nguyên lý ứng dụng kỹ thuật dpcd vào công nghệ thuc phẩm

Đồ án Công nghệ Thực phẩm

LỜI NÓI ĐẦU
Xã hội ngày một phát triển, nhu cầu của con người ngày một nâng cao đòi hỏi
kỹ thuật cũng phải có những bước phát triển phù hợp. Công nghệ thực phẩm cũng
không ngoại lệ. Việc tìm ra những phương pháp xử lý mới, những sản phẩm mới
cũng như những nguồn nguyên liệu mới đã trở thành những vấn đề mang tính chiến
lược hiện nay.
CO2 siêu tới hạn là một trong những đề tài được tìm hiểu nhiều trong suốt thời
gian gần đây và nhờ những ưu điểm của mình mà CO2 siêu tới hạn đã được ứng
dụng trong rất nhiều lónh vực nghiên cứu và thực tế như trích ly, tinh sạch, làm môi
trường phản ứng. Đặc biệt, việc sử dụng CO2 siêu tới hạn để thanh trùng, tiệt trùng
thực phẩm đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu và đưa ra những kết luận về ưu
điểm của kỹ thuật mới này so với các kỹ thuật truyền thống.
Nhiệm vụ của đồ án “Tổng quan tài liệu về kỹ thuật Dense Phase CO2 –
Nguyên lý ứng dụng trong công nghệ thực phẩm” là tìm hiểu về kỹ thuật thanh
trùng, tiệt trùng dùng CO2 siêu tới hạn, gọi là kỹ thuật Dense Phase Carbon Dioxide
(DPCD), phân tích các ảnh hưởng của kỹ thuật này lên chất lượng thực phẩm cũng
như nguyên lý ứng dụng kỹ thuật DPCD vào công nghệ thực phẩm.

1


Đồ án Công nghệ Thực phẩm

Chương 1
GIỚI THIỆU

Các kỹ thuật không dùng nhiệt (chiếu xạ, dùng áp lực cao (UHP), dùng xung
động điện, kỹ thuật dense phase CO2 (DPCD), xung động từ trường) nhằm tiêu diệt
vi sinh vật và vô hoạt các enzyme trong thực phẩm đang thu hút sự quan tâm và

ngày càng được chấp nhận như là một phương pháp xử lý thực phẩm giàu tiềm năng
khả dó có thể thay thế hay ít ra là hỗ trợ cho các kỹ thuật xử lý truyền thống như
thanh trùng, tiệt trùng hoặc sử dụng các phụ gia. So với các kỹ thuật truyền thống
thì những kỹ thuật mới này giúp làm giảm sự thay đổi mùi vò một cách không mong
muốn trong quá trình xử lý, sự biến tính các thành phần dinh dưỡng, tạo ra các độc
tố cũng như sự thay đổi về các tính chất vật lý, hoá lý của sản phẩm.
Trong những kỹ thuật không dùng nhiệt nói trên thì kỹ thuật Dense phase CO2
được xem là kỹ thuật có nhiều ưu điểm nhất. Dense phase CO2 (DPCD) là một kỹ
thuật sử dụng CO2 ở trạng thái dense phase (trạng thái siêu tới hạn) để vô hoạt vi
sinh vật và enzyme có trong nguyên liệu ở nhiệt độ thấp do đó mà giảm được những
ảnh hưởng bất lợi của nhiệt đến chất lượng thực phẩm. Kỹ thuật này đã được nghiên
cứu trong hơn 50 năm qua, đặc biệt là trong 2 thập kỷ vừa qua, và ảnh hưởng của nó
lên các tế bào sinh dưỡng, các bào tử vi sinh vật, bao gồm cả các mầm bệnh, vi sinh
vật gây thối, nấm men, nấm mốc, và nhiều loại enzyme khác nhau đã được chứng
minh. Nhiều thực phẩm lỏng đạt được giá trò cảm quan tốt, giữ được hương vò tự
nhiên, giá trò dinh dưỡng cũng như các tính chất hoá lý sau khi được xử lý bằng
DPCP. Mặt khác, CO2 là loại nguyên liệu không độc, không gây cháy nổ, giá thành
thấp, bên cạnh đó nó cũng là thành phần trong nhiều loại thực phẩm chẳng hạn như
các loại thức uống có gas.

2


Đồ án Công nghệ Thực phẩm

Nghiên cứu đầu tiên được cho là mở đầu cho khả năng ứng dụng kỹ thuật DPCD
là nghiên cứu của Fraser (1951). Nghiên cứu đã kết luận rằng sự giải phóng đột
ngột khí CO2 ở áp suất cao khoảng 34 atm về áp suất thường có thể phá vỡ tế bào vi
khuẩn. Quá trình tiến hành trong nghiên cứu trên có một bước nén CO2 ở áp suất
cao để tăng khả năng thẩm thấu qua màng tế bào rồi giải phóng áp suất khiến CO2

giãn nở và phá vỡ tế bào. Giả thuyết ấy ngày nay đã được chứng minh và công trình
của Fraser và cộng sự được xem là bằng chứng đầu tiên về ứng dụng của kỹ thuật
DPCD như một phương pháp thanh trung, tiệt trùng không dùng nhiệt.
Năm 1969, nhà sản xuất Swift & Co. nhận được bằng sáng chế của Hoa Kỳ cho
phát minh hệ thống tiệt trùng thực phẩm sử dụng CO2. Họ đã kết luận rằng thực
phẩm tiệt trùng có thể giữ được mùi vò tự nhiên khi tiệt trùng bằng CO2 ở áp suất
cao.
Kể từ đó, nhiều nghiên cứu đã được tiến hành nhằm tìm hiểu cơ chế, động học
và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý thực phẩm dùng kỹ thuật DPCD để tối
ưu hoá quá trình xử lý. Bên cạnh đó, các nhà khoa học cũng tìm hiểu những ảnh
hưởng của kỹ thuật này lên thực phẩm và tiến hành so sánh nó với các kỹ thuật
thanh trùng, tiệt trùng khác.
Ngày nay, kỹ thuật DPCD đã cho thấy những ưu điểm và tầm ứng dụng rộng rãi
trong các công nghệ cần xử lý vi sinh vật và enzymes. Nhiều nghiên cứu vẫn còn
được tiến hành với quy mô lớn nhỏ khác nhau để tìm hiểu sâu hơn về kỹ thuật ưu
việt này.

