Ultra-hoge isostatische druk
Een milde conserveringstechniek, voor zowel pasteurisatie als sterilisatie, waarbij vitaminen, natuurlijke kleurstoffen en aroma's behouden blijven. De celwand, het celmembraan en membraan rond de celkern van micro-organismen gaan stuk en ongewenste stoffen dringen binnen.
Doel
Conserveren door ultra-hoge isostatische druk is een milde conserveringstechniek. Met hoge druk kunnen voedingsmiddelen zowel gepasteuriseerd als gesteriliseerd worden, terwijl vitamines, natuurlijke kleurstoffen en aroma’s intact blijven. Bovendien kunnen veranderingen worden aangebracht aan macromoleculen, zoals het kristalliseren van lipiden, denatureren van eiwitten en enzymen en verstijfselen van zetmeel.
Toepassingen
Voornamelijk zure producten kunnen goed worden geconserveerd door ultra-hoge isostatische druk. In dit geval worden de vegetatieve micro-organismen gedood door de hoge druk en voorkomt een lage pH uitgroei van sporen.
Onder andere vruchten, vruchtensappen, jam, guacamole (avocadomousse), rijst en vis kunnen al met deze techniek worden geconserveerd. Daarnaast wordt de techniek gebruikt om de textuur van vlees en vis te veranderen.
Producten waar lucht in zit, verliezen vaak hun structuur. De lucht in het product wordt namelijk door de druk naar buiten geperst.
Beschrijving techniek
Het te behandelen product is van te voren verpakt in een verpakking die samendrukbaar is. Het verpakte product wordt in een drukkamer geplaatst, vergelijkbaar met een autoclaaf. De drukkamer is gevuld met een hogedruk vloeistof. In de huidige apparatuur wordt hiervoor meestal water gebruikt met een kleine hoeveelheid oplosbare olie voor de nodige smering en roestwering. Met behulp van een plunjerpomp wordt een zeer hoge druk tussen 2.000 en 10.000 bar opgewekt, die via de hoge vloeistofdruk aan het (verpakte) voedingsmiddel wordt doorgegeven. Na een behandeltijd van 1 tot 15 minuten, afhankelijk van het product, wordt de druk afgelaten.
De aangebrachte druk is isostatisch, waardoor de druk zich uniform door het gehele product voortplant. De temperatuur van het behandelde voedingsmiddel stijgt ten hoogste 25°C door de energietoevoer via de hoge druk. Indien deze temperatuurstijging ongewenst is, is koeling van de drukkamer mogelijk.
Het continu inbrengen van producten in een hoge-drukruimte is moeilijk, waardoor de behandeling vooralsnog batch-gewijs wordt toegepast.
Door de hoge druk gaan de celwand, celmembraan en membraan rond de celkern van micro-organismen kapot of worden permeabel, waardoor ongewenste stoffen in de cel terecht kunnen komen. De volgende drukken worden toegepast:
- Afdoding vegetatieve bacteriën en denaturatie eiwitten: 4.000 – 6.000 bar (5 - 25°C)
- Denaturatie enzymen: 3.000 – 8.000 bar
- Inactivering bacteriesporen: 10.000 bar (80°C)
Pulserend elektrisch veld - principe
Pulserend elektrisch veld om micro-organismen af te doden is al lang bekend. Enige tijd is de toepassing duur geweest in vergelijking met ander technieken, maar de toepassing kan voor sommige producten interessant zijn. Voordelen zijn dat het te behandelen voedselproduct niet in chemische en fysische eigenschappen verandert, nauwelijks in temperatuur stijgt, er weinig water en energie nodig is en weinig reiniging (vergeleken met UHT).
Het antibacteriële effect van een pulserend elektrisch veld was reeds getest aan het eind van de 19de eeuw, maar de dodelijke gevolgen voor micro-organismen met lage frequentie toepassing van de wisselstroom werden later gevonden.
In de jaren '20 van de vorige eeuw werd in Europa en de V.S een proces genaamd “Electropure” geïntroduceerd. Het was één van de eerste pogingen om elektriciteit voor melkpasteurisatie te gebruiken en het werd uitgevoerd door de toepassing van een (niet gepulseerde) wisselstroom van 220 V binnen een behandelruimte van koolstofelektrode. Ongeveer vijftig installaties waren binnen verrichting tot de jaren '50, maar wegens toenemende energiekosten en de concurrentie van nieuwe milde thermische conserveringstechnieken (zoals UHT en Ohmic Heating), zijn deze installaties vervangen.
Behalve thermische gevolgen die op het mechanisme van Ohmic Heating berusten, werden de dodelijke gevolgen van elektrochemische reacties zoals de hydrolyse van chloor gevonden toen voedsel werd behandeld met ontlading van 3-4 kV.
Pulserende ontlading van hoogspanningselektriciteit over twee elektroden voor microbiële inactivering werden voor het eerst in de jaren '50 onderzocht. Deze behandeling resulteerde in een genoemde “elektrohydraulische behandeling”. De elektroden werden ondergedompeld in een vloeibare middel binnen een drukvat, de elektrische bogen werden geproduceerd door hoogspanningspulsen die voorbijgaande drukgolven tot 250 MPa en ultraviolet licht pulsen vormden.
Verschillende experimenten werden toonden aan dat de pulserend elektrische velden kunnen worden toegepast voor verstoring van cellen in voedselmateriaal. Deze experimenten werden verder ontwikkeld en uitgebreid voor de inactivering van micro-organismen en afvalwaterbehandeling. [1]
1 Principe
De belangrijkste componenten die voor pulserend elektrisch veld van toepassing zijn vereist, zijn één pulsgeneratiesysteem en een behandelruimte. Een essentiële eis voor een efficiënte productie is een continu stromend systeem met een hoge capaciteit die aan ontwikkeling van continue behandelingkamers leidt. Het voedsel wordt daarin doorgepompt terwijl het blootgesteld wordt, aan het omringend elektrische veld en hoge temperaturen.
