Sử dụng kỹ thuật chiếu xạ trong chế biến tối thiểu

2.3 SỬ DỤNG KỸ THUẬT CHIẾU XẠ TRONG CHẾ BIẾN TỐI THIỂU [4, 5, 6, 7, 16, 22, 23] 2.3.1. Khái niệm Chiếu xạ là quá trình chiếu các tia bức xạ mang năng lượng, có bản chất là sóng điện từ vào vật cần được xử lý như thực phẩm. Mỗi bức xạ được đặc trưng bằng dải năng lượng tương ứng với bước sóng l xác định. Mối tương quan giữa năng lượng E của bức xạ và bước sóng là: 2.3.2 Phân loại bức xạ theo năng lượng bước sóng Bảng 2.6: phân loại tia bức xạ Dạng bức xạ Năng lượng Bước sĩng Bức xạ nhiệt Vi sĩng (Microwave) Hồng ngoại (Infrarred) Ánh sáng khả kiến Tử ngoại (Ultra Violet) Tia Roentgen (Tia X) Tia γ < 100 eV 1 – 100 keV 1 – 100 MeV >100 µm 10 – 100 µm 1 – 10 µm 380 – 760 nm 10 -380 nm 0.01 – 10 nm < 0.01 nm 2.3.3 Các tia bức xạ thường dùng trong chế biến và bảo quản thực phẩm Vi sóng (Microwave): đây là tia có buớc sóng dài, không có khả năng xuyên sâu, thường dùng để gia nhiệt cho thực phẩm Tia hồng ngoại: Dùng trong bảo quản thịt, có khả năng tạo ra lượng nhiệt và được sử dụng trong quá trình gia nhiệt. Phương pháp này không đủ năng lượng để tạo ra ion và hiệu quả bảo quản phụ thuộc vào nhiệt lượng tạo ra. Tia cực tím: Có tác dụng diệt khuẩn, đặc biệt là tiêu diệt vi khuẩn gây bệnh trong không khí và thường được sử dụng diệt khuẩn trong kho bảo quản, thùng chứa, bề mặt sản phẩm. Tia này xâm nhập vào bên trong thực phẩm thấp. Độ dài của tia cực tím ở 250nm có tác dụng diệt khuẩn tối đa. Tia sáng này có khả năng xuyên qua và giết chết tế bào vi sinh vật trong một thời gian ngắn nhưng bào tử và nấm mốc đề kháng tốt hơn nấm men. Khi tăng cường độ thì tỉ lệ diệt vi sinh vật tăng lên. Việc lắp đặt đèn cực tím cần tránh nguồn sáng từ đèn chiếu trực tiếp vào mắt người lao động vì sẽ gây nguy hiểm. Hiện nay tia cực tím được sử dụng cho chiếu xạ thịt và các sản phẩm thịt để kiểm soát sự phát triển của vi sinh vật trên bề mặt. Tia X, tia g : tia có bước sóng cực ngắn, độ xuyên sâu mạnh, thuờng dùng để diệt khuẩn. Tia b: 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. Trong các tia bức xạ trên, người ta thường sử dụng nhiều nhất là tia X, tia g và tia b trong chế biến tối thiểu để chiếu xạ thực phẩm. 2.3.4 Cơ chế tác động của các tia bức xạ Tác động chính của tia bức xạ là gây ion hóa vật chất, nghĩa là kích thích các phân tử, nguyên tử trong môi trường vật chất biến đổi thành các ion. Tác động này thường phá hủy cấu trúc hiện có của vật chất. Vì vậy, chiếu xạ thường dùng để tiêu diệt các thành phần không mong muốn trong thực phẩm như vi sinh vật, côn trùng… Trong thực phẩm chất trực tiếp nhận ảnh hưởng của bức xạ là nước. Nước bị ion hoá sinh ra các ion tích điện hoặc các gốc tự do theo các phản ứng sau: Các gốc tự do như hydro (H.), hydroxyl (OH.), hydroperoxyl (HO2.) sinh ra không bền (tồn tại ngắn hơn 10-5s) nên phải tác động lên các hợp chất trong tế bào như: protein, carbohydrate, lipid, enzyme, DNA, RNA gây biến đổi chúng, dẫn tới kết quả là vô hoạt các enzyme (như lypoxygenase và peroxidase), oxi hoá các acid béo, phân hủy các vitamin tan trong dầu và các sắc tố. Tuy nhiên tác động quan trọng nhất của tia bức xạ là thay đổi cấu trúc DNA và RNA, ảnh hưởng lên quá trình tăng trưởng và phát triển của vi sinh vật. Sự tác động này bắt đầu có hiệu quả sau khi chiếu xạ một thời gian ngắn, khi