1.GIỚI THIỆU KỸ THUẬT VI LỌC (MICROFILTRATION). Ngày nay nhu cầu sử dụng nước trái cây công nghiệp có những tính chất giống với trái cây tươi về màu, mùi, thành phần dinh dưỡng và các hợp chất tự nhiên của trái cây tươi đang ngày càng tăng. Các sản phẩm nước trái cây công nghiệp hầu hết đều được sản xuất theo phương pháp truyền thống, thanh trùng bằng nhiệt. Kỹ thuật thanh trùng này đã làm thay đổi đáng kể tính chất của nước trái cây. Do đó, việc đưa ra một kỹ thuật thanh trùng nhằm hạn chế sự tổn thất các chất dinh dưỡng cũng như sự thay đổi các tính chất cảm quan của nước quả là một thách thức đối với các nhà khoa học. Rất nhiều phương pháp thanh trùng đã được nghiên cứu và áp dụng. Một trong số đó là áp dụng kỹ thuật vi lọc để thanh trùng nước trái cây. Kỹ thuật này dùng màng vi lọc có kích thước mao quản 0.2µm tách vi sinh vật để thay thế cho phương pháp thanh trùng truyền thống bằng nhiệt. 1.1 ĐỊNH NGHĨA Kỹ thuật vi lọc được áp dụng để loại các chất không tan trong dung dịch như huyền phù vi sinh vật. Đường kính lỗ mao quản của membrane MF trung bình vào khoảng 200nm. Kỹ thuật vi lọc có áp suất làm việc thấp nhất trong các kỹ thuật phân riêng bằng membrane, thường dao dộng trong khoảng 0,3 – 1bar. Hình 1: Kích thước mao quản và áp suất ứng với các kỹ thuật membrane. 1.2 VẬT LIỆU CHẾ TẠO. Màng vi lọc thường được làm từ các vật liệu sau: Cellulose Acetate (CA) Cellulose acetate (CA) là một những vật liệu được sử dụng chế tạo và ứng dụng đầu tiên trong các kỹ thuật thẩm thấu ngược, lọc nano và siêu lọc. Nhược điểm lớn nhất của vật liệu này là kém bền đối với nhiệt độ và pH. Tuy nhiên, membrane được chế tạo bằng vật liệu này có giá thành tương đối rẻ, háo nước, và ít bị tắc nghẽn (fouling) hơn các loại membrane khác. Điều cần chú ý là membrane bằng cellulose acetate có thể bị phá hủy bởi vi sinh vật. Polysulfone (PS) Từ năm 1975, polysulfone là loại vật liệu được sử dụng nhiều trong kỹ thuật siêu lọc và vi lọc. Đây là loại vật liệu có khả năng chịu được pH và nhiệt độ cao. Thực tế cho thấy polysulfone là loại vật liệu được sử dụng rất nhiều trong các nhà máy thực phẩm, đặc biệt trong các nhà máy chế biến sữa. Về nguyên tắc, polysulfone là vật liệu háo nước, không thể sử dụng để xử lý các chất dầu, mỡ hay các chất ưa béo. Tuy nhiên, có một số loại membrane polysulfone có thể sử dụng để xử lý các chất nhũ tương rất tốt. Polyvinylidenedifluoride (PVDF) Polyvinylidenedifluoride (PVDF) là loại vật liệu membrane truyền thống. Tuy nhiên, PVDF không được sử dụng nhiều vì kỹ thuật chế tạo membrane từ vật liệu này rất khó khăn và các tính chất, cấu trúc của membrane kém ổn định. Các vật liệu khác Ceramic: các membrane được chế tạo bằng các vật liệu ceramic thường có cấu tạo dạng ống (tubular type) và được lắp theo từng hệ thống. Ưu điểm của loại vật liệu này là khoảng nhiệt độ và pH hoạt động rộng, có độ bền hóa cao, thời gian sử dụng dài, vệ sinh đơn giản. Tuy nhiên độ bền cơ học không cao, không chịu được hiện tượng shock nhiệt, giá thành cao. Kim loại: kim loại thường được dùng để chế tạo membrane là paladi hoặc