nguyên lý và ứng dụng của PEF ở khía cạnh ức chế vi sinh vật trong công nghệ chế biến sữa

Khái niệm trường xung điện 1.1 Định nghĩa Trường xung điện PEF là một phương pháp không sử dụng nhiệt trong bảo quản thực phẩm và có sử dụng dòng điện để vô hoạt hoá vi sinh vật và ảnh h

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC HÌNH 3

DANH MỤC BẢNG 4

CHƯƠNG 1 6

1 Khái niệm trường xung điện 6

1.1 Định nghĩa 6

1.2 Mô hình động học trường xung điện 6

2 Cơ chế ức chế và tiêu diệt vi sinh vật trong công nghiệp sữa 8

3 Các yếu tố ảnh hưởng hiệu quả kỹ thuật PEF 10

3.1 Yếu tố công nghệ 10

3.1.1 Cường độ điện trường và độ rộng xung 10

3.1.2 Hình dạng xung 11

3.1.3 Thời gian xử lý 12

3.1.4 Nhiệt độ xử lý 12

3.2 Yếu tố sản phẩm 13

3.2.1 Tính dẫn điện, lực ion 13

3.2.2 pH 13

3.3 Yếu tố sinh học 14

3.3.1 Loại vi sinh vật 14

3.3.2 Số lượng vi sinh vật 14

3.3.3 Giai đoạn sinh trưởng của vi sinh vật 14

4 Hệ thống PEF 14

4.1 Buồng xử lý 15

4.2 Máy phát xung điện áp cao 17

4.3 Bộ chuyển mạch (switches) 17

4.4 Bộ tụ điện 17

CHƯƠNG 2 18

1 So sánh xử lý vi sinh vật trong sữa tươi bằng PEF và thanh trùng nhiệt độ cao thời gian ngắn (HTST) 18

1.1 Tóm tắt 18

1.2 Giới thiệu 18

1.3 Nguyên liệu 20

1.4 Kế hoạch thí nghiệm 20

1.5 Kết quả và bàn luận 21

2 Khảo sát xử lý vi sinh vật trong sữa bằng PEF ở 4 loại vi khuẩn gram dương 26

2.1 Tóm tắt 26

2.2 Giới thiệu 26

2.3 Nguyên liệu 28

2.4 Kế hoạch thí nghiệm 28

2.5 Kết quả và bàn luận 29

3 Khảo sát xử lý vi sinh vật trong sữa bằng PEF ở 4 loại vi khuẩn gram dương 34

3.1 Tóm tắt 34

3.2 Giới thiệu 34

3.3 Nguyên liệu 35

3.4 Kế hoạch thí nghiệm 36

3.5 Kết quả và bàn luận 37

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 Mô hình Htilsheger et al (1981) 7

Figure 5.Hình 2 Schematic diagram of reversible and irreversible breakdown.Biểu đồ của sự phá hủy hồi phục và không thể hồi phục 9

(a) cell membrane with potential V'm, (b) membrane compression, (c) pore formation with reversible breakdown, (d) large area of the membrane subjected to irreversible breakdown with large pores (Zimmermann, 1986) Hình 3 Electroporation of a cell membrane (Vega-Mercado, 1996b)Electroporation của một màng tế bào 10

Hình 4 Ảnh hưởng của cường độ điện trường lên sự tiêu diệt E.coli ở thời gian xử lý không đồi (đường mỏng) Đường cong đậm biểu diễn đường hồi quy của đường cong ở thời gian xứ lý xung là 40 và 2000 s Điều kiện xứ lý pH 7.0; sóng vuông 10

Hình 5 Mạch điện để sản xuất phân rã theo hàm mũ dạng sóng 11

Hình 6 Sơ đồ hệ thống xứ lý PEF 15

Hình 7 Cấu hình điện cực phổ biến trong các buồng xung điện trường 16

Hình 8 Giản đồ của một điện trường thiết kế hoạt động của buồng xung điện trong hệ thống PEF .16

Hình 9 Số vi sinh vật trong sữa bảo quản ở nhiệt độ 4°C trong 8 ngày 22

Hình 10 Thành phần của hệ vi khuẩn trong sữa nguyên liệu bảo quản ở 4°C trong 8 ngày

23

Hình 11 Chuẩn độ acid trong sữa sau 70 ngày bảo quản ở 4°C 25

Hình 12 Xung đặc trưng sử dụng trong thí nghiệm 29

Hình 13 Số log10 chu kì vi khuẩn B subtilis subsp Niger, L plantarum, L monocytogenes, S aureus, E coli, E coli O157:H7, S Senftenberg 775W và Y enterocolitica sau khi xử lí PEF ở 25 kV/cm với số xung 300 trong dung dịch đệm citrate – phosphate ở pH 7 32

Hình 14 Mối tương quan giữa khả năng chống PEF của 8 giống vi khuẩn trong dung dịch đệm ở pH 4 33

Hình 15 Số log10 chu kì ức chế 8 giống vi khuẩn bằng PEF ở 25 kV/cm với số xung là 300 trong dung dịch đệm có pH 4 và sau đó được giữ trong 2 giờ ở cùng môi trường 36

Hình 16 Lượng khuẩn lạc của vi khuẩn ưa nhiệt độ trung bình đối với các loại sữa xử lý các phương pháp khác nhau 38

Hình 17 Vi khuẩn đường ruột, vi khuẩn ưa ấm và ưa lạnh trong sữa xử lý bằng PEF kết hợp nhiệt

độ nhẹ và được trữ lạnh 40Hình 18 Chuẩn độ acid ( theo lactic acid) trong suốt thời gian bảo quản cho cả 2 loại sữa xử lýbằng PEF và HTST 41

DANH MỤC BẢNGBảng 1 Vi khẩn nhận dạng trong sữa sau xử lý HTST – PEF sau 60 ngày bảo quản ở 4°C

