ỨNG DỤNG của áp SUẤT CAO TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

1 ĐẶT VẤN ĐỀ Khi xã hội ngày phát triển, đời sống vật chất người ngày nâng cao Người tiêu dùng ngày quan tâm đến sức khỏe, việc sử dụng thực phẩm không để ngon miệng mà phải đáp ứng nhu cầu dinh dưỡng, đảm bảo chất lượng an toàn vệ sinh thực phẩm Ngày nay, người tiêu dùng có xu hướng sử dụng sản phẩm có nguồn gốc từ tự nhiên, không chứa phụ gia chất bảo quản Vì vậy, việc tạo sản phẩm có hương vị, màu sắc giống sản phẩm tươi, đảm bảo chất lượng giá trị dinh dưỡng, an toàn với người tiêu dùng điều cần thiết Các phương pháp khử trùng bảo quản thực phẩm thông thường thường dẫn đến số thay đổi không mong muốn thực phẩm mùi, màu sắc, hương vị, cấu trúc, giá trị dinh dưỡng, giảm độ tươi giá trị sản phẩm cuối Vì vậy, việc ứng dụng kỹ thuật xử lý không dùng nhiệt, cơng nghệ chế biến áp suất cao (High Pressure Processing) chứng minh có tiềm Các chức HP, bao gồm việc ức chế vi sinh vật nhiệt độ phòng thấp hơn, khiến cơng nghệ trở nên hấp dẫn mặt thương mại Enzyme bào tử vi khuẩn bị bất hoạt cách áp dụng kết hợp áp suất nhiệt Áp suất cao ứng dụng chế biến nhiều sản phẩm như: trái cây, rau quả, sữa chế biến thịt Việc kết hợp áp suất cao với hoạt động chế biến khác chần, tách nước, tách nước thẩm thấu, bù nước, chiên, lạnh đơng/rã đơng, trích ly chất lỏng rắn phương pháp chế biến Áp suất cao (High Pressure) ứng dụng quy trình chế biến với mục đích khác như: chuẩn bị, chế biến, bảo quản (Rastogi et al., 2007) NỘI DUNG Phương pháp xử lý áp suất cao gọi áp suất thủy tĩnh cao (HHP) trình xử lý áp suất cực cao (UHT) kỹ thuật chế biến phát từ lâu, lúc đầu phương pháp dùng kỹ thuật quốc phòng, sản xuất gốm xứ, thép, hợp kim, ép đùn vật liệu tổng hợp (Hoover et al., 1989) Trong công nghiệp thực phẩm, ảnh hưởng áp suất cao thực phẩm vi sinh vật lần nghiên cứu vào năm 1899 Hite (Mỹ) Hite sử dụng thiết bị đạt tới 6800 atm (689 MPa) để xử lý thịt sữa nhằm kéo dài thời gian bảo quản Gần tiến khoa học – kỹ thuật dẫn đến phổ biến việc trùng thực phẩm áp lực thủy tĩnh cao (Cheftel, 1992; Hayashi, 1992; Tauscher, 1995) Một loạt sản phẩm xử lý áp suất cao đưa vào thị trường Nhật Bản, Pháp, Tây Ban Nha Mỹ (bảng 2.1) (Barbosa-Cánovas et al., 2004) Bảng 2.1 Một số sản phẩm chế biến áp suất cao thị trường (Singh, R P., & Heldman, D R 2001) Sản phẩm Mứt, nước xốt trái cây, sữa chua thạch Nước ép qt Trái nhiệt đới Thịt bò Guacamole, nước ép trái ăn chế biến sẵn Món khai vị Nước ép trái rau Giăm Sản phẩm chế biến gia cầm Hàu Hàu Hàu Nước ép cam Nước ép táo Giăm thái lát Nước ép trái sinh tố Nhà sản xuất Meida – Ya Wakayama Food Industries Nishin Oil Mills Fuji Ciku Mutterham Avomex Quốc gia Nhật Nhật Nhật Nhật Mỹ Hannah International Odwalla Hormel Foods Purdue Farms Motivatit Seafoods Goose Point Oysters Joey Oysters Ultifruit Frubaca Espuña Orchard House Mỹ Mỹ Mỹ Mỹ Mỹ Mỹ Mỹ Pháp Bồ Đào Nha Tây Ban Nha Vương quốc Anh Xử lý áp suất cao, cơng nghệ có khả giải thách thức gần mà ngành công nghiệp thực phẩm phải đối mặt HPP tạo thuận lợi cho việc sản xuất sản phẩm thực phẩm có chất lượng thực phẩm tươi sống mang lại tiện lợi sử dụng kéo dài thời gian bảo quản sản phẩm thực phẩm (McClements et al 2001) HPP áp dụng cho nhiều loại thực phẩm khác nhau, bao gồm nước trái đồ uống, trái rau quả, sản phẩm thịt (thịt nguội nấu chín,…), cá ăn nấu sẵn, với thịt rau ứng dụng phổ biến Ứng dụng áp suất cao ngành công nghiệp thực phẩm số tác giả nghiên cứu (Rastogi et al 2007; Torres Velazquez 2005; San Martin cộng 2002; San Martin