UNIVERSITATEA "LUCIAN BLAGA" SIBIU

FACULTATEA "S.A.I.A.P.M."

SPECIALIZAREA      I.P.A.

ANUL V

MATERIA: PRINCIPII SI TEHNICI NECONVENTIONALE

STUDII DE CAZ

AVANTAJELE STERILIZARII LA PRESIUNE INALTA ASUPRA CALITATII PRODUSELOR ALIMENTARE

AVANTAJELE STERILIZARII LA PRESIUNE INALTA ASUPRA CALITATII PRODUSELOR ALIMENTARE

Procesarea la presiuni inalte poate fi folosita pentru sterilizarea produselor alimentare, daca este aplicata la temperaturi inalte si utilizand cresterea temperaturii datorita compresiei adiabatice. Prin alegerea conditiilor corespunzatoare de procesare, este posibila inactivarea completa atat a celulelor vegetative cat si a sporilor microbieni conducand la obtinerea produselor alimentare stabile din punct de vedere al conservabilitatii. Calitatea produselor sterilizate la presiune inalta este in general superioara produselor sterilizate prin tratamente termice conventionale. Aceasta se aplica in special in cazul texturii, aromei si retentiei de nutrienti. Efectul sterilizarii la presiune inalta asupra culorii este dependent de produs. Acesta variaza intre o retentie totala a culorii naturale si aceeasi schimbare a culorii obtinuta prin metode conventionale.

Introducere

Pentru a prelungi durata de conservare a produselor alimentare, procesarea prin congelare, uscare, pasteurizare sau sterilizare este adesea necesara. Metodele termice traditionale pentru pastrarea produselor alimentare, tratate intr-o cutie de conserva sau sticla au dezavantajul unui ritm scazut al incalzirii si racirii. Aceste dezavantaje afecteaza calitatea produsului. Prin urmare cercetatori in domeniul alimentar si industrie alimentara

cauta noi metode care pot distruge microorganismele nedorite, cu mai putine efecte secundare asupra calitatii produsului. Una dintre solutii poate fi procesarea la presiuni inalte. In momentul de fata aceasta metoda este aplicata cu succes la scara comerciala pentru pasteurizarea unei game intregi de produse alimentare, de ex. sucurile de fructe, guacamole, stridii si sunca. La temperatura camerei aplicarea unor presiuni care variaza intre 400-600 MPa inactiveaza microorganismele vegetative si reduce activitatea enzimelor rezultand un produs pasteurizat, care poate fi depozitat pentru o perioada considerabila de timp la 4-6C. Inactivarea la presiune inalta a microorganismelor vegetative este cauzata de distrugeraea membranei, denaturarea proteinelor si scaderea ph-ului intracelular, sugerand faptul ca presiunea duce la inactivarea legaturii la nivelul membranei enzimelor asociata cu fluxul de protoni. Inactivarea microorganismelor vegetative si a enzimelor combinata cu retentia unor molecule mici responsabile pentru gust, culoare si multe vitamine, rezulta in produse pasteurizate la presiune inalta cu o durata de conservare prelungita si cu caracteristici naturale.

O inovatie recenta in domeniul sterilizarii produselor alimentare la presiune inalta, este inactivarea completa a microoganismelor vegetative, cat si a sporilor, rezultand in produse stabile la temperatura camerei. In general sterilizarea cu presiune inalta este posibila prin inceperea tratamentului la presiune inalta folosind temperaturi ridicate, ex. 60-90C si compresia adiabatica pentru incalzirea rapida la temperaturi inalte. Sterilizarea la presiune inalta este un proces combinat unde atat presiunea cat si temperatura contribuie la sterilizare prin inactivarea sporilor si enzimelor. Rezultatul este un produs stabil din punct de vedere al conservabilitatii, si in multe cazuri de calitate superioara fata de produsele obtinute prin folosirea metodelor conventionale.

Aceasta lucrare descrie tehnicile si conditiile esentiale pentru sterilizarea la presiune inalta si ilustreaza faptul ca un proces de sterilizare este intradevar fezabil. Efectele principale ale sterilizarii la presiune inalta asupra calitatii alimentelor sunt descrise, demonstrand faptul ca pentru o gama variata de produse, sterilizarea la presiune inalta duce la o pastrare mai buna a calitatilor asociate cu prospetimea in comparatie cu tehnicile conventionale combinate cu o durata de conservare comparabila.

