nguyên lý và ứng dụng của PEF ở khía cạnh ức chế vi sinh vật trong công nghệ chế biến sữa

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH
Hình 1. Mô hình Htilsheger et al. (1981)........................................................................................7
Figure 5.Hình 2. Schematic diagram of reversible and irreversible breakdown.Biểu đồ của sự phá
hủy hồi phục và không thể hồi phục................................................................................................9
.........................................................................................................................................................
(a) cell membrane with potential V'm, (b) membrane compression, (c) pore formation with
reversible breakdown, (d) large area of the membrane subjected to irreversible breakdown with
large pores (Zimmermann, 1986)
Hình 3. Electroporation of a cell membrane (Vega-Mercado, 1996b)Electroporation của một
màng tế bào...................................................................................................................................10
Hình 4. Ảnh hưởng của cường độ điện trường lên sự tiêu diệt E.coli ở thời gian xử lý không đồi
(đường mỏng). Đường cong đậm biểu diễn đường hồi quy của đường cong ở thời gian xứ lý xung
là 40 và 2000 µs. Điều kiện xứ lý pH 7.0; sóng vuông ................................................................10
Hình 5. Mạch điện để sản xuất phân rã theo hàm mũ dạng sóng..................................................11
Hình 6. Sơ đồ hệ thống xứ lý PEF................................................................................................15
Hình 7. Cấu hình điện cực phổ biến trong các buồng xung điện trường .....................................16
1


Hình 8. Giản đồ của một điện trường thiết kế hoạt động của buồng xung điện trong hệ thống PEF
.......................................................................................................................................................16
Hình 9. Số vi sinh vật trong sữa bảo quản ở nhiệt độ 4°C trong 8 ngày ......................................22
Hình 10 .Thành phần của hệ vi khuẩn trong sữa nguyên liệu bảo quản ở 4°C trong 8 ngày........
.......................................................................................................................................................23
Hình 11. Chuẩn độ acid trong sữa sau 70 ngày bảo quản ở 4°C...................................................25
Hình 12. Xung đặc trưng sử dụng trong thí nghiệm.....................................................................29
Hình 13. Số log10 chu kì vi khuẩn B. subtilis subsp. Niger, L. plantarum, L. monocytogenes, S.
aureus, E. coli, E. coli O157:H7, S. Senftenberg 775W và Y. enterocolitica sau khi xử lí PEF ở
25 kV/cm với số xung 300 trong dung dịch đệm citrate – phosphate ở pH 7...............................32

Hình 14. Mối tương quan giữa khả năng chống PEF của 8 giống vi khuẩn trong dung dịch đệm ở
pH 4 ...........................................................................................................................................33
Hình 15. Số log10 chu kì ức chế 8 giống vi khuẩn bằng PEF ở 25 kV/cm với số xung là 300 trong
dung dịch đệm có pH 4 và sau đó được giữ trong 2 giờ ở cùng môi trường................................36
Hình 16. Lượng khuẩn lạc của vi khuẩn ưa nhiệt độ trung bình đối với các loại sữa xử lý các
phương pháp khác nhau................................................................................................................38
Hình 17. Vi khuẩn đường ruột, vi khuẩn ưa ấm và ưa lạnh trong sữa xử lý bằng PEF kết hợp nhiệt
độ nhẹ và được trữ lạnh.................................................................................................................40
Hình 18. Chuẩn độ acid ( theo lactic acid) trong suốt thời gian bảo quản cho cả 2 loại sữa xử lý
bằng PEF và HTST.......................................................................................................................41

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. Vi khẩn nhận dạng trong sữa sau xử lý HTST – PEF sau 60 ngày bảo quản ở 4°C
.......................................................................................................................................................24
Bảng 2. Log 10 của vi khuẩn gram dương bị tiêu diệt sau xử lý PEF ở 25kV ở pH 7, 4 sau thời
gian xử lý 2h .................................................................................................................................30
Bảng 3. Số lần log10 chu kì ức chế của E. coli, E. coli O157:H7, S. Senftenberg 775W và
Y.enterocolitica sau khi xử lí PEF ở 25 kV/cm cho các xung tăng dần theo thập phân 50, 100,
150, 200, và 300 trong dungdịch đệm citrate – phosphate với pH 7, pH 4 và giữ lại trong 2 giờ
trong dung dịch đệm đó ở pH 4....................................................................................................31
Bảng 4: Vi khuẩn đường ruột, vi khuẩn ưa ấm, vi khuẩn ưa lạnh trong sữa nguyên liệu sau quá
trình bảo quản lạnh........................................................................................................................37

2


GIỚI THIỆU
Ngày nay để đảm bảo chất lượng và an toàn vệ sinh thực phẩm, vấn đề vi sinh được các nhà sản
xuất quan tâm hàng đầu. Khía cạnh này càng đặc biệt quan trọng trong công nghệ chế biến sữa.
Sữa vốn là chất lỏng sinh lý tiết ra từ tuyến vú của động vật chứa rất nhiều thành phần dinh

dưỡng, là nguồn protein dồi dào cung cấp cho cơ thể con người. Cũng chính vì vậy đó cũng là
nguồn rất dễ bị xâm nhiễm và phát triển của vi sinh vật. Vì vậy trên đã từ lâu các phương pháp
tiêu diệt vi sinh vật đã được nghiên cứu và ứng dụng, tiêu biểu nhất là các sản phẩm sữa đản bảo
vô trùng xuất hiện với quy trình công nghệ qua xử lý nhiệt như sữa thanh trùng, tiệt trùng, tiệt
trùng UHT. Chính nhiệt độ cao là nguyên nhân phá hủy và ức chế vi sinh vật. Nhiệt độ càng cao
độ vô trùng càng cao và gần như hoàn toàn cho ta môi trường sữa vô trùng thương mại. Nhưng
vấn đề mới lại được đặt ra do nhiệt độ quá cao lại ảnh hưởng yếu tố cảm quan và làm giảm độ
dinh dưỡng của sản phẩm sữa là điều chắc chắn. Vì vậy đòi hỏi nhà nghiên cứu cần tìm ra các
phương pháp xử lý khác nhưng không làm tăng nhiệt độ ảnh hưởng đến chất lượng ban đầu của
sửa (raw milk) và những phương pháp này thường được gọi là công nghệ không nhiệt
(nonthermal technologies).
Một trong những phương pháp không sử dụng nhiệt trên được nghiên cứu và cho kết quà khá
thành công trong vài sản phẩm thuộc sữa là phương pháp xung điện trường (PEF). Bài báo cáo
3


sau sẽ trình bày nguyên lý và ứng dụng của PEF ở khía cạnh ức chế vi sinh vật trong công nghê
chế biến sữa.