Gonzalez cộng 2006; Toepfl et al 2006) Phương pháp đem lại lợi ích như: HP cho phép chế biến thực phẩm nhiệt độ phòng nhiệt độ thấp hơn; HP truyền nhanh tồn hệ thống, khơng phân biệt kích thước hình dạng; HP ức chế tiêu diệt vi khuẩn, loại bỏ ảnh hưởng nhiệt sử dụng chất bảo quản hóa học, chất phụ gia; HP tạo thành phần có nhiều chức thực phẩm (Rastogi et al., 2007) 2.1 Xử lý áp suất cao Xử lý thực phẩm áp suất cao phương pháp thực phẩm đặt áp suất cao có khơng có bổ sung nhiệt để nhằm mục đích làm ngừng hoạt động vi sinh vật làm thay đổi thuộc tính thực phẩm Phương pháp giữ chất lượng, trạng thái tươi ngon tự nhiên theo mong muốn người tiêu dùng, đồng thời kéo dài thời gian bảo quản thực phẩm Phương pháp chế biến thực phẩm áp suất cao có số ưu nhược điểm: - Ưu điểm : + Giá trị cảm quan thực thay đổi không đáng kể so với trước xử lý + Giảm tổn thất chất dinh dưỡng, đặc biệt cấu tử nhạy cảm với nhiệt + Tạo độ đồng cho sản phẩm + Trong số trường hợp, hạn chế tượng tái nhiễm vi sinh vật vào sản phẩm tượng nhiễm chéo Hạn chế tối đa việc sử dụng chất phụ gia thực phẩm + Có thể làm thay đổi số tính chất nguyên liệu theo chiều hướng có lợi cho quy trình sản xuất - Nhược điểm : + Trong số trường hợp, khả ức chế vi sinh vật enzyme phương pháp không cao + Chi phí đầu tư thiết bị tốn + Thể tích buồng xử lý áp suất thường bị giới hạn nên suất thiết bị không cao Để khắc phục nhược điểm cần kết hợp với thiết bị xử lý áp suất khác, làm gia tăng chi phí đầu tư thiết bị cho nhà máy (Lê Văn Việt Mẫn, 2011) 2.2 Nguyên tắc trình xử lý áp suất cao Có hai ngun lý khoa học xử lý áp suất cao chế biến thực phẩm : - Theo Le Chatelier – Braun: HP áp dụng cho tất trạng thái vật lý thực phẩm Khi hệ thống trạng thái cân bị xáo trộn, hệ thống phản ứng theo xu hướng giảm xáo trộn Áp suất cao làm giảm thể tích gia tăng khối lượng Bất kỳ tượng (sự chuyển pha, thay đổi cấu trúc phân tử, phản ứng hóa học) kèm theo giảm thể tích cải thiện áp suất Xử lý áp suất cao thúc đẩy phản ứng có giảm thể tích tự ức chế phản ứng làm gia tăng thể tích Do đó, áp suất cao thúc đẩy hình thành liên kết hydro, số liên kết yếu khác protein bị biến tính - Nguyên lý Pascal: nguyên tắc xử lý đẳng tĩnh trình bày hình 2.1, mẫu thực phẩm nén áp suất đồng từ hướng sau mẫu thực phẩm trở hình dạng ban đầu áp suất giải phóng Hiệu xử lý áp suất cao áp lực truyền cách đồng tức thời mẫu, thời gian cần thiết để xử lý áp suất khơng phụ thuộc kích thước mẫu Như vậy, tác động áp suất độc lập với kích thước hình dạng mẫu sản phẩm (Singh, R P., & Heldman, D R 2001) Hình 2.1 Tính chất q trình đẳng tĩnh (M Shafiur Rahman, 2007) Nguyên tắc xử lý thực phẩm áp suất thủy tĩnh cao gồm ba giai đoạn chính: tăng áp, giữ áp xả áp Đầu tiên, tăng áp suất đến giá trị yêu cầu, sau giữ áp khoảng thời gian xác định, sau giảm áp suất tác động môi trường truyền áp tách sản phẩm khỏi môi trường truyền áp (Lê Văn Việt Mẫn, 2011) Đối với thực phẩm rắn: đầu tiên, thực phẩm bao gói màng polymer sau hàn kín, đưa vào môi trường truyền áp, mức áp suất dao động từ 100 đến 600 MPa (Palou et al., 2002) Trong sản xuất công nghiệp, môi trường truyền áp thường nước giá thành rẻ, khơng độc hại, khả bị nén thấp áp suất cao nên hạn chế biến dạng thực phẩm q trình xử lý áp suất cao Có thể kết hợp với dầu khống dầu thực vật để bơi trơn nhằm chống ăn mòn thiết bị xử lý (Swientek, 1992; Mertens, 1995) (Barbosa-Cánovas et al., 2004) Đối với mẫu lỏng, có hai phương pháp thực : + Phương pháp 1: cho sản phẩm lỏng vào màng bao polymer, hàn kín xử lý tương tự sản phẩm