Hiện tượng thẩm thấu và những ứng dụng

Hiện tượng thẩm thấu và những ứng dụng

ẨẤHIỆN TƯỢNG THẨM THẤU

VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG

Bùi Hữu Thuận

Bộ môn Công Nghệ Thực PhẩmTrường Đại Học Cần Thơ

Nguyên liệu sinh học và sự ổn định

• Các nguyên liệu được dùng làm thực phẩm, thịt cá rau trái củ vi sinh vật v v thườngthịt, cá, rau, trái, củ, vi sinh vật v.v… thường chứa nhiều nước khi thu hoạch

• Lượng nước quá nhiều này làm cho độ hoạt động của nước (water activity, Aw) cao và như vậy theo qui luật, các sản phẩm mau hư • Tách nước hay giảm Aw là phương pháp cơ

bản trong việc kéo dài thời gian sử dụng thực phẩm

• Có những phương pháp cơ bản để giảm Aw:

• Lấy nước ra : người ta lấy nước ra khỏi

nông sản bằng cách làm cho nước bốc hơi như trong trường hợp cô đặc các dung dịch (cô đặc nước trái cây) hay lấy nướcdịch (cô đặc nước trái cây) hay lấy nước ra bằng cách sấy thực phẩm dạng rắn (sấy thịt, cá, rau, trái …)

Bốc hơi

• Thêm chất tan vào (chất làm khô thực phẩm):

Chất tan được thêm vào cũng làm giảm Aw, do

• Chất thêm được dùng nhiều nhất là muối, đường, acid các gia vị.

Ướp muối

Muối phó mát

Muối phó mát kỹ nghệ

• Kết hợp hai phương pháp: vừa lấy bớt

nước ra, vừa thấm chất tan vào để sản phẩm lâu hư, bảo vệ chất thực phẩm có giá trị cao (vitamin, chất chống oxy hóa tự nhiên), tăng vị, cải thiện giá trị cảm quan cho sản phẩm Chúng ta có thể kể đến các sản phẩm như các thứ xốt rau, trái, thịt khô, vịt lạp, trái cây khô, các sản phẩm độ ẩm trung gian

Vịt lạp

Salami

• Tất cả các phương pháp trên làm cho trạngthái thực phẩm chuyển từ vùng kém ổn địnhsang vùng tự ổn định, vì thế thực phẩm sẽlâu hư hơn.

• Hình sau đây chỉ các trạng thái của thựcphẩm theo tọa độ phần chất khô tan, phầnnước Theo đó vùng kém ổn định có tỉ sốg ịhàm lượng nước và chất khô hòa tan lớn,ngược lại vùng có tỉ số phần nước và phầnchất khô tan nhỏ là vùng ổn định hơn.

Hướng chế biến làm tăng sự ổn định1

Vùng kém ổn định

Chất khô tanVùng tự ổn định

Chất khô không tan

• Kỹ thuật bảo quản gắn liền với các sản phẩm loạinày là kỹ thuật rào cản (hurdle technology), ở đóviệc dùng tổng hợp các phương pháp bảo quảnviệc dùng tổng hợp các phương pháp bảo quản,mỗi biện pháp ức chế một số loại hư hỏng, liềudùng của từng biện pháp riêng lẽ không mạnh lắmchưa đủ ngăn cản sự hư hỏng nhưng nếu kết hợplại với nhau, chúng có giá trị phối hợp, bảo vệ đượcthực phẩm.

• Theo phương pháp này, các biện pháp

bảo quản dùng nhẹ nhàng, tránh đượccác qui định về hàm lượng chất bảo quản,nhưng kết hợp chúng lại có hiệu quả trongbảo quản và làm cho tính chất dinh dưỡngvà cảm quan của thực phẩm tốt hơn.

Công nghệ rào cản

• Đối với thực phẩm mà cấu trúc là nhữngkhối Khi muốn đưa chất thêm vào cũng nhưlấy nước ra, khuếch tán là cơ chế của cáctiến trình này.

• Nhiều năm qua với sự phát triển công nghệ,các nhà khoa học trên toàn thế giới đã nhậnra nhiều điều mới về tiến trình này Nhiềuynghiên cứu đã được thực hiện tại nhiều nướctrên thế giới để hiểu thêm tính chất của hiệntượng và ứng dụng chúng.