3


Đồ án Công nghệ Thực phẩm

Chương 2
KHÁI NIỆM, TÍNH CHẤT DENSE PHASE CO2

2.1. Giới thiệu về CO2
2.1.1. Lòch sử
Carbon dioxide là một trong những loại khí đầu tiên được xác đònh là tồn tại tự
do trong không khí. Vào thế kỷ 17, Jan Baptist Helmont, một nhà hoá học người Bỉ,
là người đầu tiên phát hiện ra sự tồn tại của một loại khí không màu sau một thí

nghiệm đốt than củi và gọi nó là một loại “gas”.
Trong thập niên 50 của thế kỷ 17, Joseph Black, nhà vật lý học người Scotland,
cũng đã tìm hiểu về tính chất của CO2 và kết luận rằng loại khí này nặng hơn không
khí, không duy trì sự cháy và sự sống của sinh vật, có thể được tạo ra bằng cách
nung nóng hay cho đá vôi tác dụng với acid. Ông cũng nhận thấy là dung dòch nước
vôi trong sau khi được sục khí CO2 thì sẽ hoá đục do tạo thành calcium carbonate,
và đã dùng hiện tượng này giải thích cho việc tạo thành CO2 từ hoạt động trao đổi
chất của con người, động vật và từ quá trình lên men của vi sinh vật. Sau đó, nhà
hoá học người Pháp, ông Antoine Lavoisier đã chứng minh được chất khí tạo thành
từ phản ứng đốt cháy than củi của Jan Baptist Helmont có tính chất như Black mô tả
là một oxide của carbon.
Năm 1775, Joseph Priestley đã sử dụng CO2 tạo thành từ phản ứng giữa acid
sulfuric và đá vôi để sản xuất soda, một loại thức uống có CO2 đầu tiên.
Năm 1823, Humphrey Davy và Micheal Faraday lần đầu tiên hoá lỏng được
CO2.. Năm 1834, Charles Thilorier trong một tai nạn tình cờ đã phát hiện ra cách
tạo carbon dioxide dạng rắn (thường gọi là băng khô) sau khi mở một bình cao áp
chứa CO2.
4


Đồ án Công nghệ Thực phẩm

Ngày nay, CO2 đã được tìm hiểu kỹ lưỡng và được ứng dụng trong rất nhiều lónh
vực khác nhau.
2.1.2. Tính chất vật lý và hoá học của CO2
Carbon dioxide là một hợp chất hoá học không phân cực, hình thành từ một
nguyên tử carbon nối đôi với hai nguyên tử oxy, có công thức hoá học là CO2.

Hình 2.1: Cấu trúc phân tử của CO2
CO2 tồn tại ở trạng thái khí trong điều kiện thường, không màu, không mùi,

không duy trì sự cháy, tồn tại trong không khí với nồng độ xấp xỉ 0,03%, ít độc với
con người và động vật.
Bảng 2.1: Một số thông số hoá lý của CO2
Khối lượng riêng (đkc)

1,98 kg/m3

Độ tan trong nước (to phòng)

1,45 kg/m3

Điểm đông đặc

-57oC (nén)
-78oC (thăng hoa)

Điểm sôi
pKa1

6,35

pKa2

10,33
o

Độ nhớt (-78 C)

0,07 cP

Nhiệt độ tới hạn

31,1oC

p suất tới hạn

7,37 MPa

Khả năng hoà tan trong nước của CO2 là một tính chất quan trọng. Tại điều kiện
thường (14,7 psi, 15oC), một thể tích CO2 có thể hoà tan hoàn toàn trong một thể
tích nước. Tuy nhiên, để duy trì sự hoà tan này ta cần phải duy trì áp suất, nếu
không CO2 sẽ giải phóng khỏi nước dưới dạng các bọt nhỏ. Khả năng hoà tan của
CO2 phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ và pH dung dòch, cụ thể là hàm lượng CO2 hoà
5


Đồ án Công nghệ Thực phẩm

tan trong nước sẽ tăng khi tăng áp suất, giảm nhiệt độ và tăng pH. Trong đó, áp suất
ảnh hưởng rất lớn đến khả năng hoà tan của CO2: áp suất càng cao thì lượng CO2
hoà tan càng nhiều.

Khả
năng
hòa
tan
của
CO2
vào
nước

p suấ t (psi)

Hình 2.2: Đồ thò biểu diễn khả năng hoà tan của CO2 trong nước ở những nhiệt độ
khác nhau theo áp suất
Quá trình hoà tan CO2 vào nước được mô tả như sau:
Ban đầu, CO2 trạng thái khí sẽ hoà tan vào nước
Sau đó, CO2 sẽ tương tác với nước để tạo thành acid carbonic. Chỉ
khoảng 1% CO2 hoà tan tồn tại dưới dạng H2CO3
Acid carbonic là một acid yếu, phân ly qua hai giai đoạn
H2CO3 ↔ H+ + HCO3-

pKa = 6,57

HCO3-

pKa = 10,62

+

↔H +

CO32-

Acid carbonic có thể bò phân huỷ tạo thành CO2 và nước

6


Đồ án Công nghệ Thực phẩm

Ngoài ra, CO2 là một hợp chất không phân cực, do đó mà nó dễ dàng tan vào
các dung môi không phân cực như chất béo. Đây là một trong những đặc tính quan
trọng của CO2 khi ứng dụng trạng thái dense phase của nó để thanh trùng hay tiệt
trùng thực phẩm vì CO2 sẽ hoà tan vào phần kỵ nước ở giữa màng lipid kép của tế
bào vi sinh vật và gây biến tính màng.
2.1.3. Giản đồ pha của CO2

Hình 2.3: Giản đồ pha của CO2
CO2 có thể tồn tại ở nhiều trạng thái khác nhau: rắn, lỏng, khí tuỳ thuộc vào
điều kiện áp suất và nhiệt độ.
Tại điểm tới hạn (critical point), khi tăng áp suất và nhiệt độ, CO2 sẽ tiến vào
vùng trạng thái siêu tới hạn (supercritical), khi đó nó sẽ có tính chất nằm giữa trạng
thái lỏng và khí. Tại một nhiệt độ cố đònh trên nhiệt độ tới hạn Tc, khi ta tăng áp
suất, CO2 không ngưng tụ chuyển về trạng thái lỏng được, khối khí CO2 bò nén lại,
do đó mà mật độ chúng tăng lên, tạo nên một trạng thái dày đặc mà ta gọi là trạng
thái dense phase. Vì vậy, trạng thái dense phase cũng được xem là trạng thái siêu
tới hạn.