CHƯƠNG 1
NGUYÊN LÝ CỦA TRƯỜNG XUNG ĐIỆN
1. Khái niệm 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 của sữa. Quá trình thực hiện cường độ cao xung điện trường (PEF) áp
dụng các xung điện áp cao (thường 20-80 kV/cm) vào thực phẩm được trong thời gian µs đến ms.
Thực phẩm được đặt giữa hai điện cực, cung cấp xung dòng điện có hiệu điện thế cao sẽ sinh ra
trường điện từ dạng xung có cường độ cao. Xung này tác động vào thực phẩm được đặt giữa hai
cực như sau:

4


1.2 Mô hình động học trường xung điện
Mô hình động học dùng các phương trình toán học để mô tả sự thay đổi số lượng vi sinh vật theo
thời gian thực hiện PEF.Thông thường, các mô hình biểu diễn sự ức chế vi sinh vật trên phương
thức mô tả bằng đường cong vi sinh vật sống sót. Có bốn loại đường cong được tìm thấy trong
các nghiên cứu ứng dụng trên các sản phẩm sữa xứ lý PEF: đường thẳng tuyến tính, đường cong
lõm trên, đường công lõm xuống, đường xích ma. Loại đường thẳng tuyến tính và đường cong
lõm trên là phổ biến nhất. Một số nhà nghiên cứu còn phát hiện và nhận thấy rằng đường thằng
tuyến tính chỉ đúng với một khoảng xác định thường nhỏ hơn đến vòng log 4, đường thằng sẽ
chuyển sang dạng đường cong. Do ở thời điểm ban đầu, số vi sinh vật bị tiêu diệt bởi trường
xung điện sẽ tăng tuyến tính theo thời gian xử lý. Ở các thời điểm sau khi các vi sinh vật bị tiêu
diệt chậm dần theo thời gian. Sự giải thích cho hiện tượng này là do sau một thời gian xử lý PEF
một số vi sinh vật đã thích ứng với môi trường xung điện, vì vậy sự tiêu diệt chúng trở nên ít hơn
theo thời gian.
Nhằm kiểm soát và đưa ra các thông số xử lý phù hợp, mô hình động học tính toán về trường
xung điện được nghiên cứu. Cơ sở tính toán trường xung điện dựa trên số lượng vi sinh vật bị ức
chế và tiêu diệt. Phương trình được trình bày như sau:
Ln(S) = -bt (1)
t: thời gian xử lý (µs)
bE: hệ số cường độ xung điện trường
tc: thời gian xứ lý tối thiểu (dưới mức này không có vi sinh vật bị ức chế)
S: tỷ lệ vi sinh vật sống sót sau xử lý =
Ln(S) = -bE (1)
E: Cường độ điện trường (kV/cm)
Ec: cường độ điện trường xứ lý tối thiểu (dưới mức này không có vi sinh vật bị ức chế)
bN: hệ số cho số lần cung cấp xung
Ec và tc phu thuộc vào a tính chất của vi sinh vật khảo sát.

5


Hình1 Mô hình Htilsheger et al. (1981)
(a) quan hệ giữa tỷ lệ sống sót của vi sinh vật theo thởi gian
(b) quan hệ giữa tỷ lệ sống sót của vi sinh vật theo cường độ điện trường
Htilsheger (1981) đã đưa ra phương trình:
S=(

-(E – E )/k
c

(3)

Với k là hằng số phù thuộc vào từng loại vi sinh vật
Phương trình (3) cho ta quan hệ giữa thời gian xử lý và cường độ điện trường cung cấp. Dựa vào
giá trị Ec và tc của mỗi loại vi sinh vật và tỷ lệ vi sinh vật cần tiêu diệt mà ta lựa chọn được thời
gian và cường độ điện trường để xứ lý.
Phương trình (4) do Peleg đưa ra 1995 với đồ thị đường cong xích ma biểu diễn mối quan hệ giữa
cường độ điện trường và tỷ lệ vi sinh vật sống sót sau xử lý. Điểm đặc biệt của mô hình toán này
là trình bày được số xung (n) cần cung cấp để đạt được tỷ lệ tiêu diệt vi sinh vật như mong muốn
với cường độ điện trường thích hợp.
S = (4)
Eh: giá trị cường độ điện trường khi S = 50 % (kV/cm)
2. Cơ chế ức chế và tiêu diệt vi sinh vật trong công nghiệp sữa
Khi sữa được xử lý với lực điện trường từ 12 – 35 kV/cm - với khoảng xung ngắn (1 - 100µs)
người ta nhận thấy có sự ảnh hưởng đến vi sinh vật. Đã có nhiều nghiên cứu cơ chế của ảnh
hưởng này nhưng cho đến nay vẫn chưa được giải thích rõ. Những thuyết sau được đưa ra mang
tính hợp lý khá cao và được sử dụng khá nhiều trong lĩnh vực PEF ta đang đề cập này gồm:
6

 Theo nghiên cứu của Zimmermann (1974), nguyên nhân của sự ức chế vi sinh vật của

xung điện trường là ảnh hưởng lên thành tế bào của vi sinh vật. Chính sự phá vở thành tế
bào này dẫn đến tế bào bị vỡ, các thành phần bên trong như các chất trong quá trình trao
đổi, enzyme, protein, DNA bị thất thoát ra ngoài dẫn đến vi sinh vật bị hủy diệt hoặc ức
chế.
Khi được đặt trong điện trường các điện tích tĩnh điện bên trong tế bào chất vi sinh vật bị
phân chia về hai cực khác dấu nhau theo điện cực âm dương của hai đầu điện cực trong
buồng xử lý. Khác với tế bào chất, thành tế bào được xem là một chất điện môi do khả
năng dẫn điện kém của nó, tức ít có các điện tích tự do, ít hơn 8 - 9 . Chính vị vậy có sự
phân chia điện tích ở chất điện môi này khi điện trường xuất hiện. Chính sự di chuyển về
điện tích đã tạo nên lực hút giữa các cực thành tế bào vi sinh vật và điện cực bên ngoài.
Khi điện trường càng cao, lực hút càng lớn tạo nên áp suất nén khiến thành tế bào bị nén
chặt. Lực hút tỷ lệ thuận với cường độ trường E và tỷ lệ nghịch với bán kính tế bào. Vì
vậy sự gia tăng điện thế màng dẫn đến giảm độ dày màng tế bào. Khi cường độ điện
trường đạt đến mức giới hạn chịu được của thành tế bào (V’m) các lỗ rỗng trên thành tế
bào sẽ được hình thành gây ra sự di chuyền các chất bên trong tế bào ra bên ngoài và
ngược lại. Khi cường độ điện trường tăng quá mức giới hạn, thành tế bào sẽ bị vỡ gây
chết vi sinh vật. Sự phá hủy có thể hồi phục nếu sản phẩm các lỗ rỗng là nhỏ đối với tổng
bề mặt màng. Above critical field strengths and with long exposure times, larger
areas of the membrane are subjected to breakdown (Fig. 5d). Trên điểm tới hạn
cường độ trường với thời gian tiếp xúc dài, khu vực lớn hơn của màng là bị phân hủy.

embrane subjected to irreversible breakdown with large pores (Zimmermann, 1986)

 Theo Mercado (1996) sự ức chế vi sinh vật xảy ra theo hiện tượng Electroporation is the

phenomenon in which a cell exposed to high voltage electric field pulses temporarily

destabilizes the lipid bilayer and proteins of cell membranes (Castro and others
1993).Electroporation là hiện tượng trong đó một tế bào tiếp xúc với trường xung điện
7


cao áp dẫn đến làm mất ổn định lớp màng lipid kép và các protein của màng tế bào. Tế
bào bị biến dạng, khoảng cách giữa các tế bào càng ngày càng to và tạo lỗ trên lớp màng.
Các màng sinh chất của các tế bào trở nên thấm qua được với các phân tử nhỏ sau khi
được tiếp xúc với một điện trường, và sự thẩm thấu sau đó gây ra sự sưng phù và cuối
cùng là sự thủng màng tế bào. The main effect of an electric field on a microorganism
cell is to increase membrane permeability due to membrane compression and poration
(Vega-Mercado and others 1996b).Kinosita và Tsong (1977, 1979) đã chứng minh rằng
một điện trường là 2,2 kV / cm gây ra lỗ rỗng trong hồng cầu của con người trong khoảng
1 nm đường kính. Kinosita and Tsong (1977) suggested a 2-step mechanism for pore
formation in which the initial perforation is a response to an electrical suprathreshold
potential followed by a time-dependent expansion of the pore size (Fig. 6). Lỗ rỗng lớn
thu được bằng cách tăng cường độ điện trường và thời gian xung hoặc giảm cường độ ion
của môi trường.

