Sử dụng Ozone để cải thiện chất lượng rau củ quả

Trong những năm gần đây, vấn đề an toàn thực phẩm, đặc biệt là với các loại thực phẩm ăn sống ngày càng được quan tâm. Nguyên nhân xuất phát từ việc nguồn gốc thực phẩm không rõ ràng, người nông dân lạm dụng thuốc trừ sâu, thuốc kích thích tăng trưởng.

Công nghệ truyền thống sử dụng nước có hoặc không có chất khử trùng để rửa trái cây tươi và rau quả. Clo là chất khử trùng được sử dụng rộng rãi nhất hiện có cho sản phẩm tươi sống, nhưng nó có tác dụng hạn chế trong việc tiêu diệt vi khuẩn trên bề mặt rau quả. Mức cao nhất có thể mong đợi ở nồng độ cho phép là giảm từ 1 đến 2 log (Sapers, 1998). Hơn nữa, các cộng đồng môi trường và sức khỏe đã bày tỏ lo ngại về các sản phẩm phụ còn sót lại của clo. 

Một phương pháp điều trị thay thế đang được tìm kiếm để cải thiện an toàn thực phẩm. Các nghiên cứu và ứng dụng thương mại đã xác minh rằng ozone có thể thay thế các chất khử trùng truyền thống và cung cấp các lợi ích khác (Bott, 1991; Cena, 1998; Graham, 1997). Nhiều nghiên cứu và thử nghiệm công nghiệp đang được tiến hành để xác nhận việc sử dụng ozone trong công nghiệp sản xuất. Một số cuộc họp về chủ đề này đã được Viện Nghiên cứu Điện lực (EPRI) tài trợ, bao gồm “Hội nghị về ôzôn để chế biến rau quả tươi” vào tháng 4 năm 1998 và “Hội thảo về ôzôn” vào tháng 5 năm 1998.

Tìm kiếm một giải pháp thay thế cho các chất tẩy rửa truyền thống

Trong hai thập kỷ qua, việc tiêu thụ trái cây và rau tươi tại Việt Nam đã tăng lên đáng kể. Trong khi đó, tỷ lệ mắc bệnh do thực phẩm gây bệnh, hóa chất và nước thải đã tăng lên rất nhiều. Điều này đã thu hút sự chú ý đáng kể của công chúng và chính phủ.

Số vụ ngộ độc do sử dụng thực phẩm không đảm bảo chất lượng đã tăng lên đáng kể càng khiến các nhà chức trách phải quan tâm hơn về vấn đề này. Bên cạnh đó, bản thân các nhà trồng cũng chịu tổn thất do sự phá hoại của các vi sinh vật, chúng tấn công thực phẩm vào thời điểm thu hoạch, lưu trữ khiến thực phẩm bị thối rửa, hỏng nhanh chóng.

Clo thường được sử dụng trong ngành công nghiệp rau quả tươi để cải thiện chất lượng vi sinh và kiểm soát mầm bệnh. Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng khả năng diệt vi khuẩn trên bề mặt rau quả của clo bị hạn chế (Bott, 1991; Cena, 1998; Graham, 1997; Rice et al., 1982; Sapers, 1998). Các tổ chức môi trường và sức khỏe đã bày tỏ mối quan ngại với các chất khử trùng truyền thống liên quan đến việc hình thành các sản phẩm phụ, chẳng hạn như trihalo-metan (THMs) và các dư lượng hóa chất khác hình thành trong nước thải trở lại môi trường. Ngành công nghiệp sản xuất lo ngại về khả năng có những ràng buộc pháp lý trong tương lai đối với việc sử dụng clo làm chất vệ sinh. 

Một lượng lớn thuốc trừ sâu đã được sử dụng hàng năm để kiểm soát côn trùng trên trái cây và rau quả. Các công nghệ hiện nay không thể tiêu diệt hoàn toàn dư lượng hóa chất trên bề mặt rau quả. Các dư lượng hóa chất này có thể phản ứng với thuốc trừ sâu để tạo thành các sản phẩm phụ hóa học. Những chất tồn dư này cuối cùng sẽ được khách hàng tiêu thụ và có thể ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp đến sức khỏe cộng đồng. Sự tích tụ của các hóa chất độc hại trong môi trường đã làm dấy lên sự quan tâm vào việc sử dụng an toàn các chất khử trùng, chất khử trùng, chất tẩy trắng và các hóa chất khác trong ngành chế biến thực phẩm. 

