Sử dụng kỹ thuật áp suất cao trong chế biến tối thiểu

2.2 Sử dụng kỹ thuật áp suất cao trong chế biến tối thiểu. [6, 7, 12, 13, 14, 15] 2.2.1. Khái niệm Kỹ thuật áp suất cao (high pressure processing – HPP) là một trong những kỹ thuật chế biến tối thiểu thực phẩm, trong đó, thực phẩm được đặt dưới áp suất cao, có thể kết hợp với nhiệt độ hoặc không, nhằm mục đích tiêu diệt vi sinh vật hoặc nhằm thay đổi các đặc tính của thực phẩm. Kỹ thuật này vẫn giữ được chất lượng của thực phẩm, giữ được trạng thái tươi ngon tự nhiên đồng thời kéo dài thời gian bảo quản của thực phẩm. Kỹ thuật áp suất cao là kỹ thuật không sử dụng nhiệt (non-thermal processing), thậm chí khi áp suất tăng thì nhiệt độ chỉ tăng rất ít. Nó được áp dụng trong thực phẩm bắt đầu từ thế kỷ 20. Hite(1899) là người đầu tiên đã nỗ lực nghiên cứu để kéo dài thời gian bảo quản thực phẩm bằng xử lý áp suất cao. Nhưng phải mãi đến năm1990 thì kỹ thuật này mới được áp dụng trong công nghiệp và đầu tiên là ở Nhật Bản (Hayashi 1989) cho việc thanh trùng các thực phẩm acid để bảo quản lạnh. Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về kỹ thuật áp suất cao ở Châu âu, Mỹ nhưng phát triển trong công nghiệp của nó vẫn còn chậm hơn Nhật, nguyên nhân chủ yếu là do vốn đầu tư lớn. 2.2.2 Ưu, nhược điểm của kỹ thuật áp suất cao. Ưu điểm Tiêu diệt tế bào sinh dưỡng của vi sinh vật, có thể tiêu diệt cả bào tử nếu kết hợp với nhiệt độ cao. Vô hoạt enzyme Không gây độc Đảm bảo sự đồng đều khi xử lý trên toàn bộ khối sản phẩm Nếu dùng phương pháp này có thể giảm hay không dùng chất bảo quản Nhược điểm Vẫn còn tồn tại vi sinh vật Thiết bị đắt tiền Yêu cầu thực phẩm phải chứa khoảng 40% nước tự do để đảm bảo hiệu quả tiêu diệt vi sinh vật. Giới hạn trong việc lựa chọn bao bì cho sản phẩm 2.2.3. Cơ chế tác dụng của kỹ thuật áp suất cao (Knorr & Earnshaw, 1995) Sử dụng áp suất cao trong thực phẩm với khoảng áp suất từ 300MPa-800MPa, có tác dụng vô hoạt vi sinh vật hoặc enzym mà không phá huỷ màu sắc, mùi vị, thành phần dinh dưỡng của thực phẩm so với kỹ thuật xử lý nhiệt thông thường.  Cơ chế tác động lên tế bào sinh dưỡng của vi sinh vật: Gây biến tính các protein Tác dụng lên màng tế bào, làm thay đổi cấu trúc của màng, gây ra sự rối loạn trao đổi chất trong và ngoài tế bào. Ảnh hưởng có hại lên vật chất di truyền như acid ribonucleic (RNA), acid nucleic, ribosome…làm biến đổi cấu trúc của chúng và gây cản trở quá trình tổng hợp protein, quá trình sao chép vật chất di truyền. Cơ chế tác động lên bào tử: Đối với bào tử vi sinh vật, áp suất cao tác động theo cơ chế bao gồm 2 giai đoạn: Giai đoạn 1: Bào tử dưới tác dụng của áp suất cao sẽ được kích thích hoạt động và nảy mầm. Giai đoạn 2: Sau khi nảy mầm, khả năng nhạy cảm với áp suất tăng, bào tử sẽ bị áp suất cao tiêu diệt. Cơ chế tác động lên enzyme: Enzyme có bản chất protein, dưới tác dụng của áp suất cao, các protein bị biến