Politechnika Gdańska SEMINARIUM Z PRZEDMIOTU WSPÓŁCZESNE TECHNIKI ZAMRAŻANIA. Temat: Nowe technologie konserwacji żywności z wykorzystaniem wysokich ciśnień. wykonał : Kamil Karasiewicz semestr : IX specjalność : SiUChKl wydział : Mechaniczny rok akademicki: 2008/2009
PODZIAŁ PRACY: 1. Wprowadzenie. 2. Wpływ technologii HHP na produkty. 3. Zastosowanie metody wysokich ciśnień w konserwacji żywności. 4. Urządzenie technologiczne. 5. Zalety i wady. 6. Podsumowanie. 7. Bibliografia. 1. Wprowadzenie. Pojęcie konserwowania żywności oznacza metody, które mają na celu zachowanie i utrzymanie żywności w niezmienionym stanie poprzez zabezpieczenie jej przed niekorzystnym wpływem czynników chemicznych (utlenianie), fizycznych (temperatura, światło) lub biologicznych (mikroorganizmy). Utrwalanie żywności pozwala na przedłużenie jej okresu przydatności do spożycia, dzięki czemu jest ona dostępna przez cały rok, a nie tylko sezonowo. Tak więc główną funkcją utrwalania żywności jest spowolnienie procesu psucia oraz zapobieganie wszelkim zmianom smaku, zapachu, a w niektórych przypadkach, również wyglądu. Wzrost poziomu życia oraz rosnąca świadomość społeczeństwa o wpływie diety na życie człowieka zmusza producentów do wytwarzania żywności wysokiej jakości, minimalnie przetworzonej, bez konserwantów, a jednocześnie o długim okresie przydatności do spożycia. W celu sprostaniu wymaganiom rynku, przemysł spożywczy musi ciągle zwiększać bezpieczeństwo oraz polepszać jakość i trwałość przechowalniczą swoich produktów. Najpowszechniej stosowanymi metodami utrwalania żywności są: zamrażanie, pa sterylizacja, sterylizacyjna obróbka ciepła skojarzona z użyciem hermetycznych opakowań, tj. przede wszystkim puszek, a także wielowarstwowych, termokurczliwych folii, napromienianie żywności, homogenizacja wysokociśnieniowa, pulsujące pola elektryczne,
pulsujące pola magnetyczne, pulsujące światło, ultrawysokociśnienia (UHP) i wysokie ciśnienia (HHP) Po raz pierwszy niszczący wpływ podwyższonego ciśnienia na drobnoustroje wykazał B. Hite w 1897r. Poddawał on mleko ciśnieniu 680MPa w temp. pokojowej przez okres 10 minut. Hite stwierdził, że liczba żywych drobnoustrojów zmniejszyła się w nim z 10 7 do 10 2. Również mięso poddane ciśnieniu 540MPa w temp. 52 º C w ciągu 1 godziny nie wykazało zmian mikrobiologicznych w czasie 3-tygodniowego przechowywania. W następnych latach prowadzono badania nad wpływem wysokiego ciśnienia między innymi na białka, enzymy, elementy strukturalne komórki i na całe drobnoustroje. Od początku lat 90 coraz większe zainteresowanie wzbudza zastosowanie wysokich ciśnień 100-1000MPa. Technika wysokociśnieniowa jest już stosowna od kilku lat na skalę przemysłową, głównie do utrwalania żywności kwaśnej, takiej jak soki owocowe, dżemy i jogurty. Pierwsze komercyjne zastosowanie metody wysokich ciśnień (High Hydrostatic Pressure, HHP) miało miejsce stosunkowo niedawno. Japońska firma Heidi-ya Food (Osaka, Japonia) wyprodukowała dżem truskawkowy i jabłkowy (Mozhaer i in. 1990). W następnych latach na rynku pojawiły się galaretki, skorupiaki i ostrygi. W 1991r. zainstalowano także w Japonii pierwszą półautomatyczną linię do produkcji soków cytrusowych. Od tej chwili można więc mówić o nowej technologicznej metodzie utrwalania żywności wykorzystującej wysokie hydrostatyczne ciśnienie. 