ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ÁP SUẤT CAO, TIA CỰC TÍM TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM NỘI DUNG A- GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ ÁP SUẤT CAO & TIA CỰC TÍM TRONG THỰC PHẨM: I- CÔNG NGHỆ ÁP SUẤT CAO TRONG THỰC PHẨM: a- Nguồn gốc hình thành: • Giáo sư PW Bridgman (1914), một người tiên phong trong vật lý áp suất cao, báo cáo về albumin lòng trắng trứng và lòng đỏ bị đông tụ dưới áp suất thủy tĩnh cao 500-600 MPa mà không có sự phân rã của lớp vỏ Điều này cho thấy rằng áp suất thủy tĩnh cao (cao áp) là một công cụ hữu ích cho chế biến thực phẩm thay vì xử lý nhiệt Tuy nhiên ứng dụng của áp suất cao để chế biến thực phẩm đã gần như bỏ qua cho đến khi sự khởi đầu của dự án "Phát triển áp suất cao lên men sử dụng Dense-Mass" được hỗ trợ bởi Bộ Nông nghiệp, Lâm nghiệp và Thuỷ sản (1989) tại Nhật Bản • Nó được áp dụng trong thực phẩm bắt đầu từ thế kỷ 20 Hite (1899) là người đầu tiên đã nỗ lực nghiên cứu để kéo dài thời gian bảo quản thực phẩm bằng xử lý áp suất cao Nhưng phải mãi đến năm1990 thì kỹ thuật này mới được áp dụng trong công nghiệp và đầu tiên là ở Nhật Bản (Hayashi 1989) cho việc thanh trùng các thực phẩm acid để bảo quản lạnh Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về kỹ thuật áp suất cao ở Châu Âu, Mỹ nhưng phát triển trong công nghiệp của nó vẫn còn chậm hơn Nhật, nguyên nhân chủ yếu là do vốn đầu tư lớn b- Khái niệm: • Kỹ thuật áp suất cao (high pressure processing – HPP) là một trong những kỹ thuật chế biến tối thiểu thực phẩm, trong đó, thực phẩm được đặt dưới áp suất cao, có thể kết hợp với nhiệt độ hoặc không, nhằm mục đích tiêu diệt vi sinh vật hoặc nhằm thay đổi các đặc tính của thực phẩm Kỹ thuật này vẫn giữ được chất lượng của thực phẩm, giữ được trạng thái tươi ngon tự nhiên đồng thời kéo dài thời gian bảo quản của thực phẩm.Kỹ thuật áp suất cao là kỹ thuật không sử dụng nhiệt (non-thermal processing), thậm chí khi áp suất tăng • thì nhiệt độ chỉ tăng rất ít Nhìn chung, áp suất cao sử dụng trong khoảng 100-600 MPa tại nhiệt độ phòng Áp suất cao làm phá hủy các tế bào sinh dưỡng của vi khuẩn và vô hoạt enzyme, nhưng không làm thay đổi đặc điểm bề ngoài của sản phẩm và giữ lại một số vitamins Tuy nhiên, khả năng chịu đựng của vi sinh vật rất khác nhau phụ thuộc vào giống và loại thịt được xử lý Ảnh hưởng của xử lý áp suất cao cũng phụ thuộc vào áp suất sử dụng, nhiệt độ và thời gian Sử dụng áp suất cao có thể gây ra những biến đổi đặc biệt về cấu trúc của sản phẩm và khả năng này có thể được sử dụng để phát triển một dòng sản phẩm mới hoặc gia tăng chức năng của một số thành phần nào đó Vì thế, để có thể áp dụng kỹ thuật này trên quy mô công nghiệp với các nghiên cứu từ phòng thí nghiệm cần tiến hành: Thiết lập các điều kiện xử lý tốt nhất cho mỗi loại sản phẩm Kết hợp áp suất cao với các hệ thống đóng gói mới, các chất kháng khuẩn có nguồn gốc