CONSERVAREA CU IMPULSURI DE LUMINĂ Conservarea cu impulsuri de lumină (lumină pulsată, Pure bright) a produselor alimentare implică folosirea de impulsuri intense şi de scurtă durată de "lumină albă", spectrul de lumină pentru impulsuri implicând radiaţii cu lungimi de undă de la ultraviolet până la infraroşu. Materialul de tratat este expus la cel puţin un impuls de lumină având o densitate de energie în domeniul 0,01 la 50 J/m2 de suprafaţă. Distribuţia luminii este astfel făcută încât cel puţin 70 % din energia electromagnetică să fie din domeniul de X cuprins între 170 şi 2600 nm, respectiv cuprinde: 21 % UV cu X = 200 - 300 nm; . 13 % UV cu X = 300 - 380 nm; 49 % lumină vizibilă cu X = 380 - 700 nm; 30 % IR cu X = 700 - 1100 nm. Durata unui impuls este de 1 u.spână la 0,1 s. Chiar după câteva "flash-uri" aplicate într-o fracţiune de secundă se asigură un nivel ridicat de inactivare a microorganismelor. Procesul pentru obţinerea luminii "pulsate" a fost pus la punct de Pure Puise Technologies Inc, aparatura cuprinzând o sursă de putere mică alimentată la 220 V, un sistem de condiţionare format dintr-un capacitor şi un comutator, precum şi cameră de tratament a produsului dotată cu lămpi cu gaz inert (xenon), astfel aranjate încât să ilumineze suprafaţa expusă. Spectrul de lumină emis este de circa 20.000 ori mai intens decât al luminii solare la suprafaţa pământului, în timpul unui impuls generat de o lampă. Frecvenţa impulsurilor poate fi reglată, permiţându-se astfel optimizarea vitezei de procesare.
Caracteristicile sistemului sunt: durata impulsului 300 ns; energia impulsului 1,5 J/cm2; putere 10 kW; frecvenţa de repetiţie 0,5 Hz. Efectul "sterilizant" al impulsurilor de lumină se datorează reacţiilor fotochimice şi fototermice induse în produsele alimentare. Dacă "lumina albă" este mai "bogată" în UV sunt produse în principal reacţii fotochimice, iar dacă "lumina albă" este mai "bogată" în radiaţii vizibile şi IR se produc reacţii fototermice. Impulsurile de lumină afectează legăturile puternic conjugate carbon-carbon din proteine şi ADN, acesta din urmă putând să sufere modificări chimice şi chiar scindări. Dacă ADN-ul este afectat de radiaţiile UV ale impulsului de lumină, proteinele sunt afectate în principal de radiaţiile vizibile şi IR. De remarcat că ADN-ul afectat de impulsul de lumină nu mai revine la structura iniţială prin fotoreactivare, deoarece sistemul enzimatic reparator este inactivat în principal datorită denaturării termice. Conservarea cu impulsuri de lumină este aplicată pentru: "sterilizarea" ouălelor în coajă {Salmonella enteridis este redusă cu opt cicluri logaritmice atunci când ouăle sunt tratate cu impulsuri de lumină la o intensitate de 0,5 0,79 J/cm2); tratamentul de suprafaţă al produselor de panificaţie, brânzeturi, peşte, moluşte; sterilizarea foliilor pentru ambalarea produselor alimentare. Conservarea cu impulsuri de lumină, de regulă se cuplează cu o altă metodă de conservare cum ar fi frigul, ambalarea aseptică. Impulsurile de lumină sunt utilizate şi pentru "sterilizarea" produselor
alimentare lichide în ambalaje de plastic (PE/LLD; PE/LD, nylon, PCTFE, PE/HD etc.) precum şi pentru deshidratarea unor produse vegetale (cartofi, morcovi) la un regim termic de 30°C. în acest caz, straturile exterioare ale produsului absorb energia radiată de sursă care este transformată în căldură ce determină o vaporizare a apei, vaporii de apă fiind preluaţi de un curent de aer. După o pauză scurtă (~ 20 s), necesară migrării apei din interior spre suprafaţă, se aplică un nou impuls, ciclul reprezentându-se până la realizarea uscării.