8


3. Các yếu tố ảnh hưởng hiệu quả kỹ thuật PEF
3.1 Yếu tố công nghệ
3.1.1 Cường độ điện trường và độ rộng xung
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. Thông thường người ta quan tâm khảo sát giá

trị EC nhằm xác định được cường độ xử lý thích hợp với thời gian xứ lý cố định. E c còn được cho
là giá trị cường độ điện trường bé nhất bắt đầu gây nên biến dạng ở thành tế bào vi sinh vật và tạo
lỗ trên thành.

Hình 4 Ảnh hưởng của cường độ điện trường lên sự tiêu diệt E.coli ở thời gian xử lý không đồi
(đường mỏng). Đường cong đậm biểu diễn đường hồi quy của đường cong ở thời gian xứ lý xung
là 40 và 2000 µs. Điều kiện xứ lý pH 7.0; sóng vuông
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 Ec là 4,9 kV/cm, còn với độ rộng xung nhỏ hơn 2µs thì Ec là 40 kV/cm
( theo Schoenbach và những người khác 1997).

3.1.2 Hình dạng xung
Trường xung điện có thể được áp dụng theo hình thức phân rã, sóng vuông, dao động, lưỡng cực.
- 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 5 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.
9


Hình 5 Mạch điện để sản xuất phân rã theo hàm mũ dạng sóng
- 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.
Trong đó, hình thức dao động là hiệu quả nhất để vô hoạt hóa các vi sinh vật và 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.
As mentioned earlier in this report, the instant-charge-reversal pulse can be described as
partially positive at first and partially negative immediately thereafter.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 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
10


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 using square and

exponential decay waveforms and a peak electric field of 12 kV/cm and 60 J/pulse for both
waveforms. 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.

3.1.3 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 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.
3.1.4 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.
11


Xử lý bằng phương pháp PEF ở nhiệt độ vừa phải ( từ 50-60oC) 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.
Ảnh hưởng của nhiệt độ được quan sát khi thấy E. coli giảm từ 1-6,5 lần trong chu kỳ tương ứng
với sự thay đổi nhiệt độ từ 32-55oC (Vega-Mercado và cộng sự, năm 1996)

Sự tăng nhiệt độ làm tăng hiệu quả ức chế vi sinh vật của PEF được giải thích do nhiệt độ rút
ngắn thời gian phân phối điện cực ở màng tế bào dẫn đến sự phá vỡ nhanh hơn tế bào. Ngoài ra
Staley (1991) còn đưa ra giả thiết sự phá vỡ này còn do nhiệt độ ảnh hưởng đến lớp
phospholipids từ trạng thái gel chuyền sang trạng thái tinh thể béo.
3.2 Yếu tố sản phẩm
3.2.1 Tính dẫn điện, lực ion
Các tính dẫn điện trung bình ( đơn vị σ, Siems / m) được định nghĩa như là khả năng dẫn điện
hiện hành, là một biến quan trọng trong PEF. Dẫn điện là nghịch đảo của điện trở suất, được định
nghĩa bởi các tính hiệu r và được đo bằng ohm-mét (W.m). Thực phẩm có tính dẫn điện cao gây
ra những điểm điện nhỏ hơn trên buồng xử lý, do đó không thích hợp để xử lý bằng PEF
(Barbosa-Cánovas và cộng sự, 1999).

Khi vô hoạt hóa Lactobacillus brevis bằng PEF cho thấy tính dẫn của chất lỏng tăng lên, khả
năng chống ăn mòn của buồng xử lý đã giảm. Do đó, làm giảm độ rộng xung và giảm khả năng
vô hoạt các vi sinh vật. Bởi vì tính dẫn điện tăng dẫn đến kết quả là lực liên kết ion trong chất
lỏng cũng tăng. Hơn nữa, sự gia tăng độ chênh lệch giữa độ dẫn điện của một tế bào và vi sinh
vật sẽ làm suy yếu cấu trúc màng tế bào do một chất làm tăng lượng ion qua màng tế bào.
Vega-Mercado and others (1996b) studied the effect of pH and ionic strength of the medium
(SMFU) during PEF treatment.
Vega-Mercado và cộng sự (1996) đã nghiên cứu tác động của lực ion của môi trường trong khi
xử lý bằng PEF. Tỷ lệ vi sinh vật bị vô hoạt hóa tăng không thể nhận biết từ chu kỳ 2,5 khi lực
ion được điều chỉnh từ 168-28mm. Dunne và cộng sự (1996) báo cáo rằng, tùy thuộc vào loại vi
sinh vật, độ pH mà làm tăng khả năng vô hoạt hóa các vi sinh vật.

12


3.2.2 pH
Sữa là sản phẩm có độ pH thấp, theo một số nghiên cứu độ thấp của pH có thể ảnh hưởng đến
khả năng tiêu diệt vi khuẩn của PEF. Theo Garcia (2005) quan sát ở cùng điều kiện xử lý PEF tác

dụng lên vi khuẩn Gram âm giảm khi giảm pH, trong khi đó vi khuẩn Gram dương lại cho kết
quả ngược lại. Hiện tượng này được lý giải do ở điều kiện pH thấp làm ảnh hưởng gradient pH
của tế bào. Vi khuẩn Gram dương có thành tế bào nhạy cảm với pH trong khi vi khuẩn Gram
dương lại không bị ảnh hưởng nhiều.

3.3 Yếu tố sinh học
3.3.1 Loại vi sinh vật
Trong số các vi khuẩn, các vi khuẩn gram dương có khả năng kháng PEF cao hơn so với những
vi khuẩn gram âm. Nhìn chung, nấm men dễ bị tác động hơn so với vi sinh vật do chúng có kích
thước lớn hơn, mặc dù ở cường độ điện thấp, chúng có thể tránh được nhiều hơn so với các tế
bào vi khuẩn gram âm (Sale and Hamilton 1967; Qin and others 1995a). Một so sánh giữa sự vô
hoạt của hai loại nấm men có kích thước khác nhau cho thấy cường độ điện trường cần thiết để
chúng ngừng hoạt động tỷ lệ nghịch với kích thước tế bào. Những kết quả trên hợp lý nhưng
không phù hợp với kết quả của Hülsheger và cộng sự (1983). Vì vậy các nghiên cứu trong lĩnh
vực này cần được tiếp tục để hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của loại vi sinh vật đến kết quả của
phương pháp PEF.
3.3.2 Số lượng vi sinh vật
Số lượng vi sinh vật có trong thực phẩm có thể ảnh hưởng đến sự vô hoạt hóa chúng bằng
phưong pháp PEF. Barbosa-Cánovas và cộng sự (1999) đã báo cáo rằng mức độ vô hoạt hóa E.
coli in a model food system of simulated milk ultrafiltrate (SMUF) was not affected when the
concentration of microorganisms was varied from 10 3 to 10 8 cfu/ml after being subjected to 70
kV/cm, 16 pulses, and a pulse width of 2 µs. coli trong một hệ thống thực phẩm dạng sữa
ultrafiltrate (SMUF) không bị ảnh hưởng khi nồng độ của vi sinh vật được thay đổi từ 103-108
cfu/ml sau khi phải chịu đến 70 KV/cm, 16 xung và chiều rộng xung là 2 μs.

