Plasma lạnh - công nghệ tiên tiến, tối ưu và hiệu quả trong bảo quản trái cây, rau củ và thực phẩm

Hoàng Trọng Sang

Lãng phí thực phẩm là một vấn đề lớn mà toàn thế giới đang phải đối mặt. Với nhiều ưu điểm vượt trội, plasma lạnh có thể là công nghệ đa năng với tiềm năng lớn, hiệu quả trong bảo quản trái cây, rau củ và thực phẩm.

Lãng phí thực phẩm là một vấn đề lớn trên toàn thế giới do thiếu các biện pháp canh tác và chế biến sau thu hoạch. Sản lượng và tăng trưởng cao hơn cùng với việc thiếu các biện pháp xử lý dẫn đến thất thoát lương thực rất lớn. Trong đó vi khuẩn và mầm bệnh là hạn chế chính gây ra hư hỏng thực phẩm tại các thời điểm thay đổi từ nông trại đến bàn ăn. Mối quan tâm ngày càng tăng đối với an toàn thực phẩm của người tiêu dùng, khiến các ngành công nghiệp thực phẩm và các cơ quan quản lý tập trung nhiều hơn vào các yếu tố chất lượng thực phẩm là nguyên nhân gây ra hư hỏng [1-10]. 

plasma-lanh-cong-nghe-tien-tien-toi-uu-va-hieu-qua-trong-bao-quan-trai-cay-rau-cu-va-thuc-pham-01-1655437981.jpg
Một số loại trái cây phổ biến
plasma-lanh-cong-nghe-tien-tien-toi-uu-va-hieu-qua-trong-bao-quan-trai-cay-rau-cu-va-thuc-pham-02-horz-1655438235.jpg
Nước trái cây và thực phẩm được sử dụng thường xuyên trong cuộc sống hiện đại

Tình trạng kỹ thuật xử lý thực phẩm và nông sản phẩm hiện nay

Như đã biết, thực phẩm và nông sản phẩm dễ bị ô nhiễm vi khuẩn trong khâu sinh trưởng và chế biến, cuối cùng dẫn đến hư hỏng, giảm giá trị thực phẩm. Việc lưu trữ và bảo quản các loại trái cây và rau quả hiện nay, chủ yếu là sử dụng các phương pháp như đông lạnh, điều hòa không khí, các chất khử trùng hóa học.

Các phương pháp bảo quản khí quyển đông lạnh, điều hòa không khí cần đầu tư lớn, nhiều thiết bị điện và thiết bị thử nghiệm đồng bộ, khó có thể ức chế sự sinh triển của nấm mốc và loại bỏ những thiếu sót của tác nhân còn sót lại, đồng thời gây mất nước cho rau quả và không đạt mục đích bảo quản.

Chất khử trùng hóa học chủ yếu được phun và hun trùng các chất khử trùng hóa học như formaldehyd, sulfite và natri hypochlorite, và có dư lượng thuốc tương đối nghiêm trọng và vấn đề ô nhiễm môi trường.

Trong hai thập kỷ gần đây, công nghệ chế biến không nhiệt đã nhận được sự quan tâm rộng rãi của ngành công nghiệp thực phẩm quan tâm đến các quá trình nhẹ và hiệu quả. Những công nghệ thay thế này có thể làm tăng chức năng và thời hạn sử dụng, giảm tác động tiêu cực đến chất dinh dưỡng và hương vị tự nhiên của thực phẩm. Một số phương pháp không nhiệt thành công nhất là xử lý bằng áp suất cao (HPP), chiếu xạ gamma và gần đây nhất là plasma lạnh (CP). [2, 8]

Phương pháp bảo quản bằng chiếu xạ, đầu tư tương đối lớn, phải xử lý tập trung tại nơi có thiết bị (Hà Nội, Đà Nẵng, TP.HCM), đòi hỏi chi phí vận chuyển cao, công nghệ bức xạ không dễ kiểm soát chặt chẽ, không dễ quảng bá, một khi liều quá mức sẽ gây ô nhiễm phóng xạ ở mức độ nhất định, gây nguy hại cho cơ thể con người, nên ứng dụng của nó bị hạn chế.

Phương pháp bảo quản bằng áp suất cao (HPP) là một kỹ thuật quá trình mới nổi giúp thực phẩm an toàn hơn và kéo dài thời hạn sử dụng. Đây là một kỹ thuật thanh trùng và bảo quản không nhiệt gây ra ít hoặc không làm thay đổi các thuộc tính cảm quan và dinh dưỡng của sản phẩm được chế biến. Chế biến áp suất cao (HPP) sử dụng 100 MPa đến > 1.000 MPa trong thời gian ngắn và đã được chứng minh là tăng cường an toàn và kéo dài thời hạn sử dụng, không chứa các chất phụ gia có ảnh hưởng tối thiểu đến các đặc tính cảm quan, vật lý và dinh dưỡng của thực phẩm và giảm thiểu vi sinh vật đến mức an toàn. HPP có một số nhược điểm là vốn đầu tư tương đối lớn; đối với enzyme thực phẩm và bào tử vi khuẩn rất kháng với áp lực và đòi hỏi áp lực rất cao cho sự bất hoạt của chúng; hoạt tính enzyme còn lại và oxy hòa tan dẫn đến suy thoái enzyme và oxy hóa của một số thành phần thực phẩm; hầu hết các thực phẩm xử lý áp lực cần lưu trữ và phân phối ở nhiệt độ thấp để duy trì chất lượng cảm giác và dinh dưỡng của chúng; thực phẩm nên có nước tự do (free water) khoảng 40% cho tác dụng chống vi khuẩn. [3]

Trên thế giới, cho đến nay (2022) các kết quả nghiên cứu đạt được về áp dung plasma lạnh trong xử lý bảo quản trái cây và thực phẩm mới chỉ đạt được trong phòng thí nghiệm, trong thị trường thương mại hóa sản phẩm chưa xuất hiện thiết bị plasma lạnh ở quy mô công nghiệp.