tính, gây vô hoạt các enzyme. Các enzyme có cấu trúc bậc 1 chỉ bị ảnh hưởng rất ít từ áp suất cao (Hereman, 1993). Enzyme có cấu trúc bậc 2 khá nhạy cảm với áp suất do liên kết chủ yếu trong cấu trúc là liên kết hydro. Enzyme có cấu trúc bậc 3 và bậc 4 thì bền vững hơn bậc 2 nhưng cũng bị phá vỡ trong suốt quá trình xử lý. 2.2.4. Các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu quả tác động lên vi sinh vật của kỹ thuật áp suất cao: (Hendrickx et al., 1998) Số lượng vi sinh vật ban đầu: Aùp suất tác động càng cao và thời gian tác động càng dài khi số lượng vi sinh vật ban đầu trong thực phẩm càng lớn. Thành phần vi sinh vật: Nếu có những vi sinh vật có khả năng sinh bào tử thì bào tử sinh ra có khả năng kháng áp suất rất cao. Ví dụ như: sử dụng áp suất cao tới 1200MPa cũng không đủ khả năng tiêu diệt bào tử của Bacillus subtilis và Clostridium botulinum Vi khuẩn Gram (+) có khả năng kháng áp suất mạnh hơn vi khuẩn Gram (-) Nấm men và nấm mốc có khả năng chịu được tác động của áp suất tốt hơn là vi khuẩn. Loại enzyme: mỗi loại enzyme có khả năng kháng áp suất khác nhau. Có thể sắp xếp khả năng kháng áp suất theo chiều tăng dần của một vài loại enzyme điển hình như sau: Lypoxygenase < Lactoperoxidase < Pectinmethylesterase < Lipase < Phosphatase < Catalase < Polyphenoloxydase < Peroxidase Thời gian xử lý: phải đủ dài để có thể tiêu diệt được vi sinh vật có khả năng kháng áp suất cao nhất. pH của thực phẩm: pH thấp thì hiệu quả tác động của áp suất cao lên vi sinh vật sẽ cao hơn do pH thấp sẽ làm giảm tính kháng áp suất của chúng. Chất chống vi sinh vật: có thể kết hợp giữa xử lý thực phẩm bằng áp suất cao và sử dụng các chất chống vi sinh vật như Nisin, Acid sorbic, Ethylenediamintetraacetic acid (EDTA)… thì hiệu quả ức chế, tiêu diệt vi sinh vật sẽ tăng cao. Nhiệt độ xử lý: nhiệt độ xử lý cao thì khả năng ức chế, tiêu diệt vi sinh vật tăng. Để tăng hiệu quả tác động, người ta thường sử dụng kỹ thuật áp suất cao kết hợp với các yếu tố khác như chế độ xử lý nhiệt nhẹ nhàng, độ acid của môi trường thấp hay có bổ sung các chất chống vi sinh vật được phép sử dụng. Bảng 2.2: Xử lý áp suất ở một số vi sinh vật, enzyme và hợp chất cao phân tử (Thomas Ohlson, 2002) Vi sinh vật hoặc vật chất Ví dụ Áp suất (MPa) G (-) Pseudomonas, Samolnella, Yersinia 300 G (+) Micrococcus, Staphylococcus 600 Nấm men Saccharomyces, Candida 400 Vi khuẩn sinh bào tử Bacillus, Clostridium 900 (90oC) Enzyme Peroxydase, cellulase, peptidase, pectinmethylesterase 400-500 Polyphenoloxidase 700-1000 Protein Đông tụ 400 Tinh bột Hồ hoá 400-600 Polysaccharide Gel hoá 600 Bảng 2.3: Một số ứng dụng của kỹ thuật áp suất cao, (Campden New technology bulletin, No 14) Sản phẩm Nhà sản xuất Điều kiện xử lý Mứt, trái cây dressing, xốt, jelly Meidi-ya company, Nhật Bản 400MPa, 10-30 phút, 20oC Nước ép nho Pokka corp., Nhật Bản 120-400MPa, 2-20 phút, 20oC + xử lý nhiệt