Niekonwencjonalne metody

utrwalania żywności:

• napromienianie,
• wysokie ciśnienie (paskalizacja)
• ogrzewanie omowe
• promieniowanie mikrofalowe
• zmienne pole elektryczne o wysokiej częstotliwości
• oscylacyjne

pole magnetyczne

• pulsujące światło

Ciśnienie

hydrostatyczne

(High Hydrostatic

Pressure), paskalizacja

Z historii HHP:

• pierwsza praca - 1899 r. Amerykanin Hite stwierdził, że

naturalnie występująca w mleku mikroflora zmniejszyła
się z wartości 10

7

o 5-6 cykli logarytmicznych po

poddaniu mleka działaniu ciśnienia 680 MPa przez 10
min. w temperaturze pokojowej

• w tym samym czasie inne badanie- mięso potraktowane

ciśnieniem 540 MPa w temp. 52°C przez l h nie uległo
mikrobiologicznemu zepsuciu przez 3 tygodnie

• później- badania innych produktów, m. in. owoców i

warzyw

• 1991r.,-szersze zainteresowanie HHP- pierwszy produkt

owocowy (dżem i galaretka)- Japonia

• 1996r. Niemcy-(instalacja do HHPT wsadów jogurtowych)
• 1996r.- USA (sterylizacji pulpy ze świeżych owoców

avocado)

High Hydrostatic Pressure

• zastosowany przemysłowo ok. 15 lat.
• zaletą jest wytworzenie jednolitego ciśnienia

w całej objętości produktu

• inaktywacja może mieć charakter reakcji I lub

II rzędu, zależnie od drobnoustroju

• analogicznie do inaktywacji cieplnej, stosuje

się wielkość D (decimal reduction of count
number)

zastosowanie:

dżemy, sałatki, żele owocowe, jogurty,

majonezy, soki owocowe, pasty owocowe, owoce (jako
pierwsze truskawki, kiwi i dżemy jabłkowe w Japonii)

Podstawowe zasady HHP:

izostatyczna zasada Pascala:

• wysokie ciśnienie hydrostatyczne działa natychmiastowo i

jednostajnie, niezależnie od wielkości i geometrii próbki

• przenoszone jest ono przez medium, którym może być

woda

• jest efektywne w temperaturze pokojowej.
• dzięki zastosowaniu płynumożna poddawać wysokiemu

izostatycznemu ciśnieniu produkty stałe i ciekłe, bez

względu na ich kształt i wielkość

• ważnym zagadnieniem jest dobór odpowiednich opakowań

do żywności. Z dotychczasowych obserwacji wynika, że

najlepiej nadają się do tego celu opakowania foliowe i

plastykowe.

Mechanizm inaktywacji drobnoustrojów za

pomocą HHP

• najbardziej niszczoną strukturą jest błona komórkowa-

dysfunkcje transportu aktywnego i pasywnej

przepuszczalności, poluzowanie wiązań białek

enzymatycznych i błony komórkowej.

• niszczenie błony jądra komórkowego
• niszczenie enzymów odpowiedzialnych za replikację i

transkrypcję DNA

• denaturacja białek
• zniszczenie integralności komórki
• zmiany stanu fazowego tłuszczów
• inaktywacja enzymów
• obniżenie pH wewnątrz komórki, obniżenie aktywności

Na

+

/K

+

ATP-azy, upośledzenie pompy wodorowej.

• dysocjacja kwasów tłuszczowych błony komórkowej

Zjawiska występujące w produkcie w czasie

presuryzacji:

•

nie jest możliwe ujednolicenie zachowania różnych
produktów o poddawanych procesowi

•

zmiany konformacyjne makroskładników

•

przejścia fazowe makroskładników

•

zmniejszenie objętości produktu jest korzystne,
zwiększanie jest niekorzystne

•

zachowanie aromatu i smaku produktu

•

powietrze zawarte w produkcie może wywołać
uszkodzenia tkanek produktu (brązowienie
enzymatyczne)

•

podwyższona jonizacja kwasów w komórce,
obniżenie pH

Czynniki wpływające na

presuryzację:

• wydłużenie czasu procesu inaktywuje komórki

wegetatywne są przez ale tylko powyżej 200-
300MPa

• komórki w fazie wykładniczej są bardziej podatne na

HHP niż w lag-fazie lub stacjonarnej.

