Đề tài Đặc điểm các phương pháp hóa học sử dụng trong ức chế sinh trưởng của vi sinh vật trong thực phẩm

a biết đến sự tồn tại của vi sinh vật thì tổ tiên chúng ta đã biết không ít các biện pháp vật lý đơn giản để tiêu độc và diệt khuẩn. Người Cổ Ai Cập đã biết dùng lửa để diệt khuẩn, dùng các chất tiêu độc để xử lý các vật thối rữa. Người Cổ Hy Lạp đã biết cách xông sulfur để bảo quản các vật liệu kiến trúc. Người Hebrews đã có luật thiêu hủy toàn bộ quần áo của những người bị bệnh hủi. Mặc dù một số vi sinh vật là có ích và cần thiết cho nhân loại, nhưng hoạt động của nhiều vi sinh vật cũng có thể gây nên nhiều tác hại cho con người. Chẳng hạn như việc gây nên các bệnh tật cho người, gia súc, gia cầm, việc làm hư hỏng thực phẩm, nguyên vật liệu.... Mục đích chủ yếu là : - Tiêu diệt các vi sinh vật gây bệnh và cản trở sự lan truyền của chúng. - Giảm bớt hoặc hạn chế các vi sinh vật gây ô nhiễm nguồn nước, thực phẩm và phá hủy các nguyên vật liệu khác. Ngoài một số tác nhân vật lý đã kể như trên thì ngày nay các tác nhân hóa học cũng được sử dụng phổ biến bởi các ưu điểm nổi trội về hiệu quả so với các phương pháp thông thường, nhất là trong thực phẩm. Việc nắm chắc các phương pháp hóa học này sẽ giúp ta gia tăng hiệu quả và giảm tối thiểu các nhược điểm của chúng. Bài tiểu luận với đề tài “ĐẶC ĐIỂM CÁC PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC SỬ DỤNG TRONG ỨC CHẾ SINH TRƯỞNG CỦA VI SINH VẬT TRONG THỰC PHẨM” sẽ giúp chúng ta tìm hiểu rõ hơn về những phương pháp này. Điều chỉnh pH trong thực phẩm: pH môi trường có ý nghĩa quyết định đến sự sinh trưởng của vi sinh vật. Các ion H+, OH- là hai ion hoạt động lớn nhất trong số tất cả các loại ion. Những biến đổi nhỏ nồng độ của chúng cũng ảnh hưởng đến tế bào. Nồng độ của H+, OH- trong môi trường làm thay đổi trạng thái tích điện của thành tế bào. Tác động của độ pH lên tế bào vi sinh vật chủ yếu vào hai hướng: Tác động lên hoạt tính enzyme trên thành tế bào của vi sinh vật (permease). Tác động lên tính thấm của màng tế bào của vi sinh vật, tùy theo nồng độ mà tăng hay giảm khả năng thấm đối với một số ion nhất định. Mỗi loài vi sinh vật có một khoảng pH nhất định để phát triển và sinh sản. Ở khoảng pH này, các loài vi sinh vật có giới hạn pHcực tiểu, pHtối thích và pHcực đại. Dựa vào nhu cầu của vi sinh vật đối với pH người ta chia vi sinh vật thành ba nhóm: Nhóm ưa acid pHtối thích = 3 Nhóm ưa trung tính pHtối thích = 7 Nhóm ưa kiềm pHtối thích = 9 – 10 ò pH ảnh hưởng đến tế bào vi sinh vật Ở hầu hết vi sinh vật pH ở bên trong tế bào được duy trì ở pH gần bằng 7, ở pH này tế bào thực hiện trao đổi chất tốt nhất. Màng tế bào chất không thấm ion H+ và ion OH-, ngoài ra tế bào còn có cơ chế bơm ion H+ ra ngoài tế bào khi ion này vượt quá giới hạn . Khi tế bào bị đặt trong môi trường có pH bên ngoài đạt gần giá trị pHtối thích ion H+ và ion OH- không thể xâm nhập qua màng tế bào và không làm ảnh hưởng đến pH bên trong tế bào chất. Khi tế bào được đặt trong môi trường