hợp kim của paladi với một số kim loại khác như niken, bạch kim,... Loại membrane này được sử dụng chủ yếu trong quá trình phân riêng khí ở nhiệt độ cao (ví dụ quá trình tinh sạch khí hydro từ khí thải). Bên cạnh đó còn có các loại vật liệu khác như một số polimer tổng hợp,... Bảng1: Độ bền hóa của một số vật liệu membrane Các tác nhân Composite CA PSO PVDF SiO2 Cellulose 3 < pH 8 x Nhiệt độ > 35 oC x Protein () () Polysaccharide () x x x Hydrocacbon ưa béo x x x () Chất thơm x x x () Chất oxi hoá x () () Ketone, ester x x x () Rượu x Chú thích: : độ bền hóa cao (): chưa được xác định rõ x : độ bền hóa thấp 1.3 MỤC ĐÍCH VÀ PHẠM VI ÁP DỤNG 1.3.1 MỤC ĐÍCH Mục đích chủ yếu của phương pháp vi lọc là tách các tế bào vi sinh vật. Đường kính mao quản của màng vi lọc dao động trong khoảng từ 0.1 µm đến 0.5µm. Với kích thước này, màng có thể giữ lại các tế bào vi khuẩn, nấm men, nấm mốc trên bề mặt. Ngoại trừ các vi rút là có thể chui qua được màng vi lọc. Ngoài chức năng tách vi sinh vật, phương pháp vi lọc còn có thể giúp loại bớt các tạp chất có kích thước lớn hơn kích thước lỗ mao quản tồn tại lơ lửng trong nước dịch nước trái cây. Do vậy, kỹ thuật này giúp cải thiện các chỉ tiêu về màu, mùi và vị của các sản phẩm nước trái cây công nghiệp. Hiện nay, kỹ thuật phân riêng bằng membrane đã và đang được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp, đặc biệt là lĩnh vực sản xuất thực phẩm. Riêng kỹ thuật vi lọc cũng đã có những ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực thực phẩm như: thanh trùng nước trái cây như nước táo, nước dứa, nước dừa…, tách nấm men trong rượu vang, tách muối trong sản xuất phô mai, cô đặc jelly và tách tạp chất trong dầu oliu, tách vi sinh vật từ sữa… Trong phạm vi của đề tài này, ta sẽ tìm hiểu về ứng dụng kỹ thuật trong quá trình thanh trùng nước trái cây. Mục đích chính của kỹ thuật vi lọc trong quá trình này là tách vi sinh vật từ nước ép quả để kéo dài thời gian bảo quản đồng thời giúp cải thiện tính chất cảm quan và giá trị dinh dưỡng cho các sản phẩm nước trái cây trong công nghiệp. 1.3.2 PHẠM VI ÁP DỤNG. Với mục đích thanh trùng, thay thế cho kỹ thuật thanh trùng truyền thống bằng nhiệt, kỹ thuật vi lọc đã và đang bước đầu được áp dụng vào công nghệ sản xuất một số loại nước trái cây phổ biến trên thế giới với sản lượng tiêu thụ hằng năm tương đối lớn như nước dứa, nước táo và nước dừa. 2.GIỚI THIỆU QUY TRÌNH SẢN XUẤT CÁC LOẠI NƯỚC TRÁI CÂY ÁP THANH TRÙNG BẰNG KỸ THUẬT VI LỌC. 2.1 GIỚI THIỆU CÁC LOẠI NƯỚC TRÁI CÂY ÁP DỤNG KỸ THUẬT VI LỌC VÀO QUÁ TRÌNH THANH TRÙNG. Những thành phần dinh dưỡng như gluxit, axit hữu cơ, vitamin…đều tập trung ở dịch quả. Các sản phẩm nước quả đóng hộp chứa các chất đó nên có giá trị dinh dưỡng cao. Chính vì giá trị dinh dưỡng của nước trái cây mà việc áp dụng kỹ thuật vi lọc vào thanh trùng nước quả là vô cùng cần thiết. Tuy nhiên, do vẫn còn một số hạn chế nên kỹ thuật này chỉ mới được áp dụng ở một số loại nước trái cây như đã kể ở mục I.3 gồm nước táo, nước dứa và nước dừa. Sau khi qua quá trình thanh trùng bằng vi lọc, nước trái