Xử lý bằng ôzôn là một công nghệ chế biến thực phẩm thân thiện với môi trường và hiệu quả về chi phí. Nó đã được sử dụng thành công để loại bỏ cặn sữa và vi khuẩn tạo màng sinh học khỏi bề mặt thép không gỉ và trong chế biến sữa, bao gồm cả sữa dạng lỏng, các sản phẩm sữa bột và pho mát. Ozon hóa đã được chứng minh là có thể ngăn chặn sự phát triển của nấm mốc trên phô mai và khử hoạt tính của nấm mốc trong không khí trong các cơ sở bảo quản và ủ chín phô mai. Xử lý bằng ôzôn cũng được coi là một phương pháp đầy hứa hẹn để giảm nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải chăn nuôi bò sữa.
Giới thiệu
Ôzôn (O3) là chất ôxy hóa phổ biến mạnh thứ hai sau flo. Nó được Schönbein phát hiện vào năm 1839 và lần đầu tiên được sử dụng thương mại để xử lý nước uống ở Pháp hơn một thế kỷ trước. Ứng dụng Ozon hóa trong chế biến thực phẩm đã được chấp thuận hợp pháp, mặc dù ở các mức độ khác nhau, ở Bắc Mỹ, Úc, New Zealand, Nhật Bản và một số quốc gia châu Âu. Các quy tắc và quy định cụ thể do FDA Hoa Kỳ ban hành liên quan đến ozon hóa các sản phẩm thực phẩm, bao gồm cả nước đóng chai, đã kích thích sự quan tâm gia tăng trên toàn cầu đối với việc sử dụng ozone cho các mục đích xử lý và chế biến thực phẩm (Bộ Y tế và Dịch vụ Nhân sinh Hoa Kỳ, Thực phẩm và cục Quản lý dược phẩm). Ở nhiều nơi trên thế giới, ozon hóa ngày càng được chấp nhận rộng rãi hơn trong ngành công nghiệp thực phẩm như một công nghệ xanh thân thiện với môi trường.
Một số đánh giá, chương sách và sách đã được xuất bản về việc sử dụng ozone trong ngành công nghiệp thực phẩm trong thập kỷ qua. Phát triển gần đây đáng chú ý bao gồm phương pháp tiếp cận liên quan đến việc sử dụng kết hợp của ozone và các phương pháp chế biến thực phẩm tiên tiến khác, chẳng hạn như rửa với nước điện phân, xử lý siêu âm, chiếu xạ tia cực tím và đóng gói khí quyển biến đổi. Cũng phải đề cập đến công nghệ ion hóa trong bao bì (plasma) mới, theo đó mức độ ôzôn đáng kể được tạo ra bên trong các gói thực phẩm được niêm phong bằng cách sử dụng các điện cực dòng điện thấp, điện áp cao được đặt bên dưới và bên trên bao bì. Những cách tiếp cận như vậy phù hợp với nhiều ứng dụng thực phẩm, từ các sản phẩm thịt đến sản phẩm tươi sống. Đây là đánh giá toàn diện đầu tiên về việc sử dụng ozone trong ngành công nghiệp sữa.
Tính chất vật lý và sự tạo ra ôzôn
Các tính chất vật lý chính của ozon được thể hiện trong Bảng 1. Ozone, một chất khí hơi xanh, có mùi hăng, là một dạng phản ứng cực kỳ mạnh và không ổn định của oxy (O2) có tiềm năng oxy hóa cao −2,07 V truyền tải các đặc tính kháng khuẩn phổ rộng. Nó được tạo ra bởi phản ứng của các gốc oxy tự do với các phân tử O 2 . Nhiều phương pháp tồn tại cho việc tạo ra ozone, trong đó có phóng điện corona, bức xạ cực tím, nhiệt, hóa chất, điện và các phương pháp chemonuclear.
Bảng 1. Tính chất vật lý của ozone
| Tham số | Giá trị |
| Trọng lượng phân tử | 48 |
| Mật độ (kg / m 3 ) | 2,14 |
| Điểm sôi (° C) | −111,9 |
| Điểm nóng chảy (° C) | −192,6 |
| Nhiệt độ tới hạn (° C) | −12,1 |
| Áp suất tới hạn (atm) | 54,6 |
| Thế oxy hóa (V) | −2,07 |
| Độ hòa tan trong nước ở 0 ° C (L / L) | 0,640 |
| Độ hòa tan trong nước ở 15 ° C (L / L) | 0,456 |
| Độ hòa tan trong nước ở 40 ° C (L / L) | 0,112 |
| Độ hòa tan trong nước ở 60 ° C (L / L) | 0,000 |
Lợi ích của việc sử dụng ozone trong chế biến thực phẩm
Mặc dù là một chất khử trùng hiệu quả cao, ozone không để lại dư lượng hóa chất trên thực phẩm hoặc bề mặt tiếp xúc với thực phẩm vì nó nhanh chóng tự phân hủy thành các sản phẩm không độc hại, do đó giảm cả tác động môi trường và chi phí của công ty. Một ưu điểm khác của việc ứng dụng ozone trong các hoạt động chế biến thực phẩm là ozone có thể được tạo ra theo yêu cầu tại chỗ và trái ngược với các chất khử trùng bằng hóa chất thông thường, nó không yêu cầu vận chuyển cũng như bảo quản. Ngoài ra, chi phí vận hành của các hệ thống ozon hóa thấp vì chúng chỉ tiêu thụ một lượng điện hạn chế.
Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả ozon hóa
Hiệu quả của ozone trong các ứng dụng chế biến thực phẩm bị ảnh hưởng bởi một loạt các biến, bao gồm nhiệt độ xử lý, giá trị pH, độ ẩm tương đối và số lượng các hợp chất tiêu thụ ozone, bởi vì tất cả các yếu tố này ảnh hưởng khác nhau đến độ hòa tan, khả năng phản ứng và độ ổn định của ozone.
