În termeni moderni, tehnologia de tratare la presiuni înalte (UHP ± ultra high presure)este o tehnica de procesare noua, non-termica, prin care produsele sunt supuse unei presiunihidrostatice înalte, în general în domeniu 100 ± 600 MPa, la temperatura camerei [51].Tehnologia UHP având un caracter non-termic deschide noi oportunitati pentru pentru indust industria riaali aliment mentara ara în ceea ceea ce privest privestee realiz realizarea area de noi produse produse cu calita calitati ti senzoriale si nutritionalesuperioare, cu modificari nedorite minime, cum ar fi: pierderi de aroma, culoare si substantenutritive, cu o textura noua, mult mai convenabila, mai sigure pentru consum si cu o conservabilitatecomerciala mai mare. Sub influe influenta nta presiun presiunii ii înalte înalte,, biomol biomolecu eculel lelee îsi mod modifi ifica ca comport comportamen amentul tul conformprincipiului Le Chartelier-Braun, promovând reactiile de scadere în volum si inhibând reactiile decrestere în volum [25]. Datorita acestui fapt la o temperatura relativ joasa (0-400 C ) legaturilecovalente sunt aproape neafectate de presiunea înalta, în schimb structurile tertiare si cuaternare alemoleculelor, care sunt mentinute în primul rând prin prin interm intermedi ediul ul interac interactii tiilor lor hidrof hidrofobe obe si ionice ioniceasoc asociat iate, e, se mod modif ifica ica în urma trat tratam amen entu tulu luii cu presi presiun unee înal înalta ta de 1200 1200 MPa MPa [25] [25].. În conse conseci cint ntapr apresi esiune uneaa înal înalta ta inactiveaza microorganismele, afecteaza structura polimerilor si activitateaenzimelor, în timp timp ce fact factor orii ii care care dete determ rmin inaa cali calita tate teaa alim alimen entu tulu lui, i, cum cum sunt sunt de exem exempl pluu factoriinutritionali sau caracteristicile functionale, ramân neschimbati. Presiunea înalta confera confera posibil posibilit itatea ateaîmb îmbuna unatat tatiri iriii procesar procesarii, ii, iar caract caracteri eristi sticil cilee unice unice de pastrare pastrare a legatu legaturil rilor or covalen covalente te intact intactee în timpul timpulcom comprim primarii arii,, activa activarea/ rea/inac inactiv tivarea area select selectiva iva a enzimelor, enzimelor, distrugerea distrugerea bacteriana bacteriana si capacitatea capacitatea deretentie deretentie a calitatilo calitatilorr senzoriale senzoriale într-un într-un ritm mult mai mare decât într-un într-un proces termic reprezintaâteva reprezintaâteva dintre avantajele acestui proces, care are ca rezultat producerea de alimente de calitate superioara [28]. Transf Transforma ormaril rilee alimen alimentel telor or sub efectu efectull presiun presiunii ii înalt înaltee pot fi irevers ireversibi ibile le sau reversibile,în functie de proces, substantele implicate, conditiile de mediu, timpul de expunere, combinatiadintre presiune si temperatura. Efectele tratamentului cu presiune înalta asupra sistemelor alimentaresunt dependente în principal de efectele presiunii si temperaturii asupra proprietatilor termodinamicesi de transport ale sistemelor alimentare, incl incluzâ uzând nd comp compon onen ente tele le acest acestora ora si inte interac racti tiuni unile le dint dintre re ele. ele. Câte Câteva va propr proprie ieta tati ti termodinamice
relevante
ale
tratamentului
cu
presiune
înalta
sunt
densitatea,compresibilitatea, coeficientul termic de presiune adiabatica, proprietatile fazei
de tranzitie (ex.fierberea si temperatura de topire), solubilitatea si modificarile acestora. Presiunea este o variabila astarii fizice care influenteaza valorile acestor proprietati [53].Avantajele si limitarile folosirii metodei presiunii hidrostatice sunt redate în continuare: Avantajele folosirii presiunii înalte: Aplicarea presiunii înalte nu este dependenta de marimea si forma alimentului. Aplicarea presiunii înalte este independenta de raportul timp/masa si actioneaza instantaneureducând timpul de prelucrare. Aplicarea presiunii înalte nu rupe legaturile covalente; în consecinta nu se dezvolta aromestraine în produs, mentinându-se astfel aroma naturala a produselor. Presiunea