Kỹ thuật trường xung điện trong chế biến thực phẩm

Kỹ thuật trường xung điện trong chế biến thực phẩm

VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC – THỰC PHẨM  BÁO CÁO MÔN:NHỮNG VẤN ĐỀ MỚI TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨMĐỀ TÀI:ỨNG DỤNG CỦA KỸ THUẬT TRƯỜNG XUNG ĐIỆN TRONG NGÀNH THỰC PHẨMTP.HCM, tháng 3 năm 2011 Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Báo cáo tiểu luận Viện CN Sinh Học – Thực Phẩm Những vấn đề mới trong thực phẩmLỜI MỞ ĐẦUHòa nhịp cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật. Ngành công nghệ thực phẩm cũng đang hướng tới việc phát triển những ứng dụng của kỹ thuật hiện đại trong sản xuất thực phẩm. Hiện nay, có ba kỹ thuật hiện đại đang được ứng dụng trong sản xuất thực phẩm đó là: kỹ thuật trường xung điện, kỹ thuật áp suất cao và kỹ thuật siêu âm. Trong đó kỹ thuật trường xung điện đang được quan tâm khá nhiều. Bởi những ưu điểm của kỹ thuật này hoàn toàn phù hợp với xu hướng của thị trường người tiêu dùng thực phẩm.Vậy kỹ thuật trường xung điện là gì? Nó được sử dụng như thế nào trong Ngành thực phẩm? Những ưu điểm của kỹ thuật này là gì? Liệu người tiêu dùng có được hưởng lợi gì từ kỹ thuật này hay không? Để giải đáp tất cả những câu hỏi đó chúng em đã trải qua thời gian nghiên cứu và tìm hiểu. Bài tiểu luận này chính là kết quả cuối cùng.Tuy nhiên, do thời gian và trình độ còn hạn chế nên bài còn nhiều thiếu sót. Mong thầy và các bạn góp ý thêm. Chúng em chân thành cảm ơn! 1 Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Báo cáo tiểu luận Viện CN Sinh Học – Thực Phẩm Những vấn đề mới trong thực phẩmChương 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT TRƯỜNG XUNG ĐIỆN1.1.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 đến các thuộc tính chất lượng thực phẩm. PEF có thể được dùng để chế biến các sản phẩm thức ăn lỏng và nửa lỏng. Quá trình chế biến cường độ cao xung điện trường (PEF) liên quan đến việc áp dụng các xung điện áp cao (thường 20-80 kV / cm) để thực phẩm được đặt giữa 2 điện cực. Xử lý PEF được thực hiện ở nhiệt độ môi trường xung quanh hoặc hơi cao hơn nhiệt độ môi trường xung quanh chưa tới 1s, và tổn thất năng lượng để làm nóng các loại thực phẩm được giảm thiểu. Đối với các thuộc tính chất lượng thực phẩm, công nghệ PEF được xem là tiện ích hơn xử lý nhiệt truyền thống đố với các loại thực phẩm vì nó tránh hoặc làm giảm đáng kể những thay đổi bất lợi các đặc tính cảm quan và vật lý trong các loại thực phẩm (Quass 1997). Mặc dù một số nghiên cứu đã kết luận rằng PEF bảo tồn các thành phần dinh dưỡng trong thực phẩm, ảnh hưởng của PEF về hóa chất và cạnh dinh dưỡng trong thực phẩm phải được hiểu rõ hơn trước khi nó được sử dụng trong chế biến thực phẩm (Qin và những người khác 1995b).1.2.Mô tả về trường xung điện PEF có thể được áp dụng dưới các hình thức theo cấp số nhân phân rã, sóng vuông, lưỡng cực, hoặc xung dao động. Một làn sóng điện áp theo cấp số nhân phân rã là một điện áp một chiều mà tăng lên nhanh chóng đến một giá trị tối đa và phân rã từ từ về giá trị không. Các mạch như trong hình 1 có thể được sử dụng để tạo ra một dạng sóng phân rã theo hàm mũ. Một nguồn điện DC nạp điện cho một tụ điện nối tiếp với một điện trở sạc (R s) Khi một tín hiệu kích hoạt được áp dụng, điện năng lưu trữ trong tụ điện chạy vào trong thức ăn trong buồng chế biến.2 Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Báo cáo tiểu luận Viện CN Sinh Học – Thực Phẩm Những vấn đề mới trong thực phẩm Những dạng sóng xung lực hình vuông có thể gây tử vong và hiệu quả năng lượng nhiều hơn so với xung lực phân rã theo hàm mũ. 