Thực phẩm là nhu cầu thiết yếu cho sự sống còn và sức khỏe của con người. Các công nghệ sản xuất thực phẩm đảm bảo chất lượng và an toàn đã và đang được nghiên cứu, sử dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm trên toàn thế giới. Các kỹ thuật xử lý nhiệt như tiệt trùng, thanh trùng, bay hơi và sấy giúp cải thiện độ ổn định, đảm bảo an toàn vi sinh của sản phẩm thực phẩm được áp dụng rộng rãi. Tuy nhiên, các kỹ thuật xử lý nhiệt thông thường này thường đòi hỏi nhiệt độ xử lý cao (thường trên 60oC) và trong thời gian dài (từ vài phút đến vài giờ) gây ảnh hưởng đến chất lượng cảm quan, giá trị dinh dưỡng, giá trị sinh học của sản phẩm đồng thời làm tăng chi phí năng lượng. Để hạn chế tác dụng không mong muốn của kỹ thuật xử lý nhiệt đồng thời đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của người tiêu dùng đối với các sản phẩm thực phẩm chất lượng cao, tự nhiên, thân thiện với môi trường, các công nghệ phi nhiệt đã được phát triển.

Trường điện xung (Pulsed electric field - PEF) là một kỹ thuật phi nhiệt mới nổi, có thể cho chất lượng sản phẩm tốt và hiệu quả sử dụng năng lượng cao. Ứng dụng tiềm năng của trường xung điện trong việc chế biến nhiều loại thực phẩm đã được nghiên cứu trên toàn thế giới.

1. Nguyên tắc của phương pháp trường xung điện

Tế bào được cách ly với môi trường bên ngoài nhờ màng tế bào. Màng tế bào có cấu tạo là một lớp kép phospholipid bán thấm mỏng, tại đó xảy ra sự vận chuyển các hợp chất giữa nguyên sinh chất tế bào với môi trường. Khi điện trường tác động vào tế bào, các hợp chất trên màng tế bào và bên trong tế bào nhiễm điện trở thành các ion và di chuyển về phía điện cực trái dấu với nó. Điều này tạo ra một điện thế phụ hai bên màng tế bào. Điện thế này nếu lớn hơn ngưỡng chịu đựng của màng tế bào (critical transmembrane potential) dẫn đến sự tạo ra các lỗ nhỏ trên màng tế bào (kích thước lỗ 50-100 nanomet). Khi đã hình thành, các lỗ có thể mở rộng theo cường độ điện trường tác dụng, dẫn đến mất chức năng bán thấm của màng tế bào, rò rỉ các chất bên trong tế bào và gây ra sự phá vỡ tế bào (Hình 1).

leftcenterrightdel
 Hình 1. Nguyên lý của phương pháp trường xung điện

2. Các bộ phận của hệ thống xử lý trường xung điện

Thiết bị xử lý trường xung điện bao gồm ba thành phần cơ bản: bộ tạo trường xung điện hoặc máy phát xung năng lượng cao, buồng xử lý và hệ thống điều khiển (Hình 2).

Máy phát xung điện áp tạo ra hình dạng, thời gian và cường độ mong muốn của các xung điện áp cao. Các xung được tạo ra sẽ được truyền đến một bộ điện cực được bố trí trong buồng xử lý, trong đó kết nối giữa các điện cực được thực hiện bằng vật liệu không dẫn điện để ngăn dòng điện từ nơi này sang nơi khác. Đối tượng được xử lý đặt bên trong buồng xử lý. Một máy tính trung tâm điều khiển quá trình bằng cách thiết lập các cài đặt và kiểm soát cường độ điện trường (kV/cm), tần số xung (Hz), thời gian xung (µ giây) và dạng sóng; quản lý hoạt động của bơm và thu thập dữ liệu từ các đầu dò được đặt bên trong buồng xử lý. Quá trình xử lý trường xung điện có thể được thực hiện theo mẻ hoặc liên tục tùy thuộc vào phương pháp xử lý được áp dụng. Buồng xử lý theo mẻ được áp dụng rộng rãi ở quy mô phòng thí nghiệm. Buồng này cho phép xử lý đồng nhất. Đối với các buồng xử lý liên tục, nguyên liệu đầu vào được đưa vào liên tục trong buồng, gây khó khăn cho việc đồng nhất điện di và gia nhiệt. Tuy nhiên, các buồng liên tục là bắt buộc ở quy mô công nghiệp.

leftcenterrightdel
 Các thành phần cơ bản của hệ thống xử lý bằng trường xung điện.

