Tiệt trùng rau quả bằng công nghệ plasma: Kéo dài vòng đời các loại rau quả

Quy trình tiệt trùng bằng công nghệ plasma của PGS.TS Trần Ngọc Đảm và các cộng sự tại Phòng Nghiên cứu năng lượng và Môi trường CES Plasma, ĐH Sư phạm kỹ thuật TP.HCM, sẽ góp phần giúp kéo dài ‘vòng đời’ của các loại rau củ quả, từ đó gợi mở một hướng đi đầy tiềm năng cho ngành hàng xuất khẩu nông sản của Việt Nam trong tương lai.

Băng tải rửa rau trong quy trình do nhóm của PGS.TS Trần Ngọc Đảm đề xuất.

“Được mùa ngoài đồng, mất mùa trong nhà” - câu nói này không chỉ bộc lộ nỗi lo muôn thuở của người nông dân Việt sau mỗi vụ thu hoạch nông sản mà còn khái quát nên hiện trạng của nền nông nghiệp nước ta. Dù vụ mùa trúng đậm nhưng việc cung ứng thực phẩm tươi từ nông trại, đồng ruộng đến các chợ truyền thống, siêu thị mà không có bất cứ hình thức xử lý, bảo quản nào vẫn có thể khiến rau củ hư hỏng trước khi đến tay người tiêu dùng.

Trong một hội thảo được tổ chức tại TP.HCM vào năm 2020, bà Dương Thu Hằng (Viện Cơ điện nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch) cho biết ở Việt Nam, tổn thất sau thu hoạch chiếm con số không nhỏ. Trong đó, tỷ lệ thất thoát ở nhóm rau ăn lá là cao nhất với hơn 30% sản lượng, các loại quả hơn 25%, rau ăn củ từ 10 – 20%, ngô 18%, sắn 25%, v.v. Theo bà Hằng, một trong những nguyên nhân gây ra tổn thất này là do sản xuất nông nghiệp của Việt Nam còn thiếu cơ sở hạ tầng bảo quản, máy móc chế biến sâu, các biện pháp đóng gói và xử lý sau thu hoạch trong chuỗi cung ứng chưa đáp ứng được yêu cầu.

Đối với rau quả tươi, khả năng cạnh tranh của người bán sẽ tăng lên khi họ sở hữu được ‘bí quyết’ bảo quản lâu mà vẫn giữ được chất lượng sản phẩm. Muốn thế, “ta phải ‘điều khiển’ các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm như nguồn vi khuẩn, lượng hóa chất tồn dư trên bề mặt rau củ, vi khuẩn, nấm mốc v.v”, PGS.TS Trần Ngọc Đảm, Phòng Nghiên cứu năng lượng và Môi trường CES Plasma, ĐH Sư phạm kỹ thuật TP.HCM, phân tích về một số tác nhân gây ảnh hưởng, “và công nghệ plasma có thể giải quyết lần lượt những vấn đề đó.”

‘Len lỏi’ vào từng ngóc ngách của rau củ

Plasma là trạng thái thứ tư của vật chất, ngoài ba trạng thái thường gặp là thể rắn, lỏng và khí. Trong 10 năm trở lại đây, các nhà khoa học Việt Nam đã tập trung nghiên cứu các ứng dụng plasma như điều trị các vết thương chậm liền da, cắt kim loại, cắt CNC v.v. Vậy plasma có thể làm gì trong việc tiệt trùng và bảo quản rau quả?

“Nói một cách dễ hiểu, chúng ta sẽ dùng công nghệ plasma để làm làm sạch nước rửa rau củ,, không khí, dụng cụ, bao bì đóng gói trong môi trường sản xuất, như vậy ta có thể phần nào cắt được nguồn vi khuẩn, lượng tồn dư hóa chất trên bề mặt, ức chế sự phát triển của vi khuẩn, nấm mốc”, PGS.TS Trần Ngọc Đảm tóm tắt nghiên cứu của mình tại tại sự kiện Techmart Nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch 2022.

Về nguyên tắc, trong môi trường plasma, các electron chuyển động với vận tốc rất lớn, va đập vào các phân tử trong vùng không gian giữa hai điện cực và cung cấp cho các phân tử một năng lượng, làm phá vỡ các liên kết tạo ra các ion, điện tử, photon, nguyên tử, gốc tự do. Song song với quá trình phân ly còn có quá trình tái hợp. Trong hàng triệu các phản ứng tái hợp sẽ có có các phản ứng mà sản phẩm của nó là các gốc oxy hóa rất mạnh, giúp phân hủy toàn bộ các hợp chất hữu cơ gây ô nhiễm.

Với nghiên cứu của mình, PGS.TS Trần Ngọc Đảm và các cộng sự nhận thấy rằng plasma xảy ra trong nước cũng sẽ mang nồng độ cao ozone, hydrogen peroxide và gốc hydroxyl tự do. Các chất này tiệt trùng rất mạnh và loại bỏ hóa chất bề mặt rau quả. Quá trình xử lý bằng công nghệ plasma lạnh hiệu quả rất cao trong khâu khử trùng, diệt khuẩn nấm mốc và hóa chất, tạo ra nước sạch để rửa.