Công nghiệp sản xuất là một trong những ngành đóng góp lớn nhất và quan trọng nhất cho nền kinh tế thế giới. Nó cũng tạo ra hàng tỷ gallon nước thải hàng năm, với nồng độ rất cao nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) và dư lượng hóa chất mỗi năm ở Hoa Kỳ. Lượng nước thải này có liên quan đến nhiều vấn đề nghiêm trọng như ung thư, chết cá, ô nhiễm nước, tâm lý và bệnh sinh lý gây tổn hại hệ sinh thái. Hơn nữa, ngành công nghiệp sản xuất đang phải trả các khoản phí và phụ phí rất lớn khi xả nước thải vào hệ thống xử lý nước và nước thải công cộng.

Để đối phó với những lo ngại về an toàn thực phẩm, Tổng thống Hoa Kỳ và Quốc hội đã ban hành một sáng kiến ​​liên bang mới vào năm 1997 – Sáng kiến ​​An toàn Thực phẩm nhằm cải thiện hệ thống an toàn thực phẩm của quốc gia và môi trường. Một trong những cách tiếp cận để cải thiện an toàn thực phẩm là xác định một chất khử trùng để thay thế các chất khử trùng truyền thống.

Nghiên cứu và các ứng dụng thương mại đã chỉ ra rằng ozone có thể thay thế clo với nhiều lợi ích hơn. Năm 1997, ozone đã được Công nhận chung là An toàn (GRAS) như một chất khử trùng cho thực phẩm bởi một hội đồng chuyên gia độc lập do EPRI tài trợ. Sự tự khẳng định này là kịp thời đối với ngành sản xuất dựa trên Sáng kiến ​​An toàn Rau quả của Tổng thống. Ngành công nghiệp sản xuất rất quan tâm đến việc sử dụng ozone và muốn biết làm thế nào, khi nào và ở đâu để áp dụng nó. 

Tại sao Ozone được sử dụng làm chất khử trùng thay thế?

Công dụng tiềm năng của ozone trong công nghiệp sản xuất phụ thuộc vào thực tế là nó là một chất oxy hóa, nó mạnh gấp 1,5 lần so với clo và có hiệu quả trên một phổ vi sinh vật rộng hơn nhiều so với clo và các chất khử trùng khác. Ozone tiêu diệt vi khuẩn như Escherichia coli, Listeria, và các mầm bệnh thực phẩm khác nhanh hơn nhiều so với các chất khử trùng được sử dụng truyền thống, chẳng hạn như clo. Đặc biệt, ozone không để lại dư lượng độc hại.

Ozone là một phân tử năng lượng cao. Thời gian bán hủy của nó trong nước ở nhiệt độ phòng chỉ là 20 phút và nó phân hủy thành oxy đơn giản mà không gây lo ngại về an toàn khi tiêu thụ ozone dư trong thực phẩm đã qua xử lý. Nó cũng được ứng dụng trong việc khử trùng nước.

Trước tiên, trái cây tươi và rau quả được rửa bằng nước ozon hóa, và nước rửa có thể được thu hồi và xử lý bằng cách kết hợp ozon hóa và lọc. Nước rửa đã qua xử lý không có vi khuẩn, màu và chất rắn lơ lửng và có thể được tái chế để giảm lượng nước sử dụng. Không giống như các hệ thống rửa dựa trên clo thông thường, nước thải do quá trình ozon hóa thải ra không có dư lượng hóa chất. Ozone cũng có thể phá hủy thuốc trừ sâu và dư lượng hóa chất, chẳng hạn như các sản phẩm phụ được khử trùng bằng clo.

Ozone dạng khí là một chất khử trùng và vệ sinh mạnh, có thể được sử dụng để khử trùng thực phẩm trong phòng bảo quản và trong quá trình vận chuyển để ngăn ngừa vi khuẩn, nấm mốc và nấm men trên bề mặt thực phẩm, để kiểm soát côn trùng. Nó có thể loại bỏ hương vị không mong muốn do vi khuẩn tạo ra và loại bỏ khí ethylene về mặt hóa học để làm chậm quá trình chín của quả.