rắn + Phương pháp 2: sản phẩm lỏng bơm vào khỏi buồng làm việc thiết bị xử lý thông qua van truyền van cách ly cao áp đặc biệt (Singh, R P., & Heldman, D R.,2001) Quy trình xử lý gồm ba giai đoạn tăng áp, áp xả áp Sản phẩm sau xử lý bơm khỏi thiết bị cho vào thùng chứa vô trùng (Lê Văn Việt Mẫn, 2011) 2.3 Thiết bị xử lý áp suất cao Một hệ thống áp suất cao bao gồm bình áp suất cao hệ thống tạo áp suất, thiết bị điều khiển nhiệt độ hệ thống xử lý vật liệu Sau nạp đóng, bình chứa đầy mơi trường truyền áp Khơng khí lấy khỏi bình cách sử dụng bơm nạp xả nhanh áp lực, kết hợp với van điều chỉnh tự động áp suất thủy tĩnh cao Áp suất cao tạo cách nén trực tiếp gián tiếp cách nung nóng môi trường truyền áp (M Shafiur Rahman, 2007)  Buồng áp: nơi chứa mẫu để tăng áp q trình xử lý, thường có dạng hình trụ đứng, đầu đỉnh có nắp đậy tháo rời, đầu đáy nối với thân Có ba loại buồng áp: buồng lớp, buồng nhiều lớp buồng quấn dây Nắp đậy có bao loại: nắp hình trụ có ren liên tục, nắp hình trụ có ren khơng liên tục, nắp hình trụ dạng có quấn dây để gia tăng khả chịu áp  Hệ thống tạo áp suất: có hai phương pháp làm tăng áp suất trình xử lý (hình 2.2) Hình 2.2 Thiết bị tạo áp suất cao trực tiếp (a) gián tiếp (b) môi trường truyền áp (Norton, T., & Sun, DW, 2008) - Tăng áp suất trực tiếp tạo cách dùng piston để nén lên mẫu lỏng làm tăng áp lực bình áp suất trực tiếp thông qua dịch chuyển piston (Hình 2.2a) Piston có hai đầu: đầu lớn đầu nhỏ Bơm môi trường truyền áp vào bình mơi trường truyền áp tác động lên đầu nhỏ piston Đầu lớn piston tiếp xúc trực tiếp với mẫu điều khiển máy bơm áp suất thấp Phương pháp cho phép nén nhanh, làm tăng giá trị áp suất tác động lên mẫu (M Shafiur Rahman, 2007) - Tăng áp suất gián tiếp áp dụng cho mẫu rắn lẫn mẫu lỏng xử lý sản phẩm bao bì Thực phẩm cho vào màng bao hàn kín, sau đó, đặt vào bên buồng áp Bơm mơi trường truyền áp vào buồng áp để khí (Lê Văn Việt Mẫn, 2011) Sử dụng khuếch đại áp suất cao để bơm môi trường áp lực từ hồ chứa vào bình HP kín đạt đến áp suất mong muốn để tăng áp suất buồng (Hình 2.2b) Hầu hết hệ thống ép tĩnh điện cơng nghiệp (lạnh, ấm, nóng) sử dụng phương pháp (M Shafiur Rahman, 2007)  Hệ thống hiệu chỉnh nhiệt độ: có nhiều phương pháp hiệu chỉnh nhiệt độ trình xử lý HP: - Sử dụng điện trở quấn xung quanh buồng áp để gia nhiệt sử dụng vỏ áo xung quanh buồng áp để gia nhiệt làm nguội - Sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt dạng mỏng ống lồng ống để gia nhiệt môi trường truyền áp trước bơm qua phận khuếch đưa vào buồng áp - Lắp đặt điện trở thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống xoắn để gia nhiệt làm nguội bên buồng áp  Bộ phận nạp tháo mẫu: xử lý mẫu ngồi bao bì (mẫu lỏng) sử dụng đường ống bơm để nạp tháo mẫu vào khỏi thiết bị Xử lý mẫu bao bì, hệ thống nạp tháo mẫu tương tự hệ thống thiết bị tiệt trùng nhiệt gián đoạn (Lê Văn Việt Mẫn, 2011) 2.4 Ứng dụng áp suất cao chế biến thực phẩm Chế biến áp suất cao ứng dụng rộng rãi thực phẩm khác bao gồm sản phẩm từ thịt (giăm bông,…), cá, trái cây, rau củ nước ép (hình 2.3) Ngày nay, ứng dụng chế biến áp suất cao sản xuất mứt, nước trái cây, nước sốt, chế biến hàu, gần chế biến thịt giăm Việc xử lý thực phẩm áp suất cao ứng dụng giai đoạn quy trình chế biến như: chuẩn bị, chế biến, bảo quản (Lê Văn Việt Mẫn, 2011) Hình 2.3 Các sản phẩm xử lý áp suất cao (https://www.slideshare.net/zgoutham/high-pressure-processing-of-food) 2.4.1 Trong giai đoạn chuẩn bị Việc xử lý nguyên liệu thực phẩm áp suất cao trình chuẩn bị nhằm tạo điều kiện trình