Paskalizacja - Pascalization

Pascalization , bridgmanization , przetwarzanie wysokiego ciśnienia ( HPP ) lub wysokiego ciśnienia hydrostatycznego ( Programator ręczny ) przetwarzania jest sposób konserwowania i sterylizacji żywności, w którym produkt jest przetwarzana pod wysokim ciśnieniem , co prowadzi do inaktywacji niektórych mikroorganizmów i enzymów w pokarmie . HPP ma ograniczony wpływ na wiązania kowalencyjne w produkcie spożywczym, utrzymując w ten sposób zarówno sensoryczne, jak i odżywcze aspekty produktu. Technika została nazwana na cześć Blaise'a Pascala , francuskiego naukowca z XVII wieku, którego prace obejmowały szczegółowe omówienie wpływu ciśnienia na płyny. Podczas paskalizacji przez około piętnaście minut można zastosować ponad 50 000 funtów na cal kwadratowy (340 MPa, 3,4 kbar), co prowadzi do inaktywacji drożdży , pleśni i bakterii . Paskalizacja jest również znana jako brydgmanizacja, nazwana na cześć fizyka Percy'ego Williamsa Bridgmana .

Zastosowania

HPP może dezaktywować mikroorganizmy powodujące psucie oraz niektóre enzymy, co może wydłużyć okres przydatności do spożycia, jednocześnie zachowując właściwości sensoryczne i odżywcze produktu. Mikroorganizmy chorobotwórcze, takie jak Listeria, E. coli, Salmonella i Vibrio, są również wrażliwe na ciśnienie 400-1000 MPa stosowane podczas HPP. W ten sposób HPP może pasteryzować produkty spożywcze o skróconym czasie przetwarzania, zmniejszonym zużyciu energii i mniejszej ilości odpadów.

Zabieg odbywa się w niskich temperaturach i nie obejmuje stosowania dodatków do żywności . Od 1990 roku niektóre soki, galaretki i dżemy są konserwowane w Japonii za pomocą paskalizacji. Technika ta jest obecnie stosowana tam również do konserwowania ryb i mięs, sosów sałatkowych , ciastek ryżowych i jogurtów . Ponadto. konserwuje owoce, koktajle warzywne i inne produkty, takie jak mięso na sprzedaż w Wielkiej Brytanii.

Wczesne zastosowanie paskalizacji w Stanach Zjednoczonych polegało na leczeniu guacamole . Nie zmieniło to smaku, konsystencji ani koloru sosu, ale okres trwałości produktu wydłużył się do trzydziestu dni, od trzech dni przed zabiegiem. Jednak niektóre przetworzone produkty spożywcze nadal wymagają przechowywania w chłodni, ponieważ paskalizacja oczywiście nie może zniszczyć wszystkich białek , a niektóre z nich wykazują aktywność enzymatyczną, która wpływa na okres przydatności do spożycia.

W ostatnich latach HPP znalazł również zastosowanie w przetwarzaniu surowej karmy dla zwierząt domowych . Większość komercyjnych mrożonych i liofilizowanych surowych diet przechodzi obecnie obróbkę HPP po pakowaniu w celu zniszczenia potencjalnych zanieczyszczeń bakteryjnych i wirusowych, przy czym salmonella jest jednym z głównych problemów.

Historia

Późne 1800

Eksperymenty dotyczące wpływu nacisku na mikroorganizmy zostały zarejestrowane już w 1884 r., a pomyślne eksperymenty od 1897 r. W 1899 r. BH Hite jako pierwszy ostatecznie zademonstrował inaktywację mikroorganizmów pod wpływem nacisku. Po tym, jak doniósł o skutkach wysokiego nacisku na mikroorganizmy, szybko pojawiły się raporty o skutkach nacisku na żywność. Hite próbował zapobiec psuciu się mleka, a jego praca wykazała, że ​​mikroorganizmy można dezaktywować poddając je działaniu wysokiego ciśnienia. Wspomniał również o niektórych zaletach żywności ciśnieniowej, takich jak brak środków antyseptycznych i brak zmian w smaku.

Hite powiedział, że od 1897 roku chemik z Rolniczej Stacji Doświadczalnej Zachodniej Wirginii badał związek między ciśnieniem a konserwacją mięsa, soków i mleka. Wczesne eksperymenty polegały na włożeniu dużej śruby do cylindra i trzymaniu go tam przez kilka dni, ale nie miało to żadnego wpływu na powstrzymanie psucia się mleka. Później mocniejszy aparat był w stanie poddawać mleko wyższym ciśnieniom, a mleko poddane obróbce było słodsze przez 24–60 godzin dłużej niż mleko niepoddane obróbce. Kiedy 90 ton krótkich (82 t) zostało przyłożone do próbek mleka przez godzinę, pozostawały słodkie przez tydzień. Niestety, urządzenie służące do wywoływania nacisku zostało później uszkodzone, gdy naukowcy próbowali przetestować jego działanie na inne produkty.

Eksperymenty przeprowadzono również z wąglikiem , tyfusem i gruźlicą , co stanowiło potencjalne zagrożenie dla zdrowia naukowców. Rzeczywiście, zanim proces został usprawniony, jeden pracownik Zakładu Doświadczalnego zachorował na dur brzuszny.

Proces, o którym donosił Hite, nie był możliwy do szerokiego zastosowania i nie zawsze całkowicie sterylizował mleko. Podczas gdy nastąpiły bardziej szczegółowe badania, pierwotne badanie mleka zostało w dużej mierze przerwane z powodu obaw o jego skuteczność. Hite wspomniał o „pewnych powolnych zmianach w mleku” związanych z „enzymami, których nie może zniszczyć ciśnienie”.

Początek XX wieku

Hite i in. opublikował bardziej szczegółowy raport na temat sterylizacji ciśnieniowej w 1914, który zawierał liczbę mikroorganizmów, które pozostały w produkcie po obróbce. Eksperymenty przeprowadzono na różnych innych produktach spożywczych, w tym owocach, sokach owocowych i niektórych warzywach. Odniosły one mieszany sukces, podobny do wyników uzyskanych we wcześniejszych testach na mleku. Podczas gdy niektóre pokarmy zostały zakonserwowane, inne nie, prawdopodobnie z powodu przetrwalników bakterii, które nie zostały zabite.

Dochodzenie Hite'a z 1914 roku doprowadziło do innych badań nad wpływem nacisku na mikroorganizmy. W 1918 roku badanie opublikowane przez WP Larsona i in. miał pomóc w rozwoju szczepionek . Raport ten wykazał, że spory bakteryjne nie zawsze były dezaktywowane przez nacisk, podczas gdy bakterie wegetatywne były zwykle zabijane. Badania Larsona i wsp. koncentrowały się również na wykorzystaniu ciśnienia dwutlenku węgla , wodoru i azotu . Stwierdzono, że dwutlenek węgla jest najskuteczniejszy z tych trzech w dezaktywacji mikroorganizmów.

Późne XX wieku – dziś

Około 1970 roku naukowcy wznowili swoje wysiłki w badaniu zarodników bakteryjnych po tym, jak odkryto, że stosowanie umiarkowanych nacisków jest bardziej skuteczne niż stosowanie wyższych nacisków. Zarodniki te, które we wcześniejszych eksperymentach powodowały brak zachowania, były inaktywowane szybciej przez umiarkowany nacisk, ale w sposób odmienny niż w przypadku drobnoustrojów wegetatywnych. Pod wpływem umiarkowanego nacisku zarodniki bakteryjne kiełkują , a powstałe zarodniki są łatwo zabijane za pomocą ciśnienia, ciepła lub promieniowania jonizującego . Jeśli wielkość początkowego nacisku zostanie zwiększona, warunki nie są idealne do kiełkowania, więc zamiast tego należy zabić oryginalne zarodniki. Jednak stosowanie umiarkowanego nacisku nie zawsze działa, ponieważ niektóre zarodniki bakterii są bardziej odporne na kiełkowanie pod wpływem nacisku i niewielka ich część przetrwa. Metoda konserwacji wykorzystująca zarówno nacisk, jak i inną obróbkę (taką jak ciepło) w celu zabicia zarodników, nie została jeszcze wiarygodnie osiągnięta. Taka technika pozwoliłaby na szersze wykorzystanie nacisku na żywność i inne potencjalne postępy w konserwacji żywności.

Badania nad wpływem wysokiego ciśnienia na mikroorganizmy koncentrowały się w dużej mierze na organizmach głębinowych aż do lat 80., kiedy dokonano postępu w przetwarzaniu ceramiki. Zaowocowało to produkcją maszyn, które pozwalały na przetwarzanie żywności pod wysokim ciśnieniem na dużą skalę i wywołały pewne zainteresowanie techniką, zwłaszcza w Japonii. Chociaż komercyjne produkty utrwalane przez paskalizację pojawiły się po raz pierwszy w 1990 r., technologia stojąca za paskalizacją jest wciąż udoskonalana do powszechnego użytku. Obecnie istnieje wyższy popyt na produkty minimalnie przetworzone niż w poprzednich latach, a produkty konserwowane przez paskalizację odniosły sukces komercyjny, mimo że ceny są znacznie wyższe niż produkty traktowane standardowymi metodami.

Na początku XXI wieku odkryto, że paskalizacja może oddzielać mięso mięczaków od ich muszli. Homary, krewetki, kraby itp. mogą być paskalizowane, a potem ich surowe mięso łatwo i łatwo wyślizgnie się z pękniętej skorupy.

Proces

Podczas paskalizacji produkty spożywcze są uszczelniane i umieszczane w stalowej komorze zawierającej ciecz, często wodę, a do wytworzenia ciśnienia stosuje się pompy. Pompy mogą wywierać ciśnienie w sposób ciągły lub przerywany. Zastosowanie wysokiego ciśnienia hydrostatycznego (HHP) na produkt spożywczy zabije wiele mikroorganizmów, ale zarodniki nie zostaną zniszczone. Paskalizacja działa szczególnie dobrze na kwaśnej żywności, takiej jak jogurty i owoce, ponieważ zarodniki odporne na ciśnienie nie są w stanie żyć w środowiskach o niskim poziomie pH . Zabieg działa równie dobrze zarówno w przypadku produktów stałych, jak i płynnych.

Naukowcy opracowują również „ciągłą” metodę wysokociśnieniowego przetwarzania płynnej żywności. Technologia ta jest znana jako technologia ultra-shear (UST) lub homogenizacja wysokociśnieniowa. Polega to na zwiększeniu ciśnienia płynnej żywności do 400 MPa, a następnie rozprężeniu poprzez przejście przez niewielki luz w zaworze ścinającym. Gdy płyn opuszcza zawór ścinany, z powodu znacznej różnicy ciśnień na zaworze, energia ciśnienia jest przekształcana w energię kinetyczną. Ta energia kinetyczna jest rozpraszana jako energia cieplna w celu podniesienia temperatury płynu oraz jako strata ciepła do otoczenia. Pozostała energia kinetyczna jest zużywana na fizyczne i strukturalne modyfikacje próbki (mieszanie, emulgowanie, dyspersja, wielkość cząstek, redukcja enzymów i drobnoustrojów) poprzez intensywne siły mechaniczne, takie jak ścinanie, turbulencja lub kawitacja. Tak więc, w zależności od początkowej temperatury produktu i ciśnienia procesu, obróbka UST może skutkować efektami pasteryzacji lub komercyjnej sterylizacji wraz z modyfikacją strukturalną w obrabianej cieczy.

Przetrwalniki bakterii przeżywają obróbkę ciśnieniową w warunkach otoczenia lub chłodu. Naukowcy stwierdzili, że ciśnienie w połączeniu z ciepłem skutecznie inaktywuje przetrwalniki bakterii. Proces ten nazywa się wspomaganą ciśnieniowo sterylizacją termiczną. W 2009 i 2015 roku Agencja ds. Żywności i Leków (FDA) wydała pisma bez sprzeciwu dotyczące dwóch petycji przemysłowych dotyczących wspomaganej ciśnieniowo obróbki termicznej. W chwili obecnej na rynku nie ma dostępnych na rynku produktów o niskiej kwasowości, poddanych działaniu PATP.

Podczas paskalizacji wiązania wodorowe w pożywieniu są selektywnie przerywane. Ponieważ paskalizacja nie jest oparta na cieple, wiązania kowalencyjne nie są naruszone, co nie powoduje zmiany smaku żywności. Oznacza to, że HPP nie niszczy witamin, zachowując wartość odżywczą żywności. Wysokie ciśnienie hydrostatyczne może wpływać na tkankę mięśniową, zwiększając tempo utleniania lipidów , co z kolei prowadzi do złego smaku i zmniejszonych korzyści zdrowotnych. Dodatkowo w żywności występują pewne związki, które mogą ulec zmianie podczas procesu obróbki. Na przykład węglowodany są żelowane przez wzrost ciśnienia zamiast wzrostu temperatury podczas procesu obróbki.

Ponieważ ciśnienie hydrostatyczne może działać szybko i równomiernie na żywność, ani wielkość opakowania produktu, ani jego grubość nie mają wpływu na skuteczność paskalizacji. Istnieje kilka skutków ubocznych tego procesu, w tym nieznaczny wzrost słodyczy produktu, ale paskalizacja nie wpływa znacząco na wartość odżywczą, smak, teksturę i wygląd. W rezultacie obróbka żywności pod wysokim ciśnieniem jest uważana za „naturalną” metodę konserwacji, ponieważ nie wykorzystuje się w niej chemicznych konserwantów.

Krytyka

Anurag Sharma, geochemik; James Scott, mikrobiolog; i inni w Carnegie Institution of Washington bezpośrednio obserwowali aktywność drobnoustrojów przy ciśnieniu przekraczającym 1 gigapaskal. Eksperymenty przeprowadzono do ciśnienia 1,6 GPa (232 000 psi), które jest ponad 16 000 razy większe niż normalne ciśnienie powietrza lub około 14 razy większe niż ciśnienie w najgłębszym rowie oceanicznym .

Eksperyment rozpoczął się od osadzenia filmu Escherichia coli i Shewanella oneidensis w Diamond Anvil Cell (DAC). Następnie ciśnienie podniesiono do 1,6 GPa. Po podniesieniu do tego ciśnienia i trzymaniu tam przez 30 godzin przeżył co najmniej 1% bakterii. Eksperymentatorzy monitorowali następnie metabolizm mrówczanu za pomocą spektroskopii Ramana in situ i wykazali, że metabolizm mrówczanu jest kontynuowany w próbce bakteryjnej.

Co więcej, 1,6 GPa to tak duże ciśnienie, że podczas eksperymentu DAC zamienił roztwór w lód-VI , lód o temperaturze pokojowej. Gdy bakterie rozkładały mrówczan w lodzie, w wyniku reakcji chemicznej powstawały kieszenie płynne.

Był pewien sceptycyzm wobec tego eksperymentu. Według Arta Yayanosa, oceanografa z Instytutu Oceanografii Scrippsa , organizm powinien być uważany za żywy tylko wtedy, gdy może się rozmnażać. Inną kwestią związaną z eksperymentem DAC jest to, że gdy występują wysokie ciśnienia, zwykle występują również wysokie temperatury, ale w tym eksperymencie ich nie było. To doświadczenie przeprowadzono w temperaturze pokojowej. Jednak celowy brak wysokiej temperatury w eksperymentach wyizolował rzeczywisty wpływ nacisku na życie, a wyniki wyraźnie wskazywały, że życie jest w dużej mierze niewrażliwe na nacisk.

Nowsze wyniki niezależnych grup badawczych potwierdziły Sharma et al. (2002). Jest to znaczący krok, który potwierdza potrzebę nowego podejścia do starego problemu badania ekstremów środowiskowych poprzez eksperymenty. Praktycznie nie ma debaty, czy życie drobnoustrojów może przetrwać ciśnienie do 600 MPa, co zostało udowodnione w ciągu ostatniej dekady w wielu rozproszonych publikacjach.

Akceptacja konsumentów

W badaniach konsumenckich Hightech Europe konsumenci wymieniali więcej pozytywnych niż negatywnych skojarzeń opisów tej technologii wskazujących, że produkty te są dobrze przyjmowane.

Zobacz też

Bibliografia

Uwagi

Bibliografia