có pH cực cao (quá acid hay quá kiềm), màng tế bào sẽ bị tổn thương, khi đó ion H+ và ion OH- từ môi trường ngoài có thể rò rỉ vào bên trong tế bào, hậu quả là enzyme và acid nucleic sẽ bị biến tính dẫn tới tế bào sẽ chết. Ví dụ: Acid hữu cơ yếu có những tác dụng khác với acid vô cơ. Acid hữu cơ yếu bị phân ly như sau: RCOOH → RCOO- + H+ Độ phân ly của acid hữu cơ còn tùy thuộc vào pH môi trường. Chúng có thể khuếch tán qua màng tế bào nơi mà các ion không thể đi qua. Điều này có nghĩa là môi trường càng acid thì càng có nhiều acid không phân ly và chúng có thể đi vào bên trong màng tế bào chất nơi đây trong điều kiện trung tính hay acid nhẹ của tế bào, các phân tử không phân ly sẽ phân ly thành các ion RCOO- và H+. Tế bào khi ấy sẽ bơm H+ ra ngoài khi ion này vượt quá giới hạn. Nhưng cuối cùng điều này trở nên không hiệu quả, pH bên trong tế bào giảm, hoạt động của enzyme và acid nucleic trong tế bào bị ảnh hưởng, tế bào sẽ chết. Ảnh hưởng của acid yếu lên tế bào vi khuẩn là phụ thuộc vào môi trường. Ở nồng độ ức chế sự tăng trưởng, gây chết của tế bào, chúng sẽ có hiệu quả kém hơn khi nhiệt độ môi trường thấp hơn. Ảnh hưởng kháng khuẩn của acid hữu cơ được xếp theo thứ tự sau: Acid Propionic > acid axetic > acid citric > acid phosphoric > acid hydrochloric pH của các loại thực phẩm khác nhau thì khác nhau. Hầu hết tính acid của thực phẩm thay đổi từ rất acid cho đến gần trung tính. Thực phẩm hiếm khí có phản ứng kiềm, trứng gia cầm thuộc một trong số ít thực phẩm có tính kiềm. Sau đây là pH của một số thực phẩm thông dụng: Các acid hữu cơ yếu như acid malic, acid citric và acid tartaric thường có sẵn trong thực phẩm là các loại trái cây. Ở một số loại trái cây như dâu và chanh thì độ pH thấp của chúng giới hạn được sự phát triển của vi sinh vật như nấm mốc và nấm men. òHoạt động của các vi sinh vật thường sẽ làm cho độ pH của thực phẩm thay đổi: Streptococci và Lactobacili sẽ sản xuất ra acid lactic là cho sữa bị chua Các loại vi khuẩn Gram (-) hình que như Pseudonmonas spp sẽ làm cho thịt bị hư hỏng và có tính kiềm lí do chúng sử dụng các acid amin như nguồn cacbon dẫn tới việc sinh sản ra chất amon. Một vài loại thực phẩm có chứa một lượng khá cao chất duy trì pH (dung dịch đệm), chất này sẽ ngăn cản sự thay đổi pH. Ví dụ như thịt sẽ có lượng chất khá cao chất duy trì pH trái lại rau cải thì không có. òỨng dụng của điều chỉnh pH trong chế biến và bảo quản thực phẩm: Biết được khoảng pH tối thích của vi sinh vật và điều chỉnh pH thực phẩm để ức chế sự sinh trưởng của vi sinh vật gây hại hay tạo điểu kiện cho vi sinh vật có lợi phát triển. Ngâm dấm Acid acetic trong dấm có khả năng diệt vi khuẩn tương đối mạnh nhưng không độc hại. Nồng độ acid acetic 1,7 đến 2% (pH 2,3-2,5) có thể ức chế mạnh vi sinh vật gây thối rữa. Nồng độ 5-6% có thể làm cho nhiều vi khuẩn không có nha bào bị chết. Vi khuẩn Bacillus xylinum có thể phân giải dấm thành CO2 và nước hạ thấp độ chua xuống và tạo điều kiện cho vi khuẩn phát triển làm hỏng thực