ỨNG DỤNG CỦA KỸ THUẬT TRƯỜNG XUNG ĐIỆN TRONG NGÀNH THỰC PHẨM

VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC – THỰC PHẨM
  
BÁO CÁO MÔN:
NHỮNG VẤN ĐỀ MỚI TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
ĐỀ TÀI:
ỨNG DỤNG CỦA KỸ THUẬT TRƯỜNG XUNG
ĐIỆN TRONG NGÀNH THỰC PHẨM
TP.HCM, tháng 3 năm 2011
Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Báo cáo tiểu luận
Viện CN Sinh Học – Thực Phẩm Những vấn đề mới trong thực phẩm
LỜI MỞ ĐẦU
Hòa nhịp cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật. Ngành công nghệ
thực phẩm cũng đang hướng tới việc phát triển những ứng dụng của kỹ thuật hiện đại
trong sản xuất thực phẩm. Hiện nay, có ba kỹ thuật hiện đại đang được ứng dụng
trong sản xuất thực phẩm đó là: kỹ thuật trường xung điện, kỹ thuật áp suất cao và kỹ
thuật siêu âm. Trong đó kỹ thuật trường xung điện đang được quan tâm khá nhiều.
Bởi những ưu điểm của kỹ thuật này hoàn toàn phù hợp với xu hướng của thị trường
người tiêu dùng thực phẩm.
Vậy kỹ thuật trường xung điện là gì? Nó được sử dụng như thế nào trong Ngành thực
phẩm? Những ưu điểm của kỹ thuật này là gì? Liệu người tiêu dùng có được hưởng
lợi gì từ kỹ thuật này hay không? Để giải đáp tất cả những câu hỏi đó chúng em đã
trải qua thời gian nghiên cứu và tìm hiểu. Bài tiểu luận này chính là kết quả cuối
cùng.
Tuy nhiên, do thời gian và trình độ còn hạn chế nên bài còn nhiều thiếu sót. Mong
thầy và các bạn góp ý thêm. Chúng em chân thành cảm ơn!
1
Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Báo cáo tiểu luận
Viện CN Sinh Học – Thực Phẩm Những vấn đề mới trong thực phẩm
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT TRƯỜNG XUNG ĐIỆN
1.1. Định nghĩa
Trường xung điện (PEF) là một phương pháp không sử dụng nhiệt trong bảo quản

thực phẩm và có sử dụng dòng điện để vô hoạt hoá vi sinh vật và ảnh hưởng tối thiểu
hoặc không gây hại đến các thuộc tính chất lượng thực phẩm. PEF có thể được dùng
để chế biến các sản phẩm thức ăn lỏng và nửa lỏng.
Quá trình chế biến cường độ cao xung điện trường (PEF) liên quan đến việc áp dụng
các xung điện áp cao (thường 20-80 kV / cm) để thực phẩm được đặt giữa 2 điện cực.
Xử lý PEF được thực hiện ở nhiệt độ môi trường xung quanh hoặc hơi cao hơn nhiệt
độ môi trường xung quanh chưa tới 1s, và tổn thất năng lượng để làm nóng các loại
thực phẩm được giảm thiểu. Đối với các thuộc tính chất lượng thực phẩm, công nghệ
PEF được xem là tiện ích hơn xử lý nhiệt truyền thống đố với các loại thực phẩm vì
nó tránh hoặc làm giảm đáng kể những thay đổi bất lợi các đặc tính cảm quan và vật
lý trong các loại thực phẩm (Quass 1997). Mặc dù một số nghiên cứu đã kết luận rằng
PEF bảo tồn các thành phần dinh dưỡng trong thực phẩm, ảnh hưởng của PEF về hóa
chất và cạnh dinh dưỡng trong thực phẩm phải được hiểu rõ hơn trước khi nó được sử
dụng trong chế biến thực phẩm (Qin và những người khác 1995b).
1.2. Mô tả về trường xung điện
PEF có thể được áp dụng dưới các hình thức theo cấp số nhân phân rã, sóng vuông,
lưỡng cực, hoặc xung dao động. Một làn sóng điện áp theo cấp số nhân phân rã là một
điện áp một chiều mà tăng lên nhanh chóng đến một giá trị tối đa và phân rã từ từ về
giá trị không. Các mạch như trong hình 1 có thể được sử dụng để tạo ra một dạng
sóng phân rã theo hàm mũ. Một nguồn điện DC nạp điện cho một tụ điện nối tiếp với
một điện trở sạc (R
s).
. Khi một tín hiệu kích hoạt được áp dụng, điện năng lưu trữ
trong tụ điện chạy vào trong thức ăn trong buồng chế biến.
2
Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Báo cáo tiểu luận
Viện CN Sinh Học – Thực Phẩm Những vấn đề mới trong thực phẩm
Những dạng sóng xung lực hình vuông có thể gây tử vong và hiệu quả năng lượng
nhiều hơn so với xung lực phân rã theo hàm mũ. Một dạng sóng vuông có thể thu
được bằng cách sử dụng một mạng lưới hình thành xung lực (PFN) bao gồm một loạt

