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

MỤC LỤC Phần 1: CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY HƯ HỎNG RAU TRÁI TƯƠI [10,13,1] Rau trái tươi là loại thực phẩm có nhu cầu ngày càng cao do chúng chứa các thành phần dinh dưỡng rất tốt cho sức khoẻ con người, không chứa các phụ gia do chưa qua chế biến. Tuy nhiên, rau trái tươi lại rất dễ bị hư hỏng và việc bảo quản để giữ được chất lượng là không thể thiếu trong buôn bán thương mại hiện nay. Nguyên nhân dẫn tới hư hỏng rau trái tươi rất đa dạng nên trong quá trình bảo quản cần hạn chế tới mức tối thiểu các hư hỏng này. 1. Sự hô hấp Rau trái là những hàng hóa tươi sống, do đó tốc độ hô hấp có ảnh hưởng quan trọng đến chất lượng rau trái tươi. Thường thì tốc độ hô hấp càng cao thì thời gian bảo quản càng ngắn. Tốc độ hô hấp phụ thuộc vào từng loại rau trái. Những quả chưa trưởng thành như đậu hà lan, hay quả đậu phộng thì có tốc độ hô hấp cao hơn quả trưởng thành, nhưng ở cà chua và củ hành thì ngược lại, quả trưởng thành có tốc độ hô hấp cao hơn. Hô hấp là quá trình chuyển hóa năng lượng trong các liên kết hóa học thành một dạng khác có ích hơn cho tế bào, mục đích để cung cấp cho các phản ứng chuyển hóa khác trong tế bào. Ở điều kiện có O2, rau trái thực hiện hô hấp hiếu khí. Trong quá trình hô hấp, O2 và glucose được tiêu thụ, trong khi CO2, H2O và nhiệt được sinh ra. Ở mô lá và hoa chưa trưởng thành như rau diếp, spinach, bông cải xanh, do dự trữ năng lượng ít nên cần hô hấp nhiều. Nhưng quá trình hô hấp lại làm tăng tốc độ lão hóa, dẫn đến mô mềm, thành tế bào dễ vỡ, và dịch bào bên trong tế bào chảy ra ngoài, vi khuẩn hoại sinh có thể phát triển, gây ra mùi hôi thối. Đồng thời, nếu nhiệt từ quá trình hô hấp không được tản đi kịp thời thì nhiệt sinh ra lại có tác dụng kích thích quá trình hô hấp, dẫn tới rau trái nhanh chóng bị hư hỏng hơn. Trái có đỉnh đột phá hô hấp có thể được thu hoạch lúc chưa chín muồi, và được dú chín sau đó (chuối, xoài, cà chua, lê tàu…). Trong quá trình chín của trái có đỉnh đột phá hô hấp, có một khoảng thời gian ngắn, cường độ hố hấp của trái sẽ tăng lên đột ngột. Nếu không điều chỉnh nhiệt độ, sau khoảng thời gian này, trái sẽ nhanh chóng chín muồi và lão hóa nhanh chóng. Tóm lại, nếu nhiệt độ không được điều chỉnh thì nhiệt sinh ra từ quá trình hô hấp sẽ làm tăng sự mất nước, hơn nữa còn tăng nhiệt và tăng ẩm, mà trong quá trình bảo quản, chính nhiệt và ẩm sẽ hỗ trợ cho sự phát triển của vi khuẩn và nấm mốc. 2. Sự tạo thành khí ethylene Khí ethylene là một hormone thực vật đóng vai trò quan trọng trong quá trình chín và sự lão hóa ở trái (Reid, 1992). Tất cả các tế bào thực vật đều sinh ra khí ethylene ở mức độ thấp. Tuy nhiên, các nguyên nhân gây stress ở tế bào thực vật sẽ dẫn tới thúc đẩy sự tổng hợp khí ethylene nhiều hơn. Các nguyên nhân gây stress có thể là sự mất nước quá mức, các tổn thương cơ học, hoặc sự tấn công của mầm bệnh. Trái có đỉnh đột phá hô hấp sản xuất ra khí ethylene với tốc độ nhanh nhất khi bắt đầu chín muồi, và hormone này được cho là thúc đẩy và phối hợp các biến đổi sinh hóa và sinh lý xuất hiện trong quá trình chín. Sự tạo thành khí ethylene có thể dẫn tới việc tăng tốc quá trình chín và sự lão hóa. Ví dụ, rau xanh bị mất đi màu xanh nhanh chóng; chất xơ dày lên ở măng tây; hiện tượng mềm quả hoặc chín sớm có thể xảy ra ở quả chưa chín; ở bắp cải và bông cải xảy ra hiện tượng rụng lá nhanh hơn. 3. Sự lão hóa Sự lão hóa là sự hóa già tự nhiên ở mô thực vật và nó được thúc đẩy bởi sự có mặt của khí ethylene, và bất kỳ yếu tố nào khác làm tăng tốc độ hô hấp. Một số biến đổi trong quá trình lão hóa có thể ảnh hưởng đến việc chế biến rau trái tươi. Ví dụ, sự thay đổi cấu trúc hóa học và vật lý của thành tế bào, trong khi sự nguyên vẹn của thành tế bào đóng vai trò quan trọng đối với cấu trúc của sản phẩm chế biến. 4. Sự nảy mầm và kéo dài ngọn Rễ, thân, và củ có một khoảng thời gian ngủ tự nhiên, và thời gian ngủ này có thể được kéo dài ra trong quá trình bảo quản. Sự nảy chồi làm chấm dứt thời gian ngủ, và làm giảm thời gian bảo quản và sử dụng. Sự nảy chồi thường gặp ở khoai tây và củ hành. Trong khi trong đều kiện độ ẩm không khí cao, thường xuất hiện sự kéo dài ngọn ở măng tây. Cả sự nảy mầm, sự kéo dài ngọn, hay kéo dài rễ đều là điều không thể chấp nhận được đối với sản phẩm rau trái tươi khi bán ra thị trường. Trong khi đó, sản phẩm chế