Tìm Hiểu Thanh Trùng, Tiệt Trùng, D-Value, Z-Value, F-Value & 12-D Concept

A.Các kỹ thuật xử lý nhiệt

Các kỹ thuật xử lý nhiệt được sử dụng rộng rãi trong bảo quản thực phẩm nhằm loại bỏ hoặc giảm vi sinh vật, enzyme và các tác nhân gây hư hỏng, đồng thời kéo dài thời hạn sử dụng.

Những phương pháp này bao gồm việc áp dụng nhiệt ở nhiều mức nhiệt độ và thời gian khác nhau để đạt được mức giảm vi sinh vật mong muốn và đảm bảo an toàn sản phẩm.

Dưới đây là một số kỹ thuật xử lý nhiệt quan trọng sẽ được trình bày:

1. Thanh trùng:

• Tổng quan: Thanh trùng là quá trình gia nhiệt sản phẩm thực phẩm đến một nhiệt độ nhất định trong khoảng thời gian xác định nhằm tiêu diệt vi khuẩn gây hại mà vẫn giữ được chất lượng sản phẩm.
• Các loại: Có nhiều phương pháp thanh trùng khác nhau, bao gồm:
  • Thanh trùng theo mẻ
  • Thanh trùng nhiệt độ cao trong thời gian ngắn (HTST)
  • Thanh trùng ở nhiệt độ cực cao (UHT)
• Ứng dụng: Thường được sử dụng cho sữa, nước trái cây, bia và các loại đồ uống khác.

2. Tiệt trùng:

• Tổng quan: Tiệt trùng là một kỹ thuật xử lý nhiệt, trong đó thực phẩm được gia nhiệt đến nhiệt độ rất cao nhằm tiêu diệt tất cả vi sinh vật, bao gồm cả bào tử.
• Phương pháp: Các phương pháp tiệt trùng phổ biến bao gồm hấp tiệt trùng (autoclaving), xử lý bằng nồi hấp áp suất (retort processing), và đóng hộp.
• Ứng dụng: Thường được áp dụng cho thực phẩm đóng hộp, bữa ăn sẵn, và vật tư y tế.

3. Chần (Blanching):

• Tổng quan: Chần là quá trình xử lý nhiệt ngắn, trong đó thực phẩm được nhúng vào nước sôi hoặc hấp trong thời gian ngắn, sau đó làm nguội nhanh chóng.
• Mục đích: Vô hiệu hóa enzyme, giữ màu sắc tự nhiên và loại bỏ bụi bẩn hoặc vi sinh vật trên bề mặt.
• Ứng dụng: Thường được áp dụng cho rau củ trước khi cấp đông, cũng như trong quá trình chế biến hạt và trái cây.

4. Nấu chín (Cooking):

• Tổng quan: Nấu chín là quá trình áp dụng nhiệt thông qua nhiều phương pháp khác nhau như luộc, ninh, quay, nướng hoặc chiên để làm cho thực phẩm ngon miệng và an toàn khi tiêu thụ.
• Mục đích: Tiêu diệt vi sinh vật có hại, cải thiện khả năng tiêu hóa, tăng hương vị và thay đổi kết cấu.
• Ứng dụng: Được sử dụng cho nhiều loại thực phẩm khác nhau, bao gồm thịt, rau củ, ngũ cốc và các loại đậu.

5. Xử lý nhiệt độ cao trong thời gian ngắn (High-Temperature Short-Time -HTST):

• Tổng quan: HTST là phương pháp gia nhiệt thực phẩm đến nhiệt độ cao trong thời gian ngắn, sau đó làm nguội nhanh để giảm thiểu hư hại do nhiệt gây ra cho sản phẩm.
• Mục đích: Đạt hiệu quả giảm vi sinh vật trong khi vẫn giữ được chất lượng và giá trị dinh dưỡng của thực phẩm.
• Ứng dụng: Thường được sử dụng cho thực phẩm dạng lỏng như sữa, nước trái cây và súp.

