UNIVERSITATEA,, LUCIAN BLAGA” SIBIUFACULTATEA DE STIINTE AGRICOLEINDUSTRIE ALIMENTARA SI PROTECTIA MEDIULUIANUL III . SECTIA. IPA-I

PRESIUNEA INALTA-TEHNICA EFICIENTA IN

INDUSTRIA ALIMENTARA

NUME PROFESOR: NUME STUDENT:

Conf. DR. NEDERITA VICTOR

-SIBIU 2010-

Presiunea înaltă – Tehnică eficientă în Industria Alimentară

Procesul de presiune înaltă este o metodă de procesare a alimentelor cu un mare potenţial în industria alimentară. Asemenea tratării termice, procesul de presiune înaltă distruge microorganismele, denaturează proteinele si prelungeşte perioada de valabilitate a produselor alimentare. Spre deosebire de tratarea termică, tratarea cu presiune înaltă menţine calitatea alimentelor proaspete fară să afecteaze gustul şi valoarea nutriţională. Această tehnică nu depinde de mărimea, forma sau compoziţia produselor alimentare. Ȋn această lucrare sunt prezentate aspecte asociate metodei de presiune înaltă ca proces în industria alimentară, incluzând principiile de operare, efectele asupra calităţii alimentelor, siguranţei şi aplicaţiile comerciale şi de cercetare.

Procesele alimentare implică o sinergie între diferite metode fizice de transformare a materiei prime animală/vegetală in produse alimentare gata de consum. Astazi, în industria alimentară se aşteaptă să se reducă schimbarile negative ale calităţii alimentelor în timp pentru a le oferi o largă varietate de culoare, textură şi gust pentru a se adapta diferitelor cerinţe demografice şi culturale. Fară procesarea alimentelor, transportul acestora pe distanţe mari şi depozitarea lor pe o perioadă indelungată nu ar putea fi indeplinite.

Ȋn prezent, consumatorii analizează calitatea alimentelor după caracteristicile senzoriale şi nutriţionale (textură, gust, aromă, formă şi culoare, conţinutul de calorii, de vitamine etc) alături de perisabilitatea

2

alimentelor, acestea determinand preferinţele recente ale individului pentru diverse produse. Ȋn consecinţă, furnizorii de produse alimentare au înregistrat o creştere de până la 30% a produselor proaspete, congelate şi ecologice. Creşterea recentă a cererii a generat noi provocări în industria alimentară mai ales în implementarea tehnologică pentru a menţine alimentele proaspete un timp mai indelungat, de asemenea oferta produselor cu o perioadă de valabilitate rezonabilă şi convenabilă, asigurând rezistenţa produselor alimentare în timp. Datorită preferinţelor recente ale consumatorului s-a impus accentuarea dezvoltării tehnologiei care să asigure o perioadă de valabilitate crescută prin metode termice sau nu. Din ultimele studii efectuate în industria alimentară rezulta ca majoritatea producatorilor, nu mai utilizează metode termice, înlocuindu-le cu o tehnologie mai eficientă care foloseşte procesul de presiune înaltă.

Siguranţa alimentelor şi durata lor de viaţă sunt adesea strâns legate de nivelul microbian şi alte fenomene ca: reacţiile biochimice, enzimatice şi schimbarile structurale astfel influenţând indirect preferinţa consumatorului asupra calităţii produselor alimentare. Metodele chimice (reducerea Ph-ului sau utilizarea conservanţilor) şi fizice (incalzire, congelare, deshidratare si ambalare în vid) de conservare continuă să fie cele mai utilizate. Procesele convenţionale de sterilizare termică sunt metodele de conservare cel mai des utilizate care implică transferul termic (încalzire/congelare) de la un nivel mediu spre un nivel mic. Deşi acest mecanism este eficient în ceea ce priveşte dezactivarea microbiană, procesele termice pot permite shimbări de calitate şi gust a produsului pot influenţa textura, culoarea şi nivelul de vitamine dar este necesar ca tehnologia să îmbine avantajele şi dezavantajele conservarii alimentelor prin procesul termic. Inactivarea microbiană prin procesul de presiune înaltă are în vedere membrana celulelor tratate dar în unele cazuri este nevoie să se acţioneze în plus asupra unor aspecte cum ar fi: pierderea solubilităţii prin presurizare, denaturarea proteică şi inactivarea enzimelor. O conservare eficientă a alimentelor a fost dată de utilizarea combinată a procesului de presiune înaltă cu Ph-ul sau a proceselor de presiune înaltă pe baza electrică cu cel care conţine CO2. Utilizarea procesului de presiune înaltă simultan cu cel termic este mai eficientă în dezactivarea sporilor bacterieni. Procesul de presiune înaltă este una dintre tehnologiile care se adresează multor producatori, dacă nu chiar tuturor, din majoritatea provocarilor pe care le-a cunoscut industria alimentară. Procesul de presiune înaltă – originară în Japonia mai târziu preluată de S.U.A. apoi Europa – a devenit deja o tehnologie comercială implementată în industria alimentara. Procesul de presiune înaltă poate fi aplicat unei game variate de

3

alimente cum ar fi: sucuri şi băuturi, fructe şi legume, produse din carne, peşte şi semipreparate; aplicat cu preponderenţă pe sectoarele produselor din carne şi a legumelor.

Tehnologia care foloseşte procesul de presiune înaltă a câştigat teren şi în domeniile de conservare a alimentelor care nu necesită sterilizare şi/sau pasteurizare.

In tabelul 1 este prezentată răspândirea diferitelor companii care utilizează procesul de presiune înaltă în industria alimentară în funcţie de an (a) şi sectorul alimentar (b).

4

Tabelul 1. Companiile care folosesc procesul de presiune înaltă

Studiul de cercetare şi dezvoltare a procesului de presiune înaltă a fost revizuit recent de către Rastogi care a efectuat studii privind efectul procesului de presiune înaltă asupra enzimelor si proteinelor, furnizând astfel informaţii privind utilizarea cu succes a acestui proces, practicat independent sau combinat cu alte procese tehnologice.

5

Alte revizuiri s-au concentrat pe efectul procesului de presiune înaltă asupra microorganismelor şi constituenţilor alimentari (San Martin – 2002); utilizarea procesului de presiune înaltă în industria lactatelor (O’Reilly – 2001, San Martin Gonzales – 2006, Huppertz – 2006); oportunităţile comerciale şi provocările de cercetare în procesul de presiune înaltă (Torres şi Velazquez – 2005); avantajul consumului scăzut de energie electrică a procesului de presiune înaltă (Toepfl – 2006) şi congelarea/încălzirea sub presiune a alimentelor (Cheftel – 2002). Totuşi nici o revizuire nu a efectuat un studiu complet privind efectele evoluţiei ingineriei asupra tehnologiei care utilizează procesul de presiune înaltă alături de utilizarea acesteia în industria alimentară. Această revizuire este necesară deoarece tratează aspectele folosirii procesului de presiune înaltă în industria alimentară ca metodă de procesare pornind de la aspectele ei tehnice, calitatea şi siguranţa alimentelor pâna la alpicaţiile de cercetare – dezvoltare. Toate aceste aspecte s-au dezvoltat foarte mult în ultimii ani datorită evoluţiei tehnologiei.

Aspecte tehnice ale procesului de presiune înaltă

Principiile care stau la baza procesului de presiune înaltă sunt bazate pe presupunerea că alimentele supuse tratamentului cu presiune înaltă respectă regula izostatică – mărimea şi forma alimentelor nu este afectată. Regula izostatică afirmă că presiunea este aplicată instant şi uniform asupra alimentului cu care are sau nu contact direct fiind apoi închisă ermetic într-un pachet flexibil. Spre deosebire de procesul termic, timpul necesar procesului de presiune înaltă nu este influenţat de mărimea alimentului supus acestei metode.

Efectul procesului de presiune înaltă asupra chimiei alimentelor şi microbiologiei are la baza principiul lui Le Chatelier. Acest principiu afirmă că un sistem echilibrat distrus va avea tendinţa de a reacţiona astfel încât să-şi recapete echilibrul. Altfel spus, presiunea înaltă stimulează unele fenomene (schimbarea fazelor, reactivitatea chimică, schimbarea confi-guraţiei moleculare, reacţiile chimice) care sunt acompaniate de o scădere a volumului dar reacţiile opuse duc la o creştere a volumului. Efectele presiunii asupra stabilităţii proteice se bazează de asemenea pe acest principiu, de exemplu schimbările negative în volum printr-o creştere a presiunii sunt cauza unui schimb de echilibru a formarii legaturilor.

6

Ruperea legaturilor ionice este atribuită tot presiunii înalte ducând la o descreştere a volumului datorită proprietăţii de conductor electric pe care o are apa. Mai mult, legăturile de hidrogen sunt stabilizate prin presiune înaltă, formarea lor implicând o scădere a volumului; presiunea nu afectează în general legăturile covalente. Presiunea înaltă poate afecta structuri moleculare şi/sau microbiene cum ar fi: enzimele, proteinele, lipidele şi membranele celulare, fără sa afecteze moleculele mici cum sunt vitaminele şi componenţii care dau gustul.

In continuare urmează a fi prezentate principiile de inginerie care influenţează procesul de presiune înaltă.

Mecanismul de inactivare celulară

Eficacitatea tehnicii de conservare alimentară este evaluată mai întâi pe baza abilităţii sale de a înlătura microorganismele patogene presente. Inactivarea celulară este strâns legată de schimbările morfologice care apar în interiorul celulelor microbiene individuale în timpul procesului de presiune înaltă. Acest proces a fost revizuit de Hartmann (2006) şi este prezentat în tabelul 2. Din puţinele investigaţii efectuate în acest domeniu reiese că distrugerea celulară afectează în special geometria bacteriilor fară a fi influenţată de tipul gram al acestora, iar peretele celular nu opune rezistenţă. Acest lucru a fost dezbătut de Lurwig (2002) care a sugerat că presiunea acţionează prin factori mecanici asupra peretelui celular microbian care interacţionează cu mecanismele inactive. Deşi studiile anterior menţionate arată o strânsă corelţie între stadiul fiziologic al microorganismelor şi gradul de presiune, distrugerea celulară ramâne totuşi definită ca interacţiune între celule şi nivelul fluidului. Pâna de curând, acest lucru a fost cuantificat prin rezistenţa peretelui celular care presupune că distrugerea acestuia apare în momentul în care forţa de acţiune a fluidului este distribuită uniform asupra peretelui celular. Acest studiu a fost aplicat cu succes asupra celulelor animale a caror perete celular are o structură diferită. Oricum, progresul a fost încetinit în cazul celulelor microbiene a caror perete celular este bine structurat şi de o complexitate considerabilă. In consecinţă există o lipsă de înţelegere şi caracterizare a proprietăţilor mecanice a peretelui celular microbian (Smith – 2000).

Pentru aprecierea rezistenţei mecanice a celulelor microbiene şi a factorilor care contribuie la aceasta, sunt necesare investigaţii ale

7

proprietăţilor mecanice ale celulei în timpul în care acestea sunt supuse presiunii. Celulele de fermentaţie sunt des utilizate în procesul de creare intracelulară a produselor bio de interes comercial, pentru a evalua proprietăţile acestora au fost utilizate metode de tehnică experimentală; de exemplu, prin micromanipulare, relaţia între forţa care acţionează, diametrul şi relaţia între forţă şi înlocuirea celulelor de fermentaţie a fost stabilită (Mashmoushy – 1998). Din fericire, peretele celulelor de fermentaţie are o structură complexă, astfel încât experimentul redă privind înţelegerea mecanismelor de inactivare în microorganisme complexe cum ar fi escherichia coli. In timpul experimentelor recente s-au descoperit trei parametrii – permeabilitatea constantă, grosimea iniţială, contractarea – care pot determina derivarea proprietăţilor pereţilor celulari a celulelor biologice. Pentru a determina proprietăţile peretelui celular a celulelor de fermentaţie Smith a utilizat aceşti parametri în experimentele în care se utilizează compresia. Aceştia au utilizat teoria osmotică pentru a interpreta măsurarea volumului celulei ca funcţie a presiunii osmotice externe. Apoi au cuantificat efectul presiunii osmotice şi timpii compresiei celulare luând în calcul forţa care acţionează, deformarea, presarea şi diametrul celulei. Pentru a determina proprietăţile intrinseci ale peretelui celular şi factorii care le influenţează, datele obţinute despre forţa de deformare au fost folosite în legătură cu un produs finit – model mecanic. Hartmann şi Delgado (2004) au utilizat datele din experimentul lui Smith pentru dezvoltarea modelului mecanic a produsului finit pe celula de fermentaţie în timpul fazei de compresie a procesului de presiune înaltă (figura 2), care a fost validat experimental pe celula de fermentaţie privind reducerea volumului de către Perrier-Cornet (1995). In loc să utilizeze ecuaţia de pierdere a volumului folosită de Smith (1998) a utilizat o formă redusă a ecuaţiei lui Cauchy reprezentând comportamentul mecanic al celulei de fementaţie. Au fost folosite organele importante pentru a investiga omogenitatea distribuţiei presiunii în celulă ca şi caracteristicile deformării celulei. Autorii au descoperit ca la 400Mpa, punctul critic de distrugere a membranei organelor este de 80% dovedit experimental de Shimada (1993). Cea mai importantă descoperire a lui Hartmann şi Delgado (2004) a fost distribuţia neomogenă a presiunii în celulă. Ȋn plus prin analiza dimensională autorii au descoperit că fazele compresiei nu influenţează inactivarea celulară. Au descoperit de asemenea că este nevoie de o frecvenţă de peste 700 MHz ca să apară o inactivare observabilă; această frecvenţă depaşeşte nivelul de fezabilitate al protocoalelor de presiune aplicată în sistemul de HPP. Posibilitatea de independenţă între nivelele de inactivare şi compresie

8

au fost demonstrate experimetal pe alte specii microbiene de Rademacher (2002).

Mai târziu, Hartmann (2006) a derivat modelul simplu liniar pentru a explica distribţia presiunii asupra celulelor sferice; deşi modelul preupunea proprietăţi fizice constante existau şi factori mecanici heterogeni la utilizarea presiunii înalte hidrostatice.