cây công nghiệp sẽ được đánh giá chất lượng thông quá các nhóm chỉ tiêu: • Chỉ tiêu hóa lý: quan trọng là tổng hàm lượng chất khô, lượng đường, độ chua hoặc pH, cường độ màu. • Chỉ tiêu cảm quan: gồm màu sắc, độ trong, mùi và vị. • Chỉ tiêu vi sinh: phổ biến nhất là tổng số vi sinh khuẩn hiếu khí, tổng số nấm men, nấm mốc và hàm lượng một số vi sinh vật có khả năng gây bệnh như E.coli, Coliforms tổng số, Stanphylococcus aureus… Dưới đây, ta sẽ tìm hiểu từng loại nước trên. NƯỚC TÁO. Hình 2: Một số loại nước táo dạng trong Táo là loại trái cây quan trọng để sản xuất nước trái cây dạng trong và nước trái cây cô đặc trên thế giới. Sản lượng nước táo hiện nay trên thế giới đạt khoảng 40 – 45 triệu m3 năm và đang có xu hướng tăng dần. Hình3: Sản lượng sản xuất nước táo ở một số nước trên thế giới năm 2003.. Bảng 2 :Thành phần dinh dưỡng của nước táo khi so sánh với thành phần dinh dưỡng có trong táo tươi (tính cho 100g sản phẩm). Năng lượng (cal) Protein (g) Fat(g) Glucid(g) Ca (mg) P(mg) Fe(mg) Táo tươi 242 0.8 2.5 60.5 29 42 1.3 Nước táo 213 0.5 0.1 54.0 27 41 2.7 Na(mg) K(mg) Vit.A)IU) Thiamin(mg) Riboflavin(mg) Vit.C(mg) Táo tươi 4 459 380 0.12 0.3 16 Nước táo 5 458 0.03 0.4 4
Đồ Án Chuyên Ngành GVHD: PGS TS Lê Văn VIệt Mẫn CHƯƠNG1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.GIỚI THIỆU KỸ THUẬT VI LỌC (MICROFILTRATION) Ngày nhu cầu sử dụng nước trái cơng nghiệp có những tính chất giớng với trái tươi về màu, mùi, thành phần dinh dưỡng và các hợp chất tự nhiên của trái tươi ngày càng tăng Các sản phẩm nước trái công nghiệp hầu hết đều được sản xuất theo phương pháp truyền thống, trùng bằng nhiệt Kỹ thuật trùng này đa làm thay đổi đáng kể tính chất của nước trái Do đó, việc đưa mợt kỹ thuật trùng nhằm hạn chế sự tổn thất các chất dinh dưỡng cũng sự thay đổi các tính chất cảm quan của nước quả là một thách thức đối với các nhà khoa học Rất nhiều phương pháp trùng đa được nghiên cứu và áp dụng Một sớ là áp dụng kỹ tḥt vi lọc để trùng nước trái Kỹ thuật này dùng màng vi lọc có kích thước mao quản 0.2µm tách vi sinh vật để thay thế cho phương pháp trùng truyền thống bằng nhiệt 1.1 ĐỊNH NGHĨA Kỹ thuật vi lọc được áp dụng để loại các chất không tan dung dịch huyền phù vi sinh vật Đường kính lỗ mao quản của membrane MF trung bình vào khoảng 200nm Kỹ thuật vi lọc có áp suất làm việc thấp nhất các kỹ thuật phân riêng bằng membrane, thường dao dộng khoảng 0,3 – 1bar SVTH: Trần Thị Tiện Trang Đồ Án Chuyên Ngành GVHD: PGS TS Lê Văn VIệt Mẫn Hình 1: Kích thước mao quản và áp suất ứng với các kỹ thuật membrane 1.2 VẬT LIỆU CHẾ TẠO Màng vi lọc thường được làm từ các vật liệu sau: Cellulose Acetate (CA) SVTH: Trần Thị Tiện Trang Đồ Án Chuyên Ngành GVHD: PGS TS Lê Văn VIệt Mẫn Cellulose acetate (CA) là một những vật liệu được sử dụng chế tạo và ứng dụng đầu tiên các kỹ thuật thẩm thấu ngược, lọc nano và siêu lọc Nhược điểm lớn nhất của vật liệu này là bền đối với nhiệt độ và pH Tuy nhiên, membrane được chế tạo bằng vật liệu này có giá thành tương đối rẻ, háo nước, và ít bị tắc nghẽn (fouling) các loại membrane khác Điều