Thiết bị plasma lạnh nguyên mẫu ở quy mô công nghiệp để xử lý bảo quản trái cây và thực phẩm do VinIT tạo ra năm 2020 là xuất phát từ kết quả chiến dịch nghiên cứu và chế tạo thành công buồng khử khuẩn, diệt Covid-19 bằng plasma lạnh vào tháng 4/2020, mà bản chất của phát mình này là VinIT đã tạo ra được môi trường khí ion plasma có hoạt tính cao, mật độ các loài khí phản ứng đậm đặc, đặc biệt là (ROS, RNS), cho phép có thể khử khuẩn, khử trùng, diệt các loại virut trong đó có Covid-19, ở diện rộng, thể tích lớn hàng mét khối, trong khi ở các nước công nghiệp phát triển hàng đầu như Mỹ, Đức vẫn đang ở trong giai đoạn phòng thí nghiệm (diện tích, thể tích xử lý ở quy mô hàng chục cm3).

Plasma lạnh - công cụ mới xử lý bảo quản thực phẩm

Với việc nâng cao mức sống của người dân, mọi người ngày càng chú ý đến an toàn thực phẩm và chất lượng thực phẩm, để đáp ứng yêu cầu của mọi người về an toàn và chất lượng thực phẩm, do đó cần phải phát triển thêm nhiều công nghệ chế biến thực phẩm để giải quyết các vấn đề không thể giải quyết bằng các công nghệ chế biến truyền thống hiện nay. Do đó, các nước đều quan tâm đến việc tìm kiếm giải pháp sử dụng nhiều kỹ thuật bảo quản không dùng nhiệt thay cho kỹ thuật bảo quản thực phẩm bằng nhiệt. Công nghệ plasma lạnh (CP) là một phương pháp xử lý chế biến thực phẩm không nhiệt mới nổi có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực thực phẩm, đặc biệt là khử nhiễm thực phẩm.

Plasma lạnh (plasma không nhiệt) là một loại khí được ion hóa một phần được tạo ra bằng cách cung cấp đủ năng lượng (nhiệt, điện từ hoặc điện trường, tần số vi sóng MW và vô tuyến RF) cho một khí trung tính ở áp suất khí quyển hoặc khi năng lượng được cung cấp, các electron tự do có trong chất khí tự nhiên nhận năng lượng nhanh hơn các ion. Các electron được gia tốc sau đó truyền năng lượng cho các phân tử khí nặng hơn thông qua các va chạm đàn hồi và không đàn hồi. Kết quả của những va chạm này, khí trải qua một số giai đoạn phản ứng - ion hóa, kích thích và phân ly để tạo ra một số loài phản ứng (loài oxy phản ứng ROS và loài nitơ phản ứng RNS), các điện tử, ion mới và các gốc tự do. [7-10]

Nhiệt độ electron trong plasma lạnh tương đối cao (1-10 eV), trong khi năng lượng tịnh tiến của các hạt nặng (phân tử, ion) gần bằng nhiệt độ phòng. Đó là bởi vì các electron có khối lượng nhẹ hơn các hạt nặng. Do đó, các electron đạt tới động năng cao hơn (nhiệt độ) nhanh hơn các hạt nặng. Do đó, plasma lạnh được đặc trưng là ở trạng thái không cân bằng nhiệt động lực học cục bộ vì sự khác biệt về nhiệt độ giữa các electron và các hạt nặng.

Phương pháp tạo plasma lạnh

Trong xử lý thực phẩm thường sử dụng các phương pháp phóng điện tạo ra plasma lạnh khí quyển (CAP) như sau: phóng điện rào cản điện môi DBD, phóng điện tia plasma (PJ), phóng điện corona (CD) và phóng điện hồ quang trượt (GAD) thường được sử dụng vì nó đòi hỏi các điều kiện nhẹ nhàng hơn để vận hành xử lý. [9]

Phóng điện rào cản điện môi (DBD)

Phương pháp này sử dụng hai điện cực kim loại phẳng được phủ bằng vật liệu điện môi. Khí trung tính hoặc bất kỳ hỗn hợp khí cao nào di chuyển giữa hai điện cực trong một buồng đích kín và được ion hóa để tạo ra các sản phẩm plasma như được chỉ ra trong Hình (a). Một điện cực được nối với mạch điện cao thế và điện cực kia được nối đất. Công suất tiêu thụ trong khoảng từ 10 đến 100 W được sử dụng cho hoạt động của nó.

Phóng điện tia plasma (JD)

Thiết bị tia plasma được tạo thành từ hai điện cực đồng tâm. Điện cực bên ngoài được nối đất và điện cực bên trong được kết nối với nguồn năng lượng bên ngoài như nguồn tần số vô tuyến và tạo ra năng lượng RF (Radiofrequency). Do đó, tương tác với khí làm việc trong buồng đích gây ra ion hóa và thoát ra ngoài qua vòi phun và tạo ra hình dạng 'giống như tia' như trong Hình (b).