Sterilizarea la presiune inalta

Prin selectionarea atenta a presiunii, temperaturii si a duratei tratamentului si folosirea cresterii adiabatice a temperaturii, este posibila sterilizarea la presiune inalta. Hayakawa, Kanno, Tomita si Fujio (1994) au descris cum sporii de Bacillus stearothermophilus pot fi inactivati cu un tratament cu presiune oscilatorie la 600 MPa si 70C. Urmarind aceasta publicatie, cateva patente si publicatii au aparut cu privire la sterilizarea la presiune inalta. Acestea sunt descrise mai jos. Diferenta principala in cazul pasteurizarii la presiune inalta este folosirea temperaturii ridicate. Pentru sterilizarea la presiune inalta parametrii urmatori sunt importanti:

temperatura initiala a produsului, recipientul, presiunea lichidului;

presiunea folosita;

temperatura pe durata tratamentului cu presiune: datorita incalzirii adiabatice temperatura creste, dar racirea ulterioara poate avea loc la nivelul peretilor vasului;

timpul de tratament;

numarul de cicluri.

Meyer (2000) a descris sterilizarea in cazul alimentelor slab-acide prin aplicarea unui proces cu presiune inalta cu doua sau mai multe pulsuri si o temperatura initiala a produsului de cel putin 70C. In timpul tratamentului la presiune inalta, aceasta temperatura creste pana la 105C rezultand in sterilizarea spaghetelor si a branzei o incarcatura initiala de spori, 10⁶/g de Clostridium sporogenes. Hirsch (2000) a descris un proces de sterilizare la presiune inalta folosind un tratament la o presiune relativ scazuta de 70 Mpa pentru mai mult de 12 h. Exemplele descrise reprezinta sterilizarea fructelor, laptelui, branzei si a sucului de portocale prin supunerea la presiune de 175 MPa pe o perioada de 5-8 zile la temperatura camerei (18-23C). Wilson si Baker (2000) au descris alt proces. Ei au folosit un singur puls de presiune inalta combinat cu o temperatura initiala ridicata a produsului. Sterilizarea carnii, inoculata cu spori de Clostridium sporogenes, Bacillus subtilis si Bacillus stearothermophilus a fost obtinuta printr-un tratament la presiune inalta de 621 MPa timp de 5 minute la o temperatura de pornire de 98C cu o concentratie initiala a sporilor de 10⁷-10¹³ spori/ml. Exemplele de mai sus ilustreaza faptul ca exista cateva metode posibile pentru sterilizare folosind un tratament la presiune inalta. Metodele descrise de Meyer (2000), Wilson si Baker (2000) sunt din punct de vedere comercial cele mai interesante datorita timpului relativ scazut de tratament.

Sterilizarea la presiune inalta este interesnta datorita efectului combinat al presiunii si temperaturii rezultand in incalzirea adiabatica, distributia uniforma a temperaturii si timpul relativ scazut de tratament. Incalzirea adiabatica reprezinta cresterea uniforma de temperatura din interiorul produsului care este usor cauzata de presiune. Magnitudinea cresterii temperaturii este determinata de temperatura initiala a produsului si de proprietatile materiale ale produsului conform ecuatiei urmatoare:

unde:

-t= temperatura (K);

-P=presiunea (Pa);

-=coeficient de expansiune volumetrica (1/K);

-=densitatea (Kg/m³);

-C_p=caldura specifica (J/KgK).

Aceasta ecuatie descrie cresterea in temperatura datorita tratamentului la presiune. In orice caz, pentru cele mai multe alimente, proprietatile materiale nu sunt cunoscute, in special din cauza ca aceste proprietati reprezinta o functie a presiunii si temperaturii. In orice caz, in cazul apei si al unor uleiuri si alcooluri, aceste proprietati sunt publicate. Tabelul 1 arata schimbarea de temperatura pentru o intreaga gama de substante.

Incalzirea adiabatica are ca rezultat incalzirea omogena a produsului. Acesta este un avantaj clar al sterilizarii la presiune inalta in comparatie cu sterilizarea prin metode conventionale. In orice caz asa cum au descris De Heij, Schepdael, Van Den Berg, Bartels (2002), Ting si altii (2002), in cazul vaselor standard din OL, peretele vasului are o crestere mult mai mica a temperaturii decat produsul tratat. Aceasta are ca rezultat racirea produsului, in aproprierea peretelui vasului in timpul duratei de retentie a presiunii. Diferente mici de temperatura pot avea efecte semnificative asupra gradului de inactivare al sporilor. Prin urmare calculul distributiei temperaturii produsului ca o functie a timpului si pozitiei in vas este necesara adaugarea procesului si designului de echipament.