24Bảng 2 Log 10 của vi khuẩn gram dương bị tiêu diệt sau xử lý PEF ở 25kV ở pH 7, 4 sau thờigian xử lý 2h 30Bảng 3 Số lần log10 chu kì ức chế của E coli, E coli O157:H7, S Senftenberg 775W vàY.enterocolitica sau khi xử lí PEF ở 25 kV/cm cho các xung tăng dần theo thập phân 50, 100,

150, 200, và 300 trong dungdịch đệm citrate – phosphate với pH 7, pH 4 và giữ lại trong 2 giờtrong dung dịch đệm đó ở pH 4 31Bảng 4: Vi khuẩn đường ruột, vi khuẩn ưa ấm, vi khuẩn ưa lạnh trong sữa nguyên liệu sau quátrình bảo quản lạnh 37

GIỚI THIỆU

Ngày nay để đảm bảo chất lượng và an toàn vệ sinh thực phẩm, vấn đề vi sinh được các nhà sảnxuất quan tâm hàng đầu Khía cạnh này càng đặc biệt quan trọng trong công nghệ chế biến sữa.Sữa vốn là chất lỏng sinh lý tiết ra từ tuyến vú của động vật chứa rất nhiều thành phần dinhdưỡng, là nguồn protein dồi dào cung cấp cho cơ thể con người Cũng chính vì vậy đó cũng lànguồn rất dễ bị xâm nhiễm và phát triển của vi sinh vật Vì vậy trên đã từ lâu các phương pháptiêu diệt vi sinh vật đã được nghiên cứu và ứng dụng, tiêu biểu nhất là các sản phẩm sữa đản bảo

vô trùng xuất hiện với quy trình công nghệ qua xử lý nhiệt như sữa thanh trùng, tiệt trùng, tiệttrùng UHT Chính nhiệt độ cao là nguyên nhân phá hủy và ức chế vi sinh vật Nhiệt độ càng cao

độ vô trùng càng cao và gần như hoàn toàn cho ta môi trường sữa vô trùng thương mại Nhưngvấn đề mới lại được đặt ra do nhiệt độ quá cao lại ảnh hưởng yếu tố cảm quan và làm giảm độdinh dưỡng của sản phẩm sữa là điều chắc chắn Vì vậy đòi hỏi nhà nghiên cứu cần tìm ra cácphương pháp xử lý khác nhưng không làm tăng nhiệt độ ảnh hưởng đến chất lượng ban đầu củasửa (raw milk) và những phương pháp này thường được gọi là công nghệ không nhiệt(nonthermal technologies)

Một trong những phương pháp không sử dụng nhiệt trên được nghiên cứu và cho kết quà kháthành công trong vài sản phẩm thuộc sữa là phương pháp xung điện trường (PEF) Bài báo cáosau sẽ trình bày nguyên lý và ứng dụng của PEF ở khía cạnh ức chế vi sinh vật trong công nghêchế biến sữa

CHƯƠNG 1 NGUYÊN LÝ CỦA TRƯỜNG XUNG ĐIỆN

1 Khái niệm trường xung điện

1.1 Định nghĩa

Trường xung điện (PEF) là một phương pháp không sử dụng nhiệt trong bảo quản thực phẩm và

có sử dụng dòng điện để vô hoạt hoá vi sinh vật và ảnh hưởng tối thiểu hoặc không gây hại đếncác thuộc tính chất lượng của sữa Quá trình thực hiện cường độ cao xung điện trường (PEF) ápdụng các xung điện áp cao (thường 20-80 kV/cm) vào thực phẩm được trong thời gian s đến ms.Thực phẩm được đặt giữa hai điện cực, cung cấp xung dòng điện có hiệu điện thế cao sẽ sinh ratrường điện từ dạng xung có cường độ cao Xung này tác động vào thực phẩm được đặt giữa haicực như sau:

1.2 Mô hình động học trường xung điện

Mô hình động học dùng các phương trình toán học để mô tả sự thay đổi số lượng vi sinh vật theothời gian thực hiện PEF.Thông thường, các mô hình biểu diễn sự ức chế vi sinh vật trên phươngthức mô tả bằng đường cong vi sinh vật sống sót Có bốn loại đường cong được tìm thấy trongcác nghiên cứu ứng dụng trên các sản phẩm sữa xứ lý PEF: đường thẳng tuyến tính, đường conglõm trên, đường công lõm xuống, đường xích ma Loại đường thẳng tuyến tính và đường conglõm trên là phổ biến nhất Một số nhà nghiên cứu còn phát hiện và nhận thấy rằng đường thằngtuyến tính chỉ đúng với một khoảng xác định thường nhỏ hơn đến vòng log 4, đường thằng sẽchuyển sang dạng đường cong Do ở thời điểm ban đầu, số vi sinh vật bị tiêu diệt bởi trườngxung điện sẽ tăng tuyến tính theo thời gian xử lý Ở các thời điểm sau khi các vi sinh vật bị tiêudiệt chậm dần theo thời gian Sự giải thích cho hiện tượng này là do sau một thời gian xử lý PEF

một số vi sinh vật đã thích ứng với môi trường xung điện, vì vậy sự tiêu diệt chúng trở nên ít hơntheo thời gian.

