Pastörointi
Pastörointi on hallittu, steriloimaton säilöntäprosessi, jonka ensisijaisena tarkoituksena on vähentää elintarvikkeiden mikrobikuormitusta ja entsymaattista aktiivisuutta, jolloin elintarvikkeiden aiheuttamien sairauksien riski minimoituu ja elintarvikkeiden säilyvyysaika pitenee. Pastörointi voidaan tehdä käyttämällä muita kuin termisiä pastörointitekniikoita, kuten korkeapainekäsittelyä (HPP) ja pulssitettua sähkökenttää (PEF). Näitä tekniikoita on kehitetty viime aikoina vastaamaan kasvavaan kysyntään tuoreemmista, mahdollisimman vähän käsitellyistä elintarvikkeista [1].
Perinteisissä pastörointimenetelmissä elintarvikkeeseen kohdistetaan kuitenkin mietoa lämpöä tietyn ajanjakson ajan. Käytettävän lämmön on oltava riittävää patogeenisten mikro-organismien ja pilaantumisen aiheuttajien inaktivoimiseksi, mutta samalla on säilytettävä suurin osa tuotteiden aistinvaraisista, ravitsemuksellisista ja toiminnallisista ominaisuuksista. Classic Lämpöpastörointimenetelmiä ovat [2]:
- Batch (Vat) tai Low-Temperature, Long-Time (LTLT): Lämmitys 65 °C:ssa 30 minuutin ajan.
- Lyhytkestoinen korkean lämpötilan käsittely (HTST): Kuumennus 72 °C:ssa 15 sekunnin ajan.
- Ultra-pastörointi: Kuumennus 89-100 °C:ssa 1 sekunnin ajan.
- Ultrakorkea pastörointi: Kuumennus 138 °C:ssa 2 sekunnin ajan.
Lämpökäsittelyllä voi olla haitallisia vaikutuksia elintarvikkeeseen, esimerkiksi: värin muuttuminen veden haihtumisen tai Maillardin reaktion1 vuoksi, ravintoarvon osittainen häviäminen tai proteiinien denaturoituminen. Viimeksi mainittu on erittäin tärkeää, jos pastöroitua tuotetta käytetään elintarvikkeen funktionaalisena ainesosana. Proteiinien denaturoituminen voi vaikuttaa liukoisuuteen, emulgointikykyyn ja geeliytymisominaisuuksiin. Pastörointitekniikan valinnassa on siis tasapainotettava mikrobiturvallisuus ja elintarviketuotteen haluttu aistinvarainen, ravitsemuksellinen ja toiminnallinen laatu.
Kinetics Neo on ohjelmistotyökalu, joka on erikoistunut lämpötilariippuvaisten kemiallisten prosessien kineettiseen analyysiin. Näihin prosesseihin voi liittyä muun muassa massan, entalpian, hajoamisen ja kiteytymisen muutoksia. Ohjelmisto tukee sekä mallittomia että mallipohjaisia kineettisiä analyysejä.
Mallipohjaisessa lähestymistavassa Kinetics Neo mahdollistaa yksittäisten reaktiovaiheiden yksityiskohtaisen luonnehdinnan, jolloin saadaan kriittiset kineettiset parametrit, kuten aktivoitumisenergia, reaktiojärjestys ja kunkin vaiheen kvantitatiivinen osuus kokonaisprosessista. Tämä kattava analyysi helpottaa reaktiokäyttäytymisen tarkkojen ennusteiden tekemistä mittaamattomissa tai kokeellisesti saavuttamattomissa lämpötilaprofiileissa. Se sisältää proteiinin denaturointiasteen, jota tässä kutsutaan konversioksi, ennustamisen, joka johtuu tietystä altistumisajasta eri lämpötiloille, kuten jäljempänä käsitellään.
1Maillardinreaktio on ei-entsymaattinen rusketusreaktio, jossa vapaat aminoryhmät reagoivat pelkistävien yhdisteiden, kuten sokerien, kanssa. Maillardin reaktio on vastuussa ruskistumisesta ja maun kehittymisestä erilaisissa kypsennysprosesseissa.
Proteiinien denaturaation ennustaminen
Pastöroinnin vaikutusta hiivaproteiinin uuttumiseen tutkittiin DSC 300 Caliris® -laitteella ja NETZSCH Kinetics Neo -ohjelmistolla.
