Bài giảng Các quá trình cơ bản trong công nghệ thực phẩm - Chương 4: Kỹ thuật chế biến không sử dụng nhiệt

Xử lý nhiệt : có hại gì cho thực phẩm??? -Biến đổi màu -Mất vitamin, khoáng và chất xơ -Thay đổi cấu trúc - Ứng dụng của áp suất cao (high pressure processing) Đổi đơn vị 1 at = 105 Pa hPa = hectopascal where 1 hPa = 100 Pa kPa = kilopascal where 1 kPa = 1000 Pa MPa = megapascal where 1MPa = 1000000 Pa = 10 at Ứng dụng của áp suất cao (high pressure processing) 4.2.1 MỞ ĐẦU Thực phẩm khi bảo quản và chế biến cần giữ được giá trị dinh dưỡng và giá trị cảm quan trong đó cần đảm bảo an toàn vi sinh vật, thời gian bảo quản dài hơn, giữ được giá trị của thực phẩm như lúc còn tươi. Phương pháp sử dụng áp suất cao đã được ứng dụng theo nhiều hình thưc khác nhau. Khi sử dụng áp suất cao để xử lý thực phẩm, vi sinh vật bị vô hoạt mà không cần sử dụng nhiệt, khi đó hàm lượng vitamin, chất màu và màu sắc của thực phẩm không bị tác động hoặc thay đổi rất ít. ứng dụng áp suất cao để xử lý thực phẩm coi như là một quá trình chế biến lạnh (Crawford et al, 1996). Ứng dụng của áp suất cao (high pressure processing) 4.2.1 MỞ ĐẦU Một số loại thực phẩm hiện nay có xử lý áp suất cao xuất hiện trên thị trường là mứt dẻo, nước sốt, đồ ăn dẻo, sữa chua, nước ép trái cây, trái cây nhúng đường, thịt bò, các sản phẩm khác nhau từ thuỷ sản,... một vài nước ép trái cây xử lý với áp suất cao có mùi tốt hơn, giữ được hàm lượng vitamin cao và thời gian bảo quản dài hơn. Ứng dụng của áp suất cao (high pressure processing) 4.2.2 thiết bị và thao tác của quá trình xử lý áp suất cao -thiết bị : áp suất cao được tạo ra trực tiếp hoặc gián tiếp, có áp suất trong khoảng 100 đến 600 Mpa và thường được nén trong nước là chính, thường kết hợp với chất khoáng, dầu thực vật để bôi trơn, với chất chống ăn mòn. Phòng xử lý có thể duy trì áp lực cao, thực phẩm được đóng gói, đặt trong môi trường nước. - quá trình xử lý thực phẩm bằng áp suất cao theo phương pháp gián đoạn hoặc bán liên tục. ví dụ với các sản phẩm rắn thường là quá trình gián đoạn và các dạng lỏng sệt như trái cây nghiền, chất lỏng và các loại dung dịch có thể bơm được thường được ứng dụng trong các dây chuyền bán liên tục. quá trình gián đoạn có nhiều điểm lợi vì nó tránh được sự nguy cơ nhiễm tạp từ vật liệu, từ thiết bị chứa vì khi quá trình xử lý kết thúc, thiết bị chứa không được rửa sạch. Tác động của HPP lên thực phẩm • Thực phẩm bao gồm – Protein – Enzyme – Lipit – Gluxit – Vitamin – Khoáng – Nước Những yếu tố nào chịu ảnh hưởng của HPP???? Ứng dụng của áp suất cao (high pressure processing) 4.2.3 Biến đổi hoá học và hóa lý 4.2.3.1 Tác động của áp suất cao đến thực phẩm Nước trong thực phẩm tồn tại dưới dạng dung dịch hoặc phân tán và dạng huyền phù liên kết với prôtêin, cacbonhydrat, lipid,...Vì áp suất tác động đến tính chất liên kết của nước, sức căng bề mặt, khối lượng riêng, mômen lưỡng cực, hằng số điện môi và các tính chất nhiệt. Sự thay đổi áp lực nước ảnh hưởng đến vi sinh vật, enzyme và các phản ứng hoá học trong môi trường lỏng của thực phẩm. Các chất như lipid, prôtêin, đường,... có cấu trúc bậc một (dạng thẳng) ít chịu ảnh hưởng của áp suất trong khoảng 1000 đến 2000 MPa nhờ vào các liên kết cộng hoá trị. Sự tạo thành các liên kết Hydrogen làm giảm thể tích, và liên kết này được quan tâm đến nhiều khi sử dụng áp suất cao. Áp suất cao làm biến tính prôtêin, với áp suất < 101MPa, sự biến tính này giảm khi các liên kết hydrogen có sẵn trong cấu trúc xoắn của các peptid. Ứng dụng của áp suất cao (high pressure processing) Các