Nhằm kiểm soát và đưa ra các thông số xử lý phù hợp, mô hình động học tính toán về trườngxung điện được nghiên cứu Cơ sở tính toán trường xung điện dựa trên số lượng vi sinh vật bị ứcchế và tiêu diệt Phương trình được trình bày như sau:

Ln(S) = -bt( t t

c

) (1)t: thời gian xử lý (s)

bE: hệ số cường độ xung điện trường

tc: thời gian xứ lý tối thiểu (dưới mức này không có vi sinh vật bị ức chế)

S: tỷ lệ vi sinh vật sống sót sau xử lý = T ổ ng số vi sinh v ật tr ư ớ c x ử l ý PEF T ổ ngs ố visinh vật sau xử l ý PEF

Ln(S) = -bE( E E

c) (1)E: Cường độ điện trường (kV/cm)

Ec: cường độ điện trường xứ lý tối thiểu (dưới mức này không có vi sinh vật bị ức chế)

bN: hệ số cho số lần cung cấp xung

Ec và tc phu thuộc vào a tính chất của vi sinh vật khảo sát

Hình1 Mô hình Htilsheger et al (1981)

(a) quan hệ giữa tỷ lệ sống sót của vi sinh vật theo thởi gian

(b) quan hệ giữa tỷ lệ sống sót của vi sinh vật theo cường độ điện trường

Htilsheger (1981) đã đưa ra phương trình:

S = (t t

c

¿-(E – E

c)/k (3)Với k là hằng số phù thuộc vào từng loại vi sinh vật

Phương trình (3) cho ta quan hệ giữa thời gian xử lý và cường độ điện trường cung cấp Dựa vào giá trị Ec và tc của mỗi loại vi sinh vật và tỷ lệ vi sinh vật cần tiêu diệt mà ta lựa chọn được thời gian và cường độ điện trường để xứ lý

Phương trình (4) do Peleg đưa ra 1995 với đồ thị đường cong xích ma biểu diễn mối quan hệ giữacường độ điện trường và tỷ lệ vi sinh vật sống sót sau xử lý Điểm đặc biệt của mô hình toán này

là trình bày được số xung (n) cần cung cấp để đạt được tỷ lệ tiêu diệt vi sinh vật như mong muốn với cường độ điện trường thích hợp

S = 1

1+e

E− E h(n)

a(n) (4)

Eh: giá trị cường độ điện trường khi S = 50 % (kV/cm)

2 Cơ chế ức chế và tiêu diệt vi sinh vật trong công nghiệp sữa

Khi sữa được xử lý với lực điện trường từ 12 – 35 kV/cm- với khoảng xung ngắn (1 - 100s)người ta nhận thấy có sự ảnh hưởng đến vi sinh vật Đã có nhiều nghiên cứu cơ chế của ảnhhưởng này nhưng cho đến nay vẫn chưa được giải thích rõ Những thuyết sau được đưa ra mangtính hợp lý khá cao và được sử dụng khá nhiều trong lĩnh vực PEF ta đang đề cập này gồm:

 Theo nghiên cứu của Zimmermann (1974), nguyên nhân của sự ức chế vi sinh vật củaxung điện trường là ảnh hưởng lên thành tế bào của vi sinh vật Chính sự phá vở thành tếbào này dẫn đến tế bào bị vỡ, các thành phần bên trong như các chất trong quá trình traođổi, enzyme, protein, DNA bị thất thoát ra ngoài dẫn đến vi sinh vật bị hủy diệt hoặc ứcchế

Khi được đặt trong điện trường các điện tích tĩnh điện bên trong tế bào chất vi sinh vật bịphân chia về hai cực khác dấu nhau theo điện cực âm dương của hai đầu điện cực trongbuồng xử lý Khác với tế bào chất, thành tế bào được xem là một chất điện môi do khảnăng dẫn điện kém của nó, tức ít có các điện tích tự do, ít hơn 8 - 9 Chính vị vậy có sựphân chia điện tích ở chất điện môi này khi điện trường xuất hiện Chính sự di chuyển vềđiện tích đã tạo nên lực hút giữa các cực thành tế bào vi sinh vật và điện cực bên ngoài.Khi điện trường càng cao, lực hút càng lớn tạo nên áp suất nén khiến thành tế bào bị nén

chặt Lực hút tỷ lệ thuận với cường độ trường E và tỷ lệ nghịch với bán kính tế bào Vì

vậy sự gia tăng điện thế màng dẫn đến giảm độ dày màng tế bào Khi cường độ điệntrường đạt đến mức giới hạn chịu được của thành tế bào (V’m) các lỗ rỗng trên thành tếbào sẽ được hình thành gây ra sự di chuyền các chất bên trong tế bào ra bên ngoài vàngược lại Khi cường độ điện trường tăng quá mức giới hạn, thành tế bào sẽ bị vỡ gâychết vi sinh vật Sự phá hủy có thể hồi phục nếu sản phẩm các lỗ rỗng là nhỏ đối với tổng

bề mặt màng Above critical field strengths and with long exposure times, larger areas of the membrane are subjected to breakdown (Fig 5d) Trên điểm tới hạn

cường độ trường với thời gian tiếp xúc dài, khu vực lớn hơn của màng là bị phân hủy

Figure 5.Hình 2 Schematic diagram of reversible and irreversible breakdown Biểu đồ của sự

phá hủy hồi phục và không thể hồi phục (a) cell membrane with potential V'm, (b) membrane compression, (c) pore formation with reversible breakdown, (d) large area of the membrane subjected to irreversible breakdown with large pores (Zimmermann, 1986)

(a) màng tế bào có tiềm năng V'm

(b) màng nén

(c) lỗ rỗng hình thành với sự phá hủy hồi phục

(d) diện tích của màng bị phá hủy không thể hồi phục với lỗ rỗng lớn (Zimmermann, 1974)

 Theo Mercado (1996) sự ức chế vi sinh vật xảy ra theo hiện tượng Electroporation is thephenomenon in which a cell exposed to high voltage electric field pulses temporarilydestabilizes the lipid bilayer and proteins of cell membranes (Castro and others1993).Electroporation là hiện tượng trong đó một tế bào tiếp xúc với trường xung điệncao áp dẫn đến làm mất ổn định lớp màng lipid kép và các protein của màng tế bào Tếbào bị biến dạng, khoảng cách giữa các tế bào càng ngày càng to và tạo lỗ trên lớp màng.Các màng sinh chất của các tế bào trở nên thấm qua được với các phân tử nhỏ sau khiđược tiếp xúc với một điện trường, và sự thẩm thấu sau đó gây ra sự sưng phù và cuốicùng là sự thủng màng tế bào The main effect of an electric field on a microorganismcell is to increase membrane permeability due to membrane compression and poration(Vega-Mercado and others 1996b).Kinosita và Tsong (1977, 1979) đã chứng minh rằngmột điện trường là 2,2 kV / cm gây ra lỗ rỗng trong hồng cầu của con người trong khoảng