Trong nhiều thập kỷ, ozone được biết đến là một chất khử trùng và khử trùng hiệu quả để xử lý các sản phẩm thực phẩm. Nó thường được sử dụng ở Châu Âu để xử lý hệ thống nước công cộng và chế biến thực phẩm. Nó đang được sử dụng ở Mỹ cho nước đóng chai và có tiềm năng sử dụng trong nhiều ứng dụng chế biến thực phẩm. Nhiều tài liệu và nghiên cứu khẳng định lợi ích của ứng dụng ozone trong ngành công nghiệp thực thẩm.  Vì vậy, ozone có thể thay thế thành công các chất khử trùng truyền thống để kiểm soát mầm bệnh thực phẩm. 

Ôzôn là ôxy triat nguyên tử, một dạng ôxy tự nhiên được xác định lần đầu tiên vào năm 1840. Nó hòa tan một phần trong nước và giống như hầu hết các chất khí, độ hòa tan tăng khi nhiệt độ giảm. Nó có hiệu quả trong việc tiêu diệt vi sinh vật thông qua quá trình oxy hóa màng tế bào của chúng. Ozone có một đặc tính độc đáo là tự phân hủy và sẽ không để lại dư lượng độc hại. Nó có khả năng oxy hóa mạnh gấp 1,5 lần so với clo và đã được chứng minh là có hiệu quả trên một phổ vi sinh vật rộng hơn nhiều so với clo và các chất khử trùng khác. 

Ozone được tạo ra một cách tự nhiên bằng cách chiếu tia cực tím từ mặt trời và tia sét. Nó có thể được tạo ra thương mại bằng đèn UV (ở bước sóng 185 nm) hoặc phóng điện hào quang. Nếu muốn nồng độ ôzôn cao, người ta thường sử dụng phóng điện corona. Có hai loại khí cấp – không khí, thường ở nồng độ 1-3% (w / w), và oxy, thường ở 2–12% (w / w) (Pryor, 1998). 

Các ứng dụng ozone trong công nghiệp sản xuất

Nhiều ứng dụng trong công nghiệp sản xuất xuất hiện thích hợp cho việc sử dụng ozone:
• Khử trùng nước : Trong vài năm qua, ngày càng có nhiều bằng chứng cho thấy trong nước có chứa nhiều chất độc hại, đe doạ trực tiếp đến sức khoẻ con người. Ngoài ra, nước còn là tác nhân khiến các căn bệnh có cơ hội này nhiễm từ người này sang người khác. Trong những trường hợp này, xử lý khử trùng và tiệt trùng phải được áp dụng để duy trì mức độ thấp có thể chấp nhận được của vi sinh vật có thể tiếp xúc trực tiếp với thực phẩm. Hơn nữa, có một mức độ nhất định của thuốc trừ sâu và các hợp chất hữu cơ độc hại trong quá trình cấp nước do các hoạt động công nghiệp.

Theo Cơ quan Bảo vệ Môi trường, ozone là chất khử trùng chính hiệu quả nhất hiện có cho nước uống hiện nay. Trên thực tế, nó có hiệu quả hơn clo đối với việc loại bỏ vi sinh vật, bao gồm cả Cryptosporidium và Giardia kháng clo đã xâm nhập vào nguồn cung cấp thực phẩm và nước và gây ra cái chết trong những năm gần đây. Giá trị Ct để khử hoạt tính 99% của Cryptosporidium là nhỏ hơn 2 mg phút / L đối với ozone và cao hơn 30 đối với clo. Ct được định nghĩa là tích số của nồng độ chất khử trùng và thời gian cần thiết để đạt được mức độ nhất định của vi sinh vật tiếp xúc trong các điều kiện xác định.

Ozone cũng có thể phá hủy các sản phẩm phụ clo, thuốc trừ sâu và các hợp chất hữu cơ độc hại trong nước mà không có bất kỳ dư lượng độc hại nào. Ứng dụng thực tế của ozone để xử lý nước dao động từ 0,5 đến 5 ppm (tùy thuộc vào nguồn nước), với thời gian tiếp xúc dưới 5 phút. 