6. Xử lý ở nhiệt độ siêu cao (Ultra-High Temperature -UHT):

• Tổng quan: Xử lý UHT là quá trình gia nhiệt thực phẩm đến nhiệt độ trên 135°C trong thời gian rất ngắn (2–5 giây) để đạt được hiệu quả tiệt trùng.
• Mục đích: Kéo dài thời hạn sử dụng mà không cần bảo quản lạnh, đồng thời vẫn duy trì chất lượng và độ an toàn của sản phẩm.
• Ứng dụng: Được sử dụng cho các sản phẩm sữa, nước trái cây và các loại đồ uống khác.

7. Xử lý bằng nồi hấp áp suất (Retort Processing):

• Tổng quan: Đây là kỹ thuật tiệt trùng bằng cách gia nhiệt thực phẩm đã đóng gói dưới áp suất trong thiết bị nồi hấp.
• Mục đích: Đạt được mức độ tiệt trùng thương mại bằng cách tiêu diệt vi sinh vật gây hại, bào tử và enzyme trong khi vẫn duy trì chất lượng sản phẩm.
• Ứng dụng: Được sử dụng rộng rãi cho thực phẩm đóng hộp, bữa ăn sẵn và thức ăn cho thú cưng.

8. Nấu chậm sous vide:

• Tổng quan: Sous vide là phương pháp nấu ăn bằng cách hút chân không thực phẩm trong túi, sau đó nấu ở nhiệt độ chính xác trong bồn nước trong thời gian dài.
• Mục đích: Đảm bảo nhiệt phân bố đều, giữ nguyên kết cấu và hương vị trong khi hạn chế mất chất dinh dưỡng.
• Ứng dụng: Thường được sử dụng cho thịt, cá, rau củ và món tráng miệng trong các nhà bếp chuyên nghiệp và nấu ăn tại nhà.

9. Thanh trùng nhanh (Flash Pasteurization):

• Tổng quan: Thanh trùng nhanh, còn gọi là thanh trùng nhiệt độ cao trong thời gian ngắn (HTST), là quá trình gia nhiệt thực phẩm đến nhiệt độ cao (khoảng 72°C đến 74°C) trong thời gian ngắn (15 đến 30 giây), sau đó làm nguội nhanh chóng.
• Mục đích: Tiêu diệt vi khuẩn gây hại trong khi vẫn giữ được chất lượng cảm quan và giá trị dinh dưỡng của thực phẩm.
• Ứng dụng: Thường được sử dụng cho nước trái cây, các sản phẩm từ sữa và các loại thực phẩm lỏng khác.

B. Một số định thuật ngữ & định nghĩa

Vô trùng:  Không có vi sinh vật sống.

Tiệt trùng: Bất kỳ quá trình vật lý hoặc hóa học nào có khả năng tiêu diệt toàn bộ các dạng sống, đặc biệt là vi sinh vật (bao gồm vi khuẩn và bào tử), và làm bất hoạt virus.

Do đó, các thuật ngữ “vô trùng” và “tiệt trùng”, theo nghĩa sinh học nghiêm ngặt, mô tả tình trạng không còn hoặc đã bị tiêu diệt hoàn toàn tất cả các vi sinh vật sống. Nói cách khác, đây là những thuật ngữ tuyệt đối: một vật thể hoặc hệ thống chỉ có thể là “vô trùng” hoặc “không vô trùng”.