1 nm đường kính Kinosita and Tsong (1977) suggested a 2-step mechanism for pore

formation in which the initial perforation is a response to an electrical suprathresholdpotential followed by a time-dependent expansion of the pore size (Fig 6) Lỗ rỗng lớnthu được bằng cách tăng cường độ điện trường và thời gian xung hoặc giảm cường độ ioncủa môi trường

3.1.1 Cường độ điện trường và độ rộng xung

Cường độ điện trường là một trong những yếu tố chính ảnh hưởng đến khả năng vô hoạt hóa các

vi sinh vật (theo Hüshelguer và Niemann 1980; Dunne và cộng sự 1996) Sự gia tăng số lượngcác vi khuẩn bị vô hoạt tỷ lệ thuận với sự gia tăng cường độ điện trường ( theo Qin và cộng sự,năm 1998) Điều này phù hợp với lý thuyết electroporation Trong đó, các tác động gây ra qua

màng tế bào là tỷ lệ thuận với điện trường áp dụng Thông thường người ta quan tâm khảo sát giátrị EC nhằm xác định được cường độ xử lý thích hợp với thời gian xứ lý cố định Ec còn được cho

là giá trị cường độ điện trường bé nhất bắt đầu gây nên biến dạng ở thành tế bào vi sinh vật và tạo

lỗ trên thành

Hình 4 Ảnh hưởng của cường độ điện trường lên sự tiêu diệt E.coli ở thời gian xử lý không đồi (đường mỏng) Đường cong đậm biểu diễn đường hồi quy của đường cong ở thời gian xứ lý xung

là 40 và 2000 s Điều kiện xứ lý pH 7.0; sóng vuông

Độ rộng của xung điện cũng ảnh hưởng đến khả năng vô hoạt các vi sinh vật Ví dụ, với độ rộngxung lớn hơn 50 s thì Ec là 4,9 kV/cm, còn với độ rộng xung nhỏ hơn 2s thì Ec là 40 kV/cm( theo Schoenbach và những người khác 1997)

3.1.2 Hình dạng xung

Trường xung điện có thể được áp dụng theo hình thức phân rã, sóng vuông, dao động, lưỡng cực

- Một làn sóng điện áp theo cấp số nhân phân rã là một điện áp một chiều mà tăng lên nhanhchóng đến một giá trị tối đa và phân rã từ từ về giá trị không Các mạch như trong hình 5 có thểđược sử dụng để tạo ra một dạng sóng phân rã theo hàm mũ Một nguồn điện DC nạp điện chomột tụ điện nối tiếp với một điện trở sạc (R s). Khi một tín hiệu kích hoạt được áp dụng, điệnnăng lưu trữ trong tụ điện chạy vào trong thức ăn trong buồng chế biến

Hình 5 Mạch điện để sản xuất phân rã theo hàm mũ dạng sóng

- Một dạng sóng vuông có thể thu được bằng cách sử dụng một mạng lưới hình thành xung lực(PFN) bao gồm một loạt các tụ điện và cuộn cảm và các thiết bị chuyển mạch trạng thái rắn.Trong đó, hình thức dao động là hiệu quả nhất để vô hoạt hóa các vi sinh vật và các sóng vuôngthì có nhiều năng lượng và hiệu quả làm chết tốt hơn so với các xung phân rã Xung lưỡng cựclàm chết tốt hơn so với các xung chỉ có một cực vì một xung điện trường gây ra chuyển động củacác phân tử tích điện trong các màng tế bào của vi sinh vật và đổi chiều theo hướng hoặc chiềuphân cực của điện trường gây ra một sự thay đổi tương ứng theo hướng của các phân tử mangđiện (theo Ho và cộng sự 1995; Qin cộng sự 1994) Với xung lưỡng cực, sự chuyển động của cácphân tử tích điện gây ra áp lực trên màng tế bào và tăng khả năng phá vỡ nó Dùng xung lưỡngcực sẽ thuận lợi trong việc tiết kiệm năng lượng, giảm lắng đọng của các chất rắn trên bề mặtđiện cực

As mentioned earlier in this report, the instant-charge-reversal pulse can be described as partially positive at first and partially negative immediately thereafter.Các xung đảo ngược

tức thì có thể được mô tả như là một phần mang điện vào trước thì ngay tức thì một phần khôngmang điện vào sau Đặc tính này của hình dạng sóng chịu ảnh hưởng bởi độ dẫn điện của cácthực phẩm đem đi xử lý

Sự khác biệt giữa các xung đảo ngược và xung lưỡng cực là thời gian phục hồi của các xung Tácdụng vô hoạt hóa của các xung đảo ngược liên tục là gây ra áp lực xen kẽ trên tế bào vi khuẩn lànguyên nhân làm cấu trúc của chúng yếu đi Hiệu quả của dạng sóng khi vô hoạt hóa các vi sinhvật so với phương pháp khác là có thể tiết kiệm 1/5 đến 1/6 tổng số năng lượng và chi phí thiết bị.Tuy nhiên, các nghiên cứu sâu hơn là cần thiết để chứng minh tác dụng vô hoạt hóa vi sinh vậtcủa phương pháp này

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

1 Sóng vuông với điện trường cao 35 kV / cm, có chiều rộng xung là 37,22 μs và kéo dài xungmột thời gian là 60 ns

2 Phân rã theo cấp số nhân với một sóng điện trường cao 62,5 kV / cm, có chiều rộng xung là0,57 μs 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 0,96 μs, và xungmột 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 using square and

exponential decay waveforms and a peak electric field of 12 kV/cm and 60 J/pulse for both

waveforms Cerevisiae khi sử dụng hai dạng sóng là hình mũ phân rã và sóng vuông, ở cùng điều

kiện điện trường cao điểm là 12 KV/cm và 60J/xung Kết quả này cho thấy cả hai dạng sóng đềucho hiệu quả vô hoạt vi sinh vật, nhưng với sóng vuông thì cho hiệu quả tốt nhất