tự nhiên, II- enzyme… CÔNG NGHỆ TIA CỰC TÍM TRONG THỰC PHẨM: a- Nguồn gốc hình thành: • Hơn 100 năm nay, tia UV được biết như là một tác nhân gây đột biến mức độ tế bào Năm 1903 giải thưởng Nobel lĩnh vực Y học được trao cho Niels Finsen về những ứng dụng trong việc sử dụng tia UV để chống lại bệnh lao Ứng dụng chiếu tia UV để tinh sạch nước là một kỹ thuật được phát minh bởi Ashok Gadgil • Việc áp dụng phương pháp UVGI để khử trùng được chấp nhận vào giữa thế kỷ 20 Nó được sử dụng đầu tiên trong hệ thống xử lý rác thải bệnh viện và là thiết bị xử lý vô trùng Rất nhanh sau đó nó được ứng dụng trong khử trùng nước uống và nước thải, cũng như các thiết bị chứa đựng được làm kín và có thể được luân chuyển để đảm bảo dòng nước tiếp xúc nhiều nhất với tia UV Trong những năm gần đây, UVGI ứng dụng trong việc cải thiện bầu khí quyển b- Khái niệm: • Khử trùng bằng chiếu tia cực tím là một phương pháp khử trùng sử dụng ánh sáng tia cực tím (ultraviolet_UV) với bước sóng đủ ngắn để giết chết vi khuẩn Nó hiệu quả trong việc phá hủy các acid nucleic của vi khuẩn, làm cho DNA của chúng bị phá vỡ, làm mất khả năng sinh sản và giết chết chúng • Sử dụng phương pháp khử trùng bằng tia UV trong môi trường nào đó như là: sự lưu thông không khí hoặc hệ thống dẫn nước để tiêu diệt vi sinh vật như: các mầm bệnh, virut và nấm mốc có trong môi trường Kết hợp với phương pháp lọc, UVGI có thểtiêu diệt các vi sinh vật gây hại ra khỏi môi trường B- ỨNG DỤNG ÁP SUẤT CAO & TIA CỰC TÍM TRONG THỰC PHẨM: I- ỨNG DỤNG ÁP SUẤT CAO TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM: 1- Cơ chế tác động của Áp suất cao trong bảo quản Thực phẩm: a- Mục đích tác động: Sử dụng áp suất cao trong thực phẩm với khoảng áp suất từ 300MPa-800MPa, có tác dụng vô hoạt vi sinh vật hoặc enzym mà không phá huỷ màu sắc, mùi vị, thành phần dinh dưỡng của thực phẩm so với kỹ thuật xử lý nhiệt thông thường b- Cơ chế tác động: • Cơ chế tác động lên tế bào sinh dưỡng của vi sinh vật:  Gây biến tính các protein  Tác dụng lên màng tế bào, làm thay đổi cấu trúc của màng, gây ra sự rối loạn trao đổi chất trong và ngoài tế bào  Ảnh hưởng có hại lên vật chất di truyền như acid ribonucleic (RNA), acid nucleic, ribosome…làm biến đổi cấu trúc của chúng và gây cản trở quá trình tổng hợp protein, quá trình sao chép vật chất di truyền • Cơ chế tác động lên bào tử: Đối với bào tử vi sinh vật, áp suất cao tác động theo cơ chế bao gồm 2 giai đoạn:  Giai đoạn 1: Bào tử dưới tác dụng của áp suất cao sẽ được kích thích hoạt động và nảy mầm  Giai đoạn 2: Sau khi nảy mầm, khả năng nhạy cảm với áp suất tăng, bào tử sẽ bị áp suất cao tiêu diệt • Cơ chế tác động lên enzyme:  Enzyme có bản chất protein, dưới tác dụng của áp suất cao, các protein bị biến tính, gây vô hoạt các enzyme  Các enzyme có cấu trúc bậc 1 chỉ bị ảnh hưởng rất ít từ áp suất cao (Hereman, 1993) Enzyme có cấu trúc bậc 2 khá nhạy cảm với áp suất do liên