các tụ điện và cuộn cảm và các thiết bị chuyển mạch trạng thái rắn (Hình 2).
Các xung lực phụ tải tức thì đảo ngược được đặc trưng bởi một phần electron ( + )
và một phần electron ( - )(Hình 3) với độ rộng khác nhau và độ cao các đỉnh của peak
3
Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Báo cáo tiểu luận
Viện CN Sinh Học – Thực Phẩm Những vấn đề mới trong thực phẩm
khác nhau. Chiều rộng của xung lực phụ tải tức thì đảo ngược với sự đảo ngược phụ
tải ở cuối xung động thì khác nhau đáng kể so với một xung lực lưỡng cực chuẩn.
Tại thời điểm sau đó, các cực của những xung lực được đảo ngược luân phiên với
thời gian nghỉ giữa những xung lực. Ngay cả với một xung lực tần số cao hơn (ví dụ,
1000 Hz), thời gian nghỉ của điện môi ở điện áp bằng không giữa những sóng xung
lực vuông 4 μs là 0,996 ms (Quass 1997). Những xung lực nghịch đảo tức thời có thể
làm giảm mạnh nhu cầu năng lượng thấp đến mức 1,3 J / ml (EPRI 1998).
Hình 3. Một vạch điện áp (V) của một xung lực nghịch đảo tức thời, a là chu kỳ xung
(s), b là độ rộng xung (μs), c là thời gian (s) tăng xung động để đạt e (kV), d là chiều
rộng tăng giảm đột biến (s), e là một điện áp đỉnh (kV), và f được một điện áp tăng
giảm đột biến (kV) (Hồ và những người khác 1995)
Dao động xung phân rã là những hiệu quả tối thiểu, bởi vì chúng ngăn chặn các tế
bào khỏi bị liên tục tiếp xúc với một trường điện cường độ cao trong một thời gian
4
Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Báo cáo tiểu luận
Viện CN Sinh Học – Thực Phẩm Những vấn đề mới trong thực phẩm
kéo dài, do đó ngăn ngừa các màng tế bào khỏi sự cố không thuận nghịch trên một
vùng lớn (Jeyamkondan và những người khác 1999).
1.3. Hiện trạng sử dụng trường xung điện trong ngành thực phẩm
Áp dụng công nghệ PEF đã được chứng minh thành công đối với việc thanh trùng
các loại thực phẩm như nước hoa quả, sữa, sữa chua, súp, và trứng lỏng. Áp dụng của
PEF chế biến bị hạn chế đối với sản phẩm thực phẩm không có bọt khí và có độ dẫn
điện thấp. Các kích thước hạt tối đa trong chất lỏng phải nhỏ hơn khoảng cách của các
khu vực xử lý trong khoang chứa để đảm bảo điều trị thích hợp. PEF là một phương