tế bào không thể tổng hợp enzyme và phân chia. Các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu quả của tia bức xạ: Đặc tính của vi sinh vật: Sự nhạy cảm với bức xạ của vi sinh vật được đánh giá bằng chỉ số D10 (liều lượng chiếu xạ cần để giảm lượng vi sinh xuống còn 10%). Số lượng vi sinh giảm theo hàm log khi tăng liều lượng chiếu xạ, ngoại trừ những vi sinh vật có khả năng tái tạo lại DNA sau khi bị chiếu xạ. Tế bào vi sinh vật có kích thước càng nhỏ thì liều lượng chiếu xạ phải càng lớn do: các tế bào vi sinh vật kích thước nhỏ hấp thu ít năng lượng hơn các tế bào vi sinh vật kích thước lớn. Trong đó virus có khả năng chịu đựng rất tốt và hầu như không bị tiêu diệt bởi liều lượng chiếu xạ thường dùng trong sản xuất. Các vi sinh vật có khả năng sinh bào tử (như Clostridium botulinum, Bacillus cereus )và những loại vi sinh vật tái tạo lại DNA (như Deinococcus radiodurans ) có khả năng chống bức xạ tốt hơn những loại khác. Pha phát triển của tế bào vi sinh vật: tế bào vi sinh vật ở pha log dễ bị tiêu diệt nhất do ở giai đoạn này, tế bào phân chia, cởi xoắn DNA để sao chép nên dễ bị tia bức xạ tác động. Thành phần thực phẩm: hàm lượng nước trong thực phẩm lớn sẽ tăng hiệu quả tiêu diệt vi sinh vật do nước là các phần tử linh động nên tăng khả năng vận chuyển các gốc tự do. Thực phẩm có độ nhớt cao sẽ giảm khả năng vận chuyển gốc tự do, vì vậy giảm tác động của tia phóng xạ. Loại tia bức xạ, liều lượng chiếu xạ, loại vi sinh vật: Để tiêu diệt vi sinh vật một cách hiệu quả trong thực phẩm ta nên sử dụng tia Roentgen hay tia gamma vì có độ xuyên sâu cao, và năng lượng cao, nhất là các sản phẩm có bề dày lớn. Tùy vào từng loại vi sinh vật và sản phẩm đem chiếu xạ mà ta sử dụng những liều lượng chiếu xạ và nhiệt độ khác nhau. Các vi sinh vật gây bệnh như Samolnella Typhimurium có khả năng kháng bức xạ kém hơn Clostridium botulinum và ở liều lượng chiếu xạ 3-10kGy là có thể giảm đáng kể số lượng của nó (Guise, 1986). Đối với các loài như Campylobacter spp., Escherichia coli hay Vibrio… cần liều lượng chiếu xạ trên 10kGy thì mới tiêu diệt hiệu quả. Hình 2.10: Sự ảnh hưởng của bức xạ lên vi sinh vật A: Pseudomonas spp. - B: Salmonella spp. - C: Bacillus cereus - D: Deinococcus radiodurans – E: một số virus thông dụng. 2.3.5 Thiết bị xử lý thực phẩm bằng 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 chiếu xạ, bảo vệ, ngăn ngừa việc nhiễm xạ ra ngoài. Thiết bị đo, nhập liệu, tháo liệu. 2.3.5.1 Nguồn bức xạ Người ta thường phân loại thiết bị theo nguồn bức xạ, có hai loại nguồn thường sử dụng là tia gamma và dòng điện tử có gia tốc. Tia gamma Nguồn tia gamma thường dùng là đồng vị Co60 (năng lượng là 1.17 MeV và 1.33 MeV) và đồng vị Cs137 (0.662 MeV). Hai đồng vị này có thời gian bán huỷ dài (Co60 T=5.27 năm, Cs137 T= 30 năm) Đây là bức xạ điện từ có bước sóng cực ngắn l < 0.001 nm, có độ xuyên sâu mạnh hơn dòng điện tử được gia tốc nhưng tốc độ truyền năng lượng thì không cao bằng. Bức xạ tia gamma thường dùng khi cần chiếu xạ bề sâu bên trong vật thể. Một chiếu xạ gamma ở mức năng lượng bình thường có thể xuyên qua một tấm chì dày 5 cm hay một tấm nhôm dày 2 m. Dòng điện tử được gia tốc Năng lượng của dòng điện tử này phụ thuộc vào gia tốc nhưng với cùng năng lượng với tia gamma thì dòng điện tử có khả năng xuyên qua thực