Công cụ giám sát trực tuyến trong chế biến thực phẩm

Trong phân tích thông thường, phương pháp hóa ướt thường được sử dụng để xác định chất lượng thực phẩm. Ngoài ra, các công cụ và phương pháp phân tích cảm giác của con người đã được sử dụng để xác định thời hạn sử dụng, chất lượng thực phẩm và nguồn gốc. Các phương pháp này ngoài việc tốn thời gian, chúng thường cho kết quả không chính xác nếu cách đọc chỉ số sai. Trong thập kỷ qua, các thiết bị mới đã được giới thiệu nhằm tăng hiệu quả và tiết kiệm thời gian. Tuy nhiên, hầu hết các cảm biến hóa học này cho thấy sự thiếu hụt về độ chọn lọc, độ nhạy và độ tái lập và chỉ có một vài ứng dụng được phân loại để thay thế một phần các phương pháp cổ điển.

Sự phức tạp trong chế biến thực phẩm

Sản xuất thực phẩm hiện đại bao gồm nhiều quy trình phức tạp phải được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo chất lượng và an toàn thực phẩm. Sự gia tăng các hướng dẫn, pháp luật quốc gia và quốc tế về chất lượng và an toàn thực phẩm đòi hỏi phải có sự kiểm soát chặt chẽ hơn thông qua các cơ quan chính phủ và hệ thống đảm bảo chất lượng (ví dụ: Phân tích mối nguy và Điểm kiểm soát tới hạn). Điều này thường bao gồm các bước trung gian tốn kém và tốn thời gian, vì các quy trình sản xuất riêng lẻ phải được giám sát phân tích bởi các phòng thí nghiệm tương ứng.

Việc kiểm soát như vậy tạo ra gánh nặng tài chính, ảnh hưởng không tương xứng đến các doanh nghiệp vừa và nhỏ. Cái gọi là phương pháp trực tuyến, được tích hợp vào quy trình sản xuất, tiết kiệm thời gian và tiền bạc nhưng hiện bị hạn chế chỉ đo các thông số hóa học và vật lý đơn giản nhất, chẳng hạn như pH và nhiệt độ, cho các ứng dụng thông thường. Các hệ thống phức tạp hơn đang được phát triển nhưng thường không đủ tin cậy để đo lường trực tuyến trong môi trường thương mại.

Trong kinh doanh “mũi điện tử” (thiết bị phát hiện mùi hoặc hương vị), người ta có thể phân biệt giữa mũi điện sinh học, áp dụng các thành phần sinh lý, đặc biệt là thụ thể khứu giác duy trì tính đặc hiệu của hệ thống, và mũi điện tử cổ điển hoạt động trên cơ sở hóa học thuần túy, đó là với vi điện tử.

Cảm biến khí và mũi điện tử

Nhìn chung, các thiết bị cảm biến đã đo các thông số quan trọng như áp suất, nhiệt độ, độ ẩm tương đối, hoạt động của nước và pH, đó là một số yếu tố để kiểm soát môi trường vi sinh vật trong nhà máy sản xuất.

Đã có nhiều thử nghiệm trong nhiều năm để phát hiện chất tạo mùi bằng cảm biến nhân tạo. Những mũi điện tử này vẫn còn xa so với mô hình sinh học về độ nhạy, độ chắc chắn và đặc biệt là tính đặc hiệu. Nguyên tắc chung, tương tự như sinh lý của mùi, là tương quan nhận dạng mẫu với chất tạo mùi để tạo ra cảm giác cụ thể. Con người chỉ có thể kiểm tra các mẫu kiểm soát ngẫu nhiên, còn mũi điện tử cung cấp khả năng giám sát liên tục và khách quan.

Máy dò khí, cảm nhận được sự hiện diện của khí, có thể dựa trên bất kỳ loại hệ thống cảm biến nào: cảm biến khí dễ cháy, máy dò quang hóa, cảm biến điểm hồng ngoại, cảm biến siêu âm, cảm biến khí điện hóa, cảm biến bán dẫn và cảm biến sinh học.

Với nhu cầu ngày càng tăng đối với các hệ thống giám sát tiên tiến cho các quy trình thực phẩm, sự quan tâm phải được tập trung vào giám sát trực tuyến ở giai đoạn sản xuất. Ngành công nghiệp chế biến thực phẩm cần một công cụ nhanh, chuẩn, khách quan và hiệu quả để kiểm soát và cải thiện chất lượng. Tuy nhiên, vẫn cần có các phương pháp cảm biến nhanh để đánh giá các vấn đề an toàn thực phẩm cũng như chất lượng vi khuẩn và cảm giác trong dây chuyền sản xuất để phát hiện ô nhiễm vi khuẩn hoặc quang sai khác.