• Tác dụng của các loại chất tan, phân tử khối

chất tan, nồng độ, nhiệt độ, sự tương táccủa các chất tan, áp suất, điện trường, vàcác loại cấu trúc của nguyên liệu thực phẩmđược nghiên cứu trên sự thấm, độ sâuthấm, phân bố chất tan nồng độ theo khôngvà thời gian v v Sự hiểu biết về tiến trìnhthẩm thấu ngày một nhiều.

• Thêm vào đó sự hiểu biết và thành công củakỹ nghệ chế tạo màng lọc phân tử cũng đã làmcho công nghệ này có thêm những ứng dụngmới, khắp các tiến trình chế biến và bảo quảnthực phẩm.

• Nhờ hiểu biết khoa học, tiến bộ kỹ thuật, sựtiến bộ trong giải thuật các phương trìnhtruyền rất phức tạp nhờ máy vi tính v v giúpngười ta có thể hiểu, giải các bài toán chínhxác và mô phỏng tiến trình, tiến đến điều khiểnđược tiến trình tách nước và thấm như mongmuốn.

Lọc tiếp xúc

Khuếch tán và thẩm thấu

• Khi vật chất hiện diện có nồng độ khác nhau một hiện tượng tự nhiên xảy ra đểnhau, một hiện tượng tự nhiên xảy ra để điều hòa lại nồng độ gọi là sự khuếch tán • Trong hiện tượng này chất khuếch tán di

chuyển từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp Những chất khác cũng sẽ chuyển động ngược lại để điều hòa nồngchuyển động ngược lại để điều hòa nồng độ Những hiện tượng này xảy ra mạnh mẽ trong thể lỏng và trong thể khí

Hiện tượng khuếch tán vật chất

Khuếch tán chất màu

• Nếu hiện tượng này xảy ra ở một nơi bị ngăncản bởi các màng tự nhiên hay nhân tạo ở đócác màng này chỉ cho phép những phân tử nhỏđi qua, những phân tử lớn hơn không quađược, hiện tượng này phụ thuộc vào kích thướccác phân tử, nó gọi là thẩm thấu nếu như chỉcho nước đi qua và thẩm phân nếu như cho

Tế bào, mô luôn hiện hữu trong sinh giới tạo một thế hóa học và chọn lọc sự khuếch tán

Khuếch tán thẩm thấu là cơ chế vận chuyển quan trọng qua các màng tế bào sinh học

Khái niệm về thẩm thấu

• Thẩm thấu là một hiện tượng, một khi có mộtsự khác biệt nồng độ (hay chính xác hơnsự khác biệt nồng độ (hay chính xác hơn,một khác biệt của hoạt tính hóa học của dungmôi) làm cho dung môi (nước) đi xuyên quamột màng có tính chất thấm dung môi tốt hơn

chất tan Màng đó gọi là màng bán thấm.

• Thẩm thấu là một trường hợp đặc biệt củaộ g ợp ặ ệkhuếch tán Đó là sự khuếch tán qua màngbán thấm ở đó nước có thể thấm qua màng,các chất tan khác không qua màng được

Thẩm thấu

• Thẩm thấu là một sự vận chuyển của nướcngang qua một màng bán thấm từ phía có nồngđộ nước cao hơn đến phía có nồng độ nước

thấp hơn.

• Quan niệm “nồng độ nước” - Sự hòa tan thêm

chất tan vào nước sẽ hạ thấp nồng độ nướctrong dung dịch so với nồng độ nước trong nướctinh khiết (Nghĩa là nồng độ của nước trongnước tinh khiết là 55.5 M (1000/18) Nồng độ củanước trong một dung dịch glucose 1 M là 54.5 M(55.5 - 1) Nói cách khác chất tan (glucose) sẽlàm loãng hay thay thế phân tử nước và làmgiảm nồng độ nước).

• Khi hai dung dịch có nồng độ chất tan khácnhau phân tách nhau bởi màng bán thấm nướctừ dung dịch loãng sẽ qua màng bán thấm vàodung dịch đậm đặc hơn để giảm gradient nồngđộ.

• Sự di chuyển nước sẽ ngưng khi nào nồng độcủa hai dung dịch bằng nhau.

Thể tí h ủhầ ddị h l ãẽ iảl i• Thể tích của phần dung dịch loãng sẽ giảm lạivà thế tích của phần dung dịch đậm đặc sẽ tănglên sau khi tiến trình chấm dứt.

