Trường xung điện
Tổng quan về kĩ thuật trường xung điện
Xử lý điện trường xung (PEF) là một phương pháp chế biến thực phẩm không sử dụng nhiệt, hiệu quả cao nhờ vào việc áp dụng các xung điện áp ngắn và mạnh Những xung điện này kích thích hoạt động của tế bào thực vật, động vật và vi sinh vật, từ đó gây ra sự phân hủy tế bào và làm bất hoạt các vi sinh vật có hại.
PEF là công nghệ chế biến thực phẩm hiện đại, mang lại sản phẩm tức thì với mục tiêu tiết kiệm năng lượng và linh hoạt Nhờ vào việc giảm thiểu nhiệt độ trong quá trình chế biến, sản phẩm PEF không chỉ có thời hạn sử dụng lâu hơn mà còn giữ được giá trị dinh dưỡng tốt hơn so với các phương pháp truyền thống.
PEF cải thiện hiệu quả chiết xuất nước trái cây, đường, chất tạo màu và các hoạt chất khác, đồng thời kéo dài thời gian bảo quản sản phẩm Quá trình khuếch tán được tăng cường, giúp loại bỏ nước từ mô thực vật hoặc động vật, cũng như hấp thụ nước, gia vị và các chất phụ gia, từ đó tiết kiệm thời gian trong sản xuất.
1.2 Mô tả về trường xung điện:
Trường xung điện (PEF) có thể được áp dụng dưới nhiều dạng sóng khác nhau như phân rã theo cấp số nhân, sóng vuông, lưỡng cực hoặc xung dao động Sóng điện áp theo cấp số nhân phân rã là một điện áp một chiều tăng nhanh đến giá trị tối đa và sau đó giảm dần về 0 Để tạo ra dạng sóng phân rã theo hàm mũ, có thể sử dụng các mạch điện phù hợp Một nguồn điện DC sẽ nạp cho một tụ điện nối tiếp với một điện trở sạc (Rs), và khi có tín hiệu kích hoạt, điện năng lưu trữ trong tụ điện sẽ được truyền vào quá trình chế biến thực phẩm.
Hình 1 Mạch điện để sản xuất phân rã theo hàm mũ dạng sóng
Sóng xung lực hình vuông có khả năng gây tử vong và mang lại hiệu quả năng lượng vượt trội so với xung lực phân rã theo hàm mũ Để tạo ra dạng sóng vuông, có thể sử dụng mạng lưới hình thành xung lực (PFN), bao gồm nhiều tụ điện, cuộn cảm và thiết bị chuyển mạch trạng thái rắn.
Hình 2 Dạng sóng xung thường được sử dụng trong công nghệ PEF.
Xung đơn cực giảm dần theo cấp số nhân và xung đơn cực vuông là hai loại xung quan trọng trong nghiên cứu Bên cạnh đó, xung lưỡng cực cũng giảm dần theo cấp số nhân, trong khi xung vuông lưỡng cực thể hiện những đặc điểm riêng biệt Những thông tin này được phỏng theo và vẽ lại từ nghiên cứu của Barbosa-Canovas và Sepulveda (2005).
Các xung lực phụ tải tức thì đảo ngược được đặc trưng bởi một phần electron (+) và một phần electron (-) với độ rộng khác và độ cao các đỉnh
Mạch điện áp v của một xung lực nghịch đảo tức thời bao gồm các yếu tố quan trọng như chu kỳ xung (a) tính bằng giây, độ rộng xung (b) được đo bằng micro giây, và thời gian tăng xung động (c) để đạt điện áp đỉnh (e) tính bằng kilovolt (kV) Ngoài ra, điện áp tăng giảm đột biến (f) cũng được xác định trong mạch này.
1.2.2 Các thành phần hệ thống: (2)
Hệ thống xử lý điện trường xung bao gồm nguồn điện cao áp, tụ lưu trữ năng lượng, điện trở hạn chế dòng sạc, công tắc xả năng lượng và buồng xử lý Nguồn điện chuyển đổi điện áp từ 110V thành điện áp cao AC, sau đó chỉnh lưu thành điện áp cao một chiều để lưu trữ trong tụ điện Năng lượng này được phóng qua buồng xử lý, tạo ra điện trường trong nguyên liệu thực phẩm Hiệu điện thế cực đại trên tụ điện tương đương với hiệu điện thế trên máy phát, và bộ tụ điện được sạc bằng nguồn điện một chiều từ dòng điện thay thế Cuối cùng, công tắc điện xả năng lượng trong một phần triệu giây qua thực phẩm trong buồng xử lý.
Ngoài các thành phần chính, hệ thống còn cần một số bộ phận phụ trợ thiết yếu Trong hệ thống liên tục, máy bơm đóng vai trò chuyển thực phẩm qua buồng xử lý Hệ thống làm mát buồng giúp giảm hiệu ứng làm nóng ohmic và kiểm soát nhiệt độ thực phẩm trong quá trình xử lý Để đo điện áp và dòng điện cung cấp cho buồng, các đầu dò điện áp cao và dòng điện cao được sử dụng.