înalta poate fi aplicata la temperatura camerei reducându-se astfel cantitatea deenergie termica necesara pentru produsele alimentare în timpul prelucrarii conventionale. Deoarece presiunea înalta este un proces izostatic (se propaga uniform în tot produsul),alimentul este conservat uniform fara ca alte particule sa poata patrunde în timpul tratamentului. Procesul nu afecteaza mediul înconjurator, necesita numai energie electrica si nu se producdeseuri Se mensin aroma, nutrientii si culoarea alimentelor tratate la presiuni înalte, atunci cândprocesul are loc la temperaturi joase. Procesul nu depinde de dimensiunea si forma produsului, presiunea este distribuita uniform siinstantaneu, toate acestea reducând timpul de prelucrare comparativ cu procesele conventionale. Limitarile presiunii înalte sunt: Enzimele din alimente si sporii bacterieni sunt rezistenti la presiune si necesita pentru inactivareo presiune foarte înalta. Activitatea enzimatica reziduala si oxigenul dizolvat duce la o degradare enzimatica si oxidativaa anumitor componente din aliment
Majoritatea alimentelor tratate la presiune înalta necesita depozitare si distributie la temperaturajosa, pentru a pastra calitatile senzoriale si nutritive. Mecanismelor si efectele asupra alimentelor si constituentilor celulari nu sunt pe deplinelucidate. Cercetarile
privind
efectul
presiunii
înalte
asupra
alimentelor
si
microorganismelor dinalimente au început cu studii pe lapte, carne si microflora acestora. S-a observat ca laptele supus la opresiune de 600 MPa, timp de 10 minute, la temperatura camerei a avut ca efect scaderea numaruluide bacterii. Carnea expusa la presiunea de 520 MPa pentru o ora la 250Ca prezentat oconservabilitate de 3 saptamâni (Farr, 1990). Rezistenta microorganismelor la presiune înaltavariaza mult, iar reducerea încarcaturii microbiene este în directa legatura cu nivelul presiuniihidrostatice înalte aplicate (de asemenea cu temperatura, care este dependenta de presiune datoritacaldurii adiabate), tipul si faza de crestere a microorganismului, matricea alimentului si conditiilemediului înconjurator (ex. factorilor fizico-chimici si sinergetici) (Aleman si colab.,1994; ArroyosI colab.,1997; Linton si Patterson, 2000; Farkas si Hoover, 2000; Furukawa si colab.,2002; He sI colab.,2002; Ludwig si colab.,2002) Calitatea si siguranta produselor alimentare tratate la presiuni înalte depinde în maremasura de proprietatile microorganismelor care contamineaza alimentul. Cercetatorii au demonstrat ca presiunea înalta inactiveaza microorganismele inducândtransformari în morfologia acestora, la nivelul reactiilor biochimice, a mecanismelor genetice simembranelor celulare [26]. Rezultatele studiilor efectelor presiunii înalte asupra supravietuiriibacteriilor patogene ca: Listeria monocytogenes, Aeromonas hydrophilasi E nterococcus hirae - cucare au fost contaminate artificial alimente precum sunca afumata, brânzeturi maturate si sucuri defructe indica faptul ca numarul microorganismelor descreste proportional cu presiunea aplicata sidurata tratamentului, iar efectele acestor doi factori sunt semnificative (nivel sau probabilitate, P”0.001).Inactivarea sporilor bacterieni prezinta un interes special pentru sterilizarea alimentelor slab acide, spre deosebire de alimentele acide (sucurile de fructe si gemurile, iaurt si carneaacidulata) unde pH-ul scazut serveste drept inhibitor pentru cresterea bacteriana. Studiile au aratat caunii constituenti alimentari si
interactiunile lor au efecte protectoare la influenta presiunii asupraflorei naturale microbiene spre deosebire de studiile în care sunt folosite solutiile-tampon sau culturipure din laboratoare (Calik si colab.,2002;Castellari si colab.,2000; Gauzle si i colab.,2001). În altestudii, substante ca: zaharoza, trehaloza, glucoza si clorura de sodiu au cauzat efecte sinergice; întimp ce glicerolul, acidul citric si acidul sorbic au redus actiunea presiunii asupra inactivarii microorganismelor [53]. De asemenea, exista dovezi experimentale, precum faptul ca sterilizarea cupresiune poate fi îmbunatatita suplimentar când procesul are loc la temperatura scazuta, inclusiv