liên kết ưu nước cũng bị ảnh hưởng bởi áp suất, –vì với áp suất nhỏ hơn 100 MPa, các tương tác với nước làm tăng thể tích –tăng hơn 100 MPa thì các liên kết này bị phá vỡ và làm giảm thể tích, hướng tới cấu trúc bền nhất. như vậy, áp suất tác động đến cấu trúc của prôtêin bậc 4, bậc 3, bậc 2. –Nhìn chung, khi tăng áp suất đến khoảng 400 MPa thì bắt đầu biến tính prôtêin. Sự ảnh hưởng của áp suất cao đến các phản ứng của enzym có thể theo hai hướng : (i) liên kết các cơ chất, tính đàn hồi của phức enzyme-cơ chất (ii) quá trình xúc tác mà hệ enzyme-cơ chất được hoạt hoá. Ứng dụng của áp suất cao (high pressure processing) 4.2.3.1 Tác động của áp suất cao đến thực phẩm (tt) Như vậy, thể tích thay đổi liên quan đến sự tạo thành các tương tác trong hệ thống sinh học. Một vài tương tác quan trọng trong thực phẩm được giới thiệu sau đây: - liên kết hydrogen : liên quan đến thu nhỏ thể tích nhỏ nhất nhờ vào bán kính liên kết nhỏ của nguyên tử H và cũng như khoảng cách liên kết nhỏ (Tauscher, 1995) - Tương tác ưa nước : các chất phân cực có xu hướng tập hợp trong môi trường nước, phân tử nước thường liên kết với các H-C, các phân tử sinh học khác như prôtêin, lipid,...và các tương tác này tăng lên khi các thành phần tồn tại dưới dạng ion. - các liên kết cộng hoá trị : khoảng cách liên kết thường rất ngắn và tạo thành các hợp chất phức tạp; - biến đổi thể tích của phản ứng hoá học Ứng dụng của áp suất cao (high pressure processing) 4.2.3.2 Thay đổi pha Áp suất cao làm giảm điểm kết tinh và nóng chảy của nước, ở 207,5 MPa thì là -22°C, vì áp suất đối ngược với sự tăng thể tích xảy ra với nước loại I (là loại nước rất tinh khiết, sử dụng trong các thiết bị phân tích chất lượng cao). - sự tăng tốc độ làm lạnh khi sử dụng áp suất, làm giảm nhiệt độ nóng chảy, cho phép tạo thành các điểm quá lạnh tại -20°C, sự tạo thành nhanh và đồng đều của các mầm tinh thể. - sự tăng tỷ lệ tan chảy (tan giá) - bảo quản thực phẩm dạng tan chảy và dưới 0°C. HPP tác động lên Vi sinh vật như thế nào ??? • Ức chế hoạt động • Ức chế sinh sản • Tiêu diệt Vi sinh vật Ứng dụng của áp suất cao (high pressure processing) 4.2.4 ứng dụng của áp suất cao 4.2.4.1 Ức chế hoạt động của vi sinh vật sự áp dụng áp suất tác dụng trên cơ thể sống được gọi là barobiology. Áp suất trong khoảng 0,2 đến 2 MPa gọi là hyperbaric. Hiệu ứng của áp suất trên vi sinh vật được xác định bởi tác động của áp suất đối với nước, nhiệt độ trong quá trình xử lí, thành phần hoá học và các giai đoạn phát triển của vi sinh vật, trong đó áp suất và nhiệt độ được dùng nhiều nhất và nó liên quan đến an toàn thực phẩm. Áp suất tăng lên khoảng 40MPa gọi là barophiles và nằm trong khoảng 0,1 đến 50 MPa gọi là eurybaric và trong khoảng 20 đến 202 MPa gọi là baroduric. Ứng dụng của áp suất cao (high pressure processing) 4.2.4.1 Ức chế hoạt động của vi sinh vật (tt) Nguyên lí cơ bản : vô hoạt vi sinh vật có thể là nguyên nhân của một vài yếu tố Yếu tố thứ nhất làm thay đổi tính bán thấm của màng tế bào kéo theo sự biến tính của prôtêin, là nguyên nhân của cắt đứt liên kết và làm vô hoạt các trung tâm của enzym. Áp suất khoảng 101 đến < 303 MPa làm biến tính thuận nghịch prôtêin và áp suất đạt 303 MPa làm biến tính không thuận nghịch. Ứng dụng của áp suất cao (high pressure processing) 4.2.4.1 Ức chế hoạt động của vi sinh vật (tt) Pierre – Cornet et al, 1995 đã quan sát sự vô hoạt tế bào theo 3 pha động học : Giai đoạn thứ nhất : khi áp suất tăng lên, màng tế bào bị nén ép; Giai đoạn thứ hai : khi áp suất được duy trì, sự truyền chất từ nội bào ra