biến ít bị ảnh hưởng hơn do rễ và chồi có thể được cắt đi trong quá trình chế biến. Tuy nhiên, ngay cả khi nó không ảnh hưởng tới vẻ bề ngoài của sản phẩm chế biến thì chất lượng bên trong của sản phẩm cũng bị giảm sút, do sự phân bố vật chất không đồng đều. Ví dụ, trong quá trình bảo quản khoai tây, xảy ra hiện tượng nảy mầm, tinh bột khi biến thành đường sẽ được vận chuyển đến các điểm phát triển thành chồi. 5. Sự mất nước Rau trái thường có một lớp sáp bảo vệ, tránh khỏi sự tấn công của côn trùng, mầm bệnh, sự tổn thương cơ học và cả sự mất nước. Lớp sáp tuy có thể làm giảm sự mất nước từ bề mặt thực vật nhưng không thể ngăn cản hoàn toàn sự mất nước. Nếu lớp bảo vệ bị tổn thương, thì sự mất nước có thể trầm trọng hơn. Ở các cơ quan đã trưởng thành như thân, rễ, quả, các mô sẽ dày lên và hóa gỗ để duy trì cấu trúc của nó khi già. Tuy nhiên, sự có mặt của các chất xơ thô trong thành phần là không mong muốn đối với rau trái tươi, vì thế nhiều loại rau được thu hoạch khi chưa trưởng thành. Do đó, cấu trúc của rau trái tươi không do thành phần xơ thô trong tế bào nữa, mà phụ thuộc vào áp suất trương của tế bào. Áp suất trương là áp suất được tạo ra khi chất tan chiếm đầy trong không bào, nén ép vào thành tế bào. Nếu quá nhiều nước bị mất đi khỏi mô bào thì áp suất trương sẽ giảm xuống dẫn đến rau trái bị héo, và bề mặt bị nhăn nheo. Tốc độ mất nước sau thu hoạch phụ thuộc chủ yếu vào chênh lệch áp suất hơi nước giữa bên trong và bên ngoài tế bào. Tuy nhiên, có nhiều yếu tố khác ảnh hưởng đến sự mất nước: tỷ lệ diện tích bề mặt và thể tích càng lớn thì sự mất nước diễn ra càng nhanh, thường thấy rau lá mất nước nhanh hơn quả có hình cầu; lớp sáp trên bề mặt quả; và cấu tạo của vỏ. Một số trái có vỏ dày như citrus, chuối… có thể bị mất một lượng ẩm từ vỏ mà không ảnh hưởng tới chất lượng của phần ăn được. Tuy nhiên, nếu vỏ ngoài bị tổn thương thì sự mất nước sẽ diễn ra nhanh chóng. Trái có vỏ mỏng thì mất nước nhanh hơn trái có vỏ dày, ví dụ như nho thì quá trình mất nước xảy ra rất nhanh chóng. Ngoài ra, sự mất nước còn dẫn tới việc thúc đẩy sự tạo thành khí ethylene. 6. Nấm và vi khuẩn gây bệnh Vi sinh vật quan trọng nhất gây hư hỏng rau trái tươi là nấm, bởi vì điều kiện acid trong rau trái tươi có khuynh hướng ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn (đa số vi khuẩn thích hợp với môi trường trung tính hơn acid). Mầm bệnh chủ yếu xâm nhập vào các mô bị tổn thương. Ví dụ loài Pencillium là nguyên nhân gây ra các bệnh mốc xanh lá cây và xanh da trời đối với citrus, chỉ xâm nhập và gây bệnh khi trái bị tổn thương, không gây hại khi trái không bị tổn thương. Nói chung, rau trái tươi không bị tổn thương có khả năng đề kháng đối với mầm bệnh, nhờ hàng rào tự nhiên là vỏ trái và sự có mặt của các chất chống vi sinh vật trên vỏ trái. Một số vi khuẩn có thể xâm nhập thông qua các khoảng hở tự nhiên như các khí khổng hay khe nứt sinh trưởng. Các nhóm vi khuẩn thường gặp là các nhóm vi khuẩn gây thối như Erwinia. Dưới điều kiện thích hợp (sự có mặt của nước tự do), chúng có thể xâm nhập vào cà chua, thông qua các khe nứt sinh trưởng, chúng sinh ra một lượng lớn các enzyme ngoại bào và nhanh chóng phá hủy tế bào, gây thối rửa và mùi khó chịu. Chỉ có một số rất ít nấm có thể xâm nhập trực tiếp vào phần vỏ không bị tổn thương của rau trái. Nhìn chung, những mầm bệnh này tương đối nguy hiểm và khó giải quyết, bởi vì chúng chưa gây bệnh cho rau trái trước khi thu hoạch, nhưng vẫn còn tồn tại ở dạng không hoạt động. Hiện tượng này thường thấy ở quả hơn, ban đầu mầm bệnh xâm nhập và tồn tại ở dạng không hoạt động khi quả chưa chín, khi quả chín, chúng chuyển sang dạng hoạt động và bắt đầu xâm nhập vào các mô. Colletotrichum gloeosporioide là một mầm bệnh thường thấy gây bệnh theo kiểu này, trên một số rau trái vùng nhiệt đới như xoài, đu đủ… Triệu chứng thường thấy là bề mặt trái bị lõm hay gây các tổn thương trên bề mặt và có thể sinh bào tử màu hồng đến da cam. Colletotrichum musae cũng gây các triệu chứng tương tự ở chuối. Botrytis cinerea gây bệnh chủ yếu ở dâu tây, bào tử tạo thành có màu nâu, hình thành ở 20oC. Các bệnh trên da có thể không ảnh hưởng đến chất lượng bên trong của trái, nhưng gây tổn thất giá trị kinh tế nghiêm trọng, do khuyết điểm về hình dáng bề ngoài. Khoai tây là một ví dụ vì dễ dàng mắc các bệnh liên quan tới da như mốc đen (Rhizoctonia solani); chấm đen (Colletotrichum coccodes); mốc vàng (Helminthosporium solani) và bệnh nấm vảy (Streptomyces scabies), bệnh này có thể lan rộng nhanh chóng trên thân khi tăng nhiệt độ (Snowdon, 1991). Nhìn chung, các ảnh hưởng của nấm mốc và vi khuẩn được thúc đẩy bởi điều kiện độ ẩm cao mà cụ thể là sự có mặt của nước tự do. Mầm bệnh của rau trái có thể hạn chế được nếu như quan tâm đến khả năng phát triển của chúng ở điều kiện nhiệt độ khác nhau, tuy nhiên chúng thường phát triển trong khoảng 6-35oC. Một số vẫn tồn tại, thậm chí phát triển (mặc dù chậm) ở nhiệt độ thấp khoảng 1oC. Ví dụ Botryodiplodia theobromae hay Aspergillus niger ưa mát, và có khuynh hướng gây bệnh nghiêm trọng khi ẩm cao. Mầm bệnh có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến rau quả tươi dùng chế biến công nghiệp. Ví dụ như sự có mặt của Alternaria trong một vài loại citrus có thể gây thối rửa hoặc gây mùi khó chịu; sự có mặt của các enzyme từ vi sinh vật nhiễm (như Rhizopus) làm mềm sản phẩm đóng hộp ngay cả khi nấm đã bị tiêu diệt trong quá trình thanh trùng. 7. Rối loạn sinh lý và các dạng tổn thương a. Rối loạn sinh lý Rối loạn sinh lý là sự biên đổi bất lợi xuất hiện khi rau quả tươi rối loạn chuyến hóa. Những rối loạn này có thể có nguyên nhân từ các yếu tố bên trong như mất cân bằng khoáng, hoặc yếu tố môi trường như bảo quản ở nhiệt không thích hợp hoặc thành phần khí không thích hợp. Các triệu chứng nhẹ thường chỉ ảnh hưởng lên bề mặt mô, điều này không ảnh hưởng nhiều lắm nếu rau trái dùng để chế biến, nhưng có thể giảm khả năng tiêu thụ đối với rau trái sử dụng tươi, do hình dạng bên ngoài bị biến dạng. Ngoài ra, những rối loạn sinh lý có thể làm tăng tính nhạy cảm của rau trái đối với sự xâm nhập của mầm bệnh. Các rối loạn sinh lý bị ảnh hưởng bởi các yếu tố trước thu hoạch như giống cây trồng, sự thành thục hoặc khoảng thời gian chín, và sự mất cân bằng dinh dưỡng trước thu hoạch cũng làm tăng các hiện tượng rối loạn trong quá trình bảo quản. Một trong những chất dinh dưỡng được quan tâm trong thành phần dinh dưỡng cho cây trước thu hoạch là calcium. Calcium có vai trò quan trọng trong việc duy trì sự bền vững cho thành tế bào. Ví dụ khi đất trồng thiếu calcium, trên vỏ táo sẽ xuất hiện các vết hõm, vết hõm cứng trong khi các phần khác mềm, phần vết hõm có vị đắng. b. Tổn thương do nhiệt độ Có nhiều rối loạn liên quan đến nhiệt độ quá cao hay quá thấp. - Tổn thương do nhiệt độ quá cao: Nhiệt độ quá cao do rau trái bị phơi ra ngoài ánh nắng mặt trời, hoặc xử lý nhiệt không thích hợp sau khi thu hoạch, gây nên các tổn thương trên da hoặc bề mặt bị gồ ghề. - Tổn thương do lạnh đông: rất ít rau trái dùng để ăn tươi có thể lạnh đông được (ví dụ như củ hành). Tuy nhiên đa số rau trái dùng để ăn tươi không chịu được nhiệt độ lạnh đông, vì các tinh thể tạo thành bên trong tế bào có thể làm vỡ tế bào, dịch bào chảy ra ngoài, các mô sẽ bị xẹp xuống khi rã đông làm cấu trúc thay đổi một cách không thể chấp nhận được. Các hư hỏng kiểu này ít ảnh hưởng đến các loại rau trái có hàm lượng nước thấp, hoặc được nấu lên trước khi sử dụng như đậu Hà Lan, củ cải vàng, bắp ngọt, carrot, bông cải xanh, spinach. - Tổn thương lạnh: tổn thương lạnh khác biệt hoàn toàn với tổn thương do lạnh đông. Tổn thương lạnh có thể xảy ra ở trên điểm đông đặc. Rau quả vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới dễ bị tổn thương lạnh hơn. Tuy nhiên, cũng có sự khác nhau về sự nhạy cảm với điều kiện lạnh giữa các giống cây trồng với nhau, giữa rau trái trưởng thành và chưa trưởng thành, giữa rau trái chín và chưa chín. Các triệu chứng khi tổn thương lạnh bao gồm: bề mặt bị ẩm ướt, vỏ bị rỗ, thịt quả bên trong bị đổi màu và không tiếp tục chín, lão hóa nhanh chóng và tăng nguy cơ thối rữa. Các triệu chứng có thể biểu hiện rõ ràng khi tăng nhiệt độ đến nhiệt độ bình thường trở lại. - Tổn thương thành phần không khí không thích hợp: tổn thương thường xảy ra khi rau quả được bảo quản trong điều kiện có O2 hoặc có lượng CO2 quá cao. Ví dụ, khi bảo quản rau trái mà điều kiện thông gió không tốt, khi nhiệt độ tăng cao hơn (nhiệt sinh ra do quá trình hô hấp) thì sự hô hấp cũng diễn ra nhanh hơn, làm thành phần không khí nhanh chóng bị biến đổi và trở nên không còn phù hợp với điều kiện hô hấp bình thường nữa. Các triệu chứng phụ thuộc vào từng loại rau trái, ví dụ khoai tây bị đen ở tâm củ, rau diếp thì gân lá bị thâm, táo bị tổn thương