c) Growth stage of microorganisms.3.3.3 Giai đoạn sinh trưởng của vi sinh vật
Nhìn chung, các tế bào ở giai đoạn tăng trưởng mạnh thì nhạy cảm hơn so với các tế bào ở giai
đoạn tăng trưởng chậm hoặc suy thoái. Vi sinh vật trong giai đoạn tăng trưởng mạnh được đặc
trưng bởi quá trình phân chia tế bào liên tục. Trong đó, màng tế bào nhạy cảm hơn với điện
trường áp dụng. Hülsheger và cộng sự (1983) kết luận rằng tế bào từ các giai đoạn tăng trưởng

mạnh nhạy cảm với PEF hơn là giai đoạn tăng trưởng chậm và suy thoái. Nghiên cứu với E. coli
cells in the logarithmic phase were more sensitive to PEF treatment when compared to cells in
the stationary and lag phases (Pothakamury and others 1996). Coli cho kết quả tương tự.
13


Gaskova và cộng sự (1996) báo cáo rằng hiệu quả làm chết của PEF trong giai đoạn tăng trưởng
mạnh là 30% lớn hơn trong giai đoạn chậm hoặc ngừng tăng trưởng.

4. Hệ thống PEF
Thiết bị bao gồm:

-

Một máy phát xung điện áp cao (high voltage pulse generator)
Một buồng chứa thực phẩm (treatment champer) có hệ thống xử lý nhập liệu đầu vào
(dạng lỏng) thích hợp
Màn hình điều khiển và thiết bị giám sát (necessary monitoring and controlling devices)

Sữa được nhập liệu vào buồng chứa. Bên trong buồng chứa có hai điện cực (electrodes) được chế
tạo bởi vật liệu cách điện nhằm ngăn chặn dòng điện truyền từ điện cực này sang điện cực kia.
Xung điện áp cao tạo ra được truyền cho hai điện cực, và đến thực phẩm trong buồng chứa. Thực
phẩm lúc này được truyền qua lực điện từng vùng một vì vậy được gọi là vùng điện (electric
field). Hiện tượng này có trách nhiệm làm phá vỡ màng tế bào một cách không thuận nghịch của
các vi sinh vật.
Điều này dẫn đến sự cố điện môi của màng tế bào vi sinh vật và sự tương tác với các phân tử tích
điện của thực phẩm ( Fernandez - Díaz và cộng sự, 2000; . Zimmermann , 1986). Do đó , công
nghệ PEF đã được đề xuất cho thanh trùng của các loại thực phẩm như nước trái cây, sữa , sữa
chua , súp , và trứng lỏng ( Vega - Mercado và cộng sự, 1997; . Bendicho , 2003; . Puértolas et al,
2004 . ) .

Hình 6 Sơ đồ hệ thống xứ lý PEF
14


4.1 Buồng xử lý
Một trong những thành phần quan trọng và phức tạp nhất trong hệ thống xử lý là buồng xung
điện. Đó là nơi để giữ cho sản phẩm trong khi tạo xung mặc khác có tính quyết định đến tính
thống nhất của quá trình xử lý. Vì vậy thiết kế đặc trưng của buồng xứ lý cũng mang nhiều ý
nghĩa. Khi lực điện trường được sử dụng mạnh vượt quá cường độ điện trường của sản phẩm
thực phẩm được xử lý, sự phân hóa trong mẫu xử lý có thể gây ra tia lửa ảnh hưởng đến chất
lượng sản phẩm.
Trong một hệ thống xứ lý thường gồm nhiều buồng xung điện kết nối với nhau và được cài đạt
hoạt động theo từng mẻ hay là hệ thống liên tục. Có nhiều dạng buồng được thiết kế khác nhau
phụ thuộc vào dạng điện cực sử dụng. Có hai dạng phổ biến là điện cực đĩa song song (parallel
plate ) và bộ cực đồng trục (coaxial)
Buồng xứ lý làm việc gián đoạn trước đây thiết kế theo dạng tĩnh (Static treatment champer).
Dạng này thường thích hợp sử dụng ở quy mô thí nghiệm. Loại điện cực sử dụng phổ biến của hệ
thống này là điện cực đĩa song song. Điện cực này thường được cấu tạo bởi thép không rỉ và
được bao bọc polysurfone bên ngoài. Trong khí đó hệ thống buồng xử lý liên tục thì sử dụng điện
cực đồng trục. Trên thực tế thiết bị liên tục cho hiệu quả ức chế vi sinh vật cao hơn hệ thống gián
đoạn vì tính đồng đều và lêu tục trong cung cấp xung điện.

Hình 7 Cấu hình điện cực phổ biến trong các buồng xung điện trường
(a) song song tấm (b) Đồng trục

15


Hình 8 Giản đồ của một điện trường thiết kế hoạt động của buồng xung điện trong hệ thống PEF

(a) buồng tĩnh điện, (b) một phần của một thiết kế hệ thống liên tục, (c) buồng dạng đồng trục,
và (d) buồng đồng tuyến tính
Khi sức mạnh của ứng dụng điện trường vượt quá cường độ điện trường của sản phẩm thực phẩm
được xử lý trong buồng, phá vỡ các thực phẩm xảy ra như một tia lửa. Được gọi là sự cố điện
môi của thực phẩm, đây là một trong những khái niệm quan trọng nhất cần được xem xét trong
thiết kế buồng điều trị. Điện môi phân tích về thực phẩm thường được mô tả như là gây thiệt hại
trên bề mặt điện cực trong các hình thức hầm lò, một kết quả của áp lực cong và gia tăng, dẫn đến
vụ nổ buồng điều trị và sự phát triển của bong bóng khí. Kháng nội tại điện, điện trường đồng
nhất, và giảm và tạo ra các khu vực lĩnh vực nâng cao một số tiêu chí thiết kế quan trọng khác
cho một thiết kế thành công trong việc tiêu thụ năng lượng và nhiệt sản phẩm thấp.
4.2 Máy phát xung điện áp cao
Các máy phát xung điện áp cao cung cấp cho các xung điện với cường độ, hình dạng và thời gian
phát xung khác nhau từ hệ thống mạng lưới tạo xung (PFN). Cụ thể, PFN là một mạch điện bao
gồm một số thành phần: một hoặc nhiều nguồn cung cấp DC , một điện trở sạc, một dãy tụ điện
hình thành bởi hai hay nhiều đơn vị kết nối dạng song song, một hoặc nhiều thiết bị chuyển
mạch, và cuộn cảm xung tạo hình và điện trở. Điện DC cung cấp lượng điện cho dãy tụ điện với
điện áp mong muốn. Sử dụng thiết bị này, dòng điện xoay chiều (50-60Hz) được chuyển đổi
trong điện áp cao xoay chiều (A) và sau đó điều chỉnh thành dòng điện một chiều.
4.3 Bộ chuyển mạch (switches)
Chuyển đổi mạch cũng đóng một vai trò quan trọng trong hiệu suất của hệ thống PEF. Loại
switches sử dụng sẽ quyết định điện áp nhanh bao nhiêu và xuất hiện bao nhiêu đường sức.

