua hệ thống bình chứa membrane Nguyên liệu CO2 di chuyển liên tục từ bình membrane trước sang bình membrane sau theo nguyên tắc vào hình vẽ Trong di chuyển, CO2 hoà trộn với nguyên liệu phát huy tác dụng p suất hệ thống điều chỉnh nhờ bơm CO2 để tạo trạng thái áp suất cao cho hệ thống Sau khỏi membrane, hỗn hợp đưa vào bình chứa giữ thêm thời gian ngắn để đạt hiệu yêu cầu Cuối cùng, hỗn hợp sau xử lý giảm áp, giải phóng CO2 khỏi sản phẩm 80 Đồ án Công nghệ Thực phẩm 4.3.2.4 Ưu, nhược điểm phương pháp Ưu điểm Phương pháp có ưu điểm hiệu việc gia tăng tốc độ hoà tan CO2 vào nguyên liệu tạo diện tích tiếp xúc lớn CO2 nguyên liệu thông qua hệ thống membrane Do mà dung dịch nhanh chóng bão hoà CO2 tốc độ xử lý nhanh hơn, nâng cao hiệu rút ngắn thời gian Năng suất hoạt động thiết bị cao Nhược điểm Chi phí đầu tư cho hệ thống membrane cao, thiết bị phức tạp Các membrane dễ bị tắt nghẽn nên cần phải vệ sinh thường xuyên phương pháp thích hợp Chỉ thích hợp với nguyên liệu dạng dung dịch lỏng, độ nhớt thấp Các loại huyền phù dễ làm tắc membrane, dung dịch có độ nhớt cao tốn nhiều lượng để bơm chúng qua membrane Phạm vi áp dụng Phương pháp membrane tiếp xúc thích hợp cho loại nguyên liệu lỏng độ nhớt thấp Nếu nguyên liệu dạng huyền phù kích thước hạt phải mịn Thích hợp sản xuất quy mô lớn 4.3.3 Phương pháp dòng chảy liên tục (continuous flow method) (Damar Balaban, 2006; Werner Hotchkiss, 2006; Gunes cộng sự, 2005; Kincal cộng sự, 2005) 4.3.3.1 Nguyên tắc Nguyên tắc phương pháp cho dòng CO2 dòng nguyên liệu hoà trộn với để CO2 trạng thái dense phase xử lý nguyên liệu liên tục dòng chảy hỗn hợp 4.3.3.2 Cấu tạo hệ thống thiết bị Hệ thống thiết bị phương pháp dòng chảy liên tục mô tả hình Thay cho bình chứa cao áp hệ thống ống dẫn bố trí nhằm tăng thời gian lưu hỗn hợp nhằm tạo điều kiện cho CO2 tương tác với nguyên liệu Sau khu 81 Đồ án Công nghệ Thực phẩm vực lưu hỗn hợp khu vực giảm áp với phận xử lý nhiệt, van giãn nở bình chân không để tách CO2 Hình 4.4: Hệ thống thiết bị xử lý DPCD theo phương pháp dòng chảy liên tục 4.3.3.3 Nguyên tắc hoạt động CO2 áp suất cao bình chứa cao áp (1) bơm qua thiết bị làm lạnh nhằm làm tăng khả hoà tan CO2 vào dung dịch Sau đó, CO2 phối trộn với nguyên liệu hỗn hợp bơm qua khu vực ống lưu (7) Tại khu vực này, áp suất nhiệt độ điều chỉnh đến giá trị thích hợp theo yêu cầu Chiều dài ống lưu phải tính toán cho sau di chuyển hết chiều dài nguyên liệu xử lý xong Thời gian xử lý nguyên liệu phụ thuộc vào tốc độ dòng hỗn hợp ống lưu Sau khỏi ống lưu, hỗn hợp dưa vào khu vực giảm áp Tại đây, trước tiên nhiệt độ hỗn hợp phải điều chỉnh để tạo ổn định giảm áp Sau đó, hỗn hợp trải qua hai bước giảm áp để loại CO2 khỏi sản phẩm 4.3.3.4 Ưu, nhược điểm phương pháp Ưu điểm Hiệu cao CO2 tiếp xúc tốt với nguyên liệu Năng suất cao khả làm việc liên tục thiết bị 82 Đồ án Công nghệ Thực phẩm Khả tiêu diệt vi sinh vật gây bệnh gây thối tốt (Damar Balaban, 2006) Nhược điểm Chi phí đầu tư thiết bị cao Chỉ xử lý mẫu dạng lỏng Phạm vi áp dụng Phương pháp dòng chảy liên tục thường áp dụng cho nguyên liệu lỏng, độ nhớt thấp Thích hợp cho sản xuất quy mô lớn Hiện nay, có hai hệ thống thiết bị thị trường với quy mô phù hợp với sản xuất công nghiệp: hệ thống thiết bị theo phương pháp dòng chảy liên tục công ty Praxair (Chicago, Ill., Hoa Kỳ) cung cấp có suất 10, 20, 40 gallon sản phẩm/phút (tức khoảng 37, 74 148 l/phút) hệ thống membrane tiếp xúc phát triển hãng Air Liquid (Countryside, Ill., Hoa Kỳ), hãng cung cấp hệ thống thiết bị theo phương pháp dòng chảy