chế biến khác dễ dàng 2.4.1.1 Sử dụng áp suất cao phương pháp chần Eshtiaghi Knorr (1993) sử dụng áp suất cao nhiệt độ phòng để thực q trình chần tương tự chần nước nóng nước, không sử dụng nhiệt Áp dụng áp suất (400 MPa 15 phút 20 °C) khơng chần khoai tây mà làm giảm lần tốc độ tăng trưởng pha log vi sinh vật lượng acid ascorbic giữ lại 85% HPP nhiệt độ phòng sử dụng acid citric 0,5% khử hồn tồn hoạt tính enzyme polyphenol oxidase Do đó, HP sử dụng phương pháp chần không sử dụng nhiệt (Rastogi et al., 2007) 2.4.1.2 Sử dụng áp suất cao trình tách n ước th ẩm th ấu Áp dụng áp suất thủy tĩnh cao (HHP) có ảnh hưởng đến cấu trúc thành tế bào, làm tăng tính thấm màng tế bào, dẫn đến thay đổi đáng kể cấu trúc mô Theo nghiên cứu Eshtiaghi, Stute Knorr (1994), việc áp dụng áp suất 600 MPa 15 phút 70 °C dẫn đến giảm tốc độ sấy đậu xanh cà rốt Tuy nhiên, tốc độ sấy tăng đáng kể sấy khoai tây, điều tính thấm màng tế bào cà rốt đậu xanh so với khoai tây (Rastogi et al., 2007) Các phương pháp xử lý áp suất cao (100 – 800 MPa) làm tăng khả loại bỏ nước tăng độ cứng dứa (hình 2.4) Ở mẫu xử lý áp suất 700 MPa có khả loại bỏ nước cao so với mẫu không xử lý HP thời gian Hình 2.4 Sự thay đổi hàm lượng nước theo thời gian áp suất (Rastogi et al., 2007) Sự nén ép giãn nỡ xảy trình xử lý trước áp suất cao gây di chuyển lượng nước đáng kể vỡ thành tế bào Áp suất cao làm cho cấu trúc mô mở tạo điều kiện cho nước khuếch tán Tác dụng hỗ trợ thẩm thấu tế bào áp suất cao thẩm thấu tiến hành tách nước chứng minh rõ ràng khoai tây (Rastogi, Angersbach Knorr, 2000a, 2000b, 2003) Độ ẩm giảm hàm lượng chất rắn tăng lên mẫu xử lý 400 MPa (Rastogi et al., 2007) 2.4.1.3 Sử dụng áp suất cao trình nghiền Trong sản xuất bia, việc xử lý áp suất cao (200 – 600 MPa) để chiết xuất đường nghiên cứu Prez et al., 2002 Áp suất cao ứng dụng để giảm hoạt tính β-glucanase dịch nha nghiền ướt, khơng có khác biệt đáng kể mẫu chịu áp suất khác (200 – 600 MPa) Xử lý áp suất cao malt nghiền ướt 400 600 MPa 20 phút dẫn đến việc đường hòa tan nước, với hàm lượng thấp so với hàm lượng tìm thấy điều kiện 65 °C 90 phút Do đó, việc xử lý áp suất cao giải pháp thay khả thi thực khuấy bột bình áp suất cao cải thiện khả chiết xuất đường giảm thời gian xử lý (Rastogi et al., 2007) Một nghiên cứu thực với hiệu xử lý áp suất thủy tĩnh cao (HHP) 50 – 500 MPa kết hợp với xử lý nhiệt (20 – 60 °C) hoạt động enzyme peroxidase (POD), polyphenol oxidase (PPO) pectin methylesterase (PME) cà chua xay nhuyễn Áp suất thủy tĩnh siêu cao (UHP) xử lý nhiệt nhẹ làm giảm đáng kể 32,5% hoạt động PME kết hợp xử lý 150 MPa / 30 °C, giảm hoạt tính POD (25%) thu cà chua nghiền xử lý 350 MPa / 20 °C, hoạt tính POD tăng kết hợp xử lý áp suất cao xử lý nhiệt nhẹ khoảng 30 – 60 °C Khi kết hợp áp suất 200 MPa / 20 °C làm giảm đáng kể 10% hoạt động PPO (Hernández, A., & Cano, M.P, 1998) Như vậy, xử lý áp suất cao trình nghiền làm giảm thất chất đường hòa tan, làm giảm hoạt động số enzyme oxy hóa, tăng hiệu suất nghiền, tạo điều kiện cho q trình trích ly 2.4.1.4 Sử dụng áp suất tách vỏ nhuyễn thể Hàu loài nhuyễn thể hai vỏ cần phải tách vỏ trước chế biến, vỏ loài nhuyễn thể lẫn vào thịt gây nguy hiểm cho người tiêu dùng Vì vậy, sử dụng HP để tách vỏ hàu mà không làm vỡ vỏ gây nguy hiểm cho người tiêu dùng Mẫu hàu đóng gói chân khơng, đảm bảo không cho hàu tiếp xúc trực tiếp với HHP Sử dụng hỗn hợp dầu ethanol-castor (90 :10) môi trường truyền áp mức 100, 300, 500 800 MPa 10 phút 20 °C phân tích Tồn mơ hàu lấy khỏi vỏ hàu sau xử lý HP Việc xử lý