Đồ án Tổng quan tài liệu về kỹ thuật Dense Phase CO2 – Nguyên lý ứng dụng trong công nghệ thực phẩm

thời gian xử lý. Do vậy, thời gian xử lý là một hàm số phụ thuộc vào các biến số chính là áp suất, nhiệt độ và tính chất hệ vi sinh vật. Nghiên cứu của Shimoda và cộng sự (2001) cũng kết luận là hiệu quả tiêu diệt vi sinh vật tăng cùng với việc tăng thời gian xử lý. Hình 3.13: Aûnh hưởng của thời gian xử lý đến hiệu quả vô hoạt S. cerevisiae bằng DPCD (●: 10 MPa, 36oC; ○: 8 MPa, 38oC) 3.1.3.4. Aûnh hưởng của độ ẩm Hoạt độ của nước của môi trường xử lý và bên trong tế bào vi sinh vật ảnh hưởng rất lớn đến khả năng vô hoạt vi sinh vật của kỹ thuật DPCD. Đối với môi trường và các tế bào vi sinh vật có hàm lượng nước thấp thì hiệu quả của kỹ thuật Đồ án Công nghệ Thực phẩm 42 DPCD không cao. Hàm lượng nước trong môi trường xử lý và trong tế bào tăng thì hiệu quả ức chế và tiêu diệt vi sinh vật của kỹ thuật DPCD sẽ tăng (Damar và Balaban, 2006; Spilimbergo và Bertucco, 2003; Hong và Pyun, 1999; Louka và cộng sự, 1999). Nước đóng một vai trò quan trọng trong quá trình xử lý thực phẩm bằng kỹ thuật DPCD là do nước là môi trường hòa tan CO2, nếu lượng nước tăng thì lượng CO2 hòa tan càng lớn, khi đó hiệu quả vô hoạt vi sinh vật càng tăng. Nếu môi trường có hàm lượng nước quá thấp, không tạo đủ điều kiện để CO2 hòa tan tốt thì sự tiếp xúc giữa CO2 và tế bào không tốt, và do đó hiệu quả tiêu diệt vi sinh vật cũng giảm. Bên cạnh đó, hàm lượng nước trong tế bào và môi trường cao sẽ làm cho màng tế bào linh động hơn, tính thấm tăng lên, CO2 sẽ dễ dàng thẩm thấu vào trong tế bào hơn. Mặt khác, nước giúp cho CO2 hòa tan tạo thành acid carbonic góp phần làm giảm pH môi trường và pH nội bào của vi sinh vật, làm gia tăng hiệu quả vô hoạt chúng (Damar và Balaban, 2006; Hong và Pyun, 1999). Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng nước đến hiểu quả vô hoạt vi sinh vật của kỹ thuật DPCD trên vi khuẩn E.coli và nấm men S. cerevisiae, Debs-Louka E và cộng sự (1999) đã dùng 2 giấy lọc cấy E. Coli và 2 giấy lọc cấy S. cerevisiae, hàm lượng nước được điều chỉnh bằng cách bổ sung nước cất vô khuẩn vào một trong 2 giấy lọc, giấy lọc còn lại đem sấy ở nhiệt độ 30oC trong 7 giờ. Sau khi xử lý các giấy lọc bằng kỹ thuật DPCD với điều kiện 5 MPa trong vòng 300 phút, kết quả thu được như sau: Bảng 3.5: Kết quả sau khi xử lý giấy lọc cấy E. Coli và S. cerevisiae bằng kỹ thuật DPCD Kết quả từ bảng 3.5 cho thấy, mặc dù pH cuối ở cả hai loại giấy lọc là như nhau nhưng giấy lọc khô cho thấy hàm lượng vi sinh vật giảm sau khi xử lý không nhiều, còn đối với giấy lọc có hàm ẩm cao hơn thì lượng vi sinh vật giảm nhiều hơn hẳn sau khi xử lý. Điều này chứng tỏ khả năng vô hoạt vi sinh vật của kỹ thuật DPCD Đồ án Công nghệ Thực phẩm 43 phụ thuộc nhiều vào hàm lượng nước trong môi trường xử lý. Louka và cộng sự kết luận hiệu quả vô hoạt vi sinh vật tăng cùng với sự tăng hàm ẩm và hiệu quả này càng kém nếu môi trường và tế bào chứa hàm lượng nước quá thấp. 3.1.3.5. Aûnh hưởng của pH của môi