Đồ án Tìm hiểu kỹ thuật MAP và hệ thống APS

MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1: Quá trình hô hấp yếm khí 13 Hình 2: Quá trình hô hấp hiếu khí 13 Hình 3: Quá trình hô hấp khi bảo quản MAP 14 Hình 4: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến thời gian bảo quản 17 Hình 5: Ảnh hưởng của nồng độ O2 và CO2 đến kỹ thuật MAP 19 Hình 6: Aûnh hưởng của nồng độ O2 cao đến sự phát triển của vi sinh vật 21 Hình 7: Giả thuyết về sự ức chế enzyme làm mất màu trong kỹ thuật MAP nồng độ O2 cao 22 Hình 8: Sự phát triển của nấm mốc bị ức chế bởiù các loại hỗn hợp khí 23 Hình 9: Nấm mốc Penicillium digitatum ở cam bị ức chế bởi các loại hỗn hợp khí 23 Hình 10: Buồng đóng gói chân không 24 Hình 11: Thiết bị đóng gói sử dụng ống khí 25 Hình 12: Thiết bị đóng gói bao bì dạng khay 26 Hình 13: Thiết bị đóng gói dạng TFFS 27 Hình 14: Máy KATS 800 34 Hình 15: Máy ORICS R40 35 Hình 16: Hệ thống sản xuất salad đóng gói sử dụng kỹ thuật MAP 37 Hình 17: Kỹ thuật APS 49 Hình 18: Hệ thống bao bì vả hệ thống màng phủ ăn được 54 Hình 19: Sự nhả của chất chống khuẩn trong hai hệ thống bao bì chống khuẩn khác nhau 55 Hình 20: Nồng độ trên bề mặt thực phẩm 57 Hình 21: Ion bạc được đính lên chất mang là nhôm silicat 58 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1: Cường độ hô hấp một số loại rau quả 15 Bảng 2: Nồng độ O2 thấp nhất và CO2 cao nhất trong bảo quản các loại rau quả 18 Bảng 3: Thời gian (ngày) bảo quản các loại rau quả bằng phương pháp MAP ở 80C 22 Bảng 4: Khả năng thấm khí hơi và nước, khả năng chịu đựng trong các môi trường hóa học của các loại plastic 31 Bảng 5: Ứng dụng các loại vật liệu trong bao gói rau quả 32 Bảng 6: Các chất chống vi sinh vật thường dùng 41 Bảng 7: Một số ngiên cứu ứng dụng kỹ thật APS 51 Bảng 8: Một số chất chống vi sinh vật và nhà sản xuất 59 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT AMAP: Active Modified Atmosphere Packaging APS: Antimicrobial Packaging System BHA: Butylat Hydroxy Anizon BHT: Butylat Hydroxy Toluen CMC: Carboxy Methyl Cellulose EDTA: Ethylenediamine Tetraacetic Acid EMAP: Equilibrium Modified Atmosphere Packaging EVA: Ethylen Vinyl Acetat HPMC: Hydroxypropyl Methylcellulose LDPE: Low Density Polyethylen LLDPE: Linear Low Density Polyethylen MA: Modified Atmosphere MAP: Modified Atmosphere Packaging OPP: Oriented Polypropylen PAMP: Passive Modified Atmosphere Packaging PE: Polyethylen PET: Polyethylen Terephthalate PP: Polypropylen PPO: Polyphenoloxiedase PVC: Polyvinylclorua PVOH: Polyvinyl alcohol SOPP: Natri octophenit-phenat SPI: Soy Protein Isolate TBHQ: Tertiary Butylhydroquinone TFFS: Thermoform-fill-seal WPC: Wood Plastic Composite KỸ THUẬT MAP (MODIFIED ATMOSPHERE PACKAGING) Khái niệm MAP An toàn và sự hư hỏng là hai yếu tố quan trọng được quan tâm nhiều nhất trong tất cả các loại thực phẩm. An toàn được chú trọng nhất việc chống lại mầm bệnh và độc tố trong thực phẩm. Sự hư