ngoại bào xuất hiện Giai đoạn cuối cùng : sự giảm màng tế bào xảy ra và không thể trở lại trạng thái ban đầu Quá trình này quan sát được sự mất các chất dinh dưỡng của tế bào ra môi trường nước như pepton, phosphat sau khi thu lại các tế bào bị hư hỏng dưới tác động của áp suất Ứng dụng của áp suất cao (high pressure processing) 4.2.4.1 Ức chế hoạt động của vi sinh vật (tt) Đương nhiên, các Nuclêic acid thì bền hơn Prôtêin vì cấu trúc của ADN có cấu trúc xoắn, chứa nhiều các liên kết hydrogen. Một số nghiên cứu cho thấy, khi áp dụng áp suất cao thì làm cho khả năng phiên dịch, sao chép và truyền thông tin của ADN bi ức chế ở 27, 68 và >68 MPa, nhưng sau khi hạ áp suất thì chúng lại trở lại như bình thường. Ứng dụng của áp suất cao (high pressure processing) 4.2.4.1 Ức chế hoạt động của vi sinh vật (tt) Các yếu tố bên ngoài - giống loài vi sinh vật - thành phần của thực phẩm : hoạt độ nước, sự có mặt của các muối, pH,... -Thông số của quá trình xử lý : độ lớn của áp suất, thời gian nén, tỷ lệ hạ áp, liên tục hay gián đoạn, thời gian nâng đến áp suất xử lý. Khi tăng thời gian xử lý áp suất cao thì sự hư hỏng tế bào xảy ra nhiều hơn và số tế bào sống sót sẽ giảm. -Trong thực tế, để tăng hiệu quả của quá trình xử lý thì người ta thường kết hợp nhiều yếu tố cùng với nhau như kết hợp áp suất cao với tăng nhiệt độ, siêu âm, chiếu tia tử ngoại, tăng nồng độ chất hoà tan như hoà tan CO2 để tạo thành acid cacbonic, làm tăng sự phá hỏng màng tế bào,... Ứng dụng của áp suất cao (high pressure processing) 4.2.4.2 Ức chế enzyme Khi sử dụng áp suất cao có thể làm hoạt hoá, ức chế hoặc làm tăng hoạt lực của enzym. Cơ chế làm ức chế hoạt động của các enzym có thể giải thích theo hai hướng sau: –làm hư hỏng các cấu trúc ngoại phân tử –làm thay đổi sự phù hợp của các tâm hoạt động hoặc tương tác enzym-cơ chất Ứng dụng của áp suất cao (high pressure processing) -thịt : áo suất khoảng 100 đến 150 Mpa đượng sử dụng để hoạt hoá các enzym thuỷ phân như cathepsin hoặc phá huỷ các liên kết sợi của cơ thịt của bò, thịt heo, thịt gà và thỏ. Nếu tăng áp suất lên quá cao hơn 150 Mpa và thời gian xử lý trong 15 phút thì thịt bò bị mất màu, từ màu đỏ sang màu xám ở áp suất 350 Mpa. Đối với thịt heo, nếu xử lí ở áp suất 850 MPa, 20 phút thì lipid được ổn định và cho phép bảo quản trong thời gian dài, giảm được sự ôi hoá của lipid. Ứng dụng của áp suất cao (high pressure processing) -sữa : HP làm thay đổi cấu trúc của prôtêin, tiếp đó là làm thay đổi tính chất chức năng của chúng, dẫn đến các tình chất nhũ tương hoá, keo hoá và khả năng liên kết với nước của prôtêin bị ảnh hưởng. HP được ứng dụng để phòng ngừa quá trình acid hoá của sữa chua trong quá trình bảo quản mà không giảm số lượng vi khuẩn lactoacid và không biến đổi cấu trúc, làm tăng thời gian bảo quản của sản phẩm. Ứng dụng của áp suất cao (high pressure processing) - cá : HP tạo ra cấu trúc mới và chất thơm lưu lại lâu hơn được ứng dụng đối với cá sardine, cá thu, cá chép và cá ngừ, ...HP cũng làm tăng hiệu quả của việc chiết dầu cá từ các loài cá béo, và lượng các chất bị oxhoa giảm đáng kể. Ứng dụng của áp suất cao (high pressure processing) - các loại ngũ cốc : HP mang lại cho các loại ngũ cốc có đặc tính riêng của sản phẩm và giảm được các chất gây dị ứng; giảm tạo gel của đậu nành; làm biến đổi tính ngậm nước của ngô và giá trị cảm quan của gạo,...HP còn tăng hoạt độ của amylase khi sử dụng sử lý nhiệt ít nhất. - rau : HP để chần khoai tây, bảo quản nước sốt, bảo quản nước ép cà chua và bảo quản hành tây. HP ảnh hưởng đến độ cứng của