16


Sau khi năng lượng được tích đủ , việc chuyển đổi là yếu tố quan trọng nhất của một máy phát
xung năng lượng cao. Hệ thống chuyển mạch công suất cao là yếu tố kết nối giữa thiết bị lưu trữ
và tải. Thời gian tăng , hình dạng và biên độ của đầu ra máy phát xung điện phụ thuộc rất nhiều
vào các thuộc tính của thiết bị chuyển mạch. Máy phát điện với các thiết bị lưu trữ điện cần bộ
chuyển mạch kín , trong khi máy phát điện với thiết bị lưu trữ cảm ứng yêu cầu bộ chuyển mạch

hở
Thiết bị chuyển mạch có hai nhóm chính: ON switches và ON / OFF switches.
ON switches cung cấp 1 lần đầy đủ lượng điện cho một lần phát xung, nhưng chỉ có thể ngừng
hoạt động khi lượng điện được cung cấp hết. ON switches có thể xử lý với điện áp cao với chi phí
tương đối thấp hơn so với công tắc ON / OFF. Tuy nhiên, tuổi thọ thấp và tần suất sử dụng lại
liên tục thấp.
ON / OFF switches đã phát triển trong những năm gần đây cung cấp sự kiểm soát quá trình tạo
xung một phần hoặc toàn bộ cho các tụ điện. Những cải tiến về thiết bị chuyển mạch , chủ yếu là
sử dụng chất bán dẫn rắn để chuyển mạch, dẫn đến tuổi thọ dài hơn và hiệu suất cao hơn
4.4 Bộ tụ điện
Các thành phần chính của các thiết bị cung cấp năng lượng cao là tụ điện lưu trữ và bộ chuyển
mạch đã trình bày ở trên. Năng lượng lưu trữ trong các tụ điện được sử dụng để tạo ra điện hay từ
trường. Điện trường được sử dụng để tăng tốc các hạt tích điện tạo ra các sóng từ, sóng nhiệt và
sóng cơ. Trường điện từ truyền năng lượng như sóng điện từ, tia X, vi sóng, và thế hệ chùm tia
laser. Từ trường tạo điều kiện cho các thế hệ khác nhau có áp lực rất cao từ 0,1 GPa nhiều GPa.
CHƯƠNG 2
CÁC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PEF TIÊU DIỆT VI SINH VẬT
TRONG CÔNG NGHIỆP CHẾ BIẾN SỮA
1. So sánh xử lý vi sinh vật trong sữa tươi bằng PEF và thanh trùng nhiệt độ cao thời gian
ngắn (HTST)
1.1 Tóm tắt
Thông thường, với số lượng sữa thanh trùng lớn cần vận chuyển đi xa sẽ được thanh trùng
phụ trước khi đến điểm tiêu thụ. Tuy nhiên, việx ử lý nhiệt gấp đôi như thế sẽ làm giảm chất
lượng cảm quan và dinh dưỡng của sữa, do đó, phương pháp bảo quản không dùng nhiệt được
nghiên cứu khá nhiều. Sữa thanh trùng với nhiệt độ cao thời gian ngắn (HTST) được xử lí với 5
xung điện trường có đỉnh điện trường là 35 kV/cm và bề rộng của xung là 2.3µs, ở nhiệt độ 65 OC
trong thời gian dưới 10s. xử lý xung điện trường (PEF) được áp dụng ngay khi thanh trùng sữa
nhằm kéo dài thời gian bảo quản hoặc sau thanh trùng 8 ngày mô hình hóa qui trình sau khi vận
17

chuyển với khối lượng lớn. Ứng dụng PEF ngay sau thanh trùng HTST sẽ kéo dài được thời gian
bảo quản đến 60 ngày, trong khi thực hiện PEF sau 8 ngày sẽ làm tăng thời gian bảo quản lên 78
ngày, cả hai đã chứng minh thành công của mục tiêu kéo dài hạn sử dụng của sữa.

1.2 Giới thiệu
Thanh trùng HTST là phương pháp kéo dài thời gian bảo quản sữa lỏng được sử dụng rất
hiệu quả trong nhiều thập kỉ và diệt tận gốc các vi khuẩn gây bệnh trong sữa (Steele, 2000). Dưới
quá trình sản xuất và điều kiện bảo quản tối ưu, thanh trùng HTST có khả năng kéo dài thời gian
bảo quản đến khoảng 3 tuần, điều này còn tùy thuộc vào chất lượng vi sinh ban đầu của sữa
nguyên liệu. Tuy nhiên, khác với điều kiện lý tưởng, mật độ vi sinh ban đầu cao, quá trình sản
xuất kém, hay điều kiện bảo quản không tốt và tạp nhiễm trước quá trình thanh trùng về cơ bản sẽ
giảm hạn sử dụng của sữa xuống (Richter, Ledford, &Murphy, 1992). Cùng với việc mở rộng
quan hệ mua bán toàn cầu, một khối lượng lớn sản phẩm thực phẩm sẽ được tập trung hơn, việc
vận chuyển sữa đến những nơi không sản xuất được sữa thường xuyên hơn. Một vấn đề được đặt
ra là việc nhập khẩu các dòng sản phẩm sữa lỏng với quãng đường dài như vậy thì sữa nguyên
liệu không thể bảo quản trong một thời gian quá dài, thậm chí là trong điều kiện lạnh, do đó, khả
năng xuất hiện và tăng lượng vi sinh vật gây hại là một mối nguy lớn. Qui định cho sữa thanh
trùng loại A (PMO) yêu cầu sữa nguyên liệu không được bảo quản ở trong thùng chứa quá 72 giờ
(HHS/PHS/FDA, 2001), do đó, một cuộc thí nghiệm đã được tiến hành. Sữa thanh trùng bằng
nhiệt tại nơi sản xuất được vận chuyển đi với số lượng lớn, sau đó được thanh trùng lại một lần
nữa tại nơi tiêu thụ và bán lẻ. Với kế hoạch này, bên cạnh việc tăng giá thành sản phẩm, còn nảy
sinh sự giảm chất lượng cảm quan và dinh dưỡng của sữa, do lặp lại nhiều lần quá trình xử lý
nhiệt. Để tránh trường hợp xử lí nhiệt 2 lần, nhà sản xuất đã vận chuyển từng đơn vị bán lẻ. Tuy
nhiên, cách này sẽ làm gây sức ép lớn đến kho và giới hạn thời gian sử dụng của sữa. Một số
phương pháp khác có thể kéo dài hạn sử dụng của sữa để vận chuyển đến các thị trường xa hơn
như thanh trùng ở nhiệt độ cao ( ultra-high temperature pasteurization hoặc ultrapasteurization)
tuy có thể kéo dài thời gian bảo quản nhưng cũng làm giảm chất lượng cảm quan của sữa
(Hansen, 1987). Một số cuộc thử nghiệm dùng quá trình xử lí nhiệt nhẹ hơn UHT hay UP nhưng
mạnh hơn HTST để kéo dài hơn thời gian bảo quản mà không làm biến đổi các tính chất cảm

quan lại có kết quả xấu, do phương pháp xử lí nhiệt trong khoảng 80 – 90 OC sẽ là động lực để
bào tử phát triển, giảm hoạt tính của các hợp chất kháng vi sinh vật và tạo ra nhiều chất dinh
18


