Pasteurisatie
Pasteurisatie is een gecontroleerd, niet-steriliserend conserveringsproces dat voornamelijk is ontworpen om de microbiële belasting en enzymatische activiteit op voedsel te verminderen, waardoor het risico op door voedsel overgedragen ziekten wordt geminimaliseerd en de houdbaarheid van voedselproducten wordt verlengd. Pasteurisatie kan worden uitgevoerd met niet-thermische pasteurisatietechnieken, zoals hogedrukbehandeling (HPP) en gepulseerd elektrisch veld (PEF). Deze technieken zijn recentelijk ontwikkeld om tegemoet te komen aan de toenemende vraag naar verser, minimaal bewerkt voedsel [1].
Bij traditionele pasteurisatiemethoden wordt echter gedurende een bepaalde tijd milde hitte op het voedsel toegepast. De toegepaste hitte moet voldoende zijn om pathogene micro-organismen en bederfveroorzakers te inactiveren, terwijl de meeste organoleptische, nutritionele en functionele eigenschappen van de producten behouden blijven. Classic thermische pasteurisatiemethoden zijn onder andere [2]:
- Batch (Vat) of Lage Temperatuur, Lange Tijd (LTLT): Verhitting bij 65°C gedurende 30 minuten.
- Hoge temperatuur, korte tijd (HTST): Verhitting bij 72°C gedurende 15 seconden.
- Ultrapasteurisatie: Verhitten bij 89 tot 100°C gedurende 1 seconde.
- Ultra-hoge pasteurisatie: Verhitten bij 138°C gedurende 2 seconden.
Warmtebehandeling kan een nadelig effect hebben op het voedingsproduct, bijvoorbeeld: verandering van kleur door waterverdamping of Maillardreactie1, gedeeltelijk verlies van voedingswaarde of denaturatie van eiwitten. Dit laatste is erg belangrijk als het gepasteuriseerde product toepassingen heeft als functioneel ingrediënt in een voedingsproduct. Eiwitdenaturatie kan de oplosbaarheid, het emulgeervermogen en de gelerende eigenschappen beïnvloeden. Bij de keuze van de pasteurisatietechniek moet daarom een balans worden gevonden tussen microbiële veiligheid en de gewenste sensorische, nutritionele en functionele kwaliteit van het voedingsproduct.
Kinetics Neo is een softwareprogramma dat gespecialiseerd is in de kinetische analyse van temperatuurafhankelijke chemische processen. Deze processen kunnen veranderingen in massa, enthalpie, ontleding en KristallisatieKristallisatie is het fysieke proces van verharding tijdens de vorming en groei van kristallen. Tijdens dit proces komt kristallisatiewarmte vrij.kristallisatie omvatten, naast andere fenomenen. De software ondersteunt zowel modelvrije als modelgebaseerde kinetische analyses.
Bij de modelgebaseerde aanpak maakt Kinetics Neo een gedetailleerde karakterisering van individuele reactiestappen mogelijk, waarbij kritieke kinetische parameters zoals activeringsenergie, reactievolgorde en de kwantitatieve bijdrage van elke stap aan het totale proces worden gegeven. Deze uitgebreide analyse vergemakkelijkt nauwkeurige voorspellingen van het reactiegedrag onder niet gemeten of experimenteel ontoegankelijke temperatuurprofielen. Het omvat de voorspelling van de mate van denaturatie van eiwitten, hier conversie genoemd, als gevolg van een bepaalde tijd blootstelling aan verschillende temperaturen zoals hieronder besproken.
1DeMaillardreactie is een niet-enzymatische bruiningsreactie waarbij vrije aminogroepen reageren met reducerende verbindingen zoals suikers. De Maillardreactie is verantwoordelijk voor bruinkleuring en smaakontwikkeling in verschillende kookprocessen.
