Đề tài Các kỹ thuật hiện đại trong bảo quản rau trái tươi

  Bacillus subtillus         Bacillus coagulans         Clostridium botulinum (A)         Clostridium botulinum (E)         Clostridium perfringens         Putrefactive anaerobe 3679        Bacillus stearothermophilus 12 - 18 10 19 - 37 15 - 18 3.1 23 - 50 10 - 17 Ở Mỹ, các loại rau thơm và gia vị được tổ chức Food and Drug Administration (FDA) cho phép xử lý chiếu xạ với liều lượng lên tới 30kGy để tiêu diệt vi sinh vật và côn trùng. Một điểm đáng chú ý là các vi sinh vật sau khi xử lý với tia bức xạ thì nhạy cảm hơn với nhiệt độ. Ví dụ, số lượng Salmonella spp bị giảm đi một nửa đối với cùng một liều lượng chiếu xạ (2,5kGy) nhưng tăng nhiệt độ lên 5oC. Do đó, khi kết hợp hai phương pháp chiếu xạ và xử lý nhiệt thì hiệu quả xử lý tăng. Một ví dụ khác là một thí nghiệm trên dâu tây, người ta tiến hành so sánh các mẫu dâu tây không áp dụng các biện pháp bảo quản với các mẫu có áp dụng các biện pháp xử lý chiếu xạ, và mẫu áp dụng chiếu xạ kết hợp với xử lý nhiệt. Hình 14: Dâu tây sau 25 ngày bảo quản ở 3oC.[11] Dâu tây không áp dụng bất kỳ biện pháp bảo quản nào có mức độ hư hỏng nhiều nhất, kế đến là mẫu áp dụng xử lý nhiệt. Các mẫu xử lý chiếu xạ đều có chất lượng bảo quản tốt. Trong đó, mẫu kết hợp xử lý chiếu xạ 1 kGy và xử lý nhiệt 10 phút có chất lượng tốt nhất. b. Điều khiển và ức chế quá trình chín. Cơ chế ức chế quá trình chín Khi các hormone và enzyme kích thích sự chín đang được tạo thành. Trong khi quá trình chín là một chuỗi các phản ứng sinh hóa, mà mỗi hormone và enzyme tạo thành kết quả cảm ứng của một hormone hay một enzyme khác được tạo ra trước đó. Vì vậy, nếu quá trình này được ức chế ngay từ đầu thì quá trình chín có thể bị ức chế. Các yếu tố ảnh hưởng - Thời điểm áp dụng chiếu xạ: thường áp dụng đối với trái bắt đầu chín (khi các enzyme và hormone vừa được tổng hợp thành). - Khi kết hợp với các phương pháp bảo quản khác như bảo quản lạnh, hay bảo quản chân không thì hiệu quả có thể tăng nếu sử dụng cùng liều lượng chiếu xạ, hoặc có thể giảm liều lượng chiếu xạ, nhưng vẫn đạt hiệu quả như mong muốn. Ví dụ: Dâu tây và cà chua, khi kết hợp chiếu xạ với bảo quản lạnh 10oC, có thể kéo dài thời gian sử dụng trên lên 2-3 lần so với chỉ áp dụng chiếu xạ mà không bảo quản lạnh. c. Tiêu diệt sâu bọ và côn trùng Sâu bọn và côn trùng tương đối dễ tiêu diệt hơn vi sinh vật, vì các vi sinh vật này là các cơ thể đa bào có DNA có kích thước tương đối lớn, dễ bị ảnh hưởng bởi tia bức xạ. Để tiêu diệt vi sinh vật và côn trùng, người ta sử dụng liều lượng chiếu xạ tương đối thấp <0.1 kGy. Các loại trái cây như lê tàu, xoài, đu đủ khi nhập khẩu vào Mỹ được tổ chức FDA của Mỹ cho phép xử lý chiếu xạ với liều lượng 1kGy để tiêu dịệt các loài côn trùng gây hại. Chiếu xạ giúp rau thơm và gia vị giúp làm giảm sự phụ thuộc vào các loại hóa chất bảo quản như methyl bromide. d. Ức chế sự nảy mầm Ở Nhật Bản, hơn 20,000 pounds khoai tây được xử lý chiếu xạ mỗi năm để ngăn nảy mầm. Khoai tây và hành tây được chấp nhận với liều lượng lần lượt là 0.05 và 0.15kGy để ngăn nảy mầm. 2.2. Quy trình thực hiện bảo quản rau trái tươi bằng phương pháp chiếu xạ Hình 15: Quy trình thực hiện bảo quản rau trái tươi bằng phương pháp chiếu xạ. a. Sơ chế. Mục đích của quá trình sơ chế là loại bỏ đất cát, bụi bặm bám trên bề mặt quả, đây cũng là bước qua trọng làm giảm số lượng vi sinh vật ban đầu. Đồng thời còn tạo hình cho sản phẩm (nếu là sản phẩm chế biến). Quá trình này gồm các quá trình cơ học như rửa, cắt gọt… b. Đóng kiện. Rau quả sau khi sơ chế được đóng kiện để thuận tiện cho việc nhập liệu, tháo liệu, xếp đặt trong buồng xử lý. Vật liệu chế tạo kiện tốt nhất là các nguyên liệu nhẹ và bền như nhôm, các hợp kim của nhôm, thép không rỉ. Cũng có thể thay thế bằng kiện giấy hay plastic. Ưu điểm của kiện kim loại là có thể sử dụng dài, nhưng nhược điểm là chi phí đắt hơn giấy hoặc plastic. Yêu cầu chung đối với kiện là lợi về thể tích sử dụng và không làm dập nát sản phẩm. Do đó, kiện thường được tạo hình khớp với hình dáng của quả cần xử lý. c. Xử lý chiếu xạ. Có hai phương pháp thực hiện: Chiếu xạ không kết hợp làm lạnh - Phạm vi áp dụng: các loại rau trái có hàm lượng nước thấp, ít hợp chất hơi như các hợp chất mùi và hàm lượng vitamin không đáng kể. Thường áp dụng đối với các loại ngũ cốc, khoai tây, chuối… - Ưu điểm: Cách xử lý này đơn giản và chi phí thấp. Chiếu xạ có kết hợp làm lạnh - Phạm vi áp dụng: các loại rau trái có hàm lượng nước cao, có chứa nhiều vitamin, các hợp chất dễ bay hơi như màu mùi… - Ưu điểm: giảm tổn thất màu, mùi, vitamin. Đồng thời có thể giảm được liều lượng chiếu xạ, nhưng vẫn đạt được kết quả bảo quản như mong muốn. Các thực hiện: Có ba cách thực hiện: - Làm lạnh trước và sau khi chiếu xạ: cách này được áp dụng phổ biến nhất, vì đối với rau trái dùng sử dụng tươi thì phương pháp bảo quản lạnh vẫn là phương pháp bảo quản tốt nhất, giữ được rau trái ở trạng thái tươi giống với tình trạng lúc thu hoạch nhất. Đồng thời, các vi sinh vật nếu chưa bị tiêu diệt hết trong giai đoạn chiếu xạ thì trong môi trường bảo quản lạnh, chúng cũng không có điều kiện phát triển. Môi trường bảo quản lạnh cũng tránh các hư hỏng do các hiện tượng sinh lý bình thường của rau trái, như: nảy mầm hoặc kéo dài ngọn… - Chiếu xạ và làm lạnh đồng thời: Buồng xử lý chiếu xạ cũng là buồng lạnh. Phương pháp này cho hiệu quả xử lý cao, giảm lượng vi sinh vật cũng như đảm bảo chất lượng dinh dưỡng, cảm quan cho thực phẩm. Tuy nhiên, chi phí đầu tư sẽ cao. - Chiếu xạ kết hợp với làm lạnh đột ngột: Trong băng chuyền nhập liệu, trước khi đến nguồn bức xạ, sản phẩm sẽ được làm lạnh đột ngột bằng cách phun Nitơ lỏng. Phương pháp này tiêu diệt vi sinh vật hiệu quả do kết hợp được chiếu xạ và shock nhiệt. 