Badania
Wysokie ciśnienia znajdują ostatnio coraz więcej zastosowań w układach biologicznych; metoda pasteryzacji HPP (High Pressure Pasteurization) została uznana za obiecującą metodę konserwacji żywności, alternatywą dla konwencjonalnej obróbki termicznej. Technika ta jest głównie używana do pasteryzacji produktów spożywczych. Może być stosowana do szerokiej gamy produktów.
Naukową podstawą procesu jest odkrycie amerykańskiego fizyka i laureata Nagrody Nobla, Bridgmana (1914), zjawiska koagulacji białka jaja kurzego pod działaniem wysokiego ciśnienia i obserwacji, że otrzymany produkt ma nieco inne własności niż przy koagulacji pod wpływem temperatury. Ponadto stwierdził on, że w niższych temperaturach, potrzebne jest niższe ciśnienie, aby uzyskać ten sam efekt. Bardziej szczegółowe badania przeprowadzili Suzuki (1960) i Hawley (1971). Wykazały one, że te obserwacje można zrozumieć na podstawie diagramu fazowego denaturacji białek.
Jak pokazano na rysunku poniżej, w wysokiej temperaturze, cisnienie stabilizuje białko względem denaturacji pod wpływem temperatury. W temperaturze pokojowej, temperatura stabilizuje białko względem denaturacji pod wpływem ciśnienia ciśnienia.
Ryc. 1. Schemat ilustrujący wpływ temperatury i ciśnienia na denaturację
białek, na podstawie danych doświadczalnych
Okazało się, że w żywności poddanej wysokim ciśnieniom następuje znaczna redukcja ilości mikroorganizmów, prowadząca do wydłużenia okresu przydatności do spożycia, a nawet pasteryzacji i sterylizacji produktu, po zastosowaniu odpowiednio wysokiego ciśnienia. Mimo że odkrycia dokonano na początku XX wieku, zastosowanie techniki HPP do utrwalania produktów żywnościowych i wprowadzenie ich do sprzedaży nastąpiło dopiero w latach dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku.
Pierwsze produkty spożywcze poddane działaniu wysokiego ciśnienia pojawiły się w Japonii na początku lat 1990, w wyniku programu badań interdyscyplinarnych poświęconego wprowadzeniu wysokich ciśnień do utrwalania żywności, finansowanego przez rząd oraz przedsiębiorstwa produkcyjne. Na rynkach w Europie i USA rozwój wysokociśnieniowej technologii utrwalania żywności nastąpił ok. roku 2000.
W Polsce badania nad wykorzystaniem wysokiego ciśnienia w celu konserwacji żywności zostały zapoczątkowane przez Instytut Wysokich Ciśnień Polskiej Akademii Nauk. Pierwszy program badawczy poświęcony pasteryzacji produktów owocowych oraz innej żywności wysokim ciśnieniem (HPP) rozpoczął Instytut Wysokich Ciśnień PAN w 1993 roku w ścisłej współpracy z Państwowym Zakładem Higieny (obecnie Narodowy Instytut Zdrowia Publicznego) . Do współpracy dołączył Instytut Biotechnologii Przemysłu Rolno-Spożywczego oraz Uniwersytet Rolniczy – SGGW. Od tego czasu nieprzerwanie trwają prace w ramach wspólnych programów badawczych.
GŁÓWNE KIERUNKI BADAŃ:
- wpływ HPP na drobnoustroje, w tym bakterie chorobotwórcze i pleśnie będące
przyczyną chorób przenoszonych przez żywność
- badania dotyczące mozliwości niszczenia przetrwalników bakterii
- badania dotyczące bezpieczeństwa żywności (pasteryzacja HPP i wydłużenie okresu przydatności do spożycia różnych produktów żywnościowych : świeżo wyciśniętych soków owocowych i warzywnych, deserów owocowych, przetworów mięsnych i rybnych
- inaktywacja enzymów metodą HPP
- badania fizykochemiczne i sensoryczne zmiany jakości produktów spożywczych po pasteryzacji metodą HPP
- interpretacja uszkodzeń komórek poddanych procesowi HPP , przy wykorzystaniu mikroskopii elektronowej (SEM i TEM)
- ogólne właściwości układów miękkiej materii pod ciśnieniem, również w obszarach ekstremalnych (GPa, ujemne ciśnienia).
WYPOSAŻENIE LABORATORIUM
Wysokociśnieniowa komora typu cylinder z tłokiem, o wewnętrznej średnicy 110 mm, objętości roboczej 1,5 L, maksymalnym ciśnieniu do 500 MPa, wyposażona w wewnętrzny wymiennik ciepła oraz termoparę umieszczoną w środku komory.
Czujniki temperatury i ciśnienia są połączone z komputerem umożliwiającym akwizycję danych (Karta pamięci MMC). Sprzęt ten pozwala na analizę zmian temperatury przy zmianach ciśnienia. Medium wykorzystywanym do transmisji ciśnienia jest mieszanina wody destylowanej i glikolu propylenowego (1:1). Temperatura w komorze jest regulowana przy użyciu termostatu CC 245. Komora pozwala na poddawanie procesowi wysokiego ciśnienia próbek żywności w opakowaniach handlowych.
Ryc. 2. Przykład ciśnieniowania próbek żywności metodą HPP, w komorze 1.5 L. Czas narastania ciśnienia roboczego (do wartości 200, 300 oraz 400 MPa) wynosi 15-20s, czas spadku ciśnienia - 15 s. Zmiany temperatury podczas ciśnieniowania próbek wędzonego łososia (o wadze ok.30-50 g) w komorze wysokociśnieniowej wynoszą około 2°C.