Hình 4 Các thành phần hệ thống xử lý trường xung điện.
Hệ thống xử lý điện trường xung cường độ cao là một thiết bị điện đơn giản, bao gồm nguồn điện áp cao, tủ tụ điện, công tắc và buồng xử lý Để tạo ra điện trường xung, cần phải có sự phóng điện nhanh trong thời gian ngắn, điều này được thực hiện thông qua mạng tạo xung (PFN) Mạng này bao gồm nhiều nguồn điện có khả năng sạc điện áp lên đến 60 kV, các loại công tắc như ignitron, thyratron, tetrode, khe hở tia lửa và chất bán dẫn, cùng với tụ điện có giá trị từ 0,1-10 àF, điện trở từ 2Ω đến 1O MΩ, và buồng xử lý.
Hệ thống xử lý PEF bao gồm bộ tạo xung điện áp cao, buồng xử lý, hệ thống làm mát, thiết bị đo dòng điện và điện áp, bộ điều khiển, cùng hệ thống thu thập dữ liệu Nguồn điện xung chuyển đổi điện áp thấp thành điện áp cao, sạc tụ điện và phóng năng lượng qua thực phẩm trong buồng xử lý Các buồng này chứa thực phẩm và điện cực phóng điện Sau quá trình chế biến, sản phẩm được làm lạnh, đóng gói vô trùng và bảo quản ở nhiệt độ môi trường hoặc tủ lạnh tùy theo loại thực phẩm.
Xung điện áp cao được cung cấp cho hệ thống thông qua bộ tạo xung, đảm bảo cường độ, hình dạng và thời gian phù hợp Nguồn điện áp cao có thể là nguồn điện một chiều thông thường hoặc nguồn điện từ việc sạc tụ điện với đầu vào thích hợp.
AC tần số cao cung cấp điện tích lệnh với tốc độ lặp lại cao hơn so với nguồn điện một chiều.
Hệ thống PEF nhận xung điện áp cao từ bộ tạo điện áp cao với cường độ điện trường, dạng sóng và độ rộng xung phù hợp Nguồn điện cao áp này chủ yếu được dùng để sạc và tích trữ năng lượng cho tủ tụ điện Thực phẩm lỏng có thể được chế biến trong buồng xử lý tĩnh hoặc liên tục qua máy bơm, trong đó buồng xử lý tĩnh thường được sử dụng cho nghiên cứu phòng thí nghiệm sơ bộ, còn buồng xử lý liên tục lại được ưa chuộng cho nhà máy thí điểm và quy mô công nghiệp Để ngăn ngừa các hiệu ứng nhiệt không mong muốn, hệ thống làm mát tuần hoàn nước lạnh qua các điện cực nhằm tiêu tán nhiệt sinh ra từ dòng điện đi qua thực phẩm.
Các thành phần chính của nguồn công suất cao bao gồm tụ lưu trữ và công tắc bật tắt, trong đó cuộn cảm có vai trò nhỏ hơn do tiêu thụ công suất ohmic cao Năng lượng lưu trữ trong tụ điện được sử dụng để tạo ra điện trường hoặc từ trường, giúp tăng tốc các hạt mang điện và dẫn đến các hiệu ứng nhiệt, hóa học, cơ học và sóng điện từ Điện từ trường truyền năng lượng dưới dạng sóng điện từ, với các ví dụ điển hình như tia X, vi sóng và tia laze Từ trường tạo ra áp suất cực cao, từ 0,1 GPa đến nhiều GPa, được ứng dụng để sửa đổi phân tử, nén, hàn, phân đoạn, phân mảnh hoặc phá hủy vật liệu, cũng như thay đổi bề mặt của các bộ phận và hạt hữu cơ và vô cơ.
Công tắc xả đóng vai trò quan trọng trong hiệu quả hoạt động của hệ thống PEF, với loại công tắc quyết định tốc độ, cường độ dòng điện và điện áp mà nó có thể chịu đựng Để gia tăng tuổi thọ cho hệ thống, các công tắc phù hợp bao gồm ignitron, khoảng trống tia lửa, trigatron, thyratron và chất bán dẫn Trong số đó, chuyển mạch bán dẫn thể rắn được các chuyên gia đánh giá là tương lai của công nghệ chuyển mạch công suất cao.
Hình 5 Các dạng sóng xung thường được sử dụng và các mạch điện chung.
(a)Các mạch phân rã theo cấp số nhân đơn cực và dạng sóng có thể có;
(b) Mạch vuông đơn cực và dạng sóng có thể có.