phẩm. Do đó bảo quản thực phẩm bằng ngâm dấm không giữ được lâu nên thường phải kết hợp với đóng hộp và bao gói kín và bảo quản ở nhiệt độ thấp. Lên men chua Vi sinh vật lên men chua sử dụng đường để sinh sôi, nảy nở. Quá trình do chuyển hóa đường thành acid lactic làm cho môi trường chua, hạn chế vi sinh vật thối rữa. Nấm mốc sử dụng acid lactic làm giảm độ chua thì lúc đó vi sinh vật thối rữa lại hoạt động, chuyển môi trường thành kiềm và vi sinh vật lên men chua lại bị ức chế. Chính nhờ mâu thuẫn đó mà phương pháp bảo quản thực phẩm không có hiệu quả lâu. Lên men chua là do vi sinh vật chuyển đường thành acid lactic, ngoài ra còn có men rượu, men dấm cũng tham gia làm cho thức ăn lên men có hương vị đặc biệt. Trong công nghệ muối dưa bắp cải, người ta dùng Bacillus brassicae fermentati và nấm men Saccharomyces brassiae fermentati. Trong công nghệ muối dưa chuột người ta dùng Bacillus curcumeris fermentati, và muối chua táo dùng Lacto bacillus listeri và Sacharomyces cerevisae. Quá trình lên men chua còn phụ thuộc vào hàm lượng đường và độ pH. Do đó muốn dưa chua nhanh, người ta thường cho thêm một ít đường, điều chỉnh độ pH và nhiệt độ thích hợp. 2. Sử dụng chất bảo quản: òBảo quản nguyên liệu: Ozone: Là tác nhân oxy hóa mạnh, rất hiệu quả đối với bào tử và các mầm bệnh thực vật, dễ dàng làm trong nước, loại bỏ các mùi lạ, không tạo thành dạng clo chứa trihalomethane. Tuy nhiên lại tạo thành các sản phẩm phụ, trong đó có aldehyde, xeton, axit hữu cơ, gốc brom, trihalomethane, peroxide Cần sử dụng các bộ lọc sinh học để loại bỏ những sản phẩm này. Chlorine là một chất hoá học có tác dụng oxy hoá và sát khuẩn rất mạnh, thường được dùng với mục đích tẩy trắng và khử trùng. Tại Việt Nam, chlorine được sử dụng phổ biến trong thuỷ sản. Chlorine có các dạng tự do cholorine hay hypochlorite. Trong các nhà máy sản xuất thủy sản thường sử dụng Hypochlorite canxi Ca(OCl)2 để khử trùng nhằm diệt hay bất hoạt các vi sinh vật. H2O2: có khả năng oxy hóa mạnh, dùng trong bảo quản sữa, phomat, sản phẩm từ cá chỉ dùng để hỗ trợ chế biến chứ không phải phụ gia thực phẩm. Tổ chức Nông lương Thế giới (FAO) cho phép sử dụng ô-xy già trong đường, nước quả ép và nước rau với điều kiện không trở thành một thành phần của thực phẩm. Tức là, ta có thể sử dụng ô-xy già để rửa thực phẩm, sau đó rửa lại bằng nước sạch. Dùng thường xuyên, Hydrogen peroxide sẽ tích tụ trong cơ thể, có thể gây nguy cơ ung thư. SO2 : ảnh hưởng đến các quá trình oxy hóa trong tế bào vi sinh vật, đồng thời cũng có tác dụng tương hỗ với các nhóm cacboxyl của các hợp chất đặc biệt có trong thành phần của chất nguyên sinh, làm thay đổi trạng thái lý, hóa học của chất nguyên sinh. Khí SO2 dùng trong bảo quản rau quả. Không dùng các hợp chất SO2 để bảo quản thịt, ngũ cốc, đậu đỗ, sữa. Dạng sử dụng: khí SO2, acid sulfurous (H2SO3), các loại muối như Natri bisulfite NaHSO3, Kali bisulfite KHSO3, Canxi bisulfile Ca(SO3)2, Natri sulfite Na2SO3, Kali sulfite K2SO3. SO2 có tác dụng bảo