Khi nhiệt độ tăng, ozon trở nên kém bền hơn và ít hòa tan hơn nhưng phản ứng mạnh hơn. Do đó, nhiệt độ nên được kiểm soát cẩn thận trong ozon hóa để duy trì một sự cân bằng trong khả năng hòa tan, ổn định và hiệu quả khử trùng. Đối với độ pH, ozon kém ổn định ở giá trị cao hơn so với giá trị pH thấp. Tuy nhiên, khi autodecomposes ozone tại giá trị pH cao, các gốc tự do được hình thành rõ ràng góp phần vào hiệu quả của nó. Liên quan đến độ ẩm, tỷ lệ tiêu diệt vi sinh vật cao hơn khi ozone được sử dụng trong bầu không khí có độ ẩm tương đối tăng. Cuối cùng, các chất hữu cơ hòa tan được biết là làm giảm tỷ lệ khử trùng bằng cách cạnh tranh với các vi sinh vật để tạo ozone. Do đó, sự vắng mặt của các hợp chất hữu cơ trong nước ozone hóa được sử dụng trong chế biến thực phẩm là rất hấp dẫn.
Vô hiệu hóa vi sinh vật và các sản phẩm vi sinh vật bằng phương pháp ozon hóa
Quá trình khử hoạt tính của vi sinh vật bằng cách ozon hóa là một quá trình phức tạp. Ozone có khả năng tấn công các thành phần khác nhau trong màng tế bào, thành tế bào, tế bào chất, lớp vỏ nội bào tử, capsid của virus và vỏ bọc của virus. Đáng chú ý là các liên kết đôi của các axit béo không bão hòa đặc biệt dễ bị tấn công bởi sự tấn công của ozone. Đặc tính kháng khuẩn mạnh mẽ của ozone là do khả năng oxy hóa cao đã đề cập trước đây và khả năng khuếch tán qua màng sinh học của nó.
Theo nguyên tắc chung, tất cả các vi sinh vật đều có độ nhạy vốn có đối với ozone. Nấm mốc có sức đề kháng cao hơn nấm men và nấm men có sức đề kháng cao hơn vi khuẩn, với vi khuẩn gram âm thậm chí còn nhạy cảm hơn vi khuẩn gram dương. Ozone là kém hiệu quả chống lại cả nấm và vi khuẩn bào tử hơn các tế bào sinh dưỡng. Virus cũng tương tự như vi khuẩn ở điểm nhạy cảm với ozon với vi khuẩn có khả năng kháng ít nhất. Cũng cần phải lưu ý rằng ozone đã được sử dụng thành công để giải độc thường xảy ra mycotoxin bởi một trong hai hoàn toàn làm giảm chúng hay gây biến đổi hóa học, do đó làm giảm đáng kể hoạt tính sinh học của họ.
Các khía cạnh sức khỏe và an toàn của ứng dụng ozone
Tiếp xúc với ôzôn ở nồng độ thấp khoảng 0,1 mg / L chỉ gây kích ứng cho mắt, cổ họng và mũi, trong khi nồng độ ôzôn cao tới 95 mg / L thậm chí có thể gây tử vong không thể đảo ngược đối với con người. Do đó, các hệ thống hiệu quả để phát hiện và xúc tác hoặc phá hủy nhiệt của ozone là cần thiết một cách hợp lý để đảm bảo an toàn cho nhân viên trong các nhà máy chế biến thực phẩm. Điều này đặc biệt quan trọng nếu ozone được sử dụng ở thể khí. Trong những trường hợp như vậy, phải lắp đặt máy phân tích ôzôn liên tục để kích hoạt cảnh báo chung (tức là cả tín hiệu cảnh báo bằng âm thanh và hình ảnh) ngay khi nồng độ ôzôn vượt quá 0,1 ppm (bằng 0,2 mg / m 3 ) trong không khí của phòng ozon hóa.
Sử dụng Ozone trong các trang trại chăn nuôi bò sữa
Việc thực hiện các quy trình vệ sinh tốt trong các trang trại bò sữa là điều kiện tiên quyết để sản xuất sữa tươi nguyên liệu chất lượng cao và an toàn vi sinh. Cho rằng ozone là một chất oxy hóa mạnh hoạt động chống lại nhiều loại vi sinh vật, bao gồm vi rút, vi khuẩn, nấm men, nấm mốc và động vật nguyên sinh, xử lý ozone có thể được áp dụng trên trang trại bò sữa cho một loạt các lý do và mục đích.
Các đường ống dẫn sữa từ các trạm vắt sữa riêng lẻ đến bồn chứa lớn phải được làm sạch sau mỗi lần vắt sữa. Nước nóng với hóa chất thường được sử dụng trong quá trình làm sạch và khử trùng tiêu thụ một lượng lớn năng lượng và hóa chất. Việc sử dụng ozone có thể làm giảm đáng kể chi phí hóa chất và loại bỏ hoàn toàn chi phí nước nóng ở các trang trại bò sữa. Một nhà khoa học đã nộp bằng sáng chế cho phương pháp, hệ thống và thiết bị cung cấp ozone vào năm 2013, theo đó nước được ozon hóa, chứa ozone ở mức thích hợp là 0,04–1,2 ppm, được sử dụng để làm sạch và khử trùng động vật sữa, thiết bị vắt sữa và các bề mặt khác nhau trong cơ sở chăn nuôi bò sữa. Nếu chân sau, bầu vú và núm vú của bò được rửa sạch bằng nước ozon trước khi vắt sữa, nhiều vấn đề vệ sinh có thể dễ dàng được ngăn chặn.
Ozone thậm chí đã được sử dụng thành công để điều trị bệnh viêm vú ở bò, căn bệnh đắt tiền nhất và phổ biến nhất trong sản xuất sữa. Khi 6–30 mg ôzôn được truyền vào mỗi phần tư vú bị viêm của bò bị viêm vú lâm sàng cấp tính, 60% số gia súc bị bệnh đã khỏi hoàn toàn mà không cần dùng đến kháng sinh. Trong những trường hợp này, hiệu quả của liệu pháp ozone giống như hiệu quả của điều trị bằng thuốc kháng sinh. Các tác giả đã kết luận rằng liệu pháp ozone là một phương pháp chữa viêm vú an toàn, hiệu quả và rẻ tiền mà không để lại dư lượng kháng sinh trong sữa tươi nguyên liệu.
Một công dụng khác của ozone ở các trang trại bò sữa là bổ sung ozone ở nồng độ rất thấp vào không khí trong chuồng để tiêu diệt các mầm bệnh trong không khí và khử mùi phân trong chuồng.