củ cải, vô hoạt lecithin của hạt đậu, diệt khuẩn của hạt tiêu và ảnh hưởng đến chất màu của paprika. Chiếu xạ và ánh sáng cực tím (Food iradiation and ultra violet light) Trong lịch sử bảo quản thực phẩm, các công nghệ như đóng hộp, đông lạnh và nhiệt vi sóng cho các sản phẩm công nghiệp thực phẩm đã được người tiêu dùng chấp nhận. Chiếu xạ ứng dụng vào thực phẩm được nghiên cứu từ nhiều thập niên qua, nhưng sự chấp nhận và thương mại hoá rất chậm và ít sử dụng trong việc thanh trùng dịch sữa vào đầu thế kỷ 20. Nhiều trở ngại trong việc chấp nhận thực phẩm có sử dụng chiếu xạ, đó là hình ảnh xấu về sức mạnh của hạt nhân làm ảnh hưởng đến tâm lý người tiêu dùng sau chiến tranh thế giới thứ II. Những nguồn chiếu xạ để bảo quản thực phẩm mang lại hàm ý của nguyên tử và nghĩ đến sự an toàn. Đầu tư cho chiếu xạ thực phẩm có giá thành rất cao, ví thế việc sử dụng để bảo quản thực phẩm không theo qui ước công nghệ và đưa ra thị trường. Chiếu xạ và ánh sáng cực tím (Food iradiation and ultra violet light) 4.3.1 Chiếu xạ - Nguyên lý : chiếu xạ vô hoạt hoàn toàn vi sinh vật và côn trùng bị ion hoá, làm thay đổi thay đổi bản chất hoá học, đây là tác động chính của quá trình chiếu xạ. Năng lượng của chiếu xạ phải đủ lớn để cắt đứt liên kết hoá học trong thực phẩm. Năng lượng liên kết cộng hoá trị trong khoảng 1 – 8eV. Năng lượng này là ít hơn năng lượng để ion hoá orbital, để cắt đứt toàn bộ liên kết cộng hoá trị bằng chiếu xạ. Kết quả của việc chiếu xạ là tạo thành các gốc tự do –OH, gốc này phản ứng với các ADN của vi sinh vật, côn trùng ở các giai đoạn phát triển khác nhau của chúng (trứng, ấu trùng, nhộng, và trưởng thành). Khi ADN của chúng bị hư hỏng và mã di truyền hư hỏng, các sinh vật này mất khả năng sinh sản. Chiếu xạ và ánh sáng cực tím (Food iradiation and ultra violet light) 4.3.2 Cơ chế chiếu xạ thực phẩm Liều lượng hấp thụ chiếu xạ : đo bằng kGy (kilogray = kJ/kg = 100 krad), dưới 1 kGy gọi là liều lượng thấp, từ 1 – 10 kGy gọi là trung bình, trên 10 kGy là liều lượng lớn. - nước và dung dịch lỏng : nước tinh khiết ít bị ảnh hưởng bởi chiếu xạ, nếu nước có chứa các thành phần không tinh khiết thì khi chiếu xạ tạo ra các gốc tự do và làm mất cân bằng của phản ứng khử H2O thành -OH, H2O2. - các thành phần C-H : các chất chứa cacbonhydrat có trong trái cây, rau, củ và các loại hành ứng dụng với độ chiếu xạ rất thấp, nhỏ hơn 1 kGy. Nếu lớn hơn liều lượng này thì xảy ra các phản ứng rất phức tạp do nguyên tử H tấn công nguyên tử C tạo ra các phản ứng chuyển vị trí, đồng phân hoá và cắt mạch,... Chiếu xạ và ánh sáng cực tím (Food iradiation and ultra violet light) - Prôtêin : chiếu xạ có thể làm biến tính prôtêin, cắt đứt các liên kết hydrogen và các liên kết khác, kể cả cấu trúc bậc hai và bậc ba. Chiếu xạ prôtêin cũng tạo ra các sản phẩm thuỷ phân như chất béo, mercaptan và hợp chất của lưu huỳnh, làm thay đổi thành phần và giá trị cảm quan của thực phẩm. Lipid : lipid có chứa nhóm COOH và là phân tử nhỏ hơn, khi chiếu xạ sự biến đổi tập chung vào oxy nguyên tử và nhóm nối đôi, tạo ra các gốc tự do và cuối cùng là tạo ra các sản phẩm như CO2, CO, H2 và H-C : chủ yếu là alkanes, và aldehyd. Acid béo không no tại ra các đồng phân, tăng nhanh khi có mặt của O2. sự có mặt của oxi làm tăng các phản ứng oxihoa tạo thành các hydroperoxide; aldehid và acêton,... Chiếu xạ và ánh sáng cực tím (Food iradiation and ultra violet light) 4.3.4 nguồn chiếu xạ -tia gamma (gamma rays) : hai chất phóng xạ được sử dụng trong thực phẩm là Cobalt -60 và Cesium 137. Dùng Co-60 tạo ra tạo