Ứng dụng công nghệ plasma trong chế biến và bảo quản thực phẩm

Plasma là gì?

Plasma là trạng thái thứ tư của vật chất, ngoài ba trạng thái thường gặp là thể rắn, lỏng, khí. Thí dụ với nước: một cục nước đá (thể rắn) đun nóng đến nhiệt độ nhất định sẽ biến thành nước (thể lỏng), tăng nhiệt lên nữa nước sẽ bốc hơi (thể khí). Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ nước lên cao nữa, các electron mang điện âm bắt đầu bứt khỏi nguyên tử và chuyển động tự do, nguyên tử trở thành các ion mang điện dương. Nhiệt độ càng cao thì số electron bứt ra khỏi nguyên tử chất khí càng nhiều, hiện tượng này được gọi là sự ion hóa của chất khí. Các nhà khoa học gọi thể khí ion hóa là “trạng thái plasma”.

Ngoài nhiệt độ cao, người ta có thể dùng các tia UV, tia X, tia bêta cực mạnh chiếu vào chất khí cũng làm cho nó biến thành plasma. Do sự hiện diện của các hạt mang điện, plasma trở nên dẫn điện trong trường điện từ. Plasma có thể là môi trường phản ứng hóa học nhờ kích thích và phóng ra bức xạ điện từ ở nhiều vùng bước sóng khác nhau.

Theo tính chất nhiệt động lực học, có plasma nóng (thermal plasma) được tạo thành ở nhiệt độ, áp suất và năng lượng cao, và plasma lạnh (non-thermal plasma, cold plasma) được tạo thành ở áp suất thường hoặc chân không, cần ít năng lượng hơn. Tuy nhiên, cả hai loại này có chung đặc điểm là các tia plasma đều chứa một phần hay toàn bộ phần khí bị ion hóa, bao gồm photon, ion hay điện tử tự do. Công nghệ plasma sử dụng năng lượng điện để tạo ra môi trường ion hóa, làm tăng động năng các hạt electron, ion và các nguyên tử, hướng chúng vào các đối tượng cần xử lý với thời gian xử lý nhanh và hiệu quả nên rất an toàn, tiết kiệm.

Plasma lạnh được chứng minh có tác dụng ức chế lên rất nhiều vi sinh vật, cả bào tử và virus. Khi hướng chùm plasma vào bề mặt cần xử lý (nấm mốc, vi khuẩn) các electron, ion động năng lớn, các tia UV xuất hiện trong quá trình tạo plasma sẽ bắn phá thành tế bào của nấm mốc, vi khuẩn, tạo ra các gốc oxy hóa bậc cao và chúng sẽ phá vỡ các cấu trúc DNA, phá vỡ thành tế bào, các liên kết giữa các thành phần trong tế bào vi khuẩn, virus nấm mốc, gây tổn thương không phục hồi và gây chết vi sinh vật.

Ứng dụng Plasma trong công nghệ thực phẩm

Khi đời sống ngày càng được nâng cao, người tiêu dùng càng có xu hướng đòi hỏi được cung cấp những sản phẩm có chất lượng tốt nhất, cả về màu sắc, mùi vị và đặc biệt là dinh dưỡng. Để giảm thiểu tác động của nhiệt độ cao đến chất lượng, dinh dưỡng, và tránh khả năng thay đổi cấu trúc vật lý, hóa học, dẫn đến biến đổi mùi vị của thực phẩm, người ta thường ưu tiên sử dụng các phương pháp bảo quản ở nhiệt độ thường hay chiếu xạ gamma, chiếu xạ beta, xung điện trường, siêu âm, ozone, tia cực tím (UV), áp suất cao,.. Tuy nhiên, các biện pháp này đều có chi phí đầu tư cao và ít ứng dụng trên các sản phẩm rắn như rau quả, thịt cá,.. Đây là cơ hội cho phương pháp bảo quản plasma lạnh.

Xử lý các sản phẩm thô và khô: sử dụng nhiệt độ, hóa học và các loại khí (ví dụ ethylene oxide, hydrogen peroxide) để khử trùng bề mặt của trái cây, gia vị, hạt…có thể gây hại đến sản phẩm hoặc để lại dư lượng sau quá trình xử lý. Với plasma lạnh, các ion có thể xâm nhập vào các vết nứt và khe hở của sản phẩm thô và khô có hình dạng phức tạp. Do đó, công nghệ này rất hiệu quả trên các sản phẩm có bề mặt không đều và nứt gãy như đậu, đậu xanh, đậu tương, lúa mạch, yến mạch, ngô, thịt,…

Xử lý màng sinh học các bề mặt: thực phẩm khi để lâu ngoài trời thường xuất hiện một lớp màng bao phủ gọi là màng sinh học. Ví dụ, thịt sẽ hình thành một lớp màng khô bao bên ngoài, còn sữa sẽ hình thành lớp màng mỏng phía bên trên dung dịch. Vi sinh vật thường sinh sôi nảy nở trong môi trường giàu dinh dưỡng bên dưới các màng sinh học và được bảo vệ khỏi các biện pháp khử trùng bề mặt sử dụng nhiệt độ cao, thuốc,…Công nghệ plasma có thể xử lý việc hình thành màng sinh học trên bề mặt sản phẩm bằng cách làm sạch và khử trùng các bề mặt, giúp tăng khả năng chống bám vi khuẩn.

Xử lý lạnh cho kết quả tương đương xử lý bằng tia UV và ozone mà không gây tác hại lên chất lượng lớp vỏ ngoài tự nhiên của thực phẩm để chống lại vi sinh vật.

Plasma lạnh cũng có thể xử lý nhanh và an toàn các bao bì thực phẩm như chai nhựa, nắp đậy mà không gây biến tính vật liệu và không để lại dư lượng trên sản phẩm.

Tuy nhiên, ở Việt Nam, ứng dụng plasma lạnh mới được bắt đầu nghiên cứu, chỉ một vài nơi công bố các kết quả nghiên cứu theo hướng này, ví dụ Trường Đại học Công nghệ (Đại học Quốc gia Hà Nội) nghiên cứu “Ứng dụng công nghệ plasma lạnh hoạt động ở điều kiện khí quyển thông thường” để khử trùng, bảo quản hoa quả mà không cần sử dụng hóa chất độc hại; Phòng Nghiên cứu Năng lượng và Môi trường (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM) chế tạo và thử nghiệm thành công ở quy mô phòng thí nghiệm và sẵn sàng chuyển giao các thiết bị tạo plasma xử lý bề mặt, Plasma Jet và xử lý không khí có kích thước nhỏ gọn, dễ lắp ráp, hoạt động hoàn toàn tự động, an toàn khi sử dụng, không gây ô nhiễm.

Về vấn đề này, TS. Bùi Nguyên Quốc Trình (Khoa Vật lý kỹ thuật và Công nghệ nano, Trường Đại học Công nghệ) cho biết, trên thế giới ngày càng có nhiều nơi nghiên cứu về plasma, cũng như phát triển plasma lạnh. Ngoài ứng dụng trong lĩnh vực bảo quản thực phẩm, plasma lạnh còn có khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnhvực công nghệ khác như chế tạo linh kiện điện tử, pin mặt trời thay thế các phương pháp truyền thống; xử lý bề mặt hoặc sơn phủ; nghiên cứu và điều trị về y sinh,…

Tổng hợp