Sự tiêu diệt quần thể vi sinh vật trong một quy trình tiệt trùng tuân theo quy luật tiến triển theo dạng logarit. Vì vậy, chỉ có một quá trình xử lý kéo dài vô hạn mới đảm bảo tuyệt đối rằng toàn bộ vi sinh vật đã bị tiêu diệt và hệ thống đã vô trùng. Tuy nhiên, việc làm nghiêm ngặt hơn các đặc tính của quá trình tiệt trùng (ví dụ: tăng thời gian và/hoặc nhiệt độ) thường dẫn đến sự suy giảm chất lượng của sản phẩm và chắc chắn làm tăng chi phí quy trình. Do đó, người ta đồng thuận rằng một sản phẩm được chấp nhận là vô trùng khi xác suất tìm thấy một đơn vị không vô trùng trong một lô sản phẩm đã tiệt trùng thấp hơn các rủi ro khác liên quan đến việc sử dụng sản phẩm đó.Một cách chính xác hơn, trong ngành dược phẩm, để xác định một đơn vị là vô trùng, chúng ta phải có khả năng chứng nhận trên cơ sở thống kê liên quan đến điều kiện chuẩn bị và tiệt trùng của sản phẩm và lô hàng cụ thể đó rằng ít hơn một đơn vị trên một triệu có nguy cơ không vô trùng.

Xác suất tìm thấy một đơn vị không vô trùng (PNSU = Probability of Non-Sterile Unit) phải nhỏ hơn 10^-6.

Công nghệ tiệt trùng UHT vô trùng (Tiệt trùng ở nhiệt độ cực cao – Ultra High Temperature):
Một quy trình tiệt trùng được gọi là UHT nếu sản phẩm được xử lý nhiệt liên tục ở nhiệt độ không thấp hơn 135℃ trong một thời gian rất ngắn, được đóng gói vô trùng trong bao bì vô trùng và trải qua ít biến đổi nhất về mặt hóa học, vật lý và cảm quan so với mức độ khắc nghiệt của xử lý nhiệt cần thiết để tiệt trùng.

Thời gian tiêu diệt nhiệt (TDT – Thermal Death Time):
Thời gian tiêu diệt nhiệt là khoảng thời gian cần thiết để tiêu diệt một số lượng vi sinh vật nhất định ở một nhiệt độ cụ thể. Giá trị này được xác định bằng cách giữ nhiệt độ không đổi và đo thời gian cần thiết để tiêu diệt số tế bào đã xác định.

C.D-value,Z-value, F-value,12-Dconcept

Thời gian giảm thập phân (D-value):
D-value, hay còn gọi là thời gian giảm thập phân, là khoảng thời gian cần thiết tại một nhiệt độ xác định và trong các điều kiện cụ thể để làm giảm quần thể vi sinh vật đi một bậc thập phân. Thời gian giảm thập phân phụ thuộc vào nhiệt độ, loại vi sinh vật và thành phần của môi trường chứa vi sinh vật đó.

Do đó, sau khi vi sinh vật bị giảm đi 1D, chỉ còn lại 10% số lượng ban đầu. Nói cách khác, số lượng vi sinh vật đã giảm đi một chữ số trong hệ thống đếm thập phân (ví dụ: từ 1.000 còn 100, từ 100 còn 10...).

Khi đề cập đến giá trị D, người ta thường ghi nhiệt độ dưới dạng chỉ số phụ để thể hiện điều kiện nhiệt độ.

Ví dụ, một vi sinh vật giả định bị giảm 90% sau khi tiếp xúc với nhiệt độ 300°F trong 2 phút, thì D-value sẽ được viết là: D₃₀₀°F = 2 phút

D-value thường được sử dụng như một đơn vị đo tốc độ tiêu diệt vi sinh vật. D-value chính là thời gian tiếp xúc cần thiết để số lượng vi sinh vật sống sót giảm một lần log, tức là giảm 90% số lượng    ban đầu. Nói cách khác, đó là thời gian cần thiết để đạt được một chu kỳ log giảm trên đồ thị sống sót.

D-value có thể được ước lượng bằng phương pháp đồ thị (xem biểu đồ) hoặc tính toán bằng phương pháp toán học từ phương trình tương ứng.