bề mặt. Khi hàm lượng O2 thấp, rau trái có thể chuyển sang hô hấp yếm khí, sinh mùi khó chịu. Khả năng chịu đựng tình trạng O2 thấp là khác nhau đối với các loại rau trái, đa số thì khi hàm lượng O2 nhỏ hơn 3% thì chuyển sang hô hấp yếm khí, nhưng khoai lang tương đối nhạy cảm với hàm lượng O2 thấp, nếu thấp hợn 8% thì khoai lang sẽ chuyển sang hô hấp yếm khí. Điều kiện yếm khí cũng thúc đẩy các vi sinh vật gây thối phát triển. c. Tổn thương cơ học Tổn thương cơ học là nguyên nhân quan trọng nhất làm giảm giá trị của rau trái tươi, không chỉ vì nó gây mất mát trực tiếp về khối lượng mặc dù nó gây ra các vết thương trên bề mặt rau quả. Mà từ các vết thương này, vi sinh vật gây bệnh có thể xâm nhập, tăng sự mất nước dẫn đến làm giảm chất lượng của rau trái. Ngoài ra, tổn thương cơ học còn thúc đẩy sự tạo thành khí ethylene trong mô thực vật, kết quả là trái có thể vàng, chín sớm… Tổn thương cơ học có nguyên nhân từ do côn trùng hay do thu hái. Bao gói không thích hợp cũng là nguyên nhân gây ra tổn thương cơ học, do va chạm vào các gờ sắc nhọn hoặc các phần cứng khác, hoặc bị dập cho thiếu các vật đệm lót dưới bao bì vận chuyển. Vết thâm có thể xuất hiện do rơi, hoặc bị nén chặt (xảy ra khi sản phẩm bị chất quá cao). Các tổn thương cơ học có thể làm rau trái bị loại ra khi bán lẻ để sử dụng tươi. Tóm lại, có nhiều nguyên nhân dẫn tới việc giảm sút chất lượng của rau trái tươi, các yếu tố này không những làm mất giá trị cảm quan mà còn thúc đẩy quá trình lão hóa. Trong đó môi trường bảo quản có vai trò quan trọng quyết định tốc độ thay đổi chất lượng rau tái tươi. Phần 2: CÁC KỸ THUẬT HIỆN ĐẠI TRONG BẢO QUẢN RAU TRÁI TƯƠI I. KỸ THUẬT MAP MỚI: HIGH O2 MAP [5,6,7] 1. Giới thiệu chung: Trong những năm gần đây, có một sự phát triển nhanh chóng trên thị trường các sản phẩm rau quả tươi. Động lực chính của sự phát triển này là sự gia tăng nhu cầu sử dụng các sản phẩm tươi, có lợi cho sức khoẻ, thuận tiện và không có phụ gia. Tuy nhiên các sản phẩm tươi thì rất dễ bị hư hỏng do sự đổi màu của enzyme, mất nước và sự phát triển của vi sinh vật. Việc sản xuất và thực hiện theo cách dùng thích hợp của phương pháp đóng gói khí quyển điều chỉnh (MAP) thì có hiệu lực chống lại cơ chế hư hỏng này giúp kéo dài thời gian bảo quản sản phẩm. Sự kéo dài thời gian bảo quản tạo ra nhiều lợi nhuận thương mại do ít bị lãng phí mất mát trong sản xuất và bán lẻ, phân phối, giúp cải thiện hình ảnh sản phẩm và khả năng bán thuận tiện, tăng giá trị đối với người tiêu dùng. 2. Sự tạo lập khí quyển điều chỉnh cân bằng: (EMA) Không giống như những thực phẩm đã qua chế biến, các sản phẩm rau trái tươi tiếp tục hô hấp sau khi đóng gói. Sự tiêu thu O2 và làm giàu CO2 là kết quả tự nhiên của quá trình hô hấp đối với môi trường khí quyển trong bao bì. Từ đó một khí quyển thay đổi một cách bị động được thành lập trong những bao gói đóng kín. Nếu các đặc tính hô hấp của một sản phẩm phù hợp với tính thấm chọn lọc của màng bao thì một sự tạo lập khí quyển cân bằng được thành lập một cách bị động bên trong bao bì. Tuy nhiên, đối với các sản phẩm rau quả tươi thì sự hình thành sự cân bằng này cũng bị giới hạn do quá trình hô hấp không ổn định và khó điều khiển chung cho nhiều loại rau trái. Bằng cách thay thế khí quyển trong bao bì với một hỗn hợp thích hợp O2, CO2, N2, một phương pháp EMA có lợi có thể được thành lập nhanh hơn và hiệu quả hơn. Ví dụ, bao bì chứa đầy N2 hoặc một hỗn hợp của 5-10% O2, 5-10% CO2 và 80-90% N2 là việc thực hiện thương mại để ngăn cản sự hoá nâu không mong muốn trên rau salad xanh (Day, 1998). Chìa khoá thành công trong việc sử dụng MAP cho sản phẩm rau trái tươi hiện nay là dùng màng bao gói có tính thấm khí hợp lý để tạo EMA tốt nhất, tiêu biểu là loại thấm khí 3-10% O2 và 3-10% CO2. Phương pháp EMA bị ảnh hưởng bởi: Tốc độ hô hấp của sản phẩm; Tính thấm khí của màng bao; Thể tích, bề mặt tiếp xúc với khí và khối lượng đầy; Sự tiếp xúc với ánh sáng. Do đó, sự tạo lập một EMA tốt nhất đối với từng sản phẩm là rất phức tạp. Xa hơn, trong nhiều điều kiện thương mại, sản phẩm mà được bao gói trong các màng bao không đủ tính thấm khí thì kết quả là các phản ứng kỵ khí không mong muốn (ví dụ khi O220%). Chính vì vậy mà màng thấm khí có tốc độ vận chuyển khí cao đã được phát triển và bây giờ được dùng thương mại để duy trì EMA hiếu khí (ví dụ 5-15% O2 và 5-15% CO2) cho các sản phẩm có tốc độ hô hấp cao