9

Figura 2 Modelul produsului finit a celulei de fermentaţie în timpul compresiei (Hartmann şi Delgado – 2004).

r – coordonata radială

z – coordonata axială

L – înălţimea caracteristică

p0 (t) – presiunea aplicată

Procesele termo-hidraulice în HPP

Deoarece procesul de presiune înaltă (HPP) implică adesea interacţiuni ale căldurii cu fluidul, investigaţiile termo-hidraulice, de exemplu studiul termo-dinamic şi fenomenele de dinamică a fluidului, s-au dovedit a fi foarte importante. Procesele termo-hidraulice care apar în timpul HPP al sistemelor alimentare lichide şi solide pot influenţa foarte mult eficienţa întregului proces.

In timpul fazei de compresie/decompresie, energia internă a sistemului HP se modifică, rezultând în transferul de caldură dintre sistemul intern şi limita inferioară. Primele date experimentale despre temperatura fluidului în timpul HP au fost facute de Pehl (2002) care a descoperit că distribuţia temperaturii heterogene se face prin presiune înaltă termocromatică utilizând cristale lichide. Folosind aceste date experimentale la temperatura camerei, Rademacher (2002) a notat perioadele convecţiei forţate în perioada fazei de compresie/ decompresie urmată de convecţie naturală în timpul acţiunii presiunii. Gradele de temperatură observate s-au dovedit a fi dependente de gradul de presiune aplicat. Aceste caracteristici termo-hidraulice au fost de asemenea confirmate prin simulăti numerice de către Hartmann (2002) care a observat că dacă particulele alimentare sau microorganismele sunt suspendate în fluid îşi modifică temperatura periodic cu 60C datorită unui „vârtej” care apare în celula asupra căreia acţionează presiunea. Datorită simulărilor numerice menţionate anterior la câmpurile termice şi de concentraţie prestabilite, tehnicile folosite sunt necesar a fi cunoscute prin înţelegerea fenomenului inerent în HPP, mai ales când fenomenul de creştere este analizat.

10

Hartmann şi Delgado (2002) au avut o contribuţie importantă în cunoaşterea termo-hidraulicii în HPP a sistemului de alimente lichide la temperaturi joase (ex. 313 K). Autorii au utilizat dinamica fluidelor computerizată şi analizele dimensionale pentru a determina timpii convecţiei, inactivarea bacteriană, valorile relative care contribuie la eficacitatea şi uniformitatea condiţiilor în care se realizează HPP. Aceşti timpi sunt prezentaţi pe scurt în tabelul 3 din care rezultă dependenţa ambilor timpi de convecţie şi conducţie cu forma geometrică a echipamentului utilizat în proces şi mecanismele de transport a fluidului, de exemplu vâscozitatea dinamică şi conductivitatea termică pot fi observate.

Tabelul 3 HP – ecuaţiile potrivite pentru aplicaţiile industriale

Sisteme de alimente lichide Sisteme de alimente ambalate

Timpii convecţiei

thyd=

thyd_me=

thyd_p=

Timpii conducţiei

tth=

tth_me=

tth_pp=

tth_p=

Timpii inactivarii

tin= tin=

Creşterea temperaturii adiabate

(1)

CHfood= (2)

(1)

CHfood= (2)

Observaţii tabel 3:

Timpii convecţiei – uniformitatea HPP poate fi determinată prin calcularea acestor timpi

11

Creşterea temperaturii adiabate – ecuaţia (1) se foloseşte pentru a estima creşterea temperaturii alimentelor pe bază de apă

Ecuaţia (2) se foloseşte pentru alimentele pe bază de grasimi

Ȋn timpul de studiu, termenele convective si antistatice au fost direct comparate cu termenul pt inactivare pentru a oferi o imagine a statelor termo-hidraulice ale vasului HP in timpul inactivarii bacteriene. Rezultatele cu un grad înalt de relevanţă industriala au fost oferite astfel, de exemplu. A fost demonstrat pt sistemele de scară pilot că, atunci fluidele prelucrate expun un termen convectie mai indelungat decât scara de timp de inactivare, miscarea intensiva de fluide şi transferul de caldura convectiva a dus la nactivarea bacteriana omogena . Dimpotrivă, neuniformitatile în procesul de inactivare au fost dominante atunci când scara de timp convecţie a fost semnificativ mai mica şi intervalul de timp conductive a fost semnificativ mai mare decât intervalul de timp de inactivare. În plus, simulari ale sistemelor scalate industriale au arătat o mai mare eficienţă în inactivarea bacteriana astfel ca încălzirea de compresiune a subzistat pentru perioade de timp mai indelungate în comparaţie cu sistemele de laborator mai mici. În ceea ce priveşte limitele vasului HP, Otero et al. (2002a) şi Hartmann, et al. (2004) au arătat că proprietatile termice ale graniţelor vasului HP au promovat condiţiile cele mai eficiente. La fel ca acesta, vasul izolat a fost găsit pentru a creşte eficienţa HPP cu 40% (Hartmann, et al. 2004). O analiza fara dimensiuni a mecanismelor transferului de caldura convectiva in sisteme de alimente fluide sub presiune a fost de asemenea, efectuata de către Kowalczyk şi Delgado (2007a), care a informat faptul că sistemele HP, cu o dimensiune caracteristică de 1 m alături de un mediu scăzut de vâscozitate ar trebui să fie utilizate pentru a evita prelucrare heterogena a produsului. Alte studii au furnizat soluţii similare pt fenomenele termo- hidraulice în sisteme care conţin HPP tratamente ambalate ultra-termice (UHT) lapte (Hartmann, et al. 2003) amestec de enzime ambalat (Hartmann, et al. 2003) grasime de vită solida (Ghani şi Farid 2006) si material analogic solid al produselor alimentare (Otero et al. 2007a), de exemplu, Tylose cu proprietati similare cu cele ale cărnii şi agar-agar cu proprietăţi similare apei, unde ambele au fost utilizate. În ambele investigaţii ale lui Hartmann si al., rezultatele cele mai semnificative, revelate de simulări CFD , validate au

12

arătat o cuplare puternică între concentraţiile microorganismelor supravieţuitore şi distribuţia spaţială a zonelor de temperatură scăzută în cadrul pachetului produselor alimentare, în vasul HP. Un pachet material cu o conductivitate termică scăzută a fost găsit, de asemenea, să îmbunătăţească uniformitatea prelucrării prin menţinerea nivelului ridicat de temperatură în cadrul pachetului întregii faze de suprapresiuni; o diferenţa medie de aproximativ două reduceri de jurnal a fost găsit de zece ori în creştere în pachetul de conductivitate termică. Cele două simulări dimensionale ale CFD de Otero et al. (2007a) au constatat că raportul de umplere a vasului HP a jucat un rol important în procesul de uniformitate, cu curenţi convectiviavând cel mai mic efect asupra transferului de căldură atunci când acest raport este mare (Fig. 3). Ei, de asemenea, au arătat că, prin anticiparea creşterii temperaturii, care rezultă din încălzirea compresiva, şi permitand mediului de presiune de emisie de a furniza cantitatea corespunzătoare de căldură, uniformitatea HPP a fost îmbunătăţită atunci când atât raporturile de proba mari, cat si cele mici au fost utilizate (Fig. 4). Mai recent, Ghani şi Farid (2006) au folosit simulări tridimensionale CFD pentru a ilustra atat transferul termic conductibil,cat si cel convectiv într-un sistem de HPP încărcat cu bucăţi de grăsime de vita solida. Simularea a arătat o mai mare incalzire adiabatica în grăsimea de carne de vită decât mediul de presiune de emisie datorita coeficientului mai mare de compresie de incalzire utilizat în acest caz. O caracteristică remarcabilă a studiilor de modelare de mai sus a fost faptul că rezultatele contrastante au fost posibile datorita (1) sistemelor HP având diferite proprietăţi operaţionale sau (2) limitări numerice de modelare. Prin urmare, diferite condiţii limită au fost folosite, şi, în consecinţă, rezultatele dintre studii nu pot fi comparate în mod direct. De exemplu, în studiile lui Hartmann şi Delgado (2003) şi Hartmann et al. (2004), un vas HP care a permis creşterea tranzitorie de presiune, ca urmare a maririi de masa a afluxului mediului de presiune şi deformare a produselor alimentare ambalate, de asemenea, numit indirectă sistem de HP, a fost modelat. Otero et al. (2007a) şi Ghani şi Farid (2006) au modelat un sistem direct, adică un comunicat de presa piston, care a crescut în mod direct presiunea vasului , prin intermediul deplasarii unui piston unitate. Atât un sistem direct, cat şi unul indirect sunt ilustrate în fig. 5. În contrast cu Otero et al. (2007a), Ghani şi Farid (2006) şi Hartmann, et al. (2004), Hartmann şi Delgado (2003) au modelat acumularea de presiune să se producă instantaneu, într-un vas HP, din cauza limitărilor de modelare. Autorii au remarcat faptul că această presupunere a fost justificată, deoarece timpul de exploatatie de presiune a depăşit faza de compresie / decompression a HPP.Cu toate acestea, cum

13

investigaţiile cu sisteme cu scară de laborator (0.8 l) au fost citate în această justificare, adică cu mici termene de convectie si conductie (Pehl et al. 2000), întrucât sistemele cu termene de convectie şi conducţie mult mai mari au fost modelate (6,3 l), acestea trebuie să fie luate în considerare cu prudenţă. În ansamblu, diferenţa dintre condiţiile limită utilizate în aceste studii de modelare HPP constă în adaptarea pe care a furnizat-o contribuţiilor relative de convecţie forţată şi naturala şi, ca rezultat, efectul lor asupra distribuţiei de temperatură. A fost evident din studiile de mai sus că atât campul de temperatură, cat si cel de viteza sunt tranzitorii în timpul fazei de detinere/exploatatie de presiune, pe masura ce viteza de distributie a fluidului influenţează puternic distribuţia de temperatură şi vice - -versa (Otero et al. 2007a). Prin urmare, pentru a studia cu exactitate contribuţiile relative ale convecţie forţată şi naturala la eficacitatea HPP, ar fi cel mai indicat pt a masura viteza, precum şi temperatura şi de a le folosi pe ambele pentru a dezvolta o validare cuprinzătoare în viitoarele studii de simulare.

Proprietăţi termo-fizice

Sistemele de proiectare sigure, efective şi eficiente HPP cer modelarea desenelor şi modelelor conceptuale în întreaga gama de presiuni şi temperaturi cu experienţă în industria alimentară. Una dintre principalele dificultăţi atunci cand se afla in curs de dezvoltare sau de optimizare a acestor sisteme este lipsa de cunoştinţe despre proprietăţile termo-fizice importante ale produselor alimentare în timp ce se afla sub presiune. Cu toate acestea, astfel de cunoştinţe sunt importante, din punct de vedere al ingineriei/tehnicii, teoretic, bazat pe modele de transfer de masa si de caldura, care permit estimarea precisă din istoria fizică a produselor alimentare în curs de HP sunt de dorit. De exemplu, având în vedere studiile termo-hidraulice revizuite mai sus, nu ar fi fost posibila evaluarea importanţei relative a parametrilor de proces, cum ar fi rata de compresie (Hartmann, 2002), dimensiunea vasului HP (Hartmann, et al. 2003), vâscozitatea mediului de emisie a presiunii (Hartmann şi Delgado 2002), precum şi procesul de uniformitate (Otero et al. 2007a), etc ,cu excepţia cazului în care proprietăţile fizice ale sistemelor fluide au fost modelate ca funcţii de presiune şi temperatură. Pentru aceste calcule, proprietăţile termo-fizice utilizate includ densitate, vâscozitate, căldură specifică şi conductivitatea termică atât a mediului de emisie a presunii,cat şi a produsului alimentar în curs de procesare. Desigur, nu toate proprietăţile au fost modelate exact, în special atunci când datele

14

experimentale limitate au fost disponibile cu privire la variatia proprietatii lor peste presiunea dorită şi gama de temperatură, şi atunci când se omit detalii precise ale dependenţei lor nu ar avea un impact mare asupra precizie a rezultatelor de simulare, de exemplu, cum Hartmann et al. (2003) a constatat când se prescriu valorile constante pentru conductivitatea termică în simulari de CFD(evidentiind faptul că variaţia de conductivitate termică , cu presiunea şi temperature peste punctual de inghetare este uşoară cum se poate vedea în fig. 6.). În plus, atunci când HPP implică o schimbare de fază, fracţiunea de gheaţă, entalpia şi punctul iniţial de congelare trebuie ,de asemenea, să fie modelate (Otero et al. 2006). Modelele acestor proprietăţi în timpul HPP pot fi derivate din (1) modele de aditiv , având în vedere proprietăţile alimentare sub presiune (Otero et Al. 2006); (2), în faza de schimbare de domeniu datele la presiunea atmosferică pot fi transferate în funcţie de depresia punctului de congelare, sau o schimbare experimentala observata, asociate cu presiunea aplicată. şi (3) proprietatea fizica a apei sub presiune poate fi înmulţita cu o constantă care reprezintă raportul dintre proprietatile fizice ale produselor alimentare si cele ale apei, la presiunea atmosferică (Hartmann, et al. 2003; Ghani şi Farid 2006). O altă metodă folosită de Chen et al. (2007) şi Kowalczyk et al. (2005) a fost de a rula în primul rând, simulari CFD bidimensionale pentru un produs alimentar care sunt in procesul de HPLT şi apoi se potrivesc curbele de rezultate la date experimentale prin varierea proprietatilor termo-fizice adecvate. O tehnică similară a fost urmată de Schlüter et al. (2004), care a permis coeficienţi în distribuţiile Weibull ale proprietăţilor fizice de a varia, în conformitate cu condiţiile experimentale. Variaţia unor anumite proprietăţi termo-fizice importante sub presiune sunt discutate în următoarele.

