Chiết xuất Gia tăng sự truyền khối của dung môi , giải phóng nguyên liệu tế bào thực vật (sự phá vỡ bằng xâm thực khí).
Hiệu suất chiết xuất được gia tăng trong dung môi, nước hay hệ thống siêu tới hạn. Nhũ hóa hay đồng hóa Vi dòng Sự hình thành dung dịch đồng nhất , hiệu quả về chi phí
Kết tinh Sự hình thành nhân và điều chỉnh sự hình thành tinh thể
Hình thành những tinh thể nhỏ hơn
Lọc Làm xáo trộn các lớp biên Tốc độ lọc được gia tăng , giảm sự tắt nghẽn
Phân riêng Sự kết tụ các thành phần ở các điểm nút áp suất
Không dùng phụ gia hóa học
Thay đổi độ nhớt Điều chỉnh cấu trúc thuận nghịch và không thuận nghịch qua tác động vi dòng và rung động. Điều chỉnh về hóa học liên quan đến các liên kết ngang và việc tái cấu trúc.
Điều chỉnh không dùng chất hóa học giúp cải thiện các đặc tính chế biến , giảm lượng phụ gia, nhiều công dụng khác. Phá bọt Sóng áp suất trong không khí gây
vỡ bong bóng.
Gia tăng sản lượng , giảm lượng hóa chất phá bọt , giảm mất mát trong quá
trình đóng chai. Ép đùn Chấn động cơ học , giảm ma sát Gia tăng năng suất Vô hoạt enzyme
và vi khuẩn
Gia tăng truyền nhiệt và lực cắt, phá hủy trực tiếp màng tế bào vi khuẩn
Vô hoạt enzyme ở nhiệt độ thấp hơn , giúp cải thiện chất lượng Lên men Gia tăng vận chuyển cơ chất , kích
thích tế bào sống và enzyme
Gia tăng sản lượng các chất trao đổi , làm nhanh quá trình lên men
Truyền nhiệt Cải thiện truyền nhiệt qua tác động dòng chảy và xâm thực khí
Gia tăng truyền nhiệt , làm nhanh sự gia nhiệt, làm lạnh và sấy sản phẩm ở nhiệt độ thấp
Một số các ứng dụng được mô tả chi tiết sau đây. Sự tập trung ban đầu sẽ là siêu âm năng lượng hoặc siêu âm tần số thấp, chúng được sử dụng cho mục đích phá hủy như vô hoạt các vi sinh vật hoặc enzyme. Tiếp theo, siêu âm cường độ thấp hoặc siêu âm tần số cao sẽ bao gồm với một số ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm.
4.1. Hệ vi sinh vật
Mục tiêu của những công nghệ đang nổi lên trong công nghệ chế biến thực phẩm là vô hoạt hệ vi sinh vật ban đầu đến một mức độ an toàn với mối nguy hại tối thiểu cho thuộc tính chất lượng của sản phẩm. Tuy nhiên, với một số công nghệ đang nổi lên, vi sinh vật trở nên có sức đề kháng mạnh hơn theo thời gian đối với các hành động của một yếu tố cụ thể như áp lực, điện, hoặc sóng âm. Trong thực tế một số vi sinh vật tìm thấy rằng những yếu tố thực sự cải thiện sự tăng trưởng của chúng trong suốt quá trình xử lý. Trong trường hợp của siêu âm, mặc dù nó đã được khám phá sâu hơn trong những năm gần đây, một số báo cáo cho thấy siêu âm tác động ảnh hưởng tích cực, khi được kết hợp với các yếu tố bảo quản khác, trên các vi sinh vật và enzyme.