2.3. Các biến đổi của thực phẩm khi được chiếu xạ a. Về giá trị dinh dưỡng Thành phần dinh dưỡng bao gồm: protein, carbohydrate, lipid, vitamin, khoáng. Thành phần protein, carbohydrate và chất béo tương đối bền với liều lượng chiếu xạ lên tới 10kGy. Thành phần và hàm lượng của chúng cũng hầu như không có biến đổi sau khi xử lý chiếu xạ đối với rau trái tươi vì liều lượng xử lý chiếu xạ đối với rau trái tươi thường thấp. Các liều lượng chiếu xạ cao thường được áp dụng cho các sản phẩm khô hoặc ngũ cốc…Tuy nhiên, khi liều lượng chiếu xạ sử dụng cao, các thay đổi thường gặp là thay đổi cấu trúc của các polymer sinh học. Protein có thể bị mất cầu disulfur, dẫn đến thay đổi cấu hình không gian. Ngoài ra các protein còn có thể bị cắt mạch thành các peptide mạch ngắn. Lipid có thể bị cắt mạch tạo thành các acid béo. Bản thân các acid béo tạo thành có thể có mùi ôi khét, làm giảm giá trị cảm quan của thực phẩm. Ngoài ra, các acid béo tạo thành dễ dàng bị oxi hóa hơn so với các acid béo nằm trong các triglyceride, tạo thành các sản phẩm gây độc cho người. Tuy nhiên, các thực phẩm có hàm lượng béo cao như: lạc, olive, dừa… thường không áp dụng chiếu xạ để bảo quản. Carbohydrate thường bị cắt mạch thành các polysaccharide mạch ngắn , hay bị oxi hóa thành các acid hữu cơ gây cho sản phẩm có vị chua. Đối với chiếu xạ liều lượng cao mới gây các biến đổi kể trên. Khi đó, người ta thường kết hợp chiếu xạ với làm lạnh để làm giảm các biến đổi bất lợi này. Phổ biến là chiếu xạ trong môi trường lạnh đông, khi đó nước bị đóng băng, và nhiệt độ thấp sẽ làm giảm các sự tạo thành các gốc tự do, giảm các phản ứng oxi hóa và thủy phân. Khoáng là thành phần bền nhất khi xử lý chiếu xạ. Nó hầu như không thay đổi về hàm lượng. Tuy nhiên có thể có một số khoáng thay đổi về hình thức tồn tại như lưu huỳnh trong protein. Vitamin A, C, E, B1 (thiamine) nhạy cảm với lượng liều lượng chiếu xạ từ 1kGy trở lên. Những vitamin này cũng nhạy cảm với các quá trình xử lý nhiệt. Tất cả những vitamin khác có thể bền với liều lượng chiếu xạ lên tới 5kGy. Thiamine là một trong những vitamin nhạy cảm nhất với chiếu xạ. Nguyên nhân là do trong tế bào thực vật, thiamine giữ vai trò vận chuyển điện tử trong quá trình quang hợp, nên rất nhạy cảm với các kích thích điện từ. Phần trăm vitamin mất mát trong thực phẩm chiếu xạ phụ thuộc vào liều lượng chiếu xạ, thành phần của thực phẩm, nhiệt độ của thực phẩm khi chiếu xạ, và sự có mặt của oxygen khi tiến hành chiếu xạ. Vitamin nhạy cảm hơn khi chiếu xạ có mặt oxygen. Thường thì liều lượng chiếu xạ càng cao thì sự mất mát vitamin càng nhiều. Theo FAO, WHO, và IAEA thì sự mất mát vitamin trong thực phẩm khi xử lý chiếu xạ với liều lượng 1kGy hoặc thấp hơn thì sự mất mát vitamin là thấp nhất, và tương đương với các phương pháp xử lý khác, như xử lý nhiệt hay bảo quản trong thời gian dài. Khi liều lượng chiếu xạ là thấp thì không gây giảm giá trị dinh dưỡng của thực phẩm. b. Về giá trị cảm quan Một ưu điểm của thực phẩm chiếu xạ là an toàn, không gây hại cho sức khỏe, trong khi đó vẫn giữ được mùi vị, màu sắc, cấu trúc. Các biến đổi về cấu trúc có nguyên nhân từ các phản ứng làm cắt mạch, dẫn đến trái mềm, thay đổi về độ cứng…chỉ xảy ra với liều lượng chiếu xạ cao, trong khi các chế độ xử lý chiếu xạ đối với rau trái là tương đối nhẹ nhàng, không gây ra các biến đổi sâu sắc. Ngoài ra, để giữ các hợp chất dễ bay hơi, là thành phần tạo mùi cho sản phẩm rau trái, người ta thường kết hợp chiếu xạ với làm lạnh. Tuy nhiên, màu sắc có thể thay đổi chút ít như trái có màu vàng (do có nhóm tạo màu carotenoid) sẽ bị nhạt màu, vì nhóm carotenoid là các nhạy cảm với bức xạ điện từ. Tóm lại, các thay đổi về giá trị cảm quan là nhỏ, thường người tiêu dùng khó phân biệt. Vì thế, các sản phẩm được chế biến từ một hay một số nguyên liệu được xử lý chiếu xạ phải ghi rõ trong nội dung bắt buộc của nhãn hiệu, được quy định rõ trong quy định ghi nhãn hiệu bao bì. 2.4. Ưu- nhược điểm của phương pháp chiếu xạ. a.Ưu điểm - Chiếu xạ là một phương pháp bảo quản tương đối an toàn. Không như người tiêu dùng thường lo lắng rằng khi sử dụng các thực phẩm chiếu xạ, có thể có các ảnh hưởng tới sức khỏe. Một nghiên cứu kéo dài hơn 40 năm của các nhà khoa học cho thấy rằng thực phẩm chiếu xạ không gây ung thư, không gây đột biến gen, và không tạo các khối u. Quân đội và USDA (U.S. Department of Agriculture) của Mỹ đã tiến hành thí nghiệm là cho động vật trong phòng thí nghiệm ăn thực phẩm chiếu xạ trong hơn 6 năm, và kết quả là chúng vẫn không có hiện tượng bị nhiễm độc. Sữa bột được chiếu xạ với liều lượng 45 kGy (nhiều hơn gấp 4.3 lần so với mức cho phép) cũng không gây đột biến hay khối u đối với động vật thí nghiệm. Một kết quả tương tự đối với 400 người Trung Quốc tình nguyện được phục vụ một khẩu phần, trong đó 60-66% là thực phẩm chiếu xạ trong hơn 15 tuần. - Tiết kiệm năng lượng Khi so sánh phương pháp bảo quản bằng bức xạ và các phương pháp bảo quản khác về mặt năng lượng thì phương pháp bảo quản bằng chiếu xạ tiết kiệm năng lượng hơn, ngay cả khi kết hợp chiếu xạ và bảo quản lạnh. Đồng thời, phương pháp bảo quản bằng chiếu xạ có thể tránh được các vấn đề có liên quan đến xử lý nhiệt, vì trong công nghiệp chế biến nói chung, các vấn đề có liên quan tới nhiệt thường tiêu tốn rất nhiều năng lượng. Bảng 4: So sánh năng lượng sử dụng khi bảo quản bằng các phương pháp khác nhau. - Hiệu quả xử lý tăng cao khi áp dụng kết hợp chiếu xạ với các phương pháp bảo quản khác Như đã đề cập ở những phần trứơc, kết hợp chiếu xạ với các phương pháp bảo quản khác như xử lý nhiệt, hoặc kết hợp làm lạnh có thể giảm được liều lượng chiếu xạ, mà vẫn đảm bảo thời gian bảo quản; hoặc có thể kéo dài thời gian bảo quản với cùng một liều lượng chiếu xạ (trường hợp bảo quản dâu tây: kết hợp chiếu xạ với xử lý nhiệt); hoặc có thể giữ được chất lượng cảm quan tốt hơn (trường hợp kết hợp chiếu xạ với làm lạnh). - Hệ thống có mức độ tự động cao Quy trình thực hiện chiếu xạ có mức độ tự động hóa cao, toàn bộ quy trình đều được lập trình sẵn và điều khiển tự động từ phòng điều khiển. Người vận hành hệ thống không phải tiếp xúc trực tiếp với các nguy cơ gây hại cho sức khỏe. Hình 16: Phòng điều khiển. b. Nhược điểm - Vấn đề an toàn lao động và ô nhiễm môi trường Tuy mức độ tự động hóa cao, nhưng vẫn có yêu cầu nghiêm ngặt về việc phải đảm bảo an toàn lao động cho nhân viên thường xuyên hoạt động trong môi trường này. Ngoài ra, vấn đề ô nhiễm môi trường do rò rĩ chất phóng xạ luôn được toàn xã hội quan tâm, đây cũng là một trong những nguyên nhân làm cho