3. Ứng dụng của trường xung điện trong chế biến thực phẩm

Một số ứng dụng của trường xung điện trong chế biến thực phẩm được giới thiệu ở Hình 3.

leftcenterrightdel
 Ứng dụng của trường xung điện trong chế biến thực phẩm.

Tiêu diệt vi sinh vật:

Bất hoạt vi sinh vật là một trong những bước quan trọng nhất ảnh hưởng trực tiếp đến tính an toàn của thực phẩm. Xử lý trường xung điện gây ra sự phá hủy điện của màng tế bào, tăng tính thấm của tế bào, dẫn đến sự phá hủy màng tế bào và làm chết tế bào. Nhiều nghiên cứu sử dụng trường xung điện để thanh trùng thực phẩm đã cho kết quả tiêu diệt vi sinh vật tốt mà không ảnh hưởng đến các thành phần dinh dưỡng và hoạt chất sinh học của thực phẩm.

Sấy/Cắt/Ép nguyên liệu thực phẩm:

Trường xung điện đã được nghiên cứu để tiền xử lý cho các quá trình sấy, cắt hay ép nguyên liệu thực phẩm. Việc tạo ra các lỗ trên màng tế bào làm tăng quá trình thoát dịch trong nguyên sinh chất tế bào trong quá trình ép, giúp tăng hiệu suất thu hồi. Các lỗ trên màng nguyên sinh chất tế bào giúp ẩm thoát ra nhanh hơn trong quá trình sấy, làm hạ nhiệt độ sấy và giảm thời gian sấy. Việc xử lý trường xung điện giúp làm mềm nguyên liệu, giảm năng lượng cần thiết cho công đoạn cắt được ứng dụng trong dây chuyền chế biến khoai tây. Nhìn chung, việc xử lý trường xung điện giúp tăng hiệu suất thu hồi, giảm nhiệt độ xử lý và thời gian xử lý nguyên liệu đồng thời giảm chi phí năng lượng trong các quá trình chế biến thực phẩm.

Vô hoạt enzyme

Việc bất hoạt một số enzyme có tác động xấu đến chất lượng thực phẩm là việc quan trọng trong quá trình chế biến và bảo quản thực phẩm. Lipase trong gạo lứt xúc tác thủy phân lipid trong lớp màng aleurone của gạo lứt thúc đẩy quá trình oxi hóa chất béo. Lipoxygenase trong nhiều loại đậu xúc tác quá trình oxi hóa chất béo trong đậu là nguyên nhân gây ra mùi hôi khó chịu trong nhiều loại thực phẩm làm từ đậu nành và các loại đậu khác. Polyphenol oxidase xúc tác quá trình oxi hóa polyphenol, gây nâu hóa rau quả. Việc xử lý trường xung điện có tác dụng vô hoạt/kìm hãm sự hoạt động của các enzyme không có lợi này trong nguyên liệu thực phẩm.

Tách chiết các hợp chất tự nhiên có hoạt tính sinh học

Các hợp chất tự nhiên có hoạt tính sinh học đang thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học và người tiêu dùng thực phẩm. Kỹ thuật tách chiết truyền thống các hợp chất này từ thực vật, động vật hay vi sinh vật thường sử dụng dung môi hữu cơ, tốn thời gian và cần nhiệt lượng. Bên cạnh đó, việc xử lý nguyên liệu ở nhiệt độ cao trong thời gian dài có thể làm thay đổi cấu trúc hóa học dẫn đến thay đổi tính chất sinh học của hợp chất mục tiêu. Việc tiền xử lý trường xung điện nguyên liệu tách chiết cho hiệu quả tách chiết cao hơn, chất lượng chất chiết tốt hơn và giảm tiêu hao năng lượng nhờ thời gian xử lý ngắn và ở nhiệt độ thấp.