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

3.1.4 Nhiệt độ xử lý

Kết quả thực nghiệm đã chứng minh rằng, nhiệt độ xử lý và nhiệt độ chế biến có ảnh 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 tácdụng của nhiệt độ đến vô hoạt hóa các vi sinh vật Với cường độ điện 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, việc làm nguội là cần thiết để duy trì nhiệt độ của thực phẩmxuống thấp hơn những thực phẩm 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, năm 1996)

Sự tăng nhiệt độ làm tăng hiệu quả ức chế vi sinh vật của PEF được giải thích do nhiệt độ rútngắn thời gian phân phối điện cực ở màng tế bào dẫn đến sự phá vỡ nhanh hơn tế bào Ngoài ra

Staley (1991) còn đưa ra giả thiết sự phá vỡ này còn do nhiệt độ ảnh hưởng đến lớpphospholipids từ trạng thái gel chuyền sang trạng thái tinh thể béo.

3.2 Yếu tố sản phẩm

3.2.1 Tính dẫn điện, lực ion

Các tính dẫn điện trung bình ( đơn vị σ, Siems / m) được định nghĩa như là khả năng dẫn điệnhiện hành, là một biến quan trọng trong PEF Dẫn điện là nghịch đảo của điện trở suất, được địnhnghĩa 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 độ rộng xung và giảm khả năng

vô hoạt các vi sinh vật Bởi vì tính dẫn điện tăng dẫn đến kết quả là lực liên kết ion trong chấtlỏng cũng tăng Hơn nữa, sự gia tăng độ chênh lệch giữa độ dẫn điện của một tế bào và vi sinhvật sẽ làm suy yếu cấu trúc màng tế bào do một chất làm tăng lượng ion qua màng tế bào

Vega-Mercado and others (1996b) studied the effect of pH and ionic strength of the medium(SMFU) during PEF treatment

Vega-Mercado và cộng sự (1996) đã nghiên cứu tác động của lực ion của môi trường trong khi

xử lý bằng PEF Tỷ lệ vi sinh vật bị vô hoạt hóa tăng không thể nhận biết từ chu kỳ 2,5 khi lựcion được điều chỉnh từ 168-28mm Dunne và cộng sự (1996) báo cáo rằng, tùy thuộc vào loại visinh vật, độ pH mà làm tăng khả năng vô hoạt hóa các vi sinh vật

3.2.2 pH

Sữa là sản phẩm có độ pH thấp, theo một số nghiên cứu độ thấp của pH có thể ảnh hưởng đếnkhả năng tiêu diệt vi khuẩn của PEF Theo Garcia (2005) quan sát ở cùng điều kiện xử lý PEF tácdụng lên vi khuẩn Gram âm giảm khi giảm pH, trong khi đó vi khuẩn Gram dương lại cho kếtquả ngược lại Hiện tượng này được lý giải do ở điều kiện pH thấp làm ảnh hưởng gradient pHcủa tế bào Vi khuẩn Gram dương có thành tế bào nhạy cảm với pH trong khi vi khuẩn Gramdương lại không bị ảnh hưởng nhiều

3.3 Yếu tố sinh học

3.3.1 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 vi sinh vật do chúng có kíchthước lớn hơn, mặc dù ở cường độ điện thấp, chúng có thể tránh được nhiều hơn so với các tếbào vi khuẩn gram âm (Sale and Hamilton 1967; Qin and others 1995a) Một so sánh giữa sự vôhoạt của hai loại nấm men có kích thước khác nhau cho thấy cường độ điện trường cần thiết đểchúng ngừng hoạt động tỷ lệ nghịch với kích thước tế bào Những kết quả trên hợp lý nhưngkhông phù hợp với kết quả của Hülsheger và cộng sự (1983) Vì vậy các nghiên cứu trong lĩnh

vực này cần được tiếp tục để hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của loại vi sinh vật đến kết quả củaphương pháp PEF.

3.3.2 Số lượng vi sinh vật

Số lượng vi sinh vật có trong thực phẩm có thể ảnh hưởng đến sự vô hoạt hóa chúng bằng

phưong pháp PEF Barbosa-Cánovas và cộng sự (1999) đã báo cáo rằng mức độ vô hoạt hóa E.

coli in a model food system of simulated milk ultrafiltrate (SMUF) was not affected when the concentration of microorganisms was varied from 10 3 to 10 8 cfu/ml after being subjected to 70

kV/cm, 16 pulses, and a pulse width of 2 µs 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 μs

c) Growth stage of microorganisms.3.3.3 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 giaiđoạn tăng trưởng chậm hoặc suy thoái Vi sinh vật trong giai đoạn tăng trưởng mạnh được đặctrưng bởi quá trình phân chia tế bào liên tục Trong đó, màng tế bào nhạy cảm hơn với điệntrường áp dụng Hülsheger và cộng sự (1983) kết luận rằng 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

cells in the logarithmic phase were more sensitive to PEF treatment when compared to cells in

the stationary and lag phases (Pothakamury and others 1996) Coli cho kết quả tương tự.