Sử dụng Ozone trong chế biến sữa
Các ứng dụng chế biến sữa chính của ozone được xem xét trong các phần phụ sau đây và cũng được tóm tắt theo danh mục trong Bảng 2.
Bảng 2. Các ứng dụng chế biến sữa chính của ozone
| Thể loại ứng dụng | Sự đối xử | Mục tiêu | Kết quả |
| Loại bỏ cặn sữa và vi khuẩn tạo màng sinh học khỏi bề mặt thép không gỉ | Nước lạnh Ozon hóa (10 °C) trong 15 phút | Đất bò sữa được làm nóng (sữa khô không béo hoàn nguyên, 20% tổng chất rắn) trên tấm kim loại | 84% đất bò sữa được loại bỏ khỏi đĩa |
| Nước Ozon hóa (40 NL / h, 80 g / Nm 3 ) trong thiết bị dòng chảy bề mặt bể trong tối đa 30 phút | Cô đặc whey protein biến tính nhiệt (WPC) trên phiếu thép không gỉ | Tăng tỷ lệ loại bỏ WPC trong vòng 10 phút so với xử lý bằng dung dịch NaOH 0,5% (w / w) | |
| Xử lý sơ bộ bằng ozone dạng khí (0,1–0,5%, v / v) | Albumin huyết thanh bò được xử lý nhiệt (BSA) trên các hạt thép không gỉ | Tăng tỷ lệ giải hấp BSA trong quá trình làm sạch kiềm ăn da tiếp theo | |
| Nước khử ion Ozon hóa (0,5 ppm trong 10 phút) | Pseudomonas fluorescens ATCC 949 và Alcaligenes faecalis ATCC 337 trong màng sinh học sữa tiệt trùng trên tấm thép không gỉ | Giảm 5,6 và 4,4 log 10 cfu / cm 2 , tương ứng | |
| Nước muối đệm photphat được ozon hóa (0,6 ppm trong 10 phút) | Pseudomonas spp. trong màng sinh học sữa tiệt trùng trên phiếu thép không gỉ | Giảm khoảng 3–4 log 10 cfu / trong 2 lần quần thể Pseudomonas | |
| Ôzôn dạng khí (2 ppm trong 4 giờ) | Escherichia coli ATCC 25922, Listeria innocua , Serratia liquefaciens , Staphylococcus aureus và Rhodotorula rubra trong màng sinh học sữa tiệt trùng trên hình vuông bằng thép không gỉ | Giảm tới 5,64 log 10 cfu / cm 2 trong khả năng sống của vi sinh vật | |
| Nước cất, khử ion được xử lý bằng ozone xung (0,4–0,5 ppm) được áp dụng trong 20 phút / ngày trong 7 ngày ở 21–23 ° C | Vật liệu kim loại (tấm) dùng làm bề mặt tiếp xúc với thực phẩm trong chế biến sữa | Giảm trọng lượng đáng kể của tấm thép cacbon ( P < 0,05) | |
| Sữa nước | Xử lý ozone ‘nhẹ’ (thông số không xác định) | Sữa và các sản phẩm từ sữa nước | Giảm thiểu sự suy giảm chất lượng sản phẩm |
| Ozone có áp suất (5–35 mg / L trong 5–25 phút) | Quần thể vi sinh vật trong sữa tách béo | Giảm 2,4 log 10 cfu / mL trong số lượng psychrophic | |
| Ôzôn dạng khí (tốc độ tạo: 0,2 g / h) | Listeria monocytogenes trong các mẫu sữa tươi nguyên liệu thương mại và sữa có nhãn hiệu (số lượng trung bình còn sống: 5,5 và 5,7 log 10 cfu / mL, tương ứng) | Loại bỏ hoàn toàn Listeria monocytogenes sau 15 phút | |
| Ôzôn dạng khí (1,5 mg / L trong 5–15 phút) | Hệ vi sinh vật của sữa tươi nguyên liệu (tổng số đĩa trung bình: 4,18 log 10 cfu / mL) | Giảm tới 1 log 10 cfu / mL số lượng vi khuẩn và nấm sau 15 phút | |
| Xử lý sơ bộ bằng ozon ở dạng khí (nồng độ và thời gian không xác định) sau đó là quá trình thanh trùng | Sữa tươi | Kéo dài thời hạn sử dụng mà không bị oxy hóa lipid hoặc protein quá mức trong sản phẩm cuối cùng (sữa nước thương mại) | |
| Sản phẩm sữa bột | Ôzôn dạng khí (2,8 mg / L hoặc 5,3 mg / L trong 0,5–2 giờ) | Cronobacter sakazakii ATCC 51329 trong sữa bột tách béo (SMP) và sữa bột nguyên kem (WMP) ở 5,92 log 10 cfu / g | Ghi lại 10 cfu / g giảm khoảng 3 (SMP) và 1,4 (WMP) trong số đếm Cronobacter sau 2 giờ |
| Ozone dạng khí (2 ppb hoặc 32 ppb trong quá trình sản xuất bột sữa) | SMP và WMP | Giảm điểm cảm quan khi tăng mức ôzôn nền và hàm lượng chất béo | |
| Ozone dạng khí (thông số xử lý không xác định) | WMP | Ảnh hưởng tiêu cực đến các đặc tính cảm quan do quá trình oxy hóa lipid | |
| Ozone khí (60 g / h) hoặc nước (4,5 ppm) trong tối đa 15 phút | Whey protein cô lập (WPI) | Tăng cường tạo bọt và ổn định bọt, trong khi giảm khả năng hòa tan và ổn định nhũ tương của WPI | |
| Ôzôn dạng khí (khoảng 20 mg / L trong 30–480 phút) | WPI | Cải thiện khả năng tạo bọt và độ ổn định của bọt, trong khi giảm khả năng hòa tan của WPI | |
| Phô mai và bầu không khí trong nhà trong các phòng ủ và bảo quản phô mai | Ôzôn dạng khí (3–10 ppm trong tối đa 30 ngày) | Mốc phát triển nặng trên pho mát Cheddar | Ức chế nấm mốc phát triển mà không phá hủy nấm mốc (tác dụng chống nấm mốc); và giảm 94% số lượng bào tử nấm mốc trong không khí của phòng bảo quản |