Ozone cũng được sử dụng để loại bỏ sắt, mangan, lưu huỳnh và kiểm soát mùi vị và mùi của nước ngọt. Ứng dụng này sẽ liên tục duy trì nước chất lượng cao không có vi sinh vật và hóa chất độc hại cho ngành sản xuất.

• Rửa trái cây và rau quả: Một cách để duy trì hoặc thậm chí cải thiện tính an toàn của sản phẩm tươi là rửa rau và trái cây bằng nước ozon. Hai loại hệ thống rửa, phun và xả, có thể được sử dụng để giảm số lượng vi sinh vật trên bề mặt sản phẩm. Các nhà khoa học đã sử dụng nước ozon để rửa rau diếp cắt nhỏ. Họ đã tiêm 1,3 mM ozon với tốc độ dòng chảy 0,5 L / phút vào hỗn hợp nước / rau diếp (1:20, w / w) với khuấy tốc độ cao hoặc trước khi ủ 3 phút và thu được khoảng 2 log cfu / g. Nhà nghiên cứu thu được kết quả cho thấy ozone giảm> 90% tổng số vi khuẩn đối với bắp cải Trung Quốc bằng phương pháp này. Ozone đặc biệt hiệu quả chống lại vi khuẩn E. coli, tác nhân gây bệnh thực phẩm được ngành sản xuất quan tâm nhất.

• Khử trùng kho bảo quản trái cây và rau quả: Ozone có thể được sử dụng trong kho lạnh sản phẩm để chống lại nấm mốc và vi khuẩn ở nồng độ rất thấp. Nó không chỉ tiêu diệt nấm mốc và vi khuẩn trong không khí và trên bề mặt sản phẩm mà còn có thể khử mùi.

Nhiều nghiên cứu ban đầu đã sử dụng ozone dạng khí để ngăn chặn hoạt động của vi sinh vật trên bề mặt thực phẩm và kéo dài thời gian bảo quản của trái cây và rau quả. Kể từ năm 1933, nhiều thí nghiệm đã được thực hiện trên nhiều loại trái cây và rau quả, bao gồm táo, khoai tây, cà chua, dâu tây, bông cải xanh, lê, nam việt quất, cam, đào, nho, ngô và đậu nành.

Barth và cộng sự. (1995) đánh giá mức độ tiếp xúc với ôzôn khi bảo quản quả mâm xôi không gai. Quả mâm xôi được thu hoạch và bảo quản ở nhiệt độ 2ºC trong không khí với 0,3 ppm ozone. Sự phát triển của nấm bị kìm hãm, trong khi 20% số quả đối chứng bị thối rữa. Xử lý bằng ôzôn không gây ra các tổn thương có thể quan sát được và màu bề mặt được giữ lại trong 12 ngày. 

Xử lý bằng khí ozone có thể là một lựa chọn tốt để kéo dài thời gian bảo quản của dâu tây vì chúng dễ bị hư hỏng bởi nước. Ewell (1940) chỉ ra rằng thời hạn sử dụng của dâu tây, mâm xôi và nho có thể tăng gấp đôi nếu 2–3 ppm ozone khí được áp dụng liên tục trong vài giờ mỗi ngày. Tuy nhiên, Norton et al. (1968) lại kết luận rằng 0,6 ppm ozone ở 60ºC đã gây ra thiệt hại trên các giống việt quất Early Black và Howes. Cần có các nghiên cứu sâu hơn bằng cách sử dụng nhiệt độ thấp để xác nhận liệu ozone có thể kiểm soát nấm với một tác động ít bất lợi hơn hay không. 

Kuprianoff (1953) nhận thấy rằng tuổi thọ của táo có thể được tăng thêm vài tuần bằng cách áp dụng 2-3 cm ³ của ozone / m ³ không khí một vài giờ mỗi ngày. Tuy nhiên, nồng độ ôzôn 10 cm ³ / m ³ khiến táo bị hỏng. 