liên tục Tuy nhiên, chưa có sản phẩm ứng dụng kỹ thuật DPCD quy trình sản xuất, nguyên nhân vấn đề chi phí 83 Đồ án Công nghệ Thực phẩm Chương KẾT LUẬN Qua trình tìm hiểu trên, ta thấy, kỹ thuật DPCD hàng loạt nghiên cứu chứng minh có nhiều ưu điểm, bật hiệu cao việc vô hoạt vi sinh vật enzyme khả giữ tính chất cảm quan màu sắc mùi vị giá trị dinh dưỡng sản phẩm so sánh với kỹ thuật truyền thống dùng nhiệt độ cao dùng hoá chất Các nghiên cứu tìm hiểu ảnh hưởng thông số kỹ thuật đến chất lượng thực phẩm nhằm tối ưu hoá trình Tuy nhiên, kỹ thuật DPCD chưa áp dụng vào sản xuất Bài toán chi phí cần phải giải cách thích hợp để tạo sản phẩm với chất lượng cao đôi với hiệu kinh tế Trong tương lai, nghiên cứu vấn đề cần sâu vào hai hướng sau: thứ tìm phương thức tối ưu hoá hiệu trình giảm chi phí trang thiết bị chi phí vận hành đến mức chấp nhận để áp dụng rộng rãi sản xuất, thứ hai nghiên cứu ảnh hưởng kỹ thuật DPCD lên vitamine, enzyme, hợp chất có hoạt tính sinh học ảnh hưởng lên chất lượng sản phẩm nói chung nhiều đối tượng khác để có hiểu biết đầy đủ kỹ thuật 84 Đồ án Công nghệ Thực phẩm PHỤ LỤC ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH THANH TRÙNG, TIỆT TRÙNG Phương trình tiệt trùng, trùng 1.1 Đối với vi sinh vật (Lê Văn Việt Mẫn, 2004; Spilimbergo Bertucco, 2003; Shimoda cộng sự, 2002, 2001) N = N0.e-kt ⇒ lg(N/N0) = Với − kt −t = 2,303 D D = 2,303/k • N0: số vi sinh vật ban đầu có mẫu • N: số vi sinh vật sống sót sau thời gian xử lý t • k: số phá hủy (phụ thuộc loài vi sinh vật) • D: thời gian phá hủy thập phân (Decimal reduction time): thời gian xử lý cần thiết để số tế bào mẫu giảm 10 lần Thời gian trùng, tiệt trùng dự đoán sơ thông qua biểu thức sau: Ft = n.D * • n = lg(N0/N ) • Ft: thời gian xử lý thực phẩm điều kiện áp suất nhiệt độ chọn • N*: số tế bào vi sinh vật dự kiến sót lại mẫu sau trình trùng tiệt trùng Trong công nghiệp thực phẩm, giá trị N* cần chọn không lớn 10-3 85 Đồ án Công nghệ Thực phẩm 1.2 Đối với enzyme (Gui cộng sự, 2006; Tanimoto cộng sự, 2005) At = A0.e-kt ⇒ Với lg(At/A0) = − kt −t = 2,303 D D = 2,303/k • A0: hoạt tính ban đầu enzyme mẫu trước xử lý • At: hoạt tính lại enzyme sau thời gian xử lý t • k: số phá hủy (phụ thuộc loại enzyme) • D: thời gian phá hủy thập phân: thời gian xử lý cần thiết để hoạt tính enzyme mẫu giảm 10 lần nh hưởng thông số công nghệ áp suất, nhiệt độ nồng độ CO2 kỹ thuật DPCD khảo sát thông qua số Z định nghóa khoảng giá trị cần tăng thông số khảo sát (áp suất, nhiệt độ, nồng độ CO2…) để D giảm 10 lần ZX = (X2 – X1)/(lgDX1 – lgDX2) • X: thông số cần khảo sát Nếu X áp suất P ta có ZP số chịu áp suất Nếu X nhiệt độ T ta có ZT số chịu nhiệt Nếu X nồng độ CO2 γ ta có Zγ số chịu nồng độ • DX1, DX2: thời gian phá hủy thập phân ứng với giá trị thông số X1 X2 86 Đồ án Công nghệ Thực phẩm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Văn Việt Mẫn Công nghệ sản xuất sản phẩm từ sữa thức uống Tập 1: Công nghệ sản xuất sản phẩm từ sữa, 93 – 102 Nhà Xuất Đại học Quốc gia TPHCM, 2004 [2] Andreas GieBauf, Wolfgang Magor, Doris J Steinberger, and Rolf Marr A study of hydrolases stability in supercritical carbon dioxide Enzyme and Microbial Technology 24:577-583, 1999 [3] Angela White, David Burns and Tim W Christensen Effective terminal sterilization using supercritical carbon dioxide Journal of Biotechnology 123: 504– 515, 2006 [4] Atsushi Enomoto, Kozo Nakamura, Masaru Hakoda and Noriko Amaya Lethal Effect of High-Pressure Carbon Dioxide on a Bacterial Spore Journal of Fermentation and Bioengineering