میدان پالس الکتریکی در صنایع غذایی

میدان پالس الکتریکی

تعریف میدان الکتریکی پالسی:

میدان الکتریکی پالسی فرایندی است که  با بکارگیری پالس های با ولتاژ بالا در دامنه 20 تا ٨٠ کیلو وات بر سانتی متر در مواد غذایی صورت میگیرد. زمان عملیات کمتر از یک ثانیه  می باشد .این فرایند می تواند میزان میکروارگانیسم هایی که باعث تغییرات نامطلوب در خصوصیات حسی غذا می گردد را کاھش دهد.

تاریخچه مختصر از فرایند میدان الکتریکی پالسی:

غیر فعالسازی آنزیم ها و میکروبها با استفاده از تخلیه الکتریکی از سال ١9٠٨ با فرایند  Electro Pure برای تولید شیر آغاز گردید . این فرایند شامل حرارت دهی شیر تا  ٨٠ درجه سانتی گراد و سپس عبور آن از میان الکترودھای کربن در یک اتاقک حرارت دهی الکتریکی جهت غیر فعالسازی مایکوباکتریوم توبرکلوزیس و اشرشیا کلی بود .

اساس فرایند PEF:

در این روش محصولات غذایی در داخل محفظه عمل قرار می گیرد که متشکل از حداقل دو الکترود می باشد. در این مکان مواد غذایی پالسهایی با ولتاژ بالا را در یافت می نماید. مواد غذایی مورد نظر را بین الکترودهایی قرار داده که در فاصله های زمانی منظم معمولا هر چند میکرو ثانیه یا میلی ثانیه  پالس هایی با ولتاژ بالا حدود ٢٠ تا ٨٠ کیلو ولت به آن الکترودها وارد می شودکه باعث ایجاد یک میدان الکتریکی شدید روی محصول غذایی می شود و این مسئله  سبب غیرفعال سازی میکروارگانیسم ها  می شود. جنس این الکترودها  معمولا از تیتانیوم می باشد .

برای موادی که  قابل پمپ شدن هستند مانند مایعات میدان الکتریکی ممکن است  به صورت پالسهای دو قطبی ویا پالس ها نوسانی در مسیر حرکت آن اعمال شود . بعد از اتمام فرایند مواد غذایی به روش اسپتیک بسته بندی می شوند هر چند جهت افزایش زمان ماندگاری نگهداری ماده غذایی در درجه  حرارت های سرد توصیه می شود.

فوایدPEF:

١. غیر فعال سازی میکروبها در دمای پایین بدون آسیب به بافت مواد غذایی

٢. نگهداشتن ارزش تغذیه ای بالا

٣. افزایش ماندگاری

۴. جلوگیری از تغییرات مضر در خواص حسی و فیزیکی مواد غذایی

۵. کاهش زمان خشک کردن

۶. به حداقل رساندن فرایندها روی مواد غذایی

تاثیرPEF  در مواد غذایی:

بخاطر فوایدی که  PEF به عنوان یک فرایند غیر حرارتی از خود نشان داده است، فراورده هایی نظیر عصاره میوه جات ،شیرو تخم مرغ ها مایع ،تحت تحقیقات زیادی در مقیاسهای صنعتی قرار گرفته اند. تازگی طعم، استفاده از انرژی بسیار پایین و ماندگاری بالا، برخی از مهمترین فواید این تیماربه شمار می روند. همچنین خواص فیزیکی ،شیمیایی و رئولوژیک برخی از محصولات نیز حفظ می شود. تخم مرغ زده شده که  تحت تیمارPEF قرار گرفته  باشد یکی از مثال های بسیار عملی کاربرد این تکنولوژی است . اما به دلیل اینکه در روش PEF،تخم مرغ در درجه حرارت پایین تیمار می شود می تواند به عنوان جایگزین مناسبی در صنعت پودر تخم مرغ مد نظر قرار گیرد. نتایج تحقیقات نشان داده که  بطور کلی خواص ارگانولپتیکی غذاها به  وسیله  PEF هیچ تغییری نمی کنند و مواد غذایی تیمار شده توسط PEF  نظیر سوپ خامه  ،نخودسبز و تخم مرغ مایع توسط پانلیست ها نسبت به  نمونه های  تجاری ترجیح داده می شوند.