trường xử lý pH ban đầu của môi trường xử lý có ảnh hưởng quan trọng đến khả năng tiêu diệt vi sinh vật của kỹ thuật DPCD. pH thấp của môi trường tạo điều kiện thuận lợi cho sự vận chuyển của acid carbonic qua màng tế bào, tương tự như những acid carboxylic khác, do đó mà hiệu quả vô hoạt sẽ tăng lên (Damar và Bal aban, 2006). pH của môi trường xử lý càng giảm thì tốc độ vô hoạt vi sinh vật càng tăng. Nguyên nhân là do bản thân pH thấp đã là một trong những yếu tố ức chế khả năng sống và phát triển của vi sinh vật, khi kết hợp với kỹ thuật DPCD, pH thấp của môi trường có t ác dụng hỗ trợ làm tăng hiệu quả của kỹ thuật này: pH thấp làm giảm khả năng chịu đựng của vi sinh vật, làm tăng khả năng di chuyển của acid carbonic qua màng tế bào, khi đó tốc độ tiêu diệt vi sinh vật sẽ tăng lên (Damar và Balaban, 2006; Spilimbergo và cộng sự, 2005; Hong và Pyun, 1999). Nghiên cứu của Hong và Pyun (1999) trên khuẩn Lactobacillus plantarum đã đưa ra kết quả về khả năng vô hoạt vi sinh vật của kỹ thuật DPCD trên những môi trường có pH khác nhau và kết luận rằng với pH môi trường càng thấp thì khả năng vô hoạt vi sinh vật của kỹ thuật DPCD càng cao. Đồ án Công nghệ Thực phẩm 44 Thời gian xử lý (phút) Tỷ lệ sống sót N/N0 đệm acetate Nước cất đệm phosphate và Hình 3.14: Aûnh hưởng của pH môi trường xử lý đến hiệu quả vô hoạt L. plantarum bằng kỹ thuât DPCD Theo kết quả thể hiện trên đồ thị 3.14 thì tốc độ vô hoạt vi sinh vật của môi trường đệm acetate pH 4,5 trong điều kiện xử lý DPCD ở áp suất 70kg/cm2, 30oC là cao nhất. Đây cũng là mức pH thấp nhất trong số các môi trường được sử dụng trong nghiên cứu trên. Đối với môi trường dịch chiết xuất từ thịt MRS, mặc dù pH cũng là 4,5 nhưng do môi trường chứa nhiều chất béo nên làm hạn chế hiệu quả của kỹ thuật DPCD. Trong khi đó, môi trường bổ sung Na bicarbonate lại cho thấy hiệu quả thấp nhất do không tạo được pH thấp mà lại tạo ra đệm base (pH 8,0), do đó mà hiệu quả vô hoạt vi sinh vật của DPCD trong môi trường này trở nên rất thấp. Dựa vào kết quả như trên, Hong và Pyun kết luận môi trường có pH thấp sẽ làm tăng hiệu quả xử lý của kỹ thuật DPCD. Đồ án Công nghệ Thực phẩm 45 3.1.3.6. Aûnh hưởng của nồng độ CO2 sử dụng (tỉ lệ CO2: nguyên liệu xử lý) Nồng độ CO2 cũng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khả năng vô hoạt vi sinh vật của kỹ thuật DPCD. Nồng độ này được tính bằng đơn vị khối lượng (hoặc thể tích) CO2 trên một đơn vị khối lượng (hoặc thể tích) nguyên liệu xử lý. Quá trình xử lý với cùng một nhiệt độ và áp suất nhưng với nồng độ CO2 thấp thì hiệu quả vô hoạt cũng không cao. Nồng độ CO2 càng tăng thì hiệu quả vô hoạt vi sinh vật của kỹ thuật DPCD sẽ tăng theo. Điều này có thể giải thích là do hàm lượng CO2 sử dụng cao thì lượng CO2 hòa tan vào môi trường xử lý tăng, nồng độ CO2 thấm qua màng tế bào cũng tăng do đó làm tăng khả năng vô hoạt vi sinh vật (Werner và Hotchkiss, 2006; Gunes và cộng sự, 2005; Spilimbergo và Bertucco, 2003). Tuy nhiên, hiệu quả vô hoạt vi sinh vật của kỹ thuật DPCD chỉ tăng