Xử lý bằng siêu âm có thể có tác dụng gây chết vi sinh vật khi áp dụng với cường độ đủ cao (ví dụ, tần số trên 18 kHz) (Rodríguez et al., 2003). Một số tài liệu báo cáo yêu cầu vô hoạt vi sinh vật với tần số thấp như 14 kHz, mặc dù tần số phổ biến nhất là 20 và 24 kHz. Tuy nhiên, nó đã được chứng minh rằng siêu âm với tần số đó thường không đủ để giảm số lượng vi sinh vật. Sóng âm nên được áp dụng với các yếu tố bảo quản khác để tăng hiệu quả xử lý. Việc sử dụng siêu âm kết hợp với nhiệt, áp lực, hoặc cả hai có vẻ là một lựa chọn tốt. Raso và Barbosa-Cánovas (2003) báo cáo rằng việc sử dụng siêu âm, áp suất, và nhiệt cùng với hoạt độ của nước thấp (aw) là một sự kết hợp tốt cho việc giảm số lượng vi sinh vật trong thực phẩm. Tuy nhiên ảnh hưởng của pH có vẻ là ít quan trọng hơn khi kết hợp với siêu âm, và chỉ có một vài báo cáo tập trung vào hiệu quả của nó. Jiménez-Fernández et al. (2001) nghiên cứu tác động của độ pH trong Aspergillus flavus trong suốt quá trình xử lý bằng siêu âm kết hợp với nhiệt, tùy thuộc vào các điều kiện khác của môi trường như aw, ảnh hưởng do độ pH được tìm thấy là có liên quan chỉ trong một số trường hợp. Khi aw là không đổi và độ pH được giảm, các giá trị D thấp hơn, nhưng khi pH không đổi, giá trị D thấp hơn đã đạt được với giá trị aw cao nhất (0,99). Đây là kết quả hợp lý, sự xem xét một số các cơ chế vô hoạt, và sẽ được mô tả trong phần kế tiếp. Trong một nghiên cứu khác sử dụng siêu âm để vô hoạt E. coli trong môi trường có tính acid (như nước ép cam và táo, pH = 3) cho thấy rằng ở cường độ thấp (20 kHz; 0,4 và 7,5 μm) tỷ lệ vô hoạt ảnh hưởng bởi loài vi sinh vật và sự thích nghi với acid của vi khuẩn trong môi trường; tuy nhiên, ở cường độ cao hơn những yếu tố này không quan trọng (Patil et al., 2009). Hoạt độ của nước cao hơn có nghĩa là sự hiện diện của nước tự do trong môi trường, làm tăng sự tạo thành các gốc tự do vì sự phân hủy của các phân tử nước được tạo ra bởi các sóng âm thanh, tăng tính gây chết của các vi sinh vật. Trong nghiên cứu tương tự, kỹ thuật tạm thời được sử dụng với kháng sinh như kali sorbate và vanillin thêm vào siêu âm, nhiệt, pH, và hoạt độ của nước, hiển thị kết quả tốt theo các giá trị D được báo cáo. Guerrero et al. (2001) báo cáo không có thay đổi về độ nhạy cảm của
canh (broth) với giá trị pH khác nhau. Nhưng trong môi trường canh Sabouraud broth, ở pH 5.6, việc bổ sung chitosan làm tăng hoạt sự vô hoạt nấm men dưới tác dụng của phương pháp siêu âm kết hợp với nhiệt độ (Guerrero et al., 2005).
Các báo cáo về việc sử dụng siêu âm và nhiệt (thermo-sonication) cho thấy làm thế nào kết hợp một số các yếu tố ảnh hưởng đến các vi sinh vật khác nhau theo những cách khác nhau. Ví dụ, Knorr et al. (2004) báo cáo rằng sự vô hoạt Bacillus stearothermophilus và E. coli K12 DH5α đã được cải thiện với việc sử dụng hơi nước trực tiếp đưa vào quá trình xử lý bằng siêu âm, dẫn đến giảm nhiệt độ và thời gian quá trình. Phương pháp này là phương pháp nhiệt có hỗ trợ siêu âm (UST – Ultrasound-assisted thermal). Tuy nhiên, một loại vi sinh vật khác, Lactobacillus acidophilus, ổn định hơn với quá trình kết hợp UST.
Từ nghiên cứu trước đây, sử dụng áp suất cao để vô hoạt sự các vi sinh vật xuất hiện như là một lựa chọn tốt thay cho việc sử dụng nhiệt. Vì lý do này, áp lực cao đã được sử dụng kết hợp với các yếu tố bảo quản khác như nhiệt độ và chất kháng sinh. Trong kỹ thuật siêu âm, một lĩnh vực mới gọi là mano-sonication hiện đang được thử nghiệm, trong đó việc sử dụng áp lực trung bình và cao, kết hợp với siêu âm làm giảm một cách hiệu quả mức độ ban đầu của số lượng vi sinh vật. Một số các vi sinh vật được nghiên cứu nhiều nhất trong kỹ thuật không sử dụng nhiệt được gọi là vi sinh vật gây bệnh nổi bật, chẳng hạn như E. coli, Salmonella và
Listeria monocytogenes, vì tầm ảnh hưởng quan trọng của chúng trong vi sinh thực phẩm và tác động lên sự an toàn của thực phẩm. Các báo cáo cho thấy những cải tiến trong vô hoạt E. coli qua việc kết hợp phương pháp siêu âm và áp suất cao, cũng tốt như việc sử dụng kết hợp nhiệt, âm thanh, và áp suất, đạt được sự giảm hoạt tính enzyme của một số vi sinh vật gây bệnh ưa nhiệt. Các trở ngại khác sử dụng trong việc kết hợp với MTS là các chất kháng sinh tạo kết quả tốt trong việc vô hoạt vi sinh vật (Knorr et al., 2004). Mano-sonication và xử lý nhiệt cũng đã được báo cáo là đạt được hiệu quả thêm trong vô hoạt L. monocytogenes.When các vi sinh vật chịu năng lượng sóng siêu âm ở 20 KHz và 117 μm ở điều kiện môi
trường xung quanh, không đạt được những biến đổi quan trọng; tuy nhiên, khi áp suất được thêm vào như sự khắc phục để việc vô hoạt vi sinh vật là đáng kể. Sử dụng 200 kPa dưới cùng điều kiện siêu âm mô tả ở trên, giá trị D là 1,5 phút, giảm còn 1 phút khi áp suất tăng lên đến 400 kPa. Thí nghiệm được thực hiện tại các nhiệt độ khác nhau lên tới 50oC nhưng hiệu quả của tham số này không đáng kể tại các mức độ nghiên cứu (Piyasena et al, 2003).