kết chủ yếu trong cấu trúc là liên kết hydro Enzyme có cấu trúc bậc 3 và bậc 4 thì bền vững hơn bậc 2 nhưng cũng bị phá vỡ trong suốt quá trình xử lý 2- Nguyên lý hoạt động của máy áp suất cao trong thực phẩm: - Nguyên lý hoạt động: Túi đựng thưc phẩm được đưa vào silanh mang thực phẩm và đưa vào bình áp l ực Cho nước vào đầy bình áp lực sau đó nâng áp suất lên 87000 psi, bơm sẽ tạo ra một áp lực tương đương tác động lên túi thực phẩm Dưới tác động của áp suất cao vi sinh vật sẽ bị tiêu diệt 3- Ứng dụng phổ biến trong Thực phẩm: - Áp suất cao sử dụng trong khoảng 100-800Mpa ở nhiệt độ phòng Nó làm phá hủy các tế bào sinh dưỡng của vi khuẩn và vô hoạt enzim, nhưng không làm thay đổi đặc điểm bề ngoài của sản phẩm và giữ lại một số vitamin Tuy nhiên, khả năng chịu đựng của vi sinh vật rất khác nhau tùy thuộc vào loại thực phẩm được xử lý Ảnh hưởng của xử lý áp suất cao cũng phụ thuộc vào áp suất sử dụng, nhiệt độ và thời gian Sử dụng áp suất cao có thể gây ra những biến đổi đặc biệt về cấu trúc của sản phẩm và khả năng này có thể được sử dụng để phát triển một dòng sản phẩm mới hoặc gia tăng chức năng của một số thành phần nào đó a- Bảo quản trong Công nghệ sản xuất đồ hộp thực phẩm:  Công nghệ bảo quản mới sử dụng một áp suất nén tương đương với trọng lượng của 2 con voi ép lên phần diện tích chỉ bằng một đồng xu, trong thời gian khoảng 10 phút Thực phẩm đóng gói chân không sẽ được nhúng vào trong các thùng nước Sau đó các thùng này sẽ được đóng kín lại và bơm thêm nước vào Khi áp suất của nước tăng lên, thực phẩm sẽ bị nén lại Quá trình này sẽ giúp tiêu diệt các loại vi khuẩn, enzim và nấm mốc bằng cách bẻ gãy các cấu trúc phân tử và làm vỡ thành tế bào của chúng Sau khi dừng nén áp suất, thực phẩm sẽ quay trở lại kích thước và hình dạng ban đầu Lý do thực phẩm không bị nghiền nát là vì áp suất nén được trải đều trên khắp bề mặt của sản phẩm  Công nghệ này có rất nhiều ưu điểm như:bảo vệ thực phẩm trước các vi khuẩn gây bệnh, không sử dụng chất bảo quản,kéo dài thời gian sử dụng sản phẩm b- Bảo quản trong Công nghệ Súc sản, tươi sống:  Ảnh hưởng của áp suất cao lên màu sắc thịt: Sự đổi màu thịt trong quá trình xử lý áp suất xuất hiện khoảng 200 MPa đến 350 MPa, có thể do biến tính globin hay heme và quá trình oxy hóa của myoglobin sắt II thành metmyoglobin sắt III, tại hoặc ở trên 400 MPa Tác dụng của áp suất tại 80 MPa đến 100 MPa trong 20 phút cải thiện sự ổn định màu sắc  Dưới tác dụng của áp suất cao các vi sinh vật sẽ bị ức chế  Ảnh hưởng của áp suất cao lên cấu trúc thịt:Sau khi sử lý bằng áp suất, thịt bị co lại, cứng chắc, mang thịt này đi nấu thịt sẽ mềm hơn và có hàm ẩm cao hơn thịt chưa qua xử lý  Áp suất cao có thể kéo dài thời gian bảo quản, giúp các sản phẩm thịt có chất lượng và độ an toàn cao, hạn chế việc sử dụng các phụ gia bảo quản 4- Ưu – Nhược điểm của Công nghệ Áp suất cao trong Thực phẩm: a- Ưu điểm - Tiêu diệt tế bào