Các kỹ thuật hiện đại ứng dụng trong Công nghệ chế biến thịt cá, thủy hải sản

Trường Đại học Bách Khoa- Đại học Quốc gia TpHCM Khoa Kỹ Thuật Hóa Học Bộ Môn Công Nghệ Thực Phẩm

 Báo Cáo Tiểu Luận CNCB thịt, thuỷ sản: Các Kĩ Thuật Hiện Đại ứng Dụng Trong CNCB Thịt, Thuỷ Sản GVHD: ThS. Nguyễn Thị Hiền Nhóm thực hiện: Đặng Minh Đạt 60700484 Trần Chí Hải 60700686 Trương Vĩnh Lộc 60701383 Năm học 2010-2011 Mục lục: 1. Giới thiệu ................................................................................................................................. 4 2. Tổng quan về kỹ thuật sử dụng áp lực cao .............................................................................. 5 2.1. Định nghĩa ......................................................................................................................... 5 2.2. Cơ sở khoa học .................................................................................................................. 6 3. Thiết bị ..................................................................................................................................... 7 3.1. Buồng áp ........................................................................................................................... 7 3.2. Hệ thống tạo áp suất ......................................................................................................... 8 3.3. Bộ phận hiệu chỉnh nhiệt độ ............................................................................................ 10 3.4. Bộ phận nạp và tháo mẫu ................................................................................................ 11 3.5. Quy trình vận hành: hai loại hệ thống ............................................................................ 11 4. Ứng dụng áp suất cao trong các sản phẩm thịt ...................................................................... 13 4.1. Thịt tươi:.......................................................................................................................... 13 4.2. Jambon thịt lợn: .............................................................................................................. 14 4.3. Jambon được nấu chín: ................................................................................................... 15 4.4. Jambon muối hun khói: ................................................................................................... 15 4.5. Thịt bò băm viên (beefburger): ....................................................................................... 17 4.6. Áp suất cao hỗ trợ cho quá trình lạnh đông và rã đông: ................................................ 19 4.7. Độ rủi ro của quá trình áp suất cao: .............................................................................. 20 5. Kết luận .................................................................................................................................. 21 Tài liệu tham khảo: .................................................................................................................. 22 CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT SINH HỌC ......................................................................................... 23 1. Định Nghĩa: ............................................................................................................................ 23 2. Phân loại bacteriocin: ............................................................................................................. 24 2.1 Bacteriocin từ vi khuẩn Gram âm .................................................................................... 24 2.2 Bacteriocin từ vi khuẩn Gram dương ............................................................................... 24 3. Bản chất hóa học .................................................................................................................... 26 4. Tính chất: ............................................................................................................................... 27 5.Cơ chế kháng khuẩn và phổ kháng khuẩn .............................................................................. 28 6. Khả năng tự miễn bacteiocin của tế bào chủ ......................................................................... 30 7. Ứng dụng : ............................................................................................................................. 30 7.1 Định nghĩa: ...................................................................................................................... 30 7.2 Đặc điểm: ......................................................................................................................... 31 8.Thành tựu: ............................................................................................................................... 32 8.1 Tiến hành thí nghiệm ........................................................................................................ 32 8.2 Kết quả: ............................................................................................................................ 32 8.3 Nhận xét kết quả :............................................................................................................. 34 Tài liệu tham khảo: .................................................................................................................... 35 PHẦN 3: KỸ THUẬT CHIẾU XẠ TRONG CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN THỊT, HẢI SẢN ........ 36 1. Định nghĩa chiếu xạ: .............................................................................................................. 36 2. Lịch sử thực phẩm chiếu xạ: .................................................................................................. 36 3. Cơ sở khoa học của quá trình chiếu xạ: ................................................................................. 38 4. Thiết bị: .................................................................................................................................. 