کاربردهای: PEF

. اصلاح ساختمان میکروسکوپی سبزیجات , ماھی و بافت گوشت

٢. رسیدن به  تغییر شکل ویژه در محصول

٣. تشدید بعضی از فرایندها

۴. اصلاح آنزیم ها

۵. جایگزین فرایندهایی که  دمای بالا نیاز دارند

۶. غیر فعال سازی میکروب

٧. استفاده در صنعت داروسازی

نحوه اثرات PEF بر روی میکروارگانیسم ها:

1.تجزیه  الکتریکی

2.الکتروپوریشن

3.مکانیسم رادیکال های ازاد

1.تجزیه  الکتریکی:

غشا سلول می تواند به عنوان یک خازن در نظر گرفته شود که  با مواد دی الکتریک پر  شده است .افزایش در اختلاف پتانسیل غشا منجر به  کاهش ضخامت غشای سلول می شود و در نتیجه  منجر به تغییر شکل منافذ غشا که برای حمل و نقل و جابجایی مواد هستند می گردد که این منجر به  تخلیه  فوری غشا و بنابراین تجزیه سلول می گردد. تجزیه  وقتی که  منافذ محصول نسبت به  سطح کلی غشا کوچک باشد برگشت پذیر است. اگر اندازه و تعداد منافذ نسبت به  سطح کلی غشا بزرگ باشند در این صورت تجزیه برگشت پذیر تبدیل به تجزیه غیر قابل برگشت می شود که  منجر به تخریب مکانیکی غشا سلول می گردد.

2.الکتروپوریشن:

توضیح پیشنهادی دوم برای غیر فعال سازی میکروبی توسط PFE الکتروپوریشن می باشد. وقتی یک میکروارگانیسم در معرض میدان الکتریکی با ولتاژ بالا قرار می گیرد پروتئین ها  و دو لایه  چربی غشاء سلولی موقتا ناپایدار می شوند و تغییراتی در پیکربندی مولکول های  غشا ایجاد می گردد در نتیجه منافذ موجود گسترش یافته و انتقالات بین سلول و محیط افزایش می یابد. این امر منجر به حرارت دهی  متمرکز شده که دو لایه لیپیدی را از یک ژل محکم به  یک فرم کریستالی مایع تغییر می دهد  وقتی طبیعت نیمه تراوا غشاء آسیب می بیند تورم وگسیختگی احتمالی سلول ایجاد می شود.

3.مکانیسم رادیکال های آزاد

فرایند الکتروهیدرولیک به  عنوان روشی برای غیر فعالسازی میکروارگانیسم ها در محصولات غذایی گسترش یافته است. موج ضربه ای  تولید شده توسط قوس الکتریکی و تشکیل رادیکال های  آزاد بسیار فعال به عنوان مکانیسم اصلی برای غیر فعال سازی میکروبی پیشنهاد شده است.

فاکتورهای موثر در فرایند PEF:

١. فاکتورهای  فرایند

٢. فاکتورهای محصول

٣. فاکتورهای میکروبی

1 – فاکتورهای فرایند:

شدت میدان الکتریکی، قدرت انتقال غشایی سلول میکروبی را تحت تاثیر قرار داد و بنابراین با افزایش شدت میدان الکتریکی , افزایش در غیر فعالسازی قابل انتظار است. پهنای  پالس به  کار رفته  نیز شدت میدان الکتریکی مورد نیاز برای غیر فعالسازی را تحت تاثیر قرار می دهد پهنای  پالس بزرگتر شدت میدان مورد نیاز برای تولید یک قدرت انتقال غشایی قوی جهت تشکیل منفذ اولیه را کاهش  می دهد. افزایش زمان تیمار (تعداد پالس) نیز موجب افزایش سطح غیر فعالسازی می گردد.شکل موج پالس نیز درجه غیر فعال سازی قابل حصول توسط PEF را تحت تاثیر قرار می دهد. دمای فرایند نیز بر روی کشندگیPEF تاثیر دارد. ترکیب دماهای  افزایش یافته  به  صورت ملایم با PEF اثر ھم افزایی داشته که ممکن است به دلیل تغییرات در نفوذپذیری و سیالیت غشاء باشد.