hỏng bắt nguồn bởi vi khuẩn, hoạt động của enzyme, các phản ứng hóa học mà hậu quả gây ra là những biến đổi không mong muốn trong mùi vị, tính chất hóa lý, thành phần dinh dưỡng của sản phẩm. Chất lượng của thực phẩm phụ thuộc vào thành phần, vào cách chế biến, cách đóng gói và bảo quản. Mục đích chính của kỹ thuật MAP là kéo dài thời gian bảo quản của thực phẩm bằng cách làm giảm tỷ lệ hư hỏng mà vẫn giữ được sự an toàn và chất lượng vốn có của nó (Ooraikul and Stiles, 1991). Lịch sử phát triển của MAP Tính năng của công nghệ bảo quản bằng cách bao gói sản phẩm trong khí quyển thay đổi (MAP) nhằm kéo dài tuổi thọï thực phẩm đã được nhận biết cách đây nhiều năm. Trong thập niên 1920, các nhà khoa học trong khi làm việc tại một cơ sở nghiên cứu tại Cambridge, vương quốc Anh, đã thấy rằng tuổi thọ của những quả táo có thể gia tăng bằng cách tồn trữ chúng trong các môi trường với những nồng độ O2 thấp và khí CO2 cao, trong thập niên 30 khi thịt bò được vận chuyển trong các môi trường có khí CO2 thì thời gian bảo quản của chúng tăng gần gấp 2 lần. Ở vương quốc Anh chính dây chuyền bán lẻ thịt đóng gói trong khí quyển thay đổi của công ty Marks & Spencer lần đầu tiên trong năm 1979 đã tạo điều kiện cho sự nổi tiếng trên thị trường thế giới ngày nay về các sản phẩm bao gói khí quyển cải biến MA (Modified Atmosphere). Kể từ đó đã có sự nhân rộng trong việc ứng dụng và nhu cầu đòi hỏi chính đáng của người tiêu dùng về các loại thực phẩm tươi và đông lạnh mà lại chứa ít các chất bảo quản. Điều đó đã dẫn đến một sự gia tăng đáng kể trong lĩnh vực các sản phẩm bao gói trong khí quyển thay đổi. Ngày nay, thực phẩm đóng gói trong MAP bao gồm thịt tươi và nấu chín, cá, rau quả, mì sợi, phomát, các loại bánh nướng từ bột mì, khoai tây chiên, cà phê và trà. Định nghĩa MAP Bao gói trong khí quyển điều chỉnh MAP là phương pháp bảo quản bằng cách thay đổi thành phần khí quyển bao quanh sản phẩm bằng cách dùng màng bao như là bao bì sản phẩm và không có sự kiểm soát điều chỉnh nào sau đó trong suốt thời gian bảo quản. Nguyên tắc: Tạo một lớp màng mỏng bao bọc có tính thẩm thấu chọn lọc đối với các loại khí, với mục đích thay đổi thành phần khí quyển chung quanh rau quả, hạn chế hô hấp và hoạt động của vi sinh vật. Ưu điểm : Thời gian bảo quản có thể tăng lên đến 4 lần. Tổn thất về khối lượng giảm. Sản phẩm giữ độ tươi nguyên. Ít hoặc không cần dùng chất bảo quản. Có thể tránh được tổn thương lạnh ở một số loại rau quả khi áp dụng phương pháp bảo quản lạnh. Có thể hạn chế được sự phát triển của vi sinh vật và các loài côn trùng. Có thể phân phối sản phẩm đi các nơi xa hơn, giảm chi phí phân phối. Việc phân phối các sản phẩm lát rời dễ dàng hơn. Tăng tính thẩm mỹ trong trưng bày, sản phẩm được nhìn thấy rõ ràng và toàn bộ. Công tác đóng gói được tập trung hóa và kiểm tra từng phần một. Nhược điểm : Nhiệt độ cần phải điều chỉnh thích hợp (ảnh hưởng đến tốc độ hô hấp của rau quả). Đối