dưỡng cho vi khuẩn phát triển, do đó làm giảm hạn sử dụng của sữa (Vatne & Castberd, 1991;
Zadow & Birtwistle, 1973)
Việc sử dụng các công nghệ bảo quản thực phẩm không dùng nhiệt như PEF có thể sẽ là
một lựa chọn khác để sản xuất sản phẩm có thời gian sử dụng dài hoặc áp dụng nó như là một
cách xử lý thứ hai sau khi thanh trùng sữa mà không làm biến đổi đặc tính cảm quan và dinh
dưỡng (BarbosaCánovas, Góngora-Nieto, Pothakamury, & Swanson, 1999). Trong những nghiên
cứu trước của Quin etal (1995a) đã chứng tỏ rằng công nghệ PEF đã kéo dài được thời gian bảo
quản của sữa lỏng trong điều kiện nhiệt độ của tủ lạnh đến 2 tuần mà không có sự thay đổi nào về
tính chất vật lý, hóa học cũng như là đặc tính cảm quan của sữa. Mặt khác, nghiên cứu của
Sepulveda, Góngora-Nieto, Guerrero-Beltrán và BarbosaCánovas (2003) đã cho thấy ứng dụng
của PEF khi kết hợp với xử lí nhiệt nhẹ đã cho hiệu quả bảo quản cao hơn nhiều, có thể kéo dài
thời gian bảo quản lên đến 4 tuần mà không nhận thấy bất kỳ sự thay đổi nào về mặt chất lượng.
Các phát hiện cũng chứng tỏ PEF ở nhiệt độ không quá cao có thể áp dụng ngay sau khi thanh
trùng bằng nhiệt để bảo quản sữa đủ dài mà vẫn đảm bảo chất lượng sau khi vận chuyển, hoặc có
thể dùng như là cách xử lý thứ hai thay cho xử lý thanh trùng bằng nhiệt tại nơi tiêu thụ.
Mục đích của nghiên cứu này là sản xuất sữa thanh trùng bằng HTST sau đó ứng dụng
PEF ở điều kiện nhiệt độ ấm để xác định hiệu quả của cách xử lý này lên thời gian bảo quản của
sữa.

1.3 Nguyên liệu
Ba mẫu sẽ được chọn ngẫu nhiên và độc lập ở mỗi mẻ sản xuất ở các ngày khác nhau từ
nhà máy Washington State University Creamery. Sữa nguyên liệu và sữa thanh trùng HTST được
giám sát trong khoảng thời gian thí nghiệm cùng lúc với hai quá trình thí nghiệm, một là xử lý
nhiệt, hai là áp dụng PEF sau khi thanh trùng HTST. Mẫu sữa thí nghiệm sau khi xử lý sẽ được
làm lạnh ngay lập tức và bảo quản ở 4OC cho đến khi kết thúc thí nghiệm. Mẫu được lấy định kỳ

2 ngày 1 lần để kiểm tra chất lượng như kiểm tra số lượng của vi khuẩn ưa ấm và ưa lạnh cũng
như xác định độ chua bằng chuẩn độ để đánh giá mức độ tạp nhiễm vi sinh vật trong mẫu như thế
nào. Bên cạnh đó, thí nghiệm cũng kiểm tra số lượng vi khuẩn đường ruột cũng như các vi khuẩn
có hại thường tìm thấy trong sữa. Cuối cùng là kiểm tra về chất lượng cảm quan như màu sắc và
mùi của mẫu.
1.4 Kế hoạch thí nghiệm
Hai thí nghiệm sẽ được tiến hành cùng lúc là dùng PEF và xử lí nhiệt nhẹ. Thí nghiệm đầu tiên sẽ
được thiết kế như là phương pháp xử lí thứ hai áp dụng lên sữa thanh trùng tại điểm tiêu thụ sau
khi vận chuyển đến. Cách xử lý này bao gồm thanh trùng nhiệt HTST cho sữa nguyên kem, bảo
quản ở 4OC trong 8 ngày sau đó thanh trùng sản phẩm với PEF ở nhiệt độ ấm trước khi đóng chai.
19


Thí nghiệm thứ hai sẽ áp dụng PEF ở nhiệt độ ấm ngay sau khi thanh trùng HTST để tăng thời
gian bảo quản của sản phẩm đóng chai, do đó sản phẩm không cần phải xử lý sau khi đến nơi tiêu
thụ. Sữa được bảo quản trong túi nhựa vô trùng dung tích 20 lít còn ở trong thí nghiệm thì mẫu
được đóng chai với dung tích 2 lít/ chai.
 Xử lý PEF.

Hệ thống PEF ( Physics International, San Leandro, CA) và một buồng chứa hình trụ có
hệ thống điện cực đồng tâm (Qin, Zhang, BarbosaCánovas, Swanson, & Pedrow, 1995) sẽ được
dùng để xử lý PEF cho mẫu sữa thanh trùng HTST. Dựa trên những thí nghiệm trước, PEF với
trường điện lớn nhất là 35kV/cm và giảm 5 lần theo hàm mũ với chiều rộng của xung là 2.3 µs
( bằng bề rộng của xung cao nhất FWHM). Lưu lượng sữa 72lít/ giờ để tránh hiện tượng đóng
cặn trên điện cực, dựa theo nghiên cứu của (Sepulveda et al, 2003). Nhiệt sinh ra trong buồng sẽ
được thu lại từ dòng sữa đi ra và trao đổi nhiệt với dòng sữa vào bằng thiết bị trao đổi nhiệt ống
lồng ống để tăng nhiệt độ đầu vào lên khoảng 50 OC. Mẫu sau khi xử lý vẫn còn ở nhiệt độ cao
khoảng 65OC ít nhất trong 10 giây sau khi xử lý PEF. Các thông số cần kiểm soát trong suốt quá
trình sẽ là nhiệt độ đầu vào và đầu ra, hiệu quả thu hồi nhiệt, hình dạng xung, hiệu điện thế,
cường độ dòng điện, và năng lượng tiêu thụ. Các thông số có liên quan đến điện sẽ được đo bởi

máy nghiệm dao động kỹ thuật số ( Hewlett-Packard 54530A, Colorado Springs, CO) được nối
với bộ phận xử lý qua đầu dò hiệu điện thế cao. Nhiệt độ sẽ được giám sát với nhiệt kế kỹ thuật
số (Cole-Palmer, Vernon Hills, IL)
 Thanh trùng HTST:
Thanh trùng nhiệt được thực hiện bằng thiết bị trao đổi nhiệt bản ỏng tại Washington
State University Creamery ở nhiệt độ 72OC trong 15 giây theo đúng yêu cầu chất lượng sữa thanh
trùng loại A (HHS/PHS/FDA, 2001).
 Đánh giá thời gian bảo quản và chất lượng sản phẩm:

Vi khuẩn ưa ấm và vi khuẩn đường ruột sẽ được kiểm tra về số lượng mỗi ngày, vi khuẩn
ưa lạnh sẽ được kiểm tra định kỳ mỗi tuần một lần. Để kiểm tra số lượng vi khuẩn ưa ấm và ưa
lạnh, mẫu sẽ được pha loãng theo chuỗi thập phân kèm nước peptone 0.1% theo phương pháp đổ
đĩa trong môi trường thạch agar Standard Plate Count (Difco). Vi khuẩn ưa ấm được ủ ở 32 OC
trong 48 giờ, còn vi khuẩn ưa lạnh được ủ ở 4 OC trong 7 ngày. Vi khuẩn đường ruột sẽ được ủ ở
32OC trong 24h trên môi trường agar Violet Red Bile (Difco) (Marshall, 1992). Khuẩn lạc được
tách chọn trên đĩa và được xác định các tính chất hóa lý khác. Chuẩn độ acid theo phương pháp
dành cho sản phẩm từ sữa, và dựa trên cơ sở acid lactic (Marshall, 1922). Kiểm tra mùi và vị
được thực hiện mỗi ngày bằng cách quan sát những hiện tượng bất thường ở mẫu. Nghiên cứu sẽ
20


kiểm tra bằng mắt những hiện tượng đông tụ, đông đặc, vón cục, màu sắc thay đổi, lắng và nổi
bọt của mẫu sữa. Về mùi vị, sẽ kiểm tra vị chua và mùi thối của mẫu sữa.

