Nitrite và Ứng dụng chống Vi sinh vật trong Sản xuất thực phẩm

Trong loạt bài trước, chúng ta đã tìm hiểu về một loạt các chất chống vi sinh vật như acid sorbic, SO₂, acid propionic, acid acetic, acid benzoic, nitrate… Trong bài này, chúng ta tiếp tục tìm hiểu về một loại chất mới: nitrite và các ứng dụng trong sản xuất thực phẩm.

Nitrite

Trước đây rất lâu, người ta sử dụng nitrate để bảo quản nhưng sau đó, khoa học mới nhận ra hoạt động bảo quản thực phẩm chính xác là do nitrite được hình thành từ nitrate. Ban đầu, các hợp chất nitrite được sử dụng một mình nhưng hiện nay hầu hết các nước đều sử dụng nó ở dạng hỗn hợp trong muối ăn với một tỷ lệ cố định và thường được quy định bởi luật pháp , cách thức này được gọi là tiêu chuẩn hóa. Xét ở phương diện độc tính học, hiện nay việc tiếp tục sử dụng nitrite để bảo quản thực phẩm đang phải đối mặt với một quá trình xem xét khoa học nghiêm túc vì những lo ngại về sự hình thành các hợp chất nitrosamin (được xem là một tác nhân gây ung thư) từ nitrite trong một số điều kiện nhất định hoặc độc tính từ chính nitrite.

Tính chất của nitrite

Các hợp chất nitrite bao gồm hai loại muối, sodium nitrite và potassium nitrite. Tuy nhiên, trong công nghiệp thực phẩm, người ta sử dụng gần như chỉ ở dạng sodium nitrite. Một số nước sử dụng sodium nitrite ở dạng được gọi là muối ướp nitrite, nghĩa là dạng hỗn hợp với muối ăn. Điều này giúp cho việc định liều lượng đơn giản và đáng tin cậy hơn. Sodium nitrite có công thức là NaNO₃, KLPT 69,0. Nó có dạng tinh thể dễ hút ẩm, màu từ trắng đến vàng nhạt và nhiệt độ chảy là 306°C. Sodium nitrite hòa tan dễ dàng trong nước (1g/1,5g nước, ở nhiệt độ thường) nhưng chỉ tan nhẹ trong cồn.

Hoạt động chống vi sinh vật và phổ hoạt động

Hoạt động chống vi sinh vật của nitrite dựa trên acid nitrous (HNO₂) mà nó giải phóng ra và nitrogen oxide (NO) được tạo ra từ acid nitrous. Các hợp chất này gắn với các nhóm amin của hệ thống enzyme dehydrogenase của tế bào vi sinh vật, vì vậy tạo ra hoạt động ức chế. Nitrite có hoạt động ức chế đặc trưng đối với enzyme của vi khuẩn, loại enzyme xúc tác phân hủy glucose. Nitrite cũng có những điểm tấn công khác trong quá trình trao đổi chất của vi khuẩn mà nhờ đó, có thể giải thích cho sự ức chế phát triển của vi sinh vật, ví dụ các phản ứng với hemoprotein, chẳng hạn như các cytochrome và các enzyme SH.

Hoạt tính của nitrite tăng khi pH giảm. Trong khi một nồng độ ức chế tối thiểu 4000 ppm nitrite cần để ức chế Staphylococcus aureus ở pH = 6,9 thì chỉ cần 400 ppm pH = 5,8 và 80 ppm ở pH = 5,05. Vì vậy, thêm một chất điều chỉnh độ acid, glucono delta lactone hoặc nuôi cấy với lactobacilli sinh acid sẽ tạo hiệu ứng có lợi trên hoạt tính của nitrite. Nồng độ nitrite trong khoảng 80-160mg/kg, đây là nồng độ thường dùng trong công nghệ chế biến thịt, là không đủ để ức chế vi khuẩn một cách đáng tin cậy trong điều kiện thử nghiệm trên môi trường dinh dưỡng. Trong các điều kiện chế biến thực tế, mức hoạt tính đầy đủ chỉ có thể nhận được bằng việc kết hợp nitrite với muối ăn để làm giảm hoạt độ nước a_w và kết hợp với các yếu tố khác như giá trị pH đủ thấp, thế oxy hóa khử thấp, nhiệt độ thấp, có gia nhiệt và số lượng vi sinh vật phải thấp trong thực phẩm cần bảo quản.

Một điểm đem lại lợi ích thực tế chủ yếu trong bảo quản thực phẩm là hoạt động ức chế của nitrite đối với clostridia, từ đó ức chế sự hình thành độc tố botulinum. Nếu nitrite được gia nhiệt cùng với canh trường, hoạt tính này tăng xấp xỉ 10 lần khi nó chống lại các bào tử Clostridium botulinum (hiện tượng này được gọi là “hiệu ứng Pergo”). Nồng độ ức chế tối thiểu của nitrite nằm trong dãy 50-200 mg/kg tùy theo giá trị pH. “Hiệu ứng Perigo” cũng chưa được giải thích rõ ràng. Các mô hình thực nghiệm đề nghị rằng các sản phẩm phản ứng của nitrite với các thành phần của thịt, được tạo ra khi gia nhiệt, có mức hoạt tính chống vi khuẩn cao hơn nhiều so với hoạt tính của chính nitrite. Các sản phẩm phản ứng có thể có là nitrosothiol và sản phẩm phản ứng của nitrite với các hợp chất chứa sulfur và Fe²⁺ của muối Russin (K₂[Fe₂S₂(NO)₄] hoặc NaFe₄S₃(NO)₇), mặc dù các hợp chất này khá nhạy với nhiệt. Vì vậy, hiện nay các nhà khoa học xem xét đến khả năng là các sản phẩm phản ứng khác của nitrite với các hợp chất có trong thịt có thể cũng chịu trách nhiệm đối với việc tăng hoạt tính của nitrite trong các sản phẩm thịt có gia nhiệt, ví dụ các hợp chất S-nitrosocystein, các phức của cystein với ion Fe²⁺ và NO hoặc các sản phẩm phản ứng của nitrite với các loại đường, đường amin, các hợp chất aldehyde đường và các hợp chất carbonyl khác.