phẩm yếu hơn. Dòng này được tạo ra từ máy gia tốc electron. Hình 2.11: Máy gia tốc electron (electron accelerator) Chú thích: 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 – 100 KV), 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 quỹ đạo của electron 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 (Cathode Ray Tube). Đầu ra của các ống CRT này là sản phẩm mà ta muốn chiếu xạ. 2.3.5.2 Thiết bị điều chỉnh năng lượng bức xạ Thông thường nguồn bức xạ thường phát ra bức xạ với năng lượng vượt mức yêu cầu của quy trình công nghệ, nên ta phải điều chỉnh năng lượng bức xạ. Đối với các máy gia tốc 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 các kim loại nặng, nước, nước nặng (D2O). Thường dùng nhất là chì và nước. Một điều lưu ý quan trọng là vật liệu để chế tạo thiết bị chiếu xạ để bức xạ không bị lọt ra ngoài gây nguy hiểm cho người vận hành, đặc biệt là bức xạ dạng tia gamma hay tia X do đặc tính xuyên sâu mạnh của nó. Với hai nguồn bức xạ này thì vật liệu thích hợp là bê tông. Bề dày bình trung bình của tường bê tông là từ 6 – 7 foot (khoảng 2 m). Ngoài ra với đồng vị phóng xạ cần có biện pháp bảo quản khi không vận hành. Thường các đồng vị phóng xạ tia gamma được đặt dưới bể nước sâu để làm giảm mức nguy hiểm. Hình 2.12: Mô hình một thiết bị sử dụng đồng vị phóng xạ 2.3.6. Ưu nhược điểm của kỹ thuật chiếu xạ Phương pháp xử lý bằng chiếu xạ có các ưu điểm sau: Không sử dụng nhiệt, bảo đảm cho chất lượng thực phẩm được giữ nguyên. Có thể xử lý cả thực phẩm tươi lẫn thực phẩm đã được đóng gói trong bao bì. Không sử dụng hóa chất bảo quản, nên không gây ra độc tố cho người tiêu dùng. Chi phí năng lượng nhỏ. Hàm lượng dinh dưỡng bị biến đổi rất ít sau xử lý. Thiết bị đơn giản, dễ điều khiển. Tuy nhiên phương pháp trên vẫn có nhược điểm: Chỉ có tác dụng diệt khuẩn, không tác động lên các chất độc có sẵn như kim loại nặng, kháng sinh, chất độc do các vi sinh vật tiết ra trước khi xử lý. Quá trình chiếu xạ có nguy cơ sinh ra chất độc mới, nhưng sự biến đổi này là bất định hướng và ngẫu nhiên nên gây khó khăn cho các nhà phân tích thực phẩm trong quá trình kiểm định và đánh giá sản phẩm. Xử lý bằng chiếu xạ làm phát sinh những giống vi sinh vật chống được bức xạ do quá trình tiến hóa (giống như giống vi sinh vật kháng kháng sinh). Tâm lý e ngại của người tiêu dùng về các sản phẩm có liên quan đến thực phẩm chiếu xạ. 2.3.7. An toàn của thực phẩm chiếu xạ Một vấn đề đáng quan tâm của sản phẩm xử lý bằng chiếu xạ là sự an toàn đối với người sử dụng sản phẩm. Có 2 quan tâm chính của người tiêu dùng đến sản phẩm thực phẩm đã được xử lý chiếu xạ là: Sản phẩm sau chiếu xạ có khả năng trở thành nguồn bức xạ hay không. Có chất độc sinh ra sau chiếu xạ hay không. Với vấn đề thứ nhất, các nghiên cứu đã khẳng định khả năng bức xạ trở lại của các sản phẩm có nguồn gốc sinh học như thực phẩm là rất thấp. Lý do là trong thực phẩm các nguyên tố chủ yếu là C, O, H, N đều là những nguyên tố có đồng vị thường bền vững, hầu như không thể biến đổi thành đồng vị phóng xạ trong điều kiện liều chiếu bình thường. Mặt khác, với công nghệ hiện đại, các máy dò phóng xạ có độ nhạy rất cao, việc phát hiện và loại bỏ sản phẩm có nguy cơ chiếu xạ trở lại là việc dễ dàng. Đối với vấn đề thứ hai, các chất độc sinh ra do chiếu xạ, hiện nay chưa có những