| Ôzôn dạng khí (0,2–0,3 ppm cho tối đa 63 ngày) | Sự phát triển của nấm mốc trên pho mát Cheddar | Ức chế sự phát triển của nấm mốc trên các mặt của pho mát; và giảm 88% số lượng bào tử nấm mốc trong không khí của phòng bảo quản | |
| Ôzôn dạng khí (2,5–3,5 ppm trong 4 giờ với khoảng thời gian từ 2 đến 3 ngày) | Phô mai kiểu Nga và Thụy Sĩ | Ức chế sự phát triển của nấm mốc trên pho mát và vật liệu đóng gói lên đến 4 tháng bảo quản trong tủ lạnh | |
| Ôzôn dạng khí (4 ppm trong 8 phút) | Phô mai Ý chứa nhiều vi khuẩn Listeria monocytogenes (lên đến 3 log 10 cfu / g) ở các giai đoạn chín khác nhau | Loại bỏ hoàn toàn L. monocytogenes chỉ khỏi pho mát bị nhiễm trong tuần đầu tiên của quá trình chín | |
| Nước ozon hóa (2 mg / L trong 1-2 phút) | Hệ vi sinh vật của pho mát Minas Frescal | Giảm khoảng 2 log 10 cfu / g về số lượng vi khuẩn và nấm ban đầu ( P < 0,05) | |
| Nước làm mát được ozon hóa trước (2 mg / L) (15 ° C) | Hệ vi sinh vật của pho mát mozzarella có độ ẩm cao | 3,58 và 6,09 log tổng số đĩa thấp hơn 10 cfu / g và Pseudomonas spp. số lượng tương ứng so với trong các mẫu mozzarella đối chứng được làm lạnh bằng nước nonozonat, sau 21 ngày bảo quản | |
| Ôzôn dạng khí (lên đến 5 ppm) | Không khí trong phòng làm chín pho mát | Giảm tới 99% số lượng nấm mốc có trong không khí | |
| Ôzôn dạng khí (tốc độ tạo: 4–8 g / h) trong 20 tuần | Không khí trong phòng làm chín pho mát | Giảm gấp 10 lần tải trọng nấm mốc có trong không khí (xuống <50 MPN / m 3 ), với phần lớn các chủng phân lập thuộc Penicillium spp. | |
| Ôzôn dạng khí (0,24 ppm trong 40 ngày) | Các bề mặt pho mát kiểu Parmesan, bề mặt kệ và không khí của phòng ủ pho mát | Lần lượt giảm 0,74, 0,93 và 2,07 log 10 về số lượng nấm sống được ( P < 0,05) | |
| Ôzôn dạng khí (0,38 ppm trong 60 ngày) | Không khí trong phòng làm chín pho mát | Giảm 63% số lượng nấm men và nấm mốc có trong không khí | |
| Xử lý nước thải trong chế biến sữa | Ozone dạng khí (thông số xử lý không xác định) | Nước thải từ sữa có hàm lượng chất béo 80–230 mg / L | Giảm 96–98% hàm lượng chất béo |
| Xử lý sơ bộ bằng ozone dạng khí (150 mg / L / h trong 60 phút) | Nước thải từ sữa với 6100 mg / L nhu cầu oxy hóa học (COD) | Tăng cường loại bỏ COD và tăng khả năng phân hủy sinh học của retentate trong quá trình lọc nano tiếp theo (4,0 MPa ở 20 ° C) | |
| Xử lý ozone dạng khí (30 mg / L trong 5–20 phút) | Mô hình nước thải sữa với 4000 mg / L COD | Giảm tới 25% COD | |
| Xử lý sơ bộ bằng ozone dạng khí (30 mg / L trong 5–20 phút) | Mô hình nước thải sữa với 4000 mg / L COD | Tăng thông lượng và giảm tắc nghẽn màng trong quá trình lọc nano tiếp theo (3.0 MPa ở 25 ° C) | |
| Xử lý sơ bộ bằng ozone dạng khí (2 g / h trong 240 phút ở pH 7–12) | Nước thải sữa với 6300 mg / L COD | Hiệu quả loại bỏ COD cao (71%) ở pH 12 | |
| Siêu âm (76,4 kJ / kg TS năng lượng riêng) sau đó là xử lý sơ bộ bằng ozon ở dạng khí (0,0011 mg O 3 / mg SS) | Bùn hoạt tính từ chất thải sữa có hàm lượng COD hòa tan, chất rắn lơ lửng (SS) và tổng chất rắn (TS) lần lượt là 400, 7000 và 12 560 mg / L | Tăng cường khả năng hòa tan COD, giảm SS và khả năng phân hủy sinh học kỵ khí (so với quá trình ozon hóa đơn lẻ) | |
| Ôzôn dạng khí (10 g / Nm 3 trong tối đa 7 giờ ở pH 2–10) | Nước thải whey phô mai đã qua xử lý sinh học với 520 mg / L COD | COD giảm đáng kể, đặc biệt khi quá trình ozon hóa được kết hợp với việc sử dụng 16,5–33,0 mM H 2 O 2 |
Loại bỏ cặn sữa và vi khuẩn tạo màng sinh học khỏi bề mặt thép không gỉ
Rửa sơ bằng nước ấm thường là bước đầu tiên trong việc làm sạch thiết bị chế biến sữa để loại bỏ phần lớn cặn sữa (hay còn gọi là đất sữa). Các nhà khoa học đã định lượng và hình dung hiệu quả của nước ấm (40 °C) và nước lạnh được ozon hóa (10 °C) như một chất sơ chế để loại bỏ đất bò sữa khỏi các tấm thép không gỉ. Hình ảnh hiển vi điện tử quét cho thấy bề mặt kim loại được làm sạch bằng cách ozon hóa hiệu quả hơn so với xử lý nước ấm 40 °C. Theo kết quả đo nhu cầu oxy hóa học (COD), nước ozon hóa loại bỏ 84% cặn sữa từ đĩa, trong khi xử lý nước ấm không đun nóng chỉ loại bỏ 51% nguyên liệu đất bò sữa, nhưng hai giá trị không khác biệt đáng kể ( P >0,05). Tương tự, Fukuzaki và Jurado-Alameda et al . (đã nghiên cứu tính phù hợp của ozone để loại bỏ protein biến tính nhiệt khỏi bề mặt thép không gỉ. Quá trình ozon hóa cả dạng nước và dạng khí đều tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình giải hấp protein whey.