vệ ở nồng độ 0,1-0,2%. Phương pháp sử dụng khí SO2: + Phương pháp sulfite hoá ướt: cho trực tiếp khí SO2 hoặc dung dịch axit sulfurous (H2SO3) vào sản phẩm dạng lỏng: rau quả hoặc quả nghiền, nước quả. + Phương pháp sulfite khô (xông khói sulfurous): Quả được đựng trong thùng hay trong hòm kín có chứa SO2. òBảo quản thực phẩm chế biến Nitrat, nitrit được dùng để bảo quản thịt, cố định màu đỏ cho thịt trong sản xuất lạp xưởng mà người ta ưa thích, chúng có thể có tác dụng kiềm chế vi khuẩn trong dung dịch axit, đặc biệt đối với vi khuẩn yếm khí. Axit benzoic được dùng dưới dạng natri benzoate để bảo quản nước ép quả chua làm ngừng sự lên men. Axit benzoic là chất sát trùng mạnh đối với nấm men và nấm mốc và có tác dụng yếu đối với vi khuẩn. Axit sorbic được dùng để kiềm chế nấm trong bánh mì và phomat. Formon: độc, đã bị cấm sử dụng tồn tại ở dạng khí hoặc dạng lỏng. Ở thể dung dịch Formon có tính sát trùng rất mạnh, kết hợp với chất anbumin tạo ra chất chống thối giữa, bảo quản, dùng khói củi để hun thực phẩm thịt, cá vừa để thêm mùi vị mong muốn vừa để bảo quản hay hỗ trợ bảo quản. Do khói củi chứa một lượng lớn các hợp chất bay hơi có tác dụng ức chế vi khuẩn và diệt khuẩn gồm có formon, các andehyt khác, các axit hữu cơ, cồn. Chất này cũng được phát hiện thấy trong nhiều thực phẩm thiết yếu cho tiêu dùng như bánh phở, nầm lợn, cá khoai... Acid ascorbic (vitamin C): bảo quản thịt đóng thùng; hoa quả đóng lọ, làm chất chống oxy hoá dầu mỡ Acid citric, acid limonic: bảo quản sản phẩm sữa, kẹo, nước giải khát. α-tocopherol (vitamin E): là chất chống oxi hóa tự nhiên, có trong một số dầu mỡ tự nhiên như dầu đậu tương, dầu hạt bông, dầu mầm ngũ cốc. Trong kỹ thuật bảo quản, người ta dùng dung dịch pha trong dầu, không chứa ít hơn 31% tocopherol. 3. Sử dụng chất ức chế sinh trưởng: òCơ chế tác động chung của các hóa chất đối với tế bào vi khuẩn. - Phá hủy màng tế bào: do ion hóa, thay đổi sức căng bề mặt, làm tan màng lipit che chở vi khuẩn... - Biến đổi chức năng của protein và các axit nucleic... - Tác động hóa học làm giải phóng oxy phân tử, clo... có tác dụng giết chết vi khuẩn. ò Ảnh hưởng của các chất ức chế trong thực phẩm Các chất độc hóa học có khả năng tiêu diệt hoặc ức chế hoạt động của các vi sinh vật. Chúng có ý nghĩa rất lớn trong công nghiệp thực phẩm. Các chất hóa học này có 2 nguồn gốc: − Có thể có sẵn một cách tự nhiên trong thực phẩm, thí dụ: tannin, acid hữu cơ trong trái cây còn xanh, chất lyzozym trong lòng trắng trứng, kháng thể có trong sữa non, chất HCN có trong khoai mì, chất kháng khuẩn hay là các sản phẩm trao đổi chất của vi sinh vật... − Có thể do con người chủ ý hay vô tình cho vào trong thực phẩm: chất bảo quản thực phẩm, chất bảo vệ thực vật, các kim loại nặng Cơ chế tác dụng của chúng lên vi sinh vật nói chung không đồng nhất, phụ thuộc vào bản chất hóa học của chất đó cũng như từng loại vi sinh vật. − Ester, alcol, dung dịch kiềm yếu có tác dụng làm tan chất lipit có trong thành phần tế bào. − Muối