vol 83, No 3, 305-307, 1997 [5] B G Werner and J H Hotchkiss Continuous flow nonthermal CO2 processing: the lethal effects of subcritical and supercritical CO2 on total microbial populations and bacterial spores in raw milk J Dairy Sci 89:872-881 [6] Balaban Method and apparatus for continuous flow reduction of microbial and/or enzymatic activity in a liquid product using carbon dioxide United State Patent, 6723365 B2, 2004 [7] Carlos Arturo Tanuùs Meurehg A dissertation: Control of Escherichia coli O157:H7, generic Escherichia coli, and Samonella spp on beef trimmings prior to grinding using a controlled phase carbon dioxide ( CO ) system Kansas State CP University, 2006 [8] Coustantina Tzia vaø George Liadakis Extraction optimization in food engineering, 73 – 94 Marcel Dekker, 2003 [9] D Kincal,W.S Hill, M Balaban, K.M Portier, C.A Sims, C.I.Wei, and M.R Marshall Continuous high-pressure carbon dioxide system for cloud and quality retention in orange juice Journal Of Food Science vol 71, Nr 6, 2006 87 Đồ án Công nghệ Thực phẩm [10] D Kincal,W.S Hill, M Balaban, K.M Portier, C.I.Wei, and M.R Marshall A continuous high pressure carbon dioxide system for microbial reduction in orange juice Journal Of Food Science vol 70, Nr 5, 2005 [11] Debs-Louka E, Louka N, Abraham G, Chabot V and Allaf K Effect of compressed carbon dioxide on microbial cell viability Appl Environ Microbiol 65:626–631, 1999 [12] Dillow A.K, Dehghani F, Hrkach J.S, Foster N.R, Langer R Bacterial inactivation by using near- and supercritical CO2 Proc Natl Acad Sci USA 96:10344–8, 1999 [13] F Devlieghere and J Debevere Influence of dissolved carbon dioxide on the growth of spoilage bacteria Lebensm.-Wiss u.-Technol 33: 531-537, 2000 [14] Fenqi Gui, Jihong Wu, Fang Chen, Xiaojun Liao, Xiaosong Hu, Zhenhua Zhang and Zhengfu Wang Change of polyphenol oxidase activity, color, and browning degree during storage of cloudy apple juice treated by supercritical carbon dioxide Eur Food Res Technol 223:427-432, 2006 [15] Fenqi Gui, Zhengfu Wang, Jihong Wu, Fang Chen, Xiaojun Liao, Xiaosong Hu Inactivation and reactivation of horseradish peroxidase treated with supercritical carbon dioxide Eur Food Res Technol 222: 105–111, 2006 [16] Gillian F Dagan and Murat O Balaban Pasteurization of beer by a continuous dense-phase CO2 system Journal Of Food Science vol 71, Nr 3, 2006 [17] Giulio Bertoloni, Alberto Bertucco, Veronica De Cian and Tiziana Parton A study on the inactivation of micro-organism and enzymes by high pressure CO2 Wiley InterScience DOI: 10.1002/bit.21006, 2006 [18] Gurbuz Gunes, Lisa K Blum and Joseph H Hotchkiss Inactivation of yeast in grape juice using a continuous dense phase carbon dioxide processing system J Sci Food Agric 85:2362-2368, 2005 [19] H Karaman and O Erkmen High carbon dioxide pressure inactivation kinetics of Escherichia coli in broth Food Microbiology 18: 11-16, 2001 [20] Jason D Hemmer, Michael J Drews, Martine LaBerge, Michael A Matthews Sterilization of bacterial spores by using supercritical carbon dioxide and hydrogen 88 Đồ án Công nghệ Thực phẩm peroxide Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials, 2006 [21] John C Erickson, Philippe Schyns, Charles L Cooney Effect of pressure on an enzymatic reaction in a supercritical fluid AIChE Journal February Vol 36, No 299, 1990 [22] Jon S Chen, Murat Balaban, Cheng I Wei, Richard A Gleeson and Maurice R Marshall Effect of carbon dioxide on the inactivation of Florida Spiny Lobster polyphenol oxidase J