trong một khoảng tăng nồng độ CO2 giới hạn, nguyên nhân là do sự bão hòa CO2 trong môi trường xử lý. 3.1.3.7. Aûnh hưởng của phương pháp tiến hành Phương pháp tiến hành kỹ thuật DPCD có t hể ảnh hưởng đến tốc độ vô hoạt vi sinh vật. Phương pháp nào cho phép CO2 tiếp xúc với môi trường xử lý tốt hơn thì có hiệu quả hơn trong việc tiêu diệt vi sinh vật. Nguyên nhân là do khi sự tiếp xúc giữa CO2 và môi trường xử lý tăng thì tốc độ hoà tan của CO2 vào môi trường tăng, vì vậy mà nồng độ CO2 đạt đến bão hoà nhanh hơn, tốc độ tiêu diệt vi sinh vật lúc đó sẽ tăng. Thông thường thì phương pháp tiến hành gián đoạn theo từng mẻ cần thời gian dài hơn để có thể đạt được hiệu quả vô hoạt vi sinh vật tương đương với các phương pháp bán liên tục và liên tục, tức là tốc độ vô hoạt vi sinh vật trong phương pháp gián đoạn thấp hơn các phương pháp còn lại. Phương pháp tiến hành ảnh hưởng đến tốc độ hoà tan của CO2 cũng như đến nồng độ CO2 đạt được trong dung dịch xử lý, từ đó mà tạo ra những ảnh hưởng quan trọng đến các thông số kỹ thuật khác của kỹ thuật DPCD như áp suất, nhiệt độ, thời gian xử lý và tỷ lệ CO2: nguyên liệu (Damar và Balaban, 2006; Gunes và cộng sự, 2005; Shimoda và cộng sự, 2001, 1998) Nghiên cứu của Shimoda và cộng sự về tác dụng tiệu diệt vi sinh vật của kỹ thuật DPCD (1998) nhận thấy tốc độ tiêu diệt vi khuẩn Lactobacillus brevis bằng Đồ án Công nghệ Thực phẩm 46 phương pháp dòng chảy liên tục cao hơn so với phương pháp gián đoạn khi so sánh trên tại cùng một mật độ CO2 ở 35oC. Mật độ CO2 (g/m 3) Lượng tế bào sống sót (CFU) Hình 3.15: Hiệu quả tiêu diệt vi sinh vật bằng phương pháp dòng chảy liên tục và phương pháp gián đoạn theo mật độ CO2 : Phương pháp dòng chảy liên tục : Phương pháp gián đoạn Theo kết quả trên hình 3.15 thì Lactobacillus brevis gần như bị tiêu diệt hoàn toàn bằng phương pháp dòng chảy liên tục khi mật độ CO2 khoảng 0,18 g/m3, trong khi đó, phương pháp gián đoạn chỉ tiêu diệt hoàn toàn vi khuẩn này khi mật độ CO2 đạt 0,9 g/m3. Do đó mà các t ác giả này đã kết luận rằng phương pháp liên tục cho hiệu quả tiêu diệt vi sinh vật cao hơn so với phương pháp gián đoạn. 3.1.3.8. Aûnh hưởng của tính chất hệ vi sinh vật trên nguyên liệu cần xử lý  Aûnh hưởng của lượng vi sinh vật trong nguyên liệu xử lý Lượng vi sinh vật ban đầu trong mẫu đem xử lý (N0) ảnh hưởng lớn đến thời gian tiến hành kỹ thuật DPCD tại một điều kiện kỹ thuật nhất định về áp suất, nhiệt độ và các thông số khác. Với một lượng vi sinh vật ban đầu quá lớn thì cho dù sản phẩm có qua quá trình xử lý vẫn không đảm bảo vấn đề an toàn vi sinh cho thực phẩm. Trong thực tế sản xuất, để rút ngắn thời gian xử lý nhưng vẫn đảm bảo mức độ an toàn vi sinh cho thực phẩm, các nhà công nghệ cần đặt ra các chỉ tiêu vi sinh Đồ án Công nghệ Thực phẩm 47 nghiêm ngặt cho nguyên liệu đầu vào, đặc biệt phải đảm bảo điều kiện vệ sinh thiết bị, nhà xưởng, công nhân tham gia sản xuất... trong suốt quy trình công nghệ để khống chế giá trị N0 của các mẫu thực phẩm trước khi xử lý luôn ở mức thấp nhất.  