kim loại nặng, kiềm, axit, phormalin làm đông tụ protein, làm thay đổi thành phần nguyên sinh chất của tế bào vi sinh vật. − Axit nitric, clo, bột clo, kali permanganate các chất hữu cơ oxy hóa mạnh có khả năng phá hủy hẳn tế bào vi sinh vật, còn các chất khác như glyxeryl, nồng độ muối,nồng độ đường cao gây áp suất thẩm thấu. Ứng dụng trong bảo quản thực phẩm người ta thường bổ sung vào thực phẩm các hóa chất sau: - Chất hóa học vô cơ: gồm chủ yếu các axit vô cơ và muối của chúng, chất kiềm và các muối kiềm, kim loại, halogen, peroxit và các khí. Các loại axit vô cơ và các muối của chúng thường dùng gồm có: NaCl (muối ăn), hypoclorit, nitrat, nitrit,sunfit và axit sunfuric, axit boric và borat, - Các chất hóa học hữu cơ gồm có các axit hữu cơ và các muối của chúng: axit citric,axit lactic, axit axetic, axit benzoic (natri benzoate), axit salixilic và salixilat, axitsocbic, các loại đường như glucoza, saccaroza, các loại cồn như cồn etylic,propylenglycol, kháng sinh tố như oreomyxin (clotetraxiclin), teramyxin(oxytetraxyclin), cloromyxetin (cloramphenicol), khói củi và gia vị Ví dụ: Gia vị không có tác dụng ức chế vi khuẩn ở liều lượng thường dùng trong thực phẩm nhưng có thể hỗ trợ các chất và tác nhân sát trùng khác trong việc ức chế sự phát triển của vi sinh vật trong thực phẩm. Các gia vị thường sử dụng là: 4 loại gia vị là quế chi, đinh hương, hồi hương và thảo quả để làm lạp xưởng, ngoài ra còn có bột ngọt (natri glutamate), tỏi, hành Ngoài ra các yếu tố trên ra thì cấu trúc vật lý của thực phẩm cũng như trạng thái sinh lý của thực phẩm cũng có ảnh hưởng rất lớn đến sự phát triển của vi sinh vật gây hư hỏng thực phẩm. Cấu trúc vật lý của thực phẩm như trạng thái cứng mềm, vỏ dày, mỏng cũng là một yếu tố quan trọng trong việc bảo quản chống lại các vi sinh vật gây hại mà các nhà chế biến bảo quản cần quan tâm. Ví dụ: − Trái cây có vỏ cứng (táo, sầu riêng, dừa,...) lâu hư do vi sinh vật hơn trái cây có vỏ quả mềm (cà chua, nho, dâu,...) − Thịt gia súc lâu hư hơn thịt cá do cấu trúc sợi cơ và hàm lượng nước trong cá caohơn − Giáp xác có vỏ cứng thịt lâu hư hơn, thịt tôm phần thân lâu hư trừ phần đầu dễ hưdo có nội tạng ở đầu và vỏ ở phần đầu lỏng lẻo hơn. − Cá thân tròn mau ươn hơn cá thân dẹt − Cá có vảy lâu ươn hơn cá không vảy 4. Gia tăng áp suất thẩm thấu trong công nghệ ướp tẩm: Để phát triển bình thường vi sinh vật cần một số yếu tố dinh dưỡng trong thực phẩm như: nước, nguồn năng lượng, nguồn nitơ, vitamin và muối khoáng,... Vi sinh vật có sự ưa thích khác nhau đối với các loại thực phẩm khác nhau. Nấm mốc có nhu cầu dinh dưỡng ít nhất, tiếp đó là nấm men, vi khuẩn gram âm, sau cùng là vi khuẩn gram dương. Từ những yếu tố trên người ta phân loại thực phẩm ra làm 2 loại: -Vi sinh vật thích (thực phẩm dễ hư): đạm ở hàm lượng cao, ít axit, đường và chất béo ở hàm lượng thấp, nước. - Vi sinh vật kỵ (thực phẩm khó hư): đường, muối, mỡ chiếm tỷ lệ cao, cồn, hóa chất diệt khuẩn (thuốc trừ sâu, kháng sinh... ở dạng dư