Thẩm thấu

Áp suất thẩm thấu

• Áp suất thẩm thấu là áp suất phải tác động vào

phía dung dịch nồng độ chất tan cao để ngăncản sự chảy dung môi (nước) vào đó Áp suấtthẩm thấu của một dung dịch tỉ lệ trực tiếp nồngđộ chất tan và tỉ lệ nghịch với nồng độ nước củadung dịch đó.

• Tổng quát áp suất thẩm thấu của một chất lỏngTổng quát, áp suất thẩm thấu của một chất lỏngđo khả năng giữ hay lấy nước khi dung dịch nàyngăn cách với nước bởi một màng bán thấm.

Áp suất thẩm thấu

• Đẳng trương (Isotonicity): Nếu đặt các tế bào máu trong

dung dịch glucose 300 mM hay dung dịch NaCl 150 mM ggyg(300 mOsm/l), các tế bào này không trương cũng không co

• Ưu trương (Hypertonicity): dung dịch glucose 400 mM

hay dung dịch NaCl 200mM sẽ gây ra sự co tế bào khi nước thoát ra khỏi tế bào.

• Nhược trương (Hypotonicity): dung dịch glucose 100 mM

hay dung dịch NaCl sẽ làm cho tế bào trương lên do nước đi vào tế bào

vào tế bào.

• Độ thẩm thấu của các tế bào sinh học cũng khác nhau Các động vật sống ở biển, nồng độ muối thậm chí rất cao và các vi sinh vật sống trong dung dịch đường có độ thẩm thấu cao hơn các sinh vật bình thường

Dung dịch ưu trương, đẳng trương, nhược trương đối với tế bào máu người

• Dung dịch đẳng trương (dung dịch0.9% NaCl - “nước muối sinh lý" - cóýthể được dùng để đưa thuốc vàomạch máu hay giữ các mô và tế bàobên ngoài cơ thể Dung dịch ưutrương và nhược trương không thíchhợp trong mục đích này.

• Nước muối sinh lý hay dung dịchglucose 5.4%, có thể được dùng đểđàh áấớàđưa vào mạch máu, cung cấp nước vànăng lượng cho các bệnh nhân khôngthể ăn uống sau khi phẫu thuật.

Thẩm thấu với tế bào động và thực vật

Thẩm thấu không màng tế bào

• Trong việc nghiên cứu thẩm thấu trên gelRlt W k (1994) hú t ì h ằagar, Raoult Wack (1994) phúc trình rằngcác thực phẩm không màng tế bào nhưgel agar cũng xảy ra hiện tượng táchnước thẩm thấu tương tự Tiến trình thoátnước và tăng đường sinh ra những lớp cótính chất như rào cản ngăn sự thấmđường nhưng ít ngăn cản hơn sự thoátnước.

Động lực và trở lực của tiến trình

• Động lực của tiến trình này thường được xemlà gradient nồng độ của các chất trong hệ thốngkhuếch tán.

• Trở lực của tiến trình cũng thể hiện qua cácthông số về tính chất truyền của vật chất nhưhệ số truyền vật chất của dung dịch thẩm thấuhay hệ số khuếch tán hiệu quả của vật liệu sinhhọc.

• Đã có nhiều nghiên cứu trong các lĩnh vực nàyđể tiếp cận hiện tượng và mô hình hóa cáctrường hợp riêng rẽ để dùng trong những ápdụng kỹ nghệ mang lại những lợi ích về phẩm

Shs = 1.3 Re0.5 Scs0.15 và

Shw = 0.11 Re0.5 Scw0.5(Bùi và các cộng sự, 2009)

• Hệ số khuếch tán hiệu quả bên trong vật

liệu sinh học (Deff) cũng được xác địnhtrên nhiều loại vật liệu thực phẩm như táo(Kaymak-Ertekin and Sultanoglu, 2000),

• Sự khác biệt nồng độ có thể được dùngnhư một nguồn năng lượng để vận hànhnhững bơm công suất cực nhỏ ổn định ápdụng trong việc lấy mẫu hay tiêm liên tụccác vật liệu vào các nơi mong muốn.

khác biệt nồng độ sinh năng lượng

Bơm thẩm thấu

Chế tạo bơm thẩm thấu

• Sự khác biệt nồng độ muối trong nước biểnvà nước sông là một nguồn năng lượng tựnhiên vô tận có thể lợi dụng để phát nănglượng.