như broccoli và các loại bông cải, carrot, đậu và spinach. Tuy nhiên giá thành màng bao thấm khí tương đối cao, cho phép mất ẩm, hương thơm và có thể cho phép các vi sinh vật đi vào bên trong bao bì trong suốt thời gian bảo quản. Để khắc phục các yếu điểm này, phương pháp High O2 MAP đã được nghiên cứu và ứng dụng. 3. Phương pháp HIGH O2 MAP: 3.1. Nguyên tắc: Phương pháp High O2 MAP là phương pháp điều chỉnh khí quyển bằng màng bao mà thành phần khí trong bao bì có hàm lượng O2 chiếm ưu thế (lớn hơn 40%) so với các khí khác trong suốt thời gian bảo quản. Ứng dụng của phương pháp MAP dùng O2 hàm lượng cao (high O2 MAP) là một hướng đi mới cho việc bán lẻ các sản phẩm tươi và có khả năng khắc phục nhiều nhược điểm vốn có của việc đóng gói dùng không khí tiêu chuẩn công nghiệp hay dùng phương pháp MAP hàm lượng O2 thấp như hiện nay. 3.2. Tác dụng, biến đổi: Kết quả của hội đồng uỷ ban châu âu (European Comission) và các dự án phát triển công nghiệp đã chỉ ra rằng phương pháp High O2 MAP có hiệu lực đặc biệt trong việc ngăn chặn sự chuyển màu bởi enzyme, ngăn cản các phản ứng lên men kỵ khí và mất nước, đồng thời chống lại sự phát triển của vi sinh vật hiếu khí và kỵ khí. Ngăn cản sự phát triển của các vi sinh vật: High O2 MAP có khả năng ngăn cản sự phát triển của các vi sinh vật hiếu khí và kị khí. Điều này có thể được giải thích bằng hình dưới đây: Hình 1: Sự ngăn chặn quá trình phát triển của vi sinh vật bằng High O2 MAP.[5] Kết quả được giải thích bằng giả thiết sau: các gốc oxy hoạt động làm tổn thương các đại phân tử của tế bào sống và vì thế ngăn cản sự phát triển của vi sinh vật khi sự tác động áp suất của O2 áp đảo trấn át hệ thống bảo vệ của tế bào. (Gonzalez Roncero and Day, 1998; Amanatidou, 2001). Ngăn cản sự đổi màu do enzyme của rau trái tươi: Enzyme polyphenoloxidase (PPO) là enzyme khởi đầu làm mất màu của rau trái tươi. PPO xúc tác cho phản ứng oxy hoá các hợp chất phenolic tự nhiên thành các quinone không màu và sau đó tổng hợp các hợp chất màu melanin. Giải thích được giả thuyết rằng: hàm lượng O2 cao sẽ làm ức chế enzyme PPO do làm thay đổi cấu trúc, đồng thời khi các quinone được tổng hợp ở hàm lượng cao sẽ có thể gây ra ức chế ngược lại quá trình sản xuất ra PPO. Hình 2: Cơ chế tác động của hàm lượng O2 cao lên enzyme polyphenoloxydase.[5] Ngăn cản các phản ứng lên men kị khí không mong muốn: Khi hàm lượng O2 chiếm ưu thế thì các phản ứng lên men kỵ khí sẽ không xảy ra từ đó chất lượng sản phẩm được đảm bảo. Hình 3: Cơ chế của quá trình lên men kỵ khí.[5] 3.3. Ưu và nhược điểm của phương pháp High O2 MAP Theo hiệp hội nghiên cứu Campden và Chorleywood (CCFRA) đã thực hiện nhiều thử nghiệm trên rau diếp lạnh đông và các loại trái cây nhiệt đới. Kết quả của những thử nghiệm này đã chỉ ra rằng high O2 MAP đã khắc phục được nhiều nhược điểm của low O2 MAP. High O2 MAP có nhiều tác động đặc biệt trong sự ngăn cản sự mất màu do ezyme, hạn chế các phản ứng lên men kỵ khí và ngăn cản sự phát triển của vi sinh vật. Đồng thời, phương pháp high O2 MAP sử dụng màng bao không thấm khí thì giá thành không cao, giúp ngăn chặn sự mất nước, mất hương, và ngăn chặn được sự xâm nhập của vi sinh vật. a. Ưu điểm: - Thời gian bảo quản của High O2 MAP dài hơn so với phương pháp dùng hàm lượng O2 thấp hay phương pháp dùng không khí tiêu chuẩn công nghiệp (industry-standard air). Đối với hầu hết các sản phẩm, dưới các điều kiện bảo quản và đóng gói nhất định, high O2 MAP có những tác động có lợi đến chất lượng cảm quan so với đóng gói theo không khí tiêu chuẩn hay low O2 MAP. High O2 MAP có ảnh hưởng tốt làm kéo dài thời gian bảo quản của rau diếp, nấm xắt lát, hoa broccoli, rau spinach, rau mùi tây, củ cải Thuỵ Điển, quả mâm xôi, dâu, nho, cam… Bảng 1: Thời gian bảo quản của High O2 MAP so với Low O2 MAP.