sinh dưỡng của vi sinh vật, có thể tiêu diệt cả bào tử - nếu kết hợp với nhiệt độ cao Vô hoạt enzyme Không gây độc Đảm bảo sự đồng đều khi xử lý trên toàn bộ khối sản phẩm Nếu dùng phương pháp này có thể giảm hay không dùng chất bảo quản b- Nhược điểm - Vẫn còn tồn tại vi sinh vật - Thiết bị đắt tiền - Yêu cầu thực phẩm có chứa hàm lượng nước tự do 40% để đảm bảo hiệu quả tiêu diệt vi sinh vật - Giới hạn trong việc chọn lựa bao bì II- ỨNG DỤNG TIA CỰC TÍM TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM: 1- Cơ chế ứng dụng Tia cực tím (UV) trong Công nghệ đồ uống: a- Cơ chế tác dụng diệt khuẩn của Tia cực tím: • Tia cực tím có tác dụng rất mạnh trên Nucleo Protein của vi khuẩn, nó có thể làm biến dạng,hoặc giết chết vi khuẩn Hiệu lực tiệt khuẩn của tia cực tím không những tuỳ thuộc mật độ, thời gian chiếu tia, điều kiện môi trường mà còn tùy thuộc vào sức chịu đựng của vi khuẩn Ngoài ra do tác dụng của tia cực tím, không khí có thể sinh ra Ozon cũng có khả năng tiêu diệt vi khuẩn • Dưới tác dụng cực mạnh của tia cực tím sẽ phá vỡ cấu trúc AND của tế bào b- Cơ chế máy lọc nước bằng Tia cực tím: • Cơ chế hoạt động của máy lọc nước bằng tia cực tím đó là nước cho chảy qua một ống kín trong đó có lắp đèn cực tím Các tia UV được phóng vào dòng nước Cấu trúc DNA/RNA của vi sinh bị thay đổi làm cho chúng không thể tại và sinh sản • Vùng cực tím có tác dụng diệt khuẩn nhiều nhất là vùng có bước sóng 280 - 200 nm tồn • Những đèn phát tia cực tím thường được đặt ngầm ở trong nước • Lớp nước chảy qua đèn có độ dày khoảng 10 - 15cm và phải được chiếu trong 10 - 30s • Máy lọc nước bằng tia cực tím thích hợp sử dụng trong: Gia đình,trường học, hệ thống lắp đặt xử lý nước, nhà máy sản xuất chế tạo linh kiện điện tử, chế biến thực phẩm,thủy hải sản… 2- Nguyên lý hoạt động tia cực tím trong thực phẩm: • Các công đoạn đầu nước được xử lý bình thường với các phương pháp lọc cơ bản như lọc thẩm thấu ngược hoặc lọc bằng than hoạt tính nhằm loại trừ các vật chất lơ lửng, các hợp chất hữu cơ, các kim loại nặng chứa trong nước Sau đó, nước được đi qua một ống kín có chứa đèn cực tím, các tia UV được phóng vào dòng nước, xâm nhập vào các tác nhân gây bệnh bằng cách tấn công vào các lõi di truyền làm cho cấu trúc DNA/ RNA của vi khuẩn bị thay đổi khiến chúng không thể tồn tại và sinh sản • Ở những tần số nhất định, tia cực tím có thể diệt tới 99,9% vi khuẩn, tuy nhiên, công đoạn lọc sau cùng này không có khả năng loại bỏ các tạp chất trong nước • Sử dụng công nghệ xử lý nước bằng tia cực tím trong các hệ thống lọc nước có tác quá dụng như trình chưng cất, không tạo ra các phức chất hóa học mới, không làm thay đổi mùi vị của nước, đồng thời cũng không loại bỏ hết các khoáng chất có lợi trong nước • Tia cực tím (UV) là tia bức xạ điện từ có bước song khoảng 100 – 400 nm Độ dài bước song của tia cực tím nằm ngoài vùng phát hiện, nhận biết của mắt thường Tia cực tím