Tuy nhiên, nếu chỉ dừng lại ở đây thì nước sẽ chỉ đơn thuần có tác dụng rửa sơ bề mặt của rau củ, chứ chưa thể làm sạch phần vi khuẩn, nấm mốc sâu bên trong các loại rau ăn lá như xà lách, cải bẹ. “Chúng tôi nghĩ đến việc phải tạo ra một loại vật liệu có thể ‘len lỏi’ vào từng ngóc ngách của sản phẩm”, PGS Đảm kể về ý tưởng khởi đầu của nhóm. Nhóm lập tức lao vào thử nghiệm sử dụng plasma kích hoạt những chất oxy hóa bậc cao, sau đó gói chúng vào các hạt nano rất nhỏ. Hạt nano phân bố đều trong nước và đi vào các kẽ hở nhỏ nhất của rau củ quả và nổ tung ra. Hạt nano nhờ chứa chất oxy hóa cao tiệt trùng nên có thể làm sạch lượng tồn dư hóa học, vi khuẩn trên bề mặt rau củ quả.

Đối với khí sạch, không khí sẽ đi qua buồng plasma, các loại vi khuẩn tồn tại dưới chuỗi hydrocarbon và sẽ bị bẻ gãy nhờ các chất oxy hóa bậc cao OH, H2O2, O2... có trong môi trường plasma. Ngoài ra, còn một lượng nhỏ OH, O2 trong không khí tiếp tục làm sạch không khí.

“Chúng ta cần tạo ra một vùng sản xuất siêu sạch. Tuy vấn đề vi sinh của thực phẩm đã được đảm bảo, nhưng ta còn cần lưu ý đến bề mặt của dụng cụ sản xuất, bao bì. Khi đóng gói, mực in hoặc chất vô cơ còn dính trong bề mặt bao bì sẽ ảnh hưởng đến chất lượng thực phẩm. Công nghệ plasma tẩy sạch bề mặt, tẩy cả những hạt bụi, mực máy in”, anh tự tin chia sẻ.

Quy trình ‘nhiều trong một’

Những bước làm sạch trên nếu được áp dụng sẽ gợi mở rất nhiều hướng phát triển thuận lợi cho ngành nông nghiệp của nước ta, dẫu vậy liệu nó có quá phức tạp và cồng kềnh - với nhiều thiết bị vận hành liên tục? “Một hệ thống xử lý với đầy đủ buồng plasma, máy rửa, máy tạo nước oxy hóa, máy tiệt trùng không khí v.v. sẽ chỉ tốn diện tích khoảng 12 m2 thôi”, PGS.TS Trần Ngọc Đảm giải thích về sự nhỏ gọn của hệ thống. “Tất cả các máy sẽ làm việc đồng bộ với nhau nhờ bộ điều khiển trung tâm, người dùng có thể theo dõi, quan sát, thu thập dữ liệu và điều khiển từ xa”.

Cụ thể, không gian xử lý rau củ sẽ gồm ba vùng đóng kín theo nguyên tắc một chiều. Vùng (I) là công đoạn chuẩn bị với các bước phân loại và vệ sinh thô. Vùng (II) là công đoạn làm sạch và tiệt trùng, rau củ sẽ được đưa lên băng tải rửa bằng nước oxy hóa bậc cao và sau đó là nước sạch. Công đoạn này gồm có máy tạo nước nano bubble oxy hóa bậc cao và máy tạo nước sạch. Vùng (III) là công đoạn đóng gói với máy tiệt trùng bề mặt bao bì. Ở cả vùng (II) và vùng (III) sẽ có máy tạo khí sạch liên tục hoạt động để đảm bảo môi trường không khí tiệt trùng. Các loại máy này tiệt trùng, làm sạch đều được kết nối với một chiếc máy tạo nguồn plasma.

Để xem xét mức độ hiệu quả, nhóm nghiên cứu đã kiểm chứng các loại rau củ khác nhau. Chẳng hạn với rau xà lách, nhóm thu thập hai mẫu rau cùng một nguồn và bảo quản trong điều kiện giống nhau. Một mẫu sẽ được giữ nguyên và một mẫu được xử lý qua hệ thống tiệt trùng, bảo quản bằng công nghệ plasma. Sau khoảng ba ngày, mẫu rau đối chứng bắt đầu xuất hiện lá úng, lá héo; mẫu được xử lý xuất hiện dấu hiệu hư hỏng sau chín ngày - lâu gấp ba lần mẫu đối chứng. Nhóm nghiên cứu thậm chí đã tiến hành thử nghiệm bảo quản thành công rong nho - một sản phẩm rất dễ hư hỏng, thời gian sử dụng ngắn. Với những ưu điểm trên, thiết bị tạo nguồn plasma, máy tiệt trùng không khí, phương pháp xử lý nước sạch bằng công nghệ plasma đã lần lượt được Cục Sở hữu Trí tuệ (Bộ KH&CN) cấp bằng độc quyền sáng chế số 1-2014-02680 vào ngày 25/12/2018, bằng giải pháp hữu ích số 2-2016-00181 vào ngày 11/7/2016, bằng sáng chế số 1-2013-03072 vào ngày 1/8/2018.

Trong thời gian tới, nhóm của PGS.TS Trần Ngọc Đảm sẽ tiếp tục tiến hành thêm một số thử nghiệm để xác định hiệu quả chính xác của hệ thống này. “Về mặt lý thuyết, chất oxy hóa bậc cao được gói vào bọt khí nano phân tán đều trong nước và động năng hạt mang điện bẻ gãy các chuỗi hydorocarbon (vi khuẩn, nấm mốc,...), các vòng benzen (lượng tồn dư hóa chất) làm sạch rau củ quả”, anh chia sẻ. “Tuy nhiên, để đưa ra khẳng định chắc chắn cũng như thuyết phục người dùng tin tưởng vào thiết bị của mình, chúng tôi cần có kết quả thực nghiệm cụ thể hơn”.

Theo Khoahocphattrien