ra các neutron bắn vào Co59 và tạo ra các tia gamma. Ce57 là sản phẩm phụ của quá trình tách phân hạt nhân. -Co60 có 5,27 năm tuổi và tạo ra các tia gamma khoảng 1,17 đến 1,33 MeV (triệu eV). Cs-137 có 30 năm tuổi và tạo ra các tia gamma 0,66 MeV. 1 electron volt = 1.60217646×10-19 joules Chiếu xạ và ánh sáng cực tím (Food iradiation and ultra violet light) 4.3.4 nguồn chiếu xạ -chùm electron (electron beams): máy gia tốc thẳng đã được sử dụng hiệu quả nhất trong các sản phẩm thương mại, năng lượng có thể lên đến 10 MeV. -Trong máy gia tốc thẳng này, sủ dụng Mangetron hoặc Dynamitron , đầu vào là dòng điện để chuyển thành dòng điện thế cao một chiều bao gồm nhiều loại, kể cả dạng sóng radio, tăng điện thế, chỉnh lưu và nối vào với nhiều hệ thống để đạt được điện thế khoảng 400 kV đến 10 MeV. Chiếu xạ và ánh sáng cực tím (Food iradiation and ultra violet light) - Điện thế này được cung cấp cho máy gia tốc thẳng dạng ống. Bên ngoài ống, các chùm electron được phát ra từ đầu sợi dây nhỏ có điện thế cao, sợi dây được đặt sâu trong ống kim loại mỏng (giống như bút chì). Chùm tia electron này được áp dụng để chiếu vào thực phẩm bằng chùm hình quạt. Mức năng lượng có thể đạt được lên đến 10 MeV (10 000 kV) và độ xuyên của tia là 0,50 cm/MeV đối với vật liệu giống như nước. Chiếu xạ và ánh sáng cực tím (Food iradiation and ultra violet light) 4.3.4 nguồn chiếu xạ - Bộ chuyển đổi tia X (converted X-rays) : khi dòng electron từ máy gia tốc thẳng va chạm dày đặc vào một tấm bản điện trở (Tungsten hoặc hợp kim Titanium), tia X sẽ được tạo thành bên phía bên kia của tấm và được gọi là bức xạ hãm. Mức năng lượng tối đa là 5 MeV. Sự chuyển hoá dòng electron thành tia X chỉ đạt từ 5 – 12%. Chiếu xạ và ánh sáng cực tím (Food iradiation and ultra violet light) 4.3.6 ứng dụng của chiếu xạ ứng dụng Liều lượng (kGy) Thực phẩm Tiêu diệt côn trùng 0,15 – 0,5 Trái cây, hạnh nhân, thực phẩm sấy ức chế mầm, nảy chồi 0,02 – 0,15 Khoai tây, hành tây, tỏi Làm chậm quá trình chín 0,12 – 0,75 Chuối, xoài, đu đủ Khử nhiễm tạp 3 – 30 Thịt gia cầm, thịt khác, gia vị Tiệt trùng 45 – 56 Chuẩn bị thịt và sữa Cải thiện sản phẩm 3 – 40 Đậu nành, rau quả sấy Chiếu xạ và ánh sáng cực tím (Food iradiation and ultra violet light) - tiêu diệt côn trùng : các côn trùng có trên bề mặt rau, quả cần tiêu diệt và phương pháp chiếu xạ được ứng dụng rộng rãi cho việc này. - kéo dài độ tươi của thực phẩm : với liều lượng rất thấp 0,02 đến 0,15 kGy (kilogray = kJ/kg) có thể kéo dài độ tươi và ức chế mầm chồi trong khoảng thời gian 6 đến 9 tháng. Với khoảng 0,12 đến 0,75 kGy có thể làm chậm quá trình chín của quả chuối, xoài, đu đủ để đưa ra thị trường lâu hơn. Quá trình này là do việc làm chậm quá trình chuyển hoá từ protopectin thành pectin trong quả bởi chiếu xạ. - tránh nhiễm tạp : cần sử dụng liều lượng 1- 10 kGy để tiêu diệt các loại vi khuẩn như Escherichia coli, listeria monocytogenes, salmonella spp và staphylococus eureus, phần lớn các vi khuẩn bị tiêu diệt. - Tiệt trùng : - cải thiện sản phẩm : Tia cực tím và bảo quản thực phẩm (ultraviolet light and food preservation) Tia cực tím là tia có bước sóng ngắn hơn ánh sáng nhìn thấy, và nó trở thành một phương pháp bảo quản thực phẩm không sử dụng nhiệt, giữ được giá trình cảm quan và dinh dưỡng của thực phẩm. -chiếu tia cực tím được coi như là phát xạ và lan truyền năng lượng tử không gian vào vật liệu. Tia cực tím được ứng dụng nhiều nhất trong sản xuất nước uống, nó được coi như là một tác nhân để khử trùng nước. -Năm 1999, FDA đã công nhận UV là phương pháp