Contents

Pulsating electric field - Principle

Pulsed electric field in order to kill micro-organisms has long been known. For some time the application has been expensive compared to other techniques, but the application may be interesting for some products. Advantages are that the food product to be treated does not change in chemical and physical properties, hardly increases in temperature, little water and energy is required and far less cleaning (compared to UHT).

Simplified circuits

Figuur 1.1: Vereenvoudigde stroomkringen van de pulsgeneratiesystemen en de ideale voltagepatronen van exponentieel bederf en vierkante golfpulsen (Sun et. al 2005, p.76)

Principle high pulsed electric field
Configurations of treatment rooms for continuous PEF

Figuur 2.1: Configuraties van behandelruimtes voor continu PEF behandeling:
a) Parallel plaat
b) Coxiaal plaat
c) Co-lineaire configuratie
(Sun et. al. 2005, p. 78)
[4]

3 Microbiële afdoding

3.1 Microbiële afdoding

Voor voldoende inactivering van micro-organismen kunnen een aantal factoren van belang zijn: behandelingstijd, pulsvorm en behandelingstemperatuur (waarvan het laatste het meeste effect heeft).

Behandelingstijd
Een verhoging van de behandelingstijd zorgt voor uitstekende inactivatie, maar in sommige gevallen wordt verzadiging verkregen. Indien de puls in breedte toeneemt, neemt de micro-organismen afdoding ook toe. De pulsbreedte is niet gelijk gekoppeld aan behandelingstijd voor de afdoding van micro-organismen. Afhankelijk van de soort micro-organismen heeft de behandelingstijd meer effect op de inactivering dan de pulsbreedte.
Uit een onderzoek is gebleken dat voor inactivering van Salmonella senftenberg de behandelingstijd veel meer effect heeft dan de pulsbreedte. [5]

Pulsvorm
Afhankelijk van de topologie en de capaciteit van de PEF apparatuur, kunnen verschillende pulsvormen worden verkregen: exponentieel, rechthoekig (rectangular), monopolair, bipolair, oscillerend.
Uit onderzoek is gebleken dat de oscillerende vorm het minste effect heeft op inactivering van micro-organismen. Terwijl rectangular pulsen geven meer effect als het gaat om energie en inactiverig ten opzichte van exponentiele pulsen.
Uit hetzelfde onderzoek in gebleken dat door het gebruik van monopolaire pulsvorm 4,5 decimale reductie is verkregen van Bacillus subtillis in melk, terwijl bipolair 5,5 decimale reductie heeft veroorzaakt. In beide gevallen zijn er 13 pulsen van 16kV/cm toegepast met een pulsbreedte van 180 microseconden (μsec). [5]

Behandelingstemperatuur
De temperatuur van de behandeling heeft een groot effect op de inactivatie van micro-organismen. Verschillende onderzoekers hebben het synergie effect van temperatuur (25-55°C) in combinatie met PEF behandeling voor de inactivering van micro-organismen alsmede enzymen kunnen aantonen. De toename van temperatuur leidt tot een toename van de kinetisch energie van de ionen, daardoor worden de celwanden van de micro-organismen permeabel.
Uit onderzoek kon men constateren dat de combinatie van PEF en een temperatuur van 55°C, de celwanden van Escherechia coli O157:H7 kon afbreken. Uit een ander onderzoek is gebleken dat door het gebruik van 35 pulsen van 25 en 31 kV/cm, respectievelijk 3 decimale reductie van Staphlococcus aureus en 2 decimale reductie van Bacillus cereus kon worden verkregen bij magere melk. De tijd en temperatuur combinatie die werden gehanteerd waren respectievelijk: 15 min / 45°C, 20 en 40 min / 60°C voor S. aureus en 5 – 10 min / 70°C voor B cereus. [5]
Er is een studie uitgevoerd omtrent het temperatuureffect op behandeling van Escherichia coli in appelsap. Deze studie wilde het effect van gecombineerd behandeling van PEF en milde hitte-behandeling wijzen voor microbiële inactivering. Men kon aantonen dat een temperatuurbehandeling van 35-55°C Escherichia coli tot 6 decimale-reductie kon veroorzaken. Hierboven wordt 10 tot 40 kJ/kg vereist wanneer het werken bij een eerste behandelingstemperatuur van 55°C is toegepast. [6]
Uit een ander onderzoek is gebleken dat het toepassen van PEF behandeling van 15 tot 30 pulsen van 30 kV/cm bij 43°C tot 2 decimale reductie leidt van Bacillus subtillis. Vervolgens heeft men de temperatuur verhoogd naar 55°C. Dit resulteert in 5 decimale reductie van Bacillus subtillis. [7]