Trường xung điện trong công nghệ thực phẩm
Điện trường xung PEF là một phương pháp bảo quản thực phẩm không dùng nhiệt, sử dụng các xung điện ngắn để tiêu diệt vi sinh vật mà không làm ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng thực phẩm Công nghệ PEF cung cấp thực phẩm chất lượng cao, vượt trội hơn so với các phương pháp xử lý nhiệt truyền thống, nhờ vào khả năng duy trì màu sắc, hương vị, kết cấu và giá trị dinh dưỡng của thực phẩm chưa qua chế biến Phương pháp này giảm thiểu những thay đổi bất lợi về chất lượng và dinh dưỡng, đồng thời bảo tồn các thuộc tính vật lý và cảm quan của thực phẩm.
Hệ thống PEF trong chế biến thực phẩm bao gồm ba thành phần chính: máy phát xung điện áp cao, buồng xử lý và hệ thống điều khiển để giám sát các thông số của quá trình.
Hình 10 Sơ đồ hệ thống điện trường xung để chế biến thực phẩm.
Công nghệ PEF (Pulsed Electric Field) sử dụng xung điện áp cao để xử lý thực phẩm lỏng và bán rắn, nhằm tiêu diệt vi sinh vật trong sữa, sản phẩm từ sữa, nước trái cây và các thực phẩm khác Mặc dù nghiên cứu chủ yếu tập trung vào khía cạnh bảo quản thực phẩm và kiểm soát vi sinh vật, vẫn cần nhiều thông tin hơn về ảnh hưởng của PEF đối với thành phần, chất lượng và sự chấp nhận của thực phẩm Gần đây, một số nghiên cứu đã chỉ ra tiềm năng của PEF trong việc cải thiện quy trình chế biến thực phẩm, như tăng cường chiết xuất nước trái cây và giảm mất nước Công nghệ PEF đã được áp dụng thành công trong việc thanh trùng các sản phẩm như nước hoa quả, sữa, sữa chua, súp và trứng lỏng.
Quy trình là việc của trường xung điện
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của trường xung điện
Có 3 yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hoạt động khử vi sinh vật của kỹ thuật trường xung điện:
- Quá trình: cường độ điện trường, độ rộng xung, nhiệt độ và thời gian xử lý, hình dạng của sóng xung.
- Vi sinh vật: chủng loại, số lượng, giai đoạn tăng trưởng của vi sinh vật
- Các yếu tố sản phẩm: pH, độ dẫn điện, lực ion…
1.1 Các yếu tố quá trình: (4)
Cường độ điện trường đóng vai trò quan trọng trong việc vô hoạt hóa vi sinh vật, với sự gia tăng số lượng vi khuẩn bị vô hoạt tỷ lệ thuận với cường độ điện trường (Hüshelguer và Niemann, 1980; Dunne và cộng sự, 1996; Qin và cộng sự, 1998) Theo lý thuyết electroporation, các tác động lên màng tế bào tỉ lệ thuận với điện trường áp dụng Nhiều mô hình toán học đã được phát triển để mô tả mối quan hệ này Ngoài ra, độ rộng của xung điện cũng ảnh hưởng đến khả năng vô hoạt vi sinh vật; ví dụ, với độ rộng xung lớn hơn 50 µs, cường độ điện trường Ec là 4,9 KV/cm, trong khi với độ rộng xung nhỏ hơn 2 µs, Ec lên tới 40 KV/cm (Schoenbach và cộng sự, 1997).
Thời gian xử lý phụ thuộc vào số lượng xung và thời gian xung; việc tăng cường các yếu tố này sẽ nâng cao hiệu quả vô hoạt hóa vi sinh vật.
Chiều rộng xung trong quá trình xử lý điện trường xung (PEF) ảnh hưởng đến khả năng vô hoạt hóa vi sinh vật thông qua cường độ điện trường Tuy nhiên, việc kéo dài thời gian xung có thể dẫn đến việc tăng nhiệt độ thực phẩm không mong muốn Do đó, cần thiết lập các điều kiện chế biến tối ưu để thiết bị PEF hoạt động hiệu quả với mức tác động nhiệt thấp nhất Nghiên cứu của Hülsheger và cộng sự (1981) cho thấy mối liên hệ giữa phần sống của vi sinh vật và thời gian xử lý PEF, cho thấy số lượng vi sinh vật ngừng hoạt động tăng lên khi thời gian xử lý được kéo dài.
Mức độ quan trọng của thời gian xử lý cũng phụ thuộc vào cường độ điện trường áp dụng.
Trường xung điện có thể áp dụng dưới nhiều hình thức như phân rã, sóng vuông, dao động và lưỡng cực, trong đó hình thức dao động là hiệu quả nhất để vô hoạt vi sinh vật Sóng vuông cung cấp năng lượng cao và tiêu diệt tốt hơn so với xung phân rã, trong khi xung lưỡng cực mang lại hiệu quả diệt khuẩn tốt hơn so với xung đơn cực Sự chuyển động của các phân tử tích điện trong màng tế bào do xung lưỡng cực gây ra tạo áp lực lên màng và làm tăng khả năng phá vỡ nó Việc sử dụng xung lưỡng cực còn giúp tiết kiệm năng lượng và giảm lắng đọng chất rắn trên bề mặt điện cực Các xung đảo ngược tức thì có thể được mô tả là một phần mang điện trước và một phần không mang điện ngay sau đó, với đặc tính này bị ảnh hưởng bởi độ dẫn điện của thực phẩm được xử lý.