việc xử lý bằng phóng xạ khó được chấp nhận (mặc dù đây không phải là nguyên nhân chủ yếu). - Tâm lý e ngại của người tiêu dùng Theo điều tra của tạp chí Choices (8/2003) về mối quan tâm của người tiêu dùng đối với thực phẩm chiếu xạ thì tỷ lệ tiêu thụ sản phẩm giảm hẳn (khoảng 20%) so với tỷ lệ tiêu thụ thông thường khi người tiêu dùng biết thông tin về thực phẩm chiếu xạ. Nguyên nhân gây nên tâm lý e ngại của người tiêu dùng về thực phẩm chiếu xạ là vì vấn đề sức khỏe. Có hai nguy cơ gây ảnh hưởng xấu đối với sức khỏe được nhiều người quan tâm là: liệu sản phẩm sau khi chiếu xạ có trở thành nguồn bức xạ không và các chất sinh ra trong quá trình chiếu xạ có phải là chất độc và gây hại cho sức khỏe con người hay không. Về vấn đề thứ nhất, các nghiên cứu gần đây cho thấy, khả năng bức xạ của các chất có nguồn gốc sinh học như thực phẩm là rất thấp. Trong thực phẩm chủ yếu là các nguyên tố C, H, O, N là những nguyên tố bền vững, không thể biến đổi thành các đồng vị phóng xạ với điều kiện xử lý chiếu xạ thông thường. Về vấn đề các chất sinh ra trong quá trình chiếu xạ, vẫn chưa có nhiều nghiên cứu cụ thể trên rau trái tươi. Còn đối với các thực phẩm khác như thịt gà tây khi xử lý chiếu xạ có thể xuất hiện các chất như: H2S, methanethiol, methyl sulfide, dimethyl sulfide…so với thực phẩm không xử lý chiếu xạ. Hay trong thịt gia súc, gia cầm khi chiếu xạ, xuất hiện 2-alkylcyclobutanone, bị biến đổi từ DNA; hoặc trong thực phẩm có chứa nhiều béo thì xuất hiện 2-dodecylcyclobutanone (vòng 12C, có nhóm OH), biến đổi từ acid palmitic. Tuy nhiên lưu ý là liều lượng chiếu xạ áp dụng cho các sản phẩm thịt cá cao hơn rất nhiều so với rau trái tươi (thường là 7 kGy đối với thịt cá và 2 kGy đối với rau trái tươi ), nên các biến đổi kể trên không phải là đáng kể. Đồng thời trong rau trái tươi thành phần protein và lipid không phải là chủ yếu nên các biến đổi liên quan tới các acid amin chứa lưu huỳnh, và các acid béo không quan trọng lắm (lưu huỳnh là nguyên tố có hóa trị thay đổi nên dễ tham gia phản ứng oxi hóa khử, còn acid béo cũng là các chất dễ bị oxi hóa). - Chi phí đầu tư cao Vấn đề chi phí đầu tư là một trong những cản trở quan trọng đối với việc ứng dụng xử lý chiếu xạ. Các vấn đề yêu cầu về an toàn lao động và tránh ô nhiễm môi trường đòi hỏi chi phí đầu tư cao, và thích hợp áp dụng cho nhà máy có năng suất lớn, để giảm chi phí tính trên một đơn vị sản phẩm. Bảng 5: Yêu cầu về trang bị nơi thực hiện chiếu xạ. Dòng điện tử có gia tốc, tia X Tia gamma Yêu cầu về an toàn -Tường bêtong dày trên 2m -Tường kim loại dày trên 0.7m -Tường bêtong dày trên 2m -Hầm nước có chiều cao lớp nước trên 5m Tuy nhiên, chi phí vận hành của phương pháp chiếu xạ lại thấp hơn so với các phương pháp xử lý khác, vì nhu cầu sử dụng năng lượng thấp hơn. - Vần đề các vi sinh vật “kháng bức xạ”. Chiếu xạ có thể tạo nên các vi sinh vật có khả năng kháng lại tia bức xạ tốt hơn do đột biến. Nguyên nhân có thể do các vi sinh vật bị phát tán trong buồng xử lý và chưa bị tiêu diệt bởi các tia bức xạ, khi các vi sinh vật này tiếp xúc với tia bức xạ một thời gian dài, tạo nên các cơ thể đột biến, có khả năng chịu đựng được tia bức xạ tốt. 3. Thiết bị chiếu xạ: Một thiết bị chiếu xạ gồm có các thành phần sau: Nguồn bức xạ. Nơi chứa nguyên liệu để tiếp nhận nguồn bức xạ. Thiết bị điều chỉnh liều lượng bức xạ, bảo vệ, ngăn ngừa vịêc nhiễm xạ ra ngòai. Thiết bị đo, nhập liệu, tháo liệu. Nguồn bức xạ Người ta thường phân lọai thiết bị theo nguồn bức xạ, có hai nguồn thường sử dụng là đồng vị phóng xạ và máy tạo bức xạ. Nguồn đồng vị phóng xạ Nguồn đồng vị phóng xạ là các đồng vị có khả năng phát xạ của các nguyên tố hóa học. Trong tự nhiên tỉ lệ các đồng vị phóng xạ này so với đồng vị bình thường của nguyên tố là rất thấp. Đặc trưng của đồng vị phóng xạ là chu kỳ bán rã. Chu kỳ bán rã là thời gian mà lượng đồng vị phóng xạ giảm đi một nửa. Tương ứng với sự giảm lượng đồng vị phóng xạ là sự giảm của liều lượng bức xạ. Đến khi liều lượng này giảm xuống dưới mức yêu cầu của quy trình công nghệ thì phải lọai bỏ, thay mới. Vì vậy đó là thông số để lựa chọn lọai đồng vị phóng xạ. Lưu ý rằng sự bức xạ là liên tục theo thời gian, kể cả lúc không vận hành. Vì vậy phương án tận dụng năng lượng bức xạ cần được tính đến. Phương trình sau mô tả sự liên hệ giữa năng lượng bức xạ theo thời gian: E = Eoe-lt Với Eo: Năng lượng bức xạ ban đầu l: hằng số phụ thuộc chất bức xạ. l = ln2/T với T: chu kỳ bán rã. Có hai nguồn đồng vị phóng xạ chính: a. Nguồn phóng xạ γ: Đây là các bức xạ điện từ có bước sóng cực ngắn l < 0.001 nm. Bức xạ này có độ xuyên sâu mạnh, năng lượng điển hình lớn. Chính vì vậy nên nguồn bức xạ g thường dung có năng lượng nhỏ để hạn chế sự ảnh hưởnh ra ngoài (các sóng γ tác động lên hầu hết các vật chất trên đường đi của nó gây ra những biến đổi mạnh). Đó là nguyên nhân tại sao các nguyên tố phóng xạ tự nhiên như Uranium, Radium, Plotonium không được dùng trong các lĩnh vực khác ngoài nhà máy hạt nhân. Chính vì các nguyên tố phóng xạ tự nhiên có năng lượng phát xạ quá mạnh không thể sử dụng vào mục đích dân dụng nên các đồng vị phóng xạ nhân tạo được sử dụng. Các đồng vị phóng xạ nhân tạo này là các nguyên tố có khối lượng nguyên tử trung bình (từ 80 đến 130), các nguyên tố này trong tự nhiên có tồn tại đồng vị phóng xạ dạng vết. Để thu đồng vị phóng xạ, quặng của các nguyên tố này được đưa vào lò phản ứng hạt nhân. Chính vì cường độ bức xạ γ cao trong lò đã kích thích nguyên tử các đồng vị thường biến thành đồng vị phóng xạ. Hiện tượng này gọi là bức xạ nhiễm xạ: tức là các chất bình thường (không bức xạ) sau một thời gian bị chiếu xạ thì biến đổi, có khả năng bức xạ lại môi trường. Đặc điểm của các đồng vị phóng xạ γ là có chu kỳ bán rã dài (thường tính bằng năm) nên có thể sử dụng dài. Hai đồng vị phóng xạ thường dung là 60Co (T = 5.27 năm) và 137Cs (T = 30 năm). Cường độ bức xạ của hai chất trên là Co: 2.8 triệu Bq/g. (1 Bq bằng một lượng tử bức xạ trong một giây). Năng lượng diển hình là Co: 1.173MeV và Cs: 0.661 MeV. Phóng xạ γ thường dùng khi cần chiếu xạ vào sâu bên trong vật thể. Một bức xạ γ ở mức năng lượng bình thường có thể xuyên qua một tấm