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 (Hình 2). Các xung lực phụ tải tức thì đảo ngược được đặc trưng bởi một phần electron ( + ) và một phần electron ( - )(Hình 3) với độ rộng khác nhau và độ cao các đỉnh của peak 3 Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Báo cáo tiểu luận Viện CN Sinh Học – Thực Phẩm Những vấn đề mới trong thực phẩmkhác nhau. Chiều rộng của xung lực phụ tải tức thì đảo ngược với sự đảo ngược phụ tải ở cuối xung động thì khác nhau đáng kể so với một xung lực lưỡng cực chuẩn. Tại thời điểm sau đó, các cực của những xung lực được đảo ngược luân phiên với thời gian nghỉ giữa những xung lực. Ngay cả với một xung lực tần số cao hơn (ví dụ, 1000 Hz), thời gian nghỉ của điện môi ở điện áp bằng không giữa những sóng xung lực vuông 4 μs là 0,996 ms (Quass 1997). Những xung lực nghịch đảo tức thời có thể làm giảm mạnh nhu cầu năng lượng thấp đến mức 1,3 J / ml (EPRI 1998).Hình 3. Một vạch điện áp (V) của một xung lực nghịch đảo tức thời, a là chu kỳ xung (s), b là độ rộng xung (μs), c là thời gian (s) tăng xung động để đạt e (kV), d là chiều rộng tăng giảm đột biến (s), e là một điện áp đỉnh (kV), và f được một điện áp tăng giảm đột biến (kV) (Hồ và những người khác 1995) Dao động xung phân rã là những hiệu quả tối thiểu, bởi vì chúng ngăn chặn các tế bào khỏi bị liên tục tiếp xúc với một trường điện cường độ cao trong một thời gian 4 Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Báo cáo tiểu luận Viện CN Sinh Học – Thực Phẩm Những vấn đề mới trong thực phẩmkéo dài, do đó ngăn ngừa các màng tế bào khỏi sự cố không thuận nghịch trên một vùng lớn (Jeyamkondan và những người khác 1999).1.3.Hiện trạng sử dụng trường xung điện trong ngành thực phẩm Áp dụng công nghệ PEF đã được chứng minh thành công đối với việc thanh trùng các loại thực phẩm như nước hoa quả, sữa, sữa chua, súp, và trứng lỏng. Áp dụng của PEF chế biến bị hạn chế đối với sản phẩm thực phẩm không có bọt khí và có độ dẫn điện thấp. Các kích thước hạt tối đa trong chất lỏng phải nhỏ hơn khoảng cách của các khu vực xử lý trong khoang chứa để đảm bảo điều trị thích hợp. PEF là một phương pháp chế biến liên tục, không phù hợp cho các sản phẩm thức ăn rắn mà không có khả năng bơm được. PEF cũng được áp dụng để tăng khả năng chiết xuất các đường và hàm lượng tế bào khác từ các tế bào thực vật, chẳng hạn như củ cải đường. PEF cũng thấy các ứng dụng trong việc giảm khối lượng rắn (bùn) của nước thải. Tại Hoa Kỳ, quy mô thương mại đầu tiên hệ thống liên tục PEF được đặt tại Sở Đại học bang Ohio của của thực phẩm Khoa học và Công nghệ. Hệ thống này PEF là một phần của một hệ thống xử lý thực phẩm mới kết hợp bởi một phòng tài trợ Bộ Quốc phòng tài trợ, liên minh trực tiếp Đại học công nghiệp. Đa dạng Technologies Inc, Bedford, MA, xây dựng hệ thống thương mại PEF khối lượng chế biến khác nhau, từ 500 đến 2.000 lít / giờ, với trường Đại học Nhà nước Ohio cung cấp viện điều trị PEF. Các phương tiện truyền thông truyền tải cảm tưởng rằng công nghệ PEF đã được hoàn thiện lần đầu tiên tại Ấn Độ và đã sẵn sàng cho sử dụng thương mại. Ngược lại nhiều công việc cần phải làm