hàu HP dẫn đến thay đổi đáng kể so với mẫu hàu không xử lý HP (bảng 2.2) Độ ẩm tăng từ áp suất đối chứng đến áp suất 800 MPa, độ ẩm tăng hấp thụ nước protein Hàm lượng protein tro giảm áp suất ngày tăng HP có khả hydrate hóa protein Đối với dẫn hàu, hàm lượng protein cao (khoảng 94% trọng lượng chất khô) Độ ẩm tăng áp suất tăng, dẫn hàu khơng bị cắt xử lý HP độ ẩm hàu giữ lại, không phát chất béo dẫn hàu (Cruz-Romero et al., 2004) Bảng 2.2 Ảnh hưởng xử lý HP (giữ thời gian 10 phút 20 °C) thành phần mô dẫn hàu (Cruz-Romero et al., 2004) Áp suất Mô hàu (Whole oyster tissue) (MPa) Độ ẩm Protein Chất béo (%) (%) (%) 0.1 (Đối 76,6 ± 0,6 11,6 ± 0,0 2,1 ± 0,3 chứng) 77,1 ± 0,4 11,5 ± 0,2 2,3 ± 0,2 100 300 79,0 ± 0,2 10,0 ± 0,1 1,7 ± 0,1 500 80,3 ± 0,1 9,4 ± 0,0 2,0 ± 0,1 800 80,6 ± 0,2 8,8 ± 0,1 2,7 ± 0,1 Tro (%) 2,9 ± 0,1 Cơ dẫn hàu (Oyster adductor muscle) Độ ẩm Protein (%) (%) 77,7 ± 0,5 20,9 ± 0,1 2,2 ± 0,0 1,9 ± 0,7 1,8 ± 0,3 1,7 ± 0,7 77,9 ± 0,9 78,5 ± 0,1 79,5 ± 0,0 79,8 ± 0,3 20,0 ± 0,0 19,3 ± 0,6 18,5 ± 0,8 18,2 ± 0,3 Trong trình xử lý HP, thịt hàu tách khỏi vỏ thịt hàu có cấu trúc tốt (hình 2.5b), vị (López – Caballero et al., 2000) Trong q trình chế biến truyền thống, hàu loại bỏ vỏ phương pháp thủ cơng (bằng tay) (hình 2.5a) Điều đòi hỏi người lao động phải có kinh nghiệm kỹ lành nghề để không làm hỏng thịt hàu xử lý, làm giảm chất lượng giá trị cảm quan thành phẩm Xử lý hàu HP loại bỏ tối thiểu hư hỏng tách vỏ hàu, HP cao làm giảm chi phí lao động rủi ro khơng mong muốn, cải thiện chất lượng sản phẩm (Cruz-Romero et al., 2007) a) b) Hình 2.5 Hàu xử lý tay (a); hàu xử lý HP (b) (https://www.slideshare.net/HiperbaricHPP/hiperbaric-hpp-seafood-2013) 2.4.2 Trong giai đoạn chế biến 2.4.2.1 Sử dụng áp suất cao để trích ly Việc xử lý áp suất cao dẫn đến xếp lại cấu trúc mô, tăng khả chiết xuất nhiệt độ phòng Khả chiết xuất caffeine từ cà phê nước tăng lên nhờ áp dụng áp suất cao gia tăng nhiệt độ Việc xử lý áp suất cao nhiệt độ cà phê so sánh với chiết xuất 100 °C áp suất khí (hình 2.6) Hình 2.6 Ảnh hưởng việc xử lý nhiệt độ áp suất lên nồng độ caffeine hỗn hợp nước bột cà phê (Rastogi et al., 2007) Sản lượng caffeine tăng dần theo nhiệt độ áp suất Sự kết hợp áp suất cao nhiệt độ thấp ứng dụng phổ biến cơng nghiệp trích ly (BarbosaCánovas et al., 2004) 2.4.2.1 Sử dụng áp suất cao trình chiên Sử dụng áp suất cao trình chiên giúp làm tăng khả hấp thụ dầu (40%) sản phẩm khoai tây đông lạnh áp suất cao so với khoai tây đông lạnh phương pháp chần Việc sử dụng áp suất cao làm giảm độ ẩm sản phẩm bị nén mơi trường áp suất, sau giải nén làm cho cấu trúc nguyên liệu trở nên xốp tăng khả hút dầu (Rastogi et al., 2007) 2.4.3 Trong giai đoạn bảo quản Áp suất cao thường ứng dụng chủ yếu trình bảo quản Quá trình xử lý thực phẩm áp suất cao ức chế vi sinh vật enzyme, kéo dài thời gian bảo quản 2.3.3.1 Lạnh đông thực phẩm phương pháp thay đổi áp su ất Lạnh đơng q trình bảo quản thực phẩm cách hạ nhiệt độ xuống thấp nhiệt độ đóng băng nước, nước thực phẩm kết tinh thành đá Quá trình lạnh đơng chậm gây thiệt hại cấu trúc lớn hình thành tinh thể đá lớn, đồng thời dẫn đến gia tăng hoạt động enzyme phát triển vi sinh vật, tăng tỷ lệ oxy hóa nồng độ chất tan tăng (Kalichevsky, Knorr Lillford, 1995) Sự gia tăng thể tích nguyên nhân gây tổn thương mơ q trình lạnh đơng Q trình lạnh đơng nhanh cách sử dụng cryogens gây tượng nứt băng hai hiệu ứng: giảm khối lượng ban đầu làm lạnh tăng khối lượng lúc sau đóng băng Để giảm hình thành tinh thể đá có kích thước lớn, áp suất tăng để làm