38 5. Ảnh hưởng của chiếu xạ lên thịt: ........................................................................................... 39 5.1 Giới thiệu chung: ............................................................................................................. 39 5.2 Ảnh hưởng của chiếu xạ lên mùi vị của sản phẩm thịt: ................................................... 40 6.1 Nghiên cứu về ảnh hưởng của tia gama lên các acid béo trên thịt bò chiếu xạ: (Rayna Stefanova, Stoyan Toshkov, Nikola V. Vasilev, Nikolay G. Vassilev, Ilko N. Marekov (2011)): ................................................................................................................................................ 53 6.2 Kéo dài thời gian sử dụng cho các loại sản phẩm thịt truyền thống được bán tại siêu thị (Sweetie R.Kanatt,M.ShobitaRao,S.P.Chawla, ArunSharma (2010)): .................................. 56 6.3 Ứng dụng chiếu xạ vào sản xuất một số loại sản phẩm thịt RTE giàu acid folic (I. Galán, ML. García, MD. Selgas (2011)) ........................................................................................... 62 Tài Liệu Tham Khảo: ................................................................................................................. 65 CHƯƠNG 1: KỸ THUẬT XỬ LÝ ÁP SUẤT CAO 1. Giới thiệu Ngày nay, quy trình chế biến thực phẩm đòi hỏi phải đạt nhu cầu của người tiêu dùng về nhiều mặt như: thực phẩm phải có chất lượng cao và đạt vệ sinh an toàn, khả năng cung cấp dinh dưỡng tốt, có giá trị cảm quan tốt, sử dụng ít phụ gia, ít tổn thất về cảm quan và dinh dưỡng do các quá trình xử lý. Do đó, các quy trình xử lý thực phẩm không sử dụng nhiệt như xử lý bằng áp suất cao (High hydrostatic pressure - HHP), xử lý bằng trường xung điện (pulsed electric fields), xử lý bằng sóng siêu âm (ultrasound), xử lý bằng phương pháp hóa học … đang được quan tâm và nghiên cứu rất nhiều nhằm mục đích có thể ứng dụng cho quy mô công nghiệp. Trong công nghệ thực phẩm, phương pháp áp suất thủy tĩnh cao lần đầu tiên được Hite (USA) ứng dụng để xử lý thịt và sữa với mục đích làm giảm số tế bào vi sinh vật vào năm 1899. Hơn 100 năm sau, sản phẩm thực phẩm qua xử lý bằng kỹ thuật trên xuất hiện đầu tiên ở thị trường Nhật Bản vào đầu những năm 1990 [12]. Từ đó, ngày càng nhiều thực phẩm áp dụng kỹ thuật này được thương mại hóa, ví dụ như các sản phẩm từ cá, hải sản, thịt, các sản phẩm rau trái như guacamole, jelly, nước quả… (Considine và cộng sự, 2008; Goh và cộng sự, 2007; Murchie và cộng sự, 2005; Smelt, 1998; Torres và cộng sự, 2005) [6]. 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. Mặc dù hiện nay phương pháp áp suất cao mới chỉ được ứng dụng trong bảo quản, song lại có tiềm năng lớn vì thực phẩm thay đổi cấu trúc do áp suất cao sẽ được tiêu hóa dễ dàng hơn. Việc xử lý bằng áp suất cao có thể cải thiện được tính chất các loại thực phẩm, đặc biệt là sữa chua hoặc phomat. Sữa chua sản xuất theo phương pháp gel hóa dưới tác động của áp lực sẽ đặc hơn những loạl sản phẩm làm theo cách thông thường. Một đặc điểm của phomat là nó cần thời gian (từ vài tháng đến vài năm) để đủ độ chín thì mới có thể dem bán. Nhờ xử lý ở áp suất cao mà quá trình chín của phomat sẽ nhanh hơn. Việc xử lý cá và thịt ở áp suất cao đã được nghiên cứu khá kỹ lưỡng. Thịt và cá ở áp suất 300 MPa sẽ bị "nấu chín" trong khi mùi vị vẫn giữ nguyên. Đối với thịt bò, áp suất 80 - 100 MPa làm cho màu sắc của nó được ổn định, tạo sự hấp dẫn khi trưng bày trong tủ kính. Thịt tươi bị thay đổi khi để lâu nhưng thịt được xử lý bằng áp suất cao có chất lượng tốt hơn mà hình thức lại không bị biến đổi. Thị trường thực phẩm chế biến và xử lý ở áp suất cao tại Nhật Bản phát triển mạnh hơn ở phương Tây. Hàng loạt sản phẩm như hoa quả, mứt và sữa chua xử lý theo phương pháp này đã được bán từ nhiều năm nay. Gần đây các sản phẩm đi từ gạo như bánh, cơm hộp xử lý ở áp suất cao cũng đã được đưa ra thị trường. Hiện nay ở Mỹ, người ta đang nói nhiều về loại nước cam, sau 12 tuần giữ lạnh vẫn có hương vị như nước cam tươi, hay chuối không bị thâm đen sau một thời gian dài. Hiện mới chỉ có một vài nhà chế biến thực phẩm ở Mỹ sử dụng loại công nghệ này. Tuy vậy, nhiều nhà khoa học dự đoán rằng công nghệ bảo quản cao áp sẽ trở thành “cải tiến vĩ đại nhất” trong ngành chế biến thực phẩm kể từ sau công nghệ đóng hộp thương mại. Sữa là một trong những thực phẩm có thể cung cấp nguồn dinh dưỡng cân đối vào đầy đủ nhất cho con người. Tuy nhiên, việc bảo quản vào kéo dài thời gian bảo quản (shelf-life) là vấn đề phức tạp liên quan đến sự cân bằng giữa việc tiêu diệt/ ức chế vi sinh vật với các giá trị cảm quan và dinh duỡng. Trong khoảng 15 năm gần đây, phương pháp xử lý bằng áp suất cao (High hydrostatic pressure - HHP) áp dụng cho sữa và các sản phẩm từ sữa đang được quan tâm như là một phương pháp mới cho bảo quản thực phẩm. Từ các nghiên cứu được về biến đổi và ảnh hưởng của phương pháp cho các kết quả có thể sẽ được ứng dụng cho ngành công nghiệp sữa (dairy industry), đảm bảo an tòan vi sinh, tối thiểu hóa các quá trình chế biến, sản phẩm có cấu trúc mới lạ, có giá trị cảm quan và dinh dưỡng cao [1]. 2. Tổng quan về kỹ thuật sử dụng áp lực cao 2.1. Định nghĩa Kỹ thuật sử dụng áp suất cao là phương pháp xử lý mẫu (thực phẩm) dưới áp suất cao trong một môi trường truyền áp ổn định. Để tạo áp lực tác động từ mọi phía là như nhau, người ta sử dụng môi trường truyền áp là chất lỏng (nước) nên các thuật ngữ sử dụng cho phương pháp này là xử áp thực phẩm bằng áp suất thủy tĩnh cao (High hydrostatic pressure treatment/processing/technique) hoặc xử lý bằng áp suất thủy tĩnh siêu cao (Ultra-high hydrostatic pressure treatment). Trong nhiều trường hợp, khoảng giá trị giới hạn áp suất từ 100 đến 1000 MPa được đề xuất như một phương pháp thanh trùng và tiệt trùng không sử dụng nhiệt, tránh ảnh huởng đến các giá trị cảm quan và dinh dưỡng. 