CONSERVAREA CU RADIAŢII UV
7.1. TIPURI DE RADIAŢII UV Radiaţiile UV sunt de natură electromagnetică şi sunt clasificate de Bolton(1999) în: radiaţii UV cu X = 315 - 400 nm (UV-A) care provoacă bronzarea pielii la oameni; radiaţii UV cu X = 280 - 315 nm (UV-B) care provoacă arsuri ale pielii şi eventual produc cancerul pielii; radiaţii UV cu X = 200 - 280 nm (UV-C) care au efect germicidal, inactivând bacteriile, drojdiile şi sporii de mucegai precum şi virusurile; radiaţii UV cu X = 100 - 200 nm care sunt absorbite de toate substanţele şi care nu se transmit decât în vid. în industria alimentară se utilizează radiaţiile UV-C { X = 200 - 280) şi în special cele cuX - 240 nm, deoarece au o puternică acţiune germicida, efectul letal fiind dependent de doza de iradiere şi durata de iradiere. Acţiunea germicida 2 (reducere cu 4 cicluri logaritmice) are loc atunci când expunerea se face la < 400 J/m , factorii care influenţează
acţiunea sterilizantă a radiaţiilor UV fiind: transmisivitatea produsului; configuraţia geometrică a reactorului în care se găseşte produsul; puterea şi aranjamentul sursei (lor) de radiaţii UV; lungimea de undă a radiaţiei UV; distanţa dintre sursa UV şi produsul de tratat.
7.2. MECANISMUL DE INACTIVARE A MICROORGANISMELOR CU UV
Mecanismul de acţiune a radiaţiilor UV care provoacă inactivarea/ distrugerea microorganismelor şi viruşilor, constă în principal în absorbţia radiaţiilor UV de către molecule de ADN, absorbţie care provoacă modificări în structura acestuia, în sensul că distorsionează macromoleculele de ADN prin formarea de legături ciclobutanice între timinele corespunzătoare adeninelor complementare (seblochează formarea legăturilor de hidrogen între timine şi adeninele complementare)
Prin distorsionarea ADN-ului se blochează transcripţia şi replicarea ADN şi prin urmare se compromit funcţiile celulei, care, dependent de numărul de legături anormale formate, poate să fie distrusă. De remarcat că numărul de legături anormale formate depinde de nivelul de expunere la UV. Dacă numărul de legături anormale nu depăşeşte un anumit prag, celulele microorganismelor au capacitatea de aşi reface structura normală de ADN prin expunerea acestuia la radiaţii luminoase (lumina vizibilă este mai eficientă în spectrul radiaţiilor albastre). Sistemul de reparare enzimatic la lumină (fotoreactivare) nu mai este viabil dacă se depăşeşte un anumit număr de legături anorm ale. Celulele odată reactivate devin mult mai rezistente la acţiunea radiaţiilor UV decât cele nereactivate (tabelul 1).
Tabelul 1
Reducerea numărului de microorganisme cu 4 cicluri logaritmice la iradiere cu UV = 254 nm de o anumită intensitate (J/m 2) Microorganismul
Expunerea fără reactivare,
Expunere cu fotoreactivare, J/m2
J/m2 E. coli
110
270
Enterobacter cloacae
100
330
Klebsiella pneumoniae
110
310
Citrobacter freundi
80
250
Yersinia enterocolitica
100
320
Salmonella typhi
140
190
Salmonella typhimurium Serratia marcescens
130 130
250 300
Enterocolitica faecium
170
200
Vibrio cholerae
50
210
Pseudomonas aeruginosa
110
190
Polio virus (Mahoney)
290
-
Rotavirus SA 11
350
-
Staphylococcus aureus
380
-
La inactivarea microorganismelor mai pot interveni: •
inhibarea/inactivarea unor enzime care conţin în situsul activ grupările- SH;
•
acţiunea unor produşi de radioliză ai apei care se formează la doze mari de iradiere şi la expunere
prelungită (anion superoxidic, oxigen singlet, radical hidroxil, radical hidrogen, anion hidroxil şi peroxid de hidrogen);
7.3. APLICAŢII ALE UV
I
Radiaţiile UV au o putere penetrantă redusă (< 1,0 mm) şi de aceea ele se utilizează pentru:
Fig. 40. Schiţa de principiu a instalaţiei de tratare cu UV a cărnii înainte de preambalare: z1 - zona pentru alimentarea cărnii; Z2 - zona de iradiere; za - zona de evacuare a produsului; 1 - carcasă exterioară; 2 tub reflectorizant; 3 - bandă din plasă de sârmă inox; 4 - cadru cu lămpi UV; 5- rolele benzii; 6 - instalaţia de spălare a benzii.
• sterilizarea de suprafaţă a cărnii având unefect de reducere de > 90 % a microbioteila o distanţă a sursei de < 12 cm. Sterilizarea de suprafaţă a cărnii cu UV se combină cu refrigerarea . sterilizarea lichidelor în strat subţire la suprafaţa răcitoarelor- plane: saramură pentru injectare şi imersie, sucuri de fructe (mere) şi cidru, apa potabilă şi apa destinată răcirii carcaselor de pasăre; sterilizarea aerului din sălile de tranşare, depozite de maturare şi încăperile pentru ambalarea produselor alimentare, pentru obţinerea culturilor pure de microorganisme etc. accelerarea maturării cărnii prin menţinerea acesteia, în prima etapă, la temperatura de ~ 16°C şi cp = 85 - 90 % timp de 24 - 48 ore, lămpile UV fiind montate deasupra liniilor aeriene din depozitele frigorifice, pe care sunt suspendate carcasele, semicarcasele, sferturile. Iradierea intermitentă, se face la 24- 48 ore, intensitatea de iradiere fiind de 150 uW/cm2. După terminarea maturării, cărnurile se refrigerează rapid şi se păstrează la temperatura aerului de - 2°C. sterilizarea materialelor de ambalat (folii, caserole, hârtie) pentru produsele alimentare.