Phóng điện hồ quang trượt (GAD)

Phóng điện hồ quang trượt theo hiện tượng tuần hoàn tạo ra dạng plasma dao động tự động giữa hai điện cực chìm trong dòng chảy tầng hoặc dòng chảy hỗn loạn. Phóng điện plasma bắt đầu từ đầu hẹp (được gọi là giai đoạn cân bằng), nơi các điện cực kết nối có cực tính đối diện được kết nối với nhau và nó phát triển giữa các chiều dài của liên điện cực như trong Hình (c). Giai đoạn không cân bằng bắt đầu khi hồ quang vượt quá giá trị tới hạn của nó.

Phóng điện corona (CD)

Trong quá trình này, plasma được tạo ra bởi cường độ điện trường không đồng nhất dưới áp suất khí quyển. Phóng điện corona xuất hiện gần các điểm sắc nét và dọc theo các dây mỏng và nó được biểu diễn trong Hình (d) dưới đây. Trong điện trường không đồng đều cao, các chất khí vượt quá cường độ đánh thủng của nó và tạo ra plasma ion hóa yếu với một số độ sáng. Phóng điện corona phù hợp nhất cho các ứng dụng khử trùng thực phẩm.

plasma-lanh-cong-nghe-tien-tien-toi-uu-va-hieu-qua-trong-bao-quan-trai-cay-rau-cu-va-thuc-pham-04-1655437983.png
Các phương pháp phóng điện plasma a) Phóng điện điện môi; b) Phóng điện tia plasma; c) Phóng điện hồ quang trượt; d) Phóng điện corona.

Thành phần của plasma lạnh (CP)

Plasma có thể được mô tả như một loại khí ion hóa có chứa các loài oxy phản ứng (ROS: O, O2, ozone (O3) và OH), các loài nitơ phản ứng (RNS: NO, NO2 và NOx), bức xạ tia cực tím (UV), các gốc tự do, và các hạt mang điện.

Các loài oxy phản ứng (ROS) Các loài nitơ phản ứng (RNS)

Gốc hydroxyl (OH*)
Ion peoxit (O2*)
Ôxy đơn (1O2)
Ôxy nguyên tử (O)
Gốc hydroperoxyl (HO2*)
Hydro peroxit (H2O2)
Ôzôn (O3)
Hydronium (H3O+)
Gốc hữu cơ (RO, ROO*) (OH*)

NOx (NO*, NO2*, N2O, N2O5)
Peroxynitrite (ONOO, ROONO)
Nitơ kích thích (N2*(A))
Nitơ nguyên tử (N)
Axit nitric (HNO3)

Trong một bộ phản ứng hóa học tạo plasma được thiết lập cho hỗn hợp argon/không khí ẩm được phát triển, đã phát hiện trong plasma đã tạo ra 84 loài phản ứng khác nhau bao gồm các loài hoạt động y sinh (ROS và RNS), và 1880 phản ứng. [4, 7]

Nguyên lý và cơ chế khử nhiễm nông sản, thực phẩm

Khi các chất gây ô nhiễm trên bề mặt thực phẩm tiếp xúc với các loài phản ứng tạo ra bởi plasma sẽ có sự tích tụ lực tĩnh điện tại nơi có dòng năng lượng cao. Dòng năng lượng tiếp tục gây ra hành động bắn phá gốc và do đó xảy ra quá trình ly giải tế bào. Tác động bắn phá tận gốc gây ra các tổn thương trên bề mặt khiến tế bào vi sinh vật bất lực trong việc sửa chữa nhanh chóng dẫn đến phá hủy tế bào. Hiện tượng này được gọi là "sự ăn mòn bằng plasma". Sự ăn mòn bằng plasma gây ra sự biến tính DNA và các liên kết hóa học, do đó tạo ra tác dụng kháng khuẩn trên tế bào. [8]

Cơ chế các loài phản ứng bất hoạt, tiêu diệt mầm bệnh, vi khuẩn như sau:

-    Protein & enzyme: Biến tính protein, oxy hóa axit amin, bất hoạt enzym;

-    Axit nucleic: Làm hỏng DNA và RNA, giảm sự sao chép của tế bào;

-    Lipid & axit béo: Pereoxit hóa lipid màng thông qua sản xuất anion superpxide và hydrogen pereoxide;

-    Thành tế bào: Phá vỡ các liên kết hóa học, xói mòn do các radical bắn phá;

-    Màng tế bào: Làm tổn thương và tạo lỗ thủng ở màng (ăn mòn), khuyếch tán các loài phản ứng và do đó làm tổn thương cục bộ.

plasma-lanh-cong-nghe-tien-tien-toi-uu-va-hieu-qua-trong-bao-quan-trai-cay-rau-cu-va-thuc-pham-05-1655437982.jpg
Cơ chế các loài phản ứng phá hủy protein & enzym, nucleic acids, thành tế bào, màng tế bào vi sinh vật