2.2. Cơ sở khoa học Cơ sở khoa học của phương pháp sử dụng áp suất cao dựa trên hai nguyên lý: • Nguyên lý pascal: áp suất phân bố nhanh và đồng nhất trong môi trường truyền áp, không phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của mẫu cần xử lý. • Nguyên lý Le Chatelier – Braun: áp suất sẽ thúc đẩy các phản ứng có sự giảm thể tích tự do (thể tích hoạt hóa của phản ứng có giá trị âm). Các ưu điểm của kỹ thuật xử lý thực phẩm bằng áp suất thủy tĩnh cao: • Chất lượng cảm quan không thay đổi đáng kể so với trước khi xử lý • Sự tổn thất dinh dưỡng không đáng kể, chất lượng tốt hơn hẳn so với các phương pháp sử dụng nhiệt. • Môi trường truyền áp ổn định đảm bảo cho độ đồng nhất của sản phẩm cao. • Trong một số trường hợp, có thể hạn chế hiện tượng tái nhiễm vi sinh vật vào sản phẩm hoặc hiện tượng nhiễm chéo • Có thể thay đổi một số tính chất có lợi cho thực phẩm. Ví dụ như phương pháp xử lý bằng áp suất cao là có thể hạ nhiệt độ bảo quản lạnh. Dưới áp suất 200 MPa nhiệt độ có thể hạ xuống tới - 20oC mà nước không bị đóng băng, điều đó cho phép bảo quản thực phẩm dưới OoC mà không tạo ra các tinh thể băng làm ủng hoa quả. Tuy nhiên việc giữ áp suất cao trong một thời gian dài sẽ rất tốn kém. Một cách làm khác là làm lạnh nước tới 20oC ở áp lực 200 MPa, sau đó ngừng gia áp để nước tự đóng băng. Lúc này việc đóng băng sẽ rất nhanh và đều khắp bề mặt sản phẩm; các tinh thể băng sẽ rất nhỏ, vì vậy chất lượng sản phẩm ít bị ảnh hưởng. Nhờ xử lý ở áp suất cao mà độ tươi của các loại nước hoa quả kéo dài lâu hơn, làm giảm căng thẳng về kho chứa và vận chuyển. Với những ưu điểm về chất lượng cảm quan và dinh dưỡng nên có xu hướng dùng kỹ thuật sử dụng áp suất cao để phát triển dòng sản phẩm cao cấp như thực phẩm hữu cơ (organic food) dành cho nhóm người tiêu dùng có thu nhập cao. Tuy vậy, phương pháp này cũng có một vài nhược điểm: • Tùy thuộc theo từng đối tượng nguyên liệu, vi sinh vật và hệ enzyme không bị tiêu diệt hoàn toàn. Nếu muốn ức chế hệ enzyme và vi sinh vật trong mẫu thực phẩm đạt đến độ an toàn đòi hỏi phải sử dụng một áp suất rất lớn, điều này là không khả thi nếu phương pháp được áp dụng ở quy mô công nghiệp; do vậy, cần có giải pháp kết hợp với các kỹ thuật khác để đạt hiệu quả mong muốn. • Chi phí đầu tư rất lớn, thiết bị mắc tiền. • Phạm vi sử dụng: chỉ áp dụng cho một số đối tượng thích hợp. • Cấu tạo thiết bị rất cồng kềnh • Thể thích buồng xử lý rất giới hạn, năng suất thấp. Đối với các đối tượng thực phẩm là mẫu lỏng như sữa, nước ép quả … có hai phương thức thực hiện. Ngoài phương pháp thông thuờng là cho thực phẩm vào màng bao polymer rồi hàn kín và xử lý như thực phẩm rắn thì ta cũng có thể không cần sử dụng thêm lưu chất để truyền áp, sử dụng trực tiếp mẫu thực phẩm như là lưu chất để tăng áp. Trong các bài báo nghiên cứu về ảnh hưởng của phương pháp áp suất thủy tĩnh cao (HHP) đến hệ VSV và thành phần hóa học của thịt cá, người ta sử dụng môi truờng truyền áp gián tiếp như nước , dung dịch nuớc và glycol , hệ nước- propylene glycol (tỉ lệ 1:1 v/v), hệ nhũ tương dầu thực vật 10% và nước, dung dịch nước và Mobil Hydrasol 78 5% , polyetyleneglycol. 3. Thiết bị Các thành phần chính của thiết bị xử lý áp suất cao được chia làm bốn bộ phận chính • Buồng áp • Hệ thống tạo áp suất • Bộ phận hiệu chỉnh nhiệt độ • Bộ phận nạp và tháo mẫu 3.1. Buồng áp - Buồng áp thân hình trụ dày, chịu được áp suất cao. Buồng áp chia làm ba loại • Monoblock (buồng một lớp): thép không rĩ, áp suất làm việc 400-600MPa, khả năng chịu áp không cao so với 2 loại buồng áp khác. • Multilayer vessel (buồng nhiều lớp): vật liệu là thép không rỉ, lắp ráp bằng cách lớp trong nguội được ép với lớp ngoài nóng, khả năng chịu áp tăng. • Wire-wound vessel (buồng quấn dây): ứng dụng hầu hết ở qui mô công nghiệp + Dây thép lò xo: độ bền uốn 1600/mm2; độ bền đứt: 1900 N/mm2 + Chiều dài dây: vài trăm km/buồng áp + Chịu áp cao; giảm khối lượng V-100l, M=29 tấn còn 10 tấn Hình 1.1: cấu tạo buồng áp dạng quấn dây - Nắp đậy: dạng hình trụ có ren không liên tục - Bố trí thiết bị: đặt đứng hoặc ngang Hình 1.2: thiết bị được bố trí nằm đứng hoặc nằm ngang 3.2. Hệ thống tạo áp suất - Môi trường truyền áp: lỏng hoặc khí, nhung trong ngành thực phẩm đều sử dụng môi trường truyền áp là lỏng. - Nước cất: khả năng bị nén thấp, không làm biến dạng thực phẩm dưới áp suất cao - Thực tế: dung dịch nuớc và glycol, hệ nước- propylene glycol (tỉ lệ 1:1 v/v), hệ nhũ tương dầu thực vật 10% và nước, dung dịch nước và Mobil Hydrasol 78,5% - Phương pháp thực hiện • Tăng áp trực tiếp + Pham vi áp dụng: chỉ áp dụng cho mẫu lỏng, mẫu lỏng cũng chính là môi trường truyền áp. + Cách thực hiện: bơm mẫu vào buồng áp, sử dung piston để nén mẫu Hình 1.3: phương pháp tăng áp suất trực tiếp. + Nguyên tắc: tạp lực đẩy lên piston thông qua môi trường truyền áp (sử dụng bơm để môi trường truyền áp tác động lên piston) + Ưu điểm: tốc độ tăng áp nhanh + Nhược điểm: Vấn đề ăn mòn dễ xảy ra Vấn đề rò rĩ và bù áp • Tăng áp gián tiếp + Pham vi áp dụng: mẫu có trạng thái bất kì nhưng lưu ý loại bao bì sử dụng phải có khả năng chịu áp. + Cách thực hiện: nạp mẫu vào buồng áp, bơm môi trường truyền áp vào thiết bị và đuổi khí, sau đó sử dụng bộ phận khuếch đại để tăng áp. Hình 1.4: phương pháp tăng áp suất trực tiếp. + Nguyên tắc: bộ phận khuếch đại hoạt động tương tự như trong phương pháp tăng áp trực tiếp. + Ưu điểm: Phạm vi áp dụng rộng hơn Mẫu không tiếp xúc trực tiếp với thiết bị nên vấn đề ăn mòn bị hạn chế. + Nhược điểm: yêu cầu bộ phận khuếch đại phải nằm riêng 3.3. Bộ phận hiệu chỉnh nhiệt độ - Phương pháp hiệu chỉnh từ bên ngoài (external regulation) • Điện trở quấn quanh buồng áp • Vỏ áo xung quanh buồng áp - Phương pháp hiệu chỉnh từ bên trong (internal regulation) • Thiết bị trao đổi nhiệt • Thiết bị gia nhiệt - Phương pháp hiệu chỉnh nhiệt độ môi trường truyền áp • Thiết bị trao đổi nhiệt: đặt bên ngoài So sánh ưu- nhược
Thể tích buồng áp không bị ảnh hưởng, thiết kế buồng áp đơn giản