Sci Food Agric 61, 253-259, 1993 [23] Jon S Chen, Ph.D., Murat Balaban, Ph.D., Cheng-i Wei, Ph.D., Richard A Gleeson, Ph.D., and Marty R Marshall, Ph.D Inactivation of crustacean polyphenol oxidase by high pressure carbon dioxide Food Science and Human Nutrition Department, Institute of Food and Agricultural Sciences, University of Florida, Gainesville, FL 32611-0163 [24] Jurgen K.P Weder Effect of supercritical carbon dioxide on proteins Z Lebensm Unters Forsch 171, 95-100, 1980 [25] M Hakoda, N Shiragami, A Enomoto, K Nakamura Effects of moisture on enzymatic reaction in supercritical carbon dioxide Bioprocess Biosyst Eng 24: 355361, 2002 [26] M Peleg Simulation of E Coli inactivation by carbon dioxide under pressure Journal Of Food Science vol 67, Nr 3, 2002 [27] M Shimoda, H Kago, N Kojima, M Miyake, Y Osajima and I Hayakawa Accelerated death kinetics of Aspergillus niger spores under high-pressure carbonation Appl Environ Microbiol 68.8.4162-4167, 2002 [28] M Shimoda, J Cocunubo-Castellanos, H Kago, M Miyake, Y Osajima and I Hayakawa The influence of dissolved CO2 concentration on the death kinetics of Saccharomyces cerevisiae Journal of Applied Microbiology 91, 306-311, 2001 [29] M Shimoda, Y Yamamoto, J Cocunubo-Castellanos, H Tonoike, T Kawano, H Ishikawa and Y Osajima Antimicrobial effects of pressured carbon dioxide in a continuous flow system Journal Of Food Science vol 63, Nr 4, 1998 89 Đồ án Công nghệ Thực phẩm [30] Maja Habulin and Željko Knez Activity and stability of lipases from different sources in supercritical carbon dioxide and near-critical propane Journal of Chemical Technology and Biotechnology 76:1260-1266, 2001 [31] Murat O Balaban, Maurice R Mashall, both of Gainesville, Fla, Louise Wicker, Comer, Ga Inactivation of enzymes in foods with pressured CO2 U.S Patent 5393547, 1995 [32] N.L Rozzi and R.K Singh Supercritical fluids and the food industry Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety vol 1, 2002 [33] Osajima cộng System for processing liquid foodstuff or liquid medicine with a supercritical fluid of carbon dioxide United State Patent, 5869123, 1999 [34] Osajima cộng Method for inactivating enzymes, microorganisms and spores in a liquid foodstuff United State Patent, 5667835, 1997 [35] Osajima cộng Method for modifying the quality of liquid foodstuff United State Patent, 5520943, 1996 [36] Patricia Ballestra and Jean-Louis Cuq Influence of pressurized carbon dioxide on the thermal inactivation of bacterial and fungal spores Lebensm.-Wiss u.Technol 31: 84–88, 1998 [37] S.-J Park, J.-I Lee and J Park Effects of a combined process of high-pressure carbon dioxide and high hydrostatic pressure on the quality of carrot juice Journal Of Food Science vol 67, Nr 8, 2002 [38] Sara Spilimbergo, Alberto Bertucco, Giuseppe Basso and Giulio Bertoloni Determination of extracellular and intracellular pH of Bacillus subtilis suspension under CO2 treatment Wiley InterScience DOI: 10.1002/bit.20606, 2005 [39] Seok-In Hong and Yu-Ryang Pyun Inactivation kinetics of Lactobacillus plantarum by high pressure carbon dioxide Journal Of Food Science vol 64, Nr 4, 1999 [40] Seok-In Hong and Yu-Ryang Pyunb Membrane damage and enzyme inactivation of Lactobacillus plantarum by high pressure CO2 treatment International Journal of Food Microbiology 63: 19–28, 2001 [41] Seok-In Hong, Wan-soo Park, Yu-Ryang Puyn Non-thermal inactivation of Lactobacillus plantarum as influenced by pressure and temperature of pressurized 90 Đồ án Công nghệ Thực phaåm carbon dioxide International Journal of Food Science and Technology 34:125-130, 1999 [42] Seok-In Hong, Wan-Soo Park and Yu-Ryang Pyun Inactivation of Lactobacillus sp from Kimchi by high pressure carbon dioxide Lebensm.