٢.فاکتورهای  محصول :

قابلیت هدایت  الکتریکی محصول پارامتر مهمی  در فرایند میدان مغناطیسی می باشد. موادخوراکی با قابلیت هدایت  الکتریکی بالا به دلیل کاهش پیک میدان الکتریکی در سراسر اتاقک برای فرایند PEF مناسب نیستند. قدرت یونی یک ماده غذایی قابلیت هدایت آن را به طور مستقیم تحت تاثیر قرار داده و با افزایش قابلیت هدایت کشندگی فرایند کاهش می یابد.

فاکتور های میکروبی:

به طور کلی ترتیب مقاومت میکرو ارگانیسم ها بهPEF (از کمترین به بییشترین) مخمرها،باکتری های گرم منفی و باکتری های گرم مثبت هستند. مرحله سیکل زندگی میکروارگانیسم ها، کشندگی فرایند را تحت تاثیر قرار می دهد . به طور کلی ارگانیسم ها در فاز لگاریتمی رشد در مقایسه با ارگانیسم های در فاز تاخیری یا سکون نسبت بهPEF حساستر هستند . مدارکی وجود دارد که پیشنهاد میکند غلظت های اولیه بالاتر میکروارگانیسم ها می تواند بر روی کشندگی فرایند تاثیر بگذارد.

اثر PEF بر روی انزیم:

1.غیر فعال کردن انزیم: حساسیت انزیم ها به دما به نوع انزیم و محتوای اب سیستم بستگی دارد که به عنوان اب مورد نیاز برای تسهیل رهاسازی پروتئین در طول دناتوراسیون حرارتی است. ساختار دوم و سوم انزیم ها توسط پیوندهای هیدروژنی تثبیت شده است که تغییر آن ها توسط PEF ممکن است منجر به دناتوراسیون ساختار انزیم ها و از این رو سبب غیر فعال شدن فعالیت انزیم می شود.حساسیت انزیم ها به طبیعت خود انها و تنظیمات PEF اعمال شده بستگی دارد.(به عنوان مثال نیروی میدان الکتریکی ،عرض پالس، زمان عملیات)

2. تحریک انزیم ها: که میتواند سبب ایجاد مکان های فعال بیشتر بر روی انزیم و یا برهمکنش طولانی تر انزیم با سوبسترا گردد. همچنین پالس ها می توانند انرژی فعال سازی واکنش را کاهش دهند

چند کاربرد میدان مغناطیسی در مواد غذایی:

• در ازمایشی اب سیب تازه و اب سیب بازسازی شده از کنسانتره با این روش فراوری شدند عمر مدت زمان انباری اب سیب فراوری شده باPEF در 4 درجه سانتیگراد 3 تا 4 هفته بوده است. غلظت کل مواد جامد 11 درصد بوده که 10درصد ان را کربوهیدرات ،2/0درصد ان را خاکستر و مقدار ناچیزی از ان را چربی ها و پروتیین تشکیل می دهد. درجه PH قبل و بعد از تیمار با میدان الکتریکی یکسان بوده است. دراین آزمایشات میدان الکتریکی بر روی غلظت ویتامین C تاثیری نداشت. در این ازمون ارزیابی حسی هیچ اختلاف معنی داری بین اب سیب تیمار شده و تیمار نشده نشان نداده است.

عمر انباری تخم مرغ مایغ فراوری شده با میدان های الکتریکی پالسی در دمای4 درجه سانتی گراد 4هفته می باشد. اگرچه خواص شیمیایی تخم مرغ تحت تاثیر میدان های الکتریکی قرار نمی گیرد اما دانسیته تخم مرغ های تیمار شده کاهش یافته و رنگ انها نیز تیره می شوند. هیچ تفاوت معنی داری در ارزیابی حسی بین تخم مرغ های فراوری شده در میدان الکتریکی و تخم مرغ های تازه وجود ندارند.