Những mô hình toán học đã được phát triển để mô tả sức đề kháng của các vi khuẩn khác nhau đến phương pháp mano-sonication (Raso và Barbosa-Cánovas, 2003). Tiến sĩ Javier Raso và nhóm nghiên cứu của ông tại Đại học của Zaragoza ở Tây Ban Nha là một trong số những người tiên phong hiện đang kết hợp áp suất, nhiệt, và âm thanh để đạt được sự vô hoạt vi sinh vật. Bắt đầu từ cuối những năm 1990 và trong 5 năm cuối thập niên, nghiên cứu siêu âm từ trường đại học này đã đạt được sự liên quan quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật thực phẩm trên toàn thế giới.
Sự vô hoạt một số vi sinh vật được thể hiện cho những môi trường xử lý khác nhau và điều kiện hoạt động khác nhau. Với sự kết hợp của nhiệt và siêu âm, giảm thiểu đáng kể các giá trị D thu được cho Listeria innocua và Salmonella. Rõ ràng, các nghiên cứu với Zygosaccharomyces bailii đã chỉ ra rằng phương pháp siêu âm kết hợp với nhiệt là không phụ thuộc vào môi trường xử lý, ít nhất là trong trường hợp này. Sự giảm nhanh giá trị D được thu nhận với sự kết hợp của nhiệt độ và siêu âm. Hơn nữa, sự kết hợp của siêu âm với áp suất cải thiện một cách rõ ràng khả năng vô hoạt vi sinh vật theo Pagán et al. (1999) đã cho thấy đối với L. innocua. Một tác dụng phụ đã được thể hiện với MTS trong các tế bào thực vật, cho
Enterococcus faecium và bào tử Bacillus subtilis, hiệu quả được thể hiện là đồng bộ (Raso và Barbosa-Cánovas, 2003). Theo nghiên cứu của Guerrero et al. (2001) với (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
S. cerevisiae cho thấy kết quả tốt, cho thấy một hiệu quả đồng bộ giữa nhiệt và siêu âm trong vô hoạt nấm men. Hơn nữa, khi nhiệt độ thường xuyên duy trì các giá trị dưới giá trị gây tiêu diệt, sự gia tăng cường độ của sóng siêu âm là giá trị quan trọng
nhất trong vô hoạt các vi sinh vật, nhưng kết quả không rõ ràng như trong ví dụ trước đó. Raso et al. (1998b) cũng cho thấy rằng việc sử dụng áp lực kết hợp với siêu âm có sử dụng nhiệt nâng cao sự vô hoạt bào tử B.subtilis, so với xử lý bằng phương pháp nhiệt. Kết quả phương pháp xử lý bằng siêu âm và nhiệt kiểm tra trên mốc như A. flavus và Penicillium digitatum cho thấy hiệu quả của việc thêm kháng sinh để tăng cường sự vô hoạt. Việc sử dụng chitosan hàm lượng thấp (1000 ppm) là một chất kháng sinh tự nhiên trong môi trường dưới tác dụng của siêu âm và nhiệt (45 º C) tăng cường sự vô hoạt so với điều trị chỉ dùng siêu âm nhiệt (Guerrero và cộng sự, 2005). Tuy nhiên, áp suất, siêu âm, nhiệt, và các yếu tố bảo quản khác không cần có chất phụ gia hoặc có hiệu quả đồng bộ trong mọi trường hợp. Mỗi vi sinh vật cần được nghiên cứu theo phương pháp xử lý khác nhau để biết phản ứng của nó. Ví dụ, phản ứng của các bào tử với các kỹ thuật khác nhau luôn luôn khác nhau từ các loại tế bào khác nhau, vì các đặc tính nội tại của họ. Những kết quả của mano-thermo-sonication (siêu âm , nhiệt , áp suất) áp dụng trên bào tử B. subtilis cho thấy, khi áp suất tăng lên, trong kết hợp với nhiệt và siêu âm, khả năng vô hoạt được nâng cao. Tuy nhiên, khi quá 500kPa, áp lực không còn một yếu tố quan trọng bởi vì khả năng vô hoạt không tăng lên, không có tác dụng hơn nữa trong việc vô hoạt bào tử được quan sát dưới các điều kiện thử nghiệm (70◦C, 117 μm, và 20kHz) (Raso et al., 1998b). Một nghiên cứu thú vị về việc sử dụng siêu âm được ứng dụng năng lượng này để trì hoãn sự thối rữa trái cây và duy trì chất lượng quả. Ví dụ, siêu âm đã được sử dụng tại những tần số khác nhau (tối đa 59 kHz) và nhiệt độ 20◦C để xử lý dâu tây ngâm trong nước. Sự thối rữa đã được trì hoãn và số lượng vi sinh vật giảm. Độ cứng của quả và tổng chất rắn hòa tan, độ chua, và hàm lượng vitamin C cũng được giữ lại sau khi chế biến (Cao et al, 2010).
