Phần lớn khoai tây chiên dạng que trong chuỗi nhà hàng thức ăn nhanh ở châu Âu ngày nay đã đi qua một bước xử lý mà ít người biết: xung điện trường (Pulsed Electric Field – PEF). Chỉ trong vài giây, những xung điện cực ngắn làm mềm củ khoai, giúp cắt sợi mịn hơn, ít vụn hơn và hút ít dầu hơn. Cùng nguyên lý đó, PEF còn được dùng để thanh trùng nước ép mà không cần nhiệt độ cao.

Xung điện trường là gì?

PEF là công nghệ đặt thực phẩm (thường dạng lỏng bơm được hoặc nguyên liệu ngâm trong nước) giữa hai điện cực và áp dụng các xung điện áp cao, cực ngắn (micro giây đến mili giây). Điện trường tạo ra hiện tượng điện xốp hóa (electroporation) trên màng tế bào.

Cơ chế điện xốp hóa

Màng tế bào hoạt động như một tụ điện. Khi đặt trong điện trường mạnh, điện thế xuyên màng tăng lên; khi vượt ngưỡng (khoảng 1 V), màng hình thành các lỗ nhỏ.

  • Điện xốp hóa thuận nghịch: lỗ tự đóng lại sau xung, tế bào sống sót; dùng trong công nghệ sinh học.
  • Điện xốp hóa không thuận nghịch: lỗ lớn, vĩnh viễn, tế bào mất khả năng kiểm soát trao đổi chất và chết, hoặc mô thực vật mất độ căng, giải phóng dịch bào.

Cường độ điện trường cần thiết tỷ lệ nghịch với kích thước tế bào: tế bào thực vật lớn chỉ cần điện trường thấp, vi khuẩn nhỏ cần điện trường cao hơn nhiều.

Hai nhóm ứng dụng theo cường độ

1. Cường độ thấp: xử lý mô thực vật (khoảng 0,5–3 kV/cm)

  • Khoai tây chiên: làm mềm củ trước khi cắt, giảm lực cắt, giảm vụn, cạnh sợi mịn hơn, giảm hút dầu và có thể giảm lượng đường bề mặt sau khi rửa, góp phần giảm acrylamide. Đây là ứng dụng PEF thương mại phổ biến nhất.
  • Trích ly: tăng hiệu suất ép và trích ly đường từ củ cải đường, nước quả, dầu ô liu, sắc tố anthocyanin trong vang đỏ, polyphenol, protein; giảm nhiệt độ và năng lượng trích ly.
  • Sấy và cấp đông: mô đã xốp hóa mất nước nhanh hơn, rút ngắn thời gian sấy.
  • Làm mềm thịt, cải thiện ướp gia vị: đang được nghiên cứu.

2. Cường độ cao: bất hoạt vi sinh vật (khoảng 15–40 kV/cm trở lên)

  • Thanh trùng phi nhiệt hoặc nhiệt nhẹ cho nước ép, sinh tố, sữa, lòng trắng trứng lỏng.
  • Tiêu diệt hiệu quả tế bào sinh dưỡng của vi khuẩn, nấm men, nấm mốc.
  • Thường kết hợp với gia nhiệt nhẹ (khoảng 40–60 °C) để tăng hiệu quả và giảm năng lượng điện cần thiết.

Các thông số quá trình

  • Cường độ điện trường (kV/cm): thông số quan trọng nhất.
  • Tổng năng lượng riêng (kJ/kg) và thời gian xử lý tổng (số xung × độ rộng xung).
  • Dạng xung: xung vuông, xung tắt dần theo hàm mũ; đơn cực hoặc lưỡng cực.
  • Tần số xung và nhiệt độ sản phẩm.
  • Đặc tính sản phẩm: độ dẫn điện, pH, chất béo, hạt rắn, bọt khí.

Ưu điểm

  • Thời gian xử lý rất ngắn, nhiệt độ thấp, giữ hương vị, màu sắc, vitamin tốt hơn thanh trùng nhiệt.
  • Hoạt động liên tục, tích hợp được vào dây chuyền.
  • Tiết kiệm năng lượng trong ứng dụng xử lý mô so với gia nhiệt truyền thống.
  • Không để lại hóa chất, không cần thay đổi thành phần sản phẩm.

Hạn chế

  • Không tiêu diệt được bào tử vi khuẩn và hiệu quả hạn chế với nhiều enzyme; sản phẩm thanh trùng bằng PEF thường cần bảo quản lạnh.
  • Chỉ phù hợp sản phẩm dạng lỏng bơm được (cho mục đích diệt khuẩn), không chứa bọt khí và hạt lớn vì có thể gây phóng điện hồ quang.
  • Độ dẫn điện cao (nhiều muối) làm tăng dòng điện, gây nóng và giảm hiệu quả.
  • Điện cực có thể bị ăn mòn, cần kiểm soát thôi nhiễm kim loại.
  • Chi phí đầu tư thiết bị phát xung cao, cần nhân lực chuyên môn.
  • Phải thẩm định riêng cho từng sản phẩm; tình trạng pháp lý của sản phẩm thanh trùng bằng PEF khác nhau giữa các thị trường.

So sánh PEF và HPP

  • PEF xử lý liên tục trước khi rót, cần bao bì sạch hoặc rót vô trùng; HPP xử lý theo mẻ sau khi đóng gói.
  • PEF chủ yếu cho chất lỏng; HPP xử lý được cả thực phẩm rắn, bán rắn.
  • Cả hai đều không diệt bào tử ở nhiệt độ thường và đều giữ chất lượng cảm quan tốt.

Quy trình triển khai PEF trong nhà máy

Khi đưa PEF vào sản xuất, doanh nghiệp thường đi theo trình tự: thử nghiệm ở quy mô phòng thí nghiệm để xác định cường độ điện trường và năng lượng riêng tối ưu cho nguyên liệu; đo độ dẫn điện của sản phẩm ở các nhiệt độ khác nhau; chạy thử trên thiết bị pilot để đánh giá chất lượng cảm quan, mức giảm vi sinh vật và tiêu thụ năng lượng; sau đó mới thiết kế buồng xử lý công nghiệp phù hợp lưu lượng. Với mục đích an toàn thực phẩm, các thông số năng lượng riêng, cường độ trường và nhiệt độ đầu ra cần được giám sát liên tục, ghi chép và thẩm định giống như một bước thanh trùng.

Tiềm năng tại Việt Nam

PEF có thể hỗ trợ trích ly nước mía, nước ép trái cây, sắc tố từ thanh long ruột đỏ, gấc, hoa đậu biếc; tiền xử lý khoai lang, sắn, khoai tây trước khi chiên, sấy; tăng hiệu suất trích ly tinh dầu, polyphenol từ phụ phẩm nông nghiệp. Ứng dụng xử lý mô cường độ thấp là hướng dễ tiếp cận hơn vì chi phí thấp hơn và ít yêu cầu pháp lý.

Câu hỏi thường gặp

Thực phẩm xử lý PEF có bị “nhiễm điện”? Không. Điện chỉ đi qua sản phẩm trong khoảnh khắc cực ngắn, không để lại điện tích hay hóa chất. Điều cần kiểm soát là thôi nhiễm từ điện cực và sự tăng nhiệt.

PEF có thay thế được thanh trùng truyền thống? Với một số nước ép bảo quản lạnh thì có, nhưng với sản phẩm bảo quản nhiệt độ thường hoặc axit thấp, thanh trùng và tiệt trùng nhiệt vẫn là phương pháp chính.

Thuật ngữ liên quan