chì dày 5 cm hay một tấm nhôm dày 2m. b. Nguồn bức xạ β: Phóng xạ β là các electron. Phóng xạ β có thể tạo được từ nguồn đồng vị phóng xạ β hay máy gia tốc electron. Ở đây chỉ đề cập đến nguồn đồng vị phóng xạ β. Phóng xạ β có tính xuyên sâu mạnh nên an tòa hơn phóng xạ γ. Các nguồn phóng xạ β thường gặp là 32P, 35S, 123I… Phương trình biến đổi chung của đồnh vị phóng xạ β. An X→ An+1Y + β Để có được các đồng vị phóng xạ này, người ta sẽ bắn phá hạt nhân bằng luồng electron từ máy gia tốc electron theo phương trình ngược lại. An+1Y + β→ AnX Đồng vị phóng xạ β thường có chu kỳ bán rã ngắn ( thường từ vài ngày đến vài tháng). Chu kỳ bán rã của 32P là 15 ngày, của 35S là 87 ngày, của 123I là 60 ngày. Chính vì chu kỳ bán rã ngắn nên đồnh vị phóng xạ β có thời gian sử dụng ngắn, phải thay mới thường xuyên. Phóng xạ β thường được sử dụng khi chỉ cần chiếu xạ bề mặt, không có khả năng xuyên sâu nên an tòan cho người vận hành. Tuy nhiên độ xuyên sâu thấp làm giảm khả năng xử lý các sản phẩm. Phóng xạ β thường được xử lý bề mặt hay sử dụng cho các sản phẩm có hình dạng mỏng, phẳng. Bề sâu có thể ước lượng bằng công thức d = kE2/3r Với d: bề sâu chiếu E: năng lượng (E = hn (với bức xạ g)= e.U (với bức xạ β) r: khối lượng riêng vật liệu. K: hệ số. Tóm lại nguồn đồng vị phóng xạ có các ưu điểm là đơn giản, không cần đến máy móc. Tuy nhiên có nhược điểm là nguy hiểm(phóng xạ γ) và thời gian sử dụng ngắn (phóng xạ β). Sự giảm dần của năng lượng bức xạ theo thời gian: Hình 17: Đồ thị cường độ chiếu xạ theo thời gian. Với E : năng lượng bức xạ t: thời gian Nguồn bức xạ từ máy bức xạ a. Máy gia tốc electron (electron accelerator) Hình 18: Mô hình máy gia tốc electron 1:cực âm, 2:cực dương, 3:nam châm điện , 4: ống cathode(CRT) Máy gia tốc là các máy tạo ra một điện trường cực lớn. Máy thường có cấu tạo gồm hai bản cực. Cực âm là kim loại có khối lượng phân tử trung bình, có ái lực với electron thấp. Dưới tác dụng của điện thế rất cao giữa hai bản cực (10-100kv), các electron này bật khỏi tấm kim loại và bay về phía bản cực dương. Trên đường đi của electron, người ta đặt các nam châm điện để định hướng lại quĩ đạo của elect ron bằng từ trường. Việc định hướng này làm các electron không đập vào bản cực dương mà bay vào các ống định hướng tia âm cực CRT (catode Ray Tube). Đầu ra của các ống CRT này là sản phẩm mà ta muốn chiếu xạ. b. Máy tạo tia Roetgen (Máy gia tốc electron búc xạ hãm) Máy tạo tia Roentgen (tia X) có cấu tạo gần giống máy gia tốc electron. Tuy nhiên cực dương của máy không phải là các ống CRT mà là tế bào quang điện. Tế bào quang điện là các mảnh kim lọai có số khối lớn (gọi là bia biến đổi) như Pb, W, Ta, Au… Luồng electron tốc độ cao mang năng lượng lớn sẽ bắn phá tế bào quang điện là tế bào quang điện phát ra các song địên từ có bước song cực ngắn. Đó là tia roentgen (hay tia X), các tia này có bước song từ 0.01 đến 100nm, tia roentgen còn được gọi là búc xạ hãm. Tia roentgen có độ xuyên sâu mạnh ( chỉ thua tia γ). Máy tạo tia roentgen có hiệu suất tạo bức xạ hãm thấp, chẳng hạn chì(Pb) có hiệu suất tạo bức xạ hãm là 8%. Phần lớn năng luợng còn lại chuyển thành nhiệt lượng. Vì vậy mảnh kim lọai rất nóng, phải dung nước để tản nhiệt. Bức xạ hãm này có tính xuyên sâu mạnh có thể dung cho các sản phẩm cần xử lý bằng tia γ. Nó có ưu điểm hơn đồng vị phóng xạ ở các mặt sau: Có tính định hướng, khỏang 60% lượng bức xạ hãm này đến được vật cần chiếu xạ, trong khi bức xạ của đồng vị phóng xạ γ phát đều theo mọi hướng nên tỷ lượng bức xạ có ích rất thấp, nguồn 137Cs có hiệu suất 20%. Liều ổn định và đồng đều (các đồng vị phóng xạ có liều bức xạ giảm dần theo thời gian). c. Đèn tử ngoại: Đèn tử ngoại có cấu tạo giống đèn huỳnh quang dân dụng nhưng không có lớp huỳnh quang. Khí trơ sử dụng trong đèn thường là Xe, Kr. Ngoài ra đèn thường có lớp kính lọc để lọc bớt các tia bức xạ khác và làm giảm cường độ chiếu xạ. Đèn tử ngoại đơn giản, dễ sử dụng, an toàn nên được sử dụng rộng rãi hơn so với các máy tạo bức xạ khác. Đèn tử ngoại nếu có cùng công suất với các nguồn bức xạ khác thì khả năng diệt khuẩn thấp.Vì vậy đèn tử ngoại thường được sử dụng với công suất cao để kết hợp hai mục đích diệt khuẩn và gia nhiệt. Ưu điểm của phương pháp gia nhiệt bằng tử ngoại là khả năng làm cho chất hữu cơ bay hơi vì nhiệt. Người ta qui ước tính gia nhiệt bằng tia tử ngoại có thể làm giảm lượng chất hữu cơ bay hơi khoảng 100 lần. d. Lò vi sóng : Đây là các thiết bị gia nhiệt sử dụng sóng (mi). Lò vi sóng hoạt động trên nguyên tắc truyền dao động điện từ thành dao động vật chất của sản phẩm. Lò vi sóng không có tác dụng diệt khuẩn nhưng có khả năng tiêu diệt một số vi sinh vật có cấu tạo tế bào đơn giản, dễ vỡ. Ưu điểm của lò vi sóng là hạn chế chất dinh dưỡng mất mát so với các phương pháp gia nhiệt khác. Một mô hình đang được nghiên cứu ứng dụng là mạch bức xạ. Mạch bức xạ là các ống dẫn bức xạ từ các lò phản ứng hạt nhân đến các cơ sở xử lí xung quanh. Các ống dẫn này có chữa hợp kim của kim loại nóng chảy như In- Ga, hay In- Mn. Mạch bức xạ tận dụng phần năng lượng dư thừa của nhà máy hạt nhân. Công suất của mạch bức xạ tương đối lớn (khoảng 5% công suất của nhà máy hạt nhân đó) nên cần một năng suất nhập liệu rất lớn. (Một mạch bức xạ có thể xử lí với năng suất khoảng 100 lần so với một máy bức xạ bình thường). Ngoài ra những khó khăn trong khâu bảo đảm an toàn bức xạ, việc phải sử dụng kim loại nóng chảy đã cản trở việc đưa mô hình này vào thực tế. Hiện nay trên thế giới có một mô hình thử nghiệm đặt tai Lithunia có công suất 300 kw. Hi vọng trong thời gian tới các nhà khoa học có thể tìm ra các chất dẫn truyền hiệu quả, khả thi, cùng với thiết kế một qui trình an toàn cao nhất. Nhìn chung các máy tạo bức xạ có ưu điểm là có công suất lớn, hiệu suất cao và có định hướng. Tuy cần tiêu tốn năng lượng khi vận hành nhưng ta có thể kiểm soát được liều lượng, cường độ và hướng chiếu xạ. So sánh hiệu suất sử dụng năng lượng nguồn bức xạ: Bảng 6: Hiệu suất sử dụng của các nguồn năng lượng bức xạ. Nguồn bức xạ Hiệu suất (%) Máy gia tốc electron Nguồn bức xạ hãm Nguồn 60Co Nguồn 137Cs 66 50 25 20 3.2. Thiết bị điều chỉnh năng lượng bức xạ Nguồn