7


Đồ án Công nghệ Thực phẩm

2.2. Tổng quan về dense phase CO2
(Coustantina Tzia và George Liadakis, 2003)
2.2.1. Đònh nghóa về dense phase hay trạng thái siêu tới hạn
Trạng thái siêu tới hạn là trạng thái của một chất, hợp chất hay hỗn hợp mà
nhiệt độ và áp suất tồn tại của nó trên nhiệt độ tới hạn (Tc), áp suất tới hạn (Pc) và
dưới áp suất chuyển sang thể rắn của chất đó

2.2.2. Nguyên lý tạo thành CO2 siêu tới hạn
Trạng thái của một chất biến đổi khi thay đổi các thông số trạng thái của chất
đó. Nguyên tắc tạo trạng thái siêu tới hạn của một chất là hiệu chỉnh nhiệt độ và áp
suất của chất đó phải lớn hơn nhiệt độ tới hạn và áp suất tới hạn của chính nó.
Bảng 2.2: Nhiệt độ tới hạn và áp suất tới hạn của một số chất thông dụng.

Như vậy, đối với CO2, ta duy trì áp suất trên 7,37 Mpa và nhiệt độ trên 31,1oC
thì có thể tạo ra CO2 ở trạng thái siêu tới hạn.
2.2.3. Tính chất của lưu chất siêu tới hạn
2.2.3.1. Hằng số tới hạn
Điểm tới hạn của một chất được xác đònh bởi nhiệt độ và áp suất, tại đó trạng
thái pha lỏng và pha khí không thể phân biệt.

8


Đồ án Công nghệ Thực phẩm

Khi một chất bò nén và gia nhiệt đến một áp suất và nhiệt độ cao hơn điểm tới
hạn thì chất đó chuyển sang một trạng khác được gọi là trạng thái siêu tới hạn.
Nhiệt độ, áp suất và thể tích mol của một chất ở điểm tới hạn được gọi là nhiệt độ
tới hạn (Tc), áp suất tới hạn (Pc) và thể tích mol tới hạn (Vc) tương ứng. Các tham số
trên được gọi là hằng số tới hạn. Mỗi chất có một hằng số tới hạn nhất đònh (bảng
2.2).
2.2.3.2. Tỷ trọng
Tỷ trọng của lưu chất siêu tới hạn sẽ thay đổi khi nhiệt độ và áp suất tương ứng
của môi trường thay đổi. Trong mọi trường hợp, sự gia tăng nhiệt độ dẫn đến sự
giảm tỷ trọng. Tỷ trọng của lưu chất biến đổi nhanh ở vùng nhiệt độ và áp suất gần
điểm tới hạn. Tỷ trọng rút gọn (ρr = ρ/ρc) của hợp chất tinh khiết ở áp suất rút gọn
(Pr = P/Pc) là 1,0 có thể thay đổi từ giá trò khoảng 0,1 (tỷ trọng giống chất khí) đến

khoảng 2,0 (tỷ trọng giống chất lỏng) khi ta tiến hành hiệu chỉnh nhiệt độ rút gọn
(Tr = T/Tc) trong dãy từ 0,9 – 1,2 (hình 2.4, bảng 2.3).

Hình 2.4: Sự biến thiên tỷ trọng rút gọn của một chất trong vùng lân cận tới hạn.

9


Đồ án Công nghệ Thực phẩm

Bảng 2.3: So sánh đặc tính vật lý của chất lỏng, chất khí và chất lỏng siêu tới hạn.

Khi tỷ trọng của lưu chất siêu tới hạn có giá trò tương đương với tỷ trọng của chất
đó ở trạng thái lỏng thì chất lỏng siêu tới hạn hoạt động như dung môi lỏng. Tuy
nhiên, khi nhiệt độ rút gọn tăng đến giá trò khoảng 1,6, chất lỏng siêu tới hạn trở
nên giống chất khí do sự giãn nở tăng cùng với sự tăng nhiệt độ.
2.2.3.3. Hằng số điện môi.
Tại áp suất cao, chất khí không còn tồn tại ở trạng thái khí lý tưởng do sự tăng
cường liên kết vật lý giữa các ion, các lưỡng cực, các lưỡng cực tạm thời và nhiều
cực ảnh hưởng tới các tương tác phân tử trong hệ. Năng lượng tương tác (Eq) giữa
các điện tích q1, q2 được xác đònh bởi một hàm của hằng số điện môi (ε) và khoảng
cách giữa các điện tích (r).
Eq =

q1 .q 2
4π .ε .r

Hằng số điện môi tónh là một thông số hiệu quả để đánh giá đặc tính dung môi
của chất lỏng có cực như ethanol, methanol và nước. Hằng số điện môi cũng là
thông số phụ thuộc vào tỷ trọng và có thể thay đổi bằng cách hiệu chỉnh nhiệt độ và

áp suất của hệ. Hằng số điện môi của chất lỏng siêu tới hạn là một thông số quan
trọng để ước lượng sự tăng cường liên kết nội phân tử thông qua tương tác lưỡng cực
– lưỡng cực. Ví dụ: ở nhiệt độ 40oC, giá trò hằng số điện môi của CO2 tăng khi áp
suất tăng từ 70 – 200.105Pa và đạt trạng thái giống chất lỏng khi áp suất của hệ dao
động quanh giá trò 200.105Pa. Như vậy, áp suất càng cao thì liên kết nội phân tử
càng được củng cố, tính chất không phân cực của CO2 càng được tăng cường. Điều
10


Đồ án Công nghệ Thực phẩm

này giải thích nguyên nhân ở áp suất càng cao thì khả năng tan của các chất không
phân cực và các hợp chất khó bay hơi trong dung môi CO2 càng tăng.

