QUÁ TRÌNH THANH TRÙNG, TIỆT TRÙNG

CHƯƠNG 5. QUÁ TRÌNH THANH TRÙNG, TIỆT TRÙNG
THANH TRÙNG (Pasteurization)
-

Là 1 quá trình sử dụng nhiệt nhằm loại trừ các vi sinh vật gây bệnh và các
yếu tố gây hư hỏng thực phẩm nhằm đảm bảo sự an toàn và kéo dài thời
hạn bảo quản cho thực phẩm.

-

Chế biến nhiệt ở điều kiện nhẹ nhàng: 60 – 100°C, với thời gian xử lý nhiệt
khác nhau.

Ví dụ: thanh trùng sữa, nước quả
- Kéo dài thời hạn bảo quản của sản phẩm từ vài ngày tới vài tuần.
- Ít ảnh hưởng tới thành phần dinh dưỡng và tính chất cảm quan của thực
phẩm
1


TIỆT TRÙNG (Sterilization)
-

Là quá trình nhằm tiêu diệt tất cả các loại vi sinh vật (vi khuẩn, nấm
men, nấm mốc), kể cả dạng bào tử của chúng trong thực phẩm

-

Chế biến nhiệt ở nhiệt độ cao: > 100°C, với thời gian xử lý nhiệt
khác nhau

Ví dụ: tiệt trùng các thực phẩm đóng hộp (= thanh trùng đồ hộp)
-

Tiệt trùng thương phẩm (commercial sterilization) hay tiệt trùng
công nghiệp = không nhất thiết phải tiệt trùng tuyệt đối.

-

Sản phẩm sau tiệt trùng có thể để ở điều kiện nhiệt độ thường
trong vài tháng đến vài năm.

2


CHẾ ĐỘ THANH TRÙNG
Hai thông số cơ bản: thời gian thanh trùng & nhiệt độ thanh trùng
Hiệu quả tiêu diệt vi sinh vật phụ thuộc vào sự kết hợp của cả hai thơng số
này.
Các yếu tố chính ảnh hưởng tới nhiệt độ và thời gian thanh trùng:
• Số lượng vi sinh vật
• pH của thực phẩm
• Khả năng chịu nhiệt của vi sinh vật và enzyme có trong thực phẩm
Cơng thức thanh trùng đồ hộp:
𝐴 −𝐵 −𝐶
𝑃
𝑇
Trong đó:
A: thời gian nâng nhiệt (phút)
B: thời gian giữ nhiệt (phút)
C: thời gian hạ nhiệt (phút)

T: nhiệt độ thanh trùng (°C)
P: áp suất đối kháng (atm)

3


Hình 5.1. Đồ thị thanh trùng tổng quát
TM: nhiệt độ của chất tải nhiệt

4


ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN: GIÁ TRỊ D
Trong suốt quá trình chế biến nhiệt, số lượng vi sinh vật có mặt trong thực phẩm (như
E.coli, Salmonella, hay Listeria monocytogenes) sẽ giảm theo mơ hình giống như trong
Hình 5.2.
Vận tốc tiêu diệt vi sinh vật
tuân theo quy luật toán
học áp dụng cho phản ứng
bậc 1:

𝑑𝑁
= −𝑘𝑁
𝑑𝑡

(5.1)
Hình 5.2. Đường cong sống sót của một lượng
vi sinh vật

Trong đó:

N: số lượng vi sinh vật tại 1 thời điểm thanh trùng
t: thời gian (phút)
k : hằng số tốc độ tiêu diệt vi sinh vật
5


ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN: GIÁ TRỊ D
Nếu đường cong sống sót của vi sinh vật được biểu diễn trên hệ tọa độ bán
logarit (trục tung với các giá trị và logarit của số lượng vi sinh vật; trục
hoành vẫn là trục thời gian)  đường thẳng

Hình 5.3. Đường thẳng biểu thị số vi
sinh vật sống sót trên hệ tọa
độ bán logarit