bức xạ thường phát ra bức xạ vượt mức yêu cầu của quy trình, nên ta phải điều chỉnh năng lượng bức xạ. Đối với các máy bức xạ thì việc điều chỉnh dễ dàng thông qua bộ phận điều khiển trên máy. Còn đối với các đồng vị phóng xạ thì chúng ta phải sử dụng các chất hấp thụ bớt một phần năng lượng. Các chất thường dùng là kim lọai nặng, nước, nước nặng (D2O). Thường sử dụng nhất là chì và nước. Một điều lưu ý quan trọng là vật liệu để chế tạo thiết bị, để bức xạ không bị lọt ra ngòai gây nguy hiểm cho người vận hành, đặc biệt là bức xạ dạng γ hay tia X do đặc tính xuyên sâu mạnhcủa nó. Với hai nguồn bức xạ này thì vật liệu thích hợp là bê tông. Bề dày trung bình của bức tường nà là khoảng 2m. Ngoài ra với đồng vị phóng xạ cần có biện pháp bảo quản khi không vận hành. Thường các đồng vị phóng xạ tia γ được đặt dưới bể nước sâu để giảm mức nguy hiểm. Hình 19: Mô hình một thiết bị sử dụng đồng vị phóng xạ Hình 20: Mô hình thiết bị xử lý bằng bức xạ Hình 21: Mô hình thiết bị sử dụng đồng vị phóng xạ 4. Các quy trình xử lý: Mục đích xử lý bằng bức xạ đối với rau quả là để cải thiện chất lượng, chống sâu bọ, khử trùng và tiệt trùng, tăng thời gian bảo quản. Theo liều lượng người ta chia việc xử lý làm ba lọai: - Liều thấp (dưới 1kGy): để hạn chế sự phát triển của rau củ, làm chậm sự chin, tiêu diệt côn trùng, ký sinh trùng như giun sán. - Liều trung bình (1-10kGy): để kéo dài thời gian bảo quản, giảm sự lây nhiễm của vi sinh vật. - Liều cao(10-60kGy): thường rau trái tươi không dung liều cao. Radurization: xử lý từ 2- 6kGy, trong đó hàm luợng vi sinh vật giảm một cách đáng kể, nhưng không bị diệt hoàn toàn. Quá trình này tăng thời gian bảo quản lên 3-5 lần ở nhịêt độ 0-5oC. Radicadation: xử lý với liều lượng tương tự như Radurization nhưng chỉ nhằm tiêu diệt một số vi sinh vật gây bệnh chủ yếu. Radappertization: xử lý liều từ 30-50kGy dùng để tiêu diệt hầu như hoàn toàn vi sinh vật, nhằm mục đích bảo quản lâu dài. Phương pháp này không sử dụng cho rau quả. Bảng 7: Tác dụng và liều lượng chiếu xạ phù hợp Tác dụng Liều chiếu(kGy) Thực phẩm Quốc gia sử dụng Kéo dài thời gian bảo quản từ 5 ngày lên 1 tháng với sản phẩm lạnh Tiêu diệt côn trùng Ngăn ngừa nảy mầm 2-5 0.1-6 0.1-0.2 Trái cây tươi (4oC) Trái cây Cà chua, tỏi, hành tây Trung quốc, Pháp, Hà Lan, Nam Phi, USA. Argentina, Brazil, Chile, Trung Quốc Algerua, Bangladesh, Trung Quốc, Cuba. III. KỸ THUẬT SỬ DỤNG ÁP SUẤT CAO 1. Giới thiệu: Xử lí thực phẩm bằng áp suất cao và kết hợp với tăng nhiệt nhẹ thì có thể vô hoạt được enzyme và vi sinh vật mà không gây mất mùi vị và giá trị dinh dưỡng khắc phục được nhược điểm của phương pháp xử lí nhiệt truyền thống. Kĩ thuật này được phổ biến đầu tiên ở Nhật bản vào đầu thập niên 90 nhằm thanh trùng thực phẩm acid để bảo quản ở nhiệt độ thấp. Mặc dù đã nổ lực nghiên cứu, đặc biệt là ở châu Âu và châu Mỹ, việc phát triển thị trường ngoài nước Mỹ diễn ra rất chậm mà nguyên nhân chính là vốn đầu tư cao và giá thành của kỹ thuật này cũng rất lớn. Đây cũng vẫn là một kỹ thuật khá mới và cũng đang được nghiên cứu. 2. Nguyên lí của phương pháp xử lý áp suất cao Phương pháp áp suất cao không có sự tham gia của nhiệt độ nhưng nếu tăng áp suất thì dẫn đến sự tăng nhỏ về nhiệt độ. Áp suất cao ảnh hưởng đến sự thay đổi của tất cả các phản ứng và cấu trúc, ngoài ra cũng bao gồm việc giảm thể tích như sự làm nén ép protein hoặc tinh bột. Bên cạnh cơ chế tiêu diệt vi sinh vật, còn xảy ra đồng thời: các phản ứng, sự đứt mạch của các liên kết và sự châm thủng hoặc thẩm thấu qua màng tế bào. Một số kết quả thu được khi sử dụng phương pháp áp suất cao: Tế bào sinh dưỡng bị vô hoạt ở khoảng 300Mpa tại nhiệt độ xung quanh, trong khi bào tử bị tiêu diệt ở áp suất lớn hơn (600Mpa hoặc hơn), phải kết hợp với sự tăng nhiệt độ lên 60-70 oC. Enzyme bị vô hoạt ở 300 MPa, nhưng một số khác lại khó bị vô hoạt tại những giá trị áp suất trên. Giá trị của độ ẩm là thành phần hết sức quan trọng trong phương pháp này, thành phần độ ẩm phải dưới 40% thì ít ảnh hưởng đến kết quả. Tác động áp suất theo từng nhịp để tiêu diệt bào tử sẽ có hiệu quả hơn là tác động liên tục. Việc giảm sức ép nhanh chóng sẽ làm tăng sự ảnh hưởng lên bào tử và có thể tiệt trùng tại áp suất thấp hơn là giữ nguyên một áp suất. Tại áp suất 50-300 MPa các bào tử có thể nảy mầm do có một số loại bào tử vi sinh vật trở nên được kích thích nảy mầm ở áp suất cao. Trong trường hợp thực phẩm có độ ẩm cao, áp lực tăng lên 100 MPa trong khoảng 30 s, nhiệt độ khoảng 90 oC và giữ vài phút, kết quả là ức chế toàn bộ vi sinh vật kể cả bào tử chịu nhiệt. Sự kết hợp của nisin (một chất ức chế vi khuẩn), áp suất cao và nhiệt độ thấp có thể cho phép giảm thời gian hoặc mức độ áp lực. 3. Tác dụng, biến đổi: 3.1. Ảnh hưởng đến bào tử của vi khuẩn: Hình thức bào tử là hình thức tồn tại đặc biệt của một số loài vi khuẩn khi điều kiện môi trường bất lợi, đặc biệt là Bacillus và Clostridium. Mặc dù số lượng bào tử có thể giảm xuống khi đặt vào áp suất cao, nhưng việc kết hợp với phương pháp khác như tăng nhẹ nhiệt độ sẽ làm giảm đáng kể số lượng bào tử (Hoover, 1993) Larson et al nhận thấy rằng việc tăng áp suất tới 1800 Mpa tại nhiệt phòng không đủ để tiệt trùng sản phẩm thực phẩm. Sojka và Ludwig (1994 – 1997) đề nghị sử dụng hai quá trình để giải quyết vấn đề liên quan đến khả năng chống chịu áp suất cao của bào tử vi khuẩn: bắt đầu với áp suất nhẹ để kích thích bào tử hoạt động trở lại, tiếp theo là tăng áp suất và nhiệt độ lên cao hơn để tiêu diệt các bào tử đó. Sự kết hợp của áp suất và nhiệt độ khoảng 60 oC và cao hơn được yêu cầu để vô hoạt nhiều loài bào tử. Tại nhiệt độ dưới 60 oC kết hợp với áp suất khoảng 400 MPa, giảm nhiều nhất là 3 chu kỳ (log-cycle) của bào tử Clotridium sporogenses và Bacillus coagulon. Để sự tiệt trùng ảnh hưởng thấp nhất đến giá trị dinh dưỡng, mùi vị và cấu trúc và màu sắc thì áp suất cao được sử dụng nhiều lần và nhiệt độ cuối cùng trên 105oC trong thời gian ngắn. Lợi ít chính của việc sử dụng áp suất cao để bảo quản là giảm khả năng kháng nhiệt của bào tử. 3.2. Ảnh hưởng của áp suất cao đến tế bào sinh dưỡng: Tại áp suất vừa phải tốc độ phát triển và sinh sản của tế bào sinh