latemperaturi sub 0oC (Hashizumesi colab.,1995;1996; Hayashisi colab.,1998). Inactivareamicrobiologica se realizeaza mai rapid decât cea enzimatica (Smelt, 1998).De asemenea s-a observat ca bacterii Gram negative au fost inactivate la presiune joasa,comparativ cu bacteriile Gram pozitive, iar drojdiile au sensibilitate la presiune intermediara acestor doua grupe de bacterii. Efectul presiunii înalte asupra viabilitatii microorganismelor este, în modevident, o combinatie a factorilor care pot cauza modificari în morfologie, profilul genetic, înreactiile biochimice, ale membranelor celulare si sporilor. Presiunea înalta modifica permeabilitateamembranelor celulare având drept rezultat tulburarea mecanismelor de transport, conducând lapierderea nutrientilor si în cele din urma la moartea celulelor [27]. Schimbarile induse în morfologiacelulei pot fi reversibile la presiune joasa, dar ireversibile la presiune înalta (Farr, 1990)Hayakawa (si colab.,1994), a demonstrat ca sporii microbieni pot fi distrusi prinaplicarea unui tratament combinat dintre temperatura (de 800C) si presiune înalta (de 600 MPa).Aceasta combinatie de tratament pare a fi eficace doar când presiunea este aplicata în pulsuri scurte.Microorganismele patogene care nu formeaza spori,Listeria monocytogenessiVibrioparahaemol yticus, prezinta rezistenta la inactivarea cu presiune (Stylessi colab.,1991 ). Mussa (sicolab.,1999) a studiat cinetica distrugerii la presiune înalta aListeriei monocytogenes în laptelecrud. Acesta a observat un efect dublu de distrugere a microorganismelor cu presiune constând din presiunea care poate inactiva instantaneu microorgasnismul prin aplicarea unui puls fara nici untimp de mentinere, (ii) urmat de o viteza de distrugere cu o cinetica de ordinul întâi pe perioada deaplicare a tratamentului [48]
3.5. Procesarea la presiune inalta 3.5.1. Introducere Procesarea la presiune inalta consta in supunerea alimentelor solide si lichide, cu sau fara ambalaj, unor presiuni cuprinse intre 100-800 MPa. Temperatura procesului in timpul tratamentului poate fi cuprinsa intr-un domeniu larg (sub zero pana la peste 100°C). Echipamentul este proiectat astfel incat sa suporte aceste presiuni de- a lungul mai multor cicluri. Timpii de expunere la presiune pot varia de la un puls cu durata de 1ms, pana la peste 1200 s. Presiunile folosite in tratamentul cu presiune inalta (HPP) par a avea un efect nesemnificativ asupra legaturilor covalente (Tauscher, 19981999). Prin urmare, alimentele supuse HPP la temperatura camerei nu vor suferi transformari chimice semnificative. HPP poate fi combinat cu caldura pentru a obtine o rata de inactivare mai mare a microbilor si enzimelor. Modificarile chimice din alimente vor fi in general o functie de temperatura procesului selectata in conjunctie cu tratamentul cu presiune. HPP actioneaza instantaneu si uniform intr-o masa de aliment, independent de marimea, forma si compozitia alimentului. Prin urmare, marimea ambalajului, forma si compozitia nu sunt factori care influenteaza procesul. Lucrul mecanic de compresie in timpul tratamentului cu HPP duce la cresterea temperaturii alimentului prin incalzirea adiabatica cu aproximativ 3°C/100Mpa, in functie de compozitia alimentului. Figura 9 arata cresterea de temperatura pentru apa si grasimi in functie de presiunea de comprimare. Pentru a obtine o crestere uniforma de temperatura intr-un sistem omogen in timpul comprimarii este necesara o temperatura initiala uniforma
Fig. 9 In timp ce temperatura unui aliment omogen creste unifom in timpul comprimarii, distributia de temperatura in masa alimentului in timpul perioadei in care presiunea este mentinuta constanta se poate modifica datorita schimbului de caldura cu peretii vasului. Acesta trebuie mentinut la temperatura finala a alimentului, obtinuta in urma comprimarii. Volumul alimentelor scade cu presiunea, asa cum arata figura 10, o crestere egala a volumului avand loc la destindere. De aceea, ambalajele folosite pentru alimentele tratate cu HPP trebuie sa permita o reducere de pana la 15% a volumului si o revenire la volumul initial, fara a-si pierde capacitatea de izolare.