pháp chế biến liên tục, không phù hợp cho các sản phẩm thức ăn rắn mà không có khả
năng bơm được. PEF cũng được áp dụng để tăng khả năng chiết xuất các đường và
hàm lượng tế bào khác từ các tế bào thực vật, chẳng hạn như củ cải đường. PEF cũng
thấy các ứng dụng trong việc giảm khối lượng rắn (bùn) của nước thải.
Tại Hoa Kỳ, quy mô thương mại đầu tiên hệ thống liên tục PEF được đặt tại Sở Đại
học bang Ohio của của thực phẩm Khoa học và Công nghệ. Hệ thống này PEF là một
phần của một hệ thống xử lý thực phẩm mới kết hợp bởi một phòng tài trợ Bộ Quốc
phòng tài trợ, liên minh trực tiếp Đại học công nghiệp. Đa dạng Technologies Inc,
Bedford, MA, xây dựng hệ thống thương mại PEF khối lượng chế biến khác nhau, từ
500 đến 2.000 lít / giờ, với trường Đại học Nhà nước Ohio cung cấp viện điều trị
PEF.
Các phương tiện truyền thông truyền tải cảm tưởng rằng công nghệ PEF đã được
hoàn thiện lần đầu tiên tại Ấn Độ và đã sẵn sàng cho sử dụng thương mại. Ngược lại
nhiều công việc cần phải làm để chuẩn hóa quá trình chế biến các sản phẩm trái cây
nhiệt đới và thực vật phổ biến trong nước. Sữa có lẽ là đối tượng thích hợp nhất để áp
dụng hàng loạt công nghệ này, nhưng thực tế không có thông tin đáng tin cậy liên
quan đến sự phù hợp của nó đối với một hợp chất phức tạp như protein-chất béo như
sữa. Vài báo cáo cho thấy ứng dụng của PEF đi đôi với việc gia nhiệt có thể kéo dài
thời hạn sử dụng của sữa lên tới 24 ngày. Hãy tưởng tượng những thuận lợi cho người
tiêu dùng trung lưu khi các gói sữa mà mỗi ngày đến trước nhà họ, có thể được giữ
5
Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Báo cáo tiểu luận
Viện CN Sinh Học – Thực Phẩm Những vấn đề mới trong thực phẩm
trong điều kiện môi trường xung quanh hay thậm chí trong tủ lạnh ít nhất một tuần
hoặc nhiều hơn. Đây là nơi mà nỗ lực kêu gọi Ấn Độ là nước sản xuất sữa lớn nhất
thế giới và một phần lớn được tiêu thụ như sữa dung dịch trong hàng triệu ngôi nhà tổ
chức trên toàn quốc.
Chương 2: QUY TRÌNH LÀM VIỆC CỦA TRƯỜNG XUNG ĐIỆN
2.1. Phân tích các yếu tố quan trọng
Có ba yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hoạt động khử vi sinh vật của kỹ thuật trường

xung điện:
- Quá trình: cường độ điện trường, độ rộng xung, nhiệt độ và thời gian xử lý,
hình dạng của sóng xung.
- Vi sinh vật: chủng loại, số lượng, giai đoạn tăng trưởng của vi sinh vật.
- Các yếu tố sản phẩm: pH, độ dẫn điện, lực ion…
2.1.1. Các yếu tố quá trình
a. Cường độ điện trường
Cường độ điện trường là một trong những yếu tố chính ảnh hưởng đến khả năng vô
hoạt hóa các vi sinh vật (theo Hüshelguer và Niemann 1980; Dunne và cộng sự 1996).
Sự gia tăng số lượng các vi khuẩn bị vô hoạt tỷ lệ thuận với sự gia tăng cường độ điện
trường ( theo Qin và cộng sự, năm 1998). Điều này phù hợp với lý thuyết
electroporation. Trong đó, các tác động gây ra qua màng tế bào là tỷ lệ thuận với điện
trường áp dụng. Một số mô hình toán học thực nghiệm đã được đề xuất để mô tả mối
quan hệ giữa cường độ điện trường và sự vô hoạt của các vi khuẩn
Độ rộng của xung điện cũng ảnh hưởng đến khả năng vô hoạt các vi sinh vật. Ví dụ,
với độ rộng xung lớn hơn 50 µs thì E
c
là 4,9 kV/cm, còn với độ rộng xung nhỏ hơn
2µs thì E
c
là 40 kV/cm ( theo Schoenbach và những người khác 1997).
b. Thời gian xử lý
Thời gian xử lý là kết quả của số lượng xung và thời gian xung, theo đó sự gia tăng
bất kì của các yếu tố này sẽ làm tăng khả năng vô hoạt hóa các vi sinh vật (Sale và
6
Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Báo cáo tiểu luận
Viện CN Sinh Học – Thực Phẩm Những vấn đề mới trong thực phẩm
Hamilton 1967). Như đã nói ở trên, chiều rộng xung tăng hay giảm cũng ảnh hưởng
đến khả năng vô hoạt hóa các vi sinh vật bằng cách tác động đến cường độ điện
trường. Tuy nhiên, việc kéo dài thời gian xung có thể làm tăng nhiệt độ thực phẩm