loại bỏ các vi sinh vật gây bệnh trong nước ép trái cây và giữ được hàm lượng vitamin. - ánh sáng của điện từ là đồng nhất và có bước sóng dài, chúng di chuyển theo đường thẳng và mọi hướng từ nguồn phát. -Khi sử dụng đèn cực tím thì ta có thể nhìn thấy bằng mắt thường vì trong quá trình phát, chúng tạo ra rất nhiều tia khác nhau : tia gamma, tia X, tia cực tím, tia hồng ngoại và cả sóng radio, vì thế ta có thể thấy được tổ hợp của các tia. -Chiều dài bước sóng của tia UV nằm trong khoảng 100 đến 400 nm, trong dải này được chia thành long- wave UV (UVA) trong khoảng 315 đến 400 nm, trung bình UV khoảng 280 đến 315 nm và UV ngắn từ 200 đến 280 nm. Tia cực tím và bảo quản thực phẩm (ultraviolet light and food preservation) -Bước sóng tử ngoại ngắn có chức năng tiêu diệt vi sinh vật sống, vì vi sinh vật hấp thụ bước sóng của ánh sáng cực tím ở bước sóng 254 nm, với bước sóng này là nguyên nhân làm thay đổi vị trí của các electron và cắt đứt các liên kết trong AND, chống lại sự sống và sinh sản của vi sinh vật. -UV bước sóng ngắn (254 nm) tác động đến các bazơ như là pyrimidine, purine. Những bazơ này hấp thụ ánh sáng cực tím, làm ảnh hưởng đến các liên kết bazơ của thymine trong chuỗi ADN và phá hỏng cấu trúc của ADN. Tia cực tím và bảo quản thực phẩm (ultraviolet light and food preservation) -Những bazơ của ADN (thymine, adenie, cytosine, guanine) rất nhạy cảm với ánh sáng cực tím, chúng tạo ra các liên kết trùng hợp dạng cặp đôi (dimer). Trong đó thì thymine có nhiệm vụ sao chép ADN, khi thymine bị trùng hợp dimer thì làm mất khả năng sao chép của ADN và vi sinh vật không thể sinh sản được nữa. -Ngoài ra ở bước sóng 260 nm cũng có tác dụng tương tự như ở 254 nm vì ADN của vi sinh vật biến đổi theo loài. Tia cực tím và bảo quản thực phẩm (ultraviolet light and food preservation) - Độ bền của ADN đối với UV như sau VSV Gram (-) < Gram (+) < nấm men < bào tử vi khuẩn < nấm mốc < virut (Adam and Moss, 1995). - Một số tác giả đưa ra với động vật đa bào thì chúng bền với tia UV. Như vậy, khi sử dụng tia UV thì cần chú ý đến các vấn đề sau –sự biến đổi của các loài –giai đoạn sinh trưởng phát triển của vi sinh vật, thường giai đoạn trong pha log là nhạy cảm nhất. –Điều kiện áp dụng : UV có thể xuyên qua được chất lỏng, mật độ của vi sinh vật, nồng độ của huyền phù sẽ ngăn cản sự đâm xuyên của tia UV. –Nguồn phát tia UV : tạo ra bước sóng phù hợp để tiêu diệt vi sinh vật. Tia cực tím và bảo quản thực phẩm (ultraviolet light and food preservation) - Tia UV dùng để ức chế vi sinh vật trên bề mặt, tiêu diệt vi sinh vật trong không khí và khử trùng chất lỏng. Sử dụng tia UV này có thể khử trùng cho các loại chất lỏng và không khí như nước, thực phẩm lỏng, không khí. –Với nước cất thì UV có thể đâm xuyên khoảng 40cm, –với nước biển thì UV chỉ có thể đâm xuyên 10 cm –với dung dịch đường saccharose 10% thì UV chỉ đâm xuyên 5cm. - Ngày nay, tia UV đã được ứng dụng rộng rãi hơn để giảm số vi sinh vật trong nước ép trái cây với năng lượng chiếu xạ lên đến 400 J/m² (liều lượng của UV), tiệt trùng nước mắm. Tia cực tím và bảo quản thực phẩm (ultraviolet light and food preservation) Ứng dụng của siêu âm (microbial inactivation by ultrasound) 4.41. khái niệm và nguyên lý của siêu âm Siêu âm được định nghĩa là sóng âm có tần số vượt trên ngưỡng nghe của con người (12 – 16 kHz). Âm thanh có thể lan truyền theo mọi hướng, khi âm được truyền trong chất lỏng, tạo ra chu trình : sức ép và giản nở chất lỏng. Khi áp suất chất lỏng âm, chúng tạo ra các bong bóng và với chu trình ép/giãn nở thì các chất