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

4 Hệ thống PEF

Thiết bị bao gồm:

- Một máy phát xung điện áp cao (high voltage pulse generator)

- Một buồng chứa thực phẩm (treatment champer) có hệ thống xử lý nhập liệu đầu vào(dạng lỏng) thích hợp

- Màn hình điều khiển và thiết bị giám sát (necessary monitoring and controlling devices)Sữa được nhập liệu vào buồng chứa Bên trong buồng chứa có hai điện cực (electrodes) được chếtạo bởi vật liệu cách điện nhằm ngăn chặn dòng điện truyền từ điện cực này sang điện cực kia.Xung điện áp cao tạo ra được truyền cho hai điện cực, và đến thực phẩm trong buồng chứa Thựcphẩm lúc này được truyền qua lực điện từng vùng một vì vậy được gọi là vùng điện (electricfield) Hiện tượng này có trách nhiệm làm phá vỡ màng tế bào một cách không thuận nghịch củacác vi sinh vật

Điều này dẫn đến sự cố điện môi của màng tế bào vi sinh vật và sự tương tác với các phân tử tíchđiện của thực phẩm ( Fernandez - Díaz và cộng sự, 2000; Zimmermann , 1986) Do đó , công

nghệ PEF đã được đề xuất cho thanh trùng của các loại thực phẩm như nước trái cây, sữa , sữachua , súp , và trứng lỏng ( Vega - Mercado và cộng sự, 1997; Bendicho , 2003; Puértolas et al,

Trong một hệ thống xứ lý thường gồm nhiều buồng xung điện kết nối với nhau và được cài đạthoạt động theo từng mẻ hay là hệ thống liên tục Có nhiều dạng buồng được thiết kế khác nhauphụ thuộc vào dạng điện cực sử dụng Có hai dạng phổ biến là điện cực đĩa song song (parallelplate ) và bộ cực đồng trục (coaxial)

Buồng xứ lý làm việc gián đoạn trước đây thiết kế theo dạng tĩnh (Static treatment champer).Dạng này thường thích hợp sử dụng ở quy mô thí nghiệm Loại điện cực sử dụng phổ biến của hệthống này là điện cực đĩa song song Điện cực này thường được cấu tạo bởi thép không rỉ vàđược bao bọc polysurfone bên ngoài Trong khí đó hệ thống buồng xử lý liên tục thì sử dụng điệncực đồng trục Trên thực tế thiết bị liên tục cho hiệu quả ức chế vi sinh vật cao hơn hệ thống giánđoạn vì tính đồng đều và lêu tục trong cung cấp xung điện

Hình 7 Cấu hình điện cực phổ biến trong các buồng xung điện trường

(a) song song tấm (b) Đồng trục

Hình 8 Giản đồ của một điện trường thiết kế hoạt động của buồng xung điện trong hệ thống PEF (a) buồng tĩnh điện, (b) một phần của một thiết kế hệ thống liên tục, (c) buồng dạng đồng trục,

và (d) buồng đồng tuyến tính

Khi sức mạnh của ứng dụng điện trường vượt quá cường độ điện trường của sản phẩm thực phẩmđược xử lý trong buồng, phá vỡ các thực phẩm xảy ra như một tia lửa Được gọi là sự cố điệnmôi của thực phẩm, đây là một trong những khái niệm quan trọng nhất cần được xem xét trongthiết kế buồng điều trị Điện môi phân tích về thực phẩm thường được mô tả như là gây thiệt hạitrên bề mặt điện cực trong các hình thức hầm lò, một kết quả của áp lực cong và gia tăng, dẫn đến

vụ nổ buồng điều trị và sự phát triển của bong bóng khí Kháng nội tại điện, điện trường đồngnhất, và giảm và tạo ra các khu vực lĩnh vực nâng cao một số tiêu chí thiết kế quan trọng kháccho một thiết kế thành công trong việc tiêu thụ năng lượng và nhiệt sản phẩm thấp

4.2 Máy phát xung điện áp cao

Các máy phát xung điện áp cao cung cấp cho các xung điện với cường độ, hình dạng và thời gianphát xung khác nhau từ hệ thống mạng lưới tạo xung (PFN) Cụ thể, PFN là một mạch điện baogồm một số thành phần: một hoặc nhiều nguồn cung cấp DC , một điện trở sạc, một dãy tụ điệnhình thành bởi hai hay nhiều đơn vị kết nối dạng song song, một hoặc nhiều thiết bị chuyểnmạch, và cuộn cảm xung tạo hình và điện trở Điện DC cung cấp lượng điện cho dãy tụ điện vớiđiện áp mong muốn Sử dụng thiết bị này, dòng điện xoay chiều (50-60Hz) được chuyển đổitrong điện áp cao xoay chiều (A) và sau đó điều chỉnh thành dòng điện một chiều

4.3 Bộ chuyển mạch (switches)

Chuyển đổi mạch cũng đóng một vai trò quan trọng trong hiệu suất của hệ thống PEF Loạiswitches sử dụng sẽ quyết định điện áp nhanh bao nhiêu và xuất hiện bao nhiêu đường sức.Sau khi năng lượng được tích đủ , việc chuyển đổi là yếu tố quan trọng nhất của một máy phátxung năng lượng cao Hệ thống chuyển mạch công suất cao là yếu tố kết nối giữa thiết bị lưu trữ

và tải Thời gian tăng , hình dạng và biên độ của đầu ra máy phát xung điện phụ thuộc rất nhiềuvào các thuộc tính của thiết bị chuyển mạch Máy phát điện với các thiết bị lưu trữ điện cần bộchuyển mạch kín , trong khi máy phát điện với thiết bị lưu trữ cảm ứng yêu cầu bộ chuyển mạch

hở

Thiết bị chuyển mạch có hai nhóm chính: ON switches và ON / OFF switches

ON switches cung cấp 1 lần đầy đủ lượng điện cho một lần phát xung, nhưng chỉ có thể ngừnghoạt động khi lượng điện được cung cấp hết ON switches có thể xử lý với điện áp cao với chi phítương đối thấp hơn so với công tắc ON / OFF Tuy nhiên, tuổi thọ thấp và tần suất sử dụng lạiliên tục thấp

ON / OFF switches đã phát triển trong những năm gần đây cung cấp sự kiểm soát quá trình tạoxung một phần hoặc toàn bộ cho các tụ điện Những cải tiến về thiết bị chuyển mạch , chủ yếu là

sử dụng chất bán dẫn rắn để chuyển mạch, dẫn đến tuổi thọ dài hơn và hiệu suất cao hơn