1.5 Kết quả và bàn luận
Thời gian bảo quản được kiểm soát trong vòng 78 ngày, cho đến khi mẫu có hạn sử dụng
dài nhất kết thúc thời gian bảo quản của nó. Tổng số vi khuẩn ưa ấm trong mẫu đã xử lý sẽ được
lấy làm chuẩn để đánh giá thời gian sử dụng trong thí nghiệm vì đây là một trong những phương
pháp kiểm tra đánh giá chất lượng của sữa thanh trùng (Richter et al., 1992). Khi mẫu đạt số vi
khuẩn ưa ấm vào khoảng 2.104 sẽ kết thúc thời gian bảo quản của chúng, đây là tiêu chuẩn để

đánh giá chất ượng vi sinh của sữa thanh trùng loại A và sản phẩm sữa xử lý nhiệt (HHS/
PHS/FDA, 2001). Tuy nhiên, trong thực tế, hạn sử dụng kết thúc của sữa lỏng khi số vi khuẩn đạt
đến 106 – 107 cfu/ml, khi đó mới có những biến đổi về mặt cảm quan mà người tiêu dùng mới có
thể nhận ra được (Griffiths & Phillips, 1986). Do đó, kết quả ở nghiên cứu này có thể sẽ đạt mức
độ chính xác vừa phải.

Hình 9 Số vi sinh vật trong sữa bảo quản ở nhiệt độ 4°C trong 8 ngày
Hình trên là tổng số vi khuẩn ưa ấm ở mẫu kiểm soát (sữa nguyên liệu và sữa thanh trùng
HTST) và mẫu xử lý ( xử lý PEF ngay sau thanh trùng và mẫu xử lý sau 8 ngày bảo quản lạnh)
được bảo quản ở trong điều kiện lạnh một khoảng thời gian. Cả hai thí nghiệm kéo dài được thời
gian bảo quản của sữa thanh trùng HTST có hiệu quả rõ rệt. Sữa xử lí PEF ngay sau khi thanh
21


trùng HTST kéo dài thời gian bảo quản lên đến 2 tuần so với sữa chỉ thanh trùng HTST, điều đó
chứng tỏ hiệu quả của phương pháp này cho việc sản xuất sữa thanh trùng thời hạn dài, có thể áp
dụng cho các sản phẩm bán lẻ hoặc vận chuyển xa mà vẫn đảm bảo hạn sử dụng tại nơi tiêu thụ.
Đối với sữa thanh trùng HTST được xử lí PEF sau 8 ngày bảo quản lạnh thì thời gian bảo quản
kéo dài hơn 1 tháng so với sữa thanh trùng HTST truyền thống. Đây sẽ là lựa chọn tốt cho sữa
thanh trùng sau khi được vận chuyển với lượng lớn. Sữa nguyên liệu trong thí nghiệm đã vượt
quá giới hạn tiêu chuẩn vi khuẩn ưa ấm ở ngày thứ tư. Trong khi vi khuẩn đường ruột vẫn giữ
được sự cân bằng thì vi khuẩn ưa lạnh bắt đầu tăng lên sau 1 tuần bảo quản dưới điều kiện lạnh.

Hình 10 Thành phần của hệ vi khuẩn trong sữa nguyên liệu bảo quản ở 4°C trong 8 ngày
Sữa thanh trùng HTST thương mại thường bảo quản được 2 đến 3 tuần trước khi nhiễm khuẩn
(Richter et al., 1992). Tuy nhiên, trong thí nghiệm này, cần đến 44 ngày để cho vi khuẩn ưa ấm ở
sữa thanh trùng HTST mới vượt giới hạn cho phép, có thể do ảnh hưởng của điều kiện vệ sinh ở
thí nghiệm khác với quá trình sản xuất, phân phối và tiêu thụ sản phẩm.
Không có quá trình thí nghiệm nào cho phép sự phát triển của vi khuẩn đường ruột và vi
khuẩn ưa lạnh trong suốt thí nghiệm. Vi khuẩn đường ruột vẫn dưới mức phát hiện trong suốt

khoảng thời gian bảo quản ở cả hai thí nghiệm xử lý HTST-PEF và HTST, nhưng đa số lý do đều
cho rằng đó là do ảnh hưởng của điều kiện vệ sinh trong suốt quá trình xử lý, bao gói và lấy mẫu
sữa, nghĩa là việc nhiễm vi khuẩn đường ruột trong sữa thanh trùng là điều bình thường (Richter
et al., 1992). Bên cạnh đó, dù không tìm thấy vi khuẩn ưa lạnh trong mẫu đã xử lý nhưng vẫn
không thể phủ nhận rằng không có bất kì vi khuẩn ưa lạnh nào phát triển trong sữa được bảo
quản ở 4OC (Cousin, Jay, &Vasavada, 1992), do đó khi kết thúc vòng đời sản phẩm, dù phát hiện
22


ra tổng số vi sinh vật ưa ấm, nhưng vẫn phải chú ý đến sự phát triển nhẹ của vi khuẩn ưa lạnh.
Việc kiểm tra vi khuẩn ưa lạnh được thực hiện trong điều kiện nghiêm ngặt cũng sẽ ảnh hưởng
khá nhiều đến cả quần thể vi khuẩn ưa lạnh trong mẫu. Tuy nhiên, các loài vi khuẩn ưa lạnh
mạnh xuất hiện trong sữa nguyên liệu không chỉ có thể phát triển dưới điều kiện cực đoan mà còn
có thể phát triển mạnh mẽ sau một khoảng thời gian làm quen với môi trường.
Vẫn còn nhiều tranh cãi về việc kéo dài thời gian bảo quản ở hai thí nghiệm xử lý PEF
ngay sau thanh trùng HTST hoặc xử lý PEF sau 8 ngày bảo quản sữa thanh trùng HTST là
nguyên nhân dẫn đến kéo dài pha lag của vi sinh vật để làm quen với điều kiện môi trường bất
lợi. PEF và HTST được kết hợp với bảo quản ở nhiệt độ thấp không chỉ tạo nhiều căng thẳng lên
vi sinh vật mà còn tác động đến nhiều giống khác nhau, nhạy cảm với biến đổi của môi trường
trên mỗi giai đoạn của quá trình bảo quản. Tạp nhiễm ở sữa thanh trùng HTST thường do vi
khuẩn ưa lạnh gram âm không chỉ có thể sống sót sau quá trình thanh trùng mà còn là do một
lượng nhỏ tạp nhiễm sau quá trình thanh trùng (Richter et al., 1992; Thomas & Druce, 1969).
Tuy nhiên, trong thí nghiệm này, đa số vi khuẩn tạp nhiễm được tiêu diệt và việc tạp nhiễm trước
xử lý sẽ không xảy ra. Bảng sau cho thấy một số vi khuẩn hiện diện trong sữa thanh trùng HTSTPEF, được tách ra từ khuẩn lạc và và định danh bằng phương pháp hóa sinh.
Bảng 1: Vi khẩn nhận dạng trong sữa sau xử lý HTST – PEF sau 60 ngày bảo quản ở 4°C