2. Wpływ technologii HHP na produkty. Ciśnienie hydrostatyczne nie powoduje powstawania sił tnących, a zawartość wody w produktach żywnościowych chroni je przed zmiażdżeniem. Ciśnienie działa natychmiastowo i równomiernie niezależnie od wielkości i geometrii próbki co ilustruje nam (rys.1). Na ogół nie oddziałowywuje na wiązania kowalencyjne, dlatego naturalne niskocząsteczkowe składniki takie jak związki aromatyczne, barwniki i witaminy nie są degradowane przez wysokie ciśnienie. Dzięki temu produkty traktowane z powyższym Rys.1 Ciśnienie działające na próbke.[7]
ciśnieniem zachowują niezmienioną wartość biologiczną oraz naturalny aromat, wygląd i smakowitość. Mechanizm niszczenia mikroorganizmów przez wysokie ciśnienia jest zbliżony do oddziaływywania chemicznych środków konserwujących polega na zmianach morfologicznych komórki, uszkodzeniu mechanizmu genetycznego, wywołaniu niekorzystnych reakcji biochemicznych, zmian w błonie komórkowej i w błonie form przetrwalnikowych. Ogólnie to działanie destrukcyjne jest tym większe im wyższe jest ciśnienie i im dłuższy czas trwania ciśnienia, chociaż są wyjątki od tej reguły, wskazujące na złożony charakter oporności drobnoustrojów na wysokie ciśnienia. Opisane zjawiska przedstawia w sposób uproszczony (rys.2). Rys. 2 Obumieranie drobnoustrojów pod wpływem wysokiego ciśnienia wg. [2] Największą wrażliwość na powyższe ciśnienie wykazują komórki wegetatywne bakterii Gram-ujemnych. Obumierają one przy ciśnieniu powyżej 100MPa. Bardziej wytrzymałe są komórki bakterii Gram-dodatnich, a zwłaszcza formy przetrwalnikowe. Przetrwalniki bakterii rodzajów Bacillus i Clostridium są w stanie wytrzymać ciśnienie rzędu 1200MPa. Drożdże i pleśnie charakteryzują się wytrzymałością między bakteriami Gramujemnymi a Gram-dodatnymi. Czynniki hamujące rozwój drobnoustrojów jak ogrzewanie, małe ph czy zmniejszona aktywność wody na ogół zwiększają efekt niszczący HHP. Technologia wysokich ciśnień pozwala także na inaktywację jednych enzymów i aktywację innych, umożliwia modyfikację biopolimerów czy niszczenie białek wywołujących alergie, sprzyjają tenderyzacji mięsa, poprawia żelowanie dżemów. Podczas procesu konserwacji nie zachodzą żadne rekcje chemiczne prowadzące do powstawania nowych związków.
3. Zastosowanie metody wysokich ciśnień w konserwacji żywności. Poniżej przedstawiono kilka przykładów w zastosowaniu tej metody w utrwalaniu żywności. Soki, desery, koncentraty owocowe Wartość ciśnienia 200MPa w temp. 5 º C przez około 10-15 minut zostało użyte do inaktywacji enzymu odpowiadającego za powstawanie gorzkiego smaku. Okres przechowywania tak przetworzonego wyrobu, np. soku grejfutowego wynosi około 3 miesiące. Cena jest 2 krotnie wyższa od soku wyprodukowanego metodą tradycyjną. Fotografie rysunków pobrane są ze strony. [7] Konfitury, dżemy owocowe Wartość ciśnienia 400-600MPa przez około 10-30 minut sprawia, że połączenie świeżych owoców z cukrem i pektyną daje przyspieszoną penetracje cukru i żelowanie oraz jednocześnie pasteryzację. Okres przechowywania tak przetworzonego wyrobu, wynosi około 2 miesięcy. Cena jest 2,5 krotnie wyższa od produktu wyprodukowanego metodą tradycyjną.