[5] Rau trái bảo quản ở 80C Thời gian bảo quản (ngày) Industry standard air/low O2 MAP High O2 MAP Rau diếp xứ lạnh 2-4 4-11 Chuối 2 4 Bông cải Broccoli 2 9 Cos lettuce (rau diếp) 3 7 Dâu 1-2 4 Lá spinach non 7 9 Lá rau mùi tây 4 9 Cây gia vị coriander 4 7 Cải Thuỵ Điển 3 10 - Giúp giữ được chất lượng cảm quan. Sự chuyển màu do enzyme của khoai tây và táo được ngâm nhúng dung dịch xử lý non-sulphite (các hoá chất này thường là acid ascorbic hoặc erythorbic hoặc muối natri của chúng với acid citric, acid malic, acid tartatric, 4-hexylresocinol, cysteine hydrochloride) được ngăn chặn tốt hơn khi sử dụng MAP yếm khí (<2% O2) kết hợp với N2 so với phương pháp high O2 MAP. Tuy nhiên, high O2 MAP giữ được mùi hương và cấu trúc sản phẩm. Tương tự, high O2 MAP kết hợp ngâm non-sulphite đối với khoai tây và chuối thì thời gian bảo quản đạt được dài hơn so với phương pháp low O2 MAP. - High O2 MAP ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn, nấm men, nấm mốc, các vi sinh vật gây bệnh như: Aeromonas hydrophila, Samonella enteritidis, Pseudomonas putida, Rhizopus stolonifer, Botrytis cinerea, Penicillium roqueforti, Penicillium digitatum và Aspergillus niger. High O2 MAP được sử dụng một mình thì không ngăn cản được sự phát triển hay kích thích sự phát triển của Pseudomonas fragi, Bacillus cereus, Lactobacillus sake, Yersinia enterocolitica và Listeria monocytogenes, nhưng khi thêm 10-30% CO2 thì có thể ngăn cản được sự phát triển của tất cả các loại vi khuẩn trên. Đường kính hệ sợi nấm Thành phần không khí Hình 4: Sự ảnh hưởng của thành phần O2 lên sự phát triển của các loại nấm mốc.[5] Diện tích hệ nấm (cm2) trên cam sau 6 ngày bảo quản ở 180C Thành phần khí Hình 5: Sự ngăn chặn sự phát triển của nấm Penicillium digitatum trên cam dưới hàm lượng O2 cao.[5] - Tốc độ hô hấp sẽ không bị ảnh hưởng khi dùng high O2 MAP nhưng khi có thêm 10% CO2 thì nó sẽ bị giảm. - High O2 MAP có tác động có lợi lên sự duy trì acid ascorbic, chỉ số oxy hoá lipid và ức chế hoá nâu do enzyme đối với rau diếp. - Sản phẩm sử dụng High O2 MAP sau khi trữ lạnh thì khi tiêu hoá sẽ giúp tăng khả năng hấp thu các chất chống oxy hoá. Ví dụ, đối với rau diếp sử dụng High O2 MAP và sau khi trữ lạnh sẽ giúp gia tăng khả năng hấp thu acid ascorbic, b-carotene, lutein, các hợp chất phenolic. - Các chất chiết rút từ rau diếp và các rau trái khác được bao gói bằng High O2 MAP không có bất kì chất độc hại nào ảnh hưởng đến tế bào ruột kết con người. - Khi sử dụng màng bao không thấm khí thì phương pháp High O2 MAP giúp ngăn chặn mất hương, sự xâm nhập của vi sinh vật đồng thời giảm giá thành sản phẩm. b. Nhược điểm: - High O2 MAP làm gia tăng hoạt tính của enzyme peroxidase của Botrytis cinerea, nhưng khi thêm 10% CO2 sẽ làm giảm hoạt tính này. - Do hàm lượng O2 trong bao bì cao nên máy đóng bao bì phức tạp hơn, cần đảm bảo an toàn cháy nổ khi bảo quản và vận chuyển. 3.4. Cách thực hiện: a. Thành phần khí tối ưu: Dựa trên các thử nghiệm thực tế của CCFRA, thành phần khí tối ưu trong bao gói sử dụng High O2 MAP đối với các sản phẩm rau trái rươi là: 80-95% O2 và 5-20% N2. Sau khí đóng gói kín, lượng O2 chiếm đa số sẽ bị giảm trong khi lượng CO2 sẽ tăng trong suốt quá trình bảo quản do sự hô hấp tự nhiên của rau trái tươi. Thực hiện tối ưu lợi ích của High O2 MAP, cần duy trì lượng O2 lớn hơn 40% và CO2 từ 10-15% trong suốt thời gian bảo quản sản phẩm. Điều này có thể đạt được bằng cách: Hạ thấp nhiệt độ bảo quản; Lựa chọn sản phẩm có tốc độ hô hấp thấp; Làm giảm tối thiểu bề mặt mô bị cắt hay bị tổn thương; giảm tỉ lệ thể tích sản phẩm trên tỉ lệ thể tích các khí: giảm khối lượng đóng gói hay tăng thể tích O2 đóng gói; Dùng màng bao mà duy trì lượng O2 cao trong khi cho phép một cách có chọn lọc phần CO2 vượt mức có thể thoát ra ngoài hay bằng cách dùng kết hợp với loại bột đóng gói hoạt động có tính chất đổi mới mà có thể hấp phụ phần CO2 dư và giải phóng ra O2 tạo sự cân bằng thích hợp (McGrath, 2000). Để duy trì lượng O2 lớn hơn 40% và CO2 từ 10-25% trong suốt thời gian bảo quản, người ta có thể thực hiện không cần đưa một lượng CO2 nào vào trong hỗn hợp khí vì lượng CO2 sẽ được tạo ra trong bao bì kín trong thời gian bảo quản. Dựa trên các kết quả thực nghiệm, hỗn hợp giàu O2 có hiệu lực tốt nhất là 80-85% O2 và 15-20% CO2, sẽ có tác động tốt nhất đối với chất lượng cảm quan và chống lại các vi sinh vật trên các sản phẩm rau trái tươi (Day, 2001). b. Vật liệu bao gói: Vật liệu bao gói khuyến cáo dùng cho High O2 MAP của các sản phẩm rau trái tươi là màng oriented polypropylene (OPP) dày 30mm. Bao bì có thể sử dụng màng polyvinyliden chloride (PVDC) được bao ngoài bởi màng OPP có đủ các đặt tính ngăn cản sự thấm khí O2 để duy trì hàm lượng O2 trong bao bì cao hơn 40% và có đủ độ thấm khí CO2 để giới hạn không cho CO2 vượt quá 25% sau 7-10 ngày bảo quản ở 5-80C (Day, 2001). Đối với các sản phẩm có tốc độ hô hấp cao cần sử dụng các màng bao có tính thấm khí cao như low polyethylene (LPE), ethylene