tác dụng làm thay đổi DNA của tế bào vi khuẩn, và có độ dài bước sóng 254 nm Có khả năng diệt khuẩn là cao nhất 3- Ứng dụng tia cực tím trong công nghệ thực phẩm: a- Ứng dụng trong quá trình lọc nguồn nước sử dụng: • Nguồn nước cấp công cộng (nước máy): Các nguồn cấp nước thành phố luôn xử lý khử trùng nước trước khi cấp cho người dân Biện pháp khử trùng được sử dụng quen thuộc là dùng Clo Tuy nhiên, ảnh hưởng của Clo đến sức khỏe đã khiến nhiều người dân lo ngại, do đó trong các hộ gia đình thường sử dụng hệ thống tia UV để khử trùng nước cấp của họ • Nước dùng cho quá trình Công nghiệp: Các nhà máy và phòng thí nghiệm thường sử dụng lưu lượng nước thấp nhưng yêu cầu chất lượng cao do đó thường sử dụng tia cực tím UV để diệt khuẩn xử lý nước Diệt khuẩn bằng UV cũng được sử dụng trong các quy trình không thể sử dụng Clo, các ngành công nghiệp thực phẩm và nước giải khát muốn loại bỏ mùi và hương vị của clo từ các sản phẩm của họ • Nước cấp cho đối tượng thương mại: Nhà hàng, khách sạn, khu nghỉ dưỡng, cắm trại phải đảm bảo cung cấp một nguồn nước an toàn cho khách hàng Đa số các đối tượng thương mại này đã sử dụng hệ thống khử trùng bằng tia cực tím khử trùng cho nước của họ vì phương pháp này đơn giản và hiệu quả và an toàn hơn so với phương pháp dùng Clo Người bệnh và người già dễ bị nhiễm các loại bệnh liên quan đến đường nước hơn là các người trẻ và khỏe mạnh Do đó, bệnh viện và nhà dưỡng lão phải đảm bảo luôn giữ cho nước được diệt khuẩn cao nhất • Nước ao, hồ: Ở nhiều vùng nông thôn, nhiều người dân vẫn lấy nước trực tiếp từ các ao hồ, sông suối, nơi tiềm ẩn những mối nguy hại Hơn nữa là các loại động vật, vi sinh vật sinh sống trong đó gây ra khả năng nhiễm vi sinh cao Để sử dụng, cần phải tiến hành xét nghiệm để đảm bảo an toàn Đối với các nguồn cung cấp nước bất kì, mức độ ô nhiễm có thể khác nhau trong suốt các mùa Nước có thể bị nhiễm vi sinh trong mùa mưa khi lượng nước nhiều Do đó, mùa mưa là thời điểm lý tưởng để tiến hành thử nghiệm nước • Nước giếng: Ở nông thôn, nhiều ngừơi dân sử nước từ giếng của họ và cho rằng thế là an toàn Trừ khi nước đã được thử nghiệm, ngoài ra, không có cách nào để biết liệu nước đó có chứa mầm bệnh có khả năng gây hại hay không Sự hiện diện của vi khuẩn Coliform trong nước chứng minh rằng nước giếng rất có thể dễ bị ô nhiễm Những sai sót, rò rỉ trong hệ thống nước thải, phân thải có thể là nguồn gây ô nhiễm Bạn có biết rằng khoa học đã chứng minh rằng 65% bệnh tật ở người lớn và 85% bệnh tật ở trẻ em có nguyên nhân từ vi khuẩn, vi rút nguyên sinh đường ruột trong nước chẳng hạn như Cryptosporidium và Giardia Vấn đề xử lý nước, lọc nước không triệt để đã gay nên nhiều vấn đề về sức khỏa như viêm màng não, viêm gan B, sốt thương hàn, tricomoniasis, bệnh lao, bệnh tả, đau dạ dày, salmonella, poliovirus, và tiêu chảy, bệnh tăng nhãn áp, nhưng may mắn rằng vi khuẩn này có thể bị tiêu diệt bởi tia cực tím