No = số lượng vi sinh vật ban đầu của vi sinh vật được chọn
Nt = số lượng vi sinh vật còn sống sót sau một khoảng thời gian xử lý

Giá trị D và K là những thông số đặc trưng riêng cho từng loại vi sinh vật và từng quy trình tiệt trùng. Ví dụ, khi thu thập dữ liệu về việc bất hoạt vi sinh vật bằng nhiệt, nhiệt độ thường được ghi là D₁₂₁°C (tức là D-value tại 121°C). Còn đối với quá trình bất hoạt bằng bức xạ, D-value được thể hiện theo liều hấp thụ (kGy).

D-value là khoảng thời gian cần thiết để tiêu diệt 90% bào tử hoặc tế bào sinh dưỡng của một loại vi sinh vật nhất định, tại một nhiệt độ xác định trong một môi trường xác định.

Giá trị D-value của một số vi sinh vật ở nhiệt độ 121,1⁰C

Giá trị Z (Z-value):

Z-value là mức tăng hoặc giảm nhiệt độ cần thiết để giảm hoặc tăng thời gian giảm thập phân (D-value) một bậc thập phân.

Nó là thước đo mức độ thay đổi tốc độ tiêu diệt vi sinh vật khi nhiệt độ thay đổi.
Cụ thể, đây là số độ Fahrenheit hoặc độ C cần thiết để đường cong thời gian tiêu diệt nhiệt (thermal death time curve) dịch chuyển 1 chu kỳ log.

Điều này có nghĩa là nhiệt độ tăng bao nhiêu thì thời gian cần để tiêu diệt vi sinh vật sẽ giảm đi 10 lần.

Z-value cung cấp chỉ số thể hiện mức độ ảnh hưởng của các mức nhiệt khác nhau lên vi sinh vật, trong đó giá trị Z càng nhỏ thì vi sinh vật càng nhạy với nhiệt độ cao.

Z-value được xác định bằng cách:

• Vẽ đồ thị logarit của ít nhất 2 giá trị D so với nhiệt độ, hoặc

Sử dụng công thức: 

Trong đó:

• T₁​ và T₂​: hai nhiệt độ khác nhau
• D₁ và D₂​: các giá trị D tương ứng ở các nhiệt độ T₁​ và T₂

Giá trị z (Z-value) của một vi sinh vật là nhiệt độ, tính bằng độ Fahrenheit, cần thiết để đường cong tiêu diệt nhiệt dịch chuyển một chu kỳ log.

Trong khi D-value cho chúng ta biết thời gian cần thiết ở một nhiệt độ nhất định để tiêu diệt một vi sinh vật, thì Z-value phản ánh khả năng kháng nhiệt của vi sinh vật đó ở các nhiệt độ khác nhau.

Do đó, Z-value cho phép chúng ta tính toán một quy trình nhiệt tương đương, nếu đã biết một D-value và z-value.

Ví dụ, nếu cần tăng 10℉ để đường cong dịch chuyển một log, thì z-value của chúng ta là 10. Vậy nên, nếu chúng ta có D-value là 4,5 phút tại 150℉, thì có thể tính được D-value tại 160℉ bằng cách giảm thời gian đi 1 log. D-value mới tại 160℉ là 0,45 phút. Điều này có nghĩa là mỗi lần tăng 10℉ sẽ làm giảm D-value đi 1 log. Ngược lại, giảm 10℉ sẽ làm tăng D-value lên 1 log. Vì vậy, D-value tại nhiệt độ 140℉ sẽ là 45 phút.

Hiệu lực tiệt trùng hay mức gây chết (Sterilizing effect or lethality):
Hiệu lực tiệt trùng, còn được gọi là mức gây chết (lethality) hoặc tốc độ tiêu diệt vi sinh vật (death rate), biểu thị tác dụng của một quá trình xử lý nhiệt, được thể hiện bằng số lần giảm thập phân (decimal reductions) trong số lượng vi sinh vật.