với từng loại sản phẩm khác nhau thì sẽ có một công thức khí khác nhau. Có thể gây những tổn hại sinh lý của một số loại rau quả như tạo những vết đen ở khoai tây. Tạo nên sự chín không đều của một số loại quả như chuối và cà chua (O2 5%). Nồng độ CO2 cao có thể ảnh hưởng đến chất lượng rau quả như sự xuất hiện màu nâu khi CO2 đạt 10%, tạo vết chấm bầm hoặc tăng độ bột trên một số giống táo, gây hư hỏng, sinh vị lạ cho một số loại rau như súplơ, xà lách, đậu. Đòi hỏi thiết bị đặc biệt và phải có công tác huấn luyện. Gia tăng thể tích bao gói, ảnh hưởng đến chi phí vận chuyển và không gian trong buôn bán lẻ. Sản phẩm sẽ không an toàn khi bao bì bị xì thủng. Giá thành cao. Các yếu tố cần kiểm soát trong kỹ thuật MAP Yếu tố sinh học: Tỷ lệ phát triển của vi sinh vật trong thực phẩm phụ thuộc vào những yếu tố như là pH, hoạt độ của nước aw, thế hóa rh, nhân tố vật lý, nhiệt độ, phương thức đóng gói, các chất phụ gia bảo quản và các vi sinh vật cạnh tranh… trong thực phẩm. Những yếu tố này có thể được áp dụng riêng lẻ hoặc kết hợp với nhau trong thực phẩm để ngăn chặn sự phát triển của vi sinh vật kéo dài thời gian bảo quản (Leistner and Gorris, 1995). Khi MAP được áp dụng để kéo dài thời gian bảo quản thì yếu tố cần quan tâm nhất là chủng loại vi khuẩn có thể gây nên sự hư hỏng trong thực phẩm đó. Khí, màng bao, nhiệt độ bảo quản… có thể được sử dụng để tiêu diệt hoặc làm chậm sự phát triển của các vi sinh vật đó. Hỗn hợp khí của CO2, O2, N2 thường được sử dụng nhất (Zeuthen and Bogh-Sorensen, 2003). Thực tế thì vi khuẩn Gram âm thì nhạy cảm với CO2 hơn là vi khuẩn Gram dương. Vi khuẩn Gram âm như là Pseudomonas spp, Acinetobacter spp và Moraxella spp thì bị tiêu diệt ở nhiệt độ thấp. Vì vậy sản phẩm được bao gói với hàm lượng CO2 cao và bảo quản ở nhiệt độ thấp thì vi khuẩn Gram dương sẽ phát triển mạnh mẽ do không có sự cạnh tranh (Church, 1994). Bacillus licheliformis và Leuconostoc mesenteroides là chủng vi khuẩn phát triển được trong một loại bánh xốp kiểu Anh được đóng gói với khí bao gồm 60% CO2 và 40% N2 (Gibson et al., 2000). 100% CO2 được sử dụng sẽ làm chậm sự phát triển của Clostridium botulium và hiệu quả này sẽ tăng khi kết hợp với một nồng độ NaCl thích hợp ở nhiệt độ thấp (Devlieghere et al., 2001). Sự thiếu O2 trong khí quyển sẽ ngăn chặn sự phát triển của vi sinh vật hiếu khí. Môi trường kị khí sẽ làm tăng sự phát triển và sinh độc tố của Clostridium botulium. Vì vậy môi trường yếm khí được sử dụng một cách thận trọng trong kỹ thuật MAP (O'Connor-Shaw and Reyes, 2000). Những yếu tố khác như pH, chất bảo quản, nhiệt độ thấp được ứng dụng để kết hợp với phương pháp bảo quản yếm khí hoặc ngăn chặn các mần bệnh khác (Dufresne et al., 2000). Yếu tố sinh lý: Rau quả sau thu hoạch hoặc thịt sau giết mổ vẫn còn những biến đổi sinh lý. Chúng ảnh hưởng đến thời gian bảo quản và chất lượng của sản phẩm tươi hoặc sản phẩm chế biến được bao gói bằng