• obniżona a

w

podwyższa odporność komórek na HHP

(dzięki kurczeniu komórek, pogrubienie błony
komórkowej, jej usztywnienie i ograniczenie
przepuszczalności, częściowa dehydratacja)

• temperatury <15

o

C i > 30

o

C obniżają odporność

drobnoustrojów na presuryzację

• niska temperatura wywołuje obniżenie siły wiązań

hydrofobowych i krystalizację fosfolipidów

Stosowane ciśnienia:

• formy wegetatywne 400-600 MPa

(temperatura pokojowa), np.

– S. cerevisiae ma niszczoną błonę

komórkową przy 100 MPa, a ścianę
komórkową powyżej 500 MPa.

– L. monocytogenes –niszczenie DNA przy

250 Mpa, 10 min.

• spory niektórych gatunków- do 1000

MPa (temperatura pokojowa)

Wrażliwość drobnoustrojów na

wysokie ciśnienia hydrostatyczne (w

kolejności malejącej):

• bakterie Gram(-) (gwałtowna inaktywacja >100 MPa)
• drożdże
• wirusy
• pleśnie
• bakterie Gram (+) (potrzeba ciśnienia wyższego od 600 MPa, np.

Staphylococcus aureus wymaga w temperaturze pokojowej ciśnienia 800

Mpa) ściana kom. to wielowarstwowa siatka mureinowa

• przetrwalniki-wyjątkowo oporne, można je zniszczyć tylko w fazie

kiełkowania (Bacillus i Clostridium > 1200 MPa)

• łagodne ciśnienie hydrostatyczne, np. 25 MPa może przyspieszyć

kiełkowanie przetrwalników

Niestety

• 350 do 400 kPa w t. pokojowej obniża populację

wegetatywnych form bakterii tylko kilka wartości D.

• tymczasem dla uzyskania produktu bezpiecznego

wymagane jest zniszczenie komórek Clostridium
botulinum aż o 12-D

• inaktywacja form wegetatywnych drobnoustrojów i

enzymów następuje przy ciśnieniach powyżej 800
Mpa

• metoda paskalizacji może być wykorzystywana

jedynie do przedłużania trwałości produktów
kwaśnych, a więc środowisk owocowych, w których
przetrwalniki nie są zdolne do aktywacji,
nie mają więc wpływu na trwałość przechowywanych
produktów

Dla inaktywacji przetrwalników metoda

HHP musi być uzupełniona:

• łagodnym podwyższeniem temperatury (50-60°C)
• obniżonym pH
• zamrażaniem do -20°C
• użycie tylko samego ciśnienia hydrostatycznego do

inaktywacji spor nie pozwala uzyskać produktu
bezpiecznego dla zdrowia konsumenta.

Odpowiedź drobnoustrojów na

HHP:

• inaktywacja
• odpowiedź przeżyciowa- bezpośrednio po

zabiegu nie wykrywa się drobnoustrojów w
posiewie, jednak potem wzrastają (zależnie
od T, czasu, pH, składu roztworu).

Przykłady żywności poddanej

procesowi HHP

Dżemy

400 MPa, 20°C

kubek

Meidi-ya

Owocowe
przybrania

10-30 min

(100-125 g)

 

Owocowe sosy

 

 

 

Owocowe żele

 

 

 

Jogurty

 

 

 

Sok z grejfruta

120-400 MPa, 20°C

Butelka
szklana

Pokka

 

2-20 min

(200-800 g)

 

Sok z mandarynek

300-400 MPa, 20°C

Butelka
szklana

Wakayama

 

2-3 min

(500 g)

 

Produkt

Warunki
procesów

Opakowanie

Firma

Kandyzowane
owoce
Lody
wołowina
Ciasto ryżowe

50-200 MPa
100-250 MPa, 20°C 30
min-3 hr
400 MPa, 45-70°C 10
min

Papierowy
kubek (130 g)

Nisshin
Fuji Chiku &
Mutterham
Echigo
Seika

Wysokie ciśnienie izostatyczne można

wytworzyć przez:

• ogrzewanie medium roboczego

poddawanego ciśnieniu (rzadko
stosowane)

• bezpośrednią kompresję
• pośrednią kompresję (najczęściej

stosowana)