6


ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN: GIÁ TRỊ D
Biến đổi và tích phân phương trình (5.1), ta có:
𝑑𝑁
𝑁

=−

𝑘𝑑𝑡

ln 𝑁 = −𝑘𝑡 + 𝐶
Trong đó:

𝐶 = ln 𝑁0

Với N0 = số lượng vi sinh vật lúc bắt đầu tiệt trùng (t = 0)

ln 𝑁0 − ln 𝑁 = 𝑘𝑡
𝑘𝑡
lg 𝑁0 − lg 𝑁 =
2,303

(5.2)
(5.3)

t : thời gian tiêu diệt vi sinh vật từ số lượng ban đầu N0 xuống còn N
7


ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN: GIÁ TRỊ D
Khi biểu diễn phương trình (5.3) trên trục tọa độ bán logarit, ta có đường thẳng với
hệ số góc là k.
𝑘
2,303

= 𝑡𝑔 𝛼 =

lg 𝑁0 − lg 𝑁
𝑡

A

(5.4)

E

E là điểm sao cho:

lg N0

lg 𝑂𝐴 − lg 𝑂𝐸 = 1

M

C

α

Như vậy:

𝑘
1
𝑡𝑔 𝛼 =
=
2,303
𝐷

D

F

O

(5.5)

B

t
Hình 5.4. Đồ thị biểu diễn số lượng vi sinh
vật sống sót trong thời gian gia
nhiệt tại một nhiệt độ xác định
không đổi
8


ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN: GIÁ TRỊ D
Giá trị D = thời gian cần thiết để tiêu diệt 90% lượng vi sinh vật ban đầu
= thời gian ứng với 1 chu kz logarit trên trục biểu diễn số lượng vi sinh vật = thời
gian để số lượng vi sinh vật giảm xuống 10 lần = thời gian tiêu diệt thập phân.

𝑡
𝐷=
lg 𝑁0 − lg 𝑁

(5.6)

𝑁
= 10−𝑡/𝐷
𝑁0

(5.7)

2,303
𝐷

(5.8)

𝑘=

9


ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN: GIÁ TRỊ D
- Đường cong sống sót của vi sinh vật ở dạng logarit:

>> Số lượng vi sinh vật trong nguyên liệu ban đầu càng lớn, thời gian
cần thiết để tiêu diệt vi sinh vật tới 1 số lượng nhất định càng dài.
>> Về mặt lý thuyết thì việc tiêu diệt tất cả vi sinh vật chỉ có thể đạt
được sau thời gian gia nhiệt vô hạn.
- Khái niệm tiệt trùng thương phẩm: Trong sản phẩm không được tồn
tại các vi sinh vật gây hư hỏng hay tạo ra các độc tố, có thể cịn sống sót
các vi sinh vật khơng có khả năng phát triển và gây hư hỏng thực phẩm
ở điều kiện bảo quản bình thường.

10


Ví dụ tính tốn 1:

Trong 1 thí nghiệm được tiến hành để xác định khả năng chịu nhiệt của các bào tử của
một loài vi sinh vật ở 112°C, thu được các dữ liệu sau:
Thời gian (phút)
0
4

8
12

Số lượng sống sót
106
1,1 ˣ 105
1,2 ˣ 104
1,2 ˣ 103

Hãy xác định giá trị D của loài vi sinh vật này.

11


ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ: GIÁ TRỊ Z
Ảnh hưởng của nhiệt độ tới hằng số tốc độ trong động học hóa học được biểu diễn
bằng phương trình Arrhenius:

𝑘=𝐵𝑒

𝐸
−(𝑅 𝑎
)
𝑔 𝑇𝐴

(5.9)

Hoặc:

𝐸𝐴

ln 𝑘 = ln 𝐵 −
𝑅𝑔 𝑇𝐴

(5.10)

Trong đó:
k : hằng số tốc độ (s-1)
B: hằng số Arrhennius (s-1)
Ea : hằng số năng lượng hoạt hóa (J/mol)
T : nhiệt đơ (K)
Rg : hằng số khí = = 8,314 (m3 Pa/[mol K])

12


ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ: GIÁ TRỊ Z
Phương trình (5.10) được biểu diễn
trên đồ thị với trục tung là ln k, trục
hồnh là 1/TA , khi đó độ dốc của
đường thẳng là Ea/Rg (Hình 5.5).