Một nhân tố bổ sung cần được nghiên cứu là môi trường xử lý. Là một công nghệ mới, siêu âm đang được thử nghiệm dưới nhiều điều kiện khác nhau, và một số kết quả đã chỉ ra rằng sự vô hoạt các tế bào có thể tăng hoặc giảm tùy thuộc vào thành phần của môi trường. So sánh kết quả của các vi sinh vật dưới tác dụng của siêu âm là rất khó khăn vì các dữ liệu không thống nhất để điều chỉnh các điều kiện.
Là một công nghệ mới, tính đồng nhất nhiều hơn trong một số dữ liệu bắt đầu được quan trọng bởi vì thiết bị thường khác nhau và một số nhà nghiên cứu không báo cáo đầy đủ dữ liệu. Bởi vì tài liệu khan hiếm, mục tiêu chỉ là để tóm tắt hoặc rút ra kết luận chung mà các vi sinh vật có tính kháng thể mạnh hơn (vi khuẩn, nấm men, nấm mốc, hoặc các bào tử) và / hoặc các điều kiện tốt nhất để vô hoạt các sinh vật cụ thể. Chỉ tiêu vi sinh vật dưới một số điều kiện của siêu âm, nhiệt độ, áp suất, và thành phần môi trường (trong số những điều kiện khác) đã được ước tính. Mặc dù vậy, nhiều nghiên cứu và sự thống nhất trong thiết kế thí nghiệm và kết quả có thể tạo ra thông tin bổ sung để rút ra những kết luận xa hơn. Tuy nhiên, dựa trên các thông tin bổ sung ở trên, siêu âm rõ ràng là một công nghệ tiềm năng cho việc vô hoạt vi sinh vật.
4.1.1. Phương thức tác động của siêu âm lên vi sinh vật
Siêu âm đã được nghiên cứu như là một kỹ thuật vô hoạt vi sinh vật lần đầu tiên trong những năm 1960 (Piyasena et al, 2003). Hiệu quả tiêu diệt lần đầu tiên được quan sát thấy khi sóng siêu âm đã được áp dụng trong một thí nghiệm của quân đội Mỹ để điều tra sử dụng trong việc chống tàu ngầm chiến tranh, và cá chết với số lượng lớn. Những ảnh hưởng của sự vô hoạt tế bào bằng siêu âm đã được cho là do sự phá hủy, làm nóng, và sinh ra gốc tự do. Trong những năm 1970, một số tế bào cho thấy sự tách biệt giữa màng tế bào chất và thành tế bào sau khi sau khi xử lý bằng siêu âm nhanh (Earnshaw et al., 1995). Tuy nhiên, nền tảng của kỹ thuật siêu âm tiết lộ rằng sự phát triển và nghiên cứu đang bị dừng lại tạm thời do thiếu sự phát triển về thiết bị cần thiết để tạo ra kết quả tốt, cũng như quan tâm hơn trong các kỹ thuật khác đang nổi lên bởi các nhà nghiên cứu, như trường hợp của gia nhiệt bằng điện thở thuần (ohmic heating). Nhưng dần dần siêu âm bắt đầu được khám phá bởi các nhà nghiên cứu nhiều hơn vì hiệu quả của nó ở khả năng vô hoạt vi khuẩn. Do lịch sử này, các cơ chế chính của việc vô hoạt vi sinh vật không được hiểu rõ hoàn toàn, mặc dù đã có một vài lý thuyết. Những báo cáo về siêu âm thảo luận trước đây đã được quan tâm với việc xác minh vi khuẩn bị vô hoạt bằng sóng
âm thanh như thế nào. Phương thức tác động của siêu âm lên khả năng vô hoạt vi sinh vật hiện nay được tin rằng có liên quan đến việc phá hủy thành tế bào và các cấu trúc thành tế bào, được xác nhận bởi thực tế rằng một số vi khuẩn của các loài