Công nghệ khử trùng và bảo quản bằng plasma lạnh (CP) là công nghệ chế biến mới cho thực phẩm và nông sản phẩm. Các electron năng lượng cao bị kích thích bởi plasma va chạm với các phân tử khí để tạo ra nhiều loài hạt hoạt tính, có hiệu quả rõ ràng trong việc bảo quản trái cây và rau quả và làm giảm ngộ độc của dư lượng thuốc trừ sâu. Biểu hiện nổi bật của nó là: có thể loại bỏ các chất chuyển hóa khác có hại cho việc lưu trữ và bảo quản trái cây và rau quả như ethylene, ethanol, gây ra sự co ngót của trái cây và rau quả, làm giảm cường độ hô hấp của trái cây và rau quả, tăng thời gian lưu trữ; có tác dụng phòng trừ tương đối mạnh đối với các bệnh nấm và vi khuẩn, cũng có tác dụng ức chế và tiêu diệt nhất định đối với virus; làm giảm độc tính của dư lượng thuốc trừ sâu. Quan trọng nhất là trong quá trình bảo quản và khử trùng bằng plasma, không có chất gây ô nhiễm nào được đưa vào, và các loại trái cây, rau quả và thực phẩm sau xử lý là sản phẩm hoàn toàn xanh.

plasma-lanh-cong-nghe-tien-tien-toi-uu-va-hieu-qua-trong-bao-quan-trai-cay-rau-cu-va-thuc-pham-06-1655437982.jpg
Cơ chế khử khuẩn, bất hoạt vi sinh vật trong trái cây, thực phẩm

Công nghệ khử trùng và bảo quản bằng plasma nhiệt độ thấp là một công nghệ chế biến mới cho thực phẩm và nông sản. Các electron năng lượng cao bị kích thích bởi plasma nhiệt độ thấp va chạm với các phân tử khí để tạo ra nhiều loại hạt hoạt động, có tác dụng rõ ràng trong việc khử trùng, tiêu diệt mầm bệnh, bảo quản trái cây và rau quả và làm suy giảm dư lượng thuốc trừ sâu.

Ứng dụng plasma lạnh (CP) trong xử lý thực phẩm

Công nghệ CP đã được sử dụng trong nhiều ngành sản xuất, chẳng hạn như thiết bị y tế, dệt may, ô tô, hàng không vũ trụ, điện tử và vật liệu bao bì. Gần đây, CP đã được đưa vào ngành công nghiệp thực phẩm để giảm số lượng vi sinh vật, phân hủy độc tố nấm, bất hoạt vi khuẩn, tăng nồng độ các hợp chất hoạt tính sinh học, tăng cường hoạt tính chống oxy hóa, và giảm dư lượng thuốc trừ sâu và các chất gây dị ứng trong các sản phẩm thực phẩm.

Plasma lạnh có thể là phương pháp khả thi cho các ứng dụng trong thực phẩm để bất hoạt vi sinh vật để giữ cho thực phẩm an toàn trong suốt thời hạn sử dụng. Nhu cầu về sản phẩm tươi sống ngày càng tăng nhanh khiến các ngành công nghiệp thực phẩm phải cung cấp thực phẩm chế biến tối thiểu một cách an toàn cho người tiêu dùng. Do đó, kỹ thuật plasma lạnh có thể là một kỹ thuật đầy hứa hẹn để bảo quản thực phẩm bằng cách tiêu diệt vi sinh vật mà không ảnh hưởng đến chất lượng của nó. [8]

plasma-lanh-cong-nghe-tien-tien-toi-uu-va-hieu-qua-trong-bao-quan-trai-cay-rau-cu-va-thuc-pham-07-1655437983.jpg
Tác động của plasma lạnh đến các loại thực phẩm

Trái cây và rau củ:

- Giảm hợp chất không có hương vị
- Tăng vitamin, hàm lượng flavonoid, polyphenol
- Ức chế vi sinh vật, bất hoạt enzym
- Phân hủy các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi
- Làm suy giảm các hợp chất có hoạt tính sinh học, thuốc trừ sâu         

Hạt và ngũ cốc:

- Cải thiện tính chất lưu biến của bột nhào 
- Thay đổi cấu trúc protein
- Thay đổi hàm lượng glucose phụ thuộc vào matrix thực phẩm
- Giảm tính chất gây dị ứng

Sản phẩm sữa:

- Thay đổi cấu trúc axit béo tự do
- Tăng tổng aldehyde
- Biến đổi cấu trúc protein
- Cải thiện tính chất chức năng
- Giảm tính chất sủi bọt và nhũ hóa
- Tăng độ ổn định sủi bọt    

Đồ uống:

- Có thể tăng pH và độ nhớt
- Giữ lại vitamin C
- Thay đổi đặc tính vật lý, đường cong nóng chảy và vi cấu trúc
- Giảm tải vi khuẩn của nước dừa non    

Thịt và sản phẩm liên quan:

- Khử vi khuẩn
- Tạo và bổ sung nitrit từ oxyt nitơ
- Tăng sắc tố nitroso-heme và nitrit dư
- Thay đổi cấu trúc phù hợp & tách liên kết peptit 
- Giảm độ hòa tan protein

Lĩnh vực xử lý trái cây và rau quả (F&V)

Xử lý plasma lạnh được cho là một kỹ thuật khéo léo (ingenious) vì nó thay thế clo và nước để khử nhiễm một số loại trái cây và rau quả. Các phương pháp xử lý plasma lạnh trên trái cây và các sản phẩm rau quả bao gồm quả mọng, anh đào, táo, dưa, kiwi, v.v. đã được nghiên cứu. Các kết quả công bố rằng phương pháp xử lý bằng CP trên bề mặt F&V làm thay đổi độ pH và độ axit của thực phẩm.