Hiivaproteiini dispergoitiin tislattuun veteen loppupitoisuutena 15 % (w/v)2. Näytemassa, joka oli 25 mg dispersiota ja joka vastasi 3,75 mg proteiinia, analysoitiin matalapaineisissa3 alumiiniupokkaissa typpikaasuatmosfäärissä lämmitysnopeudella 5 K/min välillä 0°C-140°C. Hiivaproteiinin denaturoituminen tapahtuu 44 °C:n ja 78 °C:n välillä, kuten kuvan 1 ensimmäisestä kuumennuskäyrästä (vihreä) käy ilmi. EndoterminenNäytteen siirtyminen tai reaktio on endoterminen, jos muuntumiseen tarvitaan lämpöä.Endoterminen vaikutus on laaja ja siinä on kaksi maksimia, mikä osoittaa, että näytteessä on proteiinien seos, kuten proteiinin uuttamisessa odotetaan. Toisessa kuumennuskäyrässä (musta) ei ole lämpövaikutuksia, mikä osoittaa, että denaturointi on palautumatonta.
Denaturaation riippuvuus lämmitysnopeudesta mahdollistaa prosessin arvioinnin NETZSCH Kinetics Neo -ohjelmiston avulla. Tätä varten otettiin DSC-käyrät eri lämmitysnopeuksilla, 5 K/min, 20 K/min ja 50 K/min. Useita erilaisia kineettisiä ja malleja kokeiltiin parhaan sopivuuden löytämiseksi. Kaksi parasta tulosta olivat Friedmanin analyysi ja kolmivaiheinen kineettinen malli, joiden korrelaatiokertoimet olivat 0,9988 ja 0,9989; ks. kuva 2.
2painotilavuuspainoa kohti
3Matalapaineinen upokas koostuu alumiinista, joka kestää mittauksen aikana mahdollisesti esiintyvän pienen ylipaineen.
Saatuja DSC-tuloksia käytettiin proteiinin denaturaation ennustamiseen neljässä eri pastörointilämpötilassa, jotka on kuvattu kirjallisuudessa [2]. Ennusteen, Friedmanin analyysin, jota ei ole esitetty, ja kolmivaiheisen kineettisen mallin, joka on esitetty alla olevassa kuvassa 2, mukaan kolme neljästä testatusta pastörointimenetelmästä ei sovellu tähän tuotteeseen; katso kuva 3.
Batch (Vat) -menetelmällä saavutettaisiin 90 prosentin konversio 3 minuutin kuumennuksen jälkeen, mikä on vain 10 prosenttia koko suositellusta ajasta. Myös UHT-menetelmä olisi liian ankara; 1 s 138 °C:ssa tapahtuneen kuumennuksen jälkeen natiiviproteiinin kokonaispitoisuus olisi vain 10 %. HTST-menetelmällä denaturoitaisiin edelleen 27 % kaikesta proteiinipitoisuudesta.
Ainoastaan ultrapastöroinnilla saataisiin hyväksyttävä muuntumisaste: 7 % konversiota 1 s:n kuluttua 95 °C:ssa.
Tulosten validointi
Jotta Kinetics Neo -ohjelmalla laskettu kineettinen malli denaturaatiokäyttäytymisen ennustamiseksi isotermisissä olosuhteissa voitaisiin validoida, 25 mg:n hiivaproteiininäyte, jossa oli 3,75 mg proteiinia, kuumennettiin 65 °C:seen ja pidettiin sitten isotermisenä 20 minuuttia. Kuvassa 4 verrataan mittaamalla määritettyä endotermistä vaikutusta ennustamalla määritettyyn vaikutukseen (Kinetics Neo). Vertailu osoittaa, että näiden kahden käyrän välillä on hyvä yhteisymmärrys ja siten laskennan luotettavuus.
Päätelmä
Näiden tulosten perusteella löydettiin käsittelyikkuna elintarviketeollisuudessa käytettävien proteiinituotteiden pastöroinnille. Kinetics Neo tarjoaa mahdollisuuden kehittää matemaattinen malli, joka edustaa tarkasti näytteiden kokeellista käyttäytymistä lämpökäsittelyn aikana. Tämä lähestymistapa yksinkertaistaa lupaavimman lämpötilaprofiilin tunnistamista, jolloin ei tarvita aikaa vieviä kokeilu- ja erehdysmenetelmiä.