Sposób wytwarzania ciśnienia w HHP: a) ciśnienie
bezpośrednie, b) ciśnienie pośrednie 1-tłok, 2-
obudowa prasy, 3-komora ciśnieniowa, 4-zamknięcie
dolne, 5-zamknięcie górne, 6-pompa, 7 -zbiornik z
wodą

Systemy do wysokiego ciśnienia

izostatycznego mogą być:

• zimne
• ciepłe
• gorące

Procedura

:

• wypełnienie komory materiałem
• wypełnienie komory medium

przenoszącym ciśnienie (zwykle woda
destylowana)

• odpowietrzenie
• zamknięcie
• wytworzenie ciśnienia
• ciśnienia 500-2000 MPa, wydajność 600

l/h.

• aseptyczne pakowanie

Większa pojemność robocza komory=

więcej energii przy tym samym ciśnieniu:

• energia sprężenia w komorze wypełnionej wodą pod

ciśnieniem 400 MPa o objętości wewnętrznej

– 10 L wynosi ok. 200 kJ, a
– 1000 L wynosi 20 000 kJ.

Cech charakterystyczne HHP:

• brak start ekstraktu występujących w blanszowaniu

wodnym lub parą wodną

• minimalizacja wód ściekowych po blanszowaniu
• inaktywacja reakcji enzymatycznej może być wywołana

zmianę struktury substratu (makromolekuły)

• inaktywacja enzymu może być odwracalna
• inaktywacja peroksydazy (groszek zielony, 1 min.,

900MPa)

• inaktywacja polifenolooksydazy (jabłko, 900MPa, 1 min.)
• inaktywacja katalazy, fosfatazy, lipazy, pektynoesterazy,

lipooksygenazy, laktoperoksydazy

• Zapoczątkowanie reakcji enzymatycznych, np,. niszczenie

tonoplastu wakuoli cebuli i wyciek związków fenolowych

(<100MPa), inaktywacja polifenolooksydazy (> 600 MPa)

przez 10 min.

Pulsacyjna presuryzacja:

• 4-6 kompresji-dekompresji, 70

o

C, 5min.,

600MPa, B. stearothermophilus
zredukowany o 4-6 cykli
logarytmicznych

Aktywność lipoxygenazy w guakamolu po

procesie paskalizacji

Aktywność (%)

Kontrol (bez HHP) 100.0
5min. 689MPa

41.2

10min. 689MPa

4.9

15min. 689MPa

-

20 min 689 MPa

-

2 cykle (5 min 689 MPa)

-

3 cykle (5 min 689 MPa) -

4 cykle

(5 min

689 MPa)

-

2 cykle (10 min 689 MPa) -

Guacamole- meksykański sos przyrządzny na

bazie awokado.

limony i soli (również pomidory, papryka chili,

cebula, kolendra, czosnek i inne przyprawy).

Spożywa się go zazwyczaj z plackami tortilli.

Metoda HHP jest uważana za bardzo

obiecującą w technologii żywności, jej zalety:

• zwiększenie trwałości produktów w wyniku niszczenia drobnoustrojów
• modyfikacja biopolimerów, np. białek,
• aktywację jednych enzymów i inaktywację innych oraz ukierunkowanie

odpowiednich przemian (tenderyzacja mięsa, usuwanie białek

powodujących alergię u konsumentów)

• zachowanie dobrej jakości organoleptycznej, zwłaszcza barwy i zapachu

(nie uszkadza się chemicznych wiązań kowalencyjnych)

• zwiększenie dyspozycyjności produktu przez zmniejszenie jego objętości
• zmiana niektórych właściwości produktu, np. temperatury zamarzania i

rozmrażania

• wysokie ciśnienie inaktywuje formy wegetatywne większości

mikroorganizmów, powoduje denaturację białka, lecz nie niszczy

witamin, składników smakowo-zapachowych i w większości przypadków

nie powoduje zmian barwy produktów

Zmiany w żywności po działaniu HHP:

• zmniejszanie się odległości między cząsteczkami i

zachodzącymi między nimi interakcjami

• w zakresie ciśnień 100-600 MPa następuje zmniejszenie

objętości wody o 4-15%

• koagulacja białek
• żelowanie pektyn (dżemy bez gotowania)
• inaktywacja enzymów,
• żelowanie skrobi
• przyspieszenie reakcji brązowienia (gruszek, ziemniaków i in.)