Có thể thấy rằng tạp nhiễm vi khuẩn gram âm sẽ không xảy ra và các vi khuẩn ưa lạnh có
thể vượt qua được điều kiện thanh trùng sẽ trở thành vi khuẩn tạp nhiễm chủ yếu trong sữa bảo
quản lạnh; tuy nhiên, thí nghiệm cũng cho thấy chúng cần thời gian dài hơn để có thể hoạt động
trở lại với hiệu quả như ban đầu ở điều kiện bảo quản của thí nghiệm. Khả năng bào tử xuất hiện

trong sữa có thể được kích hoạt bởi các quá trình thanh trùng (Griffiths & Phillips, 1990;
Griffiths, Phillips, & Muir, 1986), tuy nhiên trừ khi số lượng bào tử ban đầu quá lớn, nếu không
23


thì lượng bào tử cũng không ảnh hưởng đến chất lượng và thời gian bảo quản sữa vì ảnh hưởng
của bào tử chỉ chú ý khi chúng nảy mầm, còn không thì sản phẩm sẽ chỉ ảnh hưởng bởi các vi
khuẩn khác (Bodyfelt, 1980). Trong thí nghiệm này, một số mẫu tìm thấy Bacillus spp. Sau 72
ngày bảo quản lạnh đã chứng minh ảnh hưởng của những vi sinh vật này lên quá trình hư hỏng
của sữa và là động lực cho quá trình nảy mầm của bào tử mà đây là nguyên nhân chủ yếu làm
giảm thời gian bảo quản sữa thanh trùng. Mặc dù chuẩn độ acid với tất cả các mẫu vẫn dưới các
mức độ kiểm tra cảm quan (0.2% acid lactic) (Bassette, Fung, & Mantha, 1986) trong suốt thời
gian bảo quản như hình sau.

Hình 11 Chuẩn độ acid trong sữa sau 70 ngày bảo quản ở 4°C
Điều đó có nghĩa là không có sự thay đổi về các tính chất cảm quan của sản phẩm khi
dùng xử lý nhiệt và không xử lý nhiệt dựa trên kết luận của Morales, Romero, và Jimenez-Perez
(2000) và Quin et al. (1995a).
Kết luận: tất cả mẫu sau khi kiểm tra vi sinh không phát hiện có sự xuất hiện của các loài
vi khuẩn có khả năng sống sót sau khi xử lý nhiệt như Salmonella spp., Listeria monocytogenes
và Bacillus cereus. Chúng có khả năng phát triển ở nhiệt độ lạnh và sẽ ảnh hưởng đến sức khỏe
của con người nếu như tồn tại trong sữa (Collins – Thompson & Bunning, 1992). Các cách bảo
quản mới có thể kéo dài thời gian bảo quản một cách rõ rệt cần phải được tính toán, cân nhắc kỹ
trước khi áp dụng. Sản phẩm có thời hạn sử dụng dài có thể sẽ trở thành một mối nguy tiềm ẩn
đối với sức khỏe con người nếu chúng làm tăng lượng vi khuẩn gây hại có thể phát triển dưới

24


điều kiện sản xuất truyền thống. Do đó, những rủi ro tiềm ẩn này cần phải được đảm bảo về độ an

toàn vi sinh của sản phẩm.
Cả hai phương pháp th1i nghiệm đều có thể kéo dài được hạn sử dụng của sữa thanh trùng so với
sữa chỉ thanh trùng HTST. Sữa xử lí PEF ngay sau thanh trùng HTST có thể có thời hạn sử dụng
đến 60 ngày, trong khi đó, sữa xử lí PEF sau thanh trùng HTST 8 ngày có thể kéo dài đến 78
ngày trước khi tổng số vi khuẩn vượt qua mức giới hạn cho phép. Không có sự biến đổi đáng kể
nào về mùi vị, màu sắc, độ chua của sữa cho đến khi hết hạn sử dụng. Vi khuẩn sống sót sau xử lí
nhiệt hoặc bào tử của các loài vi khuẩn bị phát hiện trong thời hạn sử dụng của sữa xử lí PEF.
Bằng chứng là Bacillus spp, nguyên nhân gây ra vón cục tại cuối thời gian sử dụng. tổng số vi
khuẩn đường ruột, vi khuẩn chịu lạnh và việc giảm số lượng các loại vi khuẩn này trong sữa sau
các quá trình sản xuất phải đảm bảo pha lag ở đường cong sinh trưởng của vi sinh vật phải dài.

2. Khảo sát xử lý vi sinh vật trong sữa bằng PEF ở 4 loại vi khuẩn gram dương ở các điều
kiện pH khác nhau
2.1 Tóm tắt
Mục đích của đề tài là tính toán và so sánh khả năng chống chịu xung điện trường PEF
của 4 loài vi khuẩn gram dương ( Bacillus subtilis, Listeria monocytogenes, Lactobacillus
plantarum, Staphylococcus aureus) và 4 vi khuẩn gram âm ( Escheriachia coli, Ecoli O157:H7,
Salmonella serotype Senftenberg 775W, Yersinia enterocolitica) dưới những điều kiện khác
nhau. Các đặc tính vi sinh như kích thước tế bào, hình dạng hay loại màng bao tế bào không ảnh
hưởng đến khả năng chống chịu PEF của vi sinh vật mà khả năng chống chịu đó phụ thuộc rất
nhiều vào độ pH của môi trường. Ví dụ như L. monocytogenes có khả năng chịu được PEF cao
nhất ở pH 7 thì lại rất nhạy cảm ở pH 4. Hầu hết các chủng vi khuẩn kháng được PEF ở pH 4 đều
là vi khuẩn gram âm như E.coli O157:H7 và S. Senftenberg. Các tế bào sau khi xử lý PEF được
giữ ở pH 4 trong 2 giờ đã tăng khả năng vô hoạt lên hơn … tùy thuộc vào giống vi sinh vật được
nghiên cứu. Với những điều kiện như vậy, hầu hết các giống vi khuẩn kháng PEF là vi khuẩn gây
hại như S. Senftenberg và E. coli O157:H7
2.2 Giới thiệu
Theo thiết kế hiệu ứng của PEF cần đảm bảo độ an toàn và độ ổn định của thực phẩm, và
được yêu cầu xác định các giống kháng lại được PEF trong số những vi sinh vật gây hại nhiễm
vào trong sản phẩm. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều hạn chế thông tin về các giống kháng PEF. Rất ít

phương pháp nghiên cứu có thể thực hiện dưới cùng 1 điều kiện thí nghiệm. Điều kiện môi
trường, phương pháp luận của người thực hiện thí nghiệm, hoặc sẽ ảnh hưởng không tốt đến
những thông tin có hiệu quả.
25