Vascozitatea

Fluidele care fac obiectul presurizarii devin mai vâscoase în special la temperaturi subzero. Forst et al. (2000) au publicat date experimentale cu privire la viscozitatea apei la temperaturi diferite în funcţie de presiune. Utilizarea eficientă a acestor date permite rezultatele obţinute de la ecuaţiile de viscozitate - temperatură, cum ar fi cea dezvoltata de Watson et Al. (1980), care urmează să fie ajustate astfel încât presiunea cu experienţă în sistemul de HP sa poata fi reprezentata (Hartmann, et al. 2004). Multe alte reprezentări numerice pt viscozitatea sistemelor lichide ca o funcţie de temperatură au fost publicate de Seeton (2006). Pentru sistemele de alimentare lichide cu categorii trecute de limita de concentratie, efectul concentrarii solidelor pe vâscozitatea produselor alimentare lichide pot fi

15

descrise de către oricare dintre exponenţiali (Vitali şi Rao 1984) sau un tip de relaţie de putere (Rao et al. 1986). Relaţia dinamică cu vascozitatea şi presiunea, cu toate acestea, nu este atât de bine documentata. În simulările HPP ale laptelui UHT, Hartmann et al. (2003) a considerat ca lapte să urmeze acelasi profil de vascozitate – presiune, ca şi cel a apei, reprezentat de: Cu toate acestea, datorită unor fenomene cum ar fi întreruperile micelle, vâscozitatea laptelui în timpul HPP nu poate fi explicata exact în acest fel (Harte et al. 2003).

Densitatea

Ecuaţia de stare dezvoltata de Saul şi Wagner (1989), care reprezintă compresibilitatea de apa pură sub presiune inalta, a fost folosit pentru a descrie densitatea în funcţie de presiune şi de temperatură în timpul studiilor, atunci când transferul convectiv de căldură în timpul HPP este în curs de modelare (Ghani şi Farid 2006); alte surse pentru densitatea date au fost, de asemenea, folosite pentru substante similare apei(Otero et Al. 2007a). În ceea ce priveşte produsele alimentare, s-a dovedit ca înalta presiune acrescut densitatea unui analog de produse alimentare cu aproximativ 3,5% din valoarea sa iniţială pentrufiecare crestere de 100 MPa, în presiunea aplicată (Otero et al. 2006). Efectele modelarii de compresie \ decompresie într-un eşantion de produse alimentare în timpul HPP impune ca relatia densitate-temperatura-presiune de proba sa fie luata în considerare. Denys et al. (2000) a măsurat această relaţie în sos de mere şi pasta de tomate si a regresat date pentru a forma o ecuaţie simplă pe care au incorporat-o apoi în modelul lor numeric de transfer de căldură. Atunci când astfel de măsurători nu au fost posibile, a fost necesară permiterea densitatii a alimentelor de probă să varieze ca o funcţie a densitatii apei, presupunând că nici o schimbare de fază nu ar putea să apară în timpul HPP (Hartmann şi Delgado 2003; Ghani şi Farid 2006). În faza de schimbare de domeniu, densitatea produselor alimentare, de asemenea, se ridica cu o creştere a tensiunii aplicate. Otero et al. (2006) a aratat predicţii de la un model de densitate aditiv, sub presiune, de a fi mai precis decât schimbarea datelelor densitatii presiunii atmosferice în funcţie depresia punctului de congelare. Acest lucru se datorează faptului că deplasarea de date nu a luat în considerare majorările înregistrate în apă lichidă si densitatile ghetii sub presiune (Otero - 2006).

Căldura specifică

16

În multe alimente, apa influenţează în mod substanţial căldura specifica. În plus, pentru probleme de reducere a complexităţii modelare, căldura specifică a componentelor alimentare solide ale matricei unui produs alimentar se poate presupune independent de temperatură şi de presiune (Otero et al. 2006). Acest lucru înseamnă că, cu cat continutul de apa al produsele alimentare este mai scazut, cu atât mai mare este diferenţa între previziunile pentru industria alimentară şi căldura specifică a apei (Miles 1991). Pentru apa pura la temperaturi de peste 0 ° C, creşterea presiunii deteremina căldura specifică să scadă într-un mod aproape liniar. De exemplu, utilizând datele termo-fizice corespunzătoare apei pure (Lemmon et al. 2005), căldura sa specifice la 1 ° C scade treptat de la 4216 J kg-1 K-1, la presiunea atmosferică pana la 3488 J kg-1 K-1 la 600 MPa. Un gradient similar in căldura specifică versus curba de presiune există pentru toate temperaturile de apă în intervalul de la 0 la 120 ° C (Otero et al. 2002b). , Prin asumarea că acest gradient este reprezentativ pentru un eşantion de produse alimentare, căldura specifică a produselor alimentare poate fi determinată ca o funcţie a presiunii. De exemplu, în absenţa unor date exacte, Ghani şi Farid (2006) au reprezentat dependenţa de căldură specifica cu privire la temperatură şi presiune dupa cum urmeaza, presupunând că nici o schimbare de fază ar avea loc în timpul HPP. Cu toate acestea, trebuie menţionat faptul că produsele alimentare ar trebui să aibă un conţinut ridicat de apă pentru acest tip de modelare pentru a fi exacte. Este bine cunoscut faptul că, căldura latentă de fuziune este redusa sub presiune şi trebuie să fie atent luata în considerare atunci când se modeleaza procesele de înaltă presiune cu temperatură scazuta. Prin urmare, căldura aparent specifica a produselor alimentare, care include contribuţia capacităţii de căldură şi de căldură latentă a fuziunii, este, în general utilizată în studiile de modelare. Motiv pentru aceasta este faptul că, spre deosebire de căldura specifică, căldura apparent specifica poate fi modificata pentru a conta pentru depresia punctului de congelare şi reducerea, în căldură latentă a fuziunii, prin intermediul abordarii simple de schimbare. Pentru mai multe detalii, cititorul este trimis la articolele lui Otero et al. (2006) şi Denys et Al. (2000).

Conductivitate termică

În modelarea HPP la temperaturi moderate, Ghani şi Farid (2006) au urmat metodele de mai sus, în care se descrie dependenţa de conductibilitate

17

termică pe temperatură şi de presiune atunci când nu sunt disponibile date fizice pentru produse alimentare modelate sub presiune. În principal, conductivitate termica nu se schimbă în mod substanţial sub presiune în produsele alimentare mai sus de punctul lor de congelare initial şi poate fi chiar considerată constantă în exerciţii de modelare (Hartmann, et al. 2003). În faza de schimbare de domeniu, atât schimbarea datelor atmosferice, cat şi folosirea modelului aditiv pentru a calcula conductivitatea termică da rezultate rezonabil de exacte, asemenea schimbarii conductivitatii termice în funcţie de depresia punctului de congelare, fără a prezenta un comportament anormal (Otero et al. 2006).

Tranziţii de fază

Nivelul de presiune impus pe un sistem determină tranziţii de fază lichid - solide în apă şi alimente. Cele mai importante beneficii ale inaltei presiunii combinate cu temperature scazute pot fi observate în diagrama de faza de schimbare a apei şi includ (1) depresia punctului de îngheţ (o minima de -22 ° C la 209 MPa), (2) căldura latentă redusa de fuziune (de la 334 kJ / kg, la presiunea atmosferică pentru a 193 kJ / kg la 209 MPa), (3), o modificare redusa la volumul specific şi (4) posibilităţi de cristalizare (de la 209 MPa) de nivel superior gheaţă polymorphs cu o mai mare densitate decat a apei (Schlüter et al. 2004). Toate aceste condiţii sunt evidente în Fig. 7. Schimbările de fază sunt clasificate în funcţie de schimbările de termodinamică care au loc la temperaturi de tranziţie (Roos 2003). În timpul prelucrarii produselor alimentare şi depozitarii, faza de tranziţie reglementează abaterile într-o stare alimentara fizică, cu temperatura şi presiunea la care au loc, fiind specifice pentru materialul alimentar. Aşa cum s-a discutat de către LeBail et al. (2003), Schlüter (2003) şi Roos (2003), două tipuri de tranziţii de fază au loc în sistemele de alimentare, şi anume cele din primul şi al doilea ordin. În tranziţiile de prim ordine, primele derivate ale funcţiilor termodinamice manifesta o discontinuitate în coeficientul de capacitate a caldurii şi termică de expansiune la temperatura de tranziţie (de exemplu, tranziţii solide-lichide-gazoase ). Structurile amorfe ale unui sistem alimentar, care se formează în timpul îngheţarii sau al altor forme de de prelucrare, vor fi supuse unor tranziţii de ordinal al doilea, pentru care nu implică nici o astfel de discontinuitate, cum ar fi, spre deosebire de tranziţia de prim ordin,nici o căldură latentă nu este necesară în timpul fazei de schimbare; în schimb, există un pas de schimbare a proprietăţilor care suferă o discontinuitate în tranziţia de prim ordin-(Roos

18

2003). Existenţa tranziţiilor de ordinal al doilea în structurile alimentelor amorfe creşte complexitatea modificarilor fizice şi chimice în produsele alimentare (Slade şi Levine 1991). Ingheţarea alimentelor dă naştere structurilor metastabile, amorfe sau parţial amorfe, care prezintă modificari dependente de timp pe masura ce abordeaza o stare de echilibru. (Roos 2003). Conceptul de "stari metastabile", în ceea ce priveşte formarea de tipuri diferite de gheaţă, a fost introdus in urma cu 40 de ani (Urrutia-Benet 2005). Conceptul a fost, de asemenea, recunoscut de către Kalichevsky et al. (1995), care a notat posibilitatea de a obţine anumite forme de gheaţă, cum ar fi gheata III sau gheaţă VI, în afara gamei lor de stabilitate. Starile metastabile pot fi definite ca acele stari la care energia liberă este la o minima de relativă (Schlüter 2003), adică, ele corespund într-un domeniu în care o fază, în cazul în care există o altă fază, ar avea o energie libera mai scazuta. Însăşi existenţa lor a oferit avantaje de exploatat pentru industria HPLT. De exemplu, în inghetarea prin schimbarea presiunii , prezenţa unei faze metastabile de lichid supraracit în domeniile gheaţă I sau gheaţă III, ar putea permite angajarea unor mai mari pante termice, permiţându-se astfel intervale reduse de prelucrare, precum şi o mai mare cantitate de gheaţă instantaneu formata la depresurizare (Urrutia-Benet et al. 2006). Mai mult decât atât, s-a dovedit ca inactivarea microbiana HPLT se efectueaza cel mai bine în condiţii corespunzătoare regiunii metastabile în domeniu de gheaţă III (Shen et al. 2005). Schlüter et al. (2004) au oferit recent definitii ale diferitelor faze metastabile, care, la rândul lor, au fost ilustrate pe diagrama fazei de schimbare a apei (fig. 8) de către Urrutia-Beneteal. (2007). Schlüter et al. (2004), de asemenea, a arătat că îngheţarea în interiorul starilor metastabile ar putea fi prezisa de către un model unidimensional de transfer de căldură numerică, care a folosit punctele de congelare iniţiale obţinute de la o diagram experimentala de fază determinate pentru o probă de cartofi, ilustrata în Fig. 9.

Modelul în sine a fost folosit ca un instrument pentru a da înapoi valorile corespunzătoare pentru proprietăţile termo-fizice pentru fiecare condiţie experimentala. Facand acest lucru a permis autorilor sa obţina o potrivire foarte apropiata de profilele experimentale, chiar şi atunci când tranzitiile solide (I Ice-II) au avut loc. În studiulcuprinzător al lui Schlüter (2003), autorii au făcut unele concluzii importante, şi anume: (1), modificarile volumului cresc concomitent cu presiunea de la 9% la 0.1 MPa la 13 MPa la 209 MPa, este de dorit presurizarea probei la domeniul de gheaţă III şi cât mai aproape posibil de punctul triplu, astfel încât gheaţa III sa aiba o mai bună şansa de a se forma (modificările de volum sunt -3%), (2), timpul total de congelare nu poate fi redus atunci când are loc

19

congelarea la gheata III, în timp ce preracirea poate fi mai mare, (3), gradul de supraracire este mai mare atunci când îngheţarea are loc la gheata III, astfel se promoveza uniformitatea în mărime de cristal şi de distribuţie. La fel de evident la Fig. 8, în funcţie de congelarea ideala sau calea de dezghetare urmata, în diagrama de faza de tranziţie, diverse procese de inghetare sau decongelare pot fi realizate. De fapt, în funcţie de grupul de lucru al SAFE European de proiect-ICE, există în total şapte procese de guvernare, şi în acest total, 13 de cazuri speciale exista (Urrutia-Benet et al. 2004). În acelaşi studiu, autorii au prevăzut terminologii clare pentru fiecare din aceste 20 de procese prin intermediul căii schematice şi experimentale şi a profilelor de temperatură şi de presiune; cel mai important dpdv comercial al acestor procese HPLT va fi discutat mai târziu la o alta etapă a acestei reexaminări. Supraracirea a fost, de asemenea, în mod clar definit ca fiind creşterea temperaturii bruscă de la temperature nucleara până la punctul iniţial de congelare. Tabelul 4 prezintă pe scurt nomenclatura standardizata în cercetare HPP. Din procesele de conducere de congelare a înaltei presiunii şi de decongelare, cele care au fost modelate includ racirea sub zero la presiune ridicată, inghetarea prin schimbul de presiune (PSF), congelarea prin presiune-asistată ( PAF), decongelarea prin presiunea-asistată şi decongelarea indusă de presiune(PIT). Modelarea numerica poate oferi o imagine mai clară a mecanismelor complexului de căldură şi masă de transfer care guvernează aceste procese, si asa devine rapid o tehnica completa optimizării în aplicaţii de congelare. Denys et al. (1997) a fost unul dintre primii care a dezvoltat un model numeric al căldurii şi conducta de transfer în cadrul unui analog de alimentare în timpul proceselor PSF şi PIT. În studiul lor, datele termo-fizice au fost schimbate de-a lungul curbei temperaturii de topire in functie depresiunea predominantă. O corespondenţă rezonabila între predicţii şi măsurători experimentale a fost realizata. Mai târziu, previziunile au fost intensificate cand autorii în mod corect au permis căldurii aparent specifice sa se schimbe ca o funcţie a presiunii (Denys et al. 2000). Multe dintre celelalte studii de modelare ale fazelor de tranzitie sprijinite de presiune, folosind modele de căldură de transfer tip conducta, au fost revizuite de către Denys et al. (2001) şi Schlüter et al. (2004) şi nu vor fi acoperite aici. În schimb, contribuţiile cele mai recente, toate care includ transferul de caldura de la convectiva de presiune medie la proba procesata, vor fi revizuite. Kowalczyk et al. (2004) a fost primul care a modelat transferul de căldură convectiv în timpul congelarii si decongelarii presiunii asistate ale apei. Ecuaţii de conservare pentru schimbarea de fază au fost adaptate pentru a

20

gasi explicatii pentru un mediu compresibil, şi alături de termeni de sursa linearised, acestea au fost rezolvate cu simulări CFD-uri. Mecanismele contrastante de transfer de căldură între congelare sub presiune atmosferică şi înalta presiune, au fost observate. In special, autorii au subliniat importanţa studiilor viitoare sau a aplicaţiilor pentru a determina termenele de convectie atât pentru încălzire,cat şi pentru răcire şi pentru a oferi parametrii de încălzire corectă în timpul fazei de încălzire pt ca decongelarea sa evite recristalizarea. Într-un studiu mai târziu, Kowalczyk şi Delgado (2007b) au constatat că gravitatea a influenţat considerabil forma ghetei creata sub presiune, cu toate că formaţiunile de gheaţă volumetrice sub gravitate scazuta şi condiţiile normale nu au fost în mod semnificativ diferite. Recent,transferul de caldura convectiva şi conductiva printr-o soluţie de Tylose au fost modelate cu scopul de a determina lungimile de prelucrare optime pentru unitatea semi-continua HPLT, precum şi rezultatele sale au indicat fezabilitatea într-un cadru comercial (Otero et al. 2007b). Este de remarcat, de asemenea, studiul lui Ozmutlu et al. (2006), care a fost primul care observa experimental faza de schimbare a apei sub presiune. Acest studiu a determinat contribuţiile relative ale transferurilor de impuls şi energie în timpul dezvoltării atat de gheata I, cât şi de gheaţă III, prin intermediul particulelor de imagine velocitometrice si termografice. Astfel de evolutii de încurajare oferă o platformă excelentă pentru dezvoltarea modelelor cuprinzatoare validate pentru a obţine înţelegere din partea mecanismelor fizice care guvernează procesele HPLT.