Các vi sinh vật bám trên bề mặt tiếp xúc với sữa rất khó bị tiêu diệt và có thể làm giảm chất lượng vi sinh của sữa và thực phẩm từ sữa. Ozon hóa là một giải pháp thay thế khả thi cho các chất khử trùng dựa trên clo được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp sữa. Greene và cộng sự phát hiện ra rằng nước khử ion bằng ozon chứa 0,5 ppm ozon có khả năng làm giảm quần thể vi khuẩn làm hỏng sữa psychrotrophic phổ biến ( Pseudomonas fluorescens và Alcaligenes faecalis ) trên tấm thép không gỉ hơn 4 log 10 chu kỳ trong thời gian tiếp xúc 10 phút . Hiệu quả của nước ozon hóa chống lại các màng sinh học củaP. fluorescens và A. faecalis vượt trội hơn so với chất khử trùng bằng clo thương mại được sử dụng ở 100 ppm trong 2 phút. Những phát hiện tương tự đã được báo cáo bởi Dosti et al người đã xác định rằng cả ozon (0,6 ppm trong 10 phút) và clo (100 ppm trong 2 phút) làm giảm đáng kể quần thể của ba loài Pseudomonas trong màng sinh học trên phiếu thép không gỉ, so với đối chứng ( P < 0,05) . Cũng cần lưu ý rằng việc áp dụng kết hợp ozone và siêu âm công suất thậm chí còn hiệu quả hơn trong việc loại bỏ màng sinh học của vi khuẩn so với việc xử lý đơn lẻ.
Tuy nhiên, chỉ nên sử dụng nước ozon để thay thế nước ấm và clo cho mục đích tẩy rửa và khử trùng, nếu bề mặt của thiết bị chế biến sữa không bị ảnh hưởng xấu. Trong một thử nghiệm của Greene et al , khoảng 0,4–0,5 ppm ozone xung vào nước ở 21–23 ° C trong 20 phút mỗi ngày trong khoảng thời gian 7 ngày đã gây ra sự giảm trọng lượng nhất định của tất cả các vật liệu được thử nghiệm (ví dụ như nhôm, đồng, thép không gỉ và thép cacbon). Do đó, người ta kết luận rằng cần phải chú ý đặc biệt khi áp dụng phương pháp ozon hóa xung cho hệ thống nước làm lạnh sữa có chứa các bộ phận bằng đồng hoặc thép cacbon.
Sữa nước
Sữa tươi nguyên liệu được xử lý truyền thống bằng các quy trình nhiệt để an toàn cho con người. Tuy nhiên, việc đun nóng có thể ảnh hưởng tiêu cực đến cả giá trị dinh dưỡng và các đặc tính cảm quan của sữa. Vì lý do này, Sander đã cấp bằng sáng chế cho một phương pháp xử lý chất lỏng bằng ozone nhẹ, bao gồm sữa và thực phẩm từ sữa, do đó giảm thiểu sự suy giảm chất lượng có thể có của chúng. Rojek và cộng sự . đã sử dụng ôzôn có áp suất (5–35 mg / L trong 5–25 phút) để bảo quản sữa tách béo bằng cách giảm số lượng vi sinh vật của nó. Phương pháp điều trị đã được chứng minh là làm giảm số lượng psychrotrophs hơn 99%. Sheelamary và Muthukumar đã loại bỏ hoàn toàn vi khuẩn Listeria monocytogenes từ cả các mẫu sữa tươi nguyên liệu và sữa có thương hiệu thông qua quá trình ozon hóa.
Trong một nghiên cứu gần đây, hiệu quả của việc khử hoạt tính của vi sinh vật trong sữa tươi nguyên liệu bằng cách xử lý bằng ozone đã được đánh giá (Cavalcante et al). Khí ôzôn sủi bọt ở 1,5 mg / L trong 15 phút được phát hiện làm giảm số lượng vi khuẩn và nấm lên đến 1 log 10 chu kỳ. Do đó, chỉ Ozon hóa không có khả năng giết chết một tỷ lệ đủ cao của hệ vi sinh vật trong sữa tươi nguyên liệu.
Một công ty Thụy Điển đã phát triển một quy trình nhẹ nhàng bao gồm tiền ozon hóa sau đó là bước thanh trùng thông thường. Quá trình xử lý được cho là dẫn đến sữa dịch thương mại có thời hạn sử dụng kéo dài mà không gây ra quá trình oxy hóa lipid hoặc protein trong các sản phẩm cuối cùng.
Sản phẩm sữa bột
Cronobacter spp., Trước đây được gọi là Enterobacter sakazakii , gần đây có liên quan đến nhiễm trùng sơ sinh gây tử vong (Joseph và Forsythe). Những sinh vật này thường được phân lập từ sữa bột và các môi trường của cơ sở sản xuất sữa khô (Kandhai et al .; Torlak và Sert ). Ozon hóa đã được Torlak và Sert chỉ ra là một phương pháp hiệu quả để tiêu diệt các tế bào Cronobacter sakazakii ATCC 51329 trong sữa bột, đặc biệt là trong sữa tách béo. Các tác giả cho các mẫu sữa bột nguyên kem và sữa gầy tiếp xúc với ôzôn dạng khí ở nồng độ 2,8 mg / L hoặc 5,3 mg / L trong 0,5–2 giờ. Cả hai mức ôzôn đều giảmCronobacter đếm trong sữa bột tách béo khoảng 3 log 10 đơn hàng sau 120 phút tiếp xúc. Tuy nhiên, hiệu quả của việc xử lý bằng ôzôn bị ảnh hưởng bất lợi bởi sự hiện diện của chất béo trong sản phẩm, vì khả năng tồn tại của C. sakazakii trong sữa bột nguyên chất chỉ giảm <2 log 10 đơn vị được quan sát thấy .
