Khi tiệt trùng một món súp có miếng rau củ hoặc mứt có miếng trái cây, nhà sản xuất luôn gặp bài toán khó: chất lỏng nóng nhanh, nhưng tâm các miếng rắn nóng chậm. Để miếng rắn đủ chín và an toàn, phần lỏng thường bị quá nhiệt, mất màu, mất mùi. Gia nhiệt ohmic giải quyết vấn đề bằng cách sinh nhiệt ngay bên trong toàn bộ khối thực phẩm.

Gia nhiệt ohmic là gì?

Gia nhiệt ohmic (còn gọi là gia nhiệt điện trở, gia nhiệt Joule, gia nhiệt điện dẫn) là phương pháp cho dòng điện xoay chiều đi trực tiếp qua thực phẩm. Thực phẩm đóng vai trò điện trở; năng lượng điện chuyển thành nhiệt theo định luật Joule. Khác với gia nhiệt truyền thống (nhiệt truyền từ bề mặt nóng vào bên trong) hay vi sóng (năng lượng bức xạ suy giảm theo độ sâu), gia nhiệt ohmic sinh nhiệt đồng thời trong toàn bộ thể tích.

Nguyên lý

Lượng nhiệt sinh ra phụ thuộc vào cường độ điện trường và độ dẫn điện của thực phẩm. Thực phẩm phải chứa nước và ion (muối, axit) để dẫn điện. Một số đặc điểm quan trọng:

  • Độ dẫn điện tăng theo nhiệt độ: thực phẩm càng nóng càng dẫn điện tốt, gia nhiệt càng nhanh. Điều này cần được kiểm soát để tránh quá nhiệt cục bộ.
  • Muối và axit làm tăng độ dẫn điện; chất béo, đường, đá, xương, không khí là chất cách điện, nóng chậm hơn.
  • Cân bằng độ dẫn điện giữa pha lỏng và miếng rắn: nếu miếng rắn dẫn điện tương đương hoặc tốt hơn chất lỏng, miếng rắn có thể nóng nhanh bằng hoặc nhanh hơn chất lỏng, điều không thể có với gia nhiệt truyền thống. Nhà sản xuất có thể ngâm, chần miếng rắn trong dung dịch muối để điều chỉnh độ dẫn điện.

Thiết bị

  • Nguồn điện xoay chiều, thường tần số 50–60 Hz hoặc tần số cao hơn (kHz) để giảm phản ứng điện hóa tại điện cực.
  • Buồng gia nhiệt dạng ống với các điện cực; sản phẩm được bơm liên tục qua.
  • Điện cực bằng vật liệu trơ như titan phủ platin, graphite, thép không gỉ đặc biệt, nhằm hạn chế ăn mòn và thôi nhiễm kim loại.
  • Hệ thống giữ nhiệt, làm nguội và rót vô trùng phía sau.

Ưu điểm

  • Gia nhiệt nhanh và đồng đều, giảm tác động nhiệt lên chất lượng; đạt yêu cầu an toàn với F0 cần thiết trong thời gian ngắn hơn.
  • Xử lý tốt sản phẩm có miếng lớn và sản phẩm nhạy nhiệt mà các thiết bị trao đổi nhiệt truyền thống dễ làm nát hoặc cháy.
  • Không có bề mặt truyền nhiệt nóng, giảm hiện tượng bám cặn, cháy khét (fouling) so với thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm, dạng ống.
  • Hiệu suất năng lượng cao, phần lớn điện năng chuyển thành nhiệt trong sản phẩm.
  • Dễ điều khiển, bật tắt tức thì, phù hợp tự động hóa.

Hạn chế

  • Phụ thuộc mạnh vào độ dẫn điện: sản phẩm không đồng nhất (miếng có độ dẫn khác nhau, có chất béo) có thể tạo vùng nóng, vùng lạnh khó dự đoán.
  • Khó giám sát nhiệt độ tâm miếng rắn trong dòng chảy liên tục, gây khó khăn cho việc thẩm định an toàn; cần mô hình hóa và chỉ thị nhiệt.
  • Phản ứng điện hóa tại điện cực: ăn mòn, thôi nhiễm kim loại, tạo bọt khí do điện phân.
  • Không dùng được cho thực phẩm khô, nhiều dầu.
  • Chi phí đầu tư và kinh nghiệm vận hành còn hạn chế so với công nghệ truyền thống.

Ứng dụng

  • Chế biến vô trùng sản phẩm có miếng: súp, món hầm, sốt có miếng thịt, rau củ, trái cây cắt miếng trong siro, mứt có miếng, thực phẩm trẻ em. Đây là ứng dụng thương mại chính, đã được triển khai ở châu Âu, Nhật Bản, Mỹ từ thập niên 1990.
  • Thanh trùng, tiệt trùng chất lỏng nhạy nhiệt: trứng lỏng, nước ép, sữa.
  • Chần rau quả: bất hoạt enzyme nhanh, đều, ít mất chất dinh dưỡng hòa tan.
  • Rã đông: rã đông khối thịt, cá đông lạnh nhanh và đồng đều.
  • Nấu chín sản phẩm thịt: xúc xích, giò, chả trong khuôn; cho phép gia nhiệt toàn khối nhanh hơn hấp, luộc.
  • Hỗ trợ trích ly, cô đặc, lên men: điện trường cũng gây hiệu ứng điện xốp hóa nhẹ trên tế bào, tương tự xung điện trường.
  • Gia nhiệt ohmic trong ẩm thực: nấu cơm, hấp bánh bằng dòng điện đang được nghiên cứu.

Tác động lên chất lượng

Do thời gian gia nhiệt ngắn, sản phẩm gia nhiệt ohmic thường giữ màu, cấu trúc miếng, vitamin tốt hơn. Tuy nhiên, điện trường có thể làm tăng thất thoát chất tan từ mô thực vật, và với sản phẩm chứa tinh bột, quá trình hồ hóa làm thay đổi độ dẫn điện trong khi gia nhiệt, cần được tính đến khi thiết kế quy trình.

Thiết kế và thẩm định quy trình

  • Đo độ dẫn điện của từng thành phần theo nhiệt độ.
  • Mô phỏng phân bố nhiệt độ trong miếng rắn và pha lỏng.
  • Thẩm định bằng chỉ thị sinh học, chỉ thị hóa học nhúng trong miếng mô phỏng.
  • Kiểm soát lưu lượng, điện áp, nhiệt độ đầu ra như điểm kiểm soát tới hạn.

Câu hỏi thường gặp

Gia nhiệt ohmic có an toàn khi cho dòng điện đi qua thực phẩm? Có. Dòng điện chỉ tạo nhiệt, không để lại điện tích hay bức xạ. Vấn đề cần kiểm soát là thôi nhiễm kim loại từ điện cực, được giải quyết bằng vật liệu điện cực phù hợp và tần số cao.

Gia nhiệt ohmic khác vi sóng thế nào? Vi sóng dùng sóng điện từ tần số rất cao làm các phân tử nước dao động; năng lượng giảm dần theo độ sâu. Gia nhiệt ohmic dùng dòng điện tần số thấp đi qua sản phẩm qua tiếp xúc trực tiếp với điện cực, sinh nhiệt đều trong toàn khối.

Thuật ngữ liên quan