- efekt wzrostu aktywności PPO

• żywność poddana działaniu wysokiego ciśnienia może być

przechowywana w niskich temperaturach bez ich zamrożenia

• związane jest to z tym, że punkt zamarzania wody obniża się

do temperatury: -5°C przy ciśnieniu 70 MPa, -10°C przy 125
MPa i -20°C przy 200 MPa.

Zmiany drobnoustrojów w wyniku

stosowania HHP:

• elongacja komórek np., Escherichia coli

ok. 10-100 m

• deformacja

jądra

w

komórkach

Saccharomyces cerevisiae

• zmiana grubości ściany komórkowej
• oddzielenie ściany komórkowej od błony

cytoplazmatycznej

• peroksydaza,

lipooksygenaza,

lipaza,

enzymy

pektynolityczne pod wpłyem HHP są częściowo

inaktywowane.

• degradacja niektórych toksyn, np. patuliny (sok i

koncentrat jabłkowy) ciśnienia 300, 500 i 800 Mpa, l

h, t. pokojowa, 62%

• aspartam rozpada się w środowisku bliskim

obojętnego w temp. 60°C przy ciśnieniu 600 MPa na

aspartylofenyloalaninę i toksyczną dla człowieka 2,5-

diketopiperazynę (ADI 7,5 mg/kg masy ciała; po 5

min. przy ciśnieniu 600 MPa stwierdzono 300 mg/1,

czyli górny limit dla osobnika o masie 40 kg). W środo

wisku kwaśnym aspartam może być pod dawany

działaniu HP, nie zachodzi wtedy reakcja rozkładu.

HHP można skojarzyć z:

• T
• konserwowaniem SO

2

• konserwowaniem CO

2

• Kwasami organicznymi (HHP stanowi

wstępny czynnik konserwujący)

• polifenolami,
• bakteriocynami
• ultradźwiękami
• Promieniowaniem jonizującym
• obniżonym pH

Ogrzewanie omowe

Ogrzewanie omowe

• polega na bezpośrednim ogrzewaniu oporowym żywności,

przez przepuszczanie prądu elektrycznego w systemie
ciągłym

• podobnie jak przy ogrzewaniu mikrofalowym, energia

elektryczna jest zamieniana w cieplną

• głębokość penetracji jest właściwie nieograniczona
• możliwe jest osiągnięcie zarówno temperatur

pasteryzacyjnych (90-100°C), jak i sterylizacyjnych (120-
140°C)

• proces może być połączony z aseptycznym pakowaniem w

celu zapobieżenia wtórnym zakażeniom

• działanie inhibitujące mikroorganizmy jest podobne jak w

przypadku tradycyjnego sposobu sterylizacji i
aseptycznego pakowania, np. UHT

• zaletą jest możliwość zastosowania do produktów

zawierających duże cząstki stałe.

Promieniowanie mikrofalowe

• kuchnie mikrofalowe pracują w zakresie 2450 MHz
• moc od 325 do 650W pozwala zniszczyć w ciągu 5

minut formy wegetatywne bakterii (w większości
chorobotwórcze)

• przy mocy 1400 W po 10-20 minutach działania

promieniowania w środowisku wodnym
inaktywowane są nawet przetrwalniki bakterii.

Oscylacyjne pole magnetyczne:

• pole o krótkich impulsach od 25 do 10 ms

• częstotliwości robocze 5-500 kHz

• pole magnetyczne inaktywuje drobnoustroje o

około 2 cykle logarytmiczne

• nie ma danych na temat mechanizmu destrukcji

komórek oraz wpływu pola magnetycznego na
składniki żywności

.

Impulsy światła o dużej gęstości

energetycznej (PL):

1. wykorzystywane są impulsy światła o gęstości energii

0,01-50 J/cm

2

2. długości fali wynosi 170-2600 nm

3. fale działają w czasie od 10

-6

do 10

-4

sekundy

4. intensywność tych impulsów jest 20 000 razy większa

od intensywności światła słonecznego mierzonej nad
brzegiem morza.