Trái cây không lạnh đông Nishin oil Mill, Nhật Bản 50-200MPa Thịt bò giần mềm Fuji ciku Mutterham, Nhật Bản 50-100MPa, 30-40 phút, 20oC Trái lê tàu Avomex, Mỹ 700MPa, 600-800 L/h Nước ép cam UltiFruit, Pháp 500MPa, 5-10 phút 2.2.5. Thiết bị áp suất cao trong sản xuất thực phẩm Mặc dù kỹ thuật áp suất cao có chi phí đầu tư lớn hơn các kỹ thuật chế biến thông thường khác nhưng việc sử dụng nó đã đem lại những cơ hội mới cho công nghiệp thực phẩm và đáp ứng được những yêu cầu của người tiêu dùng về sản phẩm tiện lợi, chất lượng cao, an toàn. Có 2 hệ thống xử lý thực phẩm bằng áp suất cao là hệ thống gián đoạn và hệ thống bán liên tục. Cấu tạo: Thiết bị áp suất cao bao gồm các thành phần chính là: Ống áp lực và vỏ ống. Hệ thống tạo áp lực Thiết bị kiểm soát nhiệt độ Hê thống điều khiển nguyên liệu Hầu hết các ống áp lực được làm từ vật liệu là thép không rỉ có ứng suất lớn, có thể chịu được áp suất 400-600MPa. Đối với trường hợp áp suất cao hơn, các ống áp lực được chế tạo gồm nhiều lớp được nén ép lại với nhau (Mertens,1995). Nguyên lý hoạt động: Thực phẩm đã bao gói sẽ được đặt trong ống áp lực. Sau khi tất cả không khí được loại bỏ khỏi ống áp lực thì một môi trường tạo áp lực (nước hoặc dầu) được bơm từ bộ phận chứa vào ống áp lực và dùng bộ phận khuếch đại áp lực cho tới khi đạt được áp suất mong muốn. Bộ phận khuếch đại áp lực thường sử dụng là bơm áp lực cao. Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của kỹ thuật áp suất cao [7] Có thể kiểm soát nhiệt độ trong thiết bị bằng cách bơm môi trường nóng hoặc lạnh qua lớp vỏ áo bao quanh ống áp lực. Cách này đáp ứng được yêu cầu để duy trì nhiệt độ không đổi. Tuy nhiên, nếu cần thiết phải điều chỉnh thay đổi nhiệt độ, do quán tính nhiệt của ống lớn và vùng trao đổi nhiệt tương đối nhỏ nên cách vận hành kiểm soát nhiệt độ trên đáp ứng rất chậm. Trong trường hợp này, việc sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt bên trong ống áp lực là phù hợp nhất. Một hệ thống xử lý bằng áp suất cao được thương mại hoá tại Nhật Bản là hệ thống xử lý nước ép trái cây bán liên tục năng suất 4000-6000l/h ở áp suất 400-500MPa trong 1-5 phút, tại nhiệt độ phòng như hình vẽ sau: Hình 2.8 : Thiết bị áp suất cao của Nhật Bản Hình 2.9: Dây chuyền làm việc của nhà máy sản xuất nước ép trái cây sử dụng kỹ thuật áp suất cao Có 2 phương pháp xử lý thực phẩm bằng cách sử dụng áp lực cao là xử lý thực phẩm trong bao bì và ngoài bao bì. Thể tích của thực phẩm giảm nhanh dưới tác dụng của áp suất cao. Ví dụ như nước giảm 15% thể tích dưới áp suất 600MPa. Vì vậy, khi xử lý thực phẩm trong bao bì bằng áp suất cao cần chú ý đến hiện tượng bao bì bị bóp méo, biến dạng. Những bao bì bằng plactic và kim loại có thể thích hợp hơn và những nghiên cứu về loại bao bì tối ưu vẫn đang được tiếp tục. Đối với phương pháp xử lý áp suất trong bao bì cần phải có thiết bị tự động để đưa nguyên liệu vào