Инновации в пищевой промышленности
Технологии производства продуктов питания
Сегодня подкованных потребителей хотят обработанных продуктов питания приняли свежеприготовленным, в то же время отвечает всем требованиям безопасности. Классические тепловые процедуры являются недостаточными для выполнения этого требования. Новые нетеплового методов, таких как импульсно-электрического поля, прокладывают путь к более здоровому перспективных продуктов.
Значительные усилия научных кругов и промышленности в настоящее время сосредоточены на развитии перерабатывающих технологий в качестве альтернативы термической обработки. Обычные процессы сохранения тепла использовать для инактивации микроорганизмов и ферментов, ответственных за порчи продуктов и обеспечить отсутствие патогенных микроорганизмов. Результатом является безопасным продуктом, однако, продукт, как правило, overprocessed. Кроме того, тепловой обработки может иметь пагубные последствия для питания и сенсорных характеристик продукта, таких как потеря витаминов и летучих веществ, размягчение тканей (текстура убыток) и затемнения.
Удобства переработанных продуктов питания привело потребители взяли на себя продукты, которые легко и быстро готовить, но они редко бывают высокого качества. Тем не менее, на протяжении многих лет, потребители стали более избирательно продукты они едят, и существует повышенный спрос на переработанные пищевые продукты, которые очень похожи на своих коллег свежеприготовленный в то же время, отвечающих требованиям безопасности (1).
Поскольку воздействие высокой температуры часто приводит к деградации или изменению компоненты, отвечающие за характерный аромат продукта, текстуры и питательной ценности, новые возникающие нетеплового технологии претерпевают обширные исследования. Нетепловой технологий использования энергии различных форм от тепла для достижения микробных и ферментативных инактивации. Среди этих нетеплового технологии использования: высокого давления, высокой интенсивности световых импульсов; ионизирующего излучения; ультразвука; химических веществ, естественных препаратов, а также высокой интенсивности импульсного электрического поля (ИЭП), последний из которых предметом настоящего статьи.
Компоненты системы
Консервирование по PEF зависит от летального эффекта, что применение высоких напряжений для очень коротких промежутков времени (порядка микросекунд) оказывает на микроорганизмы. Питание подается между двумя электродами и электрических разрядов применяются в виде импульсов.
Типичный набор мер состоит из генератора импульсов, лечение камеры, система сбора и управления данными, а также подъемно-транспортного оборудования. В непрерывном лабораторном прототип системы, изображенной на рисунке 1, генератора является повторных модулятор конденсатором разряда. Два питания расположены в конфигурации с подчиненной обеспечить высокого напряжения тока зарядки. Напряжение загнали в камеру лечения зависит от напряжения заряда, округ Колумбия, в то время как длительность импульса определяется сопротивление, емкость (RC) постоянная распада, где R представляет собой параллельное сочетание шунт и сопротивление нагрузки. RC постоянной распада можно регулировать в пределах 2-30 (MU) с с конденсатором сочетание (2).
Генератор импульсов. Импульсный генератор состоит из блока питания, конденсаторов и высокого напряжения питания. Существуют два вида питания: обычный источник постоянного тока, который преобразует переменный ток (AC) из утилита (60 Гц) переменного тока в высоковольтных и исправляет его в постоянного тока высокого напряжения, а конденсатор зарядки блока питания, что использует высокочастотные переменного тока (по заказу кГц), который может обеспечить более высокий повторных темпами, чем обычные блоки питания постоянного тока (3). Конденсаторы соединены параллельно и хранения электрической энергии, который разряжается через переключатель в обращении камеры. Переключатель позволяет для точного контроля зарядки-разгрузочных работ и последовательность должна быть в состоянии работать на высокой частотой повторения. Несколько видов высоковольтных выключателей могут быть использованы, например, высокой интенсивности разрядника и высоковольтного разрядника. Совсем недавно твердотельные выключатели были приняты на работу (4). Конфигурации электрической цепи позволяет генерировать различные waveshapes импульса параметр, который влияет на степень инактивации микробных ..
Лечение камеры. Лечение палате Олий питание следует рассматривать и состоит из электродов и изоляционный материал. В системах, где электроды находятся в непосредственном контакте с пищевым продуктом, электроды должны быть изготовлены из санитарного материала (например, нержавеющая сталь). Различные конфигурации камеры существуют, в зависимости от продукта, должен рассматриваться в пакетном или непрерывном режиме. Ранняя PEF системы работали в пакетном режиме и использовать статические камеры с плоского электрода (5). Тем не менее, они только способны обрабатывать очень маленькие объемы продукции. После того, эффективность партии PEF систем микробной инактивации показали, непрерывных систем были разработаны.
Два типа камер непрерывного лечения могут быть использованы - параллельными пластинами или коаксиальный. Коаксиальный непрерывного камер в основном состоят из двух концентрических цилиндров с внутренними и внешними электродами (рис. 2). Эти конфигурации просты в изготовлении и дать четко электрического распределения поля, обеспечивая равномерное потоков. Торчали поверхности высоковольтных внутренний электрод позволяет равномерное поле в области лечения и снижает напряженность поля в других регионах жидкости. Эта камера может работать Расходы, приведенные от 30 до 120 л / ч (2, 6).
Важными параметрами для рассмотрения
PEF условия обработки должна быть оптимизирована для конкретных продуктов, подлежащих обработке. Для этого необходимо оптимизировать следующие параметры:
* Пик напряжения доставлен в обращении камеры исполнении конденсаторов. Пик напряжения, как правило, порядка 35,000-60,000 V для достижения напряженности поля 35-50 кВ / см.
* Количество конденсаторов, которая определяет мощность системы и длительность каждого импульса. Коммерческие системы доставки импульсов на средней мощности 75 кВт и 600 А.
* Расстояние между электродами, которые наряду с напряжением доставлен в обращении камеры, определяет напряженность электрического поля. Зазор между электродами меняется в зависимости от системы, но порядка 0,5 см или меньше для экспериментального и лабораторного масштаба PEF системы и до 1 см в коммерческих приложениях.
* Пульсирующая частот, который определяет количество импульсов применяется к продукту. Пульсирующий используемой частоты, ограничивается максимальной повторения 3000 Гц, из-за ограничений по типу выключателей используется. Развития твердотельных переключателей позволяет пульсирующей частот до 400 кГц.
* Форму импульса. В зависимости от конфигурации электрической системы, импульсы могут быть классифицированы как экспоненциальным затуханием, квадратные волны, биполярные и колебательный характер. Экспоненциального распада импульсы для создания простейших (рис. 3). В этом виде импульса, напряжение быстро возрастает до максимального значения, а затем медленно спадает до нуля. Ширине или длительности экспоненциального затухающий импульс определяется как время, необходимое для напряжения снизится до 37% от своего пикового значения (7, 8). Недостатком этого типа импульса является то, что не очень энергоэффективными, поскольку она имеет длинный хвост при низкой напряженности электрического поля (которые, как правило, не приводит к инактивации микробных).
Прямоугольных импульсов являются более эффективными для инактивации микробных чем экспоненциального затухания импульсов (2, 6, 7, 8). Но, генерация прямоугольных импульсов более трудным, поскольку все необходимые электрические системы значительно сложнее (2). Схема для генерации таких импульсов показана на рисунке 4. Тем не менее, последние достижения в твердом импульсной мощности позволяют поколения почти идеальным прямоугольных импульсов без формирующей сети. Эти импульсы предпочтительнее экспоненциального затухания импульсов, поскольку они могут сохранять пиковое напряжение в течение длительного времени, что приводит к повышению инактивации и меньше эффект нагрева.
В биполярных импульсов, полярность импульсов отменил попеременно с релаксации время между импульсами (рис. 5). Биполярные импульсы могут быть экспоненциально убывающие или квадратные волны. Эти импульсы более смертоносными, чем монополярный импульсов (7). Совсем недавно, мгновенное изменение заряда импульсами были предложены еще более эффективной (9). В этом виде импульса, заряда отменил мгновенно, вызывая переменное напряжение, что приводит к структурной усталости мембраны, которая является более смертоносным, чем монополярный импульсов (2, 9).
* Электрические свойства продовольствия для обработки, в основном его сопротивление. Электрическое сопротивление обратной электропроводности. В модели системы, сопротивление может быть скорректировано путем изменения ионной силы взвесь. Однако, в реальных системах, это не всегда возможно. Питания в лечении камеры, таким образом, неотъемлемой частью электрической цепи и представляет собой сопротивление нагрузки. Сопротивление продуктов питания колеблется от 0,4 Omegam в продукцию с высокой воды и содержание соли в более чем 100 (Omega) м для масел и жиров, которые действуют, как электрические изоляторы. Имейте в виду, что сопротивление зависит от температуры, при которой она не измеряется.
* Потока продукта через обращение камеру, которая, в зависимости от частоты и длительности импульсов, будет определять общее время лечения.
Факторы, влияющие на микробную инактивации
Воздействие микробных клеток в достаточно сильных электрических полей изменения электрических свойств клеточной мембраны. Как правило, это значительно уменьшает сопротивление и увеличивает проводимость. Это явление известно как электрический пробой (10, 11), и может быть обратимым или необратимым в зависимости от интенсивности и длительности электрических лечения (рис. 6). Увеличение электропроводности объясняется образование пор в мембране, и, хотя эта точка зрения общепринятой, точный механизм на молекулярном уровне еще предстоит выяснить (10, 12, 13, 14).
1. Факторы, в зависимости от электрического лечения:
* Импульсный waveshape - Как описано ранее, формы пульсовой волны существенно влияет на степень инактивации.
* Напряженность электрического поля - выше напряженность электрического поля, тем выше инактивации достигнута (6, 13, 16, 17, 18, 19).
* Лечение время - это равное количество импульсов применяются раз длительности импульса. В общем, для фиксированной ширины импульса, увеличивается инактивации микробных с ростом числа импульсов. Тем не менее, долгое ширины импульса может привести к значительным нагрева продукта.
2. Факторы, в зависимости от микроорганизма:
* Размер ячейки - в соответствии с формулой. 1, напряжение пробоя прямо пропорциональна радиусу ячейки. Таким образом, крупные клетки, будет требоваться меньше интенсивной сильные поля проходить эквивалентных инактивации по сравнению с более мелкими клетками.
* Рост этап - клеток в экспоненциальной фазе роста, более чувствительны к PEF лечения, чем клеток в лаг или стационарной фазы (2, 13, 18, 20).
* Микробная концентрация - Этот фактор как правило, не влияют на степень инактивации (8, 18). Однако при смешанной культуре Сенная палочка и кишечной палочки изучалась эффективность лечения PEF была снижена (21).
* Спор - Хотя трудно инактивировать некоторые исследования показывают, что спор может быть обезврежена PEF лечения и, что тип импульса, также могут сыграть ключевую роль (22).
3. Факторы, зависит от взвесь:
* Температура - Это синергетический эффект в сочетании с PEF лечения. Напряжение пробоя зависит от температуры (10). При повышении температуры уменьшается напряжение пробоя. Таким образом, для достижения такого же количества инактивации, снижение напряженности электрического поля необходимы при более высоких температурах.
* РН, ионной силы и проводимости - влияние этих факторов не были четко определены и требуют дальнейшего изучения. Тем не менее, они должны быть приняты во внимание при выборе взвесь (16, 18, 23, 24).
* Средний состав - некоторые компоненты пищи, такие, как белка или жиров, может оказывать защитное действие на микроорганизмы (25), но нет общего согласия. Например, в одном исследовании отмечено, что частицы жира в молоке кажется, кишечная палочка защитить клетки от электрических импульсов (17), в то время как другое исследование, сообщил, никакой разницы между инактивации моноцитогенес Listeria привитых в целом, 2% жирности или обезжиренное молоко (26 ).
Кинетика инактивации микробных
Некоторые модели описания микробных инактивации PEF как функция напряженности электрического поля, время обработки или лечения температуры. Большинство из этих моделей показывают, что кривые выживаемости выставки регионе, где логарифм выживания фракции линейной функцией рассматриваемого параметра (20, 27); это считается аналогом первого порядка отношений кинетикой реакции. В электрических полях ниже 8 кВ / см, микроорганизмы остаются практически неизменными. Однако при более сильных полях, доля выживших микроорганизмов уменьшается экспоненциально с поля (15, 28) и линейно при длительности импульса (15).
В пищевых продуктах, крупные молекулы, которые несут расходы, такие как белки, полисахариды ионных, полярных липидов и молекул, содержащих двойные связи, или сульфгидрильными групп, чувствительны к изменению под воздействием PEF (25). Пища с относительно высоким содержанием белка опыт осаждения на аноде PEF системы за счет агрегации белков (7). Среди белков, ферментов на сегодняшний день наиболее изученным. Консервирование требует инактивации ферментов, которые катализируют реакции, которые приводят к порче продукта. Некоторые ферменты чувствительны к PEF лечения, так как их пространственная конформация (т.е. третичной структуры) поддерживается lowenergy связей и взаимодействий, которые связаны с наличием электрических зарядов.
Последствия PEF лечения на ферменты являются разнообразными и были показаны в пределах от частичной инактивации к инактивации не на всех. Среди ферментов, которые были зарегистрированы в выставке снизилась активность папаин (20-45% сокращение сразу после лечения PEF и до 90% инактивация после 48 ч), липазы (85%), глюкозы оксидазы (75%) и термостабильные бета-амилазы (85%). Полифенолоксидазы показало 40% снижение, в то время активности щелочной фосфатазы была снижена лишь 5%. В случае инактивации папаин, снижение активности было связано с потерей альфа - спиральной структуры (9, 31). В апельсиновый сок, пектин эстеразы (PME) был инактивированной до 88% (32).
Влияние PEF была изучена на родном ovoalbumin. Этот белок состоит из четырех групп, которые сульфгидрильными стал очень реактивной PEF после обработки. Тем не менее, повышение реактивности носит обратимый характер. Общий результат ovoalbumin PEF лечения была несколько ниже, гель жесткости, но вызывают изменения в желатинизирующий свойства выражены не очень сильно (33).
Предлагаемые курсы, относящиеся к Айше
Курс
Член взнос $ 995, не являющиеся членами взнос $ 1155
Торонто, Канада
Сан - Франциско, штат Калифорния
31 июля - 1 августа 2003
Ноябрь TBA, 2003
Для получения дополнительной информации и регистрации, посетите <a target="_blank" href="http://www.aiche.org/education" rel="nofollow"> www.aiche.org / <образование />
или по телефону (800) 242-4363.
ЛИТЕРАТУРА
1. Слон Е., "Top Ten тенденции для просмотра и работы на протяжении тысячелетия," Food Technology, 53 (8), pp.40-60 (1999).
2. Барбоса-Canovas, Г. В. и др.., "Сохранение Foods с импульсным электрических полей", Academic Press, San Diego, CA (1999).
3. Чжан, В. и др.. ", Инженерные аспекты импульсного электрического пастеризации поле" Журнале пищевых технологий ", 25, с. 261-281 (1995).
4. Барсотти Л., и др.., "Food Processing импульсным электрических полей, I: Физические аспекты," Продовольственный Отзывы International, 15 (2), с. 163-180 (1999).
5. Продажа, AJH и WA Гамильтон, "Влияние сильных электрических полей на микроорганизмы, 1: Killing бактерий и дрожжей", Biochimica др. Biophysica Acta, 148 (3), с. 781-788 (1967).
6. Цинь Ган, Б. и др.. ", Нетепловой пастеризации жидких продуктов интенсивными импульсных электрических полей," Критические обзоры в области науки продовольствия и питания, 36 (6), с. 603-627 (1996).
7. Цинь Ган, Б. и др.. ", Инактивации микроорганизмов импульсным электрических полей различных напряжение осциллограмм," IEEE Сделки диэлектриков Электрическая изоляция, 1, с. 1047-1057 (1994).
8. Чжан, В. и др., "Инактивация кишечной палочки для производства продуктов питания по пастеризации высокопрочных импульсных электрических полях," Журнал пищевой промышленности и сохранение, 19, с. 103-118 (1995).
9. Хо, С. и др., "Действие Хай-Филд электрических импульсов на активность отдельных ферментов," Журнал пищевых технологий ", 31, с. 69-84 (1997).
10. Циммерман, U., "электрического пробоя, Electropermeabilization и Электрорезисторные", преподобный Физиология. Biochem. Pharmacol., 105, с. 175-256 (1986).
11. Черномордик Л.В., и др.. ", При электрическом пробое клеток и липидных мембран: сходство Phenomenologies", Biochimica др. Biophysica Acta, 902, с. 360-373 (1987).
12. Глейзер, RW, и др.. ", Реверсивный электрический пробой липидных бислоев: Формирование и эволюция Поры", и др. Biochimica Biophysica Acta, 940, с. 275-287 (1988).
13. Pothakamury, УР и др. в. ", Инактивации кишечной палочки и золотистого стафилококка в модели Food Systems в импульсном электрическом поле технологии". Food Research International, 28 (2), с. 167-171 (1995).
14. Calder6n-Миранда, М. Л. и др. /. ", Трансмиссионной электронной микроскопии innocua Listeria обработанных импульсным электрических полей и низин в обезжиренное молоко," Международный журнал пищевой микробиологии, 51 (1), с. 31-38 (1999).
15. Schoenbach, KH, и др. в. ", Влияние импульсного электрического поля на биологические клетки: Эксперименты и приложения," IEEE Transactions на плазменных наук, 25 (2), с. 284-292 (1997).
16. Вега-Меркадо, H., и др.. ", Инактивации кишечной палочки путем объединения рН, ионной силы и импульсного электрического поля препятствиями," Food Research International, 29 (2), с. 117-121 (1996).
17. Грааль, Т. и Г. Markl, "Killing микроорганизмов импульсным электрических полей", Appl. Микробная. Biotechnol., 45, с. 148-157 (1996).
18. Альварес, L и др., "Влияние различных факторов на инактивации сальмонеллы Senftenberg импульсным электрических полей," Международный журнал пищевой микробиологии, 55, с. 143-146 (2000).
19. Аронссона, К., и др.. ", Инактивации микроорганизмов с использованием импульсного электрического поля: Влияние технологических параметров на кишечная палочка, Listeria innocua, Leuconostoc mesenteroides Saccharomyces cerevisiae и", "Инновационный продовольственной науке и новым технологиям, 2, с. 41 - 54 (2001).
20. Hillsheger, H., и др.., "Электрические поля на бактерии и дрожжевые клетки," Радиационная и экологическая биофизика, 22, с. 149-162 (1983).
21. Вега-Меркадо, H., и др.. ", Инактивации кишечной палочки и Сенная палочка приостановлено в Гороховый суп с использованием импульсного электрического поля," Журнал пищевой промышленности и сохранение, 20, с. 501-510 (1996).
22. Маркес, В.О., и др.. ", Уничтожении и ингибирования бактериальных спор путем высокого напряжения импульсного электрического поля," Журнале пищевых наук, 62 (2). стр., с. 399-401 (1997).
23. Hulsheger, H., и др.., "Killing бактерий электрическими импульсами высокого поля," Радиационная и экологическая биофизика, 20, с. 53-65 (1981).
24. Wouters, П. C., и др... "Влияние импульсного электрического поля на Инактивация Кинетика innocua Listeria," Прикладная и экологическая микробиология, 65 (12), с. 5364-5371 (1999).
25. Барсотти, Л. и JC Cheftel, "Food Processing импульсным электрическим полями. II: Биологические аспекты," Продовольственный Отзывы International, 15 (21, с. 181-213 (1999).
26. Рейна, Л. Д. и др.. ", Инактивация моноцитогенес Listeria в молоке импульсного электрического поля," Журнал защиты продуктов питания, 61 (9), с. 1203-1206 (1998).
27. Шенсой, L, и др.. ", Кинетика инактивации Дублина сальмонеллы в импульсном электрическом поле", журнал пищевой Технологии 20 (5), с. 367-381 (1997).
28. Пелег, М., "Модель для микробной выживания после воздействия импульсного электрического поля," Журнал науки в области продовольствия и сельского хозяйства, 67, с. 93-99 (1995).
29. Lubicki, П. и С. Jayaram, "High Voltage Импульсный Заявку на участие в уничтожении грамотрицательные бактерии Yersinia enterocolitica," Биоэнергетика Биоэлектрохимия и 43, с. 135-141 (1997).
30. Пелег, М. и Б. Коул ", Реинтерпретация микробных Кривые выживания". Критические обзоры в пищевой науки, 38 (5), с. 353-380 (1998).
31. Йом, HW, и др.. ", Инактивация папаин импульсным электрическим полем в непрерывном System," Пищевая химия, 67, с. 53-59 (1999).
32. Йом, HW, и др.. "Действие импульсного электрического поля на качество апельсиновый сок и сравнение с тепло пастеризации," Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии, 48, с. 4597-4605 (2000).
33. Фернандес-Диас, MD и др.. "Действие импульсных электрических полей на овальбумином Решения и диализовали яичный белок," Журнал сельского хозяйства и пищевой химии, 48, с. 2332-2339 (2000).
34. Хиггинс, KT, "руку на пульсе обработки в," Пищевая инженерия, 74 (3). с. 73-74 (2002).
35. Годро, ДМС и др.. ", Твердого импульсной мощности системы для пищевой промышленности", Разные СофтИнформ, Бедфорд, штат Массачусетс, <A HREF = "http://www.divtecs.com" целевых = "_blank" относительной = "NOFOLLOW" <> www.divtecs.com /> (2000).
36. Цзя, М., и др.. ", Импульсного электрического поля обработки Воздействие на подворье вкусом и микроорганизмов Апельсиновый сок", пищевой химии, 65, с. 445-45 ((1999).
М. Ф. Сан-Мартин,
Г. В. БАРБОЗА Canovas
Б. Г. Свонсон,
Университет штата Вашингтон
ПВ SAN MARTIN является научным сотрудником в штате Вашингтон Univ. (WSU; биологических систем инженерии, Pullman, WA 99164-6120, телефон: (509) 335-8111, факс: (509) 335-2722, E-почта: <A HREF = "mailto: fsan-mar@mail.wsu . образование "> fsan-mar@mail.wsu.edu </ A>). Ее научные интересы сосредоточены в новые технологии пищевой промышленности, в том числе высокого давления обработки импульсного электрического поля, барьер технологии и магнитных полей. Она имеет докторскую степень в пищевой инженерии WSU и степень бакалавра в области химической и пищевой инженерии Универсидад де лас Америкас-Пуэбла, Мексика.
В. БАРБОЗА-Canovas профессор инженерных продуктов питания и директор Центра по нетепловой обработки пищевых продуктов (CNPF) в Университете штата Вашингтон (WSU; биологических систем инженерии, Pullman, WA 99164 - 6120, телефон: (509) 335-6188 , факс: (509) 335-2722, E-почта: <a href="mailto:barbosa@mail.wsu.edu"> barbosa@mail.wsu.edu </ A>). Его научно-исследовательских центров по нетепловой обработки пищевых продуктов, реологические свойства продуктов питания и пищевой порошок и характеристики. Он является редактором главный две книги серии (KAPP пищевых технологий и КПР продовольственной Сохранение), а также редактор двух журналов (инновационная продовольственной науке и новым технологиям и пищевой науки и технологии International). Он имеет степень бакалавра в области машиностроения из Univ. Уругвай, и MS, и кандидат в пищевой инженерии Univ. Массачусетс.
BG Суонсон является профессор диетологии в Вашингтоне Изд-во Моск. (WSU, телефон: (509) 335-3793, факс: (509) 335-4815, E-почта: <a href="mailto:swansonb@wsu.edu"> swansonb@wsu.edu </ A>) и сотрудник Института технологов питания. В настоящее время его научные интересы нетепловой обработки продуктов, жиров заменителей белка химии и переработки фруктов и овощей. Он является редактором главного журнала "Пищевая промышленность и сохранности. Он получил степень бакалавра наук, MS и доктора наук в пищевых продуктах из Univ. Висконсин.