khí được nén và giãn nở theo nó. Sự tạo thành và biến thiên các bọt gọi là hiện tượng xâm thực. Xâm thực có nguồn gốc từ siêu âm năng lượng nhỏ của hạt bọt nhỏ, kích thước hạt dao dộng nhẹ với chu kỳ hàng nghìn. Sự xâm thực này tạo thành khi sóng âm ở tần số cao và có biên độ nhỏ, áp suất trong khoảng 1 đến 100 kPa. Khi sức mạnh của sóng siêu âm đánh vào lòng chất lỏng, kích thước của bọt khí bị kéo dài ra. Bề mặt của hạt khí được giãn ra vì vậy chất khí bị phân tán lớn nhất. Kết quả là kích thước của bọt khí tăng lên. Sau nhiều lần nén ép và giãn nở, bọt khí đạt được kích thước tới hạn mà năng lượng của sóng siêu âm có thể chuyển từ pha lỏng sang pha hơi. Tiếp theo nếu thực hiện quá trình ép, hơi sẽ bị ngưng tụ đột ngột và bọt khí bị nổ tung, sẹp xuống. Những phân tử xung quanh bọt khí chuyển động hỗn loạn theo mọi hướng, tạo ra điểm nhiệt độ quá cao và áp suất tại đó có thể lên đến 104 – 105 kPa. Ứng dụng của siêu âm (microbial inactivation by ultrasound) Hiện tượng xâm thực vượt quá phụ thuộc vào tần số sóng âm, áp suất thuỷ tĩnh và bán kính của bọt khí. ở tần số sóng âm lớn ( khoảng 1 MHz) thì hiện tượng xâm thực càng khó xảy ra và xung quanh 2,5 MHz, thì xâm thực không diễn ra. Hiện tượng này còn phụ thuộc vào tính chất vật lý, hoá học của dung dịch lỏng, cũng như độ hoà tan khí của nó. Ngoài ra thì còn nhiều yếu tố khác ảnh hưởng đến siêu âm như áp suất thuỷ tĩnh, nhiệt độ, ... Ứng dụng của siêu âm (microbial inactivation by ultrasound) Nguồn sinh siêu âm : sử dụng nguồn năng lượng sóng âm với tần số 50/60 Hz thành dòng có năng lượng điện tần số cao. Năng lượng điện có tần số cao này sẽ truyền tới một bộ biến năng áp điện với một bộ chuyển đổi, và nó sẽ thay đổi chế độ rung. Có 3 kiểu chuyển đổi sóng âm : sử dụng dung dịch lỏng, chuyển đổi từ giảo và chuyển đổi bằng máy biến năng điện áp. Biến năng áp điện là hệ thống được sử dụng nhiều nhất để sinh sóng siêu âm và có thể vượt qua tần số của sóng siêu âm. Nó được cấu tạo bởi thành Barium titanate hoặc Lead metaniobate mỏng đặt đối diện với trường điện từ, sẽ sinh ra sóng siêu âm Ứng dụng của siêu âm (microbial inactivation by ultrasound) 4.4.2. Cơ chế vô hoạt vi sinh vật của siêu âm Cơ chế tác động của siêu âm có nhiều nghiên cứu nhưng hiện nay việc đưa các giả thuyết và các kết quả nghiên cứu còn nhiều vấn đề chưa rõ ràng. Nhưng nguyên nhân chính của việc tiêu diệt vi sinh vật là do siêu âm tạo ra sự giãn thể tích của tế bào, kết quả là màng tế bào bị rách. Những tế bào có hình ô van thì dễ bị tác động hơn tế bào hình cầu. Vi khuẩn gram (+) có khả năng chịu đựng tốt hơn vi khuẩn gram (-); vi khuẩn hiếu khí bền hơn vi khuẩn yếm khí và các bào tử thì bền vững hơn vi sinh vật sống. Ứng dụng của siêu âm (microbial inactivation by ultrasound) Nhiều tác giả đã công nhận hiện tượng xâm thực có tác dụng đến hiệu ứng gây chết vi sinh vật. Các bọt bị nổ trong trường sóng siêu âm, nhiệt độ cao và áp suất cao sinh ra tại điểm va chạm. Nhiệt, áp suất gây sốc làm chết vi sinh vật. Mặt khác, thì nhiệt độ cao đột ngột và áp suất nén ép các bọt cũng tạo ra sự phân chia hơi nước thành các gốc tự do -OH và nguyên tử H, các gốc này cũng có tác động làm vô hoạt tế bào giống như hiện tượng tạo ra các gốc tự do peroxid. Ứng dụng của siêu âm (microbial inactivation by ultrasound) Ứng dụng siêu âm trong thực phẩm 1. Vô hoạt vi sinh vật và enzym Quá trình này thực hiện phá vỡ màng tế bào bằng hiện tượng xâm thực, sự biến thiên về áp suất của bọt khí làm biến dạng màng tế bào, co giãn màng tế bào và rách màng. Năng lượng do siêu âm