Khoảng nhiệt độ bị giới hạn. 3.4. Bộ phận nạp và tháo mẫu • Mẫu trong bao bì: hệ thống nạp và tháo mẫu tương tự t.bị retort • Mẫu ngoài bao bì (lỏng): bơm, đường ống, van 3.5. Quy trình vận hành: hai loại hệ thống 3.5.1. Hệ thống gián đoạn - Các bước thực hiện Nạp mẫu trong bao bì vào buồng áp cho nước vào buồng cao áp và bài khí đóng buồng cao áp tăng áp suất giữ áp xả áp tháo mẫu - Lưu ý: • Chọn vật liệu là bao bì nhựa ôm sát mẫu • Chọn phương pháp bao gói phải kín, thích hợp dạng bao gói chân không. Hình 1.5: Hệ thống gián đoạn 3.5.2. Hệ thống trên dây chuyền - Các bước thực hiện Sử dụng bơm áp suất thấp nạp mẫu vào buồng áp  tăng áp suất bằng môi trường truyền áp để tác động lên piston nén mẫu giữ áp xả áp tháo mẫu - Lưu ý: rót sản phẩm trong điều kiện vô trùng. Hình 1.6: Hệ thống trên dây chuyền in-line (mẫu lỏng) 3.5.3. So sánh ưu nhược điểm Hệ thống gián đoạn Hệ thống trên dây chuyền Ưu điểm Nhược điểm
Phạm vi áp dụng
Các đối tượng mẫu trong cùng 1 quá trình xử lý
Hiện tượng tái nhiễm- nhiễm chéo
Vệ sinh thiết bị Nhược điểm Ưu điểm
Phương pháp nạp/ tháo mẫu
Thời gian “chết”
Yêu cầu loại bao bì
Thể tích buồng áp sử dụng 4. Ứng dụng áp suất cao trong các sản phẩm thịt 4.1. Thịt tươi: Việc ứng dụng áp suất cao trong sản phẩm thịt tươi sẽ làm bề mặt thịt giống như được nấu chín và thỉnh thoảng sản phẩm có thể chắc như cao su. Murano, Murano, Brennan, Shenoy, và Moreira (1999) đã kiểm tra ưu điểm của việc áp dụng nhiệt độ ôn hòa hơn khoảng 50oC kết hợp với áp suất cao lên các mẫu thịt lợn. Khi xử lý ở áp suất 414MPa, 50oC trong 6 phút, họ đã thu được độ giảm 10-log10 đối với giống Listeria monocytogenes chịu đựng tốt nhất. Các nghiên cứu thời hạn sử dụng đã được thực hiện, mức độ hư hỏng của các mẫu bình thường là sau 5 ngày ở nhiệt độ bảo quản là 4oC và 28 ngày đối với mẫu qua xử lý như trên. Đánh giá cảm quan các mẫu sau khi nướng thấy rằng người tham gia đánh giá không phân biệt được giữa mẫu không xử lý và mẫu có xử lý. Vì thế, sử dụng áp suất kết hợp với nhiệt độ vừa phải có thể sản xuất ra những sản phẩm thịt tươi giữ được lâu, an toàn mà không ảnh hưởng đến chất lượng. Thịt bò ướp, một sản phẩm thịt sống với hoạt tính nước cao, nồng độ muối thấp và không có nitrite, che giấu một hệ vi sinh vật gây bệnh và gây hư hỏng từ quá trình vận hành của các xưởng giết mổ. Các miếng thịt bò ướp đóng gói chân không được xử lý ở áp suất 600MPa trong 6 phút tại 31oC. Số lượng vi khuẩn lactic và ưa lạnh hiếu khí có độ giảm ít nhất là 4 log10 sau khi xử lý và được giữ dưới giới hạn phát hiện (<102 cfu/g) trong suốt 120 ngày bảo quản lạnh, giúp ngăn chặn vị chua và mất mùi. Trong khi đó, các mẫu không xử lý đạt tới 108 cfu/g sau 30 ngày ở cùng điều kiện bảo quản. Enterobacteriaceae được giữ dưới 10 cfu/g trong suốt giai đoạn tồn trữ của các mẫu đã qua xử lý, trong khi các mẫu không xử lý là 105 cfu/g sau 30 ngày. Áp suất cao là một công cụ hữu ích để kiểm soát những rủi ro liên quan đến Salmonella spp. và Listeria monocytogenes trong thịt tươi và thịt ướp (bảng dưới) Bảng 1.1: Nghiên cứu sự hiện diện của 2 chủng vi khuẩn trong thịt bò ướp theo thời gian bảo quản ở 4oC Ngày Listeria monocytogenes/25g Salmonella spp/25g NT HPP NT HPP 0 30 60 90 120 2/3a 2/3 3/3 1/3 1/3 0/3 0/3 0/3 0/3 0/3 3/3 2/3 2/3 0/3 2/3 0/3 0/3 0/3 0/3 0/3 HPP: áp suất cao 600MPa, 31oC trong 6 phút NT: mẫu không qua xử lý áp suất Nguồn: Garriga, Aymerich, và Hugas (2002) a số lượng mẫu có vi khuẩn/ số mẫu kiểm tra. Hầu hết các mẫu không xử lý đều có sự có mặt của 1 hoặc cả 2 vi sinh vật trên trong mẫu 25g, ngược lại các mẫu qua xử lý đều không có (Garriga, Aymerich, và Hugas, 2002). Sử dụng áp suất cao có thể làm gia tăng thời hạn sử dụng của thịt bò ướp bằng việc kiểm soát sử phát triển của các vi khuẩn gây hư hỏng và gây bệnh. 4.2. Jambon thịt lợn: Nose, Yamagishi, và Hattori (1992) đã giới thiệu áp suất cao để chế biến các sản phẩm từ thịt lợn. Thịt lợn muối được xử lý với áp suất cao khoảng 250 MPa trong 3 giờ sau khi hun khói ở 65oC trong 90 phút trong một lò hun khói. Sự thay đổi ở một số vi sinh vật và đặc tính của Jambon được xử lý dưới áp suất trong thời gian lưu trữ ở 4oC được hiển thị trong bảng 8.3. Trong thời gian lưu trữ, không có sự tăng trưởng của vi khuẩn và những thay đổi về hoạt độ của nước, pH, nồng độ muối và độ ẩm. Dữ liệu không được hiển thị chỉ ra rằng màu sắc không thay đổi trong suốt quá trình lưu trữ và cấu trúc giống như thịt tươi. Các thử nghiệm cảm quan chỉ ra rằng sản phẩm mới được xử lý dưới áp suất như Jambon được chấp nhận đối với người tiêu dùng (dữ liệu không được hiển thị). Bảng 1.2: Sự thay đổi lượng vi khuẩn và một số tính chất của thịt heo qua áp suất trong bảo quản lạnh 4oC Số ngày bảo quản ở 4oC 2 8 16 23 29 Escherichia coli (SPC/g) Staphylococcus aureus Clostridium Salmonella Hoạt tính nước pH Muối (%) Độ ẩm (%) <10 <100 0 Âm tính 0.97 6.0 2.2 69.0 <10 <100 0 Âm tính 0.97 6.0 2.4 70.0 <10 <100 0 Âm tính 0.96 5.95 2.3 69.0 <10 <100 0 Âm tính 0.96 6.0 2.4 69.0 <10 <100 0 Âm tính 0.96 6.0 2.4 69.0 Nguồn: Nose, Yamagishi, and Hattori (1992) Từ sự quan sát này, rõ ràng quá trình xử lý dưới áp suất của Jambon thịt lợn là có lợi trong việc giảm mật độ vi khuẩn và kéo dài thời hạn làm lạnh với một chất lượng cao. Các công ty phát triển sản phẩm này có được sự phê duyệt chính thức trong tháng 4 năm 2000 của Bộ Y tế và Phúc lợi Nhật Bản, nhưng đang được khảo sát để mở rộng sản xuất vì những khoản tiền rất lớn đầu tư vào máy móc và phương tiện. 4.3. Jambon được nấu chín: Jambon chín được đóng gói chân không là một sản phẩm dễ hư hỏng do thành phần hóa học, pH, hoạt tính nước và không có các nhân tố chống lại các vi sinh vật gây bệnh và gây hư hỏng. Thời hạn sử dụng của nó phụ thuộc vào độ an toàn vệ sinh của sản phẩm cuối. Phương pháp hạn chế sự nhiễm khuẩn bao gồm một quy trình sản xuất tố, thanh trùng sau khi đóng gói hoặc thâm chí là sử dụng phòng vô trùng trong giai đoạn cắt lát và đóng gói. Các miếng jambon chín sau khi qua đóng gói sẽ được xử lý tại áp suất 600MPa trong 6 phút. Việc xử lý này cho thấy hiệu quả đáng kể trong việc làm chậm sự phát triển của vi sinh vật gây hư hỏng khi so với mẫu không qua xử lý, vì thế góp phần duy trì chất lượng cảm quan của thịt