giảm nhiệt độ đông đặc nước Ở áp suất 200 Mpa, nước không bị đông 10 đặc - 21 °C Ưu điểm áp suất cao lạnh đông tạo điều kiện thúc đẩy tốc độ tạo thành mầm tinh thể nhanh, tinh thể đá mịn đồng tồn thể tích (Singh, R P., & Heldman, D R, 2001) 2.4.3.2 Rã đông phương pháp thay đổi áp suất Ngày nay, phương pháp rã đông thực phẩm chủ yếu sử dụng nước khơng khí tác nhân rã đơng Q trình rã đơng xảy chậm q trình lạnh đơng, thời gian rã đơng xảy hư hỏng vật lý, hóa học xâm nhập vi sinh vật vào thực phẩm, gây mềm hóa mức mơ thực vật Vì vậy, q trình rã đông cần thực thời gian ngắn nhằm hạn chế thất thoát dịch bào phát triển vi sinh vật thực phẩm Các nghiên cứu gần cho thấy, việc rã đông áp suất cao trì chất lượng thực phẩm làm giảm thời gian rã đơng Q trình rã đơng cách thay đổi áp suất giúp cải thiện cấu trúc đậu phụ đông lạnh so với rã đông áp suất khí (Barbosa-Cánovas et al., 2004) 2.4.3.3 Bảo quản thực phẩm nhiệt độ âm môi trường áp su ất cao Trong trình bảo quản lạnh đơng, hình thành tinh thể đá gây tổn thương cho cấu trúc tế bào ảnh hưởng đến chất lượng thực phẩm Vì vậy, việc bảo quản thực phẩm môi trường không lạnh đông nhiệt độ thấp tác động áp suất phương pháp ngăn chặn tổn thương hiệu ứng đóng băng tan băng Trong mơi trường này, nước thực phẩm khơng bị đóng băng, nhiên hư hỏng vi sinh vật enzyme bị hạn chế nhiệt độ thấp Ví dụ, thịt lợn sống bảo quản áp suất, tránh tổn thất chất tan xảy sau rã đông Trong số trường hợp, số lượng vi sinh vật mẫu thịt giảm bảo quản nhiệt độ thấp áp suất cao (200 MPa, -20 °C) so với lạnh đông (Singh, R P., & Heldman, D R., 2001) Do đó, bảo quản khơng đơng lạnh nhiệt độ thấp áp suất cao phương pháp kéo dài thời hạn sử dụng số loại thực phẩm định, tránh tổn thất sản phẩm làm lạnh tan băng Một số tác giả việc tiết kiệm lượng đáng kể thực cách sử dụng phương pháp bảo quản áp suất cao thay lạnh đơng (Singh, R P., & Heldman, D R., 2001) 2.4.3.4 Kết hợp phương pháp xử lý áp suất cao phương pháp chiếu xạ Chiếu xạ trình vật lý, sử dụng tia xạ điện từ dòng electron để tác động lên mẫu thực phẩm nhằm ức chế tiêu diệt vi sinh vật giúp kéo dài thời gian bảo quản Trong công nghiệp, loại thực phẩm có liều xạ tối đa cho phép sử dụng (thường không vượt 10 KGy) Nếu sử dụng liều xạ 11 cao gây ảnh hưởng đến chất lượng thực phẩm (thất thoát vitamin C, làm giá trị cảm quan trái tươi,…) Crawford, Murano, Olson Shenoy (1996) nghiên cứu ảnh hưởng kết hợp áp suất cao chiếu xạ gamma để khử hoạt tính bào tử Clostridium ức gà Ứng dụng áp suất cao để làm giảm liều chiếu xạ cần thiết sản suất thịt gà giúp kéo dài thời gian bảo quản sản phẩm Việc xử lý áp suất cao (600 MPa 20 phút 80 °C) làm giảm lần tốc độ tăng trưởng vi sinh vật pha lũy thừa Clostridium progenies từ 4,2 KGy xuống 2,0 KGy Mainvile, Montpetit, Durand Farnworth (2001) nghiên cứu ảnh hưởng kết hợp áp suất cao chiếu xạ hệ vi sinh vật gà Việc xử lý chiếu xạ gà KGy xử lý áp suất cao (400 MPa 30 phút) khử hoạt tính vi khuẩn nấm men, protein chất béo không bị biến đổi (BarbosaCánovas et al., 2004) Qua nghiên cứu cho thấy việc kết hợp áp suất cao chiếu xạ giúp giảm lượng chiếu xạ cần thiết, cải thiện chất lượng sản phẩm, tiết kiệm lượng sử dụng cho việc chiếu xạ chế biến thực phẩm 2.5 Các biến đổi nguyên liệu xử lý áp suất cao - Vật lý: Trong trình xử lý HHP, thể tích chất lỏng chất rắn giảm khơng nhiều Ví dụ, 800 MPa 20 °C, thể tích nước bị giảm 17%, nhiên xả áp thể tích nước phục hồi Ngược lại, thể tích khí bị giảm đáng kể tác động áp suất cao Do đó, cần quan tâm đến có mặt khí thực phẩm gian bào, bao