plasma-lanh-cong-nghe-tien-tien-toi-uu-va-hieu-qua-trong-bao-quan-trai-cay-rau-cu-va-thuc-pham-08-1655437983.png
Thiết bị plasma lạnh đầu tiên trên thế giới (quy mô công nghiệp) cho xử lý, bảo quản trái cây và thực phẩm của VinIT

Sự thay đổi này xảy ra khi các loài plasma hoạt động phản ứng với độ ẩm trên bề mặt. Người ta cũng nhận thấy rằng sản phẩm đã qua xử lý cho thấy những thay đổi nhỏ về kết cấu (độ cứng) và màu sắc trong thời gian bảo quản. Các nghiên cứu đã được điều nghiên trên sản phẩm tươi và cắt lát nhỏ và quả mọng màu xanh và kết quả chứng minh rằng phương pháp xử lý bằng CP trên F&V có hiệu quả chống lại vi khuẩn hiếu khí.

Các công trình tương tự trên bề mặt táo, dưa và xoài cho thấy số lượng vi khuẩn salmonella và E. coli giảm đáng kể sau khi xử lý bằng plasma. Do đó, việc khử nhiễm vi sinh vật bằng cách sử dụng plasma lạnh trên trái cây và rau quả được cho là có kết quả tích cực với một số tác động tiêu cực trong thời gian bảo quản.

Lĩnh vực xử lý thịt và trứng

Trong lĩnh vực thịt, áp dụng CP đã được báo cáo về chất lượng thịt bò, thịt lợn và thịt gà, khả năng khử nhiễm vi sinh vật và kéo dài thời hạn sử dụng. Kết quả chỉ ra rằng các loài plasma lạnh có hiệu quả chống lại E. coli, các loài salmonella, L.monocytogenes, các loài nấm men và nấm mốc trên bề mặt thịt. CP làm giảm sự cố định của nước trong mạng lưới sợi tơ protein và thay đổi đặc tính chức năng của thịt đóng gói.

Ứng dụng công nghệ CP được phát hiện có tác dụng tích cực trong việc khử nhiễm bề mặt của màng vỏ trứng đối với S. enteritidis và vi sinh vật S. typhimurium. Các tia plasma trong khí quyển đã được kiểm tra trên bề mặt của thịt gà và giăm bông cắt lát. Kết quả cho thấy log giảm đáng kể là 6,52 khi xử lý với loại hỗn hợp nitơ và oxy. Do đó, CP giúp đạt được chất lượng sản phẩm thịt tốt hơn trên thị trường.

Lĩnh vực xử lý sữa

Các báo cáo cho thấy plasma lạnh đã được thử nghiệm trên các sản phẩm sữa khác nhau bao gồm sữa nguyên, sữa tách béo, sữa tiệt trùng (nhiệt độ cực cao) và pho mát cắt lát. Kết quả của nghiên cứu dự báo rằng plasma lạnh có thể là một kỹ thuật xử lý sữa thay thế vì nó ít có khả năng ảnh hưởng đến màu sắc, độ pH, hương vị và giá trị dinh dưỡng của các sản phẩm sữa. Nó cũng bất hoạt vi sinh vật gây ô nhiễm và enzym phosphatase kiềm trong vài giây.

Nghiên cứu được thực hiện bằng cách sử dụng plasma DBD để khử trùng sữa ở điện áp 3 kV trong 3 phút ở tần số 500 Hz, kết quả cho thấy plasma rất hiệu quả để tiêu diệt hoàn toàn vi khuẩn có trong sữa tươi nguyên liệu. Trong trường hợp pho mát cắt lát giảm hơn 8 log đã được quan sát. Do đó, ứng dụng plasma trên sữa và các sản phẩm từ sữa có thể là một kỹ thuật hiệu quả trong việc nâng cao thời hạn sử dụng và giữ chất lượng của chúng.

Lĩnh vực xử lý nước trái cây

Ứng dụng của plasma lạnh trong ngành công nghiệp thực phẩm đã cho thấy tiềm năng đầy hứa hẹn. Bản chất không nhiệt của plasma lạnh mang lại cơ hội duy nhất để xử lý các sản phẩm nhạy cảm với nhiệt. Nước ép trái cây là một trong những sản phẩm nhạy cảm với nhiệt, mất đi giá trị thẩm mỹ, chức năng và dinh dưỡng sau quá trình xử lý nhiệt.

Tóm tắt về quá trình xử lý nước trái cây bằng plasma lạnh đã báo cáo mức giảm hơn 5 log/mL của Staphylococcus aureus, Candida albicans và Escherichia coli trong nước cam mới vắt sau khi xử lý bằng plasma trong 12, 8 và 25 giây tương ứng. [9]

Các tác động này được cho là do tác động bất lợi của sự tương tác giữa các loài khí phản ứng với cấu trúc tế bào vi sinh vật. Chất lượng của nước ép trái cây cũng được đánh giá sau khi xử lý bằng plasma lạnh bởi các nhà nghiên cứu khác nhau. Không có thay đổi đáng kể nào (P> 0,05) được quan sát thấy đối với màu sắc, độ pH, hoạt tính chống oxy hóa và hàm lượng phenolic sau khi xử lý bằng plasma lạnh của nước cam.