Evoluţiile echipamentelor şi proceseloHPP

Procesul general flow pentru ambele lotul şi / sau semicontinuul HPP a fost discutat de către alţi autori şi nu vor fi luate în considerare aici, în detaliu (a se vedea Hogan et al. 2005; van den Berg et al. 2001; Mertens şi Deplace 1993; Torres şi Velazquez 2005; Hjelmqwist 2005). Prelucrarea lotului este cea mai convenţionale dintre cele două operaţii şi a fost relativ uşor să pună în aplicare atunci când HPP a fost prima data comercializat în industria alimentară, astfel cum tehnologiile de presare izostatice calde şi reci ar putea fi adoptate în mod direct de catre industria ceramic si industria metalelor. Pentru sistemele de lot, evolutiile în ingineria mecanică au permis dezvoltarea de modele intensificatoare îmbunătăţite, deschiderea avansata şi

21

închiderea unor mecanisme eficiente care promoveza intervale de prelucrare eficiente şi mai bune tehnici de precomprimare care permit navelor sa lucreze sub presiuni mai mari, cu o mai mare rezistenta la oboseala (van den Berg et al. 2001). Un system semicontinuu (sau in line), poate acţiona ca o alternativă la operaţiunile de lot numai atunci când un produs care pot fi pompat este în curs de prelucrate. În consecinţă, peste ani, dezvoltarea lor a fost în mod special atintita spre industria alimentară. In special, o operatiune semi-continuă promovata de către mulţi dezvoltatorii de de sistem HP, cupleaza o serie de sisteme de presiune, astfel încât cea mai mare parte a energiei stocate într-o nava de sub presiune poate fi apoi folosita pentru a presurizarea o a doua navă , astfel, economisind energie si timp de proces (van den Berg et al. 2001). Unele dintre evoluţiile recente de inginerie şi conceptele inovatoare care au contribuit la eficienţaoperaţiunilor HPP vor fi discutate în următoarele. Dintr-o trecere în revistă a tehnologiei patentate, este evident că cercetarea ştiinţifică a provocat multe din evoluţiile HPP din industria alimentară. De exemplu, un system HP de temperatură controlată a fost dezvoltat bazandu-se pe fenomenul de încălzire adiabatică (Ting şi Lonneborg 2002). Autorii au susţinut că acest sistem ar îmbunătăţi eficacitatea procesului tratamentului de presiune prin asigurarea unei nave izolate în care produsul alimentar ar putea fi plasat. Acest concept simplu a venit la numai aproximativ 2 ani dupa cercetarea lui Denys et al. (2000) , care a propus ca un nivel ridicat de uniformitate HPP ar putea fi atins în cazul în care rezultatul creşterii temperaturii din compresie a fost anticipat şi o sursă de căldură potrivita este, la limita de produs au fost apoi aplicate. După cum s-a discutat mai sus, multe contribuţii mai recente au confirmat acest ipoteză, adăugând crezare mai mult la potenţialul acestei invenţiii (Otero- 2007, Hartmann- 2004). Alte inventii au fost, de asemenea, brevetate contemporan pentru cercetarea ştiinţifică. De exemplu, studii recente au observat modificări texturale la legumele tratate HP, pentru a fi în primul rând asociate cu modificări foarte rapide în presiunea hidrostatica (compresie şi / sau de decompresie) timpul prelucrării, care promovează pierderea turgescentă (Trejo - Ayara et al. 2007). Simultan cu aceste constatări, Ting şi Anderson (2006) au dezvoltat un sistem şi ometodă pentru decomprimarea unei nave HP într-o maniera controlata pe o perioadă de timp selectata. În justificarea acestei invenţii, autorii au susţinut că, prin controlarea decompresiei, textura produsului prelucrat poate fi la rândul său, controlată, şi, cum presiunea este una din variabilele termodinamice primare, ce controlează structura biomoleculă complexă , controlarea decompresiei poate permite structurilor delicate pentru a rămâne aproape de echilibru. S-a sugerat, de asemenea,

22

faptul că depresurizarea rapidă a unui material alimentar poate cauza daune celulare din cauza expansiunii rapide a gazelor, care a fost dizolvat în timpul presurizării, şi că decompresia lentă ar putea permite gazelor sa se distribuie de la structuri, fără a provoca o ruptură celulara. Deşi aceste sugestii sunt în concordanţă cu ipoteza ştiinţifică a lui Trejo-Ayara et al. (2007), ele trebuie încă să fie dovedite în domeniul ştiinţific. În sistemele de lot HPP, produsul este, în general tratat în pachetul sau primar final; frecvent, produsele alimentare şi pachetul lor sunt tratate împreună şi astfel intregul pachet ramane o "unitate sigura", până când consumatorul o va deschide. Când se iau în vedere noile tehnologii, care implică un tratament al materialelor de ambalaj, este important sa se studieze siguranţa materialelor, posibila formare a compuşilor care influenţă mirosul şi gustul produselor alimentare şi efectele presiunii asupra proprietăţilor mecanice şi fizice ale materialului de ambalare, de exemplu, proprietatile de tărie şi barieră. HPP impune pachete închise ermetic care pot rezista la o schimbare în volum corespunzătoare compresibilitatii produsului (Hugas et al. 2002), astfel cum produselor alimentare scad in volum ca o funcţie a presiunii aplicate, în timp ce o extindere egala apare pe decompresie. Din acest motiv, ambalajul folosit pentru produsele alimentare tratate trebuie să fie capabil de a găzdui până la 15% reducere în volum şi de a reveni la volumul său iniţial , fără pierderea integrităţii sigiliului sau a proprietăţilor de barieră. Materialele de ambalaj, care sunt impermeabile la aer şi opace la lumină, au fost dezvoltate pentru menţinerea culorii proaspete şi aroma anumitor produse alimentare tratate de tip HP (Hayashi 1995). Pentru pasteurizarea HP, o metodă şi o aparatura pentru stocare şi produsele alimentare de transport tratate si netratate în timpul HPP, au fost dezvoltate de Hotek şi Morrison (2006). În producţie, utilizarea de pungi flexibile poate atinge raporturi mari de ambalare; utilizarea de palete semi-rigide este, de asemenea, posibila,iar produsele ambalate in vid sunt ideale pentru HPP. Miller si McLean (2006) au dezvoltat un ambalaj flexibil rezistent la apa pentru a preveni intrarea în contact a apei cu un produs alimentar în timpul HPP. Deoarece dimensiunea şi forma produsului vor avea efecte majore asupra eficacitatii de stivuire a operatorului de transport de marfuri, acestea trebuie să fie optimizate pentru cel mai rentabil proces de eficace. Acest lucru permite în continuare dezvoltarea unor forme inovatoare şi a pachetului de imprimare grafica (Ting şi Marshall 2002)

Aplicatiile recente ale HPP

23

Menţinerea Caracteristicilor calitatii produselor alimentare

Cunoaşterea caracteristicile senzoriale şi nutriţionale ale produselor alimentare sunt esenţiale pentru dezvoltarea produsului, controlul calitatii, evaluarea senzorială şi proiectarea şi evaluarea echipamentelor de proces (Ahmed et al. 2003; Polydera et al. 2003). Prelucrare termica poate duce adesea la modificări ale calitatii în produsele alimentare, cum ar fi distrugerea de vitamine, modificări la textura alimentelor şi de culoare, precum şi dezvoltarea de non-arome. În general, se consideră că operaţiunile HP pot face microorganismele dăunătoare inactive fără a avea un efect negativ asupra calităţii produselor alimentare (Smelt 1998). Creşterea presiunii de tratament va creşte, în general, inactivarea microbiana în perioade mai scurte,insa presiunile mai mari pot determina, de asemenea, niveluri mai mari de proteine denaturare precum şi alte modificări potenţial dăunătoare ale calitatii produselor alimentare, în comparaţie cu produsul neprelucrat. Totuşi, cum nici o forţa de forfecare nu este generata de HPP, structura fizică a calitatilor produsului cu cea mai înaltă umiditate rămâne minim schimbat după tratament. Caracteristicile prodului alimentar care dicteaza percepţia consumatorului asupra calitatii alimentelor,şi,înconsecinţă,capacitatea lui HPP ca o tehnologie de procesare care reţine aceste caracteristici, sunt analizate în următoarele. Unele dintre efectele procesului HPLT asupra calitatii produselor alimentare sunt rezumate în Tabelul 5.

Fructe, legume şi produse derivate

Aşa cum s-a discutat de catre Cano şi de Ancos (2005), textura fructelor şi legumelor sunt în mare măsură determinată de structura peretelui celular şi lamela de mijloc. Sub presiune, componenţa acestora se poate schimba, cum anumite enzime ale peretelui celular sunt inactivate şi / sau schimbări structurale apar în fractiunea de polizaharidic, lipide, precum şi de proteine. La nivel fizic, HP poate perturba morfologia tesuturilor, organitele celulare şi membranele celulare (Hartmann-2004). Presiune s-a dovedit a avea o influenţă de inmuiere asupra texturii fructelor si legumelor,iar fermitatea ţesutului se poate pierde din cauza defalcarii peretelui celular şi pierderii de

24

turgescenţă (De Belie 2002). Trejo-Ayara et al. (2007) au constatat că modificările texturale în morcovii cruzi sunt în principal cauzate de pierderea turgescenţei indusă de compresia şi decompresia rapide. Ei au remarcat faptul că pierderea texturii poate fi redusa prin manipularea turgescenţei celulelor sau prin activarea pectinei methylesterase (PME), in timpul prelucrarii condiţiilor optime date de catre înalta presiune. În plus, au observat pierderea texturii atunci când morcovii au fost trataţi cu presiuni de peste 300 MPa. Pierderea turgescenţei a fost, de asemenea, găsita în structurile celulelor de spanac, care au fost expuse la un nivel de presiune de 400 MPa, pentru 30 min, datorita structurilor moi si elastice care caracterizează peretii celulari; aceeaşi pierdere nu a fost găsita pentru ţesuturile vegetale mai dure, cum ar fi conopida (Préstamo şi Arroyo 1998). Basak şi Ramaswamy (1998) au constatat că schimbările texturale induse de presiune au avut loc în două etape, şi anume schimbarea texturala ca urmare a aplicării instantanee a presiunii, urmată de o recuperarea treptată a texturii sau a pierderii ulterioare în timpul exploataţiei de presiune. În acelaşi studiu, recuperarea texturii s-a realizat între 25 şi 40 min pentru produsele vegetale în cadrul unei presiuni de 100 MPa. Modificările biochimice, de asemenea, joacă un rol important în modificarea texturii în timpul HPP. PME, care se găseşte în plante si bacterii, dezesterifiaza pectinele peretelui celular al plantelor rezultand în metanol şi pectina cu un grad mai scăzut de metilare. În unele cazuri, PME pot intensifica textura fructelor şi legumelor (Villarreal-Alba et al. 2004). Cu toate acestea, este cunoscut mai ales pentru inducerea separarii slabe în sucurile de fructe, făcând inactivarea PME o condiţie esenţială în prelucrarea lor. În plus, acţiunea atât a PG, cat şi a PME rezultata în înmuiere ţesuturilor vegetale, intr-o scădere a vâscozitatii, precum şi separarea slaba în sucurile de fructe (Cano şi de Ancos 2005). Ca răspuns la aceste atribute, HPP a fost utilizat pentru a îmbunătăţi sau menţine vâscozitatea produselelor pe bază de roşii prin inactivarea PG menţinând în acelaşi timp activitatea PME (Crelier et al. 2001; Fachin et al. 2002, 2004). Aşa cum PME este în mod rezonabil tolerant la HP, inactivarea completa este de succes doar în probele de produse alimentare reale la presiuni foarte ridicate, adica presiuni în intervalul 400 - 600 MPa combinate cu căldură uşoară (50 ° C) pentru a accelera inactivarea PME au fost recomandate de către Nienaber şi Shellhammer (2001). Alţi factori influenţatori, cum ar fi temperatura, pH-ul şi concentraţiile solide si de proteine trebuie să fie luate în considerare atunci când enzimele sunt tratate sub presiune. Culoarea celor mai multe fructe şi legume, cum ar fi gemuri, sucuri de fructe şi piureuri este, în general, conservata odată ce pragurile de

25

temperatură şi / sau pH-ului se observă (Ludikhuyze şi Hendrickx 2001). De exemplu, modificările de culoare ale sucului de broccoli a fost găsit după expunerea la presiuni la temperaturi de peste 50 ° C, din cauza degradarii clorofilei. Cu toate acestea, sub această temperatură, presiuni de până la 800 MPa, au fost aplicate fără a avea un efect negativ asupra clorofilei (Van Loey et al. 1998). Capacitatea de a păstra culoarea la presiuni ridicate, nu este evidentă la unele produse, de exemplu, datorita oxidarii polifenol (PPO),culoarea unei cepe devine maro, la expunerea la presiune, devenind tot mai maro simultan cu creşterea intensitatii presiunii (Butz et al. 1994). Krebbers et al. (2003) a observat o creştere a culorii sucului de roşii atunci când are loc tratarea probelor la 700 MPa, pentru 1 minut la 80-90 ° C, ca rezultat al efectelor de compactare şi de omogenizare ale tratamentului de înaltă presiune. Rodrigo et al. (2007) a constatat că nici o degradare a culorii roşiei nu a apărut sub tratamentul combinat termic şi de înaltă presiune (300-700 MPa, 60 min, 65 ° C), precum şi o creştere maximă a culorii de 8,8% a fost găsit pentru probele de căpşuni (pH-ului 5). Astfel, rezultatele recente sugerează că HPP promovează retenţia de culoare odata ce tratamentul circumspect este aplicat.