Baranovskaya và cộng sự (1979) chỉ ra rằng thời hạn bảo quản của khoai tây có thể kéo dài đến 6 tháng ở nhiệt độ 6–14ºC và độ ẩm tương đối 93–97% với 3 ppm ozone, mà không ảnh hưởng đến chất lượng khoai tây. 

Một trong những tác dụng quan trọng của ozone trong kho lạnh là làm chậm quá trình chín của rau quả. Trong quá trình chín, nhiều loại trái cây, chẳng hạn như chuối và táo, giải phóng khí ethylene, giúp đẩy nhanh quá trình chín. Ozone rất hiệu quả trong việc loại bỏ ethylene thông qua phản ứng hóa học để kéo dài thời gian bảo quản của nhiều loại trái cây và rau quả (Rice et al., 1982).

• Xử lý nước thải: Ước tính rằng hơn 50 tỷ gallon nước ngọt được ngành sản xuất sử dụng hàng năm có nhu cầu giảm lượng nước sử dụng do chi phí xử lý nước và nước thải tăng đáng kể, khó khăn trong việc thu được lượng nước lớn, nguồn cung cấp nước có thể thay đổi cao và các vấn đề về xử lý và thải bỏ nước thải. Ozone là một ứng cử viên hoàn hảo để xử lý nước tái chế, vì nó là một chất oxy hóa mạnh được sử dụng để khử trùng, loại bỏ màu, mùi và độ đục, và giảm tải lượng hữu cơ của nước thải.

Williams và cộng sự. (1995) báo cáo rằng lượng vi khuẩn giảm được 3 log khi nước rửa cà rốt được xử lý bằng ozone. Piper (1998) cho thấy rằng việc rửa cà chua bằng nước ozon đã cải thiện đáng kể chất lượng vi khuẩn. Nước rửa được tái chế với chất lượng rất cao (độ truyền sáng> 95%, độ tạo cặn <0,01 in / năm và tốc độ ăn mòn dưới 5 m / năm đối với thép nhẹ). 

Có rất nhiều nghiên cứu và ứng dụng sử dụng ozone để tái chế nước xử lý trong các ngành công nghiệp khác, đặc biệt là ngành chăn nuôi gia cầm. Nghiên cứu sâu hơn là cần thiết về nước thải từ ngành công nghiệp sản xuất. 

Thiết bị được sử dụng trong các ứng dụng ozone trong công nghiệp sản xuất tương đối đơn giản. Hệ thống ozone hoàn chỉnh với tái chế nước bao gồm máy phát điện (kích thước tùy thuộc vào ứng dụng), bể tiếp xúc, hệ thống khử khí, bộ phận hủy ozone, bộ lọc và hệ thống xả. Hệ thống có thể được thiết kế để phù hợp với một khu vực nhỏ và có thể được lắp đặt rất dễ dàng mà không cần bất kỳ sự thay đổi lớn nào của dây chuyền xử lý. 

Ozone có thực sự an toàn?

Ozone được hình thành tự nhiên trong bầu khí quyển trên cao từ oxy bởi tia UV và bởi các phóng điện trong khí quyển như sét hoặc cực quang borealis. Nó cũng được tìm thấy ở các tầng thấp hơn của khí quyển, chủ yếu là kết quả của quá trình oxy hóa quang hóa các hydrocacbon từ khí thải ô tô và công nghiệp. Nó cũng ngẫu nhiên được sản xuất bởi máy photocopy, máy biến điện và các thiết bị điện khác. 

Giống như tất cả các khí oxy hóa, nó có khả năng gây hại nếu con người tiếp xúc với nồng độ cao trong một thời gian đủ. Các giới hạn ngưỡng đã được thiết lập bởi Cục Quản lý An toàn và Sức khỏe Nghề nghiệp. Giá trị giới hạn ngưỡng hiện tại –Giới hạn phơi nhiễm dài hạn (TLV-LTEL ) đối với việc tiếp xúc với ozone trong môi trường làm việc là 0,1 ppm cho một ngày làm việc bình thường 8 giờ / tuần làm việc 40 giờ, theo khuyến nghị của Hội nghị các nhà vệ sinh công nghiệp chính phủ Hoa Kỳ ( ACGIH) và được OSHA chấp thuận. Giá trị giới hạn ngưỡng hiện tại – Giới hạn phơi nhiễm ngắn hạn (TLV-STEL) là 0,3 ppm trong 15 phút. Đây là mức mà những người khỏe mạnh có thể tiếp xúc trong một khoảng thời gian ngắn (15 phút) mà không bị kích ứng cơ thể hoặc các tác động cấp tính khác, miễn là không vượt quá TLV-LTEL. 