Giá trị F (F-value):

• Giá trị tiệt trùng: là thời gian (tính bằng phút) cần thiết để tiêu diệt một vi sinh vật trong môi trường xác định tại 121,1°C (TDT).
• Khi giá trị Z của quá trình là 10°C, F được ký hiệu là Fo.
• Đơn vị tiệt trùng là Fo. Fo được định nghĩa là tổng hiệu ứng gia nhiệt tích lũy mà tất cả các điểm bên trong lon (sản phẩm) nhận được.
• Giá trị Fo bằng 1 tương đương với việc giữ sản phẩm ở 121,1°C trong 1 phút
• Ví dụ: D₀ của B. stearothermophilus là 5 phút và số lượng ban đầu (N₀) trong hộp là 10.000. Nếu yêu cầu giảm số lượng này xuống còn 1 (Nₜ) trong quá trình gia nhiệt, thì cần 4 lần giảm thập phân (4 log).
• Thời gian ở 121,1°C sẽ là:
  → 4 × D₀ = 4 × 5 = 20 phút
• Số lần giảm thập phân cần thiết được tính theo công thức:
  → log(N₀/Nₜ) = logN₀ − logNₜ = 4 − 0 = 4
• Giá trị log(N₀/Nₜ) đôi khi được gọi là “bậc của quá trình” (order of process) hoặc hệ số “m”, và tích của m và D₀ được gọi là “giá trị quá trình” (Process value) hoặc “giá trị F” (F value), tức là:
  → F₀ = m × D₀

12-D concept

• Phương pháp biểu thị yêu cầu về khả năng tiệt trùng của quá trình (process lethality requirement):

• Vi khuẩn thường gặp nhất trong thực phẩm có độ acid thấp và trung bình là Clostridium botulinum, loài có khả năng sinh độc tố gây chết người trong thực phẩm.
• Do đó, các thực hành đóng hộp hiện đại yêu cầu phải giảm số lượng bào tử C. botulinum xuống 10¹² lần trong các loại thực phẩm này.
• Điều này có nghĩa là xác suất bào tử sống sót chỉ còn 1 lon trên 1.000.000.000.000 lon (tức 10¹²).
• Như vậy, nếu ban đầu có 1 bào tử C. botulinum trong mỗi lon, thì quá trình cần đạt được khả năng tiêu diệt tương đương 12 log (12-D reduction) để đảm bảo an toàn thực phẩm.
• m = log(N₀/Nₜ) = log (1) – log(10¹²) = 0 – (12) = 12
• → Có nghĩa là cần 12 lần giảm thập phân (12 log reductions) để giảm số bào tử C. botulinum từ 1 xuống 1/10¹²
• F₀ = m × D₀ = 12 × 0,21 = 2,52 phút
• F = 2,52 phút cho C. botulinum tại 121,1°C
• Giải thích thêm
• Giá trị D của C. botulinum = 0,21 phút
  (tức là thời gian cần thiết ở 121,1°C để giảm số lượng bào tử đi 90%, hay 1 log)
• Hệ số giảm 10¹² (12 log) → 12 × 0,21 = 2,52 phút

• t = thời gian gia nhiệt (time of heating)
• a = số lượng bào tử ban đầu (initial number of spores)
• b = số lượng bào tử sống sót (number of survivors)
• Nếu bạn đang xây dựng công thức tính thời gian tiệt trùng dựa trên D-value, đây là biểu thức cơ bản:​​​​​​​

Ví dụ minh họa:

• Nếu D = 0,21 phút
• a = 1.000.000 bào tử
• b = 1 bào tử còn sống

D. So sánh Tiệt trùng và Thanh trùng: 8 điểm khác biệt chính

Nguồn tham khảo:

1. 1. https://pharmastate.academy/d-value-z-value-and-f-value/
   2. Chủ đề: D-Value, Z-Value, F-Value & 12-D ConceptTác giả: Dr. Abhishek Thakur (Trợ lý Giáo sư) Đơn vị: College of Fisheries, Kishanganj – BASU, Patna
   3. https://www.zjzhongbo.com/blog/sterilization-vs-pasteurization/