Đã quan sát thấy sự gia tăng độ ổn định của anthocyanin sau khi xử lý bằng plasma trong nước ép quả lựu trong khi thời gian xử lý lâu hơn được phát hiện là có hại cho anthocyanin trong nước ép anh đào chua. Điều này làm tăng cơ hội xác định các thông số quá trình tối ưu để duy trì chất lượng của các loại nước trái cây khác nhau sau quá trình xử lý bằng plasma.

Lĩnh vực xử lý ngũ cốc

Các loại ngũ cốc và cây họ đậu đã được khảo sát về Aspergillus spp. và Penicillum spp. trước và sau khi xử lý bằng các sản phẩm plasma cho thấy log giảm đáng kể sau khi tiếp xúc trong 15 phút. Tùy thuộc vào phương pháp tạo, thời gian xử lý và loại tinh bột có trong hạt thực phẩm, các loài plasma lạnh có thể làm thay đổi tính chất của tinh bột. Các loài phản ứng plasma lạnh tác động lên các loại hạt thực phẩm và gây ra biến tính bề mặt, suy thoái phân tử/ăn mòn hoặc ăn mòn hạt.

Ứng dụng của plasma lạnh đã được nghiên cứu hiệu quả trên các loại tinh bột ngũ cốc thực phẩm khác nhau như tinh bột chuối, tinh bột gạo, zein, phân lập protein từ hạt đậu, gạo lứt và gạo Basmati để cải thiện các đặc tính chức năng của nó bằng cách biến tính bề mặt và phân tử của tinh bột. CP giúp cải thiện khả năng trương nở, giảm nhiệt độ nấu, độ nhớt dính, khả năng hòa tan trong nước và khả năng giữ nước của hạt thực phẩm. Khi plasma lạnh chứa oxy được sử dụng cho thực phẩm giàu chất béo, nó có thể gây ra quá trình oxy hóa lipid và làm giảm khả năng chấp nhận.

Plasma khi xử lý trên tinh bột chuối ở các điện áp khác nhau (30 kV, 40 kV, 50 kV) trong khoảng thời gian 3 phút, cho thấy không có bất kỳ sự thay đổi nào về mức độ tinh bột kháng và hàm lượng amyloza nhưng làm tăng độ kết tinh và nhiệt độ hồ hóa tương đối. Do đó, người ta kết luận rằng plasma có thể là một công cụ thích hợp để biến đổi các đặc tính của tinh bột chuối và các loại tinh bột khác.

Plasma không nhiệt được sử dụng để khử nhiễm các hạt ngô, việc giảm log đáng kể đã được tìm thấy và thiết lập tốt. Số lượng vi khuẩn Bacillus cereus, Bacillus subtilis và E. Coli được thử nghiệm trên gạo lứt bằng plasma. Hoạt động chống oxy hóa cao được quan sát thấy trên gạo lứt khi được xử lý bằng plasma và điều đó có thể làm tăng giá trị dinh dưỡng của người tiêu dùng.

Lĩnh vực xử lý bao bì thực phẩm

Ban đầu, công nghệ plasma lạnh được sử dụng để cải thiện khả năng sửa đổi bề mặt và khả năng in cho vật liệu đóng gói. Hiện nay, các phương pháp xử lý bằng CP được sử dụng cho bao bì thực phẩm và các phương pháp xử lý màng sinh học để tăng cường các đặc tính kháng khuẩn và cơ học của nó. Nó được chứng minh rằng khi các sản phẩm plasma tác động lên các gói thực phẩm, nó gây ra kích hoạt/bổ sung nhóm chức bề mặt hoặc sản xuất năng lượng bề mặt để tạo ra tác động tích cực đến các tính chất bao bì khác nhau bao gồm làm bóng (glazing), khả năng bịt kín, tính chất ngăn ẩm/khí, v.v. Nó được coi là công nghệ đáng tin cậy và hiệu quả về chi phí.
Gần đây plasma lạnh đã được sử dụng để xử lý bao bì để tránh ô nhiễm sau bao gói. Kết luận rằng xử lý trong bao bì sẽ là một phương pháp khả thi cho sản xuất quy mô công nghiệp. Xử lý bằng plasma lạnh gián tiếp trên thịt RTE (ăn liền) bên trong túi PE (Polyethylene) đã được nghiên cứu và cho biết rằng plasma làm giảm số lượng Listeria innocua. Tuy nhiên, các nghiên cứu nên được tiến hành để nghiên cứu cơ chế hoạt động, vì nó liên quan đến hàng ngàn phản ứng hóa học khi xử lý.

plasma-lanh-cong-nghe-tien-tien-toi-uu-va-hieu-qua-trong-bao-quan-trai-cay-rau-cu-va-thuc-pham-09-1655437982.jpg
Nguyên lý xử lý cà chua trong bao bì bằng plasma lạnh
plasma-lanh-cong-nghe-tien-tien-toi-uu-va-hieu-qua-trong-bao-quan-trai-cay-rau-cu-va-thuc-pham-10-1655437982.jpg
Nguyên lý xử lý dâu tây trong bao bì bằng plasma lạnh
plasma-lanh-cong-nghe-tien-tien-toi-uu-va-hieu-qua-trong-bao-quan-trai-cay-rau-cu-va-thuc-pham-11-1655437982.jpg
Nguyên lý xử lý nước cam bằng plasma lạnh

Lĩnh vực xử lý nước thải

Xử lý nước thải hiện đang là một vấn đề lớn mà ngành công nghiệp thực phẩm phải đối mặt vì nước từ ngành công nghiệp thực phẩm có nồng độ chất hữu cơ cao. Cho đến nay các kỹ thuật nhiệt, hóa học và lọc khác nhau được sử dụng để xử lý nước thải. ROS (các loài oxy phản ứng) của plasma lạnh đã được báo cáo là gây ra những thay đổi nhanh chóng trong quá trình phân hủy hoặc phân hủy chất thải lỏng. Các photon UV được tạo ra trong quá trình xử lý bằng CP gây ra hiệu ứng nhiệt phân bằng cách tạo bọt bằng điện thủy lực theo cách gián tiếp.