Sự khác biệt giữa xung đảo ngược và xung lưỡng cực nằm ở thời gian phục hồi của các xung Xung đảo ngược liên tục tạo ra áp lực xen kẽ lên tế bào vi khuẩn, làm yếu đi cấu trúc của chúng Phương pháp này có thể tiết kiệm từ 1/5 đến 1/6 tổng năng lượng và chi phí thiết bị so với các phương pháp khác trong việc vô hoạt hóa vi sinh vật Tuy nhiên, cần nghiên cứu sâu hơn để xác minh hiệu quả của phương pháp này Nghiên cứu của Zhang và cộng sự (1997) đã chỉ ra ảnh hưởng của sóng vuông, sóng phân rã và xung đảo ngược tức thì đến thời gian bảo quản nước cam.
1 Sóng vuông với điện trường cao 35 kV / cm, có chiều rộng xung là 37,22 μs và kéo dài xung một thời gian là 60 ns.s và kéo dài xung một thời gian là 60 ns.
2 Phân rã theo cấp số nhân với một sóng điện trường cao 62,5 kV / cm, có chiều rộng xung là 0,57 μs và kéo dài xung một thời gian là 60 ns.s và xung một thời gian là 40 ns
3 Xung đảo ngược với điện trường cao điểm là 37 kV / cm, có chiều rộng xung 0,96μs và kéo dài xung một thời gian là 60 ns.s, và xung một thời gian là 400 ns.
Nghiên cứu cho thấy sóng vuông vượt trội hơn hai dạng sóng khác trong việc vô hoạt S.Cerevisiae Qin và cộng sự (1994) đã so sánh hiệu quả của sóng hình mũ phân rã và sóng vuông dưới điều kiện điện trường cao điểm 12 KV/cm và 60J/xung Kết quả cho thấy cả hai dạng sóng đều có khả năng vô hoạt vi sinh vật, nhưng sóng vuông mang lại hiệu quả tốt nhất.
Nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra rằng nhiệt độ xử lý và chế biến có tác động đáng kể đến khả năng sống sót và phục hồi của vi sinh vật.
Xử lý thực phẩm bằng phương pháp PEF ở nhiệt độ từ 50-60oC cho thấy nhiệt độ có tác động lớn đến việc vô hoạt hóa vi sinh vật, với mức độ vô hoạt hóa tăng khi nhiệt độ tăng Cường độ điện trường không chỉ giúp vô hoạt hóa vi sinh vật mà còn làm tăng nhiệt độ của thực phẩm, do đó, việc làm nguội là cần thiết để giữ nhiệt độ thực phẩm thấp hơn so với phương pháp thanh trùng Nghiên cứu của Vega-Mercado và cộng sự (1996) cho thấy E coli giảm từ 1-6,5 lần khi nhiệt độ thay đổi từ 32-55oC.
1.2 Các yếu tố về thành phần: (4)
1.2.1 Tính dẫn điện, pH, lực ion:
Các tính dẫn điện trung bình (σ, Siems/m) thể hiện khả năng dẫn điện hiện hành và là yếu tố quan trọng trong PEF Dẫn điện là nghịch đảo của điện trở suất, được ký hiệu là r và đo bằng ohm-mét (Ω.m) Thực phẩm có tính dẫn điện cao tạo ra các điểm điện nhỏ hơn trong buồng xử lý, do đó không phù hợp để xử lý bằng PEF (Barbosa-Cánovas và cộng sự, 1999).
Khi Lactobacillus brevis bị vô hoạt bằng phương pháp PEF, tính dẫn điện của chất lỏng tăng lên, dẫn đến giảm khả năng chống ăn mòn của buồng xử lý Sự gia tăng độ dẫn điện làm tăng lực liên kết ion trong chất lỏng, đồng thời giảm độ rộng xung và khả năng vô hoạt vi sinh vật Hơn nữa, sự chênh lệch độ dẫn điện giữa tế bào và vi sinh vật gia tăng sẽ làm suy yếu cấu trúc màng tế bào do sự gia tăng lượng ion qua màng tế bào.
Nghiên cứu của Vega-Mercado và cộng sự (1996) đã chỉ ra rằng pH và lực ion của môi trường có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả xử lý bằng PEF Cụ thể, tỷ lệ vi sinh vật bị vô hoạt hóa tăng rõ rệt từ chu kỳ 2,5 khi lực ion được điều chỉnh từ 168 xuống 28mm.
(1996) báo cáo rằng, tùy thuộc vào loại vi sinh vật, độ pH mà làm tăng khả năng vô hoạt hóa các vi sinh vật.