để chuẩn hóa quá trình chế biến các sản phẩm trái cây nhiệt đới và thực vật phổ biến trong nước. Sữa có lẽ là đối tượng thích hợp nhất để áp dụng hàng loạt công nghệ này, nhưng thực tế không có thông tin đáng tin cậy liên quan đến sự phù hợp của nó đối với một hợp chất phức tạp như protein-chất béo như sữa. Vài báo cáo cho thấy ứng dụng của PEF đi đôi với việc gia nhiệt có thể kéo dài thời hạn sử dụng của sữa lên tới 24 ngày. Hãy tưởng tượng những thuận lợi cho người tiêu dùng trung lưu khi các gói sữa mà mỗi ngày đến trước nhà họ, có thể được giữ 5 Trng i Hc Cụng Nghip TP.HCM Bỏo cỏo tiu lun Vin CN Sinh Hc Thc Phm Nhng vn mi trong thc phmtrong iu kin mụi trng xung quanh hay thm chớ trong t lnh ớt nht mt tun hoc nhiu hn. õy l ni m n lc kờu gi n l nc sn xut sa ln nht th gii v mt phn ln c tiờu th nh sa dung dch trong hng triu ngụi nh t chc trờn ton quc.Chng 2: QUY TRèNH LM VIC CA TRNG XUNG IN2.1.Phõn tớch cỏc yu t quan trngCú ba yu t quan trng nh hng n hot ng kh vi sinh vt ca k thut trng xung in:-Quỏ trỡnh: cng in trng, rng xung, nhit v thi gian x lý, hỡnh dng ca súng xung.-Vi sinh vt: chng loi, s lng, giai on tng trng ca vi sinh vt.-Cỏc yu t sn phm: pH, dn in, lc ion2.1.1.Cỏc yu t quỏ trỡnha. Cng in trng Cng in trng l mt trong nhng yu t chớnh nh hng n kh nng vụ hot húa cỏc vi sinh vt (theo Hỹshelguer v Niemann 1980; Dunne v cng s 1996). S gia tng s lng cỏc vi khun b vụ hot t l thun vi s gia tng cng in trng ( theo Qin v cng s, nm 1998). iu ny phự hp vi lý thuyt electroporation. Trong ú, cỏc tỏc ng gõy ra qua mng t bo l t l thun vi in trng ỏp dng. Mt s mụ hỡnh toỏn hc thc nghim ó c xut mụ t mi quan h gia cng in trng v s vụ hot ca cỏc vi khun rng ca xung in cng nh hng n kh nng vụ hot cỏc vi sinh vt. Vớ d, vi rng xung ln hn 50 às thỡ Ec l 4,9 kV/cm, cũn vi rng xung nh hn 2às thỡ Ec l 40 kV/cm ( theo Schoenbach v nhng ngi khỏc 1997). b. Thi gian x lý Thi gian x lý l kt qu ca s lng xung v thi gian xung, theo ú s gia tng bt kỡ ca cỏc yu t ny s lm tng kh nng vụ hot húa cỏc vi sinh vt (Sale v 6 Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Báo cáo tiểu luận Viện CN Sinh Học – Thực Phẩm Những vấn đề mới trong thực phẩmHamilton 1967). Như đã nói ở trên, chiều rộng xung tăng hay giảm cũng ảnh hưởng đến khả năng vô hoạt hóa các vi sinh vật bằng cách tác động đến cường độ điện trường. Tuy nhiên, việc kéo dài thời gian xung có thể làm tăng nhiệt độ thực phẩm một cách không mong muốn. Do đó, các điều kiện chế biến tối ưu nên được thiết lập để các thiết bị xung điện trường có thể cho kết quả làm việc tốt nhất với tác dụng làm nóng thấp nhất. Hülsheger và cộng sự (1981) đã đề xuất một mô hình vô hoạt hóa liên quan đến phần sống của vi sinh vật (S) với thời gian xử lý bằng PEF (t). Qua đó cho thấy số lượng vi sinh vật ngừng hoạt động tăng lên tương ứng với mức tăng thời gian xử lý.Mức độ quan trọng của thời gian xử lý cũng phụ thuộc vào cường độ điện trường áp dụng. c. Hình dạng sóng xung Trường xung điện có thể được áp dụng theo hình thức phân rã, sóng vuông, dao động, lưỡng cực. Trong đó, hình thức dao động là hiệu quả nhất để vô hoạt hóa các vi sinh vật vá các sóng vuông thì có nhiều năng lượng và hiệu quả làm chết tốt hơn so với các xung phân rã. Xung lưỡng cực làm chết tốt hơn so với các xung chỉ có một cực vì một xung điện trường gây ra chuyển động của các phân tử tích điện trong các màng tế bào của