4.4 Bộ tụ điện

Các thành phần chính của các thiết bị cung cấp năng lượng cao là tụ điện lưu trữ và bộ chuyểnmạch đã trình bày ở trên Năng lượng lưu trữ trong các tụ điện được sử dụng để tạo ra điện hay từtrường Điện trường được sử dụng để tăng tốc các hạt tích điện tạo ra các sóng từ, sóng nhiệt vàsóng cơ Trường điện từ truyền năng lượng như sóng điện từ, tia X, vi sóng, và thế hệ chùm tialaser Từ trường tạo điều kiện cho các thế hệ khác nhau có áp lực rất cao từ 0,1 GPa nhiều GPa

CHƯƠNG 2 CÁC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PEF TIÊU DIỆT VI SINH VẬT

TRONG CÔNG NGHIỆP CHẾ BIẾN SỮA

1 So sánh xử lý vi sinh vật trong sữa tươi bằng PEF và thanh trùng nhiệt độ cao thời gian ngắn (HTST)

1.1 Tóm tắt

Thông thường, với số lượng sữa thanh trùng lớn cần vận chuyển đi xa sẽ được thanh trùngphụ trước khi đến điểm tiêu thụ Tuy nhiên, việx ử lý nhiệt gấp đôi như thế sẽ làm giảm chấtlượng cảm quan và dinh dưỡng của sữa, do đó, phương pháp bảo quản không dùng nhiệt đượcnghiên cứu khá nhiều Sữa thanh trùng với nhiệt độ cao thời gian ngắn (HTST) được xử lí với 5xung điện trường có đỉnh điện trường là 35 kV/cm và bề rộng của xung là 2.3µs, ở nhiệt độ 65OCtrong thời gian dưới 10s xử lý xung điện trường (PEF) được áp dụng ngay khi thanh trùng sữanhằm kéo dài thời gian bảo quản hoặc sau thanh trùng 8 ngày mô hình hóa qui trình sau khi vậnchuyển với khối lượng lớn Ứng dụng PEF ngay sau thanh trùng HTST sẽ kéo dài được thời gianbảo quản đến 60 ngày, trong khi thực hiện PEF sau 8 ngày sẽ làm tăng thời gian bảo quản lên 78ngày, cả hai đã chứng minh thành công của mục tiêu kéo dài hạn sử dụng của sữa

1.2 Giới thiệu

Thanh trùng HTST là phương pháp kéo dài thời gian bảo quản sữa lỏng được sử dụng rấthiệu quả trong nhiều thập kỉ và diệt tận gốc các vi khuẩn gây bệnh trong sữa (Steele, 2000) Dướiquá trình sản xuất và điều kiện bảo quản tối ưu, thanh trùng HTST có khả năng kéo dài thời gianbảo quản đến khoảng 3 tuần, điều này còn tùy thuộc vào chất lượng vi sinh ban đầu của sữanguyên liệu Tuy nhiên, khác với điều kiện lý tưởng, mật độ vi sinh ban đầu cao, quá trình sảnxuất kém, hay điều kiện bảo quản không tốt và tạp nhiễm trước quá trình thanh trùng về cơ bản sẽgiảm hạn sử dụng của sữa xuống (Richter, Ledford, &Murphy, 1992) Cùng với việc mở rộngquan hệ mua bán toàn cầu, một khối lượng lớn sản phẩm thực phẩm sẽ được tập trung hơn, việcvận chuyển sữa đến những nơi không sản xuất được sữa thường xuyên hơn Một vấn đề được đặt

ra là việc nhập khẩu các dòng sản phẩm sữa lỏng với quãng đường dài như vậy thì sữa nguyênliệu không thể bảo quản trong một thời gian quá dài, thậm chí là trong điều kiện lạnh, do đó, khảnăng xuất hiện và tăng lượng vi sinh vật gây hại là một mối nguy lớn Qui định cho sữa thanhtrùng loại A (PMO) yêu cầu sữa nguyên liệu không được bảo quản ở trong thùng chứa quá 72 giờ

(HHS/PHS/FDA, 2001), do đó, một cuộc thí nghiệm đã được tiến hành Sữa thanh trùng bằngnhiệt tại nơi sản xuất được vận chuyển đi với số lượng lớn, sau đó được thanh trùng lại một lầnnữa tại nơi tiêu thụ và bán lẻ Với kế hoạch này, bên cạnh việc tăng giá thành sản phẩm, còn nảysinh sự giảm chất lượng cảm quan và dinh dưỡng của sữa, do lặp lại nhiều lần quá trình xử lýnhiệt Để tránh trường hợp xử lí nhiệt 2 lần, nhà sản xuất đã vận chuyển từng đơn vị bán lẻ Tuynhiên, cách này sẽ làm gây sức ép lớn đến kho và giới hạn thời gian sử dụng của sữa Một sốphương pháp khác có thể kéo dài hạn sử dụng của sữa để vận chuyển đến các thị trường xa hơnnhư thanh trùng ở nhiệt độ cao ( ultra-high temperature pasteurization hoặc ultrapasteurization)tuy có thể kéo dài thời gian bảo quản nhưng cũng làm giảm chất lượng cảm quan của sữa(Hansen, 1987) Một số cuộc thử nghiệm dùng quá trình xử lí nhiệt nhẹ hơn UHT hay UP nhưngmạnh hơn HTST để kéo dài hơn thời gian bảo quản mà không làm biến đổi các tính chất cảmquan lại có kết quả xấu, do phương pháp xử lí nhiệt trong khoảng 80 – 90OC sẽ là động lực đểbào tử phát triển, giảm hoạt tính của các hợp chất kháng vi sinh vật và tạo ra nhiều chất dinhdưỡng cho vi khuẩn phát triển, do đó làm giảm hạn sử dụng của sữa (Vatne & Castberd, 1991;Zadow & Birtwistle, 1973)