trong ít nhất 60 ngày sau khi xử lý (Garriga, Aymerich, và Hugas). Áp suất cao giúp ngăn chặn sự xuất hiện vị chua, mất mùi, thay đổi màu và kém chất lượng. Vì thế, áp suất cao là phương pháp hiệu quả làm tăng thời hạn sử dụng cho sản phẩm thịt lợn chín. 4.4. Jambon muối hun khói: Jambon muối hun khói là dạng sản phẩm thịt không lên men, được ướp muối và sấy khô, có xương. Do hoạt tính nước thấp và hàm lượng muối cao của sản phẩm nên vi sinh vật gây hư hỏng chủ yếu là cầu khuẩn gram dương và nấm men. Chúng có thể hiện diện trên bề mặt toàn khối thịt và lan ra các miếng cắt trong suốt quá trình cắt, đóng gói. Các mẫu thịt đùi lợn khô sau khi được đóng gói sẽ được xử lý bằng áp suất cao 600MPa trong 6 phút. Kết quả cho thấy sự sụt giảm đáng kể các vi sinh vật gây hư hỏng ít nhất là 2 log10. Các vi sinh vật sống sót có số lượng rất thấp trong suốt giai đoạn tồn trữ. Điều này góp phần bảo quản chất lượng cảm quan trong suốt thời hạn sử dụng (120 ngày) và giúp ngăn chặn sự mất mùi, vị chua, và xuất hiện khí. Enterobacteriaceae và Escherichia coli nằm dưới giới hạn phát hiện trong mẫu xử lý áp suất cao và mẫu không xử lý. Listeria monocytogenes có mặt trong 1 mẫu (25g) không xử lý, trong khi các mẫu qua áp suất cao thì không có mẫu nào có trong suốt giai đoạn tồn trữ (Garriga, Aymerich, và Hugas, 2002). Tong khi đó, Minerich và Krug (2003) có báo cáo cho rằng áp suất cao có ảnh hưởng đối với các loài vi sinh vật có trong jambon prosciutto (1 loại jambon muối hun khói của Ý). Listeria monocytogenes có thể là một trong những vi sinh vật gây bệnh khó kiểm soát nhất với xu hướng của nó ẩn trong môi trường chế biến thực phẩm và đe dọa sự ô nhiễm trong chế biến. Quá trình tiệt trùng áp suất cao đã nổi lên như một phương pháp có khả năng giảm thiểu đáng kể các tác nhân gây bệnh để không ảnh hưởng xấu đến sản phẩm. Là một sản phẩm rất dày, khô, và tương đối lớn, jambon prosciutto không qua quá trình kiểm tra sau đóng gói mà không có vấn đề gì cả, như sự mất mùi hay cấu trúc mềm. Hình 1.7: Thiết bị áp suất cao Hình 1.8: Một loại thiết bị tạo áp suất dạng nằm ngang (được phép của Esteban Espuña, Spain, và ACB Pressure System, France) Quá trình tiệt trùng áp suất cao đối với jambon được thực hiện trong nước thông thường bằng cách sử dụng các thiết bị xử lý nặng và có khả năng tạo ra và giữ áp suất hơn 850MPa. Ở áp suất này, lực nén giữa sản phẩm và nước đã đạt được, nhưng vì áp suất cân bằng trong thiết bị, nên các thành phần xuất hiện mà không có dấu vết phát hiện của sự nén. Các nghiên cứu tiến hành trên jambon bằng cách sử dụng một lượng đã biết Listeria monocytogenes được cho vào trước khi tăng áp suất cho thấy rằng giảm 5-log là có thể đạt được. Tuy nhiên, mức độ xử lý này không tạo ra sản phẩm vô trùng. Không giống như hầu hết các vi sinh vật gây bệnh, vi sinh vật gây hư hỏng có xu hướng chịu áp suất. Mặc dù áp suất cao tiệt trùng hiệu quả như một phương pháp khống chế vi sinh vật, tuy nhiên nó có yêu cầu về vốn đầu tư đáng kể. Thông qua khối lượng (25-30 jambon /giỏ) thì nó có phần hạn chế so với các phương pháp khác. Tuy nhiên, không còn cách khác để khống chế các vi sinh vật bệnh trong môi trường bao gói cho các sản phẩm. Tiệt trùng áp suất cao cũng có thể được sử dụng mà không cần bất kỳ quy định ghi nhãn đặc biệt tại Mỹ. Saccani, Parolari, Tanzi, và Rabbuti (2004) đã nghiên cứu các chỉ tiêu cảm quan và vi sinh của jambon hun khói được xử lý bằng áp suất cao. Việc xử lý áp suất cao (9 phút ở 600 MPa) làm giảm Listeria monocytogenes đến mức thấp nhất trong jambon muối hun khói. Phương pháp này ảnh hưởng đến màu sắc (sự đổi màu nhẹ) và nồng độ muối của jambon. Mùi vị đặc trưng của jambon muối hun khói không thay đổi sau khi xử lý với áp suất cao, trong khi các chỉ tiêu về màu sắc, vị mặn, và độ cứng thì bị ảnh hưởng đáng kể (p <0,05) bởi áp suất cao. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng thời gian chín và việc bảo quản lạnh có ảnh hưởng đến chỉ tiêu cảm quan của bao bì jambon muối hun khói. Đối với thời gian chín, chỉ tiêu cảm quan và hơn hết, các chỉ tiêu về màu sắc, ít bị ảnh hưởng hơn so với jambon bị già (dưới tác động của áp suất thịt bị mất nước nhiều hơn). Đối với việc bảo quản lạnh, cường độ màu tăng lên ngay cả sau khi lưu trữ trong 7 ngày ở 4oC. Hiện nay các jambon muối hun khói trên thị trường đều được xử lý dưới áp suất cao. 4.5. Thịt bò băm viên (beefburger): Áp suất cao còn có khả năng trong việc bù đắp những tác động tiêu cực trong việc giảm chất béo trong thịt bò băm viên (tại Việt Nam được biết đến là loại thịt bò dùng trong bánh hamburger). Hình 1.9: Thịt bò băm viên Thịt bò băm viên trên thị trường chứa 23-25% chất béo. Hàm lượng đối với người tiêu dùng là cao và không tốt cho sức khỏe của họ. Tuy nhiên, việc giảm hàm lượng béo lại làm giảm các tính chất cảm quan do chất béo mang lại, cấu trúc và sự hấp dẫn người tiêu dùng. Vì thế cần có các phương pháp để bù đắp những mất mát đó. Một phương pháp được đề cập là dùng áp suất cao. Nghiên cứu này kiểm tra khả năng chấp nhận thịt bò băm viên chứa 15% chất béo khi không dùng hoặc dùng áp suất cao 300MPa. Nghiên cứu cũng kiểm tra ảnh hưởng của tinh bột sắn. Các mẫu kiểm tra được trình bày trong bảng dưới. Thịt bò Chất béo Gia vị Nước Tinh bột sắn 20% fat 2.6 0.75 0.15 0.04 - 20% fat + HP 2.6 0.75 0.15 0.04 - 15% fat 2.6 0.61 0.15 0.14 - 15% fat + HP 2.6 0.61 0.15 0.14 - 15% fat + tinh bột sắn 2.6 0.61 0.15 0.105 0.035 15% fat + HP + tinh bột sắn 2.6 0.61 0.15 0.105 0.035 Hàm lượng béo được giảm xuống 15%, lượng giảm được thay thế bằng nước hoặc kết hợp nước và tinh bột sắn. Năng suất sau khi nấu cao nhất được ghi nhận là thịt bò với 15% béo tại áp suất 300MPa hoặc áp suất cao cộng tinh bột sắn. Phần trăm khả năng giữ nước là tương đồng cho tất cả các sản phẩm và thịt bò có 15% chất béo sử dụng áp suất 300MPa và tinh bột sắn được chấp nhận. Hình 1.10: Thịt bò sau khi qua áp suất Thịt bò có 15% chất béo đã cho thấy giá trị cảm quan tối ưu khi dùng tinh bột sắn và có hoặc không dùng áp suất cao. Nồng độ mùi, cấu trúc và mọng nước