vi sinh vật và đổi chiều theo hướng hoặc chiều phân cực của điện trường gây ra một sự thay đổi tương ứng theo hướng của các phân tử mang điện (theo Ho và cộng sự 1995; Qin cộng sự 1994). Với xung lưỡng cực, sự chuyển động của các phân tử tích điện gây ra áp lực trên màng tế bào và tăng khả năng phá vỡ nó. Dùng xung lưỡng cực sẽ thuận lợi trong việc tiết kiệm năng lượng, giảm lắng đọng của các chất rắn trên bề mặt điện cực. Các xung đảo ngược tức thì có thể được mô tả như là một phần mang điện vào trước thì ngay tức thì một phần không mang điện vào sau. Đặc tính này của hình dạng sóng chịu ảnh hưởng bởi độ dẫn điện của các thực phẩm đem đi xử lý. Sự khác biệt giữa các xung đảo ngược và xung lưỡng cực là thời gian phục hồi của các xung. Tác dụng vô hoạt hóa của các xung đảo ngược liên tục là gây ra áp lực xen 7 Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Báo cáo tiểu luận Viện CN Sinh Học – Thực Phẩm Những vấn đề mới trong thực phẩmkẽ trên tế bào vi khuẩn là nguyên nhân làm cấu trúc của chúng yếu đi. Hiệu quả của dạng sóng khi vô hoạt hóa các vi sinh vật 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 vật của 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 dạng xung 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 xung một thời gian là 60 ns.2. Phân rã theo cấp số nhân với một sóng điện trường cao 62,5 kV / cm, có chiều rộng xung là 0,57 μs và xung một thời gian là 40 ns3. Xung đảo ngược với điện trường cao điểm là 37 kV / cm, có chiều rộng xung 0,96 μs, và xung một thời gian là 400 ns. Kết quả nghiên cứu cho thấy sóng vuông có hiệu quả hơn so với hai sóng còn lại.Qin và cộng sự (1994) cũng đã nghiên cứu khả năng vô hoạt của S. Cerevisiae khi sử dụng hai dạng sóng là hình mũ phân rã và sóng vuông, ở cùng điều kiện điện trường cao điểm là 12 KV/cm và 60J/xung. Kết quả này cho thấy cả hai dạng sóng đều cho hiệu quả vô hoạt vi sinh vật, nhưng với sóng vuông thì cho hiệu quả tốt nhất.d. 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 tác dụng 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 phẩm xuống thấp hơn những thực phẩm được tạo ra bởi thanh trùng.8 [...]... các phương pháp PEF Sản phẩm thực phẩm không có thêm các muối có độ dẫn điện trong khoảng 0,1-0,5 S / m Các sản phẩm có tính dẫn điện cao làm giảm điện trở của các phòng và do đó đòi hỏi nhiều năng lượng hơn để đạt được một điện trường cụ thể Vì vậy, khi chế biến các sản phẩm muối cao, muối sẽ được thêm vào sau khi chế biến -Các kích thước hạt của các thực phẩm lỏng trong cả hai chế độ điều trị dòng chảy... Sinh Học – Thực Phẩm Báo cáo tiểu luận Những vấn đề mới trong thực phẩm chặn kết quả không phù hợp do các biến thể trong hệ thống PEF Nhưng phương pháp đó không có sẵn Chương 3: ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Đến nay, trường xung điện chủ yếu được áp dụng để bảo quản chất lượng, tăng thời hạn sử dụng thực phẩm chẳng hạn như sữa, nước cam, nước táo, trứng và rượu 3.1.