Xử lý bằng ôzôn cũng có thể ảnh hưởng đến các đặc tính hóa học, vật lý, chức năng và cảm quan của các sản phẩm sữa khô. Bột sữa tách béo được sấy phun được sản xuất dưới mức ôzôn nền 32 ppb nhận được điểm cảm quan thấp hơn đáng kể từ bảng điều chỉnh vị giác so với bột được sản xuất trong không khí có chứa 2 ppb ôzôn (Kurtz et al .). Trong cùng một nghiên cứu, bột sữa nguyên chất được chứng minh là bị thiệt hại bởi ozone nhiều hơn so với bột sữa gầy, cho thấy rằng phản ứng giữa chất béo trong sữa và ozone là nguyên nhân tạo ra mùi vị khác biệt. Những quan sát này sau đó đã được xác nhận bởi Ipsen, người đã báo cáo tác động tiêu cực của ozone đối với chất lượng cảm quan của sữa nguyên chất khô do quá trình oxy hóa lipid.
Uzun và cộng sự . phân lập whey protein được xử lý bằng ozone thể khí và dung dịch nước. Theo kết quả của họ, quá trình ozon hóa đã tăng cường đáng kể khả năng tạo bọt và độ ổn định bọt của protein; tuy nhiên, cả khả năng hòa tan của whey protein và độ ổn định của nhũ tương đều bị giảm. Đáng chú ý là phương pháp xử lý ozon ở dạng khí đã làm giảm độ hòa tan của các mẫu protein ở một mức độ lớn hơn so với phương pháp ozon hóa trong nước. Các phát hiện tương tự đã được báo cáo bởi Segat et al, người đã kết luận rằng các loại whey protein phù hợp với chức năng cụ thể có thể được phát triển thông qua quá trình xử lý bằng ôzôn.
Phô mai và bầu không khí trong nhà trong các phòng ủ và bảo quản phô mai
Ozone đã được sử dụng trong các cơ sở lưu trữ pho mát đầu tiên ở Hoa Kỳ ngay từ những năm 1940. Vài năm sau, việc áp dụng ozone ở mức độ thấp để ngăn chặn sự phát triển của nấm mốc trên pho mát trong quá trình chín đã được nhiều tác giả khuyến nghị. Gibson và cộng sự đã sử dụng hai nồng độ ozone để chống lại sự phát triển của nấm mốc đã được thiết lập tốt và ức chế sự phát triển của nấm mốc trên pho mát Cheddar. Nồng độ ôzôn cao từ 3–10 ppm dường như có thể phá hủy sự phát triển của nấm mốc nặng, nhưng một vài ngày sau khi ngừng quá trình ozon hóa, nấm mốc đã phát triển mạnh mẽ trên các mẫu pho mát Cheddar, cho thấy rằng nấm mốc không bị tiêu diệt. Thậm chí, nồng độ ôzôn thấp 0,2–0,3 ppm đã được quan sát thấy làm giảm đáng kể kích thước tương đối của các khu vực bị nấm mốc bao phủ trên bề mặt pho mát. Phương pháp xử lý ozone cao và ozone thấp cũng làm giảm số lượng bào tử nấm mốc trung bình trong các phòng xử lý lần lượt là 94% và 88%. Không có khiếm khuyết hương vị nào do xử lý bằng ôzôn được phát hiện trong bất kỳ mẫu phô mai nào được nếm thử.
Volodin và Shiler đã thử nghiệm khả năng sử dụng của các màng nhựa khác nhau cho các mục đích đóng gói pho mát. Họ phát hiện ra rằng màng dày (37–480 μm) không thấm qua ozone, trong khi màng mỏng (12 μm), do tính thấm ozone của chúng, phù hợp để khử trùng bề mặt bằng ozon của pho mát đóng gói.
Gabriel’yants ‘ và cộng sự bảo quản pho mát kiểu Nga và Thụy Sĩ trong điều kiện làm lạnh (2–4 ° C, 85–90% RH) có hoặc không có ozon hóa không khí trong phòng bảo quản. Xử lý định kỳ với 2,5–3,5 ppm ozone trong 4 giờ cách nhau 2 – 3 ngày ngăn chặn sự phát triển của nấm mốc trên cả pho mát và vật liệu đóng gói trong ít nhất 4 tháng mà không ảnh hưởng xấu đến các đặc tính cảm quan và thành phần hóa học của pho mát. Bằng cách so sánh, sự phát triển của nấm mốc đã được quan sát thấy trên pho mát đối chứng sau 1 tháng bảo quản. Trong một thử nghiệm khác, việc sử dụng 10 ppm ozone trong quá trình làm chín pho mát đã làm tăng thời hạn sử dụng của sản phẩm lên 11 tuần.
Trong một nghiên cứu của Morandi et al, ba loại pho mát Ý (tức là Ricotta Salata di Pecora, Taleggio PDO và Gorgonzola PDO) đã bị nhiễm nhân tạo bề mặt với tới 10 3 đơn vị hình thành khuẩn lạc (cfu) / g L. monocytogenes T20 ở các giai đoạn khác nhau của quá trình làm chín và sau đó được xử lý bằng khí ôzôn 4 ppm trong 8 phút. Ozon hóa làm giảm số lượng L. monocytogenes xuống dưới 10 cfu / g ở ricotta. Đối với Taleggio và Gorgonzola, việc xử lý bằng ozone chỉ có hiệu quả đối với các sinh vật thử nghiệm tương ứng trong 6 và 3 ngày đầu tiên của thời kỳ chín. Điều đáng nói nữa là quá trình ozon hóa đã làm chậm quá trình chín của pho mát.
Chất lượng vi sinh của pho mát tươi Brazil, Minas Frescal, được xử lý bằng nước ozon hóa (2 mg / L) trong 1-2 phút được theo dõi trong quá trình bảo quản trong tủ lạnh. Ozon hóa làm giảm số lượng ban đầu của tổng số vi khuẩn ưa khí hiếu khí, vi khuẩn axit lactic, nấm men và nấm mốc khoảng 2 log 10 chu kỳ; tuy nhiên, nó không ảnh hưởng đến tốc độ tăng trưởng hoặc tỷ lệ sống sót của các vi sinh vật này trong suốt thời gian bảo quản 30 ngày. Các phương pháp xử lý ozone được áp dụng không gây ra sự thay đổi nào về các đặc tính hóa lý của các mẫu pho mát Minas Frescal.