NAJWAŻNIEJSZE WYNIKI
Zrealizowano kilka programów badawczych :
- wpływ wysokiego ciśnienia na szczepy drobnoustrojów Gram (+) i Gram (-)
określanych w literaturze jako chorobotwórcze i saprofityczne składniki mikroflory żywności, jak również na zarodniki bakterii Bacillus subtilis, oraz wybranych pleśni i drożdży
Ryc. 3. Wysokociśnieniowa inaktywacja mikroorganizmów w soku z marchwi (temp. 4 C, czas 5min)
A B C
Ryc. 4. Inaktywacja wysokim ciśnieniem Escherichia coli w soku jabłkowym
(A – próbka kontrolna - log jtk / ml = 7, B - 200 MPa, C - 300 MPa)
-obliczenia wartości D oraz z określających skuteczność działania wysokiego ciśnienia dla chorobotwórczych Listeria monocytogenes, po inaktywacji tego mikroorganizmu w mięsie mielonym, szynce, serach dojrzewających, rybach, sokach owocach i warzywnych. Wartość D oznacza czas niezbędny do dziesięciokrotnej redukcji ilości L. monocytogenes dla danego poziomu ciśnienia,
D-value dla Listeria monocytogenes w rybach wędzonych, pakowanych próżniowo:
300 MPa - 4,78 min 300 MPa - 4,78 min
400 MPa - 3,39 min 400 MPa - 3,39 min
500 MPa - no bacteria 500 MPa - nie stwierdzono żywych komórek bakterii
- zmiany składu lotnych przypraw wywołane działaniem bardzo wysokiego ciśnienia, rzędu 400 – 1000 MPa i temperatury w powietrzu oraz w atmosferze gazów obojętnych He i Ar
- badanie pod mikroskopem elektronowym (TEM i SEM) uszkodzeń, poddanych działaniu HPP, komórek drożdży, Streptomyces sp., Lactic acid bacteria and halophilic bacteria - bakterii kwasu mlekowego oraz halofilnych bakterii - Chromohalobacter beijerinckii
A B
Ryc. 5. Zdjecia mikroskopowe (m. elektronowy) Chromohalobacter beijerinckii :
A – przed ciśnieniowaniem , B - po ekspozycji 400 MPa
A B
Ryc. 6. Zdjęcia mikroskopowe (m. elektronowy) Saccharomyces cerevisiae:
A – przed ciśnieniowaniem, B - po ekspozycji 400 MPa
Zastosowania praktyczne:
- eliminacja bakterii chorobotwórczych i przedłużenie okresu przydatności do spożycia, dzięki HPP następujących produktów rynkowych: świeżo wyciskane soki z marchwi, pakowane próżniowo produkty mięsne oraz wędzone produkty rybne
- badania na zmian fizykochemicznych w poddanych wysokim ciśnieniom deserach owocowych, szynce oraz polędwicy.
W zakresie ciśnień, temperatur oraz czasów pasteryzacji stosowanych w przedstawionych badaniach, wyliczone dla róznych mikroorganizmów wartości D mogą być przydatne do przewidywania warunków inaktywacji bakterii (np. Listeria monocytogenes) również w innych produktach spożywczych.
Odpowiedni dobór parametrów technologicznych pozwala na uzyskanie dobrych wyników mikrobiologicznych przy niewielkich zmianach właściwości organoleptyczne i funkcjonalnych produktów.
Po dziesięciu latach naukowych i stosowanych badań dotyczących pasteryzacji żywności wysokim ciśnieniem, zgodnie z prawodawstwem UE, Instytut Wysokich Ciśnień PAN otrzymał, w 2002 roku, pozytywną decyzję pozytywną decyzję Głównego Inspektora Sanitarnego zezwalającą na produkcję na produkcję i wprowadzanie do obrotu na terenie Polski produktów spożywczych HPP. Wykaz produktów obejmuje przetwory owocowe poddane ciśnieniom 200-600 MPa oraz pakowane próżniowo produkty mięsne ciśnieniowane w zakresie 350-600 MPa.
AKTUALNE BADANIA
- eliminacja oraz badania dynamiki eliminacji patogennych mikroorganizmów z żywności
- przedłużanie czasu przydatności do spożycia oraz poprawianie bezpieczeństwa i jakości żywności
- badania zmian fizykochemicznych produktów żywnościowych pasteryzowanych metodą HPP
- badania uszkodzeń komórek mikroorganizmów poddanych działaniu wysokiego ciśnienia, HPP
- badania mikrobiologiczne i fizyczne bio-materii oraz wybranych produktów żywnościowych ;
badania biofizyczne są wykonywane skaningiem ciepła włąściwego i spektroskopii dielektrycznej
- nowa technologia zimnej pasteryzacji i sterylizacji oparta na symultanicznym działaniu wysokich
ciśnień oraz nowej aplikacji impulsów silnego pola elektrycznego
- ogólne właściwości układów miękkiej materii pod cisnieniem , włączając obszary ekstremalne
(GPa, ujemne ciśnienia ) .
Rozwijana jest także nowa technologia zimnej pasteryzacji i sterylizacji oparta na symultanicznym działaniu wysokich cisnień i nowej aplikacji impulsów silnego pola elektrycznego (newPEF).