Utilizarea radiaţiilor în tratarea termică a alimentelor-radiaţii i nfraroşii
Tehnologiile termice pot fi considerate vitale pentru păstrarea alimentelor şi
pentru producerea anumitor sortimente. Temperatura este o mărime fizică care prin valorile ei mai scăzute sau mai ridicate permite păstrarea produselor pe termen lung, fie că este vorba de pasteurizare-sterilizare, fie că este vorba de congelare sau liofilizare, acţiunea ei principală fiind inactivarea microorganismelor care produc alterarea alimentelor. O altă contribuţie importantă a temperaturii în timpul încălzirii, în anumite procese de obţinere a alimentelor, este modificarea texturii şi gustului acestora, făcând posibilă aparaţia de noi produse care sa fie disponibile consumatorilor. În acelaşi timp trebuie avut în vedere şi impactul căldurii asupra calităţii alimentelor procesate termic. În general, pentru a reduce daunele termice asupra alimentelor în timpul procesării acestora, cel mai adesea se caută scurtarea duratei de procesare termică, fie că este vorba de încălzire, fie ca este vorba despre răcire. Dintre tehnicile de procesare termică ne vom ocupa de încălzirea cu unde infraroşii, care prezintă avantaje mai mari de eliberare a căldurii decât tehnicile obişnuite prin convecţie. Încălzirea cu radiaţii infraroşii oferă noi oprtunităţi care pot fi aplicate în tehnicile de gătire a alimentelor. Combinarea radiaţiilor infraroşii cu încălzirea convectivă poate duce la aparaţia unor noi alimente procesate termic. Chiar dacă se caută şi alte tehnici care să realizeze aceeaşi conservabilitate a alimentelor fără folosirea tratamentului temic, cum ar fi utilizarea presiunii înalte sau a pulsurilor electrice, deocamdată procesarea termică a alimentelor joacă un rol cheie în obţinerea diverselor alimente.
În funcţie de temperatura corpurilor încălzite se disting trei tipuri de încălzire cu infraroşii, după cum se poate observa din tabelul 1.2: radiaţii infraroşii scurte, medii şi lungi. Adâncimea de pătrundere a radiaţiilor infraroşii în alimente nu depăşeşte câţiva milimetri pentru radiaţiile infraroşii scurte care sunt, totuşi, cele mai penetrante. La polul opus se situează radiaţiile infraroşii lungi care sunt mai bine absorbite de alimente. Radiaţiile infraroşii medii sunt folosite pentru coacerea alimentelor. În industria alimentară s-au folsit cu precădere radiaţiile infraroşii lungi atât în cuptoarele obişnuite, cât şi alte echipamente de încălzire, chiar dacă au temperaturi mai mici. Utilizarea radiaţiilor infraroşii scurte a început să se impună abia prin anii 1960, atât din cauza faptului că nu se cunoaşteau foarte bine toti factorii care influenţează procesul, cât şi pentru că echipamentele au fost şi ele puse la punct tot în aceeaşi perioadă. Radiaţiile infraroşii scurte au fost folosite la început în industria de automobile, dar şi în industria textilă şi a hârtiei pentru diverse procese de uscare. Ceea ce interesează, în primul rând la utilizarea radiaţiilor infraroşii este capacitatea de transfer termic, adâncimea de pătrundere a căldurii în alimente şi modul de control a procesului. De exemplu, caracteristicile de penetrare trebuie să realizeze un bilanţ optim între încălzirea suprafeţei şi încălzirea interiorului corpului, pentru a obţine cele mai bune rezultate la încălzire. Următorii factori sunt cei mai importanţi pentru a ajunge la cele mai bune rezultate ale încălzirii: temperatura radiatorului, eficienţa accestuia, reflexia/absorbţia undelor infraroşii, proprietăţile de penetrare ale acestora.