vinyl acetate (EVA), polyvinyl chloride (PVC). Ngoài ra, tỷ lệ thể tích sản phẩm trên thể tích khí, tốc độ hô hấp của sản phẩm, nhiêt độ bảo quản cũng ảnh hưởng đến sự lựa chọn màng bao gói. c. Điều khiển nhiệt độ: Quá trình điều khiển nhiệt độ sẽ quyết định tới việc làm chậm lại quá trình làm hư hỏng và đảm bảo an toàn vi sinh của các sản phẩm rau trái tươi. Đối với phương pháp High O2 MAP, nhiệt độ khuyến cáo là 80C, tốt nhất là từ 0-30C. Các kết quả nghiên cứu đã chứng tỏ rằng: nhiệt độ và độ thấm khí của màng bao là hai nhân tố quan trọng nhất quyết định đến hàm lượng của O2 và CO2 trong các bao bì bằng High O2 MAP trong suốt thời gian bảo quản. Các tác động có lợi nhất đến chất lượng sản phẩm đạt được khi nhiệt độ bảo quản là 3-50C, lượng O2 ở 55-70% và lượng CO2 chỉ tăng khoảng 15% sau 10 ngày bảo quản. Ngược lại, các tác động tiêu cực sẽ diễn ra khi nhiệt độ bảo quản trên 80C. Ở nhiệt độ bảo quản lạnh cao hơn thì lượng O2 giảm từ 80% xuống còn 35-40%, trong khi lượng CO2 lên đến 35-40% sau 10 ngày bảo quản, điều này sẽ tác động xấu đến chất lượng của rau quả tươi. d. Máy đóng gói: Loại máy đóng gói trong kỹ thuật MAP sẽ ảnh hưởng lớn đến lượng O2 lớn nhất có thể đạt được. Các loại salad thường được đóng gói thương mại trên vertical form-fill-seal (VFFS) và horizontal form-fill-seal (HFFS). Các máy này dùng kỹ thuật nạp khí trực tiếp vào trong bao bì mà không dùng bước hút chân không nên lượng O2 đạt được 80% sẽ là mức thực tế cao nhất. Hình 6: Cơ cấu hoạt động của máy VFFS.[6] Khác với VFFS và HFFS, máy thermoform fill-seal (TFFS) có kết hợp với khay chứa và lớp nắp cải tiến, buồng chân không, máy hút chân không dùng kỹ thuật bù chân không để rút hết không khí ra và sau đó nạp hỗn hợp khí vào khay và lớp nắp. Vì các máy này có dùng bước hút chân không trước khi nạp khí nên lượng O2 đạt được có thể lên tới 85-95%. Nguyên tắc hoạt động của máy TFFS: Vật liệu tạo khay có dạng tấm mỏng được cuộn ống, khi hững tấm đó được kéo rút qua một bộ phận tạo khay bằng cách dùng nhiệt thì sẽ tạo ra các khay có hình dạng cụ thể. Sản phẩm sẽ được đặt lên trên các khay sau đó được phủ lên trên bằng lớp màng bao mỏng, không khí bên trong sẽ được rút ra ngoài và hỗn hợp khí mong muốn được đưa vào sau đó hàn kín lại bằng nhiệt. Hình 7: Máy đóng gói TFFS.[7] Hình 8: Quá trình tạo khay và đóng gói của máy TFFS.[6] Hình 9: Máy hút chân không của TFFS.[6] II. KỸ THUẬT CHIẾU XẠ [4,11,14,15] 1. Giới thiệu chung: 1.1. Khái niệm: Bức xạ là năng lượng phát ra từ vật có bản chất sóng điện từ. Mỗi bức xạ đặc trưng bằng dãy năng lượng tương ứng với bước sóng l xác định. Mối tương quan giữa năng lượng E và bước sóng l là: E = gh = hc/l 1.2. Phân lọai bức xạ: Ta phân lọai bức xạ theo năng lượng bước sóng: Bảng 2: Các loại bức xạ và bước sóng của chúng. Dạng bức xạ Năng lượng điển hình Bước sóng Búc xạ nhiệt Vi sóng (Microwave) Hồng ngọai (Infarred) Ánh sang khả kiến Tử ngọai (Ultra Violet) Tia Roentgen (Tia X) Tia g <100 eV 1-10 keV 1-100 MeV >100m 10-100m 1-10m 380-760m 10-380m 0.01-1000m Năng lượng điển hình là năng lượng của một lượng tử bức xạ. Năng lượng của nguồn bức xạ là tổng năng lượng điển hình của tất cả các lượng tử bức xạ phát ra từ nguồn đó. Hình 10: Các loại bức xạ.[11] 1.3. Các đại lượng của quá trình chiếu xạ Năng lượng bức xạ (P): là năng lượng phát ra của nguồn bức xạ. Liều lượng chiếu (I): Năng lượng phát ra của nguồn bức xạ trên một đơn vị khối lượng vật chất hấp thụ: I = dP/dm Năng lượng bức xạ hấp thu E: đặc trưng cho lượng năng lượng mà vật chất hấp thu khi có nguồn chiếu xạ vào. Năng luợng bức xạ hấp thu E = Năng lượng nguồn phát E1 – Năng lượng còn lại thu được của bức xạ xuyên qua vật thể E2. Liều lượng hấp thụ D là năng lượng bức xạ thu được của một đơn vị khối lựơng vật thể: D = dE/dm Đơn vị của liều hấp thu và liều chioếu là Gray (viết tắt là Gy) 1Gy = 1 J.kg-1 Đơn vị ngòai hệ SI là rad, 1Gy = 100 rad. Các tia bức xạ thường dùng: Vi sóng (Microwave): Đây là tia có bước sóng dài, không có khả năng xuyên sâu, thường dùng để gia nhiệt. Tia X, tia γ: tia có bước sóng cực ngắn, độ xuyên sâu mạnh, thường dùng để diệt khuẩn. Tia β: Là dòng electron chuyển động trong điện trường rất lớn. Khả năng xuyên sâu trung bình, nhưng tiêu tốn năng lượng lớn, thường dùng để sát khuẩn bề mặt. 1.4. Tác động của tia bức xạ Tác động chính của tia bức xạ trên đường đi là gây ion hóa vật chất. Tác động này thường phá hủy cấu trúc hiện có của vật chất. Vì vậy bức xạ dùng để tiêu diệt các thành phần không mong muốn trong rau trái như vi sinh vật, côn trùng. Vì chiếu xạ không chọn lọc nên các thành phần khác như dinh dưỡng, màu sắc, mùi vị cũng bị thay đổi theo, đây là điều không mong muốn. Việc cần thiết là phải chọn lọai bức xạ với liều lượng phù hợp để có thể đạt được cả hai yêu cầu trên. Trong thực phẩm chất trực tiếp nhận ảnh hưởng của bức xạ là nước. Nước bị ion hóa sinh ra các gốc tự do như H. hay OH. theo cơ chế như sau: H2O→H2O+ + e- e- + H2O → H2O- H2O+ →H+ + OH- (a) H2O-→ H. + OH- H. + H. →H2 Hay OH. + OH. →H2O2 Hay H. + OH.