và lấy sản phẩm ra ngoài. Còn đối với phương pháp xử lý áp suất ngoài bao bì thì đơn giản hơn, việc nhập nguyên liệu vào chỉ cần dùng bơm, đường ống, van. Ưu và nhược điểm của 2 phương pháp xử lý trong bao bì và ngoài bao bì được so sánh ở bảng sau: Bảng 2.4: So sánh 2 phương pháp xử lý thực phẩm bằng áp suất cao, [7] Xử lý trong bao bì Xử lý ngoài bao bì Ưu điểm: Aùp dụng cho tất cả thực phẩm dạng rắn và lỏng Điều khiển nguyên liệu đơn giản Tối thiểu nguy cơ tái nhiễm Linh động việc chọn nguyên liệu Dễ làm sạch Hiệu quả cao nhất >90% Nhược điểm Điều khiển nguyên liệu phức tạp Chỉ thích hợp cho thực phẩm dễ bơm Không linh động trong lựa chọn bao bì Các bồn chứa, bộ phận vận hành cần vô trùng để tránh nhiễm bẩn các quá trình chế biến sau 2.2.6. Aûnh hưởng của áp suất cao tới chất lượng thực phẩm. 2.2.6.1 Aûnh hưởng tới chất lượng rau quả: Xử lý bằng áp suất cao giúp kéo dài thời gian bảo quản của sản phẩm, giữ được giá trị dinh dưỡng, giá trị cảm quan của sản phẩm. Tuy nhiên, đôi lúc quá trình này cũng làm ảnh hưởng tới màu sắc, mùi vị của sản phẩm. Aûnh hưởng tới màu sắc: Kỹ thuật xử lý bằng áp suất cao giúp giữ được màu sắc tự nhiên của rau quả tươi. Qua phân tích hoá học và quang phổ, màu sắc tự nhiên của sản phẩm rau quả xử lý bằng áp suất không thay đổi nhiều và giảm từ từ trong suốt quá trình bảo quản (Donsi, 1996). Khi xử lý bằng áp suất cao và ở nhiệt độ thấp, chlorophyl và các sắc tố khác như annato, caroten, anthoxyan được nhận thấy là khá bền vững (Kimura 1994, Donsi 1996). Ngay cả khi xử lý trong 4h, tại 800MPa và 40oC thì vẫn không có sự giảm chlorophyl a & chlorophyl b. Chỉ khi kết hợp với nhiệt độ cao hơn 50oC thì chlorophyl mới giảm đáng kể. Như vậy, ở nhiệt độ không quá 40oC, không có sự mất màu xanh của rau quả, ngay cả khi xử lý ở 800MPa, trong 180 phút. Tuy nhiên khi kết hợp với nhiệt độ trong vùng từ 50-60oC, màu xanh bị mất một phần và khi ở nhiệt độ 70 -80oC thì màu xanh bị mất gần như hoàn toàn ở tất cả các áp suất (0.1-850MPa). Khi bảo quản, màu sắc của sản phẩm đã qua xử lý bằng áp suất cao bị biến đổi. Nguyên nhân là do sự tồn tại của polyphenoloxidase (PPO) trong sản phẩm do chưa bị áp suất vô hoạt hết. Vì vậy, PPO đã xúc tác cho các phản ứng oxi hoá polyphenol, tạo các sản phẩm có màu nâu. PPO được xem là một trong các enzym chính gây hư hỏng chất lượng sản phẩm trong suốt quá trình tồn trữ sau thu hoạch, chế biến và bảo quản. Do vậy, vô hoạt PPO là điều mong muốn . Dưới tác dụng của áp suất, PPO có thể được hoạt hoá hoặc bị vô hoạt, phụ thuộc vào áp suất tác dụng. Giá trị áp suất thích hợp để vô hoạt PPO phụ thuộc rất nhiều vào nguồn gốc PPO, pH của môi trường, sự có mặt của các chất như muối, đường và các phụ gia khác. Bảng 2.5: Ảnh hưởng của áp suất cao ở nhiệt độ phòng lên PPO khác nguồn gốc, [12] Nguồn gốc Môi trường Điều kiện xử lý Hoạt hoá/vôhoạt Tham khảo Táo PB(pH 4.5, 0.5M) 150-300Mpa /25oC/1min Hoạt hoá Anese 1995 ³500MPa/25oC/1min Vô hoạt Anese 1995 Mơ Cell-free extract (pH 3.9) ³125MPa/25oC/15min Vô hoạt Jolibert 1994 Lê tàu PB(pH 7, 0.1M) ³800MPa/25oC/>60min Vô hoạt Weemaes 1998 Vải Puree(pH 3.8) ³600MPa/25oC/15min Vô hoạt Yen&Lin 1996 Hành TB(pH 6.5, 0.01M) £800MPa/25oC/10min Hoạt hóa Butz 1994 Dâu tây Crude extract (pH 2-5) 500MPa/25oC/10min Vô hoạt Jolibert 1994 Crude extract (pH 6) 500MPa/25oC/10min Hoạt hoá Jolibert 1994 Cà chua Puree(pH 4.1) <200MPa/25oC/15min Hoạt hoá Hernandez&caro 1998 200-500MPa/25oC/15min Vô hoạt Hernandez&caro 1998 PB: đệm photphat, TB: đệm Tris Một vài ví dụ về ảnh hưởng của áp suất tới màu sắc sản phẩm như : Màu đỏ của dâu tây xử lý bằng áp suất gần như được giữ lại hoàn toàn. Màu nước ép cà chua xử lý bằng áp suất gần giống với màu của nguyên liệu tươi hơn là sản phẩm xử lý bằng nhiệt. Puree ổi xử lý ở 600MPa, 25oC, 15 phút giữ lại được màu sắc tự nhiên của dịch chiết tươi. Suốt thời gian bảo quản ở 4oC, 60ngày, màu sáng và xanh của puree ổi giảm từ từ, đặc biệt là ở những mẫu chưa qua xử lý. Màu sắc của puree xử lý bằng áp suất cao bền vững hơn so với puree không xử lý rất nhiều (Yen&Lin 1996). Aûnh hưởng tới mùi vị sản phẩm Xử lý bằng áp suất cao hiện đang là kỹ thuật có nhiều hứa hẹn và tiềm năng mới trong sản xuất nước ép trái cây vì giữ được mùi vị tự nhiên của sản phẩm. Theo Mermelstein (1999) khi khảo sát trên nước ép cam và nước ép táo thì không có sự khác nhau giữa mùi vị của sản phẩm tự nhiên và sản phẩm qua xử lý áp suất khi được sản xuất từ cùng một nguồn nguyên liệu tươi. Theo Bignon (1996), giá trị cảm quan của nước cam ép xử lý áp suất có thể giữ được trong 30 ngày mà không có những thay đổi đáng kể so với trạng thái tự nhiên của nó. Những phân tích của Donsi (1996) bằng sắc kí khí về các thành phần của nước cam đã chứng tỏ rằng: hầu hết các hợp chất tạo mùi vị ban đầu như trans-2-hexenol, linalol, ethylbutylrate, methylbutyric acid…được giữ lại trong sản phẩm ở mức cao hơn so với các sản phẩm xử lý nhiệt. Theo Yen&Lin, thành phần các hợp chất dễ bay hơi trong nước vải khi xử lý ở áp suất 600MPa, 25oC, 15 phút và bảo quản ở 2 chế độ nhiệt độ 4oC và 25oC, nếu so sánh với sản phẩm tươi thì thấy thay đổi không đáng kể sau quá trình xử lý bằng áp suất cao. Nước ép bảo quản ở nhiệt độ 4oC, tới 30 ngày thì tổng thành phần alcohol, ester cũng như các thành phần khác vẫn gần giống với hàm lượng của nó trong nước ép tươi. Màu sắc nước ép qua xử lý được giữ bền vững hơn so với nước ép không qua xử lý do các enzym bị ức chế một phần. Sau thời gian bảo quản 60 ngày ở 4oC, nồng độ alcohol tăng rõ rệt do hoạt động của enzym. Mùi vị của nước ép đã qua xử lý bằng áp suất thay đổi nhiều nhất khi được bảo quản ở 25oC trong thời gian 30 ngày. Methanol, ethanol, ethylacetate, methyl-1-propionate, 2-ethylfufuran tăng trong khi các hợp chất khác giảm Mùi vị của sản phẩm bị thay đổi