Cand se compara profilul de temperatura al sterilizarii la presiune inalta cu tehnicile conventionale (fig 1) este clar ca sterilizarea la presiune inalta duce la o durata a tratamentului mai scurta si o temperatura maxima mai mica a produsului. Integrala timp-temperatura ( zona de sub curba temperaturii) a tratamentului la presiune inalta este mult mai mica decat aceea a tratamentului conventional. Datorita prasiunii, temperatura maxima pe durata tratamentuluipoate fi redusa cu cel mult 10C in comparatie cu un tratament la presiune atmosferica. Poate fi de asteptat ca acest tratament la o temperatura mai mica, are un efect pozitiv asupra caracteristicilor produsului care sunt mult mai susceptibile la incalzire. Avantajele principale ale procesului sterilizarii la presiune inalta asupra produselor aflate in conserve in comparatie cu tehnicile conventionale sunt prin urmare durate mai scazute ale tratamentului, temperaturi maxime mai scazute, durata incalzirii si racirii mai rapide si o distributie radial uniforma a temperaturii.

Aspecte microbiologice

Dupa cum s-a aratat anterior, s-au descris anumite conditii de proces prin care se pot obtine produse sterilizate in conditii de presiune ridicata. Pentru aplicarea acestor procese trebuie sa se raspunda la doua intrebari. Prima se refera la dovedirea faptului ca, intr-adevar, sterilizarea produsului este obtinuta si ca procesele de sterilizare la presiuni inalte se finalizeaza cu inactivarea completa a celulelor vegetative si a sporilor. A duoa intrebare se refera la felul in care poate fi comparata calitatea alimentului dupa procesarea la presiune ridicata cu a alimentelor incalzite prin metode traditionale.

Privitor la inactivarea microorganismelor, Meyer si colab. (2000), au decis modul in care se poate realiza sterilizarea comerciala printr-un proces cu doua pulsuri (lungimea pulsului 1 min, timpul unui interval 30 secunde) in conditii initiale de temperatura si presiune desrise in tabelul 2.

Rezultatele se bazeaza pe inocularea alimentelor cu 10⁶ spori/ gram produs. S-au utilizat spori de la B. Subtilis, B. Cereus, B. Stearothermophilus si C. Sporogenes. Acest tabel demonstreaza faptul ca o crestere a presiunii va facilita scaderea temperaturii initiale a produsului. Acest lucru poate avea un efect pozitiv asupra componentelor produselor alimentare termolabile.

In tabelul 3 sunt aratate rezultatele unui proces de sterilizare la presiune ridicata cu doua pulsatii la 90 C si 700 MPa pentru o sarja de produse alimentare cu microorganisme prezente in mod natural, care arata in mod clar faptul ca acest proces a inactivat formele vegetative si sporii prezenti in aceste produse.

Diferiti autori au raportat efectul combinat al presiunii ridicate si al temperaturii ridicate asupra inactivarii sporilor. Rovere si coleb. (1999) au aratat ca inactivarea sporilor de Clostridium sporogenes este posibila prin aplicarea unor presiuni de 600-800 MPa la temperaturi de peste 100 C, in timpul tratamentului sub presiune. Reddy si colab. (1999) au raportat o reducere a sporilor de tip E de Clostridium botulinum cu 5 log dupa procesarea la 827 MPa si o temperatura finala de procesare de 50 sau 55 C. Efectul presiunilor de pana la 400 MPa si o serie de temperaturi sunt descrise pentru sporii de B. Subtilis, B. Stearothermophilus, B. Coagulans si C. Sporogenes (Okazaki, Kakugawa, Yoned & Suzuki, 2000). Aceste documente au aratat faptul ca o selectie atenta a presiunilor si a temperaturilor in vedera inactivarii sporilor este intr-adevar posibila.

Contrastand cu sterilizarea conventionala de tip batch, in timpul sterilizarii la presiuni inalte, cel mai rece punct este aproape de peretele vasului. Acest fapt este cauzat de pierderile de caldura ce au loc la peretele vasului. Pentru o sterilizare adecvata a produselor alimentare cu ajutorul presiunilor inalte, este totodata necesara cunosterea temperaturii in diverse puncte ale vasului, si nu doar in centru, unde este cel mai firbinte punct in timpul sterilizarii la presiuni inalte. Atunci cand temperatura si presiunea sunt cunoscute ca fiind functii de timp, si se cunoaste pozitia in vas din timpul procesului de sterilizare la presiuni inalte, este posibila prevederea inactivarii sporilor. De Heij si colab. (2002) au aratat ca inactivarea sporilor de B. Subtilis poate fi descrisa printr-un model matematic prin utilizarea modificata a ecuatiei lui Eyring - Arrhenius ca si o functie de pozitie in vas, in timpul experimentelor care utilizeaza presiunile ridicate. Acest tip de sterilizare care utilizeaza presiunile inalte este un proces sinergetic de presiune si temperatura, unde presiunea este utilizata atat pentru realizarea unei incalziri rapide si uniforme, cat si pentru contribuirea acesteia la inactivarea sporilor.