Hình 2.5: Tỷ trọng và hằng số điện môi của CO2 theo áp suất ở 50oC.
2.2.3.3. Đặc tính chuyển động
Độ nhớt
Độ nhớt là một thông số quan trọng dùng để đánh giá sự chuyển động của chất
lỏng trong hệ thống. Độ nhớt của chất khí tăng khi nhiệt độ tăng trong một khoảng
áp suất nhất đònh. Tuy nhiên, độ nhớt của chất lỏng siêu tới hạn lại giảm khi tăng
nhiệt độ trong 1 khoảng áp suất nhất đònh.
Đối với lưu chất ở trạng thái siêu tới hạn, khi áp suất của hệ càng tăng thì tỷ
trọng của nó cũng tăng và đạt giá trò bằng với tỷ trọng của chất đó ở trạng thái lỏng.
Trong khi đó, độ nhớt của lưu chất siêu tới hạn lại tăng chậm hơn và vẫn chưa đạt
đến độ nhớt của chất đó ở trạng thái lỏng.

11


Đồ án Công nghệ Thực phẩm

Hình 2.6: Độ nhớt của CO2 ở các nhiệt độ khác nhau trong vùng siêu tới hạn.
Khả năng khuếch tán
Khả năng khuếch tán cũng là một thông số quan trọng đánh giá hiệu quả trích ly
của lưu chất siêu tới hạn. Khả năng khuếch tán của một chất ở trạng thái siêu tới
hạn cao hơn so với chất đó ở trạng thái lỏng, vì vậy mà khả năng truyền khối của
lưu chất siêu tới hạn cũng cao hơn.
Khả năng khuếch tán của lưu chất siêu tới hạn tăng khi nhiệt độ tăng và giảm
khi áp suất tăng.
2.2.3.4. Nhiệt dung riêng và sự dẫn nhiệt
Các thông số về nhiệt dung riêng và sự dẫn nhiệt được dùng để mô tả cách
truyền nhiệt trong hệ. Trong vùng tới hạn, nhiệt dung đẳng áp rất lớn và đạt đến giá
trò cực đại rồi giảm dần về giá trò ổn đònh (hình 1.5). Tuy nhiên, nhiệt dung đẳng
tích chỉ thay đổi rất ít trong vùng tới hạn.

12


Đồ án Công nghệ Thực phẩm

Hình 2.7:Nhiệt dung riêng của CO2 ở 320oK.
Sự dẫn nhiệt của chất lỏng siêu tới hạn được xem là một tính chất truyền nhiệt
quan trọng. Hệ số dẫn nhiệt (λ) là hệ số tỷ lệ giữa dòng nhiệt Q và gradient nhiệt
độ của chất lỏng.
Q = λ . ∇T
Hầu hết hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng siêu tới hạn tăng với sự tăng nhiệt độ và
tỷ trọng của hệ. Bảng 1.3 thể hiện số liệu về hệ số dẫn nhiệt của nước và CO2 như
một hàm của nhiệt độ ở vài áp suất.
Bảng 2.4: Hệ số dẫn nhiệt của nước và CO2.

Tóm lại, trạng thái dense phase hay trạng thái siêu tới hạn được mô tả là một
trạng thái trung gian giữa trạng thái khí là lỏng, có khả năng khuếch tán cao
13


Đồ án Công nghệ Thực phẩm

gần với chất khí và khả năng hoà tan các chất tan gần như một dung môi
lỏng.
Một chất tồn tại ở trạng thái dense phase sẽ có những tính chất giống trạng thái
khí do động năng của các phân tử lớn hơn lực hút giữa các phân tử với nhau, vì vậy
mà nó có khả năng khuếch tán giống chất khí. Mặt khác, chất này cũng sẽ có những
tính chất giống trạng thái lỏng do mật độ phân tử lớn, có các tính chất về độ nhớt,
tính chất dòng chảy gần giống chất lỏng (N.L. Rozzi and R.K. Singh , 2002; Yoshaki
Fukushima, 1999).
Nhờ tính chất khuếch tán và hoà tan các chất khác mà CO2 ở trạng thái dense
phase có thể tiêu diệt vi sinh vật và được áp dụng vào kỹ thuật thanh trùng, tiệt
trùng mới không dùng nhiệt độ cao.
2.3. Ứng dụng của CO2 siêu tới hạn
CO2 siêu tới hạn được ứng dụng nhiều làm dung môi trích ly các hợp chất ưa béo
bên trong các nguyên liệu như hạt, các loại quả, tảo… Bên cạnh đó nó còn được sử
dụng để tinh sạch các sản phẩm dầu mỏ, các hợp chất như lecithine…
CO2 siêu tới hạn còn được dùng làm môi trường phản ứng trong một số thiết bò
phản ứng.
Một trong những ứng dụng của CO2 siêu tới hạn được nghiên cứu nhiều nhất
hiện nay là sử dụng CO2 siêu tới hạn để thanh trùng, tiệt trùng các loại nguyên liệu
khác nhau trong sản xuất thực phẩm, dược phẩm… Tương lai đây sẽ là một kỹ thuật
nhiều triển vọng thay thế các kỹ thuật thanh trùng, tiệt trùng truyền thống như dùng
nhiệt độ cao và hóa chất.
2.4. Đònh nghóa về kỹ thuật DPCD