În multe fructe şi legume, HPP fie nu are deloc,fie doar influente minore asupra aromei. Lambadarios şi Zabetakis (2002) au constatat că HP a avut un efect foarte slab asupra compuşilor de aromă ai capsunilor. Stabilitate cea mai mare de aroma a fost observată cand probele au fost trataţe cu presiuni de 200-400 MPa,iar cea mai buna retenţie de aroma a fost observată la 400 MPa. Sucurile de fructe, dulceturile si piureurile, toate au aratat o retenţie excelentă a aromei proaspete pentru o perioadă de timp mult mai mare decât cea expusa prin tratament termic în conformitate cu condiţiile optime de depozitare (Ludikhuyze şi Hendrickx 2001). De fapt, destul de recent, Baxter et al. (2005) a constatat că HPP al sucului de portocale ar putea produce un produs acceptabil majoritatii consumatorilor, chiar şi după depozitare timp de 12 săptămâni la temperaturi de până la 10 °C. Pe de altă parte, depozitarea la 300C cauzeaza o crestere de 900% a ratei de deteriorare a aromei (Polydera et al. 2004).

Carnea şi produsele derivate din carne

26

În timp ce presiunea are o influenţă considerabilă asupra structurii şi funcţionalitatii multor proteine, prin urmare, aceasta afectează proprietăţile texturale, senzoriale si nutritive, a carnii şi a produselor derivate din carne (Jung et al. 2000). Pentru sisteme de carne, eficacitatea HPP depinde de caracteristicile asociat cu produsul din carne specific şi intensitatea, detinerea de timp şi temperatura operatiunii HPP. Alti factorii influenţatori sunt inclusi dacă carnea este într-o stare de pre-rigurozitate sau post-rigurozitate, pH-ul carnii şi puterea ionica, etc (Cheftel şi Culioli 1997). Cu toate că investigaţiile efectelor HPP asupra calităţii carnii sunt limitate, studii au constatat pana acum că tratamentele HP pot influenţa textura şi culoare în sistemele de carne cruda, vindecata şi ponosită (Jung et al. 2000; Carballo et al. 2000). Din studiile despre carne cruda, s-a demonstrat că HPP a crescut oferta la carne atunci când s-a aplicat pre-riguros, însă nu are un efect pronunţat asupra strategiei de carne post-riguroase la temperaturi scăzute, chiar cu unele studii care arată că HP cauzeaza intarirea carnii (Jung et al. 2000). Recent, Ma şi Ledward (2004) au constatat o scădere masivă în duritate,masticabilitate şi coeziunie la 200 MPa şi 70 ° C, pe care le atribuite pt a creşte activitatea enzimatica, pe structuri de proteine care au fost modificate în mod drastic. La combinatii de presiuni şi temperatură mai scazute, rezultate similare cu cele găsite în literatura de specialitate au fost raportate. Jung et al. (2003) a constatat că expunerea de carne crudă la o intensitate de presiune ridicata(520 MPa) pentru o perioadă scurtă de timp (260 e) a condus la o scădere a evoluţiei florei totale de carne şi o întârziere consecutivă a creşterii cu o saptamana. Au fost apoi emise diverse ipoteze că această întârziere creşte perioada maturare a carnii, care, la rândul său, ar putea îmbunătăţi sensibilitatea carnii. Autorii au constatat, de asemenea, ca, culoarea carnii depinde foarte mult de intensitatea de presiune, după cum presiunile de 130 MPa au imbunatatit roseata, dar presiunile care depasesc 325 MPa au dus la modificări de culoare puternica, adica o sporire în colorarea maro. Jung et al. (2003) a legat această modificare de culoare la creşterea in continutul de metmyoglobin (Fe3 +) în carne, după presurizare.

Tehnologia de inalta presiune a fost, de asemenea, utilizata ca o tehnica de stabilizare şi texturare pentru pasta de carne (Apichartsrangkoon şi Ledward 2002; Apichartsrangkoon 2003; Jung et al. 2000). Schimbarile de presiune indusa în proteine şi agregarea ulterioara duce la formarea de geluri, care au caracteristici de o calitate mai bună decât cele achiziţionate prin mijloace termice (Supavititpatana şi de Apichartsrangkoon 2007). Influenţa tratamentului combinat de presiune şi caldura în formaţiunile de gel poate fi sau nu sinergica, în funcţie de sistemul de carne în

27

conformitate cu ancheta (Supavititpatana şi Apichartsrangkoon 2007; Carballo et al. 2000). Cu toate acestea, crescand fie presiunea, fie temperatura în timpul tratamentului,a dus la creşterea tăriei gelului, conducând la un mijloc util de a produce paste de carne cu diferite calităţi comestibile(Supavititpatana şi Apichartsrangkoon 2007). Când a fost aplicat la cârnaţi fierti, Mor-Mor şi Yuste (2003) au raportat că HPP a crescut coeziunea şi a redus fermitatea în comparaţie cu cârnaţii tratati termic. Ei au raportat, de asemenea, că pierderea în greutate a fost semnificativ mai mare la carnatii tratati termic decât la probe de control tratate cu HP. În ceea ce priveşte modificarea culorii,pastele de carne tratate cu HP au devenit mai uşoare, după cum atât intensitatea presiunii, cat şi temperatura au crescut, reducând astfel capacitatea de vanzare a produselor din carne după prelucrare la intensităţi mai mari (Yuste et al. 1999; Supavititpatana şi Apichartsrangkoon 2007). Pentru produse din carne “uscata”, capacitatea lor de a reţine caracteristici de calitate în timpul HPP şi pe durata depozitarii refrigerate, a fost investigată de către unii autori (Rubio et al. 2007; Serra et al. 2007). Rubio et al. (2007) a constatat că deteriorarea în calităţile senzoriale ale suncii tratate (500 MPa, pentru 5 min) a limitat timpul de stocare la 90 de zile, cu toate că s-a constat ca o viaţă adecvata de depozitare pentru controlul microbian este de 210 de zile, în aceleaşi condiţii de depozitare. Serra et al. (2007) a studiat calităţile texturale şi vizuale ale jamboanelor congelate tratate sub presiune la diferite stadii incipiente, în procesul de uscare. Ei au descoperit ca jamboanele sub presiune au arătat o mai scazuta intensitate vizuala a culorii decât cele de control, insa nu au avut nici un efect semnificativ asupra proprietăţilor senzoriale ale suncii. Ei, de asemenea, au observat ca HP creşte fibrozitatea suncii, pe baza careia au emis diverse ipoteze, cum ca ar putea fi utila pentru a îmbunătăţi textura jambonului uscat cu moliciune excesiva.

Produse lactate

După scrierile lui Huppertz (2006), deşi laptele a fost primul căruia i s-a aplicat tratamentul de presiune înaltă de către Hite(1899), până acum nici un produs lactat nu a fost comercializat datorită schimbărilor complexe suferite de acesta în urma aplicaţiilor cu presiune înaltă. Efectele HP asupra constituenţilor

28

laptelui, proprietăţile si bacteriile prezente in el, au fost reamintite in detaliu de către Huppertz(2006). Investigaţiile îmbunătăţirilor funcţionale ale proteinelor zerului de lapte, promovate de tratamentul HP de către Lopez-Fandino(2006), nu vor fi menţionate în această lucrare.În loc să se facă o reevaluare detaliată asupra schimbărilor fizico-chimice şi tehnologia impusă de tratamentul HP asupra produselor lactate, se va discuta despre alterarea funcţiilor relevante ale produselor lactate în urma aplicaţiilor tehnologice cu HP.

O descoperire foarte importantă a fost facută de Gervilla(2001) care a observat că nivelul de acizi graşi liberi in laptele de ovine rămâne neschimbat sau se reduce în urma tratamentului cu HP(500 MPa at 4, 25, 50 °C), ameliorând efectele râncezelii laptelui in timpul depozitării. Efectele asupra globulelor grase ale laptelui se pare că apar datorită temperaturii procesului. de exemplu, globulele mai mici s-au mărit puţin la temperatura de 25 şi 50 °C în urma acumulărilor de cazeină(Huppertz 2003), ceea ce duce la o stabilitate crescută a laptelui, pe când la 4 °C globulele au crescut în dimensiune ceea ce a influenţat fenomenul de cremare. După cum se vede în fig.10, fenomenul de cremare a laptelui de bovină este dependent de nivelul de presiune aplicat asupra acestuia, cu volumul procentual de cremare atingând maximul la 200 MPa şi reducându-se la un minim de 600 MPa.Efectul temperaturii asupra cremei nu a fost examinat.

29

Autorii au încercat să folosească legea lui Stokes pentru a explica fenomenul, rata creşterii numărului globulelor grase fiind invers proporţională cu vâscozitatea. Deşi o creştere a vâscozităţii laptelui a fost observată odată cu mărirea presiunii, această creştere fiind atribuită formării agregatelor de cazeină dar şi ruperii acestor legături datorită tratamentului, reducerea cremării observate a fost

30

mai mare decât cea calculată de legea lui Stokes. În opoziţie cu rezultatele lui Gervilla(2001) nu a fost observat nici un efect semnificativ a efectului presiunii înalte asupra globulelor grase ale laptelui.

Ȋn consecinţă, schimbările induse de HP în procesul de cremare au fost atribuite schimbării in formarea grupurilor de globule grase la rece, aglutinarea la rece. Din descoperile lor, autorii au concluzionat că folosirea HP prezintă nişte oportunităţii incitante în omogenizarea laptelui şi de dezvoltare de noi produse lactate. Spre deosebire de tehnicile tradiţionale de procesare a laptelui, compuşii aromatizanţi sunt neafectaţi iar conţinutul microbian este foarte redus(Huppertz 2003).

In fabricarea brânzei, calităţile procesului de presiune înaltă sunt studiate îndeaproape. Cele mai interesante şi cele mai importante, economic vorbind, investigaţii includ şi sunt scoase in evidenţă diferenţele dintre brânză facută cu lapte tratat si cea facută cu lapte netratat, accelerarea procesului de tratare (tratarea brânzei cu anumite enzime şi anumiţi compuşi până se ajunge la aroma şi textura dorită) şi reducerea patogenilor şi microbilor de alterare.

Din studiile făcute până acum procesele de HP la intensităţi mai mari de 200 MPa au favorizat coagularea cheagului si fermitatea brânzei dulci la intervale de timp dependente de tratamentul cu temperatura şi presiune(San Martin-Gonzales 2007, Huppertz 2005).

Cele mai importante probleme între procedeul tratării laptelui pentru brânză la presiune înaltă şi laptele tratat la temperatură înaltă, sunt asociate cu deteriorarea în compoziţie ce poate să apară; ce

31

poate să indice standardele de producţie a brânzeturilor care se datorează abilităţilor de reţinere a umidităţii în urma tratamentului la presiune înaltă (San Martin-Gonzales 2007). Aceasta reţinere excesivă a umidităţii este datorată formării unei structuri de reţinere a apei, propietăţilor acesteia şi a denaturării proteinelor, precum şi datorită temperaturii în timpul procesului de presiune ridicată(San Martin-Gonzales 2007). În concluzie, tratamentul cu presiune ridicată influenţează într-o manieră pozitivă coagularea şi alte caracteristici de producerea a brânzeturilor, deşi tratarea este costisitoare datorită timpului îndelungat de operare şi a echipamentelor scumpe folosite. Tratamentul HP poate fi aplicat şi in timpul procesării brânzeturilor (de exemplu, HP aplicat asupra mozarellei a accelerat semnificativ dezvoltarea propietăţilor funcţionale dorite la topire -O`Reilly 2002- ) iar aplicarea procedeului HP ca un pre-tratament laptelui poate limita costurile procedeului de HPP.

Distrugerea microorganismelor

Un prim obiectiv de tehnici de păstrare a alimentelor este de a preveni microorganismele patogene să afecteze siguranţa produsului. Microorganismele sunt rezistente la inhibitori chimici aleatori datorită abilităţii lor de a exclude aceşti agenţi din celulă în principal datorită acţiunii membranei celulei. Dacă se aplică procedeul HP

32

membrana se distruge, toleranţa la inhibitori este pierdută iar celula devine vulnerabilă. Al doilea obiectiv este eliminarea microorganismelor distrug calitatea şi durata menţinerii în condiţii bune a produselor alimentare. Înmulţirea microorganismelor în alimente produce stricarea lor, schimbări inacceptabile în gust, miros, aspect şi textură. Stagiul de înmulţire a microorganismelor la care s-a ajuns poate avea un efect asupra rezistenţelei lor la presiune, celule în faza staţionară fiind mai rezistente decât cele în faza de înmulţire (Mc. Clemets 2001). Procedeul HP este cunoscut ca fiind cauza producerii unor răni grave microbilor ceea ce este un aspect particular important pentru orice metoda de conservare. Distrugerea microbiană prin procedeul HP a fost studiată intensiv şi a fost încheiată ca rezultat al unor combinaţii de factori (Manas şi Pagan 2005). Primul fapt la care ne oprim pentru distrugerea microbilor prin presiune este membrana celulei (modificări in permeabilitate şi schimbul de ioni) – Mc Clements 2001-. Microorganismele sunt rezistente diferiţi inhibitori chimici datorită abilitătii lor de a exclude aceşti agenţi din celulă, in principal datorită membranei celulei, dar dacă membrana este afectată toleranţa la inhibitori este pierdută. Abilitatea procedeului HP de a distruge eficient microorganismele se datorează limitelor de presiuni care sunt aplicate în sistemul de HP cu tehnologia curentă şi limitele comerciale de aplicarea a presiunii sunt de aproximativ 700 MPa.

Bacteriile, ciupercile si viruşii pot fi combătuţi la presiuni de sub 800 MPa, înmulţirea şi reproducerea poate fi severă oprită la presiuni de până la 200–300 MPa, cu distrugerea totală la presiuni mai ridicate.

33

Mecanismele de distrugere a microorganismelor care includ morfologia celulei discutată mai sus, reacţiile biochimice şi mecanismele genetice, au fost enumerate de autorii : Hoover 1989, Torres şi Velazquez 2005.

Distrugerea bacteriilor

Bacteriile sunt relativ simple organisme

unicelulare şi sunt printre cele mai mici organisme în viaţă cunoscute. Principalele bacterii care alterează alimentele sunt: Campylobacter, Salmonella, Listeria monocytogenes, Staphyloccocus Aureus, E. coli şi Vibrio. Printre acestea, Listeria monocytogenes şi Staphyloccocus Aureus sunt cele mai studiate specii în ceea ce priveşte tratamentul HP. L. Monocytogenes este o bacterie gram-pozitivă, un patogen important in acidifianţi şi alte alimente cum ar fi produsele lactate şi cărnuri gata preparate. L. Monocytogenes necesită o grijă particulară în procesarea şi depozitarea alimentelor pentru că este moderat rezistentă la căldură şi se poate înmulţi anaerob în timpul procesului de refrigerare. Totuşi, s-a arătat că procedeul HP la temperaturi medii, cu un timp rezonabil de tratare, la temperaturi de refrigerare, poate îmbunătăţi substanţial siguranţa brânzeturilor în ceea ce priveşte L. Monocytogenes (Lopez Pedemonte 2007).

Alpas şi Bozoglu (2003) au descoperit cei nouă urmaşi ai bacteriilor L. Monocytogenes trataţi prin

34

procedeul HP în substratul sucului de fructe, care a dezvoltat o pierdere a viabilităţii bacteriene de la 0,92 la 3,53 cicluri după aplicarea procedeului HP de 350 MPa la 25 °C pentru 5 minute. Cei mai rezistenţi urmaşi (CA şi ScottA) şi cei mai sensibili (SLR1) diferă in pierderea viabilităţii bacteriene cu un factor de 4. In orice caz nu s-a găsit nici o bacterie urmaşă L. Monocytogenes după ce aceasta a fost presurizată la 350 MPa, 50 °C pentru 5 minute, sugerând că aceste condiţii sunt optime pentru folosirea lor în comerţ.

Ritz (2002) a arătat că, deşi procedeul sub presiune duce la distrugerea populaţiei de bacterii L. Monocytogenes,celule individuale păstrează caracteristicile morfologice. Oricum nişte afecţiuni la nivel fizic au fost observate la suprafaţa celulei prin apariţia unor muguri,membrana fiind pierdută in urma acestei apariţii.

Stafilococul auriu se pare că are o rezistenţă ridicată la presiune (Erkmen şi Karatas 1997). Tratând mostrele de alimente cu HP se distrug microorganismele patogene şi cele de alterare; totuşi, o variaţie largă în rezistenţa la presiune a diferiţilor urmaşi bacterieni şi natura substratului poate afecta răspunsul microorganismelor la presiune. Prin controlul strict al parametrilor proceselor de fabricaţie (cum ar fi al brânzeturilor) , reducerea stafilococului poate fi obţinută prin procedeul HP prin tratare cu enzime în timpi mai mari de 30 de zile, la temperaturi de depozitare joase (8 °C) şi timpi reduşi sub condiţii de presiune (Lopez Pedemonte 2007).

E. Coli 0157:H7 are deasemenea o rezistenţă ridicată la presiune, este considerată o bacterie patogenă importantă care poate provoca boli

35

serioase. Focarele de intoxicaţii alimentare provocate de bacteriile E. Coli 0157:H7 au fost asociate unei game largi de alimente incluzând carnea de vită mărunţită, laptele crud si degresat, carnea de porc, miel şi carnea de păsare(Doyle 1991, Patterson şi Kilpatrick 1998). În plus, alimentele bogate în acizi cum ar fi sucul de mere (Besser 1993), maioneză(Weagent 1994), iaurtul (Morgan 1993) au fost implicate in toxiinfecţii alimentare cu E. Coli. S-a descoperit că după ce alimenetele au fost tratate prin HP şi depozitate la temperaturi de refrigerare, înmulţirea bacteriilor E. Coli a fost inhibată(Upmann 2000). Ipoteza este că, datorită presiune induse bacteriile sunt distruse parţial fiind sensibile la temperaturi scăzute şi/sau la condiţii de oxigenare reduse(Linton 2000). Bacteriile E. Coli tratate cu presiuni subletale au devenit mai pasibile la tratamentele ulterioare de încălzire (Linton 2000).

Stadiul înmulţirii bacteriilor este foarte important în determinarea rezistenţei lor la presiune, celule in faza staţionară fiind mai rezistente decât cele in faza de înmulţire (Mc. Clements 2001). După cum reiese de mai sus, forma microorganismelor, indiferent de greutatea lor este importantă deoarece acestea pot fi distruse mai uşor sub presiune. Este nevoie de mai multă muncă pentru a inţelege pe deplin care sunt factorii patogeni care influenţează răspunsul microorganismelor la presiune, pentru a optimiza procedeele şi pentru a asigura siguranţa microbiologică.

36

Distrugerea viruşilor

Viruşii sunt foarte diferiţi spre deosebire de alte grupe de microorganisme referitor la structură şi la felul in care ei funcţionează, existând o diversitate considerabilă in familia viruşilor. Cu excepţia acidului nucleic viruşii nu au aceeaşi structură; ei sunt formaţi dintr-un înveliş proteic numit capsid , format dintr-un număr de subunităţi proteice (Capsomere) ce

includ o bună parte a acidului nucleic. Viruşii conţin de asemenea un număr mic de enzime cu care infectează celule gazdă. Printre viruşi există un grad ridicat de diversitate structurală, acest lucru fiind reflectat de faptul că viruşii sunt rezistenţi la diferite presiuni(Smelt 1998). Cei mai cunoscuţi viruşi umani enterici (intestinali) sunt ca şi viruşii Norwalk (SRSVs) , hepatita A, rotavirusul, astrovirusul uman. Distrugerea totală a calcivirusului la feline (surogatul Norwalk-like), adenovirusului si hepatitei A pot fi obţinute prin tratament la 275 MPa pentru 5 minute (Kinsley 2002), 400 MPa pentru 15 minute(Wilkinson 2001) şi respectiv 450 MPa pentru 5 minute(Kinsley 2002) în contrast cu câte stadii au demonstrat barorezistenţa poliovirusului. Boala „food & mouth” a fost redusă la 102.9 unităţi de placă formată prin tratament la 220 MPa pentru o oră. Modul de distrugere a viruşilor prin presiuni înalte nu a fost elucidat complet deşi timbrul viral când este prezent, este o ţintă sigură a procesului de distrugere HP.

37

Tratamentul la presiuni mai mari de 300 MPa distruge timbrul HIV-ului (virusul imunodeficienţelor umane ) şi a cytomegalovirusului privind lipirea particulelor virusului de celule. Presiunea poate să creeze de asemenea disocierea particulelor virusului, depinzând de miros şi de condiţiile de tratament aplicate asupra lui, dezintegrarea prin presiune a virusului putând fi reversibilă sau ireversibilă. Presiunea ridicată poate să inducă schimbări minore in structurile virale fără să dezasambleze întreaga particulă. Formarea de particule non-infecţioase după tratarea cu HP au fost observate la mulţi viruşi inclusiv rotavirusul (Pontes 2001), HIV (Nakagami 1996), lambda phage (Bradley 2000) şi picornavirusul (Oliveira 1999).

Distrugerea fungilor

După structura lor vegetativă, fungii pot fi împărţiţi în două grupe: fungi unicelulari (drojdia) si cei producători de hyphae (mucegaiuri, ciuperci). Celulele bacteriilor vegetative sunt în general mai sensibile decât sporii bacterieni şi pot fi distruse folosind presiuni relativ mici. Bacteriile de drojdie sunt ciuperci unicelulare care se reproduc prin înmugurire sau fisiune. Grupul include bacterii din

38

familia ascomycetes şi fungi imperfecţi. Drojdiile sunt un grup important de microorganisme de alterare dar in general nu sunt patogeni alimentari deşi înmulţirea mucegaiurilor toxice poate să devină o ameninţare alimentară. Bacteriile Saccharomyces (speciile) sunt foarte bine cunoscute pentru distrugerea însuşirilor sucurilor de fructe. Tratamentul cu presiuni la mai puţin de 400 MPa distruge majoritatea bacteriilor de drojdie deşi câţiva dintre urmaşii acestor specii au arătat o rată de înmulţire lentă şi la presiuni de 500 MPa.

Aceeaşi autori propun şi explică că rezistenţa drojdiilor la presiune este corelată cu rezistenţa termică. Smelt (1998) demonstrează că la 100 MPa membrana nucleului drojdiei este afectată dar între 400 MPa şi aproximativ 600 MPa, distrugerea se află la nivelul mitocondriilor si citoplasmei. Mucegaiurile sunt fungi micelieni şi multe dintre aceste organisme au o importanţă industrială, de exemplu în alterarea alimentară, fermentarea alimentară, procese de biodegradare. Presiuni între 300 şi 600 MPa distrug majoritatea mucegaiurilor. O`Reilly (2000) a demonstrat că procedeul HP a fost eficient pentru distrugerea bacteriilor Penicillium roqueforti, spori aflaţi în componenţa brânzeturilor.

Distrugerea sporilor bacterieni

39

Eliminarea endosporilor bacterieni din alimente reprezintă probabil una dintre cele mai mari provocări din procesarea şi securitatea alimentelor. Se ştie foarte bine că sporii sunt cele mai rezistente forme de viaţă la presiune, in general la presiunile foarte înalte(>800 MPa) pot distruge numai spori bacterieni în preajma temperaturilor ambientale.

Alternativ, alte metode de procesare alimentară apropiate metodelor convenţionale pot fi aplicate în combinaţie cu procedeul HP pentru a elimina eficient sporii bacterieni realizând un efect sinergetic sau obstacol. În particular procedeul HP a fost găsit eficient până la temperaturi de 90 °C. Distrugerea sporilor bacterieni a fost realizată la 50 - 70 °C şi chiar la 0 °C sau sub 0 °C. Bacteria cu cea mai mare rezistenţă termică este Clostridium Botulinum iar sporii acestei bacterii sunt cele mai rezistente microorganisme la presiune printre alte bacterii care nasc spori. Bacillus cereus, datorită naturii ei anaerobe şi puţin letale, este o bacterie care dă naştere la spori patogeni în alimente, spori ce sunt omniprezenţi în natură, apărând astfel frecvent într-o gamă largă de alimente crude. Această bacterie este recunoscută ca fiind cauza principală a toxiinfecţiilor alimentare şi se găseşte in alimentele bogate în proteine şi amidon. Alternativa de a combina tratamentul termic cu cel de presiune este de a cauza germinarea sporilor bacterieni fiind mai uşor de distrus iar celulele vegetative devenind foarte sensibile la presiune.

Germinarea este procesul prin care un spor inactiv se transformă într-o celulă vegetativă. Ea este stimulată la presiuni relativ mici (50-300 MPa), sporii

40

germinaţi putând fi ulterior distruşi la temperaturi reduse sau presiuni mari. Procesarea termică între 80°C - 110 °C asociate cu presiuni de 600 MPa, au fost folosite pentru distrugerea Bacillus cereus. O matrice de distrugerea a sporilor Bacillus şi Clostridia a fost prezentată de Meyer (2000). Modul de folosire al procedeului HP pe sporii bacterieni este deocamdată o speculaţie.

Reducerea infectării cu prioni

Prionii sunt asociaţi cu anumite afecţiuni neurologice incluzând bovine spongiform, encephalopathy la vite (boala vacilor nebune), boala Creutzfeldt-Jakob la oameni. În general, prionii sunt şi mai greu de distrus ca sporii bacterieni, aceştia supravieţuind sterilizării la temperaturi de 134 °C. Recent, s-a descoperit că tratamentele la presiuni înalte asupra alimentelor din carne la 690 – 1200 MPa şi 121-137 °C reduc infectarea cu prioni. Aceste tratamente au avantajul de a proteja siguranţa mostrelor fără a le distruge prin sterilizare. Knorr (2006) face o revizuire în distrugerea prionilor prin aplicarea procedeului HP.

Aplicaţii recente ale procesului HPLT (presiuni mari, temperaturi reduse)

41

Apa, care este o componentă importantă a produselor alimentare are multe proprietăţi fizice şi chimice afectate de presiune. Din faza diagramei apei observăm că temperatura de îngheţ a apei descreşte o data cu creşterea presiunii. Acest fenomen permite realizarea unor metode noi de îngheţare şi dezgheţare a produselor alimentare. Influenţa acestui fenomen şi procesarea alimentelor la temperaturi joase vor fi discutate în cele ce urmează.

Procesele HPLT şi faza diagramă

Procesele HPLT sunt împărţite în trei categorii: Procesele supuse presiunii şi îngheţării Procesele supuse presiunii şi dezgheţării Depozitarea sub 0 °C

Făcând referinţă la diagrama fază a apei (adică la cât îngheaţă, fierbe) se poate urmări drumul schematic al procesului dorit.

42

Fig.8. Stadiile metastabile care există în faza diagramă a apei

Totuşi, făcând aceasta pentru alimente, un număr mare de concepte trebuie luate în considerare. În primul rând prezenţa solvaţilor în alimente va cauza o scădere sub temperatura apei a temperaturii de îngheţ a alimentului; magnitudinea acestui fapt este o funcţie dată de concentrarea şi greutatea moleculară a solvaţilor. Faza I lichid – gheaţă este faza de tranziţie pentru cartofi; a fost arătat că este cu 3 °C sub cea a apei (apa-gheaţă). În al doilea rând, stările solid şi lichid sunt stări metastabile şi ele există pe diagrama fază ceea ce înseamnă că condiţiile procesului trebuiesc îndeplinite cu acurateţe pentru a obţine gheaţă polimorfă la îngheţare sau pentru a impiedica recristalizarea la o gheaţă polimorfă mai înaltă la

43

dezgheţare. Această recristalizare poate fi urmată de schimbări drastice în volumul gheţii şi poate nega facilităţile obţinute prin nucleerea cristalelor de gheaţă cu densitate mai mare în funcţie de gheaţa obţinută (nucleerea-proces prin care apa pură ingheaţă la - 42°C, diferit de cea normală la 0 °C, deoarece praful formează nucluel particulelor).