• Dùng năng lượng nồng độ là một cách để tiếtkiệm năng lượng trong chế biến thực phẩmkiệm năng lượng trong chế biến thực phẩm,đặc biệt là các tiến trình cần năng lượng caonhư tách nước ở dạng hơi trong tiến trìnhsấy và tiến trình bốc hơi đang được thế giớinghiên cứu và ứng dụng.

• Do nước được lấy ra ở dạng lỏng, nănglượng cần cho tiến trình này được giảm thiểurất đáng kể so với lấy nước ra ở dạng hơi.

• Trong những năm gần đây, giá nănglượng tăng cao và có khuynh hướng dàihạn là tăng cao thêm nữa, công nghệ chếbiến sử dụng ít năng lượng có một ưu thếđể cạnh tranh so với những tiến trình táchnước khác.

• Sự khác biệt năng lượng theo các phươngpháp khác để tách 1 kg nước được cho ởbảng sau (Dalla Rosa và Giroux, 2001)

Tiêu thụ năng lượng (kJ/kg H2O) (Dalla Rosa và Giroux, 2001)

Tiến trình tách nước20 oC 30 oC 40 oC70 oC

Tách nước thNm thấu27001300Tá hớ thN thấ +2110 34004000Tách nước thNm thấu +

cô đặc lại

2110 34004000

Sấy bằng không khí 8000

-Thẩm thấu ngược

• Thẩm thấu ngược là một tiến trình thẩm thấu ở đónước di chuyển theo chiều hướng ngược lại trongthẩm thấu tự nhiên.

• Khi người ta tác động một ngoại lực bằng cáchdùng bơm để tạo áp suất cao đủ thắng được ápsuất thẩm thấu, nước sẽ di chuyển từ nơi có nồngđộ chất tan cao đến nơi có nồng độ chất tan thấp.• Tiến trình này có nhiều ứng dụng để cô đặc sữa cô

đặc nước trái cây … mà không dùng đến nhiệt độcao để bốc hơi Tiến trình này đảm bảo giữ đượcphẩm chất các vật chất nhạy cảm đối với nhiệt độcao và tiết kiệm năng lượng.

• Những nơi mà dân cư sống gần biển chỉcó nước mặn như tàu đánh cá xa bờ hảiđảo, cần có nước ngọt để ăn uống và sinhhoạt, người ta có thể áp dụng kỹ thuậtthẩm thấu ngược để sản xuất nước ngọttừ nước biển với chi phí năng lượng thấp.• Tiến trình này đã thực hiện thành công ở

qui mô kỹ nghệ trên đất liền và qui mô nhỏtrên các con tàu nhỏ đi biển.

• Nhiều tiến trình áp dụng khác dựa vào các tiế t ì h àđể l i i i h ật l i hấttiến trình màng để loại vi sinh vật, loại chất tan, làm đậm đặc các chất có giá trị trong nhiều mục đích khác nhau.

Loại màng lọc

• Áp dụng vào tiến trình thấm chất tan và

tách nước thực phẩm

• Do phần lớn các tiến trình chế biến thựcphẩm hầu như có thấm, thoát các chất tan(muối, đường) chất thêm (polyphosphate,sulfite, chất bảo quản …), các gia vị và táchnước Có rất nhiều nghiên cứu tiến trìnhthẩm thấu để chế biến và bảo quản thựcphẩm trong mục đích kéo dài thời gian bảoquản, bảo vệ những chất có giá trị, cải thiệntính chất của sản phẩm.

• Dung dịch có áp suất thẩm thấu cao nhưđường muối được dùng trong chế biến thựcphẩm để lấy nước từ tác nguyên liệu thựcphẩm như thịt, cá, trái và rau Chúng không bịhạn chế bởi các luật về chất thêm thực phẩm.• Sự thấm, thoát các chất thêm khác trên thực

phẩm cũng cần hiểu tốt để sử dụng có hiệu

quả (polyphosphate, citrate, sulfite, SO2, chấtbảo quản …) và quản lý phẩm chất thực phẩmkhông vi phạm các qui định và luật thực phẩmvề chất thêm.