Loài vi sinh vật Các loài vi sinh vật khác nhau có các tính chất về cấu trúc và hệ enzyme khác nhau, do đó mà chịu những ảnh hưởng khác nhau bởi kỹ thuật DPCD. Tính chất của màng tế bào vi sinh vật có ảnh hưởng quan trọng đến hiệu quả của kỹ thuật DPCD. Vi khuẩn G(-) với màng tế bào mỏng, nhạy cảm do đó dễ bị phá vỡ và tổn thương trong giai đoạn giải phóng áp suất, đồng thời tính thấm của màng cao hơn, tạo điều kiện dễ dàng cho CO2 thấm qua và trích ly các tế bào chất. Ngoài ra, màng vi khuẩn G(-) còn được cho l à dễ biến tính hơn vi khuẩn G(+). Vì các nguyên nhân trên và người ta đi đến kết luận, vi khuẩn G(-) bị tiêu diệt dễ dàng hơn so với vi khuẩn G(+). Tuy nhiên, một khi màng tế bào đã bị biến tính trong quá trình xử lý bằng kỹ thuật DPCD thì hiệu quả vô hoạt các loài vi sinh vật khác nhau l à như nhau. Tính chất về hệ enzyme trong bộ máy trao đổi chất của các loài vi sinh vật cũng ảnh hưởng đến hiệu quả của kỹ thuật DPCD. Tùy vào loài vi sinh vật khác nhau mà hệ enzyme này cũng khác nhau và chịu những ảnh hưởng với các mức độ khác nhau. Như đã nói ở trên, chưa có nghiên cứu kết luận sự vô hoạt của enzyme nào sẽ ảnh hưởng chủ yếu đến sự sống của vi sinh vật, vì vậy cần tìm hiểu thêm enzyme nào quan trọng cho sự sống của tế bào, từ đó tập trung vô hoạt những enzyme đó (phần 3.1.1.1) (Damar và Balaban, 2006; Spilimbergo và Bertucco, 2003). Ngoài ra, các loài vi sinh vật khác nhau có khả năng chịu đựng khác nhau đối với điều kiện xử lý bằng kỹ thuật DPCD, ví dụ như các vi khuẩn lactic, acetic... có thể chịu được môi trường có pH thấp, một số loài vi sinh vật khác lại có thể sinh tổng hợp những protein mới có tác dụng bảo vệ tế bào chống lại các điếu kiện khắc nghiệt như áp suất và nhiệt độ cao, nồng độ muối cao... Những nguyên nhân trên cũng góp phần làm giảm hiệu quả của kỹ thuật DPCD. Loài vi sinh vật khác nhau ảnh hưởng đến các thông số kỹ thuật của quá trình xử lý bằng kỹ thuật DPCD. Tương tự như các kỹ thuật thanh, tiệt trùng bằng nhiệt, mỗi Đồ án Công nghệ Thực phẩm 48 loài vi sinh vật có một giá trị thời gian tiêu diệt thập phân D khác nhau, vì vậy người ta sẽ chọn ra loài vi sinh vật có giá trị D cao nhất, tức là có khả năng chịu đựng cao nhất, làm đại diện để thiết lập chế độ xử lý và đánh giá hiệu quả quá trình. Các so sánh về hiệu quả của quá trình xử lý bằng kỹ thuật DPCD trên các đối tượng vi sinh vật khác nhau cần phải được xem xét kỹ lưỡng và phải có sự đồng nhất về các điều kiện xử lý. Aûnh hưởng của kỹ thuật DPCD lên các loài vi sinh vật khác nhau đến nay vẫn chưa có những kết luận cụ thể, các nghiên cứu cần phải được tiến hành thêm để tìm hiểu rõ về vấn đề này. Louka và cộng sự nghiên cứu ảnh hưởng của kỹ thuật DPCD đến sự sống của vi sinh vật (1999) cho thấy tốc độ tiêu diệt sẽ khác nhau đối với các loài vi sinh vật khác nhau với cùng một chế độ xử lý như nhau về thời gian và áp suất Hình 3.16: Aûnh hưởng của thời gian xử lý đến hiệu quả vô hoạt các loài vi sinh vật khác nhau của kỹ thuật DPCD. Đồ án Công nghệ Thực phẩm 49 Aùp suất (MPa) Hình 