Nhìn vào trung tâm của hệ thống cảm biến, phần tử cảm biến, nhiệm vụ của nó là phản ứng với kích thích vật lý bằng cách tạo ra tín hiệu (cảm biến là một loại đầu dò) cung cấp thông tin liên quan trực tiếp hoặc gián tiếp về trạng thái của một điều kiện mục tiêu (ví dụ, sự hiện diện hoặc nồng độ của một chất).

Các cảm biến để phát hiện dễ bay hơi (phân tích pha hơi) đã được sử dụng trong các phép đo hàng không, ô tô, y học và phòng thí nghiệm. Phản ứng của các cảm biến khí trạng thái rắn này thường không cụ thể. Đầu những năm 1980, khái niệm về mũi điện tử, nghĩa là phát hiện các chất bay hơi bằng mảng cảm biến, đã được đề xuất.

Năm 1993, Gardner và Bartlett đã định nghĩa mũi điện tử là một thiết bị, bao gồm một loạt các cảm biến hóa học điện tử (ví dụ: cảm biến khí ở trạng thái rắn) với độ đặc hiệu một phần và hệ thống nhận dạng mẫu thích hợp, có khả năng nhận ra mùi đơn giản hoặc phức tạp.

Phát hiện hương liệu thực phẩm

Các chất thơm là các hợp chất dễ bay hơi, được cảm nhận bởi các vị trí thụ thể mùi của cơ quan cảm giác, mô khứu giác của khoang mũi. Hơn 10.000 hợp chất được cho là có thể phát hiện được trong thực phẩm, trong đó không quá 230 hợp chất đóng vai trò trong mùi thơm dễ nhận biết của một loại thực phẩm nhất định. Những chất tạo mùi này được gọi là chất tạo mùi thực phẩm chính. Tuy nhiên, nhiều chất khác nữa có thể đóng vai trò là chỉ số hữu ích trong các quy trình thực phẩm hoặc cho sự hiện diện của hương vị nặng mùi do các thông số xử lý dưới mức tối ưu.

Do sự phức tạp của thí nghiệm, các ứng dụng mũi điện tử như vậy chỉ có thể được sử dụng cho các ứng dụng rất cụ thể mà mục tiêu được xác định rõ ràng, chẳng hạn như phát hiện mùi hôi trong giám sát các dây chuyền sản xuất liên tục. Hơn nữa, trái ngược với phương pháp phân tích của hệ thống sắc ký khí, một hệ thống cảm biến phải đối mặt với tất cả các chất bay hơi của mẫu tại một thời điểm. Vì vậy, hệ thống cảm biến phải có độ đặc hiệu cao hoặc chỉ một vài chất bay hơi cùng lúc có thể được đưa vào hệ thống. Việc thực hiện hệ thống cảm biến đòi hỏi những nỗ lực đặc biệt trong việc kiểm tra chất lượng của các yếu tố cảm biến được áp dụng và cách hiệu chuẩn chúng.

Mũi điện sinh học

Ưu điểm chính của mũi điện sinh học là tính đặc hiệu cao của chúng, vì các phân tử liên kết mùi sinh lý, môi trường (ví dụ, thụ thể của động vật có vú hoặc côn trùng) chỉ được kích hoạt bằng các tương tác đặc biệt cao với các phối tử dễ bay hơi. Những thách thức đối với mũi điện sinh học là duy trì tính đặc hiệu khi được sử dụng trong môi trường phi sinh lý và duy trì độ bền của các yếu tố hợp nhất công nghệ sinh học và khả năng đảo ngược để sử dụng nhiều lần. Ví dụ, hệ thống phát hiện sinh hóa phức tạp trong côn trùng có thể được sử dụng như một hệ thống phát hiện chọn lọc cho các hợp chất dễ bay hơi. Nhiều nguyên mẫu đã được thiết kế để hoạt động đủ trong phòng thí nghiệm. Như đã đề cập ở trên, những thách thức chính sẽ là sự mạnh mẽ và ổn định của các thiết bị như hệ thống điều khiển trong môi trường chế biến thực phẩm.