dưỡng là rất chậm. Trong khi tại áp suất cao lại làm vô hoạt chúng. Mặc dù tại một áp suất nhất định phụ thuộc rất lớn vào loài vi sinh vật và điều kiện môi trường. Áp suất từ 200 đến 600 MPa tại nhiệt độ phòng thường chắc chắn làm giảm khả năng sống sót của tế bào sinh dưỡng. Tế bào sinh dưỡng của Prokaryotes như nấm men và nấm mốc nhạy cảm với hầu hết giá trị áp suất và bị tiêu diệt trong khoảng từ 200 – 300 MPa. Vi khuẩn Gram âm có thể bị vô hoạt ở 300 MPa còn vi khuẩn Gram dương thì bị vô hoạt ở giá trị áp suất cao hơn 400 MPa. Tuy nhiên cũng có một số ngoại lệ, một số chủng có khả năng chịu áp suất như E.Coli 0157:Hg. Mặc khác, kết quả của sự hợp lực giữa áp suất và thêm vào các chất kháng khuẩn có thể lợi dụng để làm giảm khả năng chịu áp suất của vi sinh vật. 3.3. Ảnh hưởng của phương pháp áp suất cao đến chất lượng của rau trái: a. Cấu trúc: Nói chung áp suất lên tới 350 MPa có thể được áp dụng mà không làm ảnh hưởng đến toàn bộ cấu tạo và cấu trúc của thực phẩm. Một vài nghiên cứu cho rằng phương pháp áp suất đối với rau trái có thể làm cho rau trái cứng bị mềm. Những kết quả đó phụ thuộc vào mức độ áp lực và thời gian xử lí. Nói chung sự làm mềm là do sự thay đổi cấu tạo bởi tác động của áp suất với hai giai đoạn: tác động áp suất theo nhịp, tiếp theo là sự giảm áp lực nhanh. Tại áp suất thấp (100 MPa) sự mềm được giải thích bởi sự đè nén cấu trúc tế bào cấu trúc tế bào mà không làm vỡ, trong khi đó khi áp suất cao hơn (>200 MPa) một số cấu trúc bị mất do vỡ màng tế bào. Trong thời gian giữ áp suất sự tổn thất về cấu trúc có thể bị giảm xuống và một số sản phẩm trở nên cứng hơn so với dạng tươi tương ứng của chúng. Sự thủy phân pectin của thành tế bào có thể kết hợp với ion hóa trị hai dẫn đến tăng cứng các cấu trúc tế bào. Do đó, phương pháp áp suất cao được khuyến cáo để xử lý cho các loại trái cây có cấu trúc cứng chắc. Màu sắc: Nhiều loại sản phẩm từ rau quả như: mứt trái cây, dâu tây, nước ổi, nước chuối được xử lí bằng áp suất cao thì có thể giữ được màu sắc tươi. Độ sáng và độ màu (đỏ hoặc xanh) của sản phẩm xử lí bằng áp suất cao mạnh hơn so với xử lí bằng nhiệt. Tuy nhiên trong quá trình bảo quản của nước ổi và nước chuối, màu xanh từ từ bị giảm xuống do sự hóa nâu của PPO. Thời gian bảo quản lâu nhất có thể đạt được khi sử dụng kết hợp phương pháp áp suất cao, pH thấp và bảo quản lạnh. Một chi tiết khác liên quan đến sự ảnh hưởng của việc kết hợp áp suất và nhiệt độ đối với màu của nước bông cải cho thấy hàm lượng Chlorophyll và màu xanh không bị thay đổi trong hơn 4 giờ khi thực hiện ở 800 MPa và 40oC. Chỉ khi áp suất cao được kết hợp nhiệt độ cao hơn 50oC thì một số màu sắc bị thay đổi nhiều. Mùi vị: Rất nhiều tác giả ghi nhận rằng, những người đã được huấn luyện về cảm quan cũng không thể nhận biết được sự khác nhau giữa nước quả tươi và nước quả đã được xử lí bằng áp suất cao được làm từ cùng nguyên liệu. Nhưng đối với khoai tây và hành thì thu được kết quả: khoai tây có mùi ôi, còn hành tây mùi ít mạnh và giống như hành khô. Đối với khoai tây sau khi xử lí bằng áp suất cao thì hàm lượng n- hexanal tăng lên, làm cho có mùi ôi. Đối với hành tây xử lí bằng áp suất cao làm giảm dipropylsulphite, sự kết hợp của vị hăng và mùi đặc trưng của hành tây tươi làm tăng transpropenyldisulphide và 3,4-dimethylthiophene, thành phần mùi chính của thịt và hành khô. Sự kết hợp của áp suất cao và các kĩ thuật bảo quản khác: áp dụng cho trái cây Đặc tính của hầu hết trái cây và sản phẩm có pH thấp là acid cao. Mặc dù hầu hết các loài vi khuẩn bị ức chế bởi nồng độ ion H+, nhưng nếu trong điều kiện không thuận lợi thì vi khuẩn lactic, nấm men và nấm mốc có thể sử dụng được cả acid và có khả năng chịu đựng được những giá tri pH thấp. Xử lí bằng áp suất cao là phương pháp có khả năng giúp vô hoạt các vi khuẩn gây thối và kiểm soát hoạt tính của enzyme. Tuy nhiên, như đã trình bày ở trên thì phương pháp này không được sử dụng một cách riêng rẽ. Các nhân tố như nhiệt độ, chất kháng khuẩn, sóng siêu âm, sóng điện từ có thể được sử dụng kết hợp xử lí bằng áp suất cao. Kết quả này không chỉ giúp đẩy tốc độ làm mất khả năng hoạt động của vi sinh vật mà nó còn có lợi để làm giảm mức áp suất và làm giảm giá thành của phương pháp. Một ví dụ về hoạt tính của PPO còn có trong dịch trái cây sau khi đã xử lí bằng áp suất cao đã chỉ ra rằng không thể ức chế hoàn toàn các phản ứng enzyme, như phản ứng hóa nâu vì vậy đòi hỏi phải có sự kết hợp của phương pháp áp suất cao với một hay nhiều nhân tố như pH thấp, làm lạnh để ức chế hoạt tính của enzyme. Một nghiên cứu khác cho thấy lột vỏ là quan trọng khi xử lí trái cây và rau bằng áp suất để giảm tới mức thấp nhất phản ứng enzyme và phản ứng oxi hóa. Kết quả của lột vỏ và xử lí bằng áp suất cao đối với hoạt tính của PPO trong dịch chuối với pH=3.4, hoạt độ của nước aw=0.97, đã cho thấy hoạt tính của PPO bị giảm xuống nhiều so với việc chỉ xử lý bằng áp suất cao. Việc kết hợp áp suất cao với sự tăng nhẹ về nhiệt độ được ghi nhận là rất khả thi. Kết quả diệt khuẩn của phương pháp áp suất cao có thể tăng lên khi kết hợp với nhiệt độ, pH thấp, CO2, acid hữu cơ và chất diệt khuẩn như nisin được ghi nhận là tăng khả năng vô hoạt vi sinh vật khi xử lý với một số chất như: acid acetic, acid benzoic hoặc acid sorbic, acid sulphide, một số polyphenol và chitosan. 