• Hiện nay việc sử dụng các loại chất thêm

này thường được làm theo kinh nghiệm,người sử dụng không quản lý được tiếntrình sẽ đương nhiên dẫn đến việc sửdụng không hợp lý vừa hao phí (tốn kém),vừa vi phạm an toàn thực phẩm.

• An toàn vi sinh vật

Các dung dịch thẩm thấu có A thấp và vận• Các dung dịch thẩm thấu có Aw thấp và vậnhành ở nhiệt độ thấp, thậm chí nhiệt độ lạnhđể làm an toàn tiến trình xử lý, ức chế các visinh vật gây hại.

• Những phương pháp khác như pH, thanhtrùng được vận dụng để điều hành lâu dàitrùng được vận dụng để điều hành lâu dàimà an toàn về mặt vi sinh vật Phương pháptách nước thẩm thấu như vậy tốt về mặt antoàn vệ sinh thực phẩm.

• Bảo vệ chất chống oxy hóa

Các chất chống oxi hóa ngày nay được được• Các chất chống oxi hóa ngày nay được đượcthế giới quan tâm vì khả năng ngăn chận cácbệnh mãn tính mà nguyên nhân do các gốctự do xuất hiện trong quá trình sống Cácchất quí giá này dễ bị hư hỏng do tiếp xúcvới không khí khi chế biến Chúng có thểg gđược gìn giữ tốt hơn nếu tiến trình chế biếnthực hiện trong điều kiện chân không, vắngmặt của oxygen.

• Môi trường thẩm thấu cũng có thể xem là một môitrường hầu như vắng mặt oxy mà không cần cácggặygthiết bị chịu chân không, máy bơm chân không vàcác vận hành phức tạp do chân không.

• Do đó công nghệ thẩm thấu là phương thức ít tốnkém mà vẫn đạt được yêu cầu bảo quản chất chốngoxy hóa Các carotenoids như lycopene,β-carotenegần như nguyên vẹn trong các tiến trình tách nướcthẩm thấu vừa giữ màu sắc tươi đẹp vừa bảo vệtoàn vẹn tính chất chức năng Tiến trình thẩm thấucòn có tác dụng bảo vệ clorophyll, vitamin C trongquá trình tồn trữ sản phẩm.

Bảo vệ chlorophyll

Bảo vệ vitamin C trong tồn trữ lạnh

• Vì vậy tách nước thẩm thấu là công nghệ

cần nghiên cứu để chế biến các thựcphẩm chức năng ở những nguyên liệu rauquả củ đặc biệt của Việt nam để có thểbán chúng sang các nước mà điều kiệnkhí hậu không thuận lợi cho sự phát triểncác nguyên liệu này.

• Kết hợp khác với tiến trình thẩm thấu

• Do các dung dịch đường và muối chưathể hạ thấp Aw của sản phẩm đến mức tựổn định, các sản phẩm sau các tiến trìnhxử lý thẩm thấu mặc dầu có phẩm chấtdinh dưỡng tốt, và kéo dài đời sản phẩmthêm một thời gian nhưng nếu muốn sảnphẩm ổn định lâu hơn, cần dùng thêm cácphương pháp bảo quản khác.

• Các phương pháp có thể được dùng kết

hợp là nhiệt độ thấp, thanh trùng, sấy khôhay kết hợp thêm các rào cản bảo vệ thựcphẩm khác như: pH, nhiệt độ, chất bảoquản, bao gói để cho thực phẩm lâu hưhỏng hơn Các sản phẩm loại nầy hầu hếtđều có phẩm chất cải thiện.

• Một vài thành tựu của tách nước thẩm thấu

• 3.1 Chế biến rau trái khô3.1 Chế biến rau trái khô

• Hầu hết các sản phẩm rau trái khô áp dụng côngnghệ thẩm thấu trong giai đoạn đầu để lấy mộtlượng lớn nước ra, ít tốn năng lượng sấy và phẩmchất sản phẩm được cải thiện Các sản phẩm nàyđã có một thị trường rộng rải trên thế giới như đuđủ, xoài, khóm, cà rốt, ổi, cà chua

Bêhtiết kiệăli tăhất• Bên cạnh sự tiết kiệm năng lượng, gia tăng chấtlượng cảm quan, áp dụng tiến trình còn giữ đượctốt các chất chống oxy hóa trong khi sản xuất vàcòn giữ tốt hơn sau khi sản xuất.