Xu hướng hiện nay là việc sử dụng vật liệu nano dẫn điện làm bóng bán dẫn như ống nano carbon đơn vách và ống nano polypyrrole carboxyl hóa làm chất mang cho các phân tử liên kết mùi. Trong công nghệ nhiệt hạch này của khoa học bán dẫn và phân tử sinh học, các thụ thể được thể hiện với số lượng lớn trong một hệ thống công nghệ sinh học, chẳng hạn như các chủng Escherichia coli được tinh chế và lắp ráp trên các bóng bán dẫn cảm biến này. Các trường hợp đã được chứng minh, trong đó các cảm biến này phản ứng với chất tạo mùi theo cách phụ thuộc nồng độ và có độ nhạy tốt. Tuy nhiên, không có ứng dụng liên quan đến các ngành khác được báo cáo.

Ứng dụng trong công nghiệp và xu hướng tương lai

Các cảm biến có tiềm năng lớn để sử dụng trong ngành chế biến thực phẩm nhằm kiểm soát quá trình và chất lượng. Các lĩnh vực được ứng dụng như lĩnh vực phát hiện mầm bệnh trong nguyên liệu thô, xử lý và kiểm soát chất lượng của sản phẩm cuối cùng.

Cho đến nay, hầu hết các cảm biến được thực hiện trong ngành công nghiệp thực phẩm trên dây chuyền sản xuất là để theo dõi môi trường các loại khí độc hại như hydrocarbon, amoniac và hydro sunfua có thể xảy ra trong quá trình sản xuất. Tuy nhiên, các loại cảm biến này, bao gồm cảm biến vật lý, cung cấp thông tin về hiệu suất của quy trình, có thể gián tiếp góp phần kiểm soát chất lượng vệ sinh của quy trình nhưng không cung cấp thông tin trực tiếp về chất lượng sản phẩm được xử lý. Với mục đích này, hóa chất và cảm biến sinh học sẽ rất hữu ích. Vì hầu hết các nghiên cứu đã được tiến hành trong điều kiện phòng thí nghiệm, các tùy chọn này phụ thuộc rất nhiều vào ứng dụng và quy trình xung quanh.

Trong một quá trình xử lý sinh học điển hình, các tế bào được phát triển trong điều kiện nuôi cấy độc nhất được kiểm soát chặt chẽ trong các khu vực lên men hoặc phản ứng sinh học trong môi trường lỏng cung cấp các chất dinh dưỡng thiết yếu, vitamin, vv… Các sản phẩm từ các chế phẩm sinh học như enzyme đến dược phẩm sinh học đều yêu cầu cao về chất lượng sản phẩm và an toàn. Các hệ thống mảng cảm biến khí đã được chứng minh rất hữu ích cho cả giám sát quá trình sinh học định lượng và định tính, cho phép xác định thời gian thực về tình trạng tế bào, tốc độ tăng trưởng và nồng độ sản phẩm. Một ưu điểm khác của công nghệ này là nó có thể được sử dụng để phát hiện sự nhiễm bẩn với các vi sinh vật trong thời gian thực trong bể phản ứng sinh học chỉ sau vài giờ xử lý, đó là một lợi ích đáng kể so với các phương pháp vi sinh truyền thống. Do đó, việc áp dụng các phương pháp giám sát trực tuyến, không xâm lấn như mảng cảm biến khí có thể góp phần cải thiện chất lượng của các sản phẩm được xử lý sinh học.

Hai xu hướng cơ bản sẽ có ảnh hưởng mạnh nhất đến nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực kỹ thuật cảm biến: Tự động hóa và thu nhỏ, được kết nối mạnh mẽ. Các thiết bị cần thiết, có thể hoạt động mà không cần giám sát, có thể được thực hiện trong một công nghệ quy trình hiện có để tránh làm xáo trộn quá trình đang diễn ra. Hơn nữa, các hệ thống này nên được tích hợp vào hệ thống đảm bảo chất lượng và truy xuất nguồn gốc tổng thể.

Hiện nay, các phương pháp hiện tại không thể phục vụ những nhu cầu này của các cơ quan quản lý và nhà sản xuất thực phẩm. Thử nghiệm thời gian thực trong tương lai với công nghệ cảm biến đáng tin cậy sẽ cung cấp giá trị cho các nhà sản xuất thực phẩm bằng cách giảm chi phí xử lý và thu hồi sản phẩm. Khi nhu cầu về an toàn thực phẩm tăng lên, các yêu cầu về công nghệ cảm biến nhanh cũng sẽ tăng lên tương ứng.

Hoàng Nam

Theo Food Safety Magazine