În timpul îngheţului asistat de presiune,punctul ideal de îngheţ este lângă al treilea punct lichid/ gheaţă III/ gheaţă V, unde gheaţă III este teoretic formată şi schimbările de volum din lichidul solid sunt mici(3%). Oricum, sub zona de răcire, zonele de nucleere atât pentru gheaţă I cât şi pentru gheaţă III coincid lăsând formaţiunile de gheaţă III imprevizibile; dacă gheaţa I este formată, tranziţia solid-solid care apare este uşoară. În plus, în timpul îngheţului sub presiune, este important să se ingheţe la presiuni echivalente cu cele care susţin dezvoltarea gheţii III pentru a profita de gradele mai înalte de răcire promovate de acest tip de gheaţă. Este important de a menţine temperatura de răcire la un nivel acceptabil celui ţinut deasupra tranziţiei gheţii III/ gheţii I; dacă acest lucru se face cu acurateţe gheaţa I se poate forma cu succes.

În dezgheţul sub presiune, calea experimentală nu urmăreşte calea teoretică explicată în fig.8. În schimb, când alimentul este presurizat, temperatura scade datorită compresiei, fiind transformată în energie de topire în faza de tranziţie. Dacă temperatura alimentului este ridicată destul atunci o stare de tranziţie gheaţă I / lichid apare aproape de punctul triplu (lichid / gheaţă III / gheaţă V) al alimentelor în faza diagramei rezultând o schimbare negativă în volum şi o descreştere a presiunii,

44

dezgheţul continuând la presiune constantă. De asemenea, punctul de topire poate fi manipulat la presiuni de până la 300 MPa în combinaţie cu temperatura corectă (depinde de aliment) profitând de zona mare de răcire prezentă in gheaţă III. Pe de altă parte, dacă temperatura iniţială este prea joasă, atunci faza de tranziţie gheaţă I / gheaţă III va apărea cu efecte în consecinţă cu schimbarea volumului. După ce topirea a fost realizată, este important a exista destulă căldură pentru evitarea recristalizării.

Schimbări induse de presiune şi formarea cristalelor de gheaţă

Îngheţarea a fost de mult stabilită ca fiind o metodă excelentă de conservare a produselor alimentare, deşi prin îngheţul propriu-zis al alimentului, acesta se poate distruge. Gheaţa polimorfă, gheaţa I formată prin modul tipic de îngheţare, este mai puţin densă şi se dilată atunci când au loc schimbările. Când cristalele de gheaţă se formează, se induce o tensiune interioară asupra ţesuturilor alimentului provocându-i acestuia mici găurele în pereţii celulelor ceea ce poate duce la pierderea aromei şi nutrienţilor.

Rata şi temperatura finală a procesului de îngheţare determină mărimea şi locaţia cristalelor de gheaţă formate. Rata de îngheţare rapidă rezultă dintr-o structură bună a gheţii datorată numărului mare de cristale mici de gheaţă. Aceasta poate provoca mai puţine distrugeri produsului în comparaţie cu convenţionalul îngheţ atmosferic.

45

Datorată unei răciri masive, îngheţarea sub presiune este cunoscută pentru formarea instantanee şi omogenă a cristalelor de gheaţă pe întregul volum al unei mostre de aliment. În contrast cu acest lucru pozitiv, HP-ul induce distrugeri microstructurale, denaturarea proteinelor, efect ce poate duce la degradarea calităţii caracteristicilor.

Tabelul 6. Efectul HPLT asupra calităţii produselor alimentare

Tipul produsului Tratamentul (nume/

MPa/ °C / min)Comparaţii şi

controlul experimental

Mango şi piersici PSA/200/-20/NAReduceri termale ale

gradienţilor

Varză chinezeascăPSF/100 la

700/−20/45Textură îmbunătăţită

şi structură histologică

Carne de vităPSF/140 la 350/−22/5

to 30

Timp redus al dezgheţului, nici un efect negativ asupra

calităţii, culorii, forţelor de penetrare sau slăbirii prin gătire

Peşti şi crustacee PIT /100 la 200/15/60

Picurare redusă, timp redus al dezgheţului, nici o schimbare de

culoare

Peşte PIT /200/15

Schimbări ale culorii, textură îmbunătăţită,

timp redus al dezgheţului, picurare

redusă îmbunătăţindu-se statusul microbian

Produse din carne

46

Influenţa procesului HP asupra diferitelor matrici alimentare în timpul îngheţării a ridicat numeroase controverse în ştiinţă. Acestea au pornit de la relativa contribuţie a cristalelor de gheaţă şi denaturarea proteinelor sub presiune în ceea ce priveşte calitatea cărnii îngheţate sub presiune. Fernandez Martin (2004), sugerează că aceste concluzii au apărut din studii folosind tehnici experimentale inadecvate. De exemplu, Martino (1998), folosind microscopia, a studiat mărimea şi locaţia cristalelor de gheaţă formată în carnea de porc prin procedeul PSA şi s-a concluzionat că, din punct de vedere microstructural, afectarea celulelor a fost minimă iar presurizarea a produs mici afecţiuni asupra fibrelor. O abordare microscopică cu lumină indirectă a fost folosită din nou de Molina Garcia (2004) care nu a găsit nici o afecţiune la nivel microscopic ca urmare a procedeului PAF aplicat asupra cărnii de porc, de data aceasta îngheţată la un nivel de gheaţă 6. Fernandez Martin a protestat vehement împotriva microscopiei cu lumină sugerând că această tehnică nu poate determina nivelul de înţelegere pe care îl concluzionează Martino, acesta susţinând că microscopia transmisă prin electroni (TEM ) şi scanarea calorimetrică diferenţială (DSC) ar fi mai adecvate. Zhu a folosit teste DSC pentru a arăta că procedeul PSF la 150 MPa cauzează denaturarea proteinelor miofibrilare, ceea ce ar fi crescut duritatea muşchiului de porc în timpul procesului PSF în special pentru 150 şi 200 MPa. Mai departe folosind TEM şi DSC, schimbările induse prin presiunea proteinelor miofibrilare în timpul procesului PSF a cărnii de porc au fost găsite de

47

Fernandez Martin. Aceste schimbări, împreună cu compactarea produsă de formarea gheţii au redus ireversibil capacitatea mostrelor de a reţine apa. Ulterior, Fernandez a concluzionat că procedeul PSF este inferior sistemelor convenţionale de îngheţare a cărnii. Cheftel şi LeBail (2004) au argumentat aceaşi concluzie după ce au efectuat o analiză senzorială a cărnii tratată prin procedeul HP după gătire.

Fructe şi legume

Există câteva studii recente de îngheţare susţinută de presiune.

Otero (2000) susţine că fructele îngheţate îşi pierd textura când se formează cristalele mari de gheaţă în timpul procesului de îngheţare convenţională. Ei au aflat că mango-ul şi piersicile supuse tratamentului PSF formează cristale mici de gheaţă dar nu dezvoltă spărturi ca efect al îngheţului. Ei au observat cu ajutorul microscopiei luminoase şi a celei cu electroni, o relaţie directă între gradul de îngheţare şi afecţiunile celulelor la nivel structural, cu gradele de îngheţare mai scăzute – afecţiuni structurale mai mari, grade de îngheţare mai ridicate (PSF) – mai puţine afecţiuni. Cu puţin timp în urmă, 2006, o analiză a procesului PSF asupra reţinerii apei şi fermitatea căpşunilor a fost făcută de Van Buggehout. Acesta şi-a concentrat studiul pe examinarea promovării caracteristicilor căpşunilor prin combinarea tehnicilor de îngheţare cu PME/ calciu s-au infuzia de pectină; microstructura ţesutului nu a fost analizată după îngheţare.

48

Interesant şi evident (fig.11), căpşunile tratate cu PSF nu au avut nici un efect pozitiv asupra greutăţii pierdute şi asupra texturii. De fapt, dupa tratarea căpşunilor cu PSF, greutatea era mai mare cu 56 % faţă de îngheţarea convenţională a căpşunilor (40%), la ambele pierzându-se 87 % din duritate. În plus căpşunile îngheţate rapid (plasate la -18 °C- baie de creostat) au fost identificate ca fiind cu 7 % mai tari şi au avut aceaşi pierdere de greutate ca cele tratate cu PSF. Aceasta arată că influenţele PSF-ului asupra caracteristicilor de textură a fructelor moi sunt mai mari decât cele prezentate de influenţele cristalelor mici de gheaţă. O analiză a efectelor cauzate la terminarea procesului de îngheţ, prin îngheţ atmosferic nu a fost evaluată, aceste efecte poate ar fi întâlnit beneficiile dezvoltării de cristale de gheaţă cum s-a observat pe studiul morcovilor. Autorii au descoperit de asemenea că dezgheţarea sub presiune nu aducea beneficii asupra texturii. Cea mai bună textură a fost realizată când fructele au avut infuzii de PME/Ca şi au fost combinate cu procedeul PSF.

Infuzia cu PME/Ca cauzează umflarea căpşunilor înainte de tratamentul PSF. Studiile asupra calităţii unor mostre de broccoli au arătat că tratamentul PSF nu produce schimbări majore în culoare şi aromă. Investigaţii mai cuprinzătoare au arătat că terminarea procesului de îngheţare în afara vasului HP, în acest caz în nitrogen lichid, intensifică eficienţa procesului având toate calităţile caracteristice.

49

Fig.11 Duritatea şi pierderea umezelii la căpşuni îngheţate sub diferite condiţii

1. îngheţare lentă 2. îngheţare rapidă3. criogenare4. îngheţare prin pierdere de presiunea,b - nu este o diferenţă semnificativă

între durităţi

Când Van Buggenhout a măsurat duritatea morcovilor după depozitarea peste noapte, mostre tratate cu PSF, au fost găsite cu o fermitate de doua ori mai mare decât a celor îngheţate convenţional. Interesant, după trei luni de depozitare, duritatea morcovilor îngheţaţi era aproape identică indiferent de procesul de îngheţare. De asemenea, morcovii trataţi cu PSF au avut o îmbunătăţire simţitoare a fermităţii când procedeul PSF a fost combinat cu baia de Ca şi procese termice sau tratate cu HP. Acest

50

rezultat a fost atribuit unor combinaţii de cristale mici de gheaţă datorate gradului înalt de îngheţare prin depresurizare şi a unei reţele de Ca- Pectină, ca un rezultat al unui pre-procedeu. Acest argument este convingător, considerând că atunci când pre-tratamentul a fost combinat cu îngheţarea convenţională nu a fost observat nici un rezultat sinergetic.

Într-un studiu ulterior, Van Buggenhout a descoperit că distrugerea ţesuturilor unui morcov printr-un procedeu PSF s-a realizat spre sfârşitul procesului de îngheţare datorită apariţiei presiunii atmosferice (fig.12).

Fig.12 Fermitatea şi afectarea ţesutului (morcov proaspeţi) la diferite stadii a procedeului PSF i - presurizarea la 200 MPa ii - răcirea la -15 °C iii - decompresie iv - expunere la presiune atmosferică după terminarea procesului

51

Studii ale îngheţării menţinute prin presiune şi răcirea sub 0 °C au fost completate de Luscher (2005).

S-a calculat compresia şi forţa cartofilor din curbele forţelor de deformare şi s-a aratat că îngheţarea la gheaţă III intensifică textura cartofului. S-a arătat de asemenea că, deşi procedeul PSF menţine structura scheletului celular al ţesutului şi promovează permeabilitatea celulară. Schimbările de volum în timpul ciclurilor îngheţare-dezgheţare la presiuni de 200 MPa au fost observate având un efect în detrimentul permeabilităţii membranei (fig.13). În timpul răcirii sub 0 °C, permeabilitatea membranei a fost influenţată, contrar fazei de tranziţie a membranei propriu-zisă, ceea ce a dus la o scădere continuă a temperaturii celulei. Urrutia-Benet (2007) a analizat abilitatea îngheţării şi dezgheţării asistate de presiune de a distruge PPO (polifenol oxid- responsabil pentru închiderea fructelor la culoare) în cartofi şi a

52

prezentat de asemenea o evaluare a texturii şi a microstructurii la diferite combinaţii de temperaturi şi presiuni.

Ei au prezentat dovezi care au susţinut uzura zonei metastabile în faza diagramei pentru a promova menţinerea culorii după îngheţare. Oricum,folosind valori forţate au arătat că super răcirea în zona metastabilă (12 °C sub punctul triplu) nu au adus beneficii nici structurii şi nici pierderii umezelii mostrelor când au fost comparate cu procedeul tradiţional PSF, 200 MPa şi 20 °C, urmate de procedeul PIT (dezgheţare indusă prin presiune) la 200 MPa. De fapt, la această combinaţie tradiţională de presiune şi temperatură care suportă formarea gheţii I, în mare parte mostra de textură a fost mai bună decât mostrele care au fost supuse PSF-PIT la 240 MPa/−28 °C, 280 MPa/−20 °C şi 280 MPa/−28 °C. Mai mult decât o mai bună menţinere a culorii şi decât distrugerea unor enzime, singurul avantaj prezentat de super-răcire în zona metastabilă, a fost reducerea umflării celulelor din ţesuturile de cartofi datorate dezvoltării de cristale mici de gheaţă. Mai mult decât atât, timpul de îngheţare a crescut când s-a îngheţat în zona metastabilă a fazei în diagramă, creşterea în presiune aplicată promovând eficienţa procedeului PIT, cum s-a relevat în studiile anterioare. De aceea, este nevoie de mai multă muncă pentru a dovedi beneficiile aplicării procedeului PSF care super-răceşte in zona metastabilă gheţii III. Pentru moment, cum sugerează Schluter (2004), sunt câteva consideraţii de avut în vedere înainte de îngheţare, pentru alte modificări ale gheţii, răcirii gheţii III în zona metastabilă, cum ar fi schimbări de volum, timpul

53

general de îngheţare cât şi timpul de tranziţie. În ceea ce priveşte eficienţa procesului datorită prelungirii timpului de pre-răcire, răcirea spre zona gheaţă III nu aduce nici un beneficiu procesului PSF, in contrast cu creşterea procedeului PIT.

Intensificarea performanţei procesului HPP

Controlul acidităţiiPh-ul alimentelor este unul dintre factorii cei mai

importanţi de înmulţire şi supravieţuire a microorganismelor; toate microorganismele au un ph în care se înmulţesc şi un ph optim în care se înmulţesc cel mai bine. Ph-ul unui aliment, dacă nu este optim unei specii particulare, nu numai că distruge înmulţirea dar în acelaşi timp inhibă creşterea celulelor afectate subletal. Sporii bacterieni, cu un ph neutru, sunt în general cei mai rezistenţi efectelor directe a tratamentelor cu presiune.

Distrugerea prin presiune este în general intesificată la valori acide ale ph-ului şi recuperarea celulelor afectate subletal este inhibată pentru majoritatea bacteriilor. De exemplu, rezistenţa la presiune a bacteriei E.Coli 0157:H7 a sucului de portocale este dependentă de ph-ul sucului, gradul distrugerii crescând în timp ce ph-ul scade; supravieţuirea bacteriei E.Coli in suc de portocale în timpul depozitării este dependentă de ph. Recent, Gao (2006) a descoperit că tratamentele cu HP cresc rata distrugerii stafilococului auriu odată cu creşterea

54

ph-ului dar rata distrugerii descreşte dacă ph-ul depăşeşte valoarea de 6,25. Ph-ul este important de asemenea în ceea ce priveşte aspectele calităţii alimentare.

Guiavarc`h (2005) a descoperit că, în timpul HP, este nevoie de un ph optim de 7 pentru a intesfica stabilitatea „noroasă” în sucul de grapefruit. Procedeul HP poate schimba procedeul alimentelor de bază şi puţin acide ca o funcţie a presiunii impuse. S-a demonstrat că HP creşte ph-ul mostrelor de ton mărunţit (p < 0,05 ). De fapt pentru acizii slabi şi baze, echilibrul A(+) + B(-) <=> AB, este indreptat spre A(+) şi B(-) când reacţia volumică se schimbă şi este pozitivă,iar când reacţia schimbării volumice este negativă este îndreptată spre produs, AB. Rezultatele raportate pe ton mărunţit pot fi explicate prin schimbarea constantei de echilibru (pKa) a acidului din grupurile ionizabile ale aminoacizilor sub procedeul HP.

Fig.13. Mărimea zonei fracţionale a porilor după procedee de presiuni înalte cu faze tranzitorii.Determină gheaţă polimorfă şi tratamentul constant de presiune în timpul ciclurilor de îngheţ-dezgheţ date in legendă

55

Ambalarea alimentelor pentru HPP

Pentru a proteja alimentele de contaminare prin presiune indusă şi pentru a intensifica eficientizarea procesului, HPP este aplicat în general produselor în starea finală de ambalare.

Polimerii şi copolimerii sunt folosiţi in general pentru ambalare şi sunt adecvaţi pentru HPP datorită elasticităţii asociate, care permite accesul presiunii la aliment, în acelaşi timp menţinând o abilitate ridicată de ambalare etanşă. Folosirea copolimerilor în straturi multiple sub forma de film de ambalare este un lucru comun, iar forţa de tensiune, gradul de etanşare la temperatură, permeabilitatea oxigenului,

56

permeabilitatea vaporilor şi permeabilitatea aromei în timpul HPP au fost studiate.

Le Bail (2006) a arătat că HPP are un efect minim asupra ambalajului pentru şapte materiale diferite. Mai mult, în acelaşi studiu, HPP a afectat doar permeabilitatea vaporilor de apă a polietilenei cu densitate redusă, în acest caz proprietăţile ambalajului fiind intensificate. HPP-ul are o influenţă mică asupra permeabilităţii aerului, la ambalajele de copolimeri contrastând cu deteriorarea barierei de pătrundere a oxigenului observat prin procese convenţionale de sterilizare.

Kuebel (1996) a descoperit de asemenea că HPP are un efect minim asupra componentelor alimentelor într-un ambalaj de polimeri în timpul expunerii ambalajului la diferite arome, utilizând mai multe ambalaje de polimeri pentru acest test.

În general provocările care au fost întâlnite au fost legate de flexibilitatea ambalajului. De exemplu, Caner (2004) a concluzionat că ambalajele construite din straturi subţiri de metal impiedică difuzia fizică; straturile de metal şi cele de polimer au factori diferiţi de compresie iar procedeul HP produce rupturi în componenta la puţin elastică a stratului de metal.

Efectul activităţii apei (aw)

Apa în stare lichidă este esenţială existenţei tuturor organismelor vii. Cantitatea de apă necesară înmulţirii microbiene este exprimată în general în aw

în componenţa sistemului. Scăzând activitatea apei

57

în alimente se poate influenţa semnificativ creşterea riscului alterării sau a organismelor care infestează alimentele (microorganisme prezente în materialele în stare crudă sau cele introduse în timpul procesării)- principiul vechii metode de conservare prin uscare a produselor alimentare. Reducerea aw

pe de o parte, protejează microbii de HPP iar pe de altă parte recuperarea celulelor afectate subletal este inhibată. Fenomenul afecţiunii subletale poate duce la o supraestimare în distrugerea microbiană după cum arată numărul procentual al microbilor după aplicarea HP decât numărul procentual după o perioadă de recuperare.

Factori asociaţi cu operarea procesului

Timpul prelungit în care alimentele sunt supuse presiunii sau/şi temperaturii va distruge numărul microorganismelor (sporii bacterieni fiind o excepţie). Distrugerea microorganismelor în timpul HP poate avea loc şi la temperaturi normale. Temperaturi mai mari de 45 – 500 C cresc rata de distrugere a patogenilor alimentari şi microorganismelor care alterează alimentele. Folosirea temperaturilor pentru procesarea alimentelor este complicată datorită schimbării temperaturii cilindrilor în care sunt ţinute acestea, pentru că alimentul în sine suferă o creştere a temperaturii datorită încălzirii adiabate. Mai mult decât atât, alimenetele conţin un anumit procentaj de grăsimi, asemenea untului, la care ridicarea temperaturii poate fi mare. În timp ce alimentul este supus presiunii, acesta se răceşte până la temperatura iniţială dacă nu este pierdută sau câştigată căldura prin pereţii vasului de presiune.

58

Creşteri ale temperaturii datorate compresiei adiabate (pot fi de 30 C sau mai mult la 100 MPa) sunt în general trecătoare, în unele procese mostra putând reţine căldura adăugând dimensiuni termale condiţiilor de procesare a produselor alimentare. Alegerea temperaturii de procesare poate influenţa selecţia presiunii adecvate.

Recent, relaţii empirice au fost dezvoltate pentru a estima creşterea temperaturii la uleiul vegetal, miere, brânză cremă ca o funcţie aplicării presiunii şi temperaturii produsului iniţial. Există un minim critic de presiune sub care distrugerea bacteriilor prin HP nu va avea loc indiferent de durata procesului. Parametrii importanţi de procesare consideraţi sunt : timpii de ridicare a presiunii (timpul necesar ajungerii la presiunea tratamentului) şi timpii de relaxare a presiunii. Evident, timpii lungi de ridicare a presiunii vor afecta timpul întregului proces şi cinetica inactivării microorganismelor. De aceea consistenţa şi controlul acestor timpi sunt importanţi în dezvoltarea tehnicilor HPP.

Implementarea HP ca o tehnologie eficientă de procesare

Regulamentul european pentru HPP

În prezent, legislaţia majorităţii ţărilor impune protejarea alimentelor. În timp ce mulţi factori şi microorganisme ce prezintă un pericol pentru consumatori sunt cunoscuţi şi au fost studiaţi intensiv, continuă să se găsească noi factori patogeni care până acum nu prezentau un risc. Producătorii de alimente trebuie să asigure securitatea

59

consumatorului. Datorită acestor motive, tehnologiile HPP, emergente, sunt considerate potenţiale pentru beneficiile industriei alimentare.

Înainte de implementarea noilor tehnologii de conservare trebuie clarificate câteva aspecte: mecanismele derezistenţă ale microbilor şi de adaptare a acestora la noile tehnologii, mecanisme de distrugere a microbilor şi a enzimelor, identificarea celor mai rezistente microorganisme în orice habitat alimentar, rolul tensiunilor bacteriene, robusteţea tehnologiilor, creşterea siguranţei faţă de tehnologiile existente.

Două atitudini de legislaţie în ceea ce priveşte comercializarea produselor alimentare fabricate sub HPP au apărut prima dată în U.E. şi apoi în restul lumii. În afara U.E. ţările nu au legislaţie specifică HPP. În S.U.A. sunt aplicate legile tradiţionale şi produsele tratate cu HPP cum este guacamole şi stridiile au fost puse pe piaţă cu legislaţia specifică.

În ţările U.E. legislaţia naţională pentru produsele noi a fost înlocuită, din precauţie, cu o lege a comunităţii pentru alimente noi şi ingrediente care este in vigoare din 1997. Această legislaţie pentru alimentele noi stabileşte o evaluare şi un sistem de autorizare obligatoriu. Aceste alimente tratate prin HPP îndeplinesc două condiţii: istoria lor de consum este neglijabilă şi în al doilea rând un nou proces de fabricare a fost făcut pentru ele.

În iulie 2001, după ultima comisie U.E. responsabilă cu „alimentele noi”, au fost luate câteva decizii pentru a simplifica legile. Produsul va fi incadrat in legile naţionale şi nu va fi nevoie să adere la legea „alimente noi” dacă se poate demonstra că

60

un produs nou (HP) este substanţial echivalent unui produs aflat deja pe piaţă.

Toate compartimentele de presiune folosite in U.E. trebuie să adere la legea „directiva echipamentelor sub presiune - PED”, o extensie a standardelor de protecţie „CE” implementată deja in U.E. şi recunoscută mondial; CE reprezintă conformarea obligatorie la standardele de protecţie europene. Cum vasele de presiune prezintă energia potenţială periculoasă, legile PED caută a identifica un design bun, norme bune de construcţie şi evaluări detaliate ale siguranţei, operabilităţii şi a întreţinerii părţilor auxiliare. De asemenea, în 2001, Agenţia Alimentară Britanică a făcut o declaraţie prin care „alimentele noi” nu s-au mai numit „noi” dacă produsele procesate sunt obţinute din fructe şi legume, au un ph sub 4,2 conform criteriilor HACCP şi ca germinarea şi clostridia sunt prevenite în timpul în care sunt oarecum „puse la raft” neputând astfel rezista mai mult de 21 de zile.

Comercializarea HPP

Calitatea şi siguranţa alimentelor sunt cele mai importante modalităţi de alegere pentru consumatorul de azi ceea ce înseamnă că industria alimentară trebuie să adopte noi tehnologii de intensificare a siguranţei, calitătii nutriţionale şi calităţii senzoriale ale produselor alimentare. HPP este o tehnologie care poate aduce rezultate în toate aceste aspecte. Cel mai mare obstacol este că necesită un capital de investiţie mare ce limitează aplicaţia lui doar pe alimentele cu valoare mare.

61

Ca la orice tehnologie nouă, fezabilitatea comercială depinde de profitabilitatea afacerii. Ca o consecinţă, tehnologia HP este aplicată în multe cazuri acolo unde alte tehnologii au o performanţă nesatisfăcătoare. Costurile de producţie trebuie să fie mai mici decât valoarea adăugată a produsului. Valoarea adăugată a HP poate fi măsurată in termenii: calitate mai mare a produsului, siguranţa sporită şi o viaţă mai lungă a acestuia. Aceste probleme pot fi traduse ca: transport redus, depozitare, asigurare şi costuri de muncă, satisfacerea consumatorului şi intensificarea siguranţei. Societăţile de alimentaţie pot face o analiză cost-beneficiu în investiţia pentru procesul HPP.

Deoarece standardele microbiologice sunt tot mai mandatate şi tehnicile de evaluare tot mai sensibile în producţia alimentară, produsele neacceptate sunt transferate înapoi la producător. Valoarea siguranţei este greu de cuantificat înaintea unui incident, deşi după cum a fost observat în contaminări recente cu patogeni, reputaţia unui producător sau nume brand nu se mai poate recupera din cauza acestui singur incident. În industria alimentară este esenţial de a avea un produs în regulă în mod consecvent. „Controlul calităţii inseamnă să faci lucrurile corect de prima dată şi de fiecare dată” (Harrington 1986). Costul propriu-zis al unui proces HPP depinde de mulţi factori, de la presiunea ce operează în sistem, timpul ciclului, geometria produsului, calificarea muncii, până la costul energiei. Ca pentru toate echipamentele, cu cât se utilizează mai mult cu atât preţul este mai bine acceptat. Cu cât tehnologia

62

înnaintează şi producătorii capătă experienţă şi anticipat, costuri reduse pentru operaţiuni şi echipamente. În multe sectoare ale industriei alimentare (de exemplu carnea gătită) tratamentul HP oferă o oportunitate unică de a produce alimente cu gust proaspăt, cu siguranţă alimentară şi o durată lungă de conservare. Creşterea economică în aceste sectoare şi implementarea cu succes a HP-ului de către un număr considerabil de companii, sugerează că valoarea costurilor iniţiale sunt o investiţie durabilă. Se pare că consumatorii sunt dispuşi sa plătească in plus pentru produse noi ce au o calitate superioară.

Concluzii:HPP - este o tehnologie testată industrial ce oferă o alternativă naturală unei game largi de produse alimentare

- este o tehnologie ce poate oferi siguranţa produselor alimentare prin pasteurizare la temperatură, îndeplinind astfel cerinţele consumatorilor de a avea mereu alimente proaspete, procesate minim

Aplicarea HP poate distruge microorganismele şi enzimele, fără a avea un efect negativ asupra conţinutului nutriţional şi calităţilor senzoriale ale alimentelor

Avantajele aplicării HP alimentelor este că mostrele pot fi independente de mărime şi geometrie, posibilitatea de a trata alimentele la temperaturi joase şi disponibilitatea de folosire a tehnologiilor ecologice.

63

64