Mechanizm inaktywacji drobnoustrojów

przez PL:

• mikroorganizmy i wirusy są niszczone w wyniku efektu

fototermicznego i fotochemicznego

• efekt wyjaławiający uzyskuje się przy traktowaniu

gładkich powierzchni produktów żywnościowych lub
opakowań kolejnymi impulsami światła o dawce l J/cm

2

• liczba drobnoustrojów ulega redukcji o 7 do 9 cykli

logarytmicznych (D) już w czasie ułamka sekundy

• na powierzchniach nieregularnych stopień redukcji

drobnoustrojów wynosi od 1-3 D

• słaba przenikliwość stosowanych impulsów światła

powoduje, że ogrzewane są tylko cienkie warstwy i nie
pojawiają się zmiany jakościowe w naświetlanej
żywności.

Zjawisko fotouczulenia=

fotoutlenienia (fotooksydacji):

• barwniki wchodzące w skład cytoplazmy absorbują

fale świetlne

• barwniki w obecności tlenu mogą wywoływać

inaktywację enzymów i innych czynnych
składników komórki

• cytochromy i flawiny należą do tych składników

komórki, które mogą powodować reakcje
fotooksydacji w warunkach tlenowych.

PEF (Pulsed Electric Field) -

założenia metody:

• do komórki przyłożone jest napięcie elektryczne

pulsacyjne o wysokiej wartości i krótkich czasach
działania

• napięcie wywołuje zakłócenie potencjału błony

komórkowej

• kiedy różnica potencjału po obu stronach błony

przekroczy wartość krytyczną (ok. 1V), wskutek
przyciągania się różnoimiennych ładunków,
następują zmiany w przepuszczalności błony
komórkowej, pojawiają się pęknięcia i pory w
membranach

• błona komórkowa traci wtedy właściwości

półprzepuszczalne i następuje śmierć komórki. Są to
zmiany nieodwracalne.

Pulsed Electric Field- ogólne

cechy:

• produkty konserwowane przez

PEF

mają doskonałe

cechy fizyczne, chemiczne, żywieniowe, sensoryczne

• technika wymaga produktów o odpowiedniej

elektrycznej charakterystyce: płynne jajka, mleko, soki,

inne ciekłe produkty

• efekt

PEF

jest podobny do efektu cieplnej pasteryzacji

• temperatura produktu nie podnosi się
• technika wykorzystuje wysokonapięciowe, krótkotrwałe

impulsy elektryczne (mikro i milisekundy, 20-80kV/cm)

• efekt

PEF

zależy od natężenia pola elektrycznego,

liczby impulsów (czasu działania)

• proces jest ekonomiczny, obróbka

PEF

soku

jabłkowego wymaga jedynie ok. 10% energii potrzebnej

do obróbki

HTST

tego produktu

Kształty fali elektrycznej:

• fale zanikające w sposób wykładniczy (prosty

obwód elektryczny, najczęściej wykorzystane)

• prostokątne
• oscylacyjne (najmniej przydatne w technologii

żywności)

• bipolarne (wysoka letalność, mniejsze nakłady

energetyczne, niski stopień odkładania cząstek
stałych na elektrodach, obniżona elektroliza
składników żywności

• o chwilowym odwróceniu ładunku

(najbardziej efektywne, niskie zużycie energii,
wysoka inaktywacja spor).

Fale zanikające w sposób

wykładniczy:

• najczęściej wykorzystane
• prosty obwód elektryczny
• mogą występować problemy z omowym

przegrzewaniem produktu o wysokiej
przewodności elektrycznej

• tej wady pozbawiona jest fala prostokątna,

ale wymaga bardziej skomplikowanego
systemu induktorów do wytwarzania fali,

Inaktywacja enzymów przez PEF

• zmiany konformacji białek poprzez:

dostarczenie ładunku, reakcje dipoli lub
indukowanych dipoli

• asocjacja lub dysocjacja zjonizowanych grup
• przesunięcia naładowanych grup bocznych
• zmiany upakowania i ustawienia helis
• zmiany kształtu białek
• termostabilne (kłopotliwe) proteazy,

oksydazy pektynometyloesterazy w
warzywach i owocach i mogą być z
powodzeniem inaktywowane przez PEF

Wada PEF:

• dielektryczny rozkład składników żywności-

generowanie iskry w wyniku różnic we
właściwościach dielektrycznych różnych
składników żywności.

Można tego uniknąć przez:

• wzrost ciśnienia w komorze operacyjnej
• użycie doskonale gładkich, zaokrąglonych elektrod
• odgazowanie komory roboczej w celu

ujednolicenia pola magnetycznego