MAP, vì vậy tùy loại sản phẩm, biến đổi sinh hóa của chúng, nhiệt độ bảo quản mà chúng ta sẽ thiết lập một công thức MAP riêng cho chúng. Rau quả sau thu hoạch có nhiều biến đổi sinh lý phức tạp. Những biến đổi này liên quan đến quá trình hô hấp, quá trình này chịu ảnh hưởng bởi điều kiện môi trường như là không khí, độ ẩm, nhiệt độ và tình trạng vật lý của chúng (Cantwell, 1995). Thịt sau giết mổ sẽ xảy ra hàng loạt các phản ứng hóa học diễn ra trong mô thịt, những biến đổi sinh lý ở thịt tươi bắt đầu bằng sự co cứng (rigor mortis), thời gian co cứng phụ thuộc vào loại và kích cỡ của con vật. Ngoài ra O2 cần thiết để duy trì màu đỏ của thịt. Yếu tố hóa học: Các biến đổi hóa học ảnh hưởng đến chất lượng của thực phẩm, nhiều phản ứng oxy hóa trong tự nhiên như là oxy hóa lipid, phản ứng Maillard, sự oxy hóa làm biến màu của chlorophyll, carotenoid và flavonoid, sự oxy hóa của myoglobin trong thịt đỏ…Sự oxy hóa lipid sẽ phân hủy các acid béo tự do chưa bảo hòa tạo nên những chất gây mùi ôi như là aldehyde, ketone, những acid béo mạch ngắn…Phản ứng Maillard với đường và amino acid là tác nhân chính, có thể làm giảm chất lượng sản phẩm nếu những protein nhạy cảm như lysine bị phá hủy, hay tạo ra những màu hay mùi không mong muốn. Sự oxy hóa biến màu làm cho sản phẩm không còn hấp dẫn. Mặc khác thịt đỏ sẽ trở nên bạc màu khi thiếu O2 để chuyển hóa myoglobin thành oxymyoglobin để duy trì màu đỏ thịt. Những phản ứng hóa học chịu ảnh hưởng của những nhân tố như là nhiệt độ, aw , pH, rh, chất bảo quản. Ví dụ như phản ứng oxy hóa lipid xảy ra mạnh mẽ ở nhệt độ cao, aw thấp, sự có mặt của Cu hoặc Fe và ánh sáng, nhưng nó bị ngăn chặn bởi những chất chống oxy hóa như BHA, BHT hoặc tocopherol (Peter and Leif, 2000). Các chất khí được sử dụng trong kỹ thuật MAP Có 3 khí chủ yếu được sử dụng trong kỹ thuật MAP là O2, CO2, N2. Việc lựa chọn các thành phần khí phụ thuộc rất nhiều vào thực phẩm được bao gói. Môi trường khí được tạo ra bên trong bao gói phải đáp ứng được sự cân bằng giữa việc kéo dài sự sống và các đặc tính cảm quan tối ưu của thực phẩm. Ngoài ra, một số khí khác cũng được sử dụng là: khí trơ (He, Ar, Xe và Ne), CO và SO2. Khí CO2: Khí CO2 là một khí không màu, có mùi hăng nhẹ ở nồng độ rất cao. Nó là một chất khí gây ngạt và có tính ăn mòn nhẹ trong môi trường ẩm. CO2 dễ dàng tan trong nước ( 1.57g/Kg ở 100Kpa, 200C) để tạo ra acid cacbonic (H2CO3) làm tăng nồng độ acid trong dung dịch và làm giảm pH. Khí này cũng hòa tan trong chất béo và một vài hợp chất hữu cơ khác. Nhiệt độ giảm làm cho sự hòa tan của CO2 tăng lên.Vì lý do này, hoạt tính chống vi sinh vật của CO2 có hiệu quả ở nhiệt độ nhỏ hơn 100C hơn là ở 150C hoặc cao hơn (Devlieghere et al., 1998, Devlieghere et al., 2001). Điều này rất có ý nghĩa trong kỹ thuật MAP. Khí O2: Khí O2 là một khí không màu, không mùi, có hoạt tính cao và duy trì sự cháy. Nó hòa tan rất ít trong nước so với các loại khí