Hằng số chịu nhiệt z : mơ tả ảnh
hưởng của nhiệt độ tới thời gian
D.

Hình 5.5. Đồ thị Arrhenius của hằng số tốc độ (k)
với nghịch đảo của nhiệt độ tuyệt đối

Hằng số chịu nhiệt z = sự tăng
nhiệt độ cần thiết để làm giảm

90% giá trị D

Hình 5.6. Đồ thị logarit của giá trị D theo nhiêt độ, dùng để
13
xác định hằng số chịu nhiêt z


ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ: GIÁ TRỊ Z
Theo định nghĩa, hằng số z được xác định như sau:

𝑇2 − 𝑇1
𝑧=
lg 𝐷𝑇1 − lg 𝐷𝑇2

(5.11)

So sánh hai phương trình (5.10) và (5.11), ta có:

2,303 𝑅𝑔
𝐸𝑎 =
𝑇𝐴1 × 𝑇𝐴2
𝑧

(5.12)

14


Ví dụ tính tốn 2:
Giá trị D để tiêu diệt một loại bào tử được xác định tại các nhiệt độ khác nhau như

trong bảng sau:
Nhiệt độ (°C)
104
107
110
113
116

D (phút)
27,5
14,5
7,5
4,0
2,2

Hãy xác định hằng số chịu nhiệt z của loại bào tử này.

15


THỜI GIAN CHẾT DO NHIỆT F
Thời gian chết do nhiệt F = tổng thời gian cần thiết để thực hiện sự tiêu diệt làm
giảm số lượng vi sinh vật (cả ở ở dạng tế bào sinh dưỡng và dạng bào tử).

Giá trị này được biểu diễn theo tích số của giá trị D.
Ví dụ:
Sự giảm 99,99% số lượng vi sinh vật tương đương với sự giảm 4 lần chu kz logarit
>> F = 4D.
Thời gian chết do nhiệt điển hình thường gặp trong chế biến thực phẩm là F = 12D,
với giá trị D của loài Clostridium botulinum.

F thường được biểu diễn như sau: FzT
z: hằng số chịu nhiệt
T: nhiệt độ xử lý nhiệt

Trong chế biến thực phẩm, thường gặp giá trị F0 = F10121
= thời gian chết do nhiệt tại 121°C đối với vi sinh vật có hằng số chịu nhiệt z = 10
16


THỜI GIAN CHẾT DO NHIỆT F
Dựa vào mối quan hệ giữa F và D, phương trình (5.11) được biến đổi thành:

𝐹𝑅
(𝑇 − 𝑇𝑅 )
lg
=
𝐹
𝑧

(5.13)

Hoặc:

𝐹𝑅
= 10(𝑇 − 𝑇𝑅 )/𝑧
𝐹

(5.14)

Trong đó:

F : thời gian chết do nhiệt tại nhiệt độ T bất kz
FR : thời gian chết do nhiệt tại nhiệt độ tham chiếuTR , đã biết

Phương trình (5.14): tỷ lệ của thời gian chết do nhiệt tại nhiệt độ T trên thời
gian chết do nhiệt tại nhiệt độ tham chiếu TR
= tốc độ gây chết (lethal rate, LR)
Xem Hình 5.7.
17


THỜI GIAN CHẾT DO NHIỆT F
Diện tích phía dưới đường cong tốc
độ gây chết được gọi là thời gian
gây chết (L):

𝐿=

10(𝑇 − 𝑇𝑅 )/𝑧 𝑑𝑡
(5.15)

Thời gian gây chết = sự ảnh
hưởng kết hợp của thời gian và
nhiệt độ lên số lượng vi sinh vật.