Việc tiếp xúc với tia plasma ở 25 kV trong 150 giây a được sử dụng để xử lý chất thải công nghiệp từ nhà máy xử lý cà chua và đối với nước thải của dâu đen & củ dền ở tốc độ tiếp xúc 180 giây cho thấy số lượng vi khuẩn giảm đáng kể. Plasma cũng làm giảm số lượng E. coli và các hợp chất nội độc tố trong nước thải lên đến 90,22%. Do đó, ứng dụng CP có thể được coi là kỹ thuật tiềm năng để xử lý nước thải công nghiệp.

So sánh công nghệ plasma lạnh với công nghệ chiếu xạ

Thông số Công nghệ plasma lạnh Công nghệ chiếu xạ
Hiệu quả khử khuẩn, khử trùng, diệt nấm mốc 99.99% 99.99%
Độ an toàn  Tuyệt đối an toàn đối với người và sản phẩm, hoàn toàn thân thiện với môi trường Có rủi ro, không đảm bảo tuyệt đối an toàn, đòi hỏi phải kiểm soát chặt chẽ liều lượng chiếu xạ, một khi liều quá mức sẽ gây ô nhiễm phóng xạ ở mức độ nhất định, gây hại cho cơ thể con người
Vốn đầu tư Rẻ tiền Rất đắt, tại Viêt Nam chỉ có 3 trung tâm chiếu xạ (Hà Nội, TP.HCM. TP. Đà Nẵng)
Chi phí xử lý trên 1 đơn vị khối lượng sản phẩm Rẻ tiền, khoảng 1.000-2.000 VNĐ trên 1 kg sản phẩm. Tiêu thụ năng lượng điện đầu vào rất thấp Đắt gấp hàng chục lần: chi phí xử lý lớn, thời gian xử lý dài gấp chục lần, chi phí vận chuyển, bốc dỡ rất tốn kém, tốn thời gian 
Thời gian xử lý Rất nhanh: 3-10 phút (tùy theo kích thước sản phẩm) 40-50 phút
Tính linh hoạt Có thể xử lý bất kỳ địa điểm nào, có thể đặt thiết bị tại nơi thu hoạch, tại gia đình, nhà máy sản xuất. Công suất thiết bị tùy chọn (vài kg, trăm kg,  tấn trong 1 giờ) Phải chuyên chở sản phẩm đến các trung tâm chiếu xạ
Cấu hình thiết bị, vận hành, bảo trì Đơn giản, dễ vận hành, dễ bảo trì Phức tạp, đòi hỏi phải được đào tạo chuyên môn, kiểm soát độ an toàn liều lượng chiếu xạ
Nguyên vật liệu Chỉ sử dụng nước, không khí, điện. Không sử dụng hóa chất, dung môi. Đây là phương pháp xử lý “khô”. Không gây ô nhiễm thứ cấp. Sử dụng tia X hay tia gamma. Có rủi ro bị nhiễm xạ, nếu không kiểm soát tốt liều lượng chiếu xạ, tuân thủ quy định bảo vệ an toàn phóng xạ.
Khả năng làm chậm quá trình hư hỏng, chín, hay mọc mầm của thực phẩm, ảnh hưởng đến lưu trữ và bảo quản Có thể loại bỏ ethylene, ethanol và các chất chuyển hóa khác có hại cho việc lưu trữ và bảo quản trái cây và rau quả, gây ra sự co rút của trái cây và rau quả, làm giảm cường độ hô hấp của trái cây và rau quả, kéo dài thời gian lưu trữ, bảo quản có tác dụng kiểm soát mạnh đối với các bệnh nấm và vi khuẩn. Tác động tới các tế bào, làm chậm tốc độ tác động của các enzym vốn được sản sinh ra trong quá trình tự nhiên và là tác nhân có thể làm thay đổi thực phẩm, và do đó làm chậm quá trình hư hỏng, chín, hay mọc mầm của thực phẩm.
Có khả năng ức chế và tiêu diệt nhất định, suy thoái độc tính của dư lượng thuốc trừ sâu Loại bỏ dư lượng thuốc trừ sâu, thuốc bảo vệ thực vật, dư lượng hóa chất Không
Thời gian bảo quản sau khi xử lý và bảo quản (trong quá trình vận chuyển ở +1°C đến +4°C, trong kho lạnh tại các siêu thị ở +17°) như nhau Do tính linh hoạt và chủ động xử lý mọi nơi, mọi lúc, giảm các khâu trung gian nên thực phẩm (trái cây, rau củ) sau khi thu hoạch sớm được xử lý, nên sẽ tươi hơn, lại được loại bỏ độc tính thuốc trừ sâu, nên công nghệ plasma lạnh có thể kéo dài thời hạn bảo quản hơn nhiều so với công nghệ chiếu xạ (tuy nhiên cần cần tiến hành thử nghiệm thực tế mới có số liệu cụ thể) Do không linh hoạt xử lý bảo quản ở mọi nơi, mọi lúc và không chủ động được thời gian, phải vận chuyển sản phẩm xa hàng trăm km, nên kéo dài thời gian chờ đợi được xử lý, trái cây dễ bị hỏng (như vải, dâu tây, một số hoa, rau diếp, salat) sẽ nhanh chóng giảm chất lượng
Diệt sâu bọ trong trái cây Chỉ có thể ức chế, diệt trứng ấu trùng, sâu bọ Tiêu diệt được sâu bọ