In ceea ce priveste aplicatiile comerciale ale produselor alimentare cu aciditate scazuta prin tehnica sterilizarii cu ajutorul presiunilor ridicate, este necesara validarea faptului ca procesul este sigur. Sizer, Balasubramaniam si Ting (2002) au descris reglementarile Administratiei Alimentelor si Medicamentelor pentru "produsele alimentare cu aciditate scazuta procesate termic si ambalate in containere inchise ermetic", care este aplicabila deoarece sterilizarea la presiuni inalte are ca si componenta importanta tratamentul termic. Ei au descris un anumit numar de optiuni de validare a proceselor ce constau in stabilirea unui proces ca proces termic, si utilizarea abordarilor cinetice.

Calitatea produselor

Dat fiind faptul ca este posibila inactivarea sporilor cu ajutorul presiunilor inalte, se ridica o intrebare referitoare la calitatea produsului alimentar dupa sterilizarea cu ajutorul presiunilor inalte, comparativ cu a produselor care au trecut printr-o sterilizare conventionala termica. Dupa cum este aratat in figura 1, intensitatea tratamentului termic difera considerabil intre cele doua metode.

Se asteapta ca unele caracteristici ale produsului care sunt dependente de labilitatea la caldura a anumitor componente sa fie semnificativ mai putin modificate prin sterilizarea la presiuni inalte comparativ cu metodele de sterilizare traditionale. Pentru consumator, principalele criterii de calitate ale produselor alimentare conservate sunt gustul (aroma), textura, culoarea si nutrientii. Efectul sterilizarii cu ajutorul presiunilor inalte asupra calitatii produsului este mult dependent de produsul ales. Anumiti parametrii de calitate pentru o serie de produse sunt descrisi in continuare.

Procesarea plantelor, care sunt componenti cu o contributie majora la mirosul si gustul produselor alimentare, poate ilustra efectul sterilizarii cu ajutorul presiunilor inalte asupra aromei. Un dezavantaj al procesarii conventionale a plantelor prospete este reprezentat de o pierdere masiva de aroma dupa procesare. Sterilizarea potentiala prin aplicarea de presiuni inalte poate reprezenta o alternativa de mare interes.

In figura 2 se arata principalii componenti de aroma in busuiocul proaspat, metil chavicol si linalol, care intrunesc circa 90% din continutul total de uleiuri esentiale (0,9 mg/g pentru produse proaspete) (Krebbers, Matser, Koets, Bartels& van der berg, 2002).

Prin sterilizare la presiuni ridicate s-a realizat cea mai buna retentie a uleiurilor esentiale, comparativ cu congelarea, sterilizarea conventionala termica si uscarea busuiocului proaspat. Este de asteptat ca si pentru celelate plante proaspete retentia componentilor de aroma sa fie de asemenea foarte buna. Merita mentionat faptul ca busuiocul tratat astfel a avut un miros si un gust placut. Totusi, textura si culoarea au fost in mod clar asemanatoare pentru busuiocul tratat termic, mai mult decat pentru cel proaspat. Totusi, prin sterilizarea la presiuni inalte se obtin produse bogate in aroma, care pot fi utilizate ca ingrediente pentru produse cum ar fi supele de rosii sau sosurile.

Procesarea conventionala a legumelor in conserve metalice sau borcane din sticla duce la o considerabila alterare a texturii. In genera, consumatorii prefera legumele cu textura mai ferma. Oparirea anterioara congelarii da rezultate semnificativ imbunatatite asupra texturii pentru o serie de legume. Se observa in figura 3 ca sterilizarea la presiuni inalte ofera o mentinere a fermitatii imbunatatita semnificativ la boabele de mazare comparativ cu congelarea, uscarea sau sterilizarea conventionala prin incalzire (Krebbers, Koets si colab., 2002).

Aceasta mentinere a texturii a fost observata la un intreg sir de legume si fructe, desi, pentru anumite produse, de exemplu merele si capsunii, sterilizarea prin expunerea la presiuni ridicate a avut ca efect inmuierea produsului, similar cu metodele conventionale de sterilizare termica.