Lạnh đông

Lạnh đông là công nghệ được sử dụng khá phổ biến trong bảo quản thực phẩm nhưng cũng là công nghệ tiêu tốn nhiều năng lượng do điều kiện lạnh đông phải được đảm bảo trong quá trình xử lý, lưu trữ, vận chuyển, mua bán, tồn trữ và sử dụng ở gia đình. Một số sản phẩm đông lạnh bị chảy dịch, giảm khối lượng và chất lượng khi được rã đông. Kỹ thuật trường xung điện tạo các lỗ nhỏ trên màng tế bào, các lỗ nhỏ này tạo điều kiện cho nước di chuyển trong quá trình lạnh đông, khiến quá trình lạnh đông diễn ra nhanh hơn và đồng đều hơn. Bên cạnh đó, xử lý trường xung điện hỗ trợ hình thành các tinh thể đá nhỏ và đều hơn, nhờ đó giữ nguyên cấu trúc tế bào, giúp thực phẩm duy trì độ giòn, dai và kết cấu tự nhiên sau rã đông. Xử lý trường xung điện giúp rút ngắn thời gian và giảm mức năng lượng cần thiết cho quá trình lạnh đông, từ đó tiết kiệm chi phí vận hành.

Biến tính tinh bột

Tinh bột là polysaccharide phổ biến trong nguyên liệu thực phẩm và biến hình tinh bột là phương pháp xử lý quan trọng để sử dụng loại polysaccharide này tốt hơn. Trường xung điện có thể chuyển đổi tinh bột từ trạng thái tinh thể sang không tinh thể, gây ra sự thay thế các nhóm hydroxyl trên các chuỗi phân tử tinh bột, làm giảm sự hình thành các liên kết hydro nội và liên phân tử trong tinh bột từ đó phá hủy chuỗi xoắn kép trong tinh bột. Điều này dẫn đến các thay đổi tính chất của tinh bột bao gồm: kích thước hạt tinh bột, trạng thái hạt tinh bột, nhiệt độ hồ hóa, độ nhớt, độ hòa tan, khả năng trương nở, độ bền lạnh đông-tan giá và độ tiêu hóa. Điều này cho thấy cho thấy xử lý xung điện trường là một phương pháp vật lý đầy hứa hẹn để thay đổi các đặc tính của tinh bột nhằm thu được các sản phẩm mong muốn ứng dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm.

Tăng tốc các phản ứng hóa học và đẩy nhanh quá trình lên men

Nhiều phản ứng hóa học hữu ích xảy ra trong quá trình chế biến thực phẩm, chẳng hạn như các phản ứng xảy ra trong quá trình lên men phụ rượu vang hay phản ứng Maillard trong nướng bánh mỳ và nhiều quá trình chế biến khác. Tuy nhiên, các phản ứng hóa học này thường mất nhiều thời gian ở điều kiện nhiệt độ thường và không có xúc tác. Trong quá trình xử lý trường xung điện, các phân tử hấp thụ năng lượng từ điện trường trở nên hoạt hóa, chuyển động mạnh hơn, xác suất va chạm tăng dẫn đến làm tăng tốc độ phản ứng hóa học. Các nghiên cứu trên dung dịch phản ứng (ví dụ dung dịch chứa cơ chất của phản ứng Maillard), trên rượu vang, dấm cho thấy xử lý trường xung điện rút ngắn thời gian phản ứng Maillard, tăng nhanh sự tạo thành các hợp chất ester, acid, rượu… là những sản phẩm đặc trưng của quá trình tàng trữ rượu vang, dấm, đồng thời tăng tốc độ giảm hàm lượng rượu bậc cao trong rượu vang non.

4. Các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả xử lý thực phẩm bằng trường xung điện

Các yếu tố góp phần vào hiệu quả của xử lý trường xung điện được chia thành ba nhóm: yếu tố kỹ thuật, môi trường và sinh học.

ü Các yếu tố kỹ thuật bao gồm cường độ điện trường, dạng xung, độ rộng xung, thời gian xử lý, năng lượng đặc trưng của xung, số lượng xung và tần số.