Segat và cộng sự đã đánh giá hiệu quả của các phương pháp xử lý ozone khác nhau trong việc giảm số lượng vi khuẩn hư hỏng còn tồn tại trong quá trình sản xuất pho mát mozzarella. Ozone được chứng minh là không có khả năng khử trùng bề mặt pho mát khi các mẫu (a) được đóng gói bằng chất lỏng bảo quản có chứa 2 mg / L ozon hoặc (b) bị nhiễm 10 7 cfu / g Pseudomonasspp. và sau đó được đặt trong nước ozon hóa (2–10 mg / L) trong 60 phút hoặc (c) được xử lý bằng ozone dạng khí (10–30 μg / L) trong tối đa 2 giờ. Ngược lại, các mẫu pho mát mozzarella được làm lạnh trong nước được xử lý trước với 2 mg / L ozone có đặc điểm là số lượng vi sinh vật thấp so với pho mát đối chứng. Các tác giả kết luận rằng việc xử lý bằng ozon đối với nước máy được sử dụng trong một số bước sản xuất pho mát mozzarella cải thiện chất lượng vi sinh của thành phẩm, do đó tăng thời hạn sử dụng của chúng.
Phòng ủ pho mát có một môi trường đặc biệt khuyến khích sự phát triển của nấm mốc. Do đó, nếu căn phòng bị nhiễm bào tử nấm mốc, phô mai không được đóng gói rất có thể sẽ bị mốc. Ozon hóa là một phương pháp hiệu quả để khử hoạt tính của nấm mốc trong không khí.
Shiler và cộng sự báo cáo rằng nồng độ ôzôn xấp xỉ 0,05 ppm và 5 ppm trong không khí của phòng ủ pho mát đã làm bất hoạt 80–90% và 99% tương ứng của bào tử nấm mốc mà không ảnh hưởng tiêu cực đến các đặc tính cảm quan của pho mát. Cùng một nhóm các nhà nghiên cứu đã phát triển một phương pháp ozon hóa trong quá trình ủ chín và bảo quản pho mát để khử hoạt tính của các vi sinh vật gây ô nhiễm, do đó cải thiện vệ sinh của sản xuất pho mát. Để có kết quả tốt nhất, việc xử lý bằng ozone được thực hiện trong 1-3 giờ mỗi ngày ở nồng độ ozone 40–50 ppb trong khí quyển với khoảng thời gian từ 2–12 giờ, và cứ sau 10–30 ngày các buồng được xử lý bằng ozone với tốc độ 4–6 ppm trong 2-4 giờ.
Trong một thí nghiệm sau đó, một phòng ủ chín pho mát được ozon hóa trong 20 tuần, và hiệu quả của việc xử lý được theo dõi hàng tuần cả trong không khí trong phòng và trên các bề mặt. Khí ozone tỏ ra rất hiệu quả trong việc giảm tổng số bào tử nấm mốc còn tồn tại trong môi trường của phòng ủ pho mát kín, trong khi nó không làm giảm tải lượng nấm mốc tồn tại trên bề mặt. Người ta kết luận rằng quá trình ozon hóa ở thể khí có thể không loại bỏ sự phát triển của nấm mốc đã có trên bề mặt pho mát đi vào phòng làm chín; tuy nhiên, nó có thể làm giảm hoặc ngăn chặn sự lắng đọng của nấm mốc trong không khí trong quá trình chín. Trong một thử nghiệm kéo dài 40 ngày của Pinto và cộng sự, xử lý bằng ôzôn dạng khí đã làm giảm 0,74, 0,93 và 2,07 log 10 chu kỳ ( P < 0,05) về số lượng nấm sống sót trên pho mát và bề mặt kệ cực cứng và trong môi trường của buồng ủ pho mát, tương ứng. Tương tự, Lanita và da Silva xác định rằng quá trình ozon hóa trong 60 ngày làm giảm 63% số lượng nấm men và nấm mốc trong không khí trong không khí của phòng ủ chín pho mát kiểu Parmesan.
Dựa trên ý kiến chính thức của Ủy ban An toàn Thực phẩm Quốc gia (CNSA), Bộ Y tế Ý xác nhận việc sử dụng ozone để khử trùng các cơ sở làm chín và bảo quản pho mát rỗng. Điều thú vị là một công ty của Anh đã tuyên bố rằng các phương pháp xử lý bằng ozone thường xuyên trong các cửa hàng pho mát thậm chí còn có khả năng loại bỏ tác hại của bọ ve.
Xử lý nước thải trong chế biến sữa
Nước đóng một vai trò quan trọng trong một loạt các hoạt động, bao gồm làm sạch, khử trùng, làm mát và sưởi ấm, được thực hiện trong ngành công nghiệp sữa. Vì lý do này, các nhà máy chế biến sữa sử dụng một lượng lớn nước và do đó, tạo ra một lượng lớn nước thải, nước thải sau này được đặc trưng bởi hàm lượng hữu cơ cao. Nước thải từ sữa được làm sạch thông thường bằng các phương pháp hóa lý và sinh học. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, một số nhà nghiên cứu đã thử nghiệm quá trình ozon hóa, sử dụng nó một mình hoặc kết hợp với các công nghệ khác, để tái sử dụng, ít nhất là một phần, nước thải sản xuất từ ngành sữa.
Xử lý ôzôn đã được sử dụng bởi Loorits và cộng sự để oxy hóa các thành phần chính trong nước thải từ sữa. Ozon hóa đã được chứng minh là làm giảm hàm lượng chất béo ban đầu từ 80–230 mg / L xuống 96–98%, do đó tạo điều kiện cho nước thải ô nhiễm nhẹ được thải vào các nguồn nước tự nhiên.
Trong các cuộc điều tra gần đây, László et al cũng đã phát hiện ra rằng xử lý bằng ôzôn là một phương pháp rất có triển vọng để giảm nồng độ các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước thải chăn nuôi bò sữa. Nhờ tác dụng vi keo tụ của nó, quá trình ozon hóa đã làm tăng việc loại bỏ COD từ các mẫu nước thải sữa trong quá trình lọc nano tiếp theo. Thêm vào đó, khả năng phân hủy sinh học của các mẫu rút màng lọc nano trước ozon hóa cao hơn 40% (bằng 27,6 điểm phần trăm) so với các mẫu rút màng không được xử lý (tức là không được xử lý) .