Hình 5.7. Biểu đồ quan hệ giữa tốc độ gây chết (LR)
với thời gian chế biến nhiệt

Thông thường, L được coi như F: ảnh hưởng của
quá trình chế biến nhiệt với 1 profile nhiệt độ và
thời gian xác định.

18


KHẢ NĂNG HƯ HỎNG (Spoilage probability)
Khả năng hư hỏng được dùng để ước tính số đồ hộp hư hỏng trong tổng số đồ hộp
trong 1 mẻ sản phẩm
Từ phương trình (5.6), ta có:

𝑡
lg 𝑁0 − lg 𝑁 =
𝐷
Nếu N = số lượng vi sinh vật cuối cùng sau thời gian chết do nhiệt F:

𝐹
lg 𝑁0 − lg 𝑁 =
𝐷

(5.16)

Gọi r là số lượng hộp được đem xử lý nhiệt:

𝐹
lg 𝑟𝑁0 − lg 𝑟𝑁 =
𝐷

(5.17)

19

KHẢ NĂNG HƯ HỎNG (Spoilage probability)
Do mục đích của quá trình là khả năng chỉ có 1 vi sinh vật sống sót trong tất cả các đồ hộp:

𝐹
=
𝐷

(5.18)

𝑟𝑁0 = 10𝐹/𝐷

(5.19)

1
𝑁0
=
𝑟
10𝐹/𝐷

(5.20)

lg 𝑟𝑁0

Phương trình (5.20) :
1/r : 1 hộp bị hư hỏng trong tổng số r hộp
Có thể được sử dụng để tính thời gian chết do nhiệt F.

20

Ví dụ tính tốn 3:

Hãy ước tính khả năng hư hỏng của một quá trình chế biến 50 phút ở nhiệt độ
113°C biết D113 = 4 phút và lượng vi sinh vật ban đầu là 104/ hộp.

Ví dụ tính tốn 4:
Một quá trình chế biến nhiệt được thực hiện bằng cách nâng nhiệt tức thì lên
138°C, sau đó giữ nhiệt trong 4 giây và làm mát tức thì. Hãy ước tính thời gian
gây chết ở 121°C biết hằng số chịu nhiệt z của vi sinh vật là 8,5°C.

21


Ví dụ tính tốn 5:
Nhiệt độ tại khu vực tăng nhiệt chậm nhất của 1 thực phẩm lỏng trong đồ hộp đo
được như sau:
Thời gian
(phút)
0
1
2
3
4
5
6

Nhiệt độ (°C)
75
105
125

140
135
120
100

Quá trình xử lý nhiệt này được áp dụng cho vi sinh vật có giá trị D121 = 1,1 phút và z =
11°C. Hãy tính thời gian gây chết F121 cho q trình chế biến nhiệt này.

22


THIẾT BỊ
HỆ THỐNG TIỆT TRÙNG
Hệ thống tiệt trùng gián đoạn:

Hình 5.8. Hệ thống tiệt trùng gián đoạn
23


THIẾT BỊ
HỆ THỐNG TIỆT TRÙNG
Hệ thống tiệt trùng gián đoạn:

Hình 5.9. Hình ảnh thực tế của 1 thiết bị tiệt trùng gián đoạn
24


THIẾT BỊ
HỆ THỐNG TIỆT TRÙNG
Hệ thống tiệt trùng gián đoạn:

Gồm 2 loại: + Loại thẳng đứng
+ Loại nằm ngang

Loại nằm ngang:
+ Thân hình trụ đặt nằm ngang; đáy và nắp hình chỏm cầu
+ Nắp có các chốt ghép chặt với thân thiết bị
+ Bên trong thân thiết bị có các đường ray để đẩy các xe đựng
đồ hộp
+ Có các đường ống dẫn hơi nóng, nước nóng; ống xả nước
ngưng và các van …

25