lượng). Nói tóm lại là các thực phẩm quá ngọt, quá mặn, quá chua, quá khô. Ví dụ: − Thực phẩm giàu đạm (thịt cá tươi) có aw = 0,99 thường bị hư hỏng bởi vi khuẩn − Thực phẩm giàu vitamin, đạm là môi trường tốt cho các vi khuẩn gây bệnh, vi khuẩn lactic. − Thực phẩm giàu đường bột có aw = 0,8 thường bị hư hỏng bởi nấm mốc. Dựa vào đặc tính dinh dưỡng của từng loại thực phẩm mà ta có các phương pháp bảo quản thích hợp. Muối ăn và đường tạo ra áp suất thẩm thấu cao do đó nước trong tế bào của thực phẩm trong muối đường chảy ra ngoài làm giảm độ ẩm thực phẩm, tạo điều kiện thuận lợi để ức chế vi sinh vật phát triển. a. Công nghệ ướp muối  - Muối có tính sát khuẩn, không tiêu diệt được tất cả các vi sinh vật nhưng ở nồng độ 3,5 đến 4,4, muối khoáng làm ngưng sự phát triển của vi khuẩn gây bệnh.  - Do có muối nên oxy ít hòa tan trong môi trường ướp muối và các vi sinh vật hiếu khí không có điều kiện để sinh sống.  - Do ion Clo kết hợp với protein ở dây nối peptit khiến các men phân hủy chất đạm của vi sinh vật không còn khả năng phá vỡ các phân tử protid để lấy chất dinh dưỡng tự nuôi sống và phát triển. Muối khô: trộn muối với 0,5-1% Nitrat Na xát chung quanh miếng thịt rồi xếp thịt vào thùng cứ một lớp thịt rắc 1 lớp muối, trên cùng cài nắp lèn chặt. Dùng tỉ lệ muối 6%, 10% hoặc 15%. Thời gian bảo quản nước trong thịt chảy dần ra. Muối ướt.: Thịt cắt từng miếng xếp vào thùng trên cùng cài để lèn chặt, dùng dung dịch nước muối 16-22% có pha thêm 0,5-1% Nitrat natri cho đến khi ngập thịt. Khoảng 15-20 ngày thì thịt ngầm muối; có thể bảo quản được. Kết hợp muối khô với muối ướt  Trước hết xát muối khô vào thịt, xếp vào thùng để 5-7 ngày rồi đổ dung dịch nước muối lên trên.  Bảo quản ở nhiệt độ thấp (0-4oC) thịt muối có thể giữ 4-5 tháng, nếu ở nhiệt độ 18-20oC chỉ giữ được 2-3 tháng.  b. Công nghệ ngâm trong đường  Dung dịch 1% saccharosa có thể cho 0,7 áp suất thẩm thấu. Dung dịch 1% glucoza có thể sinh ra 1,2 áp suất thẩm thấu.  Nồng độ nước đường phải 60-65% trở lên mới có khả năng ức chế vi khuẩn phát triển.  Cũng giống như bảo quản bằng muối, trong quá trình bảo quản, nồng độ đường trong nước giảm đi và các chất dinh dưỡng hòa tan của thực phẩm thôi ra nước đường tăng lên, tạo điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật phát triển và phá hủy thực phẩm. KẾT LUẬN Có nhiều phương pháp và hóa chất được dùng làm chất ức chế sự sinh trưởng của vi sinh vật có hại, mỗi loại đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Trước khi chọn sử dụng phương pháp hay hóa chất nào phải hiểu rõ đặc tính và cơ chế của chúng để áp dụng chính xác, đạt hiệu quả cao mà không ảnh hưởng đến chất lượng thực phẩm và sức khỏe người sử dụng thực phẩm đó. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. 2. 3. 4. Khoa công nghiệp thực phẩm trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm thành phố Hồ Chí Minh, Vi sinh vật học thực phẩm, 2015 5. Nguyễn Lân Dũng –Nguyễn Đình Quyến- Phạm Văn Ty, Vi sinh vật học, NXB Giáo dục, 2007 6.