Ưu điểm của công nghệ plasma lạnh

-    Hiệu quả bất hoạt vi sinh vật có thể đạt được ở nhiệt độ thấp (30 - 60 oC);

-    Thích hợp để xử lý các sản phẩm thực phẩm tươi sống và nhạy cảm;

-    Yêu cầu ít năng lượng đầu vào để hoạt động;

-    Không làm thay đổi hoặc làm hỏng các chất dinh dưỡng thực phẩm quan trọng;

-    Giảm rủi ro do xử lý nhiệt và hóa chất của nguyên liệu thực phẩm;

-    Giảm sử dụng nước và hệ dung môi để xử lý;

-    Loại bỏ dự lượng thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, thuốc bảo vệ thực vật;

-    Plasma lạnh không làm thay đổi tính chất cảm quan và dinh dưỡng của nguyên liệu thực phẩm;

-    Plasma lạnh hoàn toàn an toàn với môi trường sau khi các loài phản ứng được rút khỏi nguồn điện;

-    Xử lý bằng plasma lạnh cho phép xử lý phi tập trung, tại chỗ nơi thu hoạch, hoặc chế biến, rất linh hoạt

-    Đầu tư thiết bị thấp, vận hành đơn giản, chi phí bảo trì thấp.

Kết luận

Thực phẩm an toàn đang là nhu cầu hiện nay của người tiêu dùng, đòi hỏi các nhà khoa học thực phẩm và các nhà nghiên cứu trong ngành thực phẩm phải tập trung nâng cao chất lượng thực phẩm và độ ổn định của hạn sử dụng thông qua các công nghệ mới khác nhau. Công nghệ plasma lạnh đang được các nhà nghiên cứu và nhà khoa học quan tâm vì tính đặc biệt của nó so với các phương pháp xử lý nhiệt và không nhiệt khác bao gồm hoạt động ở nhiệt độ thấp trong thời gian ngắn và tích hợp chất lượng thực phẩm. Về khía cạnh đó, plasma lạnh có thể là công nghệ đa năng với tiềm năng lớn để mang lại lợi ích cho các lĩnh vực công nghiệp thực phẩm.

Tài liệu tham khảo

[1] Akua Y. Okyerea, Sasireka Rajendranb, George A. Annor, Cold plasma technologies: Their effect on starch properties and industrial scale-up for starch modification, 2022, https://reader.elsevier.com/reader/sd/pii/S266592712200034X?token=38AF958EBAE2AE8409524C2F62E2E2E8AC2FF8D0163A5F473AA50D9514E0B03DE51C5EA758D96816D69996FE5EC70EE1&originRegion=eu-west-1&originCreation=20220614082930
[2] Andreas S. Katsigiannis, Danny L. Bayliss, James L. Walsh, Cold plasma for the disinfection of industrial food-contact surfaces: An overview of current status and opportunities, 2022;
[3] Denise Adamoli Laroque, Sandra Tiemi Seo, German Ayala Valencia, Joao Borges Laurindo, Bruno Augusto Mattar Carciofi, Cold plasma in food processing: Design, mechanisms, and application, 2022, https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0260877421002740
[4] Gaens, W. V., & Bogaerts, A. (2013). Kinetic modelling for an atmospheric pressure argon plasma jet in humid air. Journal of Physics D: Applied Physics, 46, 275201;
[5] Hadi Bagheri, and Sepideh Abbaszadeh, Effect of Cold Plasma on Quality Retention of Fresh-Cut Produce, 2020, https://www.researchgate.net/publication/347485246_Effect_of_Cold_Plasma_on_
Quality_Retention_of_Fresh-Cut_Produce;
[6] Jefferson Henrique Tiago Barros, Ulliana Marques Sampaio. et al., Effects of non-thermal plasma on food nutrients and cereal-based raw materials, Universidade Estadual de Campinas, Brazil, 2022, https://rsdjournal.org/index.php/rsd/article/view/26261;
[7] Pushpam AK, Green JAM, Mariyatra MB, Shajan XS. Cold plasma technology in agriculture and food industry- a, An International Science Journal. 2018; 9(2):15-32.
[8] R. Nisha, R. Narayanan, Review on cold plasma technology: The future of food preservation, University, Chennai, Tamil Nadu, India, 2019, https://www.semanticscholar.org/paper/Review-on-cold-plasma-technology-%3A-The-future-of-Nisha-Narayanan/4a606c40749664427f4ae1e96a36eead49ff717b;
[9] Shashi Kishor Pankaj and Kevin M. Keener, Cold plasma processing of fruit juices, 2018, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780128022306000266;
[10] Sachin K Sonawane, Marar T and Sonal Patil, Non-thermal plasma: An advanced technology for food industry, 2020, https://journals.sagepub.com/doi/abs/10.1177/1082013220929474;

TS. Nguyễn Nghĩa, VinIT