Cu cat creste nivelul presiunii si timpul de tratament, cu atat este mai mare capacitatea de modificare a aspectului alimentelor tratate. Acest lucru este in special valabil pentru alimentele proaspete bogate in proteine, la care denaturarea proteinelor indusa de presiune este vizibila. De obicei aceste modificari nu sunt de dorit, deoarece alimentele isi pierd aspectul proaspat. Produsele alimentare care au fost tratate cu HPP si comercializate includ: gemuri si jeleuri de fructe, sucuri de fructe, sosuri de salata, prajituri de orez, foie gras, sunca si altele. 3.5.2. Factori care influenteaza inactivarea microbiana Tipul de microorganism. Bacteriile Gram-pozitive sunt in general mai rezistente la presiune decat bacteriile Gram-negative, desi exista si exceptii notabile. Cu cat forma de viata este mai evoluata, cu atat aceasta este mai sensibila la presiune. Conditiile de
crestere si varsta microorganismului. In general, celulele aflate in faza logaritmica de crestere sunt mai sensibile la presiune decat celulele din faza stationara. In cazul in care inactivarea microorganismelor prin presiune este incompleta, acestea se pot reface daca conditiile de crestere sunt optime. Compozitia, pH-ul, activitatea apei. Ratele de inactivare cresc prin expunerea la pH-uri acide. Activitati mici ale apei par a impiedica inactivarea. Comprimarea alimentelor poate duce la modificarea pH-ului acestora, in functie de presiunea aplicata. Sensul si marimea deplasarii pH-ului trebuie determinate pentru fiecare aliment. La scaderea pH-ului, majoritatea devin mai susceptibile la HPP, iar refacerea celulelor inactivate incomplet se face mai greu. In absenta unor cresteri semnificative ale temperaturii, tratamentul cu HPP nu conduce la ruperea legaturilor chimice covalente. Pe de alta parte, legaturile ionice, cum sunt cele responsabile de structura tridimensionala a proteinelor, sunt influentate de pH si pot fi rupte prin tratamentul cu presiune. Nu s-a confirmat inca ipoteza dependentei activitatii apei de presiune.Oxen si Knorr (1993) au aratat ca o scadere a activitatii apei de la 0,98-1,0 la 0,94- 0,96 duce la o reducere semnificativa a ratei de inactivare pentru microbii suspendati intr-un aliment. Reducerea activitatii apei pare sa protejeze microbii impotriva inactivarii prin HPP. Pe de alta parte, este foarte probabil ca celulele microbiene sa fie inactivate incomplete prin tratamentul cu presiune, iar refacerea acestor celule este inhibata de activitati mici ale apei. Prin urmare, efectul net al activitatii apei este dificil de estimat. Alimentele constituie medii mai protective la HPP pentru microorganisme decat solutiile tampon sau mediile microbiologice. Temperatura, valoarea presiunii, rata de comprimare si timpul de mentinere la presiune constanta. Cresterea presiunii, a timpului sau a temperaturii
procesului
determina in general cresterea ratei de inactivare. O crestere a temperaturii alimentului peste temperatura camerei si intr-o masura mai mica o scadere sub aceasta temperatura conduc la cresterea ratei de inactivare a microorganismelor in urma tratamentului cu HPP. Exista o presiune critica minima sub care inactivarea microbiana prin presiune nu are loc, indiferent de durata procesului. In tratamentul cu HPP trebuie luati in considerare si alti factori, cum ar fi: periada necesara pentru a se atinge valoarea dorita a presiunii, timpul de destindere si modificarile de temperