Пастеризация
Пастеризация - это контролируемый нестерилизующий процесс консервирования, направленный на снижение микробной нагрузки и ферментативной активности продуктов питания, что позволяет минимизировать риск возникновения заболеваний пищевого происхождения и продлить срок хранения продуктов. Пастеризация может осуществляться с использованием нетермических методов пастеризации, таких как обработка высоким давлением (HPP) и импульсное электрическое поле (PEF). Эти методы были разработаны совсем недавно для удовлетворения растущего спроса на более свежие, минимально обработанные продукты питания [1].
Традиционные методы пастеризации предполагают воздействие на продукт мягкого тепла в течение определенного периода времени. Применяемое тепло должно быть достаточным для инактивации патогенных микроорганизмов и возбудителей порчи, сохраняя при этом большинство органолептических, питательных и функциональных свойств продуктов. Classic термические методы пастеризации включают [2]:
- Пакетная (Vat) или низкотемпературная, длительная (LTLT): Нагрев при 65°C в течение 30 минут.
- Высокотемпературная, кратковременная (HTST): Нагрев при 72°C в течение 15 секунд.
- Ультрапастеризация: Нагрев при температуре от 89 до 100°C в течение 1 секунды.
- Ультравысокая пастеризация: Нагрев при 138°C в течение 2 секунд.
Термическая обработка может оказывать вредное воздействие на пищевой продукт, например: изменение цвета из-за испарения воды или реакции Майяра1, частичная потеря питательной ценности или денатурация белка. Последнее крайне важно, если пастеризованный продукт используется в качестве функционального ингредиента в пищевом продукте. Денатурация белка может повлиять на растворимость, эмульгирующую способность и гелеобразующие свойства. Поэтому выбор метода пастеризации должен обеспечивать баланс между микробной безопасностью и желаемыми сенсорными, питательными и функциональными качествами пищевого продукта.
Kinetics Neo это программное обеспечение, специализированное для кинетического анализа химических процессов, зависящих от температуры. Эти процессы могут включать изменения массы, энтальпии, разложение, кристаллизацию и другие явления. Программа поддерживает кинетический анализ как без модели, так и на основе модели.
При подходе, основанном на модели, Kinetics Neo позволяет детально охарактеризовать отдельные этапы реакции, обеспечивая критические кинетические параметры, такие как энергия активации, порядок реакции и количественный вклад каждого этапа в общий процесс. Такой комплексный анализ позволяет точно предсказать поведение реакции в условиях неизмеренных или экспериментально недоступных температурных профилей. Он включает в себя предсказание степени денатурации белка, называемой здесь конверсией, в результате определенного времени воздействия различных температур, о чем пойдет речь ниже.
1РеакцияМайяра - это неферментативная реакция подрумянивания, при которой свободные аминогруппы вступают в реакцию с восстанавливающими соединениями, такими как сахара. Реакция Майяра отвечает за подрумянивание и развитие вкуса в различных процессах приготовления пищи.
Прогнозирование денатурации белков
Влияние пастеризации на экстракцию дрожжевого белка исследовали с помощью прибора DSC 300 Caliris® и программного обеспечения NETZSCH Kinetics Neo .
Дрожжевой белок диспергировали в дистиллированной воде в конечной концентрации 15% (w/v)2. Образец массой 25 мг дисперсии, что соответствует 3,75 мг белка, анализировали в алюминиевых тиглях низкого давления3 в атмосфере азота при скорости нагрева 5 К/мин между 0°C и 140°C. Денатурация дрожжевого белка происходит в диапазоне от 44°C до 78°C, как показано на первой кривой нагрева (зеленая) на рисунке 1. Эндотермический эффект широк и имеет два максимума, что указывает на то, что образец содержит смесь белков, как и ожидалось при экстракции белка. Вторая кривая нагрева (черная) показывает отсутствие тепловых эффектов, что свидетельствует о необратимости денатурации.
Зависимость денатурации от скорости нагрева позволяет оценить процесс с помощью программы NETZSCH Kinetics Neo . Для этого были получены кривые ДСК при различных скоростях нагрева: 5 К/мин, 20 К/мин и 50 К/мин. Для поиска наилучшего варианта было опробовано несколько различных кинетических моделей. Два лучших результата показали анализ Фридмана и трехступенчатая кинетическая модель с коэффициентами корреляции 0,9988 и 0,9989, соответственно; см. рисунок 2.
2весна объем
3Тигель низкого давления состоит из алюминия, выдерживающего небольшое избыточное давление, которое может возникнуть во время измерения.
Полученные результаты ДСК были использованы для прогнозирования денатурации белка при четырех различных температурных схемах пастеризации, описанных в литературе [2]. Согласно прогнозу, анализу Фридмана, который не показан, и трехступенчатой кинетической модели, представленной на рисунке 2, три из четырех протестированных методов пастеризации не подходят для данного продукта; см. рисунок 3.
Метод периодического (чанового) нагрева приведет к 90-процентной конверсии после 3 минут нагрева, что составляет лишь 10 % от всего рекомендуемого периода времени. Метод УВТ также был бы слишком жестким: через 1 с при 138°C общее содержание нативного белка составит всего 10 %. Метод УВТ все равно денатурирует 27 % всего белка.
Только ультрапастеризация обеспечит приемлемый уровень конверсии: 7% после 1 с при 95°C.
Валидация результатов
Для проверки кинетической модели, рассчитанной на сайте Kinetics Neo для предсказания поведения денатурации в изотермических условиях, образец дрожжевого белка 25 мг, 3,75 мг белка, был нагрет до 65°C, а затем выдержан в изотермических условиях в течение 20 минут. На рисунке 4 сравниваются эндотермический эффект, определенный с помощью измерений, и эффект, определенный с помощью прогнозирования (Kinetics Neo). Сравнение показывает хорошее согласие между двумя кривыми и, следовательно, надежность расчета.
Заключение
На основе этих результатов было найдено технологическое окно для пастеризации белковых продуктов для пищевой промышленности. Kinetics Neo дает возможность разработать математическую модель, которая точно отражает экспериментальное поведение образцов при термической обработке. Такой подход упрощает процесс определения наиболее перспективного температурного профиля, избавляя от необходимости использовать трудоемкие методы проб и ошибок.