3.2 Enzym inactivering

De enzymatische activiteit wordt veranderd door PEF behandeling.
In het algemeen, enzyminactivering door PEF te bereiken, is minder significante ten opzichte van microbiële inactivering. Dit feit is belangrijk omdat sommige enzymen nuttig zijn voor de voedselindustrie, PEF zou tot de vernietiging van micro-organismen leiden. Terwijl het handhaven van de activiteit van sommige enzymen gewenst is. De PEF behandeling beïnvloedt enzymactiviteit. In de meeste gevallen, zijn de hoge niveaus van inactivering bereikt, maar in sommige gevallen zijn geen effecten of geen verhoging van aanvankelijke activiteit ontdekt. Afhankelijk van de product soort en de behandelingconditie (tijd/temperatuur) is de enzymen inactivering groot of juist klein (zie figuur 3.4).
Zoals in figuur 3.4 wordt weergegeven is de inactivering van Pectin methyl esterase in jus’orange tot 88% bereikt bij een behandeling van 35kV/cm, 59μs bij 60°C, terwijl minder dan 10% inactivering is verkregen bij 35 kV/cm, 1000 μs. [8]

Enzyme Media Treatment conditions Inactivation (%) Reference
Pectin methyl esterase (tomato) NaCl solution (8.8%) a24 kV/cm, 8000µs, 15°C 93.8 Giner et al. (2000)
Distilled water a30 kV/cm, 4000µs < 10 Van Loey et al. (2002)
Pectin methyl esterase Orange juice b35 kV/cm, 59µs, 60.1°C 88 Yeom et al. (2000b)
Orange juice b25 kV/cm, 250000µs, 65°C 90 Yeom et al. (2002)
Orange juice b35 kV/cm, 1500µs, 45°C 80 Elez-Martinez et al. (2003a)
Blended orange-carrot juice b25 kV/cm, 340µs, 63°C 79 Rodrigo et al. (2001)
Pectin methyl esterase (orange peel) Orange juice a35 kV/cm, 1000µs < 10 Van Loey et al. (2002)
Distilled water and MccIlvaine buffer (pH=3.7) a30 kV/cm, 40000µs < 10 Van Loey et al. (2002)

Figuur 3.4 overzicht enzymen inactivatie (Sun, et. al 2005, p. 162-163)

Conclusie:

> PEF behandeling kan eenvoudig vegetatieve micro-organismen, alsmede enzymen inactiveren. PEF kan ook ziekteverwekkers vernietigen. Sporenvormers en bederfsoort bacteriën worden vernietigd, mits de juiste behandeling wordt toepast, met name hogere temperatuur.

4 Toepassing

PEF behandeling wordt toegepast in verpompbare producten zoals melk, yoghurt, vruchtensappen en eventueel een heel ei (tussen twee elektroden). [9]
Het wordt ook toegepast bij droogprocessen bij fruit, plantencellen extractie en bij behandeling van zure producten. [10]
In de onderstaande figuur (4.1) wordt weergegeven welke producten behandeld worden door PEF:

Treated medium Reference
0.1% NaCl solution Sale and Hamilton (1967), Gupta and Murray (1989)
17.1 mM saline solution Hülsheger and Niemann (1980)
0.9% NaCl solution Jacob et al. (1981), Yonemoto et al. (1993)
Phosphate buffer, pH 7.0 Hülsheger et al. (1983), Matsumoto et al. (1991), Jayram et al. (1992)
Milk Dunn and Pearlman (1987), Gupta and Murray (1989), Reina et al. (1998), Bendicho et al. (2002a)
Yogurt Dunn and Pearlman (1987)
Deionized water Mizuno and Hori (1988)
Sodium alginate Grahl et al. (1992)
Orange juice Grahl et al. (1992), Qiu et al. (1998), Hodgins et al. (2002), Liang et al. (2002), Zhang et al. (2002)
UHT milk (1.5% fat) Grahl et al. (1992)
Potato dextrose sugar Zhang et al. (1994a)
Apple juice Qin et al. (1994), Zhang et al. (1994b), Qin et al. (1995), Evrendilek et al. (1999)
Simulated milk ultrafiltrate (SMUF) Qin et al. (1994), Zhang et al (1994), Pothakamury et al. (1995)
Skim milk Zhang et al. (1994a), Martin et al. (1997), Calderon-Miranda el al. (1999)
Sucrose and xanthan solution Ho et al. (1995)
Pea soup Vega-Mercado et al. (1996a)
Liquid egg Martin-Belloso et al. (1997), Calderon-Miranda et al. (1999), Góngora-Nieto et al. (2001)
Cranberry juice Raso et al. (1998), Jin and Zhang (1999)
Dry spices Keith et al. (1997)
Wheat flour Keith et al. (1998)
Liquid egg white Jeantet et al. (1999)
Rice wine Mok and Lee (2000)
Orange carrot juice Rodrigo et al. (2001)
Rice pudding Ratanatriwong et al. (2001)
Apple cider Iu et al. (2001)
Cheese sauce Ruhlman et al. (2001a)
Beef burgers Bolton et al. (2002)
Horchata Góngora-Nieto et al. (2002)

(Barbosa – Cánovas, 2005, p. 24)

5 Voor en nadelen

Voordelen

  • Continu proces: het product kan stromend geconserveerd worden;
  • Chemische en fysische product eigenschappen blijven in stand;
  • Apparatuur is eenvoudig: een kleine behandelruimte met aan beide zijden een elektrode;
  • Het product kan de gewone omgevingstemperatuur hebben of zelfs gekoeld zijn;
  • Als gevolg van de zeer korte pulstijd en de korte behandelduur stijgt de producttemperatuur maar gering;
  • Sterk verlaagd gebruik van water en energie, dus milieuvriendelijk t.o.v. bijvoorbeeld UHT;
  • PEF-installatie hoeft (vergeleken met UHT) veel minder gereinigd te worden.

Nadelen

  • Het te behandelen product moet homogeen zijn qua samenstelling om overal een veldsterkte van 15 kV/cm te bereiken;
  • Niet homogene producten veroorzaken bij hogere veldsterkten een elektrische doorslag (kortsluiting).

[3]

6 Nomenclature

PEF = Pulsed Electric Field
KV/cm = kiloVolt per cm (laagdikte
UHT = Ultra Hoge Temperatuur

7 Referenties

[1] = Sun, Da-Wen, Emerging Technologies for food processing, 2005, Elsevier Academic Press, Hoofdstuk 4, bladzijde 70
[2] = Sun, Da-Wen, Emerging Technologies for food processing, 2005, Elsevier Academic Press, Hoofdstuk 4, bladzijden 74 en 75
[3] = Rouweler, J.w, Conserveren, 2006, Dictaat HAS Den Bosch, Hoofdstuk 5, bladzijde 5-11
[4] = Sun, Da-Wen, Emerging Technologies for food processing, 2005, Elsevier Academic Press, Hoofdstuk 4, bladzijden 77 en 78
[5] = Barbosa-Cánovas., Novel Food Processing Technologies, , 2005, CRC Press, Hoofdtsuk 4, bladzijden 71 en 72
[6] = Sun, Da-Wen, Emerging Technologies for food processing, 2005, Elsevier Academic Press, Hoofdstuk 5, bladzijden 122
[7] = Sun, Da-Wen, Emerging Technologies for food processing, 2005, Elsevier Academic Press, Hoofdstuk 5, bladzijden 113
[8] = Sun, Da-Wen, Emerging Technologies for food processing, 2005, Elsevier Academic Press, Hoofdstuk 7, bladzijden 161
[9] = Rouweler, J.w, Conserveren, 2006, Dictaat HAS Den Bosch, Hoofdstuk 5, bladzijde 5-11
[10] = Barbosa-Cánovas, Novel Food Processing Technologies, 2005, CRC Press, Hoofdstuk 7, bladzijden 153 en 154

Tags
  • Pasteurisation - sterilisation