3.17: Aûnh hưởng của áp suất đến sự sống của các loài vi sinh vật khác nhau (thời gian xử lý 30 phút)  Aûnh hưởng của giai đoạn phát triển của vi sinh vật. Giai đoạn phát triển của vi sinh vật cũng ảnh hưởng đến hiệu quả vô hoạt vi sinh vật của kỹ thuật DPCD. Trong cùng một loài vi sinh vật, các tế bào trẻ nhạy cảm hơn các tế bào trưởng thành, do đó mà dễ bị tiêu diệt hơn. Tế bào ở pha thích nghi được cho là có sức đề kháng yếu nhất do chúng chưa sinh tổng hợp được các enzyme và các cấu trúc thích hợp với điều kiện môi trường, vì vậy mà chúng dễ dàng bị tiêu diệt bằng kỹ thuật DPCD. Ngược lại, ở pha ổn định, vi sinh vật có khả năng chịu đựng cao nhất nên khó bị vô hoạt nhất. Nguyên nhân là do trong giai đoạn này, các vi sinh vật đã sinh tổng hợp nên những protein mới có khả năng bảo vệ tế bào chống lại những ảnh hưỡng bất lợi từ môi trường như áp suất và nhiệt độ cao, sự có mặt của các chất oxy hoá khử, nồng độ muối cao... Trong các giai đoạn phát triển thì bào tử có khả năng chịu đựng cao nhất. Do cấu trúc lớp vỏ vững chắc, bền với các tác động của môi trường nên ảnh hưởng của kỹ thuật DPCD lên bào tử cũng là thấp nhất so với các gi ai đoạn phát triển khác của vi sinh vật (Damar và Balaban, 2006; Spilimbergo và Bertucco, 2003; Hong và Pyun, 1999). Đồ án Công nghệ Thực phẩm 50 Nghiên cứu của Hong và Pyun về động học quá trình vô hoạt L. plantarum bằng kỹ thuật DPCD (1999) kết luận vi sinh vật ở pha log có tính mẫn cảm cao, khả năng chịu đựng kém vì vậy mà dễ bị tiêu diệt hơn. Nghiên cứu này cũng cho thấy tốc độ vô hoạt L. plantarum ở giai đoạn pha log (nuôi cấy trong vòng 12 giờ t ại 37oC) cao hơn so với tốc độ vô hoạt ở pha ổn định (nuôi cấy trong vòng 24 giờ tại 37oC). Thời gian xử lý (phút) Pha log Pha ổn định Tỷ lệ sống sót N/N0 Hình 3.18: Tốc độ vô hoạt L. plantarum ở các giai đoạn phát triển khác nhau bằng kỹ thuật DPCD  Sự kết tụ của các tế bào vi sinh vật và bào tử Trong quá trình phát triển, một số loài vi sinh vật có xu hướng kết tụ với nhau thành từng đám lớn. Sự kết tụ này giúp cho chúng tăng khả năng chống chịu với các điều kiện bất lợi của môi trường. Trong suốt thời gian xử lý DPCD, các tế bào cũng như các bào tử càng có xu hướng kết tụ nhiều hơn nhằm chống lại các điều kiện bất lợi của môi trường. Nghiên cứu của Furukawa và cộng sự (2006) về hiện tượng kết tụ của các bào tử trong quá trình xử lý bắng kỹ thuật DPCD cho thấy, thời gian xử lý càng kéo dài thì số lượng bào tử kết tụ càng tăng. Đồ án Công nghệ Thực phẩm 51 Bảng 3.6: Kích thước các đám kết tụ bào tử theo thời gian Nguyên nhân của sự kết tụ là do ở điều kiện áp suất và nhiệt độ xử lý kỹ thuật DPCD, các protein trên màng tế bào bị biến tính, tính kỵ nước tăng, do đó chúng có xu hướng kết tụ lại với nhau nhằm làm giảm năng lượng dư bề mặt. Như vậy, việc làm giảm sự kết tụ hoặc ngăn chặn sự hình thành các đám kết tụ các tế bào và bào tử vi sinh vật sẽ làm cải thiện hiệu quả tiêu diệt vi sinh vật của kỹ thuật DPCD. Trong nghiên cứu trên, Furukawa và cộng sự đã dùng các chất hoạt động