Kỹ thuật DPCD được đònh nghóa là kỹ thuật sử dụng CO2 ở trạng thái dense
phase để xử lý thực phẩm nhằm ức chế và tiêu diệt các vi sinh vật có hại, vô hoạt
các enzyme và kéo dài thời gian bảo quản sản phẩm.
Tuy nhiên, hiện nay, đònh nghóa kỹ thuật DPCD không chỉ dừng lại ở phạm vi sử
dụng CO2 ở trạng thái dense phase mà còn mở rộng ra các kỹ thuật dùng CO2 ở áp
suất cao để xử lý thực phẩm. Vì vậy, tên gọi DPCD sử dụng trong đồ án này bao
gồm cả kỹ thuật DPCD chính xác theo đònh nghóa và các kỹ thuật dùng CO2 áp suất
cao.
14


Đồ án Công nghệ Thực phẩm

2.5. Ưu nhược điểm của kỹ thuật DPCD
2.5.1. Ưu điểm
Hầu hết các nghiên cứu về kỹ thuật DPCD đều thống nhất với nhau về các ưu
điểm nổi bật của kỹ thuật này trong việc thanh trùng, tiệt trùng thực phẩm. Một số
ưu điểm có thể kể đến như sau:
Điểm đầu tiên đáng chú ý đến của kỹ thuật DPCD là hiệu quả tiêu diệt vi
sinh vật rất lớn. So với các kỹ thuật thanh trùng, tiệt trùng khác thì sản
phẩm sau khi xử lý bằng kỹ thuật DPCD cho thấy lượng vi sinh vật tổng
số trên mẫu nguyên liệu thấp hơn nhiều. Nguyên nhân của ảnh hưởng
trên là do tác dụng của nhiều yếu tố cùng một lúc, đặc biệt là khả năng
biến tính màng tế bào và trích ly tế bào chất của CO2 ở trạng thái dense
phase. Nếu chỉ sử dụng áp suất cao thì hiệu quả ức chế vi sinh vật không
tốt bằng do tế bào chỉ chòu tác động duy nhất bởi áp suất (có thể kể thêm
nhiệt độ) và cũng cần một áp suất rất cao để đạt được hiệu quả mong
muốn. Mặt khác, trong các loại khí ở trạng thái dense phase thì CO2 là
loại khí cho hiệu quả tiêu diệt vi sinh vật cao hơn hẳn các khí khác chúng
khó di chuyển qua màng tế bào vi sinh vật cũng như không có tác dụng

giảm pH môi trường và pH nội bào như CO2. Việc làm giảm pH bằng các
loại axit như axit phosphoric, axit HCl cũng như việc bổ sung các loại phụ
gia chống vi sinh vật như SO2, acid benzoic, acid sorbic và muối của
chúng... không thể có tác dụng vô hoạt cao như CO2 do những chất kể
trên không thể thấm qua màng tế bào dễ dàng như CO2 (Damar và
Balaban, 2006).
Hiệu quả ức chế enzyme của kỹ thuật DPCD cũng cao hơn các kỹ thuật
truyền thống khác. Nghiên cứu vô hoạt enzyme polyphenol oxidase ở tôm
hùm của Chen và cộng sự (1992) cho thấy hoạt tính enzyme trong mẫu
chỉnh pH còn 35% sau 30 phút, trong khi đó hoạt tính trong mẫu xử lý
bằng DPCD mất gần như hoàn toàn chỉ sau 1 phút. Nhiều nghiên cứu
khác cũng cho thấy, nếu chỉ dùng nhiệt độ hoặc áp suất cao thì hiệu quả
ức chế enzyme không tốt như xử lý bằng kỹ thuật DPCD

15


Đồ án Công nghệ Thực phẩm

Chất lượng cảm quan của sản phẩm về màu sắc, mùi vò, cấu trúc sau khi
xử lý bằng DPCD tốt hơn so với các kỹ thuật truyền thống khác. Do nhiệt
độ tiến hành kỹ thuật DPCD không cao nên hạn chế được những biến đổi
bất lợi do nhiệt gây ra như sự biến màu, tạo mùi vò không mong muốn.
Mặt khác, áp suất của kỹ thuật DPCD cũng không cao nếu như so sánh
với kỹ thuật áp suất thuỷ tónh cao (High Hydrostatic Pressure – HHP), do
đó mà cấu trúc của sản phẩm cũng không bò biến đổi đáng kể.
Thành phần dinh dưỡng của sản phẩm ít bò biến đổi, ít thất thoát các cấu
tử mẫn cảm với nhiệt độ, các chỉ tiêu hoá lý khác như hàm lượng chất
khô, pH, hàm lượng acid tổng hầu như không thay đổi.
Chất lượng về cảm quan và dinh dưỡng tốt sau khi xử lý là ưu điểm nổi

bật khi áp dụng kỹ thuật DPCD.
Khí CO2 sử dụng trong kỹ thuật DPCD không gây độc, gây cháy nổ, rẻ
tiền và có thể tái sử dụng lại trong quá trình xử lý bằng DPCD. Ngoài ra,
CO2 ở trạng thái dense phase còn có những tính chất hoá lý phù hợp tạo
được hiệu quả thanh trùng, tiệt trùng cao hơn so với các loại khí khác
cùng trạng thái.
Khả năng cớ giới hoá, tự động hoá cao.
Nhờ các ưu điểm trên mà kỹ thuật DPCD được coi là có triển vọng trong tương
lai, thay thế các kỹ thuật truyền thống khác.
2.5.2. Nhược điểm
Ngoài các ưu điểm kể trên, kỹ thuật DPCD cũng tồn tại một số nhược điểm:
Chi phí đầu tư trang thiết bò cao.
Do tác dụng của áp suất cao nên tuổi thọ thiết bò chòu ảnh hưởng nhiều,
yêu cầu độ bền của thiết bò cũng tăng lên đáng kể.
Phạm vi ứng dụng chưa rộng rãi do quá trình xử lý các mẫu dạng rắn gặp
khó khăn.
Việc vận hành hệ thống tương đối phức tạp.
Trong số các nhược điểm kể trên thì vấn đề chi phí thiết bò cao đang là nhược
điểm lớn của kỹ thuật DPCD. Việc ứng dụng kỹ thuật này trong sản xuất đòi hỏi
phải có sự tính toán cân đối giữa chi phí cần thiết để cải thiện các chỉ tiêu quan
16


Đồ án Công nghệ Thực phẩm

trọng về cảm quan như màu sắc, mùi vò và kéo dài thời gian bảo quản nhờ kỹ thuật
DPCD và giá cả sản phẩm trên thò trường.

17

Đồ án Công nghệ Thực phẩm

Chương 3
CÁC BIẾN ĐỔI CỦA THỰC PHẨM KHI XỬ LÝ
BẰNG KỸ THUẬT DPCD

3.1. Biến đổi sinh học
Kỹ thuật DPCD đã được chứng minh là có khả năng tiêu diệt vi sinh vật có mặt
trong nguyên liệu dạng lỏng và dạng rắn. DPCD có thể vô hoạt vi sinh vật ở dạng
tế bào sinh dưỡng, dạng bào tử, các loại vi khuẩn chòu nhiệt và các loại nấm men,
nấm mốc. Kỹ thuật này có thể sẽ dần dần thay thế kỹ thuật dùng nhiệt độ cao trong
một số sản phẩm cần giữ được các tính chất hoá lý về cấu trúc cũng như các tính
chất cảm quan như màu sắc, mùi vò…
Có nhiều cơ chế liên quan đến khả năng vô hoạt vi sinh vật của kỹ thuật DPCD,
tuy nhiên đến này vẫn chưa rõ cơ chế nào là chủ yếu. Một số cơ chế đã được chứng
minh như sau:
3.1.1. Cơ chế vô hoạt tế bào sinh dưỡng
3.1.1.1. Tác dụng giảm pH
CO2 có thể làm giảm pH khi hoà tan vào nước có trong thực phẩm và hình thành
acid carbonic. Khi phân ly, acid này tạo ra các ion bicarbonate, carbonate và H+ làm
giảm pH môi trường.
CO2 + H2O ↔ H2CO3
H2CO3 ↔ H+ + HCO3-

pKa = 6,57

HCO3- ↔ H+ + CO32-

pKa = 10,62

18


Đồ án Công nghệ Thực phẩm

pH đo
pH dự đoán

pH quá trình
Hình 3.1: pH của nước xử lý với CO2 áp suất cao
pH nội bào của vi sinh vật có ảnh hưởng lớn đến khả năng sinh trưởng và phát
triển của chúng. Khi môi trường ngoài dư H2CO3 thì chúng sẽ thấm qua màng tế bào
dưới dạng không phân ly. Vào bên trong tế bào, H2CO3 sẽ phân ly tạo ra H+ làm
giảm pH nội bào. Tế bào sẽ tự chỉnh pH nội bào về với giá trò phù hợp bằng cách
bơm ion H+ ra ngoài môi trường. Đây là cơ chế vận chuyển chủ động để đẩy H+ ra
khỏi tế bào nhờ xúc tác của enzyme vận chuyển H+-ATPase và năng lượng do ATP
cung cấp. Khi có quá nhiều H2CO3 tràn vào, cơ chế bơm H+ sẽ không còn hiệu quả
do phải tiêu hao nhiều năng lượng để đạt pH cân bằng. Kết quả là pH nội bào sẽ
giảm mà không thể phục hồi được nữa (Damar và Balaban, 2006; Hong và Pyun,
1999).
Tác dụng giảm pH nội bào có thể làm vô hoạt tế bào thông qua việc làm rối
loạn hệ thống trao đổi chất của tế bào do ức chế hoạt động của một số enzyme. Các
enzyme của hệ thống trao đổi chất sẽ bò ảnh hưởng với mức độ khác nhau tùy vào
loại enzyme và giống vi sinh vật. Đối với vi khuẩn Escherichia coli, các enzyme có
điểm đẳng điện trong vùng acid như alkaline phosphatase và β-galactosidase bò vô
hoạt hoàn toàn, trong khi đó các enzyme có điểm đẳng điện trong vùng base như
acid phosphatase chỉ bò ảnh hưởng rất ít (Ballestra và cộng sự, 1996). Nghiên cứu
của Hong và Pyun (2001) đã chứng minh khoảng 13 enzyme khác nhau của vi
19

Đồ án Công nghệ Thực phẩm

khuẩn Lactobacillus plantarum dưới điều kiện xử lý bằng DPCD tại nhiệt độ 30oC
và áp suất 7 MPa, trong đó có cystein arylamidase, α-galactosidase, α- và βglucosidase, N-acetyl-β-glucosaminidase mất hoạt tính đáng kể còn các enzyme
lipase, leucine arylamidase, acid và alkaline phosphatase và Naphthol-AS-BIphosphohydrolase ít bò ảnh hưởng. Khả năng sống sót của L. plantarum giảm hơn
90%.
Bảng 3.1: Sự thay đổi hoạt tính một số enzyme của vi khuẩn Lactobacillus
plantarum sau khi xử lý bằng kỹ thuật DPCD

Tuy nhiên, cho đến này, hầu như chưa có nghiên cứu nào đưa đến kết luận sự vô
hoạt của enzyme nào sẽ ảnh hưởng chủ yếu đến sự sống của vi sinh vật. Vì vậy
những nghiên cứu tìm hiểu vai trò của các enzyme đối với sự sống của tế bào vẫn
tiếp tục được thực hiện. Việc phát hiện enzyme nào đóng vai trò quyết đònh đối với
sự sống của tế bào là rất quan trọng vì từ đó ta có thể tiêu diệt vi sinh vật thông qua
việc tập trung tiêu diệt các enzyme này (Damar và Balaban, 2006; Spilimbergo và
Bertucco, 2003; Hong và Pyun,2001).
Tác dụng làm giảm pH của CO2 ban đầu được cho là cơ chế vô hoạt vi sinh vật
chính. Hiện nay, những cơ chế khác đã được chứng minh là có ảnh hưởng lớn đến
hiệu quả vô hoạt vi sinh vật hơn là ảnh hưởng của pH. Tuy nhiên có một điều mà
hầu hết các nhà khoa học đều đồng ý là tác dụng giảm pH chỉ có được chỉ khi CO2
hoà tan vào nước để hình thành axit carbonic với một nồng độ đáng kể (Spilimbergo
và Bertucco, 2003).
20