5. Thiết bị trong kỹ thuật áp suất cao: Những thiết bị chính của hệ thống áp suất cao là: + Bình áp suất và thiết bị đóng kín + Hệ thống tạo ra áp suất + Dụng cụ kiểm soát nhiệt độ + Hệ thống giữ nguyên liệu Hình 22: Máy xử lý áp suất cao. Hầu hết bình áp suất được làm từ thép hợp kim có độ co giãn cao, có khả năng chịu được áp suất từ 400 – 600MP. Với những áp suất cao hơn thì được gia cố bằng nhiều lớp bảo vệ hoặc bộc kim loại. Bình được bịt kín bằng thép. Nguyên tắc hoạt của máy: Trong phương pháp này, sau khi toàn bộ không khí được đuổi ra, một môi trường áp suất được tạo ra (hoặc là nước hoặc là dầu) được bơm từ bể chứa vào bình áp suất để tăng áp suất cho đến khi đạt được áp suất cần thiết. Đây là kiểu đè nén gián tiếp và đòi hỏi áp suất được giữ nguyên, một hình thức khác là đè nén trực tiếp sử dụng piston để nén dịch lỏng trong bình lên trên bề mặt sản phẩm. IV. PHƯƠNG PHÁP KẾT HỢP SIÊU ÂM, NHIỆT ĐỘ VÀ ÁP SUẤT: [2,3,5] 1. Định nghĩa: Là quá trình xử lí chống vi sinh vật bởi sự kết hợp của áp suất, nhiệt độ và siêu âm. 2. Nguyên lí: - Siêu âm: Năng lượng siêu âm làm thay đổi tính chất hóa học và vật lý của môi trường lỏng thông quá sự giải phóng và nổ vỡ của những bong bóng nước. Giống như các loại sóng âm khác, sóng siêu âm sinh ra những dao động nén và kéo vào các phần tử môi trường nơi mà chúng đi qua. Tại một mức năng lượng đủ lớn, sự giãn ra của sóng lôi cuốn những phân tử của chất lỏng làm hình thành các bong bóng. Những bong bóng này lớn lên bởi sự thoát khí từ môi trường lỏng vào bong bóng và các khí này không hòa tan trở lại khi bị nén. Và dưới tác dụng liên tục của sóng siêu âm, các bong bóng nước lớn dần, vỡ sinh ra những điểm có áp suất và nhiệt độ cao tác động lên màng tế bào vi sinh vật phá vỡ một phần màng tế bào vi sinh vật. Hình 23: Nguyên lý của siêu âm Hình 24: Sơ đồ thiết bị siêu âm phòng thí nghiệm Bồn nước Đầu dò - Áp suất: Màng tế bào bị phá vỡ một phần do siêu âm, dưới tác dụng của áp suất cao, các chất trong môi trường thẩm thấu vào tế bào và tế bào chất bị khuếch tán ra ngoài. Dưới tác dụng của siêu âm và áp suất đã có thể tiêu diệt vi sinh vật. - Nhiệt độ: Áp suất làm môi trường thẩm thấu vào trong tế bào, nhiệt độ làm rối loạn các quá trình sinh lí trong tế bào (biến tính protein…) và têu diệt vi sinh vật. Ngoài ra nhiệt độ giúp đẩy nhanh quá trình tiêu diệt vi sinh vật rút ngắn thời gian xử lí. 3. Quá trình nghiên cứu và phát triển: Sự tiêu diệt vi sinh vật của phương pháp mới này tốt hơn nhiều so với phương pháp nhiệt ở cùng nhiệt độ. Tỉ lệ chết của nấm men (Saccharomyces cerevisiae), tế bào sinh dưỡng (Aeromonas hydrophila) và bào tử vi khuẩn (Bacillus subtilis) là cao hơn (khoảng 10 đến 30 lần). Năm 1972, Burgos và cộng sự, báo cáo rằng xử lí siêu âm trước sẽ làm giảm hạ khả năng kháng nhiệt của Bacillus cereus. Sau đó, những tác giả giải thích rắng sự kết hợp đồng thời xử lí nhiệt và siêu âm sẽ làm giảm sự kháng nhiệt của Staphylococcus aureus khoảng 63% và với B . subtilis khoảng 43%, việc này như là một sự so sánh sự kháng nhiệt của chúng tại cùng một nhiệt độ. Việc xử lí này giảm hiệu quả khi nhiệt độ gần với điểm sôi của nước. Điều này làm hạn chế các ứng dụng của hiệu quả này cho sự phát triển của phương pháp mới. Tại nhiệt độ tiệt trùng thì nó dường như không có tác dụng, còn tại nhiệt độ thanh trùng yêu cầu của việc xử lí siêu âm khá dài. (1) (2) Hình 25: Sự kháng nhiệt của Bacillus subtilis (1) và sự kết hợp xử lí của nhiệt độ và siêu âm tại những nhiệt độ khác nhau (2). Hiệu quả của việc xử lí theo phương pháp siêu âm, nhiệt độ và áp suất cao cũng được thử nghiệm với những hinh thức bào tử khác nhau (Bacillus cereus, Bacillus coagulans and Bacillus stearothermophilus), hình thức không bào tử (Aeromonas hydrophila) và nấm men (Saccharomyces cerevisiae). Trong tất cả trường hợp, khả năng gây chết vi sinh vật của phương pháp này tăng lên (từ 5 tới 30 lần) so với xử lí nhiệt ở cùng nhiệt độ. Hiệu quả của phương pháp này phụ thuộc vào vi sinh vật: nấm men nhạy cảm với xử lí theo phương pháp này hơn trong khi bào tử thì gần như chống lại. Tất cả các nhân tố của môi trường vi sinh (pH và thành phần của môi trường) và những thông số xử lí (biên độ sống và áp suất) đã được xem là nhân tố dẫn đến sự tăng hiệu quả của quá trình tiêu diệt. (1) (3) (2) Hình 26: Đường cong tồn tại của Bacillus subtilis trên sản phẩm rau cải tươi. Siêu âm tại 40 oC, 117 micromet Nhiệt độ tại 112 oC Kết hợp tại 112 oC, 20 kHz, 117 micromet, 300 kPa V. BẢO QUẢN BẰNG HÓA CHẤT [1,5,8,9] Nói chung dung bất kì một lọai hóa chất nào để bảo quản rau quả đều dẫn đến ít nhiều làm giảm khả năng đề kháng chống bệnh tật và ảnh hưởng đến chất lựơng rau quả, mặt khác có khi làm ảnh hưởng đến sức khỏe của người sử dụng. Trước đây người ta thường sử dụng chất hóa học tổng hợp để bảo quản rau quả vì họat tính mạnh và rẻ tiền. Nhưng xu hướng hiện nay để đảm bảo sức khỏe cho người tiêu dùng và yếu tố thân thiện với môi trường người ta sử dụng các chất có nguồng gốc từ tự nhiên. 1. Các chất có nguồn gốc từ vi sinh vật: 1.1.Nisin: Nisin là chất kháng khuẩn có nguồn gốc từ vi sinh vật, nó được tạo thành trong quá trìng sống của nhóm vi khuẩn lên men lactic Steptococens lactic. Tên thương mại là Nisaphin. a. Công thức cấu tạo Hình 27: Công thức cấu tạo của nisin. b. Tính chất vật lý: Nisin được sản xuất trong công nghiệp có dạng tinh thể trắng, rất ít hòa tan trong nước nhưng độ hòa tan tăng lên trong môi trường axit: pH=2,5: độ hòa tan là 40% pH=5: độ hòa tan là 12% pH trung tính hay kiềm: chúng hòan tòan không tan. c. Tính chất hóa học: Nisin là một polypeptide có cấu tạo phân tử gần giống như phân tử protein. Trong thành phần chính của nó có các axit amin như leucin, valin, alanin, glyxin, prolin, histidin, lycin, axit glutamic, axit aspartic, serin, methionin. Trọng lượng phân tử khỏang 350. Tuy nhiên chúng thường tạo thành dimmer nên trọng lượng phân tử của chúng khỏang 700. Vì có bản chất là polypeptide nên nisin dễ bị enzyme protease phân hủy. Ví dụ: nisin bị phá hủy bởi pancreatin ở pH=8, nhiệt độ 37oC trong 15 đến 30 phút, tức là có thể bị phá hủy trong khi tiêu hóa thức ăn. d. Họat tính: Nisin chỉ có tác dụng đối với vi khuẩn, không có tác dụng đối với nấm men và nấm mốc. Đầu tiên Nisin được dung trong công nghiệp để tiêu diệt vi khuẩn kị khí (Clostridium). Sau đó được mở rộng để tiêu diệt nhiều lọai vi khuẩn khác. Nếu kết hợp nisin với acid sorbic thì trong bảo quản vừa tiêu diệt đựơc vi khuẩn vừa ức chế được nấm men nấm mốc. e. Ứng dụng: Trong khi các lọai kháng sinh khác còn gây ra nhiều lo ngại thì nisin lại có triển vọng sử dụng rộng rãi hơn vì dễ bị phá hủy, chuyển hóa nhanh, không gây tác dụng độc hại. Liều lượng sử dụng Nisin ADI=0-33000. f. Độc tính: Những thử nghiệm độc tính ngắn ngày và dài ngày không thấy ảnh hưởng độc hại gì đến máu, gan, thận… và cũng không thấy có sự thay đổi không tốt đến sức phát triển, tăng cân, sinh sản, tuổi thọ…của các súc vật thí nghiệm. 