khác nhau phụ thuộc vào loại sản phẩm đem xử lý. Ví dụ như: mùi vị của cà chua và hành bị ảnh hưởng nhiều bởi áp suất trong khi mùi vị của cam lại hầu như không bị ảnh hưởng. Mùi hành qua xử lý, giảm cường độ so với hành tươi và tương tự như mùi của hành đã được nấu hay đem chiên. Trong hành, áp suất cao làm giảm dipropylsulfide (hợp chất gây mùi vị hăng, cay) va tăng trans-propenyldisulfide & 3,4-dimethylthiophene, dẫn đến sự thay đổi mùi vị giống như hành đã được đem chiên, nấu (Butz 1994). Nước ép cà chua xử lý kết hợp áp suất cao-nhiệt độ-thời gian dài sẽ cho sản phẩm có mùi ôi nặng và không thể uống được. Nước ép cà chua xử lý bằng áp suất dẫn đến giảm hàm lượng hexanol, tăng trans-2-hexenal và n-hexanal. Những hợp chất này tạo mùi vị cho sản phẩm giống nguyên liệu tươi khi ở nồng độ 1-2mg/kg nhưng khi ở nồng độ cao thì sẽ gây mùi ôi (Poretta 1995). Aûnh hưởng của áp suất tới cấu trúc. Aùp suất cao thường làm sản phẩm mềm hơn. Tuy nhiên, khi áp suất tới 350MPa vẫn có thể áp dụng cho rau quả mà không làm thay đổi đáng kể về cấu trúc sản phẩm (Knorr 1995). Theo Basak & Ramaswamy (1998) độ vững chắc của cấu trúc đã xử lý bằng áp suất thay đổi theo 2 giai đoạn : - Giai đoạn đầu: độ vững chắc giảm đột ngột do tác động của xung áp suất. - Giai đoạn sau: cấu trúc được phục hồi từ từ, độ vững chắc tăng nhẹ. Aûnh hưởng của áp suất tới giá trị dinh dưỡng Vitamin trong rau quả không bị ảnh hưởng sâu sắc bởi áp suất. Theo Bignon (1996) thì hàm lượng các vitamin A, C, B1, B2, E, acid folic không bị thay đổi khi xử lý. Một vài ví dụ như: Khoảng 95% vitamin trong dâu tây không bị tổn thất khi xử lý và nhiều gấp 1.7 lần so với dâu xử lý bằng nhiệt (Byrne, 1993, Kimura, 1994). Đối với sản phẩm nước cam ép, khi xử lý ở áp suất lớn hơn 600MPa, hàm lượng vitamin C ban đầu không thay đổi (Ogawa, 1990). Dưới ảnh hưởng của áp suất (200-500MPa), các vitamin (C, B6, B2, B1, niacin ), đường (sucrose, fructose,glucose), acid hữu cơ (acid malic, citric, isocitric) trong nước cam ép không có sự thay đổi đáng kể ở mọi giá trị thử nghiệm (Donsi, 1996). 2.2.6.2 Aûnh hưởng của áp suất cao tới chất lượng thịt Aûnh hưởng của áp suất lên màu sắc của thịt Màu sắc của thịt phụ thuộc vào hàm lượng myoglobin tổng của nó. Các yếu tố làm tăng mức độ oxi hoá của myoglobin và phân huỷ màu sắc của thịt gồm: áp suất riêng phần của oxy, lượng oxy tiêu thụ bởi các mô, nồng độ các ion đa hoá trị, nhiệt độ, pH, vi sinh vật và áp suất. Việc xử lý áp suất ngay cả ở nhiệt độ bảo quản lạnh (5-10oC) cũng gây ra những thay đổi sâu sắc lên màu sắc của thịt đỏ (Chelftel&Culioli 1997). Carlez và cộng sự (1995) đã tiến hành nghiên cứu những thay đổi về màu sắc màø myoglobin gây ra bởi áp suất ở thịt bò băm ở 10oC. Kết quả cho thấy màu sắc của mẫu trở nên nhạt hơn khi bị xử lý ở áp suất trên 200MPa và chuyển sang màu nâu xám ở áp suất trên 400MPa. Aûnh hưởng của áp suất cao lên mùi