đều gia tăng. Kết luận, việc dùng áp suất cao và tinh bột sắn cải thiện chất lượng thịt bò băm viên có hàm lượng chất béo thấp. 4.6. Áp suất cao hỗ trợ cho quá trình lạnh đông và rã đông: Quá trình lạnh đông và rã đông được hỗ trợ bởi áp suất dựa trên giản đồ pha của nước đã được xem xét bởi Cheftel, Levy, và Dumay (2000), và Cheftel, Thiebaud, và Dumay (2002, 2003). Nước có thể vẫn còn tồn tại ở trạng thái lỏng khi hạ xuống khoảng -22oC ở áp suất lên đến 210 MPa. Đặc điểm này cho phép lạnh đông và rã đông nhanh các loại thực phẩm thông qua các ứng dụng của áp suất. Trong thời gian lạnh đông, việc sử dụng áp suất cao tạo điều kiện quá lạnh, và thúc đẩy sự tạo các tinh thể đá đều và nhanh chóng trong mẫu khi xả áp, tạo các tinh thể đá nhỏ hơn. Ngược lại, sự tăng áp suất đối với các thực phẩm đông lạnh cho phép làm rã đông nhanh một phần. Sự rã đông nhanh này có thể giới hạn sự vận chuyển các chất từ các tế bào, vốn làm tổn thất trong thời gian rã đông bằng nước. Nhìn chung có thể chấp nhận tốc độ làm lạnh chậm tạo ra các tinh thể đá lớn, chúng phá hủy cấu trúc của thực phẩm, trong khi tốc độ lạnh đông nhanh tạo ra các tinh thể đá nhỏ, ngăn cản các tinh thể này phá hủy nguyên liệu thực phẩm. Martino, Otero, Sanz, và Zaritzky (1998) báo cáo rằng lạnh đông có sự hỗ trợ của áp suất cao thì đặc biệt hữu ích cho việc lạnh đông 1 lượng lớn thực phẩm trong khi tinh thể đá được đòi hỏi đồng đều. Trong quá trình lạnh đông dưới áp suất cao, các mẫu được làm lạnh dưới 200 MPa đến -20oC mà không hình thành băng, sau đó áp suất được giảm xuống và đạt tới sự quá lạnh cao (gần 20oC) thúc đẩy sự tạo tinh thể nhanh và đồng đều. Kích thước và vị trí của các tinh thể đá trong miếng thịt lớn (Longissimus dorsi cơ thịt heo) được so sánh giữa phương pháp lạnh đông áp suất cao với phương pháp thổi khí và N2 lỏng. Các mẫu từ bề mặt và trung tâm của cơ đông lạnh được phân tích mô học bằng cách sử dụng một kỹ thuật gián tiếp. Lạnh đông bằng thổi khí, có gradient nhiệt, cho thấy sự phân phối các tinh thể đá không đồng đều. Các mẫu lạnh đông bằng áp suất cao, cả ở bề mặt và tại các vùng trung tâm, cho thấy các tinh thể đá có kích thước nhỏ và tương tự nhau. Hai điểm sau đây rất quan trọng để ngăn chặn sự suy giảm về chất lượng thịt trong quá trình rã đông của thịt đông lạnh: (a) rút ngắn thời gian rã đông, và (b) rã đông ở nhiệt độ thấp nhất có thể (Massaux, Bera, Steyer, Cindic, và Deroanne 1999a, 1999b). Okamoto và Suzuki (năm 2002) đã so sánh các thông số hóa lý và mô học (thất thoát trong quá trình rã đông, độ mềm, drip, màu sắc, và siêu cấu trúc) của thịt heo được rã đông dưới áp suất cao (100-500 MPa) với thịt được rã đông bằng nước. Họ kết luận rằng các kết quả tốt nhất thu được khi thịt heo đông lạnh được xử lý dưới áp suất khoảng 200 MPa. Zhao, Flores, và Olson (1998) báo cáo rằng rã đông bằng áp suất cao giữ được các đặc tính cảm quan của thịt trâu, bò. 4.7. Độ rủi ro của quá trình áp suất cao: Hiện nay chưa có một bài báo nào nói về nhược điểm của áp suất cao. Chỉ biết rằng áp suất cao có thể biến đổi hoạt tính của một vài enzyme và cấu trúc của một số protein. Mặc dù các liên kết cộng hóa trị không bị ảnh hưởng nhưng liên kết hydro, liên kết kỵ nước và tương tác bên trong phân tử có thể bị biến đổi hoặc bị phá hủy. Do đó, sự rủi ro của áp suất cao có thể xảy ra. Vì thế cần phải biên soạn các dữ liệu để có thể làm rõ nhược điểm của áp suất cao về độ độc, khả năng gây dị ứng, giảm sự tiêu hóa và chất lượng dinh dững của thực phẩm. Khả năng gây dị ứng là mối quan tâm trong việc đánh giá độ an toàn của thực phẩm mới. Phạm vi ảnh hưởng của dị ứng sẽ gia tăng rất nhanh. Trong các sản phẩm được xử lý bằng nhiệt, sự biến tính protein làm giảm khả năng gây dị ứng của nhiều thực phẩm nhưng cũng có thể tạo ra các chất gây dị ứng khác. Hiện nay, cũng có nhiều cuộc nghiên cứu về độ tiêu hóa của sản phẩm qua áp suất cao. Áp suất cao làm các protein thuộc nhóm oligo bị tách ra (Balny, 2001), điều này giúp tiêu hóa tốt hơn. Thực tế trong thí nghiệm, sự tiêu hóa enzyme đã gia tăng trong các protein thịt qua xử lý nhiệt hoặc áp suất (De Lamballerie-Anton, Delepine, và Chapleau, 2001). Nhiệt hoặc áp suất tại 200MPa giúp việc tiêu hóa tốt hơn so với tại áp suất 500MPa (cả 2 trường hợp đều ở 10oC trong 10 phút). Nhiều báo cáo về độ tiêu hóa của các thực phẩm qua xử lý áp suất đã được xuất bản. Kết quả cho thấy không có sự khác nhau về độ tiêu hóa của tinh bột, protein đậu Hà Lan và đậu lupin (Klepacka, Porzucek, Piecyk, và Salanski, 1996; Raabe và Knorr, 1997). Một nhà khoa học khác cho rằng thịt lợn qua áp suất cao cho độ tiêu hóa tốt hơn so với khi không qua xử lý (F. Benomi). 5. Kết luận Công nghệ HHP có rất nhiều ưu điểm như: Bảo vệ thực phẩm (tốt hơn các loại phụ gia hoá học) trước các vi khuẩn gây bệnh như Samonella hay Listeria; không cần sử dụng các hoá chất bảo quản; kéo dài thời gian sử dụng của sản phẩm. Sản phẩm đóng gói chân không được xử lý bằng công nghệ cao áp và giữ lạnh có khả năng giữ được vị tươi ngon trong vòng 30 ngày. Hạn chế lớn nhất của công nghệ này là chi phí quá cao và sản phẩm sau xử lý vẫn cần phải giữ lạnh. Vì thế, hiện nay các nhà chế biến chỉ ứng dụng công nghệ này đối với các thực phẩm đắt tiền như thịt gà tây, hàu và đồ ăn sẵn như thịt gà nướng. Nhiều nhà khoa học đề xuất phương pháp xử lý kết hợp giữa HHP và nhiệt khi nhận thấy một vài số tính chất cảm quan và chức năng cấu trúc gia tăng để ứng dụng trong quá trình chế biến các sản phẩm từ sữa như yogurt, phomai…. Đây có thể là một phương pháp triển vọng khi đã giảm thiểu khuyết điểm của các phương pháp xử lý riêng lẽ [7,10]. Trong tương lai không xa, với nhiều kết quả thành công từ các nghiên cứu, ta có thể hi vọng xử lý thực phẩm bằng áp suất cao sẽ là phương pháp nổi bật để loại các tác nhân gây bệnh trong thực phẩm [6]. Với những ưu điểm đã được chứng minh, HHP tạo ra nhiều cơ hội để phát triển các ứng dụng mới lạ trong ngành công nghiệp sữa nói riêng và công nghệ thực phẩm nói chung. Đề xuất những hướng nghiên cứu khả thi mà em đã rút ra được: • Ứng dụng phương pháp HHP trong bảo quản lạnh ở áp suất cao. • Tác nhân đông tụ protein • Sử dụng áp suất cao làm tác nhân tạo gel protein, thay đổi tính chất gel. • Tiến hành nghiên cứu việc xử lý kết hợp HHP với các phương pháp khác. Tài liệu tham khảo: [1]. Nuray Erkan & Gonca Üretener & Hami Alpas & Arif Selçuk & Özkan Özden & Sencer Buzrul (2010), Effect of High Hydrostatic Pressure (HHP) Treatment on Physicochemical Properties of Horse Mackerel (Trachurus trachurus), Food Bioprocess Technol. [2]. Nuray Erkan , Gonca Üretener , Hami Alpas (2010), Effect of high pressure (HP) on the quality and shelf life of red mullet (Mullus surmelutus), Innovative Food Science and Emerging Technologies, 11, 259–264. [3]. Ignacio Ortea, Alicia Rodrı´guez, Gipsy Tabilo-Munizaga, Mario Pe´rez-Won, Santiago P.Aubourg (2010), Effect of hydrostatic high-pressure treatment on proteins, lipids and nucleotides in chilled farmed salmon (Oncorhynchus kisutch) muscle, Eur Food Res Technol, 230, 925–934. [4]. M. Cruz-Romeroa, M. Smiddya, C. Hillb, J.P. Kerrya, A.L. Kelly (2004), Effects of high pressure treatment on physicochemical characteristics of fresh oysters (Crassostrea gigas), Innovative Food Science and Emerging Technologies, 5, 161–169. [5]. M. Cruz-Romero, A.L. Kelly, J.P. Kerry (2007), Effects of high-pressure and heat treatments on physical and biochemical characteristics of oysters (Crassostrea gigas), Innovative Food Science and Emerging Technologies, 8, 30–38. [6]. Nuray Erkan, Gonca Üretener, Hami Alpas, Arif Selçuk, Özkan Özden, Sencer Buzrul (2011), The effect of different high pressure conditions on the quality and shelf life of cold smoked fish, Innovative Food Science and Emerging Technologies, 12, 104–110. CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT SINH HỌC 1. Định Nghĩa: 1.1. Bacteriocin là những hợp chất có bản chất protein, do vi khuẩn tạo ra và có khả năng ức chế sự phát triển của các vi khuẩn khác thuộc loài gần với giống sản xuất. 1.2. Bacteriocin có thể được tạo ra bởi vi khuẩn Gram dương hoặc Gram âm. - Bacteriocin do vi khuẩn Gram âm tổng hợp: gồm nhiều loại protein khác nhau về kích thước, nguồn gốc vi sinh vật, kiểu tác động và cơ chế miễn dịch. Bacteriocin của vi khuẩn Gram âm được nghiên cứu nhiều nhất là Colicin do vi khuẩn Escherichia coli tổng hợp. Khả năng ức chế của bacteriocin do vi khuẩn Gram âm tổng hợp yếu hơn bacteriocin do vi khuẩn Gram dương. - Bacteriocin do vi khuẩn Gram dương tổng hợp: các bacteriocin này cũng nhiều như ở vi khuẩn Gram âm. Chúng khác với bacteriocin của vi khuẩn Gram âm ở những điểm sau: việc tạo bacteriocin không cần thiết phải gây chết cho vi sinh vật chủ và sự sinh tổng hợp bacteriocin của vi khuẩn Gram dương cần nhiều gen hơn ở vi khuẩn Gram âm. 1.3. Bacteriocin khác với kháng sinh ở những điểm sau: - Được tổng hợp nhờ ribosome - Tế bào chủ miễn dịch với chúng - Phương thức hoạt động khác biệt với kháng sinh - Phổ kháng khuẩn hẹp vì vậy thường chỉ có khả năng tiêu diệt những chủng vi khuẩn gần với giống sản xuất. 1.4 Bacteriocin từ vi khuẩn Lactic(Lactic acid bacteria–LAB) Hầu hết các nghiên cứu về bacteriocin tập trung chủ yếu ở nhóm vi khuẩn lactic vì từ xa xưa người ta đã biết sử dụng vi khuẩn lactic trong bảo quản thực phẩm và ngăn ngừa sự nhiễm các vi khuẩn gây bệnh. Bởi vì LAB và chất chuyển hoá của chúng đã được tiêu thụ với số lượng cao qua nhiều thế hệ người tiêu thụ các thực phẩm truyền thống mà không có ảnh hưởng có hại nào, LAB tiếp tục như là nguồn sản xuất bacteriocin sử dụng trong thực phẩm, kể cả dạng hợp chất tinh khiết hay dịch chiết từ môi trường phát triển. Có thể thu được bacteriocin thô bằng cách nuôi chủng LAB sản xuất bacteriocin trên một phức hợp cơ chất. Dịch lên men thô có chứa các chất khác bên cạnh bacteriocin. LAB là vi khuẩn nuôi cấy được sử dụng đầu tiên trong ngành sản xuất thực phẩm lên men, chúng hiển nhiên được sử dụng nhiều nhất cho sự biến đổi gen để tạo các chủng công nghiệp bị thiếu gen điều hoà sinh tổng hợp nên bacteriocin mong muốn. 1.5 Lịch sử: • Bacteriocin được phát hiện lần đầu tiên 1925 bởi nhà vi sinh vật học người Pháp André Gratia (1893–1950) • Năm 1948, loại chất kháng khuẩn này được đặt tên là colicin, chia thành 17 loại dựa trên sự hấp thụ đặc hiệu của nó. • Năm 1953, khi Jacob và các đồng sự phát hiện ra rằng các chất kháng khuẩn thuộc tuýp colicin cũng được sản sinh bởi các vi khuẩn không thuộc dạng trực khuẩn đường ruột, thuật ngữ “bacteriocin” ra đời 2. Phân loại bacteriocin: 2.1 Bacteriocin từ vi khuẩn Gram âm Hai nhóm bacteriocin lớn do vi khuẩn Gram âm sinh ra là colicin và microcin. Colicin được xem là đại diện tiêu biểu cho bacteriocin từ vi khuẩn Gram âm. Tính chất của colicin đặc trưng cho tính chất của bacteriocin: • Phổ tác dụng hẹp, chỉ ức chế những loài tương đồng. • Có chứa protein trong phân tử. • Có tác dụng diệt vi khuẩn. • Gắn đặc hiệu vào cơ quan thụ cảm (receptor) trên bề mặt tế bào. • Khả năng tổng hợp bacteriocin hay khả năng miễn dịch của tế bào đối với bacteriocin của chính nó được quyết định bởi các gen nằm trên plasmid. 2.2 Bacteriocin từ vi khuẩn Gram dương Bacteriocin do vi khuẩn Gram dương dồi dào và đa dạng hơn bacteriocin do vi khuẩn Gram âm. Vì bacteriocin từ vi khuẩn Gram dương có nhiều điểm khác biệt lớn so với colicin, một vài tác giả sử dụng thuật ngữ hợp chất giống bacteriocin (bacteriocin-like-substance) hay hợp chất có khả năng ức chế giống bacteriocin (bacteriocin-like inhibitory substance, viết tắt là BLIS) để gọi các chất kháng sinh này. Các BLIS giống colicin vì chúng có chứa thành phần protein trong phân tử và là các chất kháng sinh nguồn gốc vi khuẩn. Nhưng chúng khác với colicin ở khả năng gắn vào các cơ quan thụ cảm, ở cấu trúc và ở cơ chế cảm ứng SOS. Rất nhiều sản phẩm trao đổi chất từ vi khuẩn gram dương được xem là các bacteriocin. Mỗi nhà nghiên cứu đưa ra những cách phân loại khác nhau. Bradley cho rằng các thể thực khuẩn sai hỏng (defective bacteriophages) - mất khả năng nhân đôi nội bào nhưng có khả năng làm tan những tế