Đồ án Công nghệ Thực phẩm

3.1.1.2. Tác dụng của phân tử CO2 và ion bicarbonate

Một số enzyme thiết yếu trong bộ máy trao đổi chất của vi sinh vật có thể bò vô
hoạt bởi tác dụng của phân tử CO2. Tại pH thấp, các nhóm amino của các enzyme
này tác dụng với CO2 tạo thành các muối bicarbonate và các hợp chất carbamate và
làm mất hoạt tính của enzyme. Một ví dụ điển hình là enzyme decarboxylase bò vô
hoạt do tác dụng này và vì thế mà chuỗi phản ứng trong hệ thống trao đổi chất bò
gián đoạn, không thể thực hiện được (Spilimbergo và Bertucco, 2003).
Nghiên cứu của Ishikawa và cộng sự (1995) cho thấy hoạt tính của các enzyme
như glucoamylase và acid protease chỉ còn lại rất thấp khi được xử lý bằng kỹ thuật
DPCD. Các nhà khoa học này kết luận rằng sự vô hoạt những enzyme trên xảy ra là
do sự hấp thu CO2 vào bên trong phân tử enzyme.
Ngoài ra, sự kết tủa của các muối carbonate của Ca và Mg bên trong tế bào
cũng có thể làm vô hoạt vi sinh vật. Các protein chứa những cầu nối Ca là một
trong những loại protein quan trọng nhất đối với tế bào. Do tác dụng của CO2, các
protein chứa cầu nối Ca, Mg sẽ bò kết tủa. Điều này phụ thuộc vào đặc điểm của
liên kết ion và cấu trúc protein. Khi sự kết tủa xảy ra, hoạt động sống của tế bào bò
rối loạn (Damar và Balaban, 2006).
3.1.1.3. Tác dụng phá vỡ tế bào
Cơ chế vô hoạt vi sinh vật được kết luận đầu tiên bởi kỹ thuật DPCD là sự phá
vỡ cấu trúc tế bào. Nguyên nhân tế bào bò vỡ là do sự giải phóng áp suất một cách
đột ngột và sự giãn nở của CO2 bên trong tế bào (Fraser, 1951). Nakamura và cộng
sự (1994) đã dùng kỹ thuật DPCD xử lý nấm men ở 40oC dưới áp suất 4 MPa trong
thời gian 5 giờ và kết luận rằng sau khi xử lý, một số tế bào bò vỡ hoàn toàn, trong
khi đó một số khác chỉ bò những vết sướt nhỏ hoặc xuất hiện những lỗ hổng trên bề
mặt tế bào. Nghiên cứu của Ballestra (1996) và cộng sự về tác động của kỹ thuật
DPCD lên vi khuẩn E.coli trong điều kiện áp suất 5 MPa và nhiệt độ 35oC cho kết
quả là hơn 25% tế bào không bò tác động của DPCD làm thương tổn nhưng khả
năng sống chỉ còn khoảng 1%. Tuy nhiên, nghiên cứu của Hong và các cộng sự
(2001) lại đưa ra kết luận là không thể tăng hiệu quả vô hoạt vi sinh vật bằng cách
gia tăng cường độ giải phóng CO2 hay giải phóng nhanh áp suất. Hong và Puyn
(1999) cho thấy rằng vi khuẩn L. plantarum xử lý bằng CO2 (6,8 MPa, 30oC trong

21


Đồ án Công nghệ Thực phẩm

vòng 60 phút) bò vô hoạt hoàn toàn nhưng kính hiển vi điện tử quét lại không cho
thấy bất kỳ sự tổn thương nào về cấu trúc.
Người ta có thể đánh giá mức độ vô hoạt gây ra bởi các thương tổn trên bề mặt
tế bào do kỹ thuật DPCD bằng cách đếm trực tiếp các tế bào vỡ trên kính hiển vi.
Cách này chỉ cho kết quả tổng số tế bào vỡ mà không cho biết số tế bào thực sự bò
ảnh hưởng cũng như tỷ lệ sống sót. Lin và cộng sự (1991) đã dùng hàm lượng
protein tổng giải thoát khỏi tế bào xử lý bằng DPCD để đánh giá mức độ thương
tổn. Sự giải phóng protein nội bào vào môi trường phụ thuộc vào kích thước lỗ hổng
trên màng tế bào.
Để quan sát hình thái các tế bào sau khi xử lý nhờ kỹ thuật DPCD, người ta sử
dụng kính hiển vi quét eletron (SEM).

Mẫu không xử lý bằng DPCD

Mẫu xử lý bằng DPCD

Hình 3.2: nh chụp các tế bào Saccharomyces cerevisiae trong các mẫu không xử
lý và có xử lý DPCD (27,5 MPa, 21oC, 5 phút với tỷ lệ CO2/ bia là 0,1) nhờ kỹ thuật
chụp ảnh quét electron (SEM micrograph)
Hình 3.2 cho thấy, sau khi xử lý bằng DPCD, một số tế bào vò vỡ và xuất hiện
các lỗ hổng trên bề mặt. Một số tế bào bò những lỗ hổng khá lớn, trong khi số khác
chỉ xuất hiện những lỗ hổng nhỏ. Thông qua các lỗ hổng này mà các chất nội bào
thoát ra ngoài và lượng chất nội bào thoát ra môi trường cũng khác nhau tùy vào
kích thước lỗ hổng trên màng tế bào.
Tuy nhiên cơ chế trên cho thấy những thiếu sót trong việc giải thích nguyên

