Παστερίωση
Η παστερίωση είναι μια ελεγχόμενη, μη αποστειρωτική διαδικασία συντήρησης που έχει σχεδιαστεί κυρίως για τη μείωση του μικροβιακού φορτίου και της ενζυμικής δραστηριότητας στα τρόφιμα, ελαχιστοποιώντας έτσι τον κίνδυνο τροφιμογενών ασθενειών και παρατείνοντας τη διάρκεια ζωής των τροφίμων. Η παστερίωση μπορεί να γίνει με μη θερμικές τεχνικές παστερίωσης, όπως η επεξεργασία υψηλής πίεσης (HPP) και το παλμικό ηλεκτρικό πεδίο (PEF). Αυτές οι τεχνικές αναπτύχθηκαν πιο πρόσφατα για να αντιμετωπίσουν την αυξανόμενη ζήτηση για πιο φρέσκα, ελάχιστα επεξεργασμένα τρόφιμα [1].
Οι παραδοσιακές μέθοδοι παστερίωσης, ωστόσο, περιλαμβάνουν την εφαρμογή ήπιας θερμότητας στο τρόφιμο για ορισμένο χρονικό διάστημα. Η εφαρμοζόμενη θερμότητα πρέπει να είναι επαρκής για να αδρανοποιήσει τους παθογόνους μικροοργανισμούς και τους παράγοντες αλλοίωσης, διατηρώντας παράλληλα τις περισσότερες από τις οργανοληπτικές, θρεπτικές και λειτουργικές ιδιότητες των προϊόντων. Classic Οι μέθοδοι θερμικής παστερίωσης περιλαμβάνουν [2]:
- Batch (Vat) ή χαμηλής θερμοκρασίας, μακράς διάρκειας (LTLT): Θέρμανση στους 65°C για 30 λεπτά.
- Υψηλής θερμοκρασίας, μικρής διάρκειας (HTST): Θέρμανση στους 72°C για 15 δευτερόλεπτα.
- Εξαιρετική παστερίωση: Θέρμανση στους 89 έως 100°C για 1 δευτερόλεπτο.
- Εξαιρετικά υψηλή παστερίωση: Θέρμανση στους 138°C για 2 δευτερόλεπτα.
Η θερμική επεξεργασία μπορεί να έχει επιβλαβείς επιπτώσεις στο τρόφιμο, για παράδειγμα: αλλοίωση του χρώματος λόγω εξάτμισης του νερού ή της αντίδρασης Maillard1, μερική απώλεια της θρεπτικής αξίας ή μετουσίωση των πρωτεϊνών. Το τελευταίο από αυτά είναι εξαιρετικά σημαντικό εάν το παστεριωμένο προϊόν έχει εφαρμογές ως λειτουργικό συστατικό σε ένα τρόφιμο. Η μετουσίωση των πρωτεϊνών μπορεί να επηρεάσει τη διαλυτότητα, τη γαλακτωματοποιητική ικανότητα και τις ιδιότητες ζελατινοποίησης. Συνεπώς, η επιλογή της τεχνικής παστερίωσης πρέπει να εξισορροπεί τη μικροβιακή ασφάλεια με την επιθυμητή οργανοληπτική, διατροφική και λειτουργική ποιότητα του τροφίμου.
Kinetics Neo είναι ένα εργαλείο λογισμικού, εξειδικευμένο για την κινητική ανάλυση χημικών διεργασιών που εξαρτώνται από τη θερμοκρασία. Οι διεργασίες αυτές μπορεί να περιλαμβάνουν μεταβολές στη μάζα, την ενθαλπία, τη διάσπαση και την κρυστάλλωση, μεταξύ άλλων φαινομένων. Το λογισμικό υποστηρίζει τόσο κινητικές αναλύσεις χωρίς μοντέλα όσο και κινητικές αναλύσεις βασισμένες σε μοντέλα.
Στην προσέγγιση με βάση το μοντέλο, το Kinetics Neo επιτρέπει τον λεπτομερή χαρακτηρισμό των επιμέρους βημάτων της αντίδρασης, παρέχοντας κρίσιμες κινητικές παραμέτρους, όπως η ενέργεια ενεργοποίησης, η τάξη της αντίδρασης και η ποσοτική συμβολή κάθε βήματος στη συνολική διαδικασία. Αυτή η ολοκληρωμένη ανάλυση διευκολύνει τις ακριβείς προβλέψεις της συμπεριφοράς της αντίδρασης υπό μη μετρημένα ή πειραματικά μη προσβάσιμα προφίλ θερμοκρασίας. Περιλαμβάνει την πρόβλεψη του βαθμού μετουσίωσης της πρωτεΐνης, που εδώ ονομάζεται μετατροπή, λόγω ορισμένου χρόνου έκθεσης σε διαφορετικές θερμοκρασίες, όπως αναλύεται στη συνέχεια.
1Ηαντίδραση Maillard είναι μια μη ενζυμική αντίδραση μαυρίσματος κατά την οποία οι ελεύθερες αμινομάδες αντιδρούν με αναγωγικές ενώσεις όπως τα σάκχαρα. Η αντίδραση Maillard είναι υπεύθυνη για το μαύρισμα και την ανάπτυξη της γεύσης σε διάφορες διαδικασίες μαγειρέματος.
Πρόβλεψη μετουσίωσης πρωτεϊνών
Η επίδραση της παστερίωσης στην εκχύλιση των πρωτεϊνών ζύμης διερευνήθηκε με τη χρήση ενός DSC 300 Caliris® και του λογισμικού NETZSCH Kinetics Neo .
