Pasteryzacja
Pasteryzacja jest kontrolowanym, niesterylizującym procesem konserwacji, zaprojektowanym głównie w celu zmniejszenia obciążenia mikrobiologicznego i aktywności enzymatycznej żywności, a tym samym zminimalizowania ryzyka chorób przenoszonych przez żywność i wydłużenia okresu przydatności do spożycia produktów spożywczych. Pasteryzację można przeprowadzić przy użyciu nietermicznych technik pasteryzacji, takich jak przetwarzanie wysokociśnieniowe (HPP) i impulsowe pole elektryczne (PEF). Techniki te zostały opracowane niedawno w celu zaspokojenia rosnącego zapotrzebowania na świeższą, minimalnie przetworzoną żywność [1].
Tradycyjne metody pasteryzacji obejmują jednak zastosowanie łagodnego ciepła do żywności przez określony czas. Zastosowane ciepło musi być wystarczające do inaktywacji patogennych mikroorganizmów i czynników powodujących psucie się, przy jednoczesnym zachowaniu większości właściwości organoleptycznych, odżywczych i funkcjonalnych produktów. Classic Metody pasteryzacji termicznej obejmują [2]:
- Wsadowa (Vat) lub Niskotemperaturowa, Długotrwała (LTLT): Ogrzewanie w temperaturze 65°C przez 30 minut.
- Wysoka temperatura, krótki czas (HTST): Ogrzewanie w temperaturze 72°C przez 15 sekund.
- Ultra pasteryzacja: Ogrzewanie w temperaturze od 89 do 100°C przez 1 sekundę.
- Ultra-wysoka pasteryzacja: Ogrzewanie w temperaturze 138°C przez 2 sekundy.
Obróbka cieplna może mieć szkodliwy wpływ na produkt spożywczy, na przykład: zmianę koloru z powodu odparowania wody lub reakcji Maillarda1, częściową utratę wartości odżywczych lub denaturację białek. Ostatni z wymienionych czynników jest niezwykle ważny, jeśli pasteryzowany produkt ma zastosowanie jako funkcjonalny składnik produktu spożywczego. Denaturacja białek może wpływać na rozpuszczalność, zdolność emulgowania i właściwości żelujące. Wybór techniki pasteryzacji musi zatem równoważyć bezpieczeństwo mikrobiologiczne z pożądaną jakością sensoryczną, odżywczą i funkcjonalną produktu spożywczego.
Kinetics Neo to narzędzie programowe wyspecjalizowane do analizy kinetycznej procesów chemicznych zależnych od temperatury. Procesy te mogą obejmować między innymi zmiany masy, entalpii, rozkładu i krystalizacji. Oprogramowanie obsługuje zarówno analizy kinetyczne bez modeli, jak i oparte na modelach.
W podejściu opartym na modelach, Kinetics Neo umożliwia szczegółową charakterystykę poszczególnych etapów reakcji, zapewniając krytyczne parametry kinetyczne, takie jak energia aktywacji, kolejność reakcji i ilościowy udział każdego etapu w całym procesie. Ta kompleksowa analiza ułatwia dokładne przewidywanie zachowania reakcji w niezmierzonych lub niedostępnych eksperymentalnie profilach temperaturowych. Obejmuje ona przewidywanie stopnia denaturacji białka, zwanego tutaj konwersją, ze względu na określony czas ekspozycji na różne temperatury, jak omówiono poniżej.
1ReakcjaMaillarda to nieenzymatyczna reakcja brązowienia, w której wolne grupy aminowe reagują ze związkami redukującymi, takimi jak cukry. Reakcja Maillarda jest odpowiedzialna za brązowienie i rozwój smaku w różnych procesach gotowania.
Przewidywanie denaturacji białek
Wpływ pasteryzacji na ekstrakcję białka drożdży zbadano przy użyciu DSC 300 Caliris® i oprogramowania NETZSCH Kinetics Neo .