khác, độ tan của CO2 trong nước gấp 28 lần so với O2 ở 20oC (0.04g/Kg ở 100Kpa, 200C). O2 tham gia vài loại phản ứng làm hư hỏng thực phẩm: phản ứng oxi hóa chất béo, phản ứng hóa nâu và phản ứng oxi hóa các chất màu. Sự thiếu O2 trong không khí có thể làm chậm sự phát triển, những biến đổi sinh lý của vi sinh vật Hầu hết các vi sinh vật gây hỏng sản phẩm đều cần O2 cho sự phát triển. Do đó để kéo dài sự sống cho thực phẩm thì bên trong bao gói nên chứa đựng một hàm lượng thấp O2. Tuy nhiên cũng chú ý rằng, hàm lượng O2 thấp cũng sẽ ảnh hưởng đến chất lượng và sự an toàn của thực phẩm, ví dụ: sự già yếu của rau quả, sự phát triển của vi sinh vật yếm khí….(Day, 2003). Khí N2: Khí N2 là một khí không màu, không mùi, không vị và tương đối trơ về mặt hóa học. Nó có tỷ trọng thấp hơn không khí, không duy trì sự cháy, hòa tan rất ít trong nước (0.018g/Kg ở 100KPa, 200C) và những chất khác có trong thực phẩm. N2 ức chế sự phát triển của vi sinh vật ưa khí, do đó nó ngăn chặn sự hư hỏng do VSV này gây ra. Tuy nhiên, nó lại không ngăn chặn sự phát triển của VSV kỵ khí. Nhờ tính hòa tan thấp trong nước, N2 được sử dụng như một chất khí độn để giúp cho bao gói tránh bị bẹp dúm thường xảy ra khi CO2 bị hòa tan nhiều. Khí CO: Khí CO là một khí không màu, không mùi, không vị. Nó có khả năng hoạt động về mặt hóa học cao và có khả năng cháy. Nó không tan trong nước nhưng lại tan tốt trong một số dung môi hữu cơ. CO được nghiên cứu cho MAP của thịt và được cho phép ở Mỹ để ngăn ngừa sự hóa nâu của rau diếp được bao gói. Sự ứng dụng của CO còn bị hạn chế nhiều bởi vì nó độc và có thể tạo với không khí một hỗn hợp gây nổ (Ooraikul and Stiles, 1991). Khí trơ: Khí trơ là những khí không hoạt động. Ngày nay, những khí này cũng được ứng dụng trong một số loại thực phẩm, ví dụ: khoai tây chiên đóng gói. Tuy nhiên, việc sử dụng khí N2 trong công nghiệp vẫn mang tính phổ biến hơn do nguồn N2 dễ kiếm hơn (Ooraikul and Stiles, 1991). Kỹ thuật MAP trong bảo quản rau quả Hỗn hợp khí được đưa vào bên trong bao gói của các thực phẩm khác nhau thì khác nhau, tùy thuộc vào loại thực phẩm, vật liệu làm bao bì và nhiệt độ tồn trữ. Thịt, cá cần màng bao có độ thấm khí rất thấp vì những sảøn phẩm này không còn sự hô hấp trong quá trình bảo quản. Tuy nhiên, rau quả là những thực phẩm vẫn còn hô hấp sau thu hoạch, do đó sự ảnh hưởng qua lại giữa bao gói và rau quả là vô cùng quan trọng. Nếu sự thấm khí (CO2, O2) của màng bao được thiết kế phù hợp với sự hô hấp của rau quả, có nghĩa là sự tạo thành hay hấp thụ một khí cân bằng với sự mất đi hay sự tạo thành của khí đó trong bao bì, thì thành phần khí mong muốn bên trong bao bì sẽ ổn định và do đó mà rau quả sẽ kéo dài được hạn sử dụng của nó. Kỹ thuật để thiết lập sự cân bằng khí đó gọi là EMAP (Equilibrium Modified Atmosphere Packaging). Kỹ thuật vận hành của EMAP Điều kiện yếm khí Trong những bao bì có độ thấm khí thấp, do sự hô hấp làm giảm hàm lượng