1.2.Natamycin: (Pimaricin) Natamycin là một hợp chất kháng sinh có nhiều nối đôi (polyenic antibiotic) được điều chế từ xạ khuẩn Streptomyces natalensis. a. Công thức cấu tạo: C33H47NO13 Hình 28 : Công thức cấu tạo của natamycin. b. Tính chất vật lý: Natamycin tan ít trong nước, trong lipid, các nguyên liệu dầu, glacial acetic acid, dimethyl-formamide, tan nhanh trong methanol và hầu hết các dung môi hữu cơ nên nó thích hợp cho xử lý bề mặt thực phẩm. NÓ có màu trắng đến màu kem trắng, hầu như không có mùi, dạng bột tinh thể. c. Tính chất hóa học: Natamycin có phân tử lượng 665,7. Nó có một vòng lactone lớn trong phân tử, dạng khan chứa tối thiểu 95% natamycin nguyên chất. d. Họat tính: Natamycin có tác dụng chống lại chủ yếu nấm men và nấm mốc, nó còn có tác dụng chống vi khuẩn nhưng yếu. Nồng độ tác dụng của natamycin là 5-10µg/mL thì chống lại hầu hết nấm men và, nấm mốc. e. Cơ chế tác dụng: Ức chế nấm men và nấm mốc bằng cách tác dụng với sterol trong membrane. f. Ứng dụng: Nồng độ sử dụng: 1-5mg/kg Có tác dụng tốt hơn sorbic acid và benzoic acid. Rau quả: Phun lên hoặc nhúng trong dung dịch 0.4%. g. Độc tính: Sử dụng đúng liều lượng qui định thì không gây độc nhưng ở hàm lượng cao thì có các tir65u chứng ngộ độc như cảm giác buồn nôn, hiện tượng nôn mửa, tiêu chảy đôi khi cũng được thấy sau khi dụng 300-400mg natamycin hằng ngày. Không có những thay đổi đáng kể tế bào máu. 2. Các chất có nguồn gốc từ động vật. Hiện nay một chất có nguồn gốc từ động vật đang được sử dụng ngày càng nhiều trong bảo quản rau trái là chitosan. a. Định nghĩa: Chitosan là một dạng chitin đã khử acetyl, nhưng không giống chitin nó tan được trong dung dịch acid. Chitin là một polymer sinh học có nhiều trong thiên nhiên chỉ đứng sau cellulose. Chitin là thành phần cấu trúc chính trong vỏ các động vật không xương sống trong đó có lòai giáp xác (tôm, cua). b. Đặc tính của chitosan: Là polysaccharide có đạm không độc hại, có phân tử lượng lớn. Là một chất rắn, xốp, nhẹ, hình vảy, có thể xay nhỏ theo các kích cỡ khác nhau.Chitosan có màu trắng hay vàng nhạt, không mùi. Chitosan không tan trong nước, trong kiềm hay dung dịch axid đậm đặc nhưng tan trong axid lõang (pH=6), tạo dung dịch keo trong, có khả năng tạo màng tốt, nhiệt độ nóng chảy từ 309-311oC. Nó phân hủy sinh học dễ hơn chitin c. Tác dụng của chitosan: Chitosan và các dẫn xuất của chúng đều có tính kháng khuẩn, như ức chế một số lọai vi khuẩn như E.coli, diệt được một số nấm hại ở dâu tâu, cà rốt, có tác dụng tốt trong bảo quản các lọai rau có vỏ cứng bên ngòai. Khi sử dụng màng chitosan dễ dàng điều chỉnh độ ẩm, độ thóang không khí. Màng chitosan làm chậm quá trình bị thâm của rau quả. Rau quả sau thu hoặch dần dần bị thâm, làm giảm chất lượng và giá trị. Rau quả bị thâm là do quá trình lên men tạo ra các sản phẩm polymer hóa của quinon. Nhờ bao gói bằng màng chitosan mà ức chế đựơc họat tính oxy hóa của các polyphenol, làm thành phần các anthocyamin, flavonoid và các hợp chất phenol ít bị biến đổi giữ cho rau quả tươi lâu hơn. d. Ứng dụng: Rau quả được rửa sạch rồi đem nhúng vào dung dịch chitosan 2% trong dung dịch axit 1.5%. Để khô rồi đem bảo quản lạnh. 3. Các chất có nguồn gốc từ thực vật. a. Giới thiệu chung: Khoa học thực vật, đặc biệt là khoa học về sự bảo vệ của thực vật là một trong các lĩnh vực lý thú và phát triển nhanh nhất trong sinh học hiện đại. Nghiên cứu về cơ chế bảo vệ của thực vật của sinh học hiện đại dưa trên hai con đường: - Phương thức thứ nhất dựa trên các tiến bộ trong sinh học phân tử thực vật, thông qua sự xác định trật tự các gen để xác định các gen liên quan đến sự chống lại bệnh tật ở thực vật. - Phương thức thứ hai dựa trên sinh lý học của cơ chế bảo vệ ở thực vật. Cả hai phương thức trên đều sử dụng các cơ chế mà khắc phục được nhiều nhược điểm trong kỹ thuật bảo quản theo phương thức cổ điển như ảnh hưởng đến sức khoẻ con người và ô nhiễm môi trường. Dưới đây xin giới thiệu một ứng dụng của phương thức thứ hai, đó là kỹ thuật sử dụng chất kháng khuẩn tự nhiên từ thực vật (pesticide) trong bảo quản rau trái. b. Nguyên tắc: sử dụng chất kháng khuẩn có nguồn gốc tự nhiên xử lý bên ngoài đối với rau trái tươi để kéo dài thời gian bảo quản. c. Chất kháng khuẩn tự nhiên phytoalexin: - Nguồn gốc: lá các thực vật dây leo, đặc biệt là nho và cũng có trong vỏ nho. Khi bị nấm bệnh tấn công chúng sẽ tổng hợp ra một hợp chất có tên gọi là trans-resveratrol, đây là hợp chất chống oxy hoá rất hiệu quả có tác dụng kháng nấm mốc. - Cấu tạo: trans-resveratrol là 3,5,4’-trihydroxystilbene, có công thức cấu tạo như hình bên dưới. Hình 29: Công thức cấu tạo của trans-resveratrol. - Tác dụng: trans-resveratrol có tác dụng đề kháng hiệu quả đối với loài mốc xám Botrytis cinerea, và các loài mốc khác như: Rhizopus stonifer, Plasmopara viticola, Phomopsis vitiula. - Cách xử lý bên ngoài đối với rau quả: pha trans-resveratrol với nồng độ thích hợp vào nước, nhúng ngập rau trái tươi vào dung dịch sau một thời gian ngắn rồi đem bảo quản ở nhiệt độ thấp (nhỏ hơn 80C). Ví dụ: xử lý đối với nho: nho được nhúng vào dung dịch 1.6x10-4M trong thời gian 5 giây, sau đó đem bảo quản lạnh dưới 80C. Sau 10 ngày, các chùm nho này vẫn giữ được chất lượng tốt: không bị mất nước, không có sự phát triển của nấm mốc. - Ảnh hưởng đến sức khoẻ của con người: cho đến nay nhiều nghiên cứu đã chứng minh trans-resveratrol không có tính độc đối với sức khoẻ con người. Các tác nhân sinh học có nguồn gốc từ tự nhiên vẫn là lựa chọn tốt hơn so với dùng các hoá chất trừ hại độc hại đối với sức khoẻ của con người. TÀI LIỆU THAM KHẢO: I. Sách: [1] Peter Zeuthen and Leif Bogh-Sorensen - Food preservation techniques - Publish Cambridge England, 2003. [2] Food Preservation by conbine processes - Final Report FLAIR Concerted Action No. 7, Subgroup B, 1997. [3] Victoriano Valpuesta - Fruit and vegetable biotechnology -Woodhead Publishing, 2002, 332p. [4] V M Wilkinson, G W Gould - Food Irradiation - Woodhead Publishing, 1998, 426p. [5] Wim Jongen - Fruit and vegetable processing improving quality - CRC Press, 2002, 400p. II. Các trang web: [6] machines [7] oxygen modified atmosphere packaging [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15]