Fotografie rysunków pobrane są ze strony. [7] Produkty mięsne, szynki gotowane, mięso wieprzowe Wartość ciśnienia 250MPa w temp. od 20-40 º C przez około 3 godziny sprawia, że uzyskana zostaje poprawa jakości organoleptycznej, mikrobiologicznej oraz więcej wody zatrzymujemy w produkcie.
Fotografie rysunków pobrane są ze strony. [7] Ryż hipoalergiczny Przy ciśnieniu 400MPa w temp. 20 º C przez około 10 minut wyeliminowano 95% białek wywołujących alergię. Śledzie wędzone Śledzie w plastrach, marynowane lub w winie bądź oleju podano ciśnieniu 185MPa w temp. 15 º C przez około 30 minut uzyskano unikalną teksturę oraz 10 100-krotną redukcję liczby mikroorganizmów. Okres przechowywania tak przetworzonego wyrobu, wynosi około 1 roku. Fotografie rysunków pobrane są ze strony. [7] Ostrygi, krab Wartość ciśnienia 400MPa w temp. 7 º C przez około 10 minut dało efekt bezpieczeństwa mikrobiologicznego oraz łatwiejsze oddzielenie mięsa od skorupy. Okres przechowywania tak przetworzonego wyrobu, wynosi około 5 tygodni.
Fotografie rysunków pobrane są ze strony. [7] A także wyrób pasztetów z gęsich wątróbek, produkty mleczne, puree z awokado i wiele innych.
Fotografie rysunków pobrane są ze strony. [7] 4. Urządzenie technologiczne Typowa linia HHP (rys.3 ) składa się z komory ciśnieniowej z zamknięciem, z układu wytwarzającego wysokie ciśnienie, urządzeń do kontrolowania temperatury i do transportowania materiału do i z komory. Najważniejszym urządzeniem jest grubościenna komora ciśnieniowa, którą stanowi monolityczny zbiornik zbudowany ze stopu stali o wysokiej wytrzymałości mechanicznej. W komorze znajduje się ośrodek (medium) przenoszący cieśnienie. Jest nim zwykle woda destylowana. Urządzenie pracuje okresowo, w jednym cyklu wykonuje następujące czynności: załadunek i zamknięcie komory, wytworzenie ciśnienia (i ewentualne ogrzanie komory), utrzymanie ciśnienia przez zaprogramowany czas, redukcja nadciśnienia, otwarcie komory i jej wyładunek. Rys. 3 Zintegrowany system maszyn i urządzeń występujący w technologii HHP wg [1]; 1-automatyczna prasa, 2-urządzenie do załadowania pojemnika do naczynia wysokociśnieniowego, 3-urządzenie do napełnienia pojemnika, 4-kabina do mycia, 5-kabina do suszenia, 6-automat do zdejmowania pojemnika z transportera, 7-transporter, 8-pojemnik;
Wysokie ciśnienie w komorze może być uzyskiwane: a) Sposobem bezpośrednim przez sprężenie medium za pomocą tłoka (rys. 4a), stosowane zwykle w urządzeniach laboratoryjnych i półtechnicznych. b) Sposobem pośrednim za pomocą pompy (rys. 4b), stosowanym w urządzeniach technicznych Rys.4 Sposoby wytwarzania ciśnienia w HHP wg [1]: a)ciśnienie bezpośrednie, b)ciśnienie pośrednie; 1-tłok, 2-obudowa prasy, 3-komora ciśnieniowa, 4-zamknięcie dolne, 5-zamknięcie górne, 6-pompa, 7-zbiornik z wodą; Po uzyskaniu wymaganego ciśnienia w komorze zatrzymuje się tłok lub zamyka zawory, co umożliwia utrzymanie stałego ciśnienia przez pożądany czas, bez dalszego nakładu energii. Linia cykliczna o działaniu cyklicznym Produkty w opakowaniach ładowane są do komory ciśnieniowej wypełnionej czynnikiem pośredniczącym, poddawane działaniu ciśnienia i następne wyładowywane. Rozwiązanie to pozwala na szybkie zmiany rodzaju i wielkości produktu. Na (rys.5) przedstawione zostało rozwiązanie o działaniu cyklicznym.