O2 và tăng hàm lượng CO2 nên điều kiện yếm khí sẽ nhanh chóng chiếm ưu thế, kết quả là gây ra mùi và vị khó chịu cho rau quả. Hình 1: Quá trình hô hấp yếm khí Trong điều kiện yếm khí (nồng độ O2 < 2%), đường chuyển hóa theo phản ứng: C6H12O6 " CO2 + Aldehyd + Acid hữu cơ + Rượu Một phân tử đường chỉ tạo ra 2 phân tử ATP (64KJ) và chỉ có 5% nhiệt được tạo thành trong suốt quá trình hô hấp yếm khí của rau quả. Điều kiện hiếu khí Trong những bao bì có độ thấm khí cao, thành phẩn khí quyển bên trong bao gói lại tương tự như bên ngoài, do đó mà sự hô hấp sẽ không hề bị giảm đi. Hình 2: Quá trình hô hấp hiếu khí Trong điều kiện trên, phản ứng chuyển hóa đường xảy ra như sau: C6H12O6 + 6O2 " 6H2O + 6CO2 + ATP Một phân tử đường tạo ra 36 phân tử ATP (1152KJ). Kỹ thuật EMAP Trong kỹ thuật EMAP, hàm lượng O2 và CO2 được điều chỉnh một cách chính xác và phù hợp. Sự diều chỉnh này với mục đích làm giảm sự hô hấp, hạn chế sự chín, giảm hoạt tính của enzyme hóa nâu, làm chậm quá trình làm mềm cấu trúc, chống thất thoát vitamin, giữ gìn sự tươi xanh lâu dài cho rau quả. Hình 3: Quá trình hô hấp khi bảo quản MAP Dưới điều kiện khí quyển được hiệu chỉnh một cách chính xác, hàm lượng O2 có sẵn rất ít cho việc chuyển hóa đường thành năng lượng, do đó mà làm giảm sự thất thoát sản phẩm. Bảng 1: Cường độ hô hấp một số loại rau quả Phân loại Cường độ hô hấp (mg / kg / h) Loại rau quả Rất thấp < 10 Hành Thấp 10 - 20 Bắp cải, cà chua Vừa phải 20 - 40 Carốt, cần tây Cao 40 - 70 Rau diếp, củ cải Rất cao 70 - 100 Rau bina, đậu Cực kỳ cao > 100 Bông cải xanh, đậu Hà Lan Thiết lập thành phần khí bên trong bao bì Có 2 cách để xây dựng thành phần khí quyển bên trong bao bì: PAMP ( Passive Modified Atmosphere Packaging): Đặc tính của sản phẩm được kết hợp chặt chẽ với đặc tính thấm khí của màng bao. Một thành phần khí quyển thích hợp sẽ được tạo ra một cách thụ động bên trong bao bì là kết quả của việc tiêu thụ O2 và thải CO2 của quá trình hô hấp. Ban đầu sản phẩm sẽ được bao gói bình thường trong túi đựng vì thế tất nhiên bên trong bao gói lúc này là hỗn hợp khí có thành phần như khí quyển. Sản phẩm sẽ hô hấp như bình thường ở thời điểm ban đầu này. Lượng O2 tiêu thụ sẽ lớn hơn lượng O2 bên ngoài thấm vào, như vậy lượng O2 trong bao gói chắc chắn sẽ bị giảm xuống dẫn đến cường độ hô hấp của sản phẩm cũng sẽ giảm theo. Sau một khoảng thời gian ngắn, lượng O2 tiêu thụ sẽ cân bằng với lượng O2 thấm từ bên ngoài vào. Sự cân bằng bắt đầu được thiết lập và hỗn hợp khí lúc này là thành phần khí thích hợp cho sản phẩm. AMAP (Active Modified Atmosphere Packaging): Thành phần khí bên trong bao bì được thiết lập bằng cách rút chân không và thay thế không khí bằng một hỗn hợp khí mong muốn. Để đạt được và duy trì thành phần khí quyển mong muốn trong suốt thời gian bảo quản, sự thấm khí của màng bao phải được thiết lập sao cho cho phép O2 đi vào trong màng bao ở một tỷ lệ cân bằng với lượng O2 được