Các quan sát tương tự đã được thực hiện bởi Sivrioğlu và Yonar trong một nghiên cứu, trong đó phương pháp đông tụ hóa học dựa trên sắt sunfat (FeSO 4 ) và các quá trình oxy hóa nâng cao, bao gồm cả quá trình ozon hóa, đã được thử nghiệm và so sánh như là các lựa chọn thay thế tiền xử lý có thể cho một loại sữa có độ bền cao nước thải đầu ra, với 6300 mg / L COD, trước khi thải đến nhà máy xử lý nước thải sinh học. Các thử nghiệm tiền ozon hóa được thực hiện với mức ozon là 2 g / h ở các giá trị pH từ 7–12. Tỷ lệ loại bỏ COD cao nhất (71%) thu được trong nước thải đầu ra ở pH 12 sau thời gian xử lý 240 phút. Ozon hóa được chứng minh là một phương pháp tiền xử lý nước thải sữa hiệu quả về mặt kỹ thuật nhưng không hiệu quả về mặt kinh tế so với phương pháp FeSO 4quá trình đông tụ vì chi phí xử lý, không bao gồm chi phí xử lý bùn và nhân công, được tính toán lần lượt là 7,62 € / m 3 và 0,42 € / m 3 .
Trong một nỗ lực để nâng cao hiệu quả phân hủy bùn, Packyam et al đã áp dụng một phương pháp tách pha kết hợp, liên quan đến quá trình khử keo tụ bằng sóng siêu âm và ly giải tế bào thông qua quá trình ozon hóa, để xử lý sơ bộ bùn hoạt tính từ chất thải sữa được đặc trưng bởi mức COD hòa tan, chất rắn lơ lửng (SS) và tổng chất rắn (TS) là 400 mg / L, 7000 mg / L và 12 560 mg / L, tương ứng. Trong điều kiện hoạt động tối ưu (76,4 kJ / kg TS năng lượng riêng và 0,0011 mg O 3/ mg SS), tiền xử lý bằng ozon qua trung gian siêu âm đã làm tăng đáng kể tỷ lệ hòa tan COD và giảm tỷ lệ SS so với quá trình ozon hóa đơn lẻ, và nó cũng tăng cường khả năng phân hủy sinh học kỵ khí của bùn hoạt tính chất thải sữa. Tuy nhiên, cần phải lưu ý rằng tính khả thi về kinh tế của phương pháp tiền xử lý sono-ozon phân tách theo giai đoạn mới này còn nhiều nghi vấn vì theo tính toán của các tác giả, chi phí ròng (tức là tổn thất trên) một tấn bùn được xử lý như vậy là 4,21 đô la.
Martins và Quinta-Ferreira đã nghiên cứu khả năng sử dụng ozone để oxy hóa nước thải whey pho mát đã qua xử lý sinh học để thu được nước thải có thể thải ra các hệ thống thủy sinh tự nhiên. Quá trình ozon hóa đơn lẻ, đặc biệt là ở độ pH kiềm 10, về cơ bản đã làm giảm đáng kể hàm lượng hữu cơ cao của whey phô mai. Việc áp dụng 16,5–33,0 mM hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) đã nâng cao hơn nữa hiệu quả của quá trình xử lý bằng ozone. Do đó, người ta kết luận rằng ozon hóa kết hợp với việc sử dụng H 2 O 2 có thể là một công nghệ hữu ích để làm sạch cuối cùng nước thải whey phô mai sau quá trình xử lý sinh học bằng bùn hoạt tính, dẫn đến các dòng cuối cùng được xử lý trong các dòng nước tự nhiên.
Kết luận
Mặc dù một số nghiên cứu đã được công bố về ứng dụng của ozone trong chế biến thực phẩm, theo hiểu biết của chúng tôi, đây là đánh giá có hệ thống đầu tiên về việc sử dụng ozone đặc biệt trong ngành công nghiệp sữa. Quá trình chuyển đổi trong sản xuất và chế biến sữa từ clo và các chất khử trùng thông thường khác sang ôzôn đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về tiềm năng và hạn chế của quá trình ozon hóa. Truyền thông rõ ràng và thuyết phục về những lợi ích tổng thể do công nghệ tiên tiến, hiệu quả về chi phí và thân thiện với môi trường này mang lại là điều kiện tiên quyết để ngành công nghiệp sữa toàn cầu áp dụng và sử dụng rộng rãi ozone. Cần có những nghiên cứu sâu hơn để sử dụng ozone một cách hiệu quả và an toàn cũng như tìm ra những ứng dụng mới cho chất khử trùng mạnh mẽ này trong ngành sữa. Một số vấn đề chính mà các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực này cần tập trung bao gồm:
- Xác định liều lượng ôzôn tối ưu, thời gian tiếp xúc và các biến số xử lý khác cho mọi ứng dụng sữa.
- Mô tả đầy đủ các phản ứng hóa học và vật lý cụ thể diễn ra trong quá trình xử lý bằng ôzôn đối với thực phẩm từ sữa có chứa các mức tổng chất rắn khác nhau.
- Thiết kế và sản xuất các hệ thống tạo ozone tiên tiến nhờ đó có thể tạo ra khí ozone tinh khiết hơn.
- Phát triển các phương pháp kết hợp hơn nữa liên quan đến quá trình ozon hóa, đặc biệt chú ý đến tính khả thi về kinh tế của các phương pháp mới như vậy.
- Làm rõ ảnh hưởng của quá trình ozon hóa đối với sự suy thoái của một số chất ô nhiễm hóa học, chẳng hạn như độc tố nấm mốc, trong sữa và thực phẩm từ sữa, đồng thời tiến hành các thử nghiệm độc chất để xác định ảnh hưởng có thể có của các sản phẩm phân hủy đối với sức khỏe con người.
- Nghiên cứu kỹ lưỡng những thay đổi phụ thuộc vào liều lượng trong cấu trúc và chức năng của whey protein trong quá trình xử lý ozone.
- Đánh giá tác động tích cực và tiêu cực của phương pháp xử lý bằng ozon đến tính chất cảm quan của sữa và các sản phẩm từ sữa.