một cách không mong muốn. Do đó, các điều kiện chế biến tối ưu nên được thiết lập
để các thiết bị xung điện trường có thể cho kết quả làm việc tốt nhất với tác dụng làm
nóng thấp nhất. Hülsheger và cộng sự (1981) đã đề xuất một mô hình vô hoạt hóa liên
quan đến phần sống của vi sinh vật (S) với thời gian xử lý bằng PEF (t). Qua đó cho
thấy số lượng vi sinh vật ngừng hoạt động tăng lên tương ứng với mức tăng thời gian
xử lý.
Mức độ quan trọng của thời gian xử lý cũng phụ thuộc vào cường độ điện trường áp
dụng.
c. Hình dạng sóng xung
Trường xung điện có thể được áp dụng theo hình thức phân rã, sóng vuông, dao
động, lưỡng cực. Trong đó, hình thức dao động là hiệu quả nhất để vô hoạt hóa các vi
sinh vật vá các sóng vuông thì có nhiều năng lượng và hiệu quả làm chết tốt hơn so
với các xung phân rã. Xung lưỡng cực làm chết tốt hơn so với các xung chỉ có một
cực vì một xung điện trường gây ra chuyển động của các phân tử tích điện trong các
màng tế bào của vi sinh vật và đổi chiều theo hướng hoặc chiều phân cực của điện
trường gây ra một sự thay đổi tương ứng theo hướng của các phân tử mang điện (theo
Ho và cộng sự 1995; Qin cộng sự 1994). Với xung lưỡng cực, sự chuyển động của
các phân tử tích điện gây ra áp lực trên màng tế bào và tăng khả năng phá vỡ nó.
Dùng xung lưỡng cực sẽ thuận lợi trong việc tiết kiệm năng lượng, giảm lắng đọng
của các chất rắn trên bề mặt điện cực.
Các xung đảo ngược tức thì có thể được mô tả như là một phần mang điện vào trước
thì ngay tức thì một phần không mang điện vào sau. Đặc tính này của hình dạng sóng
chịu ảnh hưởng bởi độ dẫn điện của các thực phẩm đem đi xử lý.
Sự khác biệt giữa các xung đảo ngược và xung lưỡng cực là thời gian phục hồi của
các xung. Tác dụng vô hoạt hóa của các xung đảo ngược liên tục là gây ra áp lực xen
7
Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Báo cáo tiểu luận
Viện CN Sinh Học – Thực Phẩm Những vấn đề mới trong thực phẩm
kẽ trên tế bào vi khuẩn là nguyên nhân làm cấu trúc của chúng yếu đi. Hiệu quả của
dạng sóng khi vô hoạt hóa các vi sinh vật so với phương pháp khác là có thể tiết kiệm

1/5 đến 1/6 tổng số năng lượng và chi phí thiết bị. Tuy nhiên, các nghiên cứu sâu hơn
là cần thiết để chứng minh tác dụng vô hoạt hóa vi sinh vật của phương pháp này.
Một nghiên cứu tiến hành bởi Zhang và cộng sự (1997) cho thấy ảnh hưởng của
sóng vuông, sóng phân rã và các xung đảo ngược tức thì đến thời gian bảo quản của
nước cam. Ba loại dạng xung được sử dụng là:
1. Sóng vuông với điện trường cao 35 kV / cm, có chiều rộng xung là 37,22 μs và kéo
dài xung một thời gian là 60 ns.
2. Phân rã theo cấp số nhân với một sóng điện trường cao 62,5 kV / cm, có chiều rộng
xung là 0,57 μs và xung một thời gian là 40 ns
3. Xung đảo ngược với điện trường cao điểm là 37 kV / cm, có chiều rộng xung 0,96
μs, và xung một thời gian là 400 ns.
Kết quả nghiên cứu cho thấy sóng vuông có hiệu quả hơn so với hai sóng còn lại.
Qin và cộng sự (1994) cũng đã nghiên cứu khả năng vô hoạt của S. Cerevisiae khi sử
dụng hai dạng sóng là hình mũ phân rã và sóng vuông, ở cùng điều kiện điện trường
cao điểm là 12 KV/cm và 60J/xung. Kết quả này cho thấy cả hai dạng sóng đều cho
hiệu quả vô hoạt vi sinh vật, nhưng với sóng vuông thì cho hiệu quả tốt nhất.
d. Nhiệt độ xử lý
Kết quả thực nghiệm đã chứng minh rằng, nhiệt độ xử lý và nhiệt độ chế biến có ảnh
hưởng đến sự sống sót và phục hồi của vi sinh vật.
Xử lý bằng phương pháp PEF ở nhiệt độ vừa phải ( từ 50-60
o
C) đã được tiến hành
để cho thấy tác dụng của nhiệt độ đến vô hoạt hóa các vi sinh vật. Với cường độ điện
trường không đổi, mức độ vô hoạt hóa tăng theo sự gia tăng nhiệt độ. Cường độ điện
trường là nguyên nhân làm tăng nhiệt độ của một vài thực phẩm, vì vậy, việc làm
nguội là cần thiết để duy trì nhiệt độ của thực phẩm xuống thấp hơn những thực phẩm
được tạo ra bởi thanh trùng.
8