Rys. 5 linia technologiczna o działaniu cyklicznym wg [7] Linia technologiczna o działaniu sekwencyjnym Służy ona do obróbki produktów dających się przetłaczać pompą, np. soków, sosów. Produkt w stanie płynnym pompowany jest kolejno do jednej z komór ciśnieniowych tam poddawany działaniu ciśnienia i dalej poddawany na aseptyczną linę pakowania (np. napełnianie butelek). Dzięki sekwencyjnemu działaniu kilku komór udaje się utrzymać praktycznie ciągły strumień produktu. Na (rys.6) przedstawione zostało rozwiązanie o działaniu sekwencyjnym. Rys. 6 linia technologiczna o działaniu sekwencyjnym wg [7]
Fotografie rysunków pobrane są ze strony. [7]
5. Zalety i wady ZALETY: Zwiększenie trwałości produktów w wyniku niszczenia drobnoustrojów, Modyfikacja biopolimerów, np. białek, Aktywizacja jednych enzymów i inaktywizacja innych, Ukierunkowanie odpowiednich przemian, np. usuwanie białek powodujących alergię u konsumentów, Zachowanie dobrej jakości organoleptycznej, zwłaszcza barwy i zapachu, wynikające z tego, że w metodzie HHP nie uszkadza się wiązań kowalencyjnych, Zwiększenie dyspozycyjności produktu, poprzez zmianę jego zwartości, temperatury zamarzania i topnienia, Krótki czas trwania procesu, Możliwość automatyzacji, Niewielkie zapotrzebowanie na energię (stosuje się taką samą ilość energii bez względu na to ile jest produktów), Żywność ma charakter produktu świeżego i można go długo przechowywać. WADY: Duża odporność przetrwalników bakterii na działanie wysokich ciśnień i związane z tym bezpieczeństwo żywnościowe, Duży nakład inwestycyjny (wysoki koszt komór ciśnieniowych), Okresowość produkcji, Mała wydajność. 6. Podsumowanie Technologia konserwacji żywności przy użyciu wysokiego ciśnienia hydrostatycznego daje niezwykłe możliwości zastosowania. Wraz z rozwojem badań w tej dziedzinie rozszerza się krąg produktów żywnościowych nadających się do sterylizacji metodą HHP. Pamiętajmy, że formy przetrwalnikowe niektórych bakterii są w stanie przetrwać wysokie ciśnienie, dlatego warto tę metodę łączyć z ogrzewaniem aby wyeliminować całkowicie formy przetrwalników. Dzięki obniżeniu punktu zamarzania roztworów wewnątrzkomórkowych możemy przechowywać żywność w temperaturze poniżej 0 º C.
7. Bibliografia [1] Pijanowski E. i in.: Ogólna technologia żywności Warszawa, WNT 2004; [2] Kulisiewicz L.: Konserwacja żywności metodą wysokich ciśnień, Technika chłodnicza i klimatyzacyjna 2003, nr 12, s.448-450; [3] J. Molenda: Selected unconventional methods of food preservation Medycyna Wet. 2007, 63 (9), str. 1016-1020; [4] E. Hać-Szymańczuk, J. Mroczek: Applying high pressure techniques in food technology, and meat processing in particular Medycyna Wet. 2006, 62 (6), str.637-640; [6] I. Kłoczko, T. Chudoba: Próba zastosowania wysokich ciśnień hydrostatycznych (UHP) do dekontaminacji mięsa zarażonego larwami włośnia (TRICHINELLA SPIRALIS) Bromat. chem. toksykol. XL, 2007, 2, str. 195 203 [7] Strony internetowe: z dnia 12.12.2008 - http://www.avure.com - http://www.nchyperbaric.com/index.htm Inne materiały udostępnione przez Pana Leszka Kulisiewicza.