Ozone có giá trị TLV-LTEL thấp nhất so với các khí thường được sử dụng khác như CO₂ , N₂ và O₂ . Sử dụng an toàn hơn các loại khí khác (Pryor, 1998) vì:

• Ozone có động học phản ứng nhanh hơn vì khả năng oxy hóa rất cao. Cần ít hơn hoặc giảm thời gian tiếp xúc với hóa chất để hoàn thành các phản ứng oxy hóa mong muốn, so với các chất oxy hóa yếu hơn.
• Ozone được tạo ra tại chỗ, ở nồng độ và áp suất tương đối thấp (<15 psig) .  Nó được tiêu thụ ngay lập tức trong quá trình xử lý và không thể được lưu trữ dưới dạng khí nén. Không giống như các loại khí khác, không thể kiểm soát được, phát tán rộng rãi và đột ngột lượng lớn ôzôn.
• Ozone có thời gian bán hủy tương đối ngắn, thường được đo bằng phút trong pha nước đến hàng giờ trong pha khí. Bất kỳ sự phóng thích ngẫu nhiên nào của ozone sẽ không tồn tại trong môi trường trong một thời gian dài, so với việc giải phóng một khí độc ổn định hơn.
• Ozone phân hủy thành oxy nguyên tử mà sẽ không tạo thành các hợp chất có hại cho môi trường hoặc khó phân hủy khi phản ứng với các hydrocacbon thông thường, cũng như không dẫn đến việc hình thành các hydrocacbon clo hóa như THM. 
• Ozone có mùi đặc trưng, có thể được cảm nhận ở nồng độ thấp tới 0,01 ppm, hoặc một phần mười TLV-LTEL cho phép. Nó dễ dàng được phát hiện bởi một cá nhân ở nồng độ rất thấp trước khi xảy ra tình huống có hại. Ozone được coi là phân tán tự do trong khí quyển theo các mô hình EPA. Nó sẽ không chìm xuống tầng thấp và tập trung gần mặt đất, nơi có khả năng tiếp xúc với con người là lớn nhất.
• Ozone chỉ xuất hiện các triệu chứng cấp tính, tạm thời khi con người tiếp xúc, ngoại trừ một số trường hợp rất hiếm khi tiếp xúc quá mức kéo dài, nghiêm trọng với nồng độ cao (vài giờ ở> 2–3 ppm). Các triệu chứng này bao gồm chảy nước mắt, tức ngực, khó thở và cổ họng bị kích thích. Có thể bị đau đầu hoặc choáng váng. Khuyến cáo điều trị phơi nhiễm quá mức bao gồm đưa những người bị phơi nhiễm ra khỏi khu vực phơi nhiễm và nghỉ ngơi, ngoại trừ những trường hợp phơi nhiễm quá mức nghiêm trọng mà khuyến cáo sử dụng oxy. Các triệu chứng thường bắt đầu giảm dần trong vòng vài phút sau khi kết thúc phơi nhiễm và phục hồi hoàn toàn xảy ra trong vài giờ hoặc vài ngày, ngay cả trong những trường hợp phơi nhiễm nghiêm trọng nhất. 
• Ozone không được coi là chất gây ung thư hoặc chất gây đột biến. Nó không tích tụ trong mô mỡ hoặc gây ra các tác động mãn tính lâu dài.

Từ những thảo luận trên, rõ ràng rằng ozone có thể được sử dụng một cách an toàn. Tuy nhiên, các biện pháp phải được thực hiện khi làm việc với ozone để ngăn ngừa sự phơi nhiễm không cần thiết. Phải sử dụng thiết bị bảo hộ nhân viên, hệ thống xả, bộ phận hủy và màn hình khi làm việc với ozone.