thường chịu ảnh của nhiều yếu tố như loài vi sinh vật và loại enzym, biên độ và tần số của sóng âm, thời gian chết thập phân, thể tích của thực phẩm và kiểu thực phẩm. Sức mạnh siêu âm không có tác động nhiều đến việc tiêu diệt vi sinh vật và vô hoạt enzym trừ khi chúng có cường độ cao. Vì thế siêu âm thường được kết hợp với các kỹ thuật khác như áp suất (manosonication), nhiệt (thermosonication) hoặc cả hai áp suất và nhiệt (manothermosonication) để tăng thêm hiệu quả tiêu diệt vi sinh vật và vô hoạt enzym. Ứng dụng của siêu âm (microbial inactivation by ultrasound) Khi các bọt khí bị nổ, nhiệt sinh ra trong lỏng xung quanh các lỗ hổng. Thể tích của lỏng được gia nhiệt là rất nhỏ và rất nhanh. Nhiệt độ của vùng này có thể tăng lên rất cao, lên đến 5000°C, trong vài microgiây. Sự tồn tại nhiệt này có thể giải thích tỷ lệ gây chết dạng mũ của siêu âm giống như dạng nhiệt. Nhưng đa số các tác giả nói rằng nhiệt sinh ra từ siêu âm không góp phần vào hiệu ứng gây chết tế bào vì thời gian làm chết 90% VSV của phương pháp siêu âm là rất lớn. Ứng dụng của siêu âm (microbial inactivation by ultrasound) 2. Kết tinh Nguyên lý : hiện tượng xâm thực tạo ra từ sóng siêu âm tác động vào các tinh thể tạo ra các mầm tinh thể. Trong quá trình xâm thực, các tinh thể bị nghiền nhỏ, chia cẳt thành các mầm tinh thể với số lượng lớn và rất nhỏ đồng đều, gọi là các tâm của mầm tinh thể. Ứng dụng của siêu âm (microbial inactivation by ultrasound) Quá trình siêu âm được ứng dụng trong y dược và hoá học tinh luyện, những hợp chất ở điều kiện bay hơi nước tạo ra các tinh thể có khối lượng lớn. - ứng dụng trong việc biến đổi và kiểm soát quá trình kết tinh của nhiều sản phẩm, như trong quá trình kết tinh đường, quá trình tránh sự kết tinh của đường trong mật ong - ứng dụng vào việc đông đặc các chất béo trong chocolate, mứt và kem. Siêu âm là một công cụ hiệu quả để kiểm soát việc các tinh thể đa hình của chất béo và diễn ra trong thời gian rất ngắn. Ứng dụng của siêu âm (microbial inactivation by ultrasound) 3. lọc - làm sạch vách lọc và tránh bám cáu cặn -sóng siêu âm có tác dụng làm tích tụ các hạt nhỏ và tiếp theo là tạo ra sự rung để giữ một phần hạt ở dạng huyền phù, vì thế nó làm trong dung dịch sau khi lọc. Quá trình này được ứng dụng lọc các sản phẩm sau khi ép như nước ép trái cây, đồ uống như làm trong bia Ứng dụng của siêu âm (microbial inactivation by ultrasound) 4. Sấy . - sử dụng hiện tượng xâm thực của siêu âm tác động vào thực phẩm sấy, hiện tượng nén ép và giãn nở, tạo cho thực phẩm xốp hơn, sẽ làm tăng quá trình di chuyển ẩm từ trong lỏng thực phẩm ra ngoài. Các loại trái cây và rau được xử lý trước khi sấy như táo, dưa bở, đu đủ, cà rốt,... đã giảm được thời gian sấy và chất lượng tương đương với quá trình sấy chân không thăng hoa. 5. Chiết - hiện tượng xâm thực làm phá vỡ tế bào thực vật và làm rách màng tế bào của chúng, làm cho chất dinh dưỡng chảy ra ngoài, tăng hiệu quả của quá trình chiết. 6. Nhũ tương hoá : việc phá nhỏ các chất làm đồng đều các chất lỏng không hoà tan, kết hợp với quá trình rung của dung dịch. ứng dụng cho nước ép trái cây, nước cà chua nghiền, mayonnaise và sản phẩm sữa. Ứng dụng của siêu âm (microbial inactivation by ultrasound) 6. Tạo độ mềm cho thịt : dựa vào hiện tượng xâm thực thì thịt được làm mêm rất tốt. Quá trình này sẽ không đạt hiệu quả khi thịt đang ở giai đoạn tê cứng và sau tê cứng. Quá trình còn phụ thuộc vào loài động vật khác nhau, tần số và năng lượng của sóng siêu âm. 7. Rửa Ứng dụng của siêu âm (microbial inactivation by ultrasound)