Denaturatie van eiwitten voorspellen
Het effect van pasteurisatie op de extractie van gisteiwit werd onderzocht met behulp van een DSC 300 Caliris® en de NETZSCH Kinetics Neo software.
Het gisteiwit werd gedispergeerd in gedestilleerd water met een eindconcentratie van 15% (w/v)2. Een monstermassa van 25 mg dispersie, overeenkomend met 3,75 mg eiwit, werd geanalyseerd in lagedruk3 aluminium smeltkroezen onder een stikstofgasatmosfeer bij een verwarmingssnelheid van 5 K/min tussen 0°C en 140°C. De denaturatie van het gisteiwit treedt op in het bereik van 44°C en 78°C, zoals te zien is in de eerste verwarmingscurve (groen) in figuur 1. Het endotherme effect is breed en vertoont twee maxima, wat aangeeft dat het monster een mengsel van eiwitten heeft, zoals verwacht voor een eiwitextractie. De tweede verhittingskromme (zwart) toont de afwezigheid van thermische effecten, wat aangeeft dat de denaturatie onomkeerbaar is.
De afhankelijkheid van de denaturatie van de verhittingssnelheid maakt evaluatie van het proces mogelijk met behulp van de software NETZSCH Kinetics Neo . Hiertoe werden DSC-curves verkregen bij verschillende verwarmingssnelheden, 5 K/min, 20 K/min en 50 K/min. Er werden verschillende kinetische modellen uitgeprobeerd om de beste fit te vinden. De twee beste resultaten waren de Friedman-analyse en het drietraps kinetisch model, met correlatiecoëfficiënten van respectievelijk 0,9988 en 0,9989; zie figuur 2.
2gewichtper volume
3Lagedrukkroes bestaat uit aluminium, bestand tegen een lichte overdruk die tijdens de meting kan optreden.
De verkregen DSC-resultaten werden gebruikt voor het voorspellen van de eiwitdenaturatie onder vier verschillende pasteurisatietemperatuurschema's die in de literatuur worden beschreven [2]. Volgens de voorspelling, de Friedman-analyse (niet weergegeven) en het kinetische driestappenmodel (weergegeven in figuur 2) zijn drie van de vier geteste pasteurisatiemethoden niet van toepassing op dit product; zie figuur 3.
De Batch (Vat) methode zou leiden tot 90% conversie na 3 minuten verhitten, wat slechts 10% is van de gehele aanbevolen tijdsduur. De UHT-methode zou ook te streng zijn; na 1 seconde bij 138°C zou het totale gehalte aan natief eiwit slechts 10% zijn. De HTST-methode zou nog steeds 27% van alle eiwitten denatureren.
Alleen ultrapasteurisatie zou een acceptabele conversie opleveren: 7% conversie na 1 s bij 95°C.
Validatie van de resultaten
Om het door Kinetics Neo berekende kinetische model voor de voorspelling van het denaturatiegedrag onder isotherme omstandigheden te valideren, werd een gisteiwitmonster van 25 mg, 3,75 mg eiwit, verwarmd tot 65 °C en vervolgens 20 minuten IsothermTesten bij een gecontroleerde en constante temperatuur worden isotherm genoemd.isotherm gehouden. Figuur 4 vergelijkt het endotherme effect bepaald via meting met die bepaald via voorspelling (Kinetics Neo). De vergelijking toont de goede overeenkomst tussen de twee curven en dus de betrouwbaarheid van de berekening.
Conclusie
Op basis van deze resultaten werd een verwerkingsvenster gevonden voor het pasteuriseren van eiwitproducten voor de voedingsindustrie. Kinetics Neo biedt de mogelijkheid om een wiskundig model te ontwikkelen dat het experimentele gedrag van monsters tijdens thermische behandeling nauwkeurig weergeeft. Deze aanpak vereenvoudigt het proces om het meest veelbelovende temperatuurprofiel te identificeren, waardoor tijdrovende trial-and-error-methoden niet meer nodig zijn.