Efectul sterilizarii la presiuni inalte asupra culorii este strict dependent de produs. In general, prin sterilizarea la presiuni ridicate se obtine o conservare buna a culorii, spre deosebire de procesarea conventionala. Anumite produse de culoare verde, ce contin clorofila, sunt afectate similar cu modalitatea de utilizare a tehnicilor conventionale, cum este de exemplu mazarea, pe cand alte produse isi schimba mai putin culoarea, cum este de exemplu spanacul, sau prezinta o buna prezentare a culorii, cum sunt morcovii. In figura 4 se poate observa ca pentru spanac si piureul de rosii culoarea este semnificativ mai buna decat pentru sterilizarea prin incalzirea termica, pe cand pentru mazarea verde nu exista deosebiri semnificative de culoare intre culoarea obtinuta prin sterilizarea termica sau cea la presiuni inalte.

Rovere si colab. (2000) au evaluat culoarea unui sos de rosii ce continea carne dupa sterilizarea la presiuni de 900 MPa si o temperatura de 110 C in timpul tratamentului sub presiune. Ei au exprimat faptul ca in ceea ce priveste culoarea, exprimata ca indice de absorbtie a serului, aceasta a fost semnificativ afectata de metodele conventionale, pe cand sterilizarea la presiuni ridicate nu a afectat culoarea. Aceste rezultate demonstreaza ca este necesara evaluarea fiecarui produs in vederea verificarii faptului conform caruia se demonstreaza daca prin sterilizarea la presiuni inalte culoarea este mai buna decat pentru metodele traditionale.

Un component termolabil al produselor alimentare este vitamina C datorita degradarii acesteia la incalzire si datorita trecerii acesteia in fluidul din jurul produsului (Fennema, 1996). Sterilizarea la presiuni inalte are avantajul de reducere a timpului de tratament, la temperaturi mai scazute. Totusi, pierderile de vitamina C si alte ingrediente termolabile pot fi anticipate. Figura 5 demonstreaza efectul sterilizarii la presiuni ridicate asupra retentiei de acid ascorbic la mazarea verde, spanac si suc de mere.

Din aceasta figura se poate concluziona ca efectul temperaturii si al presiunii asupra acidului ascorbic este matricial dependent. In general, probele sterilizate prin intermediul presiunilor ridicate au demonstrat o retentie mai mare de acid ascorbic comparativ cu probele procesate prin metode traditionale. In ceea ce priveste acidul ascorbic adaugat la sucul de mere, atat prin sterilizarea conventionala cat si prin utilizarea presiunilor inalte s-a demonstrat doar o scadere redusa a cantitatii de acid ascorbic comparativ cu proba proaspata. Aceasta se datoreaza probabil efectelor protectoare ale matricii. Se poate astepta ca vitaminele mai putin sensibile la incalzire, cum sunt carotenoizii sau vitamina A, sa exercite o influenta mai putin pozitiva asupra sterilizarii la presiuni inalte. Pentru acesti componenti, sterilizarea conventionala a aratat o descrestere mai putin evidenta (Fennema, 1996), in consecinta sterilizarea la presiune ridicata ofera doar un avantaj nesemnificativ.

Concluzii

Sterilizarea la presiune inalta este o extindere a posibilitatilor tehnologiei la presiune inalta. Combinand presiunea si temperatura si utilizand cresterea temperaturii datorata compresiei adiabatice, este posibila inactivarea sporilor microbieni si astfel sterilizarea produselor alimentare. Sterilizarea la presiune inalta poate fi realizata conform diferitor conditii de proces. S-a observat faptul ca temperatura si presiunea au un rol important in timpul tratamentului. Contrar cu pasteurizarea la presiune inalta, temperatura creste in timpul procesului si diferentele de temperatura dintre diverse pozitii din vas joaca un rol esential si trebuie monitorizate precis.

Sterilizarea la presiune inalta afecteaza mai putin produsul decat sterilizarea conventionala. Textura, gustul si retinerea nutrientilor sunt in general mai bune la sterilizarea produselor la presiune inalta fata de metoda conventionala. Efectele asupra culorii depind de produs si variaza intre valori asemanatoare starii proaspete pana la nici o distinctie fata de tratamentul conventional. Rezultatele cercetarilor asupra produselor sterilizarii produselor la presiune inalta au aratat faptul ca efectele depind de produs si este necesara o selectie atenta a conditiilor adcvate de proces.

Multumiri

Acest studiu s-a bazat pe un proiect intre ATO B.V., Stork Food&Dairy Systems si Unilever Vlaardingen, si a fost sustinut financiar de catre programul 'EET'al Ministerului Olandez al Afacerilor Economice.Pentru suportul experimental in stimularea discutiilor am dori sa multumim urmatorilor : R. Hamoen, W.de Heij, S. Hoogerwerf, M. Koets, R.Moezelaar, L. van Schepdael, si H.L.M. Lelieveld.