Việc sử dụng các công nghệ bảo quản thực phẩm không dùng nhiệt như PEF có thể sẽ làmột lựa chọn khác để sản xuất sản phẩm có thời gian sử dụng dài hoặc áp dụng nó như là mộtcách xử lý thứ hai sau khi thanh trùng sữa mà không làm biến đổi đặc tính cảm quan và dinhdưỡng (BarbosaCánovas, Góngora-Nieto, Pothakamury, & Swanson, 1999) Trong những nghiêncứu trước của Quin etal (1995a) đã chứng tỏ rằng công nghệ PEF đã kéo dài được thời gian bảoquản của sữa lỏng trong điều kiện nhiệt độ của tủ lạnh đến 2 tuần mà không có sự thay đổi nào vềtính chất vật lý, hóa học cũng như là đặc tính cảm quan của sữa Mặt khác, nghiên cứu củaSepulveda, Góngora-Nieto, Guerrero-Beltrán và BarbosaCánovas (2003) đã cho thấy ứng dụngcủa PEF khi kết hợp với xử lí nhiệt nhẹ đã cho hiệu quả bảo quản cao hơn nhiều, có thể kéo dàithời gian bảo quản lên đến 4 tuần mà không nhận thấy bất kỳ sự thay đổi nào về mặt chất lượng.Các phát hiện cũng chứng tỏ PEF ở nhiệt độ không quá cao có thể áp dụng ngay sau khi thanhtrùng bằng nhiệt để bảo quản sữa đủ dài mà vẫn đảm bảo chất lượng sau khi vận chuyển, hoặc cóthể dùng như là cách xử lý thứ hai thay cho xử lý thanh trùng bằng nhiệt tại nơi tiêu thụ

Mục đích của nghiên cứu này là sản xuất sữa thanh trùng bằng HTST sau đó ứng dụngPEF ở điều kiện nhiệt độ ấm để xác định hiệu quả của cách xử lý này lên thời gian bảo quản củasữa

1.3 Nguyên liệu

Ba mẫu sẽ được chọn ngẫu nhiên và độc lập ở mỗi mẻ sản xuất ở các ngày khác nhau từ nhà máy Washington State University Creamery Sữa nguyên liệu và sữa thanh trùng HTST đượcgiám sát trong khoảng thời gian thí nghiệm cùng lúc với hai quá trình thí nghiệm, một là xử lý nhiệt, hai là áp dụng PEF sau khi thanh trùng HTST Mẫu sữa thí nghiệm sau khi xử lý sẽ được làm lạnh ngay lập tức và bảo quản ở 4OC cho đến khi kết thúc thí nghiệm Mẫu được lấy định kỳ

2 ngày 1 lần để kiểm tra chất lượng như kiểm tra số lượng của vi khuẩn ưa ấm và ưa lạnh cũng như xác định độ chua bằng chuẩn độ để đánh giá mức độ tạp nhiễm vi sinh vật trong mẫu như thếnào Bên cạnh đó, thí nghiệm cũng kiểm tra số lượng vi khuẩn đường ruột cũng như các vi khuẩn

có hại thường tìm thấy trong sữa Cuối cùng là kiểm tra về chất lượng cảm quan như màu sắc và mùi của mẫu

1.4 Kế hoạch thí nghiệm

Hai thí nghiệm sẽ được tiến hành cùng lúc là dùng PEF và xử lí nhiệt nhẹ Thí nghiệm đầu tiên sẽđược thiết kế như là phương pháp xử lí thứ hai áp dụng lên sữa thanh trùng tại điểm tiêu thụ saukhi vận chuyển đến Cách xử lý này bao gồm thanh trùng nhiệt HTST cho sữa nguyên kem, bảoquản ở 4OC trong 8 ngày sau đó thanh trùng sản phẩm với PEF ở nhiệt độ ấm trước khi đóng chai.Thí nghiệm thứ hai sẽ áp dụng PEF ở nhiệt độ ấm ngay sau khi thanh trùng HTST để tăng thờigian bảo quản của sản phẩm đóng chai, do đó sản phẩm không cần phải xử lý sau khi đến nơi tiêuthụ Sữa được bảo quản trong túi nhựa vô trùng dung tích 20 lít còn ở trong thí nghiệm thì mẫuđược đóng chai với dung tích 2 lít/ chai

 Xử lý PEF.

Hệ thống PEF ( Physics International, San Leandro, CA) và một buồng chứa hình trụ có

hệ thống điện cực đồng tâm (Qin, Zhang, BarbosaCánovas, Swanson, & Pedrow, 1995) sẽ đượcdùng để xử lý PEF cho mẫu sữa thanh trùng HTST Dựa trên những thí nghiệm trước, PEF vớitrường điện lớn nhất là 35kV/cm và giảm 5 lần theo hàm mũ với chiều rộng của xung là 2.3 µs( bằng bề rộng của xung cao nhất FWHM) Lưu lượng sữa 72lít/ giờ để tránh hiện tượng đóngcặn trên điện cực, dựa theo nghiên cứu của (Sepulveda et al, 2003) Nhiệt sinh ra trong buồng sẽđược thu lại từ dòng sữa đi ra và trao đổi nhiệt với dòng sữa vào bằng thiết bị trao đổi nhiệt ốnglồng ống để tăng nhiệt độ đầu vào lên khoảng 50OC Mẫu sau khi xử lý vẫn còn ở nhiệt độ caokhoảng 65OC ít nhất trong 10 giây sau khi xử lý PEF Các thông số cần kiểm soát trong suốt quátrình sẽ là nhiệt độ đầu vào và đầu ra, hiệu quả thu hồi nhiệt, hình dạng xung, hiệu điện thế,cường độ dòng điện, và năng lượng tiêu thụ Các thông số có liên quan đến điện sẽ được đo bởimáy nghiệm dao động kỹ thuật số ( Hewlett-Packard 54530A, Colorado Springs, CO) được nối