Pastörisering
Pastörisering är en kontrollerad, icke-steriliserande konserveringsprocess som främst är utformad för att minska mikrobiell belastning och enzymatisk aktivitet på livsmedel, vilket minimerar risken för livsmedelsburna sjukdomar och förlänger hållbarheten för livsmedelsprodukter. Pastörisering kan ske med hjälp av icke-termiska pastöriseringstekniker, t.ex. HPP (High Pressure Processing) och PEF (Pulsed Electric Field). Dessa tekniker har utvecklats på senare tid för att möta den ökande efterfrågan på färskare, minimalt bearbetade livsmedel [1].
Traditionella pastöriseringsmetoder innebär dock att livsmedlet utsätts för mild värme under en viss tidsperiod. Den tillförda värmen måste vara tillräcklig för att inaktivera patogena mikroorganismer och förskämningsämnen, samtidigt som de flesta av produkternas organoleptiska, näringsmässiga och funktionella egenskaper bibehålls. Classic termiska pastöriseringsmetoder inkluderar [2]:
- Batch (Vat) eller låg temperatur, lång tid (LTLT): Uppvärmning vid 65°C i 30 minuter.
- Hög temperatur, kort tid (HTST): Upphettning till 72°C i 15 sekunder.
- Ultrapastörisering: Upphettning till 89-100°C i 1 sekund.
- Ultra-hög pastörisering: Uppvärmning till 138°C i 2 sekunder.
Värmebehandling kan ha skadliga effekter på livsmedelsprodukten, t.ex. färgförändring på grund av vattenavdunstning eller Maillard-reaktion1, delvis förlust av näringsvärdet eller proteindenaturering. Det sistnämnda är extremt viktigt om den pastöriserade produkten ska användas som en funktionell ingrediens i en livsmedelsprodukt. Proteindenaturering kan påverka lösligheten, emulgeringsförmågan och geleringsegenskaperna. Valet av pastöriseringsteknik måste därför balansera mikrobiell säkerhet med den önskade sensoriska, näringsmässiga och funktionella kvaliteten på livsmedelsprodukten.
Kinetics Neo är ett programvaruverktyg som är specialiserat på kinetisk analys av temperaturberoende kemiska processer. Dessa processer kan bland annat innebära förändringar i massa, entalpi, nedbrytning och kristallisation. Programvaran stöder både modellfria och modellbaserade kinetiska analyser.
I det modellbaserade tillvägagångssättet möjliggör Kinetics Neo detaljerad karakterisering av enskilda reaktionssteg, vilket ger kritiska kinetiska parametrar som aktiveringsenergi, reaktionsordning och det kvantitativa bidraget från varje steg till den övergripande processen. Denna omfattande analys underlättar korrekta förutsägelser av reaktionsbeteendet under temperaturprofiler som inte har uppmätts eller är experimentellt otillgängliga. Det inkluderar förutsägelse av graden av proteindenaturering, här benämnd omvandling, på grund av en viss tids exponering för olika temperaturer, vilket diskuteras i det följande.
1Maillard-reaktionen är en icke-enzymatisk brunfärgningsreaktion där fria aminogrupper reagerar med reducerande föreningar, t.ex. sockerarter. Maillard-reaktionen är ansvarig för brunfärgning och smakutveckling i olika tillagningsprocesser.
Förutsägelse av proteindenaturering
Pastöriseringens effekt på extraktionen av jästprotein undersöktes med hjälp av en DSC 300 Caliris® och programvaran NETZSCH Kinetics Neo .
Jästproteinet dispergerades i destillerat vatten i en slutlig koncentration på 15% (w/v)2. En provmassa på 25 mg dispersion, motsvarande 3,75 mg protein, analyserades i lågtrycks3 aluminiumdeglar under en kvävgasatmosfär med en uppvärmningshastighet på 5 K/min mellan 0°C och 140°C. Denatureringen av jästproteinet sker i intervallet 44°C och 78°C, vilket visas i den första värmekurvan (grön) i figur 1. Den endotermiska effekten är bred och visar två maxima, vilket indikerar att provet har en blandning av proteiner, som förväntat för en extraktion av protein. Den andra värmekurvan (svart) visar att det inte finns några termiska effekter, vilket tyder på att denatureringen är irreversibel.
Denatureringens beroende av uppvärmningshastigheten gör det möjligt att utvärdera processen med hjälp av programvaran NETZSCH Kinetics Neo . Därför togs DSC-kurvor vid olika uppvärmningshastigheter, 5 K/min, 20 K/min och 50 K/min. Flera olika kinetiska modeller prövades för att hitta den bästa passformen. De två bästa resultaten var Friedman-analysen och den kinetiska trestegsmodellen, med korrelationskoefficienter på 0,9988 respektive 0,9989; se figur 2.
2viktper volym
3Lågtrycksdegeln består av aluminium och tål ett lätt övertryck som kan uppstå under mätningen.
De erhållna DSC-resultaten användes för att förutsäga proteindenatureringen under fyra olika pastöriseringstemperaturscheman som beskrivs i litteraturen [2]. Enligt förutsägelsen, Friedman-analysen (visas ej) och den kinetiska trestegsmodellen (visas i figur 2 nedan) kommer tre av de fyra testade pastöriseringsmetoderna inte att vara tillämpliga för denna produkt, se figur 3.
Batchmetoden (Vat) skulle leda till 90% omvandling efter 3 minuters uppvärmning, vilket endast är 10% av hela den rekommenderade tidsperioden. UHT-metoden skulle också vara för hård; efter 1 s vid 138°C skulle det totala innehållet av nativt protein vara endast 10%. HTST-metoden skulle fortfarande denaturera 27% av allt proteininnehåll.
Endast ultrapastörisering skulle ge acceptabla omvandlingsgrader: 7% omvandling efter 1 s vid 95°C.
Validering av resultaten
För att validera den kinetiska modell som beräknats av Kinetics Neo för prediktion av denatureringsbeteendet under isoterma förhållanden, värmdes ett jästproteinprov på 25 mg, 3,75 mg protein, till 65°C och hölls sedan isotermt i 20 minuter. I figur 4 jämförs den endotermiska effekten som bestämts via mätning med de som bestämts via prediktion (Kinetics Neo). Jämförelsen visar den goda överensstämmelsen mellan de två kurvorna och därmed beräkningens tillförlitlighet.
Slutsats
Baserat på dessa resultat hittades ett processfönster för pastörisering av proteinprodukter för livsmedelsindustrin. Kinetics Neo ger möjlighet att utveckla en matematisk modell som exakt representerar provernas experimentella beteende under värmebehandling. Detta tillvägagångssätt förenklar processen med att identifiera den mest lovande temperaturprofilen, vilket eliminerar behovet av tidskrävande trial-and-error-metoder.