b- Ứng dụng trong Công nghệ sản xuất nước uống đóng chai: • Thực trạng nguồn nước ban đầu chưa xử lý lọc:  Màu sắc và độ đục: màu của Gumid, các chất keo, sắt có trong nước, hệ phân tán thô ( huyền phù, cặn, cát ); ngoài ra còn sự phát triển của Vi sinh vật, rong, tảo gây nên…  Nhiệt độ: 17-27 độ C đối với mạch nước ngầm  Mùi, vị: Có thể mùi tự nhiên có trong nước do đất, cát, bùn, clo,…tạo nên • Ứng dụng tia cực tím trong quá trình lọc:  Sau quá trình lọc cơ bản  Các nhà máy sử dụng đèn thủy phân áp lực thấp để phát ra tia cực tím, đèn được nắp thành bộ và ráp trong ống thủy tinh không hấp thụ tia cực tím để phát tia cực tím, cũng như ngăn cách giữa đèn và nước Trong hộp đựng có vách ngăn phân phối để khi nước chảy qua hộp được trộn đều, tang thời gian tiếp xúc giữa vi sinh vật có trong nước và tia cực tím là cao nhất Lớp nước đi qua đèn có độ dày 6nm, năng lượng tiêu thụ từ: 6000-13000 MW, chiếu với bước sóng 254 nm  Ứng dụng hầu như tiêu diệt toàn bộ vi sinh vật và diệt cả bào tử, không mang lại mùi lạ, giúp quy trình sản xuất hiệu quả hơn, nâng cao chất lượng, rút ngắn thời gian sản xuất, tăng giá trị kinh tế và đáp ứng nhu cầu người tiêu dùng 4- Ưu – Nhược điểm của Công nghệ Áp suất cao trong Thực phẩm: a- Ưu điểm: • Tiêu diệt hiệu quả vi sinh vật và mầm bệnh • Công nghệ khử trùng bằng tia cực tím được ứng dụng rộng rãi trong • • • • đời sống Giá thành rẻ hơn các phương pháp khác Khử trùng bằng phương pháp UV nhanh và sạch: Tận dụng được nguồn năng lượng ban đầu Nguồn nước sau xử lý không có mùi hôi, không có mùi hóa chất, không có cặn kim loại • Hiệu quả cao hơn phương pháp đun sôi gấp 20.000 lần • Giảm khả năng bùng phát bệnh trong nguồn nước (đối với nước đun đôi để nguội phải sử dụng trong vòng 24 giờ, sau thời gian này xác của VSV có nguy cơ gây ngộ độc cho người sử dụng) b- Nhược điểm: • Có thể gây hại đến sức khỏe con người:  Có thể bị ung thư da, bị bỏng khi bước sóng khử trùng của tia UV tiếp xúc trực tiếp với làn da  Tia UV có thể gây hại đến võng mạc của mắt (khi mắt tiếp xúc với bức xạ tia UV có thể làm bỏng, tổn thương giác mạc, giảm thị lực tạm thời hoặc vĩnh viễn, bị mù) • Làm lão hóa các chất liệu dẻo của thiết bị khử trùng (do bức xạ tia UV có thể phá hủy các liên kết hóa học)  ... B- ỨNG DỤNG ÁP SUẤT CAO & TIA CỰC TÍM TRONG THỰC PHẨM: I- ỨNG DỤNG ÁP SUẤT CAO TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM: 1- Cơ chế tác động Áp suất cao bảo quản Thực phẩm: a- Mục đích tác động: Sử dụng áp suất. .. lựa bao bì II- ỨNG DỤNG TIA CỰC TÍM TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM: 1- Cơ chế ứng dụng Tia cực tím (UV) Công nghệ đồ uống: a- Cơ chế tác dụng diệt khuẩn Tia cực tím: • Tia cực tím có tác dụng mạnh Nucleo... • Ứng dụng tia cực tím trình lọc:  Sau trình lọc  Các nhà máy sử dụng đèn thủy phân áp lực thấp để phát tia cực tím, đèn nắp thành ráp ống thủy tinh không hấp thụ tia cực tím để phát tia cực