cần ý là membrane bằng cellulose acetate có thể bị phá hủy vi sinh vật Polysulfone (PS) Từ năm 1975, polysulfone là loại vật liệu được sử dụng nhiều kỹ thuật siêu lọc và vi lọc Đây là loại vật liệu có khả chịu được pH và nhiệt đợ cao Thực tế cho thấy polysulfone là loại vật liệu được sử dụng rất nhiều các nhà máy thực phẩm, đặc biệt các nhà máy chế biến sữa Về nguyên tắc, polysulfone là vật liệu háo nước, không thể sử dụng để xử lý các chất dầu, mỡ hay các chất ưa béo Tuy nhiên, có mợt sớ loại membrane polysulfone có thể sử dụng để xử lý các chất nhũ tương rất tốt Polyvinylidenedifluoride (PVDF) Polyvinylidenedifluoride (PVDF) là loại vật liệu membrane truyền thống Tuy nhiên, PVDF khơng được sử dụng nhiều kỹ tḥt chế tạo membrane từ vật liệu này rất khó khăn và các tính chất, cấu trúc của membrane ổn định CH CF2 n Các vật liệu khác - Ceramic: các membrane được chế tạo bằng các vật liệu ceramic thường có cấu tạo dạng ống (tubular type) và được lắp theo hệ thống Ưu điểm của loại vật liệu này là khoảng nhiệt đợ và pH hoạt đợng rợng, có đợ bền hóa cao, thời gian sử dụng dài, vệ sinh đơn giản Tuy nhiên độ bền học không cao, không chịu được hiện tượng shock nhiệt, giá thành cao SVTH: Trần Thị Tiện Trang Đồ Án Chuyên Ngành - GVHD: PGS TS Lê Văn VIệt Mẫn Kim loại: kim loại thường được dùng để chế tạo membrane là paladi hợp kim của paladi với một số kim loại khác niken, bạch kim, Loại membrane này được sử dụng chủ yếu quá trình phân riêng khí nhiệt đợ cao (ví dụ quá trình tinh sạch khí hydro từ khí thải) - Bên cạnh có các loại vật liệu khác mợt sớ polimer tởng hợp, Bảng1: Đợ bền hóa của mợt sớ vật liệu membrane Các tác nhân < pH 8 Nhiệt độ > 35 o C Composite CA PSO PVDF SiO2 Cellulose x x Protein () () Polysaccharide () x x x x x x () Chất thơm x x x () Chất oxi hoá x () () Ketone, ester x x x () Rượu x Hydrocacbon ưa béo Chú thích: - : đợ bền hóa cao - (): chưa được xác định rõ - x : độ bền hóa thấp 1.3 MỤC ĐÍCH VÀ PHẠM VI ÁP DỤNG 1.3.1 MỤC ĐÍCH SVTH: Trần Thị Tiện Trang Đồ Án Chuyên Ngành GVHD: PGS TS Lê Văn VIệt Mẫn Mục đích chủ yếu của phương pháp vi lọc là tách các tế bào vi sinh vật Đường kính mao quản của màng vi lọc dao động khoảng từ 0.1 µm đến 0.5µm Với kích thước này, màng có thể giữ lại các tế bào vi khuẩn, nấm men, nấm mốc bề mặt Ngoại trừ các vi rút là có thể chui qua được màng vi lọc Ngoài chức tách vi sinh vật, phương pháp vi lọc có thể giúp loại bớt các tạp chất có kích thước lớn kích thước lỗ mao quản tồn tại lơ lửng nước dịch nước trái Do vậy, kỹ thuật này giúp cải thiện các tiêu về màu, mùi và vị của các sản phẩm nước trái công nghiệp Hiện nay, kỹ thuật phân riêng bằng membrane đa và được áp dụng rộng rai công nghiệp, đặc biệt là lĩnh vực sản xuất thực phẩm Riêng kỹ thuật vi lọc cũng đa có những ứng dụng quan trọng lĩnh vực thực phẩm như: trùng nước trái nước táo, nước dứa, nước dừa…, tách nấm men rượu vang, tách muối sản xuất phô mai, cô đặc jelly và tách tạp chất dầu oliu, tách vi sinh vật từ sữa… Trong phạm vi của đề tài này, ta tìm hiểu về ứng dụng kỹ thuật quá trình trùng nước trái Mục đích