bì đựng thực phẩm… Trong trình tăng áp, co giãn khí thực phẩm làm rách bao bì, làm tăng tổn thất sản phẩm (Lê Văn Việt Mẫn, 2011) - Hóa học: theo nguyên lý Le Chaterlier – Braun, áp suất phá vỡ số liên kết vật lý tương tác tĩnh điện, tương tác kỵ nước,… liên kết cộng hóa trị khơng bị phá vỡ mà tăng cường + Mỡ cá xử lý áp suất cao làm giảm oxy hóa chất béo + Khi xử lý nectar dâu 400 MPa 20 °C 30 phút, hàm lượng vitamin C sản phẩm không bị thay đổi Nhiệt độ xử lý tăng làm tăng tổn thất vitamin C + Aspartame chất tổng hợp thường sử dụng sản phẩm thức uống pha chế Khi xử lý thực phẩm có chứa 0,5 g aspartame/lít 600 MPa 60 °C 30 phút độ sản phẩm bị giảm gần 50% lượng chất ban đầu Độ giảm aspartame bị phân hủy tạo chất diketopiperazine aspartylphenylalanin (Lê Văn Việt Mẫn, 2011) 12 - Hóa lý: HP làm biến tính protein Sự biến tính phụ thuộc vào loại protein, điều kiện xử lý áp suất áp dụng Trong trình biến tính, protein bị hòa tan kết tủa xử lý áp suất cao Những thay đổi thường dao động khoảng 100 – 300 MPa phục hồi áp suất cao 300 MPa (Rastogi et al., 2007) HP làm phân tử protein bị duỗi mạch, dẫn đến kết tụ tạo gel HP ứng dụng protein đậu nành, lòng trắng trứng, số loại cá,… Gel trì hình dạng thực phẩm 600 MPa lòng trắng trứng , 200 MPa actomyosin cá chép, 300 MPa protein đậu nành Gel xử lý áp HP thường màu sắc hương vị tự nhiên, trạng thái bóng mềm gel xử lý nhiệt Theo phép đo kết cấu, gel có xu hướng tăng độ cứng giảm độ bám dính tăng áp suất Tuy nhiên, gel xử lý HP có khả trương nở lớn không bị gãy mạch áp suất cao (Okamoto, M., Kawamura, Y., & Hayashi, R., 1990) HP xem tác nhân tạo gel tinh bột Đối với tinh bột khoai tây, tạo gel xảy 650 MPa nhiệt độ 30 °C Đối với chất béo nước, trạng thái pha bị thay đổi tác dụng áp suất Ở áp suất khí quyển, nước tồn pha rắn nhiệt độ giảm xuống -20 °C Tuy nhiên, áp suất 207,5 MPa nước tồn dạng pha lỏng nhiệt độ -20 °C (Lê Văn Việt Mẫn, 2011) - Sinh học: HP khơng làm thay đổi hình dạng tế bào vi khuẩn Tuy nhiên, tế bào nấm men nấm mốc nhạy cảm với áp suất bị bất hoạt áp suất 250 – 300 MPa (Knorr, 1995 ; Patterson, Quinn, Simpson Gilmour, 1995), áp suất 250 MPa thể tích tế bào nấm men bị giảm không phục hồi hình dạng ban đầu sau xử lý áp suất Đối với Saccharomyces cerevisiae, áp suất khoảng 400 MPa, cấu trúc bào quan tế bào chất bị biến dạng lượng lớn chất nội bào bị rò rỉ Trong 500 MPa nhân tế bào khơng thất vật liệu nội bào gần hoàn toàn (Rastogi et al., 2007) Những biến đổi áp suất cao làm giảm hoạt tính ức chế hoạt động vi sinh vật Các bào tử vi khuẩn có khả chịu áp suất cao, xử lý áp suất > 1200 MPa bị bất hoạt Nhiệt độ khoảng 90 – 121 °C kết hợp với áp suất 500 – 800 MPa áp dụng để khử hoạt tính bào tử tạo thành vi khuẩn Clostridium botulinum (Rastogi et al., 2007) - Hóa sinh: áp suất cao làm thay đổi cấu trúc bậc 2, protein, ảnh hưởng đến hoạt tính enzyme thực phẩm Một vài nghiên cứu cho thấy áp suất cao làm giảm hoạt tính vơ hoạt enzyme, đảm bảo sản phẩm có chất lượng cao ổn 13 định Ví dụ lipoxygenase đậu nành bị vơ hoạt áp suất 400 – 600 MPa nhiệt độ phòng Nhóm enzyme trypsin, chymotrypsin, cathepsin collagenase thủy sản bị vô hoạt áp suất dao động khoảng 100 – 400 MPa (Lê Văn Việt Mẫn, 2011) HP làm giảm tốc độ phản ứng hóa nâu (phản ứng Maillard) Xử lý HP bao gồm hai phản ứng, phản ứng ngưng tụ hợp chất amino với hợp chất carbonyl, phản ứng màu liên tiếp bao gồm hình thành melanoidin trình trùng hợp Phản ứng ngưng tụ cho thấy khơng có gia tốc áp suất cao (5–50 MPa 50◦C) HP ngăn chặn tạo gốc tự ổn định có nguồn