Białko drożdży zostało zdyspergowane w wodzie destylowanej w końcowym stężeniu 15% (w/v)2. Próbkę o masie 25 mg dyspersji, odpowiadającą 3,75 mg białka, analizowano w niskociśnieniowych3 tyglach aluminiowych w atmosferze azotu przy szybkości ogrzewania 5 K/min w zakresie od 0°C do 140°C. Denaturacja białka drożdży zachodzi w zakresie od 44°C do 78°C, jak pokazano na pierwszej krzywej ogrzewania (zielonej) na rysunku 1. Efekt EndotermicznyPrzemiana próbki lub reakcja jest endotermiczna, jeśli do konwersji potrzebne jest ciepło.endotermiczny jest szeroki i wykazuje dwa maksima, wskazując, że próbka zawiera mieszaninę białek, zgodnie z oczekiwaniami dla ekstrakcji białka. Druga krzywa ogrzewania (czarna) pokazuje brak efektów termicznych, co wskazuje, że denaturacja jest nieodwracalna.
Zależność denaturacji od szybkości ogrzewania pozwala na ocenę procesu za pomocą oprogramowania NETZSCH Kinetics Neo . W tym celu uzyskano krzywe DSC przy różnych szybkościach ogrzewania, 5 K/min, 20 K/min i 50 K/min. Wypróbowano kilka różnych modeli kinetycznych i modeli w celu znalezienia najlepszego dopasowania. Dwa najlepsze wyniki to analiza Friedmana i trzystopniowy model kinetyczny, ze współczynnikami korelacji odpowiednio 0,9988 i 0,9989; patrz rysunek 2.
2wagana objętość
3Tygiel niskociśnieniowy składa się z aluminium, odpornego na niewielkie nadciśnienie, które może wystąpić podczas pomiaru.
Uzyskane wyniki DSC wykorzystano do przewidywania denaturacji białka w czterech różnych schematach temperatury pasteryzacji opisanych w literaturze [2]. Zgodnie z przewidywaniami, analizą Friedmana (nie pokazano) i trzystopniowym modelem kinetycznym, pokazanym na rysunku 2 poniżej, trzy z czterech testowanych metod pasteryzacji nie będą miały zastosowania do tego produktu; patrz rysunek 3.
Metoda Batch (Vat) doprowadziłaby do 90% konwersji po 3 minutach ogrzewania, co stanowi zaledwie 10% całego zalecanego czasu. Metoda UHT byłaby również zbyt surowa; po 1 s w temperaturze 138°C całkowita zawartość natywnego białka wynosiłaby tylko 10%. Metoda HTST nadal denaturowałaby 27% całej zawartości białka.
Tylko ultra pasteryzacja przyniosłaby akceptowalne współczynniki konwersji: 7% konwersji po 1 s w 95°C.
Walidacja wyników
W celu walidacji modelu kinetycznego obliczonego przez Kinetics Neo dla przewidywania zachowania denaturacji w warunkach izotermicznych, próbka białka drożdży o masie 25 mg, 3,75 mg białka, została podgrzana do 65°C, a następnie utrzymywana w warunkach izotermicznych przez 20 minut. Rysunek 4 porównuje efekt EndotermicznyPrzemiana próbki lub reakcja jest endotermiczna, jeśli do konwersji potrzebne jest ciepło.endotermiczny określony za pomocą pomiaru z efektem określonym za pomocą przewidywania (Kinetics Neo). Porównanie pokazuje dobrą zgodność między dwiema krzywymi, a tym samym wiarygodność obliczeń.
Wnioski
Na podstawie tych wyników znaleziono okno przetwarzania dla pasteryzacji produktów białkowych dla przemysłu spożywczego. Kinetics Neo daje możliwość opracowania modelu matematycznego, który dokładnie odzwierciedla eksperymentalne zachowanie próbek podczas obróbki termicznej. Takie podejście upraszcza proces identyfikacji najbardziej obiecującego profilu temperatury, eliminując potrzebę stosowania czasochłonnych metod prób i błędów.