bề mặt để hạn chế hiện tượng kết tụ và kết quả sau khi xử lý cho thấy lượng vi sinh vật bị tiêu diệt tăng lên nhiều so với mẫu không sử dụng chất hoạt động bề mặt. Hình 3.19: Aûnh hưởng của các chất hoạt động bề mặt lên hiệu quả xử của quá trình xử lý bẳng DPCD trên bào tử Bacillus coagulans (A) và Bacillus licheniformis (B) 3.1.3.9. Aûnh hưởng của các yếu tố khác Hàm lượng chất béo trong môi trường xử lý cũng ảnh hưởng đến hiệu quả tiêu diệt vi sinh vật của kỹ thuật DPCD. Khi hàm lượng chất béo trong môi trường xử lý cao thì tốc độ vô hoạt vi sinh vật giảm. Nguyên nhân là do các chất béo làm giảm Đồ án Công nghệ Thực phẩm 52 khả năng thẩm thấu của CO2 qua màng tế bào bằng cách thay đổi các tính chất bề mặt của màng (Spilimbergo và Bertucco, 2003; Hong và Pyun, 1999). Sự có mặt của các chất hỗ trợ trong môi trường xử lý làm tăng hiệu quả vô hoạt vi sinh vật của kỹ thuật DPCD. Chẳng hạn như khi bổ sung một lượng SO2 (khoảng 30ppm) vào CO2 thì tốc độ tiêu diệt nấm men Saccharomyces cerevisiae tăng lên ((Spilimbergo và Bertucco, 2003). Đã có nhiều nghiên cứu khác nhau trên rất nhiều đối tượng như bia, nước quả, các loại rượu, sữa, một số các thực phẩm dạng rắn như kimchi, thịt bò... được tiến hành nhằm khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả vô hoạt vi sinh vật của kỹ thuật DPCD. Các nghiên cứu này phần nào đã đưa ra được vai trò của các thông số kỹ thuật chính cũng như đã thống nhất được một số cơ chế chủ yếu vô hoạt vi sinh vật của kỹ thuật DPCD. Đồ án Công nghệ Thực phẩm 53 3.2. Biến đổi hóa sinh Khả năng vô hoạt các enzyme ảnh hưởng đến chất lượng thực phẩm của kỹ thuật DPCD đã được nhiều nghiên cứu chứng minh. Kỹ thuật DPCD có thể vô hoạt các enzyme tại những nhiệt độ mà phương pháp truyền thống sử dụng nhiệt độ tỏ ra không hiệu quả. Hàng loạt các enzyme chịu ảnh hưởng bởi DPCD có thể kể đến như: enzyme pectinesterase (PE) làm mất màu đục của các loại nước quả đục, enzyme polyphenoloxidase (PPO) làm hóa nâu các loại quả, rau, nước trái cây và một số sản phẩm hải sản, enzyme lypoxygenase (LOX) phá hủy chlorophyll và làm tăng mùi vị khó chịu cho rau quả lạnh đông, và enzyme peroxidase (POD), một enzyme chủ yếu làm biến màu thực phẩm và được dùng như một chỉ số đánh giá hiệu quả vô hoạt enzyme dùng nhiệt độ trong quá trình chế biến các sản phẩm rau quả. Mặc dù không nhiều về mặt số lượng nhưng những nghiên cứu về khả năng vô hoạt enzyme nhờ kỹ thuật DPCD đã cho những kết quả khả quan, đặc biệt là trong các sản phẩm từ rau quả (Damar và Balaban, 2006). 3.2.1. Cơ chế vô hoạt enzyme Cũng như đối với vi sinh vật, đã có nhiều giả thuyết đưa ra các cơ chế vô hoạt enzyme nhưng vẫn chưa thể khẳng định đâu là cơ chế chủ yếu. Một số các cơ chế được đề cập đến như sau: 3.2.1.1. Tác dụng làm giảm pH Như đã trình bày ở trên, kỹ thuật xử lý với DPCD có thể làm giảm pH môi trường, và do đó làm giảm hoạt tính của một số enzyme (Damar và Balaban, 2006; Gui và cộng sự, 2006; Tanimoto và cộng sự, 2005; Tisi, 2004; Park và cộng sự, 2002; Yoshimura và cộng sự, 