gốc từ melanoidin, nguyên nhân gây phản ứng hóa nâu (Rastogi et al., 2007) HP gây thay đổi cấu trúc polygalacturonase (PG) làm giảm liên kết chất bất hoạt enzyme Eun, Seok Wan (1999) nghiên cứu ảnh hưởng việc xử lý áp suất cao PG từ bắp cải Trung Quốc để ngăn chặn mềm hư hỏng thực phẩm kim chi mà không ảnh hưởng đến chất lượng PG bị bất hoạt xử lý áp suất cao 200 MPa phút (Rastogi et al., 2007) KẾT LUẬN Xử lý thực phẩm áp suất cao giữ tính chất cảm quan giá trị dinh dưỡng giống với tính chất thực phẩm tươi Phương pháp thay phương pháp xử lý nhiệt, giảm thay đổi thất thoát thành phần dinh dưỡng thực phẩm Ứng dụng HP xử lý thực phẩm khử hoạt tính enzyme ức chế tiêu diệt vi sinh vật mà khơng làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Vì vậy, thời gian bảo quản sản phẩm kéo dài, hạn chế việc sử dụng phụ gia chất bảo quản, đảm bảo chất lượng tăng tính an toàn cho người tiêu dùng Tuy nhiên, hạn chế lớn phương pháp chi phí đầu tư cho thiết bị xử lý cao, sản phẩm sau xử lý HP phải bảo quản lạnh Vì vậy, nhà sản xuất thực phẩm cần hiểu rõ ưu điểm bật công nghệ xử lý HP so với công nghệ xử lý nhiệt Từ đó, đưa phương pháp xử lý phù hợp với tính chất loại thực phẩm 14 TÀI LIỆU THAM KH ẢO Lê Văn Việt Mẫn, Lại Quốc Đạt, Nguyễn Thị Hiền, Tôn Nữ Minh Nguyệt, Trần Thị Thu Trà, 2011 Công nghệ chế biến thực phẩm Nhà xuất Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh Barbosa-Cánovas, G V., Tapia, M S., & Cano, M P (Eds.), 2004 Novel food processing technologies CRC press Cruz-Romero, M., Kelly, A L., & Kerry, J P, 2007 Effects of high-pressure and heat treatments on physical and biochemical characteristics of oysters (Crassostrea gigas) Innovative food science & emerging technologies, 8(1), 30-38 Cruz-Romero, M., Smiddy, M., Hill, C., Kerry, J P., & Kelly, A L, 2004 Effects of high pressure treatment on physicochemical characteristics of fresh oysters (Crassostrea gigas) Innovative Food Science & Emerging Technologies, 5(2), 161-169 Hernández, A., & Cano, M P, 1998 High-pressure and temperature effects on enzyme inactivation in tomato puree Journal of Agricultural and Food Chemistry, 46(1), 266-270 M Shafiur Rahman, 2007 Hand book of Food Preservation CRC press Norton, T., & Sun, D W, 2008 Recent advances in the use of high pressure as an effective processing technique in the food industry Food and Bioprocess Technology, 1(1), 2-34 Okamoto, M., Kawamura, Y., & Hayashi, R., 1990 Application of high pressure to food processing: textural comparison of pressure-and heat-induced gels of food proteins Agricultural and Biological Chemistry, 54(1), 183-189 Rastogi, N K., Raghavarao, K S M S., Balasubramaniam, V M., Niranjan, K., & Knorr, D., 2007 Opportunities and challenges in high pressure processing of foods Critical reviews in food science and nutrition, 47(1), 69-112 Singh, R P., & Heldman, D R., 2001 Introduction to food engineering Gulf Professional Publishing 15 ... 2.4 Ứng dụng áp suất cao chế biến thực phẩm Chế biến áp suất cao ứng dụng rộng rãi thực phẩm khác bao gồm sản phẩm từ thịt (giăm bông,…), cá, trái cây, rau củ nước ép (hình 2.3) Ngày nay, ứng dụng. .. sử dụng chất bảo quản hóa học, chất phụ gia; HP tạo thành phần có nhiều chức thực phẩm (Rastogi et al., 2007) 2.1 Xử lý áp suất cao Xử lý thực phẩm áp suất cao phương pháp thực phẩm đặt áp suất. .. theo nhiệt độ áp suất Sự kết hợp áp suất cao nhiệt độ thấp ứng dụng phổ biến công nghiệp trích ly (BarbosaCánovas et al., 2004) 2.4.2.1 Sử dụng áp suất cao trình chiên Sử dụng áp suất cao trình chiên