ü Các yếu tố sinh học bao gồm đặc điểm riêng của vi sinh vật mục tiêu, trạng thái sinh lý và tăng trưởng của chúng.

ü Các yếu tố môi trường: Độ dẫn điện của môi trường nguyên liệu xử lý là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý trường xung điện. Đến lượt nó, độ dẫn điện phụ thuộc vào đặc tính (điện trở suất, tính chất điện môi, cường độ ion, độ pH) và thành phần môi trường. Nhiệt độ cũng là một yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý trường xung điện. Nhìn chung, khả năng gây chết vi sinh vật của phương pháp xử lý trường xung điện tăng lên khi nhiệt độ chế biến tăng.

5. Các khó khăn khi áp dụng PEP

Mặc dù tiềm năng ứng dụng trong chế biến thực phẩm khá lớn, việc ứng dụng kỹ thuật trường xung điện trong chế biến thực phẩm cũng gặp phải một số bất lợi như sau:

ü Chi phí lắp đặt ban đầu của hệ thống cao

ü Do nhiệt lượng sinh ra từ các xung điện nên cần phải có hệ thống làm mát để giữ sản phẩm ở nhiệt độ thấp trong quá trình xử lý.

ü Theo kết quả của một số nghiên cứu, một số nguyên tố là vật liệu tạo điện cực như Fe, Cr, Ni, Mn được giải phóng vào thực phẩm dạng lỏng trong quá trình xử lý trường xung điện do sự ăn mòn.

ü Sự xuất hiện của bọt khí/tạp chất, cũng như các đặc tính nhiệt-vật lý của chính sản phẩm đều góp phần gây ra sự không đồng đều của trường điện áp bên trong buồng xử lý đối với các sản phẩm dạng lỏng được xử lý bằng trường xung điện.

6. Tiềm năng ứng dụng trường xung điện trong tương lai

Theo Data Bridge Market Research, quy mô thị trường hệ thống trường điện xung trong ngành thực phẩm được định giá 1,26 tỷ USD vào năm 2028 và dự kiến sẽ tăng trưởng với tốc độ kép hàng năm là 24,0%. Mức tiêu thụ cao các sản phẩm thực phẩm chế biến tối thiểu là yếu tố thúc đẩy sự tăng trưởng của thị trường hệ thống trường xung điện trong ngành thực phẩm. Nhu cầu về các sản phẩm thực phẩm tươi, bền và an toàn của người tiêu dùng trên toàn thế giới tăng nhanh chóng, dự kiến cũng sẽ làm tăng nhu cầu chung đối với thị trường hệ thống trường điện xung trong ngành thực phẩm trong giai đoạn dự báo từ năm 2021 đến năm 2028.

leftcenterrightdel
 Xu hướng và dự báo quy mô thị trường toàn cầu ứng dụng trường điện xung trong ngành thực phẩm đến năm 2028.


Lại Thị Ngọc Hà, Khoa Công nghệ thực phẩm

Tài liệu tham khảo

1. Data Bridge Market Research. Global Food Industry Pulsed Electric Field (PEF) Systems Market – Industry Trends and Forecast to 2028. https://www.databridgemarketresearch.com/reports/global-food-industry-pulsed-electric-field-pef-systems-market?srsltid=AfmBOoqRUaVBRUphFGfkZSke03LkUWJaV8eymGgFovRaXTGkge5D0huM&utm_source=chatgpt.com. Truy cập lần cuối 21/7/2025.

2. Chatzimitakos T., Athanasiadis V., Kalompatsios D., Mantiniotou M., Bozinou E. and Lalas S. I., 2023. Pulsed Electric Field Applications for the Extraction of Bioactive Compounds from Food Waste and By-Products: A Critical Review. Biomass, 3, 367–401.

3. Hegde S. R., Waghmare M. P., Manvi D., Varsha M. K., 2024. Pulse Electric Field (PEF) in Food Sectors. Asian Journal of Nutrition & Food Sciences (AJNFS), 1, 2, 22 pages.

4. Niu D., Zeng X.-A., Ren E.-F., Xu F.-Y., Li J., Wang M.-S., Wang R., 2020. Review of the application of pulsed electric fields (PEF) technology for food processing in China. Food Research International, 137, 109715.