Phổ hoạt động của nitrite gần như chỉ “độc quyền” đối với vi khuẩn. Sự phát triển của nấm men và nấm mốc không bị ảnh hưởng bởi nitrite.

Ứng dụng trong công nghệ thực phẩm

Nitrite được bổ sung vào các sản phẩm thịt, đặc biệt là xúc xích và thịt ướp, chúng đem lại hiệu quả không chỉ là cho màu sắc mong muốn, hương vị ướp đặc trưng mà còn cải thiện các tính chất bảo quản chống lại sự hư hỏng do vi khuẩn cho sản phẩm. Thêm nitrite vào sản phẩm thịt giúp ngăn ngừa không chỉ sự phát triển của vi sinh vật sinh độc tố và gây bệnh mà còn ngăn ngừa sự hình thành độc đổ enterotoxin và các độc tố vi khuẩn khác. Vì vậy, nitrite hoạt động với vai trò là một chất ngăn ngừa ngộ độc thực phẩm. Trong ứng dụng thực tế, với dãy nồng độ 50-160mg/kg, nitrite có thể bảo vệ thực phẩm chống vi khuẩn. Với mong muốn giảm liều lượng của nitrite xuống thấp hơn dãy này vì lý do độc tính của nó thì phải tìm được các hợp chất thay thế có đa chức năng tương đương nitrite, nhưng hiện vẫn chưa tìm được hợp chất nào có các tính chất như vậy.

Trong nhiều sản phẩm đã được thử nghiệm, acid sorbic và các muối sorbate là thích hợp nhất. Ở điều kiện sản xuất của các thực phẩm dầm dấm, nghĩa là với các giá trị a_w và pH đặc trưng, hiệu quả ức chế của acid sorbic và các muối sorbate đối với vi sinh vật sinh độc tố và gây bệnh, trong nhiều trường hợp, còn ưu việt hơn so với nitrite. Tuy nhiên, hiệu ứng hóa học tích cực của nitrite đối với màu và hương vị của thực phẩm dầm dấm thì acid sorbic và các sorbate không có được. Vì lý do này, cho đến nay các hợp chất sorbate vẫn chưa được ứng dụng chính trong ngành sản phẩm này.

Các tác nhân chính khác có thể thay thế nitrite là quy trình Wisconsin, trong đó vi khuẩn Pediococcus acidilacticus được bổ sung vào với vai trò là chất bảo vệ canh trường cùng với đường saccharose; sử dụng hệ thống ướp không nitrite dựa trên dinitrosylferrohemochrome hoặc protoporphytin IX hoặc sử dụng các phẩm màu monascus. Các phương pháp này tạo ra màu sắc hấp dẫn cho sản phẩm nhưng trong hầu hết các trường hợp, hiệu quả chống vi sinh vật giống như nitrite của các phương pháp này lại không đạt được hoặc vướng phải các vấn đề về kỹ thuật hoặc các sản phẩm chưa được trải qua các thử nghiệm độc tính một cách đầy đủ.

Nitrite là một chất hóa học có hoạt tính cao do đó nó bị biến đổi trong thịt khá nhanh. Một phần nitrite bị oxy hóa thành nitrate hoặc thành nitrogen oxide (NO), một phần liên kết với myoglobin hoặc protein khác, một phần liên kết với các acid amin, chẳng hạn như tryptophan hoặc tyrosine và một phần khác liên kết với các hợp chất SH. Các hợp chất lipid và carbohydrate, cũng như nhiều thành phần thực phẩm khác có thể là các “đối tác” phản ứng với nitrite.

Trong khi quá trình ướp và ướp – ngâm được thực hiện chủ yếu với nitrate thì nitrite lại được sử dụng với phạm vi rất rộng trong các loại xúc xích và các sản phẩm khác được chế biến từ thịt xay nhuyễn. Thường thì quá trình ướp bằng nitrite cũng rẻ hơn ướp bằng nitrate vì quá trình ướp nhanh hơn. Nitrite cũng được sử dụng trong quá trình ướp nhanh, ví dụ ướp bằng siêu âm, ướp trong điều kiện chân không. Nitrite có thể tự gắn vào myoglobin có màu của mô cơ để hình thành nitrosomyoglobin, bền với điều kiện đun sôi. Quá trình này tạo ra màu đỏ cho thịt ngâm. Thêm vào đó, nitrite cũng tạo ra hương vị mong muốn cho sản phẩm thịt ướp và bảo vệ chất béo có trong thịt tránh được sự hư hỏng do oxy hóa. Các “hiệu ứng phụ” này được quan tâm trong công nghệ thực phẩm vì ít nhất nó có lợi ích tương đương với hiệu ứng bảo quản và nhìn chung, cho đến nay, vẫn chưa có hợp chất nào có thể thay thế các hiệu ứng có lợi này.

Tài liệu tham khảo
[1] Erich Luck, Martin Jager. Antimicrobial Food Additives. Germany: Springer, 1996.
[2] Thomas E. Furia. Handbook of food additive. Volume I, Bostom: CRC press, 1972.

Thanh Bình RD VNO