Η πρωτεΐνη ζύμης διασκορπίστηκε σε απεσταγμένο νερό σε τελική συγκέντρωση 15% (w/v)2. Μια μάζα δείγματος 25 mg διασποράς, που αντιστοιχούσε σε 3,75 mg πρωτεΐνης, αναλύθηκε σε χωνευτήρια αλουμινίου χαμηλής πίεσης3 υπό ατμόσφαιρα αερίου αζώτου με ρυθμό θέρμανσης 5 K/min μεταξύ 0°C και 140°C. Η μετουσίωση της πρωτεΐνης της ζύμης λαμβάνει χώρα στην περιοχή μεταξύ 44°C και 78°C, όπως φαίνεται στην πρώτη καμπύλη θέρμανσης (πράσινο) στο σχήμα 1. Το ενδόθερμο φαινόμενο είναι ευρύ και παρουσιάζει δύο μέγιστα, υποδεικνύοντας ότι το δείγμα έχει μείγμα πρωτεϊνών, όπως αναμένεται για μια εκχύλιση πρωτεΐνης. Η δεύτερη καμπύλη θέρμανσης (μαύρο) δείχνει την απουσία θερμικών επιδράσεων, γεγονός που υποδηλώνει ότι η μετουσίωση είναι μη αναστρέψιμη.
Η εξάρτηση της μετουσίωσης από τον ρυθμό θέρμανσης επιτρέπει την αξιολόγηση της διαδικασίας με τη βοήθεια του λογισμικού NETZSCH Kinetics Neo . Για το σκοπό αυτό, λήφθηκαν καμπύλες DSC σε διαφορετικούς ρυθμούς θέρμανσης, 5 K/min, 20 K/min και 50 K/min. Δοκιμάστηκαν διάφορα κινητικά και μοντέλα προκειμένου να βρεθεί η καλύτερη προσαρμογή. Τα δύο καλύτερα αποτελέσματα ήταν η ανάλυση Friedman και το κινητικό μοντέλο τριών βημάτων, με συντελεστές συσχέτισης 0,9988 και 0,9989, αντίστοιχα- βλέπε σχήμα 2.
2βάροςανά όγκο
3Τα χωνευτήρια χαμηλής πίεσης αποτελούνται από αλουμίνιο, που αντέχει σε μια μικρή υπερπίεση που μπορεί να προκύψει κατά τη διάρκεια της μέτρησης.
Τα αποτελέσματα της DSC χρησιμοποιήθηκαν για την πρόβλεψη της μετουσίωσης των πρωτεϊνών σε τέσσερα διαφορετικά συστήματα θερμοκρασίας παστερίωσης που περιγράφονται στη βιβλιογραφία [2]. Σύμφωνα με την πρόβλεψη, την ανάλυση Friedman, που δεν παρουσιάζεται, και το κινητικό μοντέλο τριών σταδίων, που παρουσιάζεται στο σχήμα 2 παρακάτω, τρεις από τις τέσσερις μεθόδους παστερίωσης που εξετάστηκαν δεν θα είναι εφαρμόσιμες για το προϊόν αυτό- βλέπε σχήμα 3.
Η μέθοδος Batch (Vat) θα οδηγούσε σε 90% μετατροπή μετά από 3 λεπτά θέρμανσης, που είναι μόνο το 10% της συνολικής συνιστώμενης περιόδου. Η μέθοδος UHT θα ήταν επίσης πολύ σκληρή: μετά από 1 δευτερόλεπτο στους 138°C, η συνολική περιεκτικότητα σε μητρική πρωτεΐνη θα ήταν μόνο 10%. Η μέθοδος HTST θα μετουσίωνε ακόμα το 27% του συνολικού περιεχομένου της πρωτεΐνης.
Μόνο η υπερπαστερίωση θα απέδιδε αποδεκτά ποσοστά μετατροπής: 7% μετατροπή μετά από 1 δευτερόλεπτο στους 95°C.
Επικύρωση των αποτελεσμάτων
Προκειμένου να επικυρωθεί το κινητικό μοντέλο που υπολογίστηκε από το Kinetics Neo για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς της μετουσίωσης σε ισόθερμες συνθήκες, ένα δείγμα πρωτεΐνης ζύμης 25 mg, 3,75 mg πρωτεΐνης, θερμάνθηκε στους 65°C και στη συνέχεια διατηρήθηκε ισόθερμο για 20 λεπτά. Στο Σχήμα 4 συγκρίνεται το ενδοθερμικό αποτέλεσμα που προσδιορίστηκε μέσω μέτρησης με εκείνο που προσδιορίστηκε μέσω πρόβλεψης (Kinetics Neo). Η σύγκριση δείχνει την καλή συμφωνία μεταξύ των δύο καμπυλών και, συνεπώς, την αξιοπιστία του υπολογισμού.
Συμπέρασμα
Με βάση αυτά τα αποτελέσματα, βρέθηκε ένα παράθυρο επεξεργασίας για την παστερίωση πρωτεϊνικών προϊόντων για τη βιομηχανία τροφίμων. Kinetics Neo παρέχει την ευκαιρία να αναπτυχθεί ένα μαθηματικό μοντέλο που αναπαριστά με ακρίβεια την πειραματική συμπεριφορά των δειγμάτων κατά τη διάρκεια της θερμικής επεξεργασίας. Η προσέγγιση αυτή απλοποιεί τη διαδικασία εντοπισμού του πιο υποσχόμενου προφίλ θερμοκρασίας, εξαλείφοντας την ανάγκη για χρονοβόρες μεθόδους δοκιμής και λάθους.