Surse de radiaţii infraroşii
Sursele de radiaţii infraroşii sunt clasificate după următoarele criterii: în funcţie de poziţia maximului de energie radiantă din curba de emisie spectrală; după felul construcţiei; după modul de amplasare a reflectoarelor cu care sunt dotate. După primul criteriu se pot deosebi: surse de radiaţii infraroşii scurte şi ultrascurte, medii şi lungi. În prima categorie intră lămpile cu incandescenţă cu balon de sticlă care funcţionează la temperaturi de 2000-2500 K. Pentru că emit şi radiaţii vizibile se numesc şi surse luminoase. Undele ultrascurte sunt produse în tuburi cu halogen, în timp ce tuburile de cuarţ produc unde infraroşii scurte şi medii. Sursele de radiaţii infraroşii medii funcţionează la 700-1500 K şi sunt construite din materiale ceramice încălzite electric. Pot funcţiona în aer liber şi se numesc radiatoare incandescente sau surse neluminoase. Cele de radiaţii lungi funcţionează la temperaturi < 700 K. Sunt executate din ceramică sub formă de plăci sau din oţel inoxidabil, cu încălzire electrică sau cu gaze. Sunt denumite şi surse întunecate. Încălzitoarele electrice metalice în domeniul infraroşu pot fi tubulare sau plane.
Fig. 1.2. Lampă pentru radiaţii infraroşii:
1-corpul incandescent din wolfram; 2-cârlige de molibden pentru susţinerea corpului incandescent; 3-lentilă pentru înfigerea cârligelor; 4-bastonaş metalic pentru susţinerea lentilei; 5-partea aplatizată a piciorului; 6-picior; 7-tub de evacuare; 8-electrozi; 9,10-poli ai soclului; 11-balonul lămpii (după Banu şi colab., 1992).
În figura 1.2 este prezentată o lampă pentru radiaţii infraroşii scurte. O astfel de lampă are o formă parabolică, având suprafaţa interioară până la calota lămpii acoperită cu un strat subţire de aluminiu sau argint care serveşte drept reflector. Sursa de radiaţii infraroşii este filamentul de wolfram dispus in spirală în atmosferă de gaz inert (azot, argon). Aceste lămpi au puteri de 100-1000 W şi sunt alimentate la 127 şi 220 V, având o durată de funcţionare de ~ 500 h. Pentru temperaturi mai mari de 5000C balonul se execută din sticlă de cuarţ, care are şi un coeficient de transmisie mai ridicat în domeniul radiaţiilor infraroşii cu lungimea de undă mai mare de 2.6 μm. Radiatoarele în infraroşu pot fi cu funcţionare continuă sau discontinuă. Transferul termic în cazul utilizării radiaţiilor infraroşii
Viteza transferului de masă depinde de temperatura suprafeţei materialului încălzitor şi a celui receptor, de proprietăţile suprafeţelor celor două materiale şi de forma corpului emitent şi a celui receptor. Pentru a înţelege mai bine transferul termic se porneşte de la legea lui Stefan-Boltzman. Corpul negru este un corp ideal care absoarbe toate radiaţiile şi emite maximum de energie astfel că emisivitatea corpului negru este egală cu 1.
Corpurile reale au o emisivitate mai mică decât 1. Produsele alimentare, ca toate corpurile organice, au o emisivitate destul de ridicată, exprimată prin coeficienţi de emisie de la 0,8 până la 0,95.
Fig. 1.3. Caracteristici spectrale ale radiaţiei corpului negru pentru obiecte aflate la diverse temperaturi.
În figura 1.3 sunt prezentate date cu privire la diverse corpuri care radiază în domeniul IR. Distribuţia lungimilor de undă emise este importantă atât pentru a aprecia adâncimea de penetrare, cât şi pentru transferul de energie. Calculul transferului de căldură prin radiaţie între două corpuri este complex
deoarece, în afara temperaturii fiecărui corp şi a proprietăţilor de emisie-radiaţie ale acestora, poziţia lor şi geometria fiecăruia influenţează puternic schimbul de căldură dintre ele.
BIBLIOGRAFIE Barbosa, G.V. s.a. Pulsed light. J. Food Science, Supplement, 65, 4, 2000, p. 82. Barbosa-Canovas, G.V. s.a. Application of light pulses in the sterilization of foods and packaging materials. Nonthermal Preservation of Foods. Marcel
Dekker, New-York, 1997. 3.
Dunn, J. Pulsed light and pulsed electric field for foods and eggs.
Poultry Science, 75, 9, 1996, p. 1133. 4.
McGregor, S.J. s.a. Light inactivation of food-related pathogenic
bacteria using a pulsed power source. Lett. Appl. Microbiol. 27, 1998, p. 67.
5.
Mimouni, A. Applications de la lumière puisée en agroalimentaire.
Ind. Alim. et Agr. à. Mimouni, A. Application du procédé lumière puisée pure bright en IAA. Ind. Alim. et Agr. 6. ttp://www.fabricadelapte.ro/metode-alternative-de-sterilizare-a-
laptelui-de-consum (Autor: Cristina Gavrilut)