chính của kỹ thuật vi lọc quá trình này là tách vi sinh vật từ nước ép quả để kéo dài thời gian bảo quản đồng thời giúp cải thiện tính chất cảm quan và giá trị dinh dưỡng cho các sản phẩm nước trái công nghiệp 1.3.2 PHẠM VI ÁP DỤNG Với mục đích trùng, thay thế cho kỹ thuật trùng truyền thống bằng nhiệt, kỹ thuật vi lọc đa và bước đầu được áp dụng vào công nghệ sản xuất một số loại nước trái phổ biến thế giới với sản lượng tiêu thụ hằng năm tương đối lớn nước dứa, nước táo và nước dừa 2.GIỚI THIỆU QUY TRÌNH SẢN XUẤT CÁC LOẠI NƯỚC TRÁI CÂY ÁP THANH TRÙNG BẰNG KỸ THUẬT VI LỌC 2.1 GIỚI THIỆU CÁC LOẠI NƯỚC TRÁI CÂY ÁP DỤNG KỸ THUẬT VI LỌC VÀO QUÁ TRÌNH THANH TRÙNG SVTH: Trần Thị Tiện Trang Đồ Án Chuyên Ngành GVHD: PGS TS Lê Văn VIệt Mẫn Những thành phần dinh dưỡng gluxit, axit hữu cơ, vitamin…đều tập trung dịch quả Các sản phẩm nước quả đóng hợp chứa các chất nên có giá trị dinh dưỡng cao Chính giá trị dinh dưỡng của nước trái mà việc áp dụng kỹ thuật vi lọc vào trùng nước quả là vô cùng cần thiết Tuy nhiên, vẫn mợt sớ hạn chế nên kỹ thuật này mới được áp dụng một số loại nước trái đa kể mục I.3 gồm nước táo, nước dứa và nước dừa Sau qua quá trình trùng bằng vi lọc, nước trái công nghiệp được đánh giá chất lượng thơng quá các nhóm tiêu: Chỉ tiêu hóa lý: quan trọng là tởng hàm lượng chất khô, lượng đường, độ chua pH, cường độ màu Chỉ tiêu cảm quan: gồm màu sắc, độ trong, mùi và vị Chỉ tiêu vi sinh: phổ biến nhất là tổng số vi sinh khuẩn hiếu khí, tổng số nấm men, nấm mốc và hàm lượng một sớ vi sinh vật có khả gây bệnh E.coli, Coliforms tổng số, Stanphylococcus aureus… Dưới đây, ta tìm hiểu loại nước NƯỚC TÁO Hình 2: Một số loại nước táo dạng Táo là loại trái quan trọng để sản xuất nước trái dạng và nước trái cô đặc thế giới Sản lượng nước táo hiện thế giới đạt khoảng 40 – 45 triệu m3/ năm và có xu hướng tăng dần SVTH: Trần Thị Tiện Trang Đồ Án Chuyên Ngành GVHD: PGS TS Lê Văn VIệt Mẫn Hình3: Sản lượng sản xuất nước táo một số nước thế giới năm 2003 Bảng :Thành phần dinh dưỡng của nước táo so sánh với thành phần dinh dưỡng có táo tươi (tính cho 100g sản phẩm) Năng lượng (cal) Táo tươi Nước táo Táo tươi Nước táo Protein (g) Fat(g) Glucid(g) Ca (mg) P(mg) Fe(mg) 242 0.8 2.5 60.5 29 42 1.3 213 0.5 0.1 54.0 27 41 2.7 Na(mg) K(mg) 459 380 0.12 0.3 16 458 - 0.03 0.4 SVTH: Trần Thị Tiện Vit.A)IU) Thiamin(mg) Riboflavin(mg) Vit.C(mg) Trang Đồ Án Chuyên Ngành GVHD: PGS TS Lê Văn VIệt Mẫn NƯỚC DỨA Dứa là một loại trái nhiệt đới rất có giá trị Hầu hết, nước dứa được sản xuất dưới dạng nước quả Sản lượng nước dứa đóng hợp nhiều nhất là Brazil Nước ép dứa chứa rất nhiều vitamin C Đặt biệt, men Bromelain dứa được xem là có tác dụng hỗ trợ tiêu hóa và có rất nhiều lợi ích đới với sức khỏe người Do đó, việc áp dụng kỹ thuật membrane vào trùng nước dứa là rất cần thiết để nâng cao giá trị sử dụng của nước dứa đóng hợp Hình 4: Mợt sớ sản phầm nước dứa đóng hợp Bảng 3: Giá trị dinh dưỡng của mợt sớ sản phẩm dứa đóng hợp (tính cho 100g sản phẩm) Nước dứa Hàm lượng rắn Hàm lượng rắn NFC nước ép nước ép Năng lượng 46 46.5 61.8 Béo tổng (g)