bào nhạy cảm - về mặt sinh lý là một loại bacteriocin. Trong một số trường hợp, các loại enzyme hemolysin, phospholipase, hay các enzyme có hoạt tính phân giải tế bào vi khuẩn đều được xem là bacteriocin. Klaenhammer chia bacteriocin từ vi khuẩn lactic thành 4 nhóm: - Nhóm 1: lantibiotics (viết tắt từ lanthionine-containing peptides with anibiotic activity), là các peptide ngắn có chứa aminoacid lanthionine và β-methyllanthionine. Hai nhóm amino acid này quyết định cấu trúc vòng rất đặc trưng: o Loại A: có hình xoắn ốc, khối lượng phân tử 2164-3488 Da, có từ hai đến bảy vị trí tích điện dương. o Loại B: gồm các phân tử tròn hơn, khối lượng phân tử 1959-2041 Da, không tích điện. o Tuy nhiên có một số lantibiotics như mersacidin và actargadin không thuộc cả hai loại. - Nhóm 2: các peptide ngắn (nhỏ hơn 10kDa) không chứa lanthionine, bền với nhiệt độ, được chia thành 3 loại trên cơ sở sự khác nhau về trật tự đầu kết thúc N (N-terminal sequence), về cấu trúc lỗ tạo phức hợp với các peptide khác để thể hiện hoạt tính, hoặc là sự có mặt của nhóm chức sulfhydryl. - Nhóm 3: khối lượng phân tử lớn hơn 30 kDa, là các protein không bền nhiệt, bao gồm các enzyme ngoại bào làm tan tế bào vi khuẩn (hemolysin và muramidase) có hoạt tính sinh lý giống như bacteriocin. - Nhóm 4: bacteriocin phức tạp có chứa lipid và carbohydrate liên kết protein. Hình 2.1. Phân loại bacteriocin của nhóm vi khuẩn Gram dương Hình 2.2. Cấu trúc một số bacteriocin của nhóm I, II và III 3. Bản chất hóa học Tất cả các loại bacteriocin đều có chứa protein hoặc các peptide trong phân tử. Protein hoặc các peptide đóng vai trò quan trọng trong chức năng diệt vi khuẩn của bacteriocin. Một số loại bacteriocin chứa tổ hợp nhiều phân tử protein liên kết lại với nhau. Các nhóm amino acid lạ (unusual amino acid) có trong phân tử của một số loại bacteriocin giúp tạo nên một cấu trúc phân tử bền vững hơn (lanthionine hay β- methyllanthionine), hoặc làm tăng hoạt tính sinh học của phân tử (didehydroalanine, didehydrobutyrine, cysteine). Một số loại bacteriocin còn chứa các aminoacid chưa bão hòa trong phân tử như didehydroalanine, didehydrobutyrine. Các acid amin này là sản phẩm của phản ứng dehydrate hóa các hydroxylamino acid serine và threonine. Hình 2.3. Công thức phân tử của các amino acid Một số loại bacteriocin không chỉ nhạy cảm với protease mà còn nhạy cảm với lipase, phospholipase, amylase. Điều đó chứng tỏ ngoài sự có mặt của các chuỗi protein liên kết lại với nhau, trong cấu trúc bacteriocin còn chứa nhiều cấu tử khác như glucid, lipid, phospholipid kết hợp với protein tạo thành một phức hợp phức tạp. Ví dụ: Lactocin 27 được cấu tạo từ phức hợp lipocarbohydrate protein. Caseicin LSH và leuconocin S là các glycoprotein [30]. Sự hiện diện của cầu nối disulfide hoặc thioether trong cấu trúc ảnh hưởng tới độ bền và hoạt tính của bacteriocin. Thành phần, số lượng, trình tự các amino acid trong phân tử peptide tạo ra những đặc điểm khác nhau giữa các loại bacteriocin, bao gồm khối lượng phân tử, điểm đẳng điện pI, tính kỵ nước, điện tích của phân tử ở một điều kiện pH xác định… Trên cơ sở những đặc điểm này, người ta lựa chọn phương pháp tinh sạch cho từng loại bacteriocin. 4. Tính chất: Hầu hết các bacteriocin mang điện dương, kỵ nước mạnh mẽ và điểm đẳng điện lớn. Đối với tác động của pH, đa số các bacteriocin bền ở pH trung tính hoặc acid, và bị bất hoạt ở pH lớn hơn 8.0. Giá trị pH của môi trường ảnh hưởng tới tính chất của bacteriocins về nhiều mặt. Ở pH 7.0, nhiều loại bacteriocin khối lượng phân tử nhỏ như các lantibiotics hoặc các peptide không chứa lanthionine thường mang điện dương. Các bacteriocin có hoạt tính kháng khuẩn cao hơn ở pH thấp (pH 5 hoặc nhỏ hơn). Khả năng hấp thụ của bacteriocin lên màng tế bào phụ thuộc vào pH. Bacteriocin hấp thụ nhiều nhất lên màng tế bào ở điều kiện pH 6 và ít nhất ở pH 2. Thông thường, bacteriocin tích điện dương nhiều hơn ở pH 5 và điện tích dương giảm đi khi pH tăng lên 6.0 hoặc cao hơn. Một số bacteriocin có thể chịu được nhiệt độ 60-100oC trong vòng 30 phút. Một số bền ở điều kiện tiệt trùng 121oC trong 15-20 phút. Khả năng chịu nhiệt được cho rằng nhờ vào sự hình thành cấu trúc tiểu cầu, nhờ vào những vùng kị nước rất mạnh, nhờ các cầu nối bền hoặc nhờ chứa nhiều phân tử glycine trong cấu trúc. 5.Cơ chế kháng khuẩn và phổ kháng khuẩn Cơ chế kháng khuẩn Hiện nay giả thuyết được chấp nhận rộng rãi nhất là bacteriocin tác động thành hai bước, bao gồm quá trình hấp thụ lên các cơ quan thụ cảm đặc hiệu hoặc không đặc hiệu trên bề mặt tế bào, kết quả là gây chết tế bào. Hình 2.4 : Cơ chế tạo lỗ hay kênh ion trên màng tế bào của bacteriocin nhóm II Mỗi loại colicin sẽ hấp thụ lên một loại phân tử thụ cảm đặc hiệu ở màng ngoài tế bào. Ngược lại, nhiều bacteriocin của vi khuẩn gram dương có tính đặc hiệu hấp thụ thấp hơn nhiều. Sự xâm nhập của chúng có khi không qua con đường cơ quan thụ cảm của tế bào nhận. Vì vách tế bào vi khuẩn gram dương có thể cho phép những phân tử có kích thước tương đối lớn đi qua, còn màng ngoài tế bào vi khuẩn gram âm không có khả năng này. Tuy nhiên cũng có một số loại bacteriocin từ vi khuẩn gram dương như lactococcin A, phổ tác dụng rất hẹp, chỉ có thể tương tác đặc hiệu với cơ quan thụ cảm trên màng nguyên sinh chất của tế bào nhận. Các polymer mang điện âm trên bề mặt màng tế bào như acid teichoic, acid lipoteichoic đóng vai trò quan trọng trong quá trình tương tác với các bacteriocin mang điện tích dương của vi khuẩn gram dương. Bacteriocin gây ra các phản ứng trên màng nguyên sinh chất làm thay đổi tính thấm, khả năng vận chuyển của màng, phân tán lực vận chuyển proton, từ đó ức chế sản sinh năng lượng và sinh tổng hợp protein và nucleic acid, kết quả là tế bào chết. Nisin thuộc nhóm Ia, tích điện dương, liên kết tĩnh điện với màng phospholipid tích điện âm, tạo sự tương tác giữa phần kỵ nước của nisin với màng tế bào chất của tế bào đích, do đó không cần cơ quan thụ cảm trên màng. Sự tương tác này sẽ tạo ra các kênh vận chuyển ion trên màng nguyên sinh chất của tế b