Voordat de verhitting begint, zouden de warmtewisselaars kunnen worden gebruikt, om de media te verhitten. Na de behandeling, zou de gedissipeerde elektrische energie in een temperatuurverhoging kunnen resulteren. Deze energie dient te worden verwijderd voordat het product aseptisch verpakt wordt.
Een aseptische verpakkingsmethode wordt vereist om opnieuw verontreinigen te verhinderen/voorkomen. Eén van de belangrijkste voordelen om het product te behandelen met PEF, is het continu stromend systeem met zeer korte verwerkingstijden, met als vervolg dat het systeem gemakkelijk kan worden uitgevoerd in een bestaande verwerkingslijnen.
Het pulsgeneratiesysteem zet de elektrische sterkte om van een laag voltage niveau naar hoog pulserend elektrische velden. [2]
Door een pulserend spanningsverschil van meer dan 1 Volt over het celmembraan van vegetatieve micro-organismen raakt dat membraan lek of gaat zelfs kapot. Boven de kritische sterkte van ongeveer 1 Volt ontstaan microporiën in de celwand, waardoor voedingsstoffen weglekken en gifstoffen de cel binnen kunnen dringen. Het micro-organisme heeft al zijn energie nodig om “in stand te blijven”. Daardoor is voor de groei geen energie meer over.
Een elektrisch veld wordt aangelegd over een vloeibaar voedingsmiddel, dat tussen een positief geladen en een negatief geladen elektrode doorstroomt. Dat veld wordt telkens zeer kort, tussen enkele microseconden tot milliseconden gehandhaafd waarna de plus en min lading weer naar nul daalt. Vervolgens wordt opnieuw een zeer kort elektrisch veld aangelegd. Dit is de reden waarom deze term “Pulserend Elektrisch Veld” wordt genoemd.
Men geeft een voedingsmiddel tussen 10 en 100 van dergelijke korte pulsen, met een gebruikte veldsterkte tussen ongeveer 10 KV/cm en 40 KV/cm. Bij 40 kV/cm is het spanningsverschil zo groot dat door het voedingsmiddel kortsluiting ontstaat. Dit effect is uiteraard niet gewenst. Vanaf ongeveer 15 kV/cm sterven vegetatieve micro-organismen in het product af. [3]
Een vereenvoudigde kring voor het afwikkelen van pulsen wordt getoond in Figuur 1.1, welke bestaat uit een “het laden en het lossen eenheid”. Een voorraad energie component wordt dwars opgeladen door een “charging resistor” via een DC hoog energiespanning voorziening.
Figuur 1.1: Vereenvoudigde stroomkringen van de pulsgeneratiesystemen en de ideale voltagepatronen van exponentieel bederf en vierkante golfpulsen (Sun et. al 2005, p.76)
Figuur 1.2: Principe hoge pulserend elektrisch veld (Barbosa et. al. 1998, p.55)
[2]
2 Indeling apparatuur
De behandelruimte
De behandelruimte, waarin het voedsel aan het pulserend elektrische veld wordt blootgesteld, bestaat uit minstens twee elektroden: één op hoogspanning en de andere op grondpotentieel, dat door materiaal in verschillende geometrieconfiguraties te isoleren wordt gescheiden. Parallelle platen, de coxiaal of co-lineaire cilinders zijn algemeen gebruikt. Een groot aantal studies is uitgevoerd met parallelle plaatsystemen binnen iedere partij en later in ononderbroken stroomrichting. Batch-ruimtes verstrekken vele voordelen voor laboratoriumgebruik; de kleine volumes van behandelingsmedia worden vereist en de behandelingstemperatuur is gemakkelijk om door de elektroden te koelen en door langzame herhalingsbesturing te handhaven.
Tussen de verschillende elektroden configuraties (Figuur 2.1), geven de parallelle platen het meest eenvormige elektrische veld op een groot bruikbaar veld tussen de platen, maar de behandelingsintensiteit wordt verminderd in grensvelden. In batch-kamers kunnen productstroom tot veranderingen van positie leiden (zonder zich te mengen) en een aanzienlijk deel van het volume kan onder-bewerkt blijven, dit is namelijk noodzakelijk voor de micro-organismen inactivering. In continue behandelruimtes, kan dit worden verhinderd door veelvoudige behandelingszones toe te voegen in lijn of in stroomkanalen. Om de hoge doorstroom te bereiken die voor industriële toepassingen wordt vereist, moeten de pulsen met een hoge herhalingsstroom worden toegepast, wat tot een snelle temperatuurverhoging van de media leidt. Het elektrode en isolatiemateriaal moet food grade en autoclavable zijn. Voorts moeten de elektrochemische eigenschappen in acht worden genomen. Goud, platina, koolstof en metaaloxides worden als alternatief gezien voor algemeen gebruikte roestvrij staalelektroden. Om productblootstelling aan de elektroden oppervlakte te vermijden, werd een systeem ontwikkeld dat uit een glasrol bestaat: het omringen van de werkstukelektrode. Dit bevestigde dat de microbiële inactivering zelfs zonder direct contact kan worden verkregen.
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 meer effect geven als het gaat om energie en inactivering ten opzichte van exponentiële 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 behandelingsconditie (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 bederf veroorzakende bacteriën worden vernietigd, mits de juiste behandeling wordt toegepast, 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, Hoofdstuk 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