-Wiss u.Technol 30: 681–685, 1997 [43] Shota Tanimoto, Hideyuki Matsumoto, Kazuyoshi Fujii, Ritsushi Ohdoi, Koji Sakamoto, Shinya Izuwa, Yuichi Yamane, Masaki Miyake, Mitsuya Shimoda and Yutaka Osajima Inactivation of enzymes in Fresh Sake using a continuous flow system for high-pressure carbonation Biosci Biotechnol Biochem 69 (11): 20942100, 2005 [44] Sibel Damar and Murat O Balaban Review of dense phase CO2 technology: Microbial and enzyme inactivation, and effects on food quality Journal Of Food Science vol 71, Nr 1, 2006 [45] Sibel Fadiloglu, Osman Erkmen and Gulten S¸ekeroglu Thermal and carbon dioxide inactivation of alkaline phosphatase in buffer and milk Food Technol Biotechnol 42:27-32, 2004 [46] Sibel Fadiloglu and Osman Erkmen Inactivation of lipase by carbon dioxide under atmospheric pressure Journal of Food Engineering 52: 331–335, 2001 [47] Soichi Furukawa, Taisuke Watanabe, Tetsuya Koyama, Junichi Hirata, Naoki Narisawa, Hirokazu Ogihara vaø Makari Yamasaki Effect of high pressure carbon dioxide on the clumping of the bacterial spores International Journal of Food Microbiology vol 106: 95 – 98, 2006 [48] Spilimbergo S, Bertucco A Non-thermal bacteria inactivation with dense CO2 Biotech Bioeng 84(6):627-638, 2003 [49] Spilimbergo S, Dehghani F, Bertucco A, Foster N.R Inactivation of bacteria and spores by pulse electric field and high pressure CO2 at low temperature Biotechnol Bioeng 1(82):118-125, 2003 [50] T.T Truong, J.M Boff, D.B Min and T.H Shellhammer Effects of carbon dioxide in high-pressure processing on pectinmethylesterase in single-strength orange juice Journal Of Food Science vol 67, Nr 8, 2002 91 Đồ án Công nghệ Thực phẩm [51] T Yoshimura, M Furutera, M Shimoda, H Ishikawa, M Miyake, K Matsumoto, Y Osajima and I Hayakawa Inactivation efficiency of enzymes in buffered system by continuous method with microbubbles of supercritical carbon dioxide Journal Of Food Science vol 67, Nr 9, 2002 [52] T Yoshimura, M Shimoda, H Ishikawa, M Miyake, I Hayakawa, K Matsumoto and Y Osajima Inactivation kinetics of enzymes by using continuous treatment with microbubbles of supercritical carbon dioxide Journal Of Food Science vol 66, Nr 5, 2001 [53] Tisi A.D Effects of dense phase CO2 on enzyme activity and casein proteins in raw milk Ithaca, N.Y.: Cornell Univ Available from: http://dspace.library.cornell.edu/handle/1813/60 Accessed June 14, 2005 [54] W Tedjo, M.N Eshtiaghi and D Knorr Impact of supercritical carbon dioxide and high hressure on lipoxygenase and peroxidase activity Journal Of Food Science vol 65, Nr 8, 2000 [55] Yoshiaki Fukushima Application of supercritical fluids R&D Review of Toyota CRDL vol 35, No.1, 1999 92 ... bảo quản nhờ kỹ thuật DPCD giá sản phẩm thị trường 17 Đồ án Công nghệ Thực phẩm Chương CÁC BIẾN ĐỔI CỦA THỰC PHẨM KHI XỬ LÝ BẰNG KỸ THUẬT DPCD 3.1 Biến đổi sinh học Kỹ thuật DPCD chứng minh có khả... Những nguyên nhân góp phần làm giảm hiệu kỹ thuật DPCD Loài vi sinh vật khác ảnh hưởng đến thông số kỹ thuật trình xử lý kỹ thuật DPCD Tương tự kỹ thuật thanh, tiệt trùng nhiệt, 47 Đồ án Công nghệ. .. nghóa kỹ thuật DPCD không dừng lại phạm vi sử dụng CO2 trạng thái dense phase mà mở rộng kỹ thuật dùng CO2 áp suất cao để xử lý thực phẩm Vì vậy, tên gọi DPCD sử dụng đồ án bao gồm kỹ thuật DPCD