Ứng dụng công nghệ chế biến rượu... chất lượng ban đầu, các sản phẩm không còn 18 Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Viện CN Sinh Học – Thực Phẩm Báo cáo tiểu luận Những vấn đề mới trong thực phẩm bị ảnh hưởng bởi nhiệt Xử lý trường xung điện là một phương pháp bảo quản thay thế cho tiệt trùng Pasteur, đã ứng dụng trên nhiều loại thực phẩm Vega-Mercado (1996) xử lý với súp đậu xanh bằng trường xung điện ở 16 xung tại 35 kV/cm và lưu ý... vấn đề mới trong thực phẩm đến 107 cfu/ml, trong khi đó sữa được sử dụng phương pháp trường xung điện cho thấy khoảng 4x102 cfu/ml Fernandez-Molina (1999) nghiên cứu thời hạn sử dụng của sữa tách kem tươi (0,2% chất béo sữa), xử lý bằng phương pháp trường xung điện ở 40 kV / cm, 30 xung, thời gian 2 μs, thời hạn sử dụng của sữa là 2 tuần ở 4oC Tuy nhiên với phương pháp trường xung điện trong 6 giây,... kV/cm, 30 xung, mỗi xung có chiều rộng 2 μs, sữa tách kem tươi có hạn sử dụng lên đến 22 ngày, với tổng số vi sinh vật hiếu khí giảm và coliform không tìm thấy Lưu ý nhiệt độ xử lý không vượt quá 28 ° C trong khi sử dụng phương pháp trường xung điện của nguyên sữa tách kem 3.4 Ứng dụng trong một số sản phẩm khác 3.4.1 .Chế biến trứng Các nghiên cứu khác trên trứng được xử lý bằng trường xung điện thực hiện... 3.3.Ứng dụng trong công nghiệp chế biến sữa Dunn và Pearlman (1987) đã tiến hành một thí nghiệm với sữa nhiễm vi khuẩn Salmonella xử lý với điện trường 36,7 kV/cm và 40 xung, Salmonella không được phát hiện sau khi sữa đã xử lý phương pháp trường xung điện Với nhiệt độ lưu trữ ở 7-9°C trong 8 ngày các vi khuẩn trong sữa tăng lên 17 Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Viện CN Sinh Học – Thực Phẩm Báo cáo... mất nước các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu các phương pháp kết hợp kỹ thuật bảo quản Trường xung điện là một trong những phương pháp bảo quản đầy hứa hẹn giữ được độ tươi của thực phẩm mà không gây ảnh hưởng đến chất lượng của nó 19 Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Viện CN Sinh Học – Thực Phẩm Báo cáo tiểu luận Những vấn đề mới trong thực phẩm TÀI LIỆU 1 www.ichaus.de/MagneticEncoder 2 http://www.freepatentsonline.com/6746613.html... acid ascorbic hay các loại đường) trong nước táo sử dụng 16 Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Viện CN Sinh Học – Thực Phẩm Báo cáo tiểu luận Những vấn đề mới trong thực phẩm phương pháp trường xung điện và đánh giá cảm quan cũng không tìm thấy sự khác biệt đáng kể nào so với nước táo ép tươi Vega Mercado và những người khác (1997) cũng báo cáo bằng phương pháp trường xung điện đã kéo dài hạn sử dụng tại... – Thực Phẩm Báo cáo tiểu luận Những vấn đề mới trong thực phẩm Hình 6 Electroporation của một màng tế bào (Vega-Mercado, 1996b) 2.3.Một số ưu – nhược điểm của phương pháp 2.3.1.Ưu điểm -Kỹ thuật trường xung điện vô hiệu hóa các vi sinh vật ở nhiệt độ 50 0C trong 3 giây, thấp hơn rất nhiều so với một thanh trùng pasteur thông thường cũng ở nhiệt độ khoảng 70 đến 900C, trong khoảng 30 đến 60 giây -Thực. .. cách giữa 2 điện cực và có thể tạo ra một tia lửa Vì vậy, bong bóng không khí trong thực phẩm phải được loại bỏ, đặc biệt với các hệ thống hàng loạt -Giới hạn của ứng dụng, đó là giới hạn cho các sản phẩm thực phẩm có thể chịu được điện trường cao Các thuộc tính điện môi của thực phẩm là liên quan chặt chẽ đến cấu trúc vật lý của nó và thành phần hóa học Chất lỏng đồng nhất với tính dẫn điện thấp, cung . kỹ thuật hiện đại đang được ứng dụng trong sản xuất thực phẩm đó là: kỹ thuật trường xung điện, kỹ thuật áp suất cao và kỹ thuật siêu âm. Trong đó kỹ thuật. SINH HỌC – THỰC PHẨM  BÁO CÁO MÔN:NHỮNG VẤN ĐỀ MỚI TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨMĐỀ TÀI:ỨNG DỤNG CỦA KỸ THUẬT TRƯỜNG XUNG ĐIỆN TRONG NGÀNH THỰC PHẨMTP.HCM,