nghiên cứu chính thức. Nếu sự biến đổi do các phương pháp xử lý khác như nhiệt, hóa chất… có thể dự đoán hay biết trước được, thì sự biến đổi của thực phẩm sau chiếu xạ là những biến đổi ngẫu nhiên, không có tính định hướng. Hầu hết việc xác định độc tính phải qua lấy mẫu và phân tích. Tuy nhiên đến nay vẫn chưa có trường hợp độc tính nào gây hậu quả nghiêm trọng được ghi nhận. Vấn đề này còn nằm trong sự tranh cãi giữa các nhà khoa học, giữa nhà khoa học và nhà sản xuất. Tuy nhiên để bảo vệ quyền lợi người tiêu dùng, tổ chức “Vì sự an toàn của thực phẩm chiếu xạ JECFI” (Joint FAO/IAEA/WHO Expert Committee on the Wholesomeness of Irradiated Food) được thành lập dưới sự liên kết của 3 tổ chức của liên hiệp quốc (Tổ chức lương nông thế giới FAO, Cơ quan năng lượng Nguyên tử quốc tế IAEA và Tổ chức Sức khoẻ thế giới WHO) vào năm 1986. Đây là cơ quan chuyên đánh giá mức độ an toàn của các thực phẩm chiếu xạ. Các thực phẩm được lưu hành có qua xử lý chiếu xạ phải được sự kiểm tra và chứng nhận của cơ quan này. Cơ quan này cũng yêu cầu các nhà sản xuất phải dán nhãn cảnh báo người tiêu dùng về sản phẩm có chiếu xạ. Nhãn thường được gắn là “Treated by irradiation, do not irradiate again”, tạm dịch đây là sản phẩm đã qua xử lý chiếu xạ và không chiếu xạ trở lại. Hình 2.13: Logo của thực phẩm được xử lý bằng chiếu xạ Kỹ thuật xử lý thực phẩm bằng phương pháp chiếu xạ được FAO, WHO, USDA (U.S Department of Agriculture), AMA (The American Medical Association) công nhận là phương pháp bảo quản thực phẩm an toàn và hiệu quả, giúp cải thiện chất lượng sản phẩm, kéo dài thời gian bảo quản và mở rộng hệ thống xuất nhập khẩu sản phẩm thực phẩm chế biến tối thiểu xử lý bằng chiếu xạ trên phạm vi toàn thế giới. Ngoài vấn đề an toàn cho người tiêu dùng thì vấn đề an toàn cho người vận hành cũng đáng quan tâm. Hấu hết các thiết bị sử dụng bức xạ đều có những dụng cụ đo để kiểm soát liều lượng chiếu xạ, bên cạnh đó những người vận hành cần được trang bị các dụng cụ đo bức xạ cá nhân. Cuối cùng điều quan trọng nhất là khâu thiết kế, việc lựa chọn loại vật liệu và độ dày vật liệu để chế tạo gia công phải được lựa chọn và tính toán một cách hợp lý nhằm đạt mục tiêu chi phí thấp nhất nhưng vẫn đảm bảo độ an toàn cho phép. Hiện nay đã có 41 quốc gia cho phép sản phẩm được xử lý bằng chiếu xạ với hơn 60 chủng loại sản phẩm, các quốc gia tiêu biểu là: Hoa Kỳ, Anh, Hà Lan , Pháp. Tuy nhiên có một số nước tiên tiến lại cấm phương pháp này như Đức, Nga, Thụy Điển, Na Uy. Các sản phẩm xử lý chiếu xạ cũng không được nhập vào các nước này. Lý do có thể lo ngại sự không an toàn hay vì bảo hộ sản phẩm trong nước. Ở Anh, luật về vấn đề xử lý chiếu xạ được đưa ra vào năm 1997 quy định liều lượng chiếu xạ tối đa cho các loại sản phẩm. Vấn đề cản trở sự ứng dụng của xử lý chiếu xạ là chi phí đầu tư quá cao, đòi hỏi phải có năng suất lớn để giảm chi phí tính trên một đơn vị sản phẩm. Nhưng sự cản trở lớn nhất chính là sự e ngại thậm chí chống đối của người tiêu dùng. Hoa Kỳ là một trong những nước tiên phong sử dụng công nghệ này nhưng người dân cho đến nay vẫn còn không tin tưởng. Ngày 23 -11 -2002, học sinh và phụ huynh đã biểu tình tại Missouri khi biết được các phần ăn trưa tại trường học đã qua xử lý chiếu xạ.Việc này chỉ kết thúc khi cơ quan giáo dục của Bang chấm dứt