→ H2O Hay H. + H2O → H2 + OH. Hay OH. + H2O2 → HO2. (b) H. → O2 + HO2. Hình 11: Cơ chế sinh ra các gốc tự do Các gốc tự do H. và OH. không bền tiếp tục tương tác với các chất khác để quay lại trạng thái bền vững. Quá trình tương tác này diễn ra làm biến đổi các chất khác như protein, carbonhydrate, lipid, enzyme, DNA, RNA…Các phản ứng chính thường là rối loạn cấu trúc không gian, cắt mạch, ôxy hóa… 2. Bảo quản rau trái tươi bằng phương pháp chiếu xạ: 2.1. Tác dụng bảo quản của tia bức xạ: a. Tiêu diệt vi sinh vật Các tia Ronghen và tia gamma có khả năng đâm xuyên mạnh và có thể gây ion hóa vật chất, có tác dụng làm biến đổi vật chất hữu cơ trong tế bào vi sinh vật, gây ức chế và tiêu diệt vi sinh vật. Hình 12: Minh họa tác dụng tiêu diệt vi sinh vật của tia gamma.[15] Cơ chế tiêu diệt vi sinh vật: - Làm oxi hóa chất béo của màng phospholipids, dẫn đến thay đổi cấu trúc màng. Đây là nguyên nhân làm cho cơ chế vận chuyển qua màng bị đình trệ, trao đổi chất bị rối loạn. - Làm thay đổi cấu hình không gian của các polymer sinh học, đặc biệt là các protein, làm mất hoạt tính của các enzyme, và thay đổi cấu trúc của các protein trên màng tế bào, làm trao đổi chất bị ngưng lại. - Làm thay đổi cấu trúc của DNA và RNA, ảnh hưởng đến khả năng phân chia và tổng hợp protein. Khả năng tiêu diệt vi sinh vật phụ thuộc vào từng loại vi sinh vật và số lượng vi sinh vật ban đầu. - Số lượng vi sinh vật ban đầu càng lớn thì yêu cầu liều lượng chiếu xạ phải tăng. Số lượng vi sinh vật giảm theo hàm log khi tăng liều lượng chiếu xạ (D10 là liều lượng chiếu xạ cần thiết để số lượng vi sinh vật giảm di 90%). Giá trị D10 phụ thuộc vào bản chất từng loài vi sinh vật. Ngoài ra, còn phụ thuộc vào loại thực phẩm chứa vi sinh vật đó. Ví dụ: E.coli O157:H7 có D10»0.11 kGy Salmonella có D10»0.2 kGy Tuy nhiên, E.coli O157:H7 trong các thực phẩm khác nhau cũng có giá trị D10 khác nhau. Ví dụ trong salad cắt sợi là 0.18 kGy, còn trong salad còn gốc và lá là 0.1-0.12 kGy. - Các loại vi sinh vật khác nhau có khả năng chịu đựng tia tia bức xạ với mức độ khác nhau. Hình 13: Phần trăm vi sinh vật sống sót phụ thuộc vào liều lượng chiếu xạ.[4] - Các vi sinh vật có DNA càng cồng kềnh thì càng nhạy cảm với tia bức xạ. Mức độ nhạy cảm với tia bức xạ của nấm mốc lớn hơn nấm men,và mức độ nhạy cảm của nấm mốc, nấm men lớn hơn vi khuẩn. Virus có khả năng chịu đựng tia bức xạ tốt nhất do có cấu tạo DNA đơn giản nhất, ít cồng kềnh nhất. Bacillus cereus là vi sinh vật có khả năng sinh bào tử, nên chúng có khả năng chịu đựng được tia bức xạ khá tốt. Ngoài ra, loài Deinococcus radiodurans có khả năng tái tạo lại DNA nên có khả năng chịu đựng tia bức xạ tốt hơn. Ngoài ra, hình dạng tế bào cũng giúp vi sinh vật chịu đựng được tia bức xạ tốt hơn. Các vi sinh vật có dạng hình cầu có khả năng chiụ đựng tia bức xạ tốt hơn các vi sinh vật có hình dạng khác. Bảng 3: Liều lượng chiếu xạ áp dụng để tiêu diệt các vi sinh vật thường gặp trong thực phẩm.[4] Vi sinh vật và côn trùng Liều lượng chiếu xạ thích hợp (kGy) Côn trùng 0.22 - 0.93 Viruses 10 - 40 Nấm men 4 - 9 Nấm mốc 1.3 - 11 Vi khuẩn gây bệnh       Mycobacterium tuberculosis         Staphylococcus aureus         Cornybacterium diphtheriae         Salmonella spp. 1.4 1.4 - 7.0 4.2 3.7 - 4.8 Vi khuẩn hoại sinh     Gram- âm              Escherichia coli               Pseudomonas aeruginosa               Pseudomonas fluorescens               Enterobacter aerogenes  1.0 - 2.3 1.6 - 2.3 1.2 - 2.3 1.4 - 1.8       Gram-dương             Lactobacillus spp.               Streptococcus faecalis               Leuconostoc dextranicum               Sarcina lutea 0.23 - 0.38 1.7 - 8.8 0.9 3.7 Vi khuẩn sinh bào tử       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]