2002, 2001; Chen và cộng sự, 1993). Mỗi loại enzyme có một pH tối thích riêng, nếu pH môi trường ra khỏi pH này thì hoạt tính enzyme sẽ giảm. Bên cạnh đó, với một số enzyme có pH đẳng điện trong vùng acid thì pH môi trường giảm có thể dẫn đến việc đông tụ các enzyme này. Đồ án Công nghệ Thực phẩm 54 Bảng 3.7: pH tối thích của một số enzyme lấy từ các nguồn khác nhau (Yada, Proteins in food processing, CRC Press, 2004) Việc làm giảm pH của nguyên liệu nhờ kỹ thuật DPCD có thể góp phần làm giảm hoạt tính của enzyme nhưng đây không phải là cơ chế chính vô hoạt enzyme. Nguyên nhân ở đây l à do một số enzyme có pH tối thích trong vùng acid, khi đó tác dụng làm giảm pH của môi trường xử lý không thể vô hoạt các enzyme này được mà ngược lại còn góp phần làm tăng hoạt tính của chúng. Tuy nhiên, khi áp dụng kỹ thuật DPCD, mặc dù pH môi trường có giảm tới pH tối thích của các enzyme thì các enzyme này vẫn bị vô hoạt. Nghiên cứu của Balaban và cộng sự (1991) về sự vô hoạt enzyme PE trên nước cam cho thấy pH của dung dịch phải thấp hơn 2,4 thì mới có hiệu quả vô hoạt PE rõ ràng, trong khi đó, xử lý bằng DPCD chỉ cho pH vào khoảng 3,1 nhưng vẫn có tác dụng vô hoạt PE. Vì thế, nếu chỉ một mình tác dụng giảm pH thì không đủ để giải thích cơ chế vô hoạt enzyme của kỹ thuật DPCD. Một nghiên cứu khác của Chen (1992) cho kết quả mẫu tôm hùm xử lý bằng acid sao cho pH điều chỉnh vào khoảng 5,3 (bằng với pH của mẫu đạt được khi xử lý bằng DPCD) có hoạt tính enzyme PPO còn lại khoảng 30% tại nhiệt độ 35oC sau 30 phút, Đồ án Công nghệ Thực phẩm 55 trong khi đó mẫu xử lý bằng DPCD cho thấy hoạt tính của enzyme PPO bị mất đi hoàn toàn cũng tại nhiệt độ trên chỉ sau 1 phút (Damar và Balaban, 2006). Từ các kết quả nghiên cứu trên cùng với một số nghiên cứu khác, ta thấy tác dụng làm giảm pH của DPCD không phải là cơ chế vô hoạt enzyme chủ yếu. 3.2.1.2. Tác dụng thay đổi cấu hình không gian của enzyme và cơ chất Như ta đã biết, phần lớn các enzyme trong tế bào sinh vật là những protein có cấu trúc bậc 4 là cấu trúc bao gồm các tiểu phần bậc ba theo không gian ba chiều. Trong đó, một số vị trí các chuỗi polypeptide có cấu trúc dạng xoắn α, dạng gấp nếp β, dạng cấu trúc mặt cong β và dạng cuộn ngẫu nhiên. Hình 3.20: Cấu trúc của một loại enzyme peroxidase với các vị trí có cấu trúc bậc 2 và bậc 3. Dưới áp suất cao của kỹ thuật DPCD, các enzyme có thể bị biến tính do thay đổi cấu hình không gian. Cụ thể là các vị trí có cấu trúc bậc hai (α, β, cuộn ngẫu nhiên) và bậc ba sẽ bị biến tính làm duỗi mạch, tháo xoắn, thay đổi góc của nếp gấp…. Sự thay đổi cấu hình này góp phần làm giảm hoạt tính của các enzyme. Mức độ biến tính enzyme phụ thuộc vào áp suất trong khi tiến hành xử lý: để biến tính hoàn toàn các enzyme phải cần một áp suất rất cao, chẳng hạn như theo nghiên cứu của Hendrickx và cộng sự về ảnh hưởng của kỹ thuật DPCD lên protein (1998) cho thấy phải nâng áp suất lên đến 310 MPa thì protein mới bị biến tính hoàn toàn, không thể phục hồi. Do đó, sự biến tính của enzyme do tác dụng củ