hợp đồng với nhà cung cấp suất ăn trên. Ngày 23 –11 đã được chọn là ngày chống thực phẩm chiếu xạ (International Anti-Food Irradiation Day). Cho đến nay sự phản đối này vẫn còn rất mạnh mẽ. Ở châu Âu, các sản phẩm chiếu xạ cũng không có được sự ủng hộ, thậm chí một số quốc gia còn không cho phép như Đức, Na Uy… Ở Pháp, tuy chính phủ cho phép lưu hành các sản phẩm xử lý chiếu xạ nhưng người dân thì vẫn tẩy chay, nhất là các mặt hàng có xuất xứ từ Hoa Kỳ. Như vậy sự lo ngại về mức độ an toàn của sản phẩm xử lý bằng chiếu xạ còn rất lớn, kể cả ở những nước phát triển như Hoa kỳ. Chính mối lo ngại này đã cản trở đến sự đầu tư vào quy trình này. Có lẽ chúng ta phải đợi cho đến khi có những nghiên cứu rõ ràng về vân đề này thì mới phát triển phương pháp trên một cách rộng rãi. 2.3.8. Ứng dụng của kỹ thuật chiếu xạ trong sản xuất thực phẩm chế biến tối thiểu Mục đích của xử lý bằng chiếu xạ đối với thực phẩm chủ yếu để cải thiện chất lượng, chống sâu bọ, khử trùng và tiệt trùng (tiêu diệt vi sinh vật), tăng thời gian bảo quản. Theo liều lượng người ta chia việc xử lý làm 3 loại Liều thấp (duới 1 kGy): sử dụng để hạn chế sự phát triển của rau, củ, làm chậm sự chín của trái và tiêu diệt côn trùng, ký sinh trùng như giun sán. Liều trung bình (từ 1 – 10 kGy): sử dụng để kéo dài thời gian bảo quản của thực phẩm, giảm sự lây nhiễm của vi sinh vật (vi sinh vật vẫn còn tồn tại), cải thiện một số tính chất công nghệ. Liều cao (từ 10 – 60 kGy): sử dụng để tiệt trùng, tiêu diệt hầu hết vi sinh vật (bao gồm cả viruses), xử lý đồ hộp. Ngoài ra còn một cách phân biệt một số quá trình với các thuật ngữ sau (thuật ngữ này không có thuật ngữ tiếng Việt tương đương) Radurization: xử lý liều từ 2 – 6 kGy, dùng phá huỷ tế bào sinh dưỡng, nấm men, nấm mốc, các vi khuẩn không sinh bào tử. Quá trình này tăng thời gian bảo quản lên từ 3 -5 lần ở nhiệt độ từ 0 – 5 0C. Radicadation: xử lý với liều tương tự như Radurization nhưng chỉ nhằm tiêu diệt một số vi sinh vật gây bệnh chủ yếu. Radappertization: xử lý liều từ 30 – 50 kGy dùng để tiêu diệt hầu như hoàn toàn hệ vi sinh vật trong thực phẩm, nhằm mục đích bảo quản lâu dài, nhưng liều lượng cao sẽ ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm. Phương pháp này sử dụng chủ yếu với thịt và các sản phẩm từ thịt, ít dùng cho bảo quản rau quả. Những loại sản phẩm này có thể chiếu xạ với liều lượng 8-10 kGy sẽ có tác dụng tiệt trùng mà không làm thay đổi nhiều chất lượng sản phẩm. Bảng 2.7: Một số ứng dụng của kỹ thuật chiếu xạ, [6] Ứng dụng Liều chiếu xạ(kGy) Thực phẩm Nước áp dụng Tiệt trùng 7-10 Cây gia vị, thảo dược Bỉ, Canada, Crotia, Cộng hòa Sec, Đan Mạch, Phần Lan, NamPhi, Mỹ, Việt Nam Tiệt trùng thực phẩm đóng gói 10-25 Rượu Hungary Phá hủy mầm bệnh 2.5-10 Gia vị, thịt đông lạnh, tôm đông lạnh Bỉ,Canada, Croatia, Cộng hòa Sec, Đan Mạch,PhầnLan,Pháp,NamPhi,Netherland, Thái Lan, Việt Nam Kiểm soát nấm mốc 2-5 Kéo dài thời gian tồn trữ rau quả tươi Trung quốc, Nam Phi, mỹ Kéo dài thời gian bảo quản thực phẩm làm lạnh từ 5 ngày tới 1 tháng 2-5 Rau quả mềm, cá tươi, thịt tươi ở 0-4oC Trung Quốc, Pháp, Netherlands, Nam Phi, Mỹ Vô họat/kiểm soát ký sinh trùng 0.1-6 Thịt heo Trung Quốc, Pháp, Netherlands, Nam Phi, Mỹ Ức chế nảy mầm 0.1-0.2 Khoai tây, tỏi, hành Algeria, Bangladesh, Trung Quốc, Cuba Tổ chức FDA (Foo