Nghiên cứu của Dunne và cộng sự (1996) đã chỉ ra rằng vi sinh vật như E.coli, L.innocua, Staphylococcus aureus và Lactobacillus acidophilus có thể bị vô hoạt trong hệ thống hạt alginate có đường Bên cạnh đó, các vấn đề mới trong thực phẩm kính 2mm và tác động của các yếu tố khác trong phương pháp này cũng đã được thử nghiệm.
1.2.3 Kết hợp các yếu tố:
Cơ chế hoạt động
Công nghệ PEF hoạt động dựa trên việc áp dụng các xung điện trường cao với cường độ từ 10-80 kV/cm và thời gian từ micro giây đến mili giây Thời gian xử lý được xác định bằng cách nhân số lần xung với thời gian xung hiệu dụng Quá trình này diễn ra khi dòng điện xung được chuyển đến sản phẩm giữa hai điện cực, với khoảng cách giữa các điện cực gọi là khoảng cách điều trị của buồng PEF Điện áp cao tạo ra điện trường giúp bất hoạt vi sinh vật, có thể được áp dụng dưới dạng xung phân rã, sóng vuông, lưỡng cực hoặc dao động, ở nhiệt độ môi trường xung quanh hoặc cao hơn một chút Sau khi xử lý, thực phẩm được đóng gói vô trùng và bảo quản trong tủ lạnh, với sản phẩm thực phẩm nằm giữa hai điện cực trong buồng, thường ở nhiệt độ phòng Thực phẩm có khả năng truyền điện do sự hiện diện của các ion, dẫn đến độ dẫn điện nhất định, cho phép dòng điện chạy vào thức ăn lỏng và phân phối đều nhờ các phân tử tích điện.
Một số công nghệ chế biến không nhiệt đã được phát triển dựa trên nguyên tắc giữ thực phẩm ở nhiệt độ thấp hơn so với chế biến nhiệt thông thường Những công nghệ này giúp bảo toàn chất lượng dinh dưỡng của thực phẩm, bao gồm vitamin, khoáng chất và hương vị, đồng thời tiêu thụ ít năng lượng hơn Các phương pháp như áp suất thủy tĩnh cao, từ trường dao động, xung ánh sáng cường độ cao, chiếu xạ, hóa chất và hóa sinh, điện trường xung cường độ cao, cùng với khái niệm rào cản đã trở thành những công nghệ phi nhiệt mới nổi trong những năm gần đây.
Công nghệ PEF gây ra sự phá hủy màng tế bào vĩnh viễn, dẫn đến việc vi sinh vật bị bất hoạt Ứng dụng của công nghệ này rất đa dạng, đặc biệt trong lĩnh vực công nghệ sinh học và kỹ thuật di truyền, nơi nó được sử dụng để kết hợp điện trong quá trình lai tế bào (Chang và cộng sự, 1992).
Hình 11 Cơ chế tiêu diệt vi sinh vật
Một số công nghệ chế biến không nhiệt đã được phát triển dựa trên nguyên tắc giữ thực phẩm ở nhiệt độ thấp hơn so với chế biến nhiệt thông thường Những công nghệ này giúp bảo tồn chất lượng dinh dưỡng của thực phẩm, bao gồm vitamin, khoáng chất và hương vị, đồng thời tiêu thụ ít năng lượng hơn Các công nghệ phi nhiệt mới nổi trong những năm gần đây bao gồm áp suất thủy tĩnh cao, từ trường dao động, xung ánh sáng cường độ cao, chiếu xạ, sử dụng hóa chất và hóa sinh, điện trường xung cường độ cao và khái niệm rào cản (Barbosa-Cánovas và cộng sự, 1999).
Dự đoán này dựa trên khả năng của PEF trong việc bất hoạt vi sinh vật trong thực phẩm, giảm hoạt tính enzym và kéo dài thời hạn sử dụng mà không làm thay đổi đáng kể chất lượng sản phẩm so với ban đầu Tùy thuộc vào cường độ trường, hiệu ứng điện có thể là thuận nghịch (phóng điện qua màng tế bào) hoặc không thể đảo ngược (phá vỡ màng tế bào), và hiệu ứng này có thể được kiểm soát theo từng ứng dụng (Ho và Mittal, 1996).
Công nghệ PEF, theo Zimmermann và Benz (1980), sử dụng năng lượng phát xung để xử lý sản phẩm thực phẩm trong một buồng PEF với các điện cực Thiết bị bao gồm máy phát xung điện áp cao và hệ thống xử lý chất lỏng, giúp giám sát và điều khiển quá trình Sản phẩm được đặt trong buồng xử lý, nơi hai điện cực được ngăn cách bằng vật liệu không dẫn điện, nhằm tránh dòng điện trực tiếp Các xung điện áp cao được truyền vào điện cực, tạo ra điện trường mạnh mẽ tác động lên sản phẩm, gây ra sự phá vỡ màng tế bào vi sinh vật Quá trình này dẫn đến sự phân hủy điện môi của màng tế bào và tương tác với các phân tử thực phẩm (Fernandez-Díaz và cộng sự, 2000; Zimmermann, 1986) Nhờ đó, công nghệ PEF được ứng dụng trong việc thanh trùng nhiều loại thực phẩm như nước trái cây, sữa, sữa chua, súp và trứng lỏng (Vega-Mercado et al., 1997; Bendicho, 2003; Puértolas et al., 2004).
Hình 12 Sơ đồ quy trình của một hệ thống chế biến thực phẩm PEF với thành phần cơ bản.
3 Ưu nhược điểm của xung điện trường: (3-9) Ưu điểm khi sử dụng kỹ thuật trường xung điện: Tiêu tốn ít nguyên liệu, giảm giá thành sản phẩm Không ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm, thực phẩm vẫn giữ nguyên được giá trị dinh dưỡng và làm giảm đáng kể những thay đổi bất lợi về tính chất cảm quan và vật lí của thực phẩm: màu sắc hương vị Kĩ thuật trường xung điện sử dụng điện để hoạt động, đảm bảo an toàn và không gây ô nhiễm môi trường Thời gian xử lí ngắn. Kéo dài thời hạn sử dụng của sản phẩm Diệt tế bào sinh dưỡng; không có bằng chứng độc tính; thời gian điều trị tương đối ngắn; tan băng cấp tốc; khử nhiễm nhiệt thức ăn nhạy cảm; thích hợp nhất cho thức ăn lỏng; tiệt trùng nước trái cây, súp, trứng lỏngvà sữa; không có nguy cơ môi trường.
Mặc dù công nghệ PEF mang lại nhiều lợi ích trong sản xuất thực phẩm, nhưng vẫn tồn tại một số hạn chế như chi phí đầu tư cao và giá thành sản phẩm đắt đỏ Hiệu quả của trường xung điện chủ yếu đối với vi sinh vật, nhưng các bào tử và tế bào gây bệnh vẫn có thể sống sót do lớp bảo vệ cứng Thực phẩm cần được bảo quản lạnh để đảm bảo an toàn Công nghệ này cũng chỉ hiệu quả với thực phẩm không có bọt khí và độ dẫn điện thấp, do đó sự hiện diện của bong bóng có thể gây ra các vấn đề về xử lý và an toàn Ngoài ra, phương pháp này không phù hợp với sản phẩm rắn có khả năng bơm Các sản phẩm từ quá trình điện phân có thể ảnh hưởng tiêu cực đến thực phẩm, và hiệu quả sử dụng năng lượng vẫn chưa được xác định rõ Hơn nữa, việc áp dụng công nghệ này còn bị giới hạn đối với các sản phẩm thực phẩm chịu được điện trường cao, trong khi kích thước hạt của thực phẩm lỏng cần phải nhỏ hơn khe hở trong buồng xử lý để đảm bảo hiệu quả.
Ứng dụng công nghệ trường xung điện trong công nghệ thực phẩm
Ứng dụng trong chế biến nước cam
Trong những thập kỷ qua, chế biến điện trường xung (PEF) đã thu hút sự chú ý lớn nhờ khả năng cải thiện sản phẩm thực phẩm và cung cấp các lựa chọn thay thế cho phương pháp chế biến truyền thống Quá trình PEF giúp tạo ra nước trái cây an toàn, ổn định và giữ được các đặc tính dinh dưỡng cũng như cảm quan tương tự như sản phẩm tươi Với nhiệt độ xử lý thấp và thời gian cư trú ngắn, PEF đạt hiệu quả cao trong việc khử hoạt tính vi sinh vật mà vẫn duy trì chất lượng sản phẩm Ứng dụng thương mại đầu tiên của PEF trong bảo quản nước trái cây đã ra mắt vào năm 2006 tại Hoa Kỳ, và từ đó, các thiết bị chế biến quy mô công nghiệp đã được phát triển, bao gồm một dây chuyền bảo quản nước trái cây công nghiệp tại Châu Âu vào năm 2009, sử dụng xung 20 kV/cm ở nhiệt độ 40 đến 50 °C để kéo dài độ ổn định lạnh của nước trái cây, như nước ép cam quýt và sinh tố.
Hình 13 Ứng dụng công nghệ trường xung điện vào chế biến
Nghiên cứu đã chỉ ra tác động của phương pháp xử lý điện trường xung (PEF) đối với việc khử vi sinh vật, loại bỏ thành phần dễ bay hơi và cải thiện các đặc điểm cảm quan của nước cam Các phương pháp xử lý nhiệt nhẹ và chuyên sâu cũng đã được áp dụng để so sánh hiệu quả Hệ thống PEF quy mô thí điểm với tốc độ dòng chảy 30 L/h và cường độ trường tối đa 20 kV/cm đã được sử dụng, cho thấy tiềm năng của PEF trong việc xử lý nước cam.
Phương pháp xử lý điện trường xung (PEF) với mức năng lượng 150 kJ/L cho thấy khả năng bảo tồn các hợp chất hương vị tươi như dl-limonene, β-myrcene, α-pinen và valencene hiệu quả hơn so với xử lý nhiệt chuyên sâu Các phân tích mô tả và cảm quan xác nhận rằng nước cam xử lý bằng PEF có độ tương đồng cao hơn so với nước cam không qua xử lý Kết quả nghiên cứu cho thấy PEF là một kỹ thuật chế biến tiềm năng giúp giữ lại hương vị và mùi vị tươi ngon của nước cam mới vắt.
Ứng dụng trong chế biến khoai tây
Trong chế biến khoai tây, hệ thống PEF là một giải pháp thay thế hiệu quả cho các lò sơ chế truyền thống Công nghệ PEF không chỉ nâng cao chất lượng cắt và giảm tình trạng gãy vỡ của cá chiên kiểu Pháp, mà còn tối ưu hóa hiệu quả sấy khô Quá trình điện trường xung tạo ra các lỗ nhỏ trong thành tế bào khoai tây, giúp cải thiện các quy trình cắt, chần, sấy và chiên.
Khoai tây là một chất dẫn điện hiệu quả nhờ vào độ rắn chắc, chứa khoảng 80% nước và giàu kali Công nghệ điện trường xung (PEF) giúp làm mềm mô và tăng cường vận chuyển khối lượng, từ đó cải thiện quá trình cắt khoai tây, nâng cao chất lượng sản phẩm và tăng công suất quy trình Áp suất thẩm thấu trong tế bào được giảm nhờ vào việc làm bền màng tế bào, khiến khoai tây trở nên đồng nhất hơn và cải thiện cấu trúc, đồng thời giảm thiểu sự biến đổi theo mùa.
Cường độ trường thích hợp cho khoai tây thay đổi tùy thuộc vào giống, nằm trong khoảng từ 0,8 đến 1,5 kV/cm, trong khi năng lượng cung cấp tiếp theo dao động từ 0,2 đến 1,5 kJ/kg.
Kết quả từ việc cắt khoai tây bằng phương pháp xử lý PEF cho thấy bề mặt khoai tây nhẵn, các cạnh sắc và giảm lực cắt khoảng 40% so với khoai tây nguyên củ Công nghệ PEF tối ưu hóa cấu trúc sản phẩm, giúp cắt khoai tây chiên kiểu Pháp ít bị gãy và vỡ, tạo ra những miếng khoai tây dài và mỏng hơn Sự cải thiện trong khả năng cắt khoai tây chiên giòn giúp bề mặt mịn màng hơn và giảm thiểu màu sắc Hơn nữa, việc hấp thụ dầu và giữ nước giảm, dẫn đến khoai tây chiên giòn hơn.
Xử lý điện trường xung trong sản xuất khoai tây nghiền giúp loại bỏ các biến thể cấu trúc, từ đó giảm đáng kể số lượng và kích thước của các cục, mang lại độ mịn cao hơn và hương vị ngon hơn cho món ăn.
Ứng dụng trong chế biến nước sốt (sốt cà chua, sốt thịt, sốt salad)
Mục tiêu xử lý PEF: Bất hoạt vi sinh vật, tăng thời hạn sử dụng.
Chế biến PEF giúp kéo dài thời hạn sử dụng của các sản phẩm thực phẩm lỏng như nước sốt, đồng thời cải thiện độ ổn định vi sinh vật và giữ lại giá trị dinh dưỡng tốt hơn so với phương pháp thanh trùng bằng nhiệt Phương pháp này bảo tồn các vitamin, chất chống oxy hóa và sắc tố, tạo ra những loại nước sốt lành mạnh, tươi ngon và hấp dẫn hơn Thời hạn sử dụng của sản phẩm chế biến bằng PEF có thể so sánh với sản phẩm thanh trùng bằng nhiệt, với cường độ trường yêu cầu từ 10 đến 20 kV/cm và năng lượng cung cấp từ 50 đến 120 kJ/kg.
Khử nhiễm có mục tiêu và kiểm soát được thông qua thẩm thấu qua màng tế bào của vi sinh vật, giúp nâng cao hiệu quả quy trình bằng cách giảm năng lượng, lao động và chi phí vận hành Các vitamin, khoáng chất, sắc tố, chất chống oxy hóa và hương vị được bảo toàn, tạo ra sản phẩm cuối cùng vừa lành mạnh, vừa tươi ngon và hấp dẫn Protein hầu như không bị ảnh hưởng, trong khi thời hạn sử dụng kéo dài mang lại sự linh hoạt cho kế hoạch sản xuất Quy trình diễn ra liên tục với kỹ thuật nhanh chóng, thiết bị có dấu chân nhỏ và yêu cầu năng lượng thấp, giúp quá trình khởi động nhanh chóng.
Ứng dụng trong xử lý trái cây
Ví dụ về sản phẩm: Nước ép trái cây, trái cây xay nhuyễn, trái cây cắt sẵn.
Mục tiêu của xử lý PEF là bất hoạt vi sinh vật nhằm kéo dài thời hạn sử dụng, đồng thời phân hủy tế bào và thay đổi cấu trúc để tối ưu hóa hiệu quả chiết xuất và tinh chế.
- Chiết xuất trái cây lạnh:
PEF (Pulsed Electric Field) được sử dụng để làm mềm mô trái cây nguyên quả rắn, giúp tăng cường quá trình chiết xuất trái cây ở nhiệt độ môi trường Quá trình này không chỉ hỗ trợ sản xuất nước xay nhuyễn và chế phẩm từ các loại trái cây như xoài, mơ, đào và táo, mà còn nâng cao năng suất tinh chế và giảm chi phí Hơn nữa, quá trình tinh chế lạnh giữ được chất lượng sản phẩm, bảo toàn các vitamin, hợp chất hương vị, chất chống oxy hóa, màu sắc và độ tươi của trái cây.
Để tăng cường vận chuyển khối lượng lớn và giải phóng nước trái cây, cường độ trường cần thiết nằm trong khoảng từ 1,0 đến 3,0 kV/cm, tương ứng với phân phối năng lượng phù hợp.
Sửa đổi cấu trúc của dâu tây thông qua xử lý PEF giúp làm mềm mô nhờ vào sự giảm áp suất turgor Cường độ trường cần thiết cho quá trình này dao động từ 0,5 đến 1,0 kV/cm, trong khi năng lượng cung cấp yêu cầu là từ 0,5 đến 5,0 kJ/kg.
- Tăng thời hạn sử dụng:
Để kéo dài thời hạn sử dụng của các sản phẩm trái cây dạng lỏng như nước ép, nước trái cây và sinh tố, cần áp dụng xử lý PEF với cường độ trường và năng lượng đầu vào cao hơn, cụ thể là từ 10 - 20 kV/cm và 50 - 120 kJ/kg.
- Tiệt trùng các sản phẩm axit thấp:
Tiệt trùng bằng nhiệt kết hợp và xử lý PEF là phương pháp hiệu quả cho các sản phẩm axit thấp như chuối và kiwi xay nhuyễn, giúp tránh thay đổi màu sắc và vô hiệu hóa bào tử cùng enzym Xử lý nhiệt tiêu chuẩn ở nhiệt độ 130-135 °C (266-275 °F) thường làm cho chuối chuyển sang màu hồng và kiwi chuyển sang màu nâu ở 90-95 °C (194-203 °F) Tuy nhiên, việc áp dụng nhiệt độ thấp hơn kết hợp với xử lý PEF trong thời gian ngắn dưới một giây có thể cải thiện chất lượng sản phẩm và quy trình.
Trong bối cảnh hiện đại, nhu cầu về thực phẩm sạch ngày càng tăng cao Việc áp dụng công nghệ trường xung điện (PEF) trong chế biến thực phẩm trở thành một yếu tố quan trọng Nghiên cứu về công nghệ này đang diễn ra trên toàn cầu, chủ yếu ở quy mô phòng thí nghiệm và nhà máy thí điểm, với nhiều kết quả khả quan.
Mục tiêu chính của công nghệ bảo quản thực phẩm trong ngành công nghiệp thực phẩm là kiểm soát sự ô nhiễm vi sinh vật Các phương pháp bảo quản này tập trung vào việc ngăn chặn sự phát triển và bất hoạt vi sinh vật để đảm bảo an toàn cho thực phẩm.
Điện trường xung (PEF) là một phương pháp bảo quản thực phẩm không dùng nhiệt, có khả năng thay thế các phương pháp chế biến nhiệt truyền thống Khi thực phẩm tiếp xúc với các xung điện trường cao, màng tế bào sẽ hình thành các lỗ chân lông, có thể tồn tại vĩnh viễn hoặc tạm thời tùy thuộc vào điều kiện điều trị Hệ thống xử lý điện xung bao gồm máy phát xung công suất cao, tế bào xử lý và thiết bị đo điện áp, dòng điện Tế bào xử lý thường có hai điện cực song song, được bảo vệ bằng vật liệu cách nhiệt để chứa thực phẩm Công nghệ này sử dụng các xung điện ngắn từ micro đến mili giây với cường độ từ 10-80 kV/cm, áp dụng cho sản phẩm thực phẩm trong môi trường nhiệt độ phòng.
PEF có khả năng vô hiệu hóa vi sinh vật trong thực phẩm, giảm hoạt tính enzym và kéo dài thời hạn sử dụng mà không làm thay đổi đáng kể chất lượng sản phẩm so với ban đầu Sự kết hợp điện trong PEF có thể thuận nghịch, phụ thuộc vào cường độ của trường điện, cho phép phóng điện qua màng tế bào.
Nhóm chúng tôi đã nghiên cứu ứng dụng công nghệ trường xung điện trong chế biến thực phẩm, nhằm cung cấp thông tin hữu ích và nhấn mạnh tầm quan trọng của công nghệ này trong ngành thực phẩm hiện nay.