nhân tế bào bò ức chế dưới tác dụng của kỹ thuật DPCD: một lượng lớn tế bào
22


Đồ án Công nghệ Thực phẩm

không có bất kỳ dấu hiệu tổn thương cấu trúc nào như bò vỡ, thủng bề mặt... nhưng
vẫn bò vô hoạt.
Hiện nay, giả thuyết hầu hết tế bào vi sinh vật bò vô hoạt trong giai đoạn giải
phóng áp suất vẫn còn tồn tại nhiều tranh cãi. Một số nghiên cứu cho thấy có sự
phá vỡ cấu trúc tế bào ở mức độ cao làm vô hoạt vi sinh vật, trong khi đó, một số
nghiên cứu khác lại kết luận điều ngược lại: sự giải phóng áp suất độ ngột không
đóng vai trò chính trong sự vô hoạt vi sinh vật mà phải có một cơ chế khác.
3.1.1.4. Tác dụng biến tính màng tế bào và trích ly tế bào chất
CO2 khi tồn tại ở trạng thái dense phase sẽ có tính chất như một dung môi, vì
vậy mà chúng có khả năng trích ly các tế bào chất và làm biến tính màng tế bào
(Damar và Balaban, 2006; Spilimbergo và Bertucco, 2003; Hong và Pyun,2001).
Như chúng ta đã biết, màng tế bào là một màng kép, phần ưa béo của các
phospholipid hướng vào nhau và phần ưa nước hướng ra ngoài. Như vậy, phần ngoài
màng và trong màng là phần ưa nước. Các phân tử CO2 trong trạng thái dense phase
có khả năng khuếch tán, tính linh động cao nên có thể dễ dàng thấm qua màng tế
bào và tương tác với thành phần ưa béo nằm giữa màng, làm biến tính màng tế bào
và giảm tính nhạy cảm của màng (các nhà khoa học gọi hiện tượng này là “hiệu
ứng gây tê”). Do hiệu ứng này mà màng tế bào trở nên lỏng lẻo, tính thấm tăng, cơ
chế vận chuyển proton chủ động của tế bào bò phá vỡ và lượng CO2 tích lũy bên
trong tế bào sẽ tăng lên. Một khi CO2 đã thấm qua màng tế bào, nó có thể trích ly
các thành phần nội bào và vận chuyển chúng ra ngoài, đặc biệt là trong giai đoạn
giải phóng áp suất thì lượng chất trích ly ra môi trường tăng lên đáng kể. Sự trích ly
các thành phần sống và các lipid nội bào và màng làm vô hoạt tế bào vi sinh vật.
Thêm vào đó, do tác dụng làm cho màng trở nên lỏng lẻo và dễ thấm nên hiệu quả

trích ly sẽ càng tăng.
Kết quả nghiên cứu của Hong và Pyun (1999) tiến hành trên vi khuẩn L.
plantarum kết luận rằng cơ chế vô hoạt vi sinh vật không liên quan đến sự phá hủy
cấu trúc tế bào trong quá trình giải phóng áp suất chính là cơ chế biến tính màng tế
bào và trích ly tế bào chất. Ảnh SEM cho thấy tế bào không có sự thay đổi nào lớn
sau khi xử lý bằng DPCD và hình dáng bên ngoài của tế bào không có dấu hiệu
biến tính. Tuy nhiên, phim chụp bằng kỹ thuật chụp ảnh chuyển electron (TEM) lại
23


Đồ án Công nghệ Thực phẩm

cho thấy có sự biến tính màng tế bào cùng với sự thất thoát của tế bào chất, cụ thể
là khoảng không bao bọc giữa thành tế bào và màng tế bào chất trở nên lớn hơn và
có những chỗ trống bên trong tế bào chất (hình 3.3). Kết quả là tế bào sau khi xử lý
DPCD sẽ chòu những ảnh hưởng bất lợi không thể phục hồi như mất khả năng chòu
muối, thất thoát các hợp chất hấp thụ tia UV, thất thoát các ion nội bào, suy yếu khả
năng thấm proton...

Hình 3.3: Ảnh chụp tế bào Lactobacillus plantarum trước và sau khi xử lý bằng kỹ
thuật DPCD nhờ kỹ thuật chụp ảnh chuyển electron (TEM)
a) Mẫu không xử lý bằng DPCD
b) và c) Tế bào Lactobacillus plantarum xử lý bằng DPCD (7 MPa, 30oC, 1 giờ)
Nghiên cứu sau này của hai nhà khoa học trên cũng với đối tượng vi khuẩn L.
plantarum xử lý bằng DPCD (7 Mpa, 30oC) vào năm 2001 cũng đã củng cố giả
thuyết về tác dụng biến tính màng tế bào, trích ly các chất nội bào ra môi trường
của kỹ thuật DPCD, do đó mà có thể tìm thấy sự có mặt của amino acid, peptide,
các lipid trên màng và các ion trong môi trường ngoại bào. Trong nghiên cứu này,
Hong và Pyun đã tiến hành phân tích các hợp chất có khả năng hấp thụ tia UV và
các ion như K+ và Mg2+ trong môi trường ngoại bào trong suốt quá trình xử lý. Kết

quả được thể hiện trên 2 đồ thò sau:

24


Đồ án Công nghệ Thực phẩm

Độ hấ p
thu (OD
260,
280)

Thờ i gian xử lý (phú t)

Hình 3.4: Hàm lượng các chất hấp thu tia UV trích ly ra môi trường trong quá trình
xử lý L. plantarum bằng DPCD

Hà m
lượ ng K+

Mg2+
(% so vớ i
hà m
lượ ng
tổ ng)

Thờ i gian xử lý (phú t)

Hình 3.5: Hàm lượng các ion nội bào trích ly ra môi trường trong quá trình xử lý L.
plantarum bằng DPCD.

Kết quả cho thấy, nồng độ các chất hấp thu tia UV cũng như nồng độ các ion K+
và Mg2+ trong môi trường ngoại bào tăng dần theo thời gian và gần như ổn đònh sau
20 phút. Như vậy, kết quả phân tích cho thấy có sự giải phóng các chất nội bào ra
môi trường. Tuy nhiên, sự giải phóng này không phải do cấu trúc tế bào bò phá vỡ
mà là do tác dụng biến tính màng tế bào và trích ly tế bào chất của DPCD.
25