Пастьоризация
Пастьоризацията е контролиран, нестерилизиращ процес на консервиране, предназначен основно за намаляване на микробния товар и ензимната активност на храните, като по този начин се свежда до минимум рискът от хранителни заболявания и се удължава срокът на годност на хранителните продукти. Пастьоризацията може да се извърши с помощта на нетермични техники за пастьоризация, като например обработка под високо налягане (HPP) и импулсно електрическо поле (PEF). Тези техники бяха разработени наскоро, за да отговорят на нарастващото търсене на по-свежи и минимално обработени храни [1].
Традиционните методи за пастьоризация обаче включват прилагане на слаба топлина към храната за определен период от време. Приложената топлина трябва да е достатъчна, за да инактивира патогенните микроорганизми и причинителите на разваляне, като същевременно се запазват повечето органолептични, хранителни и функционални свойства на продуктите. Classic термичните методи за пастьоризация включват [2]:
- Партиди (Vat) или нискотемпературна и продължителна (LTLT): Загряване при 65 °C за 30 минути.
- Високотемпературен, краткотраен (HTST): Нагряване при 72°C за 15 секунди.
- Ултрапастьоризация: Загряване при 89-100°C за 1 секунда.
- Свръхвисока пастьоризация: Загряване при 138°C за 2 секунди.
Топлинната обработка може да има вредно въздействие върху хранителния продукт, например: промяна на цвета поради изпаряване на водата или реакция на Майяр1, частична загуба на хранителната стойност или денатурация на протеините. Последното е изключително важно, ако пастьоризираният продукт се използва като функционална съставка в хранителен продукт. Денатурацията на протеините може да повлияе на разтворимостта, емулгиращия капацитет и свойствата на желиране. Следователно изборът на техника за пастьоризация трябва да балансира между микробната безопасност и желаното сензорно, хранително и функционално качество на хранителния продукт.
Kinetics Neo е софтуерен инструмент, специализиран за кинетичен анализ на температурно-зависими химични процеси. Тези процеси могат да включват промени в масата, енталпията, разлагането и кристализацията, наред с други явления. Софтуерът поддържа както кинетични анализи без модели, така и кинетични анализи, базирани на модели.
При базирания на модел подход Kinetics Neo дава възможност за подробно характеризиране на отделните етапи на реакцията, като предоставя критични кинетични параметри, като например енергия на активиране, ред на реакцията и количествен принос на всеки етап към цялостния процес. Този всеобхватен анализ улеснява точното прогнозиране на поведението на реакциите при неизмервани или недостъпни за експеримента температурни профили. Той включва прогнозиране на степента на денатурация на белтъка, наричана тук конверсия, вследствие на определено време на излагане на различни температури, както е разгледано по-долу.
1Реакциятана Мейяр е неензимна реакция на покафеняване, при която свободните аминогрупи реагират с редуциращи съединения, като например захари. Реакцията на Мейяр е отговорна за покафеняването и развитието на вкуса при различни процеси на готвене.
Предвиждане на денатурацията на протеините
Ефектът на пастьоризацията върху екстракцията на протеини от дрожди е изследван с помощта на DSC 300 Caliris® и софтуера NETZSCH Kinetics Neo .
Протеинът от дрожди е диспергиран в дестилирана вода с крайна концентрация 15 % (w/v)2. Маса на пробата от 25 mg дисперсия, съответстваща на 3,75 mg протеин, беше анализирана в алуминиеви тигли с ниско налягане3 в атмосфера на азот при скорост на нагряване 5 K/min между 0 °C и 140 °C. Денатурацията на протеина на дрождите настъпва в интервала от 44°C до 78°C, както е показано на първата крива на нагряване (зелена) на фигура 1. Ендотермичният ефект е широк и показва два максимума, което показва, че пробата има смес от протеини, както се очаква за екстракция на протеин. Втората крива на нагряване (черна) показва отсъствие на термични ефекти, което показва, че денатурацията е необратима.
Зависимостта на денатурацията от скоростта на нагряване позволява да се оцени процесът с помощта на софтуера NETZSCH Kinetics Neo . За тази цел са получени DSC криви при различни скорости на нагряване: 5 K/min, 20 K/min и 50 K/min. Бяха изпробвани няколко различни кинетични и модели, за да се намери най-доброто съответствие. Двата най-добри резултата бяха анализът на Фридман и тристепенният кинетичен модел, с корелационни коефициенти съответно 0,9988 и 0,9989; вж. фигура 2.
2теглона обем
3Тигелът за ниско налягане се състои от алуминий, издържащ на леко свръхналягане, което може да възникне по време на измерването.
Получените DSC резултати бяха използвани за прогнозиране на денатурацията на протеините при четири различни температурни схеми на пастьоризация, описани в литературата [2]. Според прогнозата, анализа на Фридман, който не е показан, и тристепенния кинетичен модел, показан на фигура 2 по-долу, три от четирите тествани метода на пастьоризация няма да бъдат приложими за този продукт; вж. фигура 3.
Методът на партидата (ваната) би довел до 90 % преобразуване след 3 минути нагряване, което е само 10 % от целия препоръчителен период. Методът UHT също би бил твърде суров; след 1 секунда при 138 °C общото съдържание на нативен протеин би било само 10 %. Методът HTST все още би денатурирал 27 % от цялото съдържание на протеини.
Само ултрапастьоризацията би дала приемливи стойности на преобразуване: 7 % след 1 s при 95 °C.
Утвърждаване на резултатите
За да се валидира кинетичният модел, изчислен от Kinetics Neo, за предсказване на поведението на денатурация при изотермични условия, проба от дрождев протеин от 25 mg, 3,75 mg протеин, беше нагрята до 65 °C и след това беше държана в изотермично състояние в продължение на 20 минути. Фигура 4 сравнява ендотермичния ефект, определен чрез измерване, с този, определен чрез предсказване (Kinetics Neo). Сравнението показва доброто съответствие между двете криви и по този начин - надеждността на изчислението.
Заключение
Въз основа на тези резултати е намерен прозорец за обработка при пастьоризация на протеинови продукти за хранителната промишленост. Kinetics Neo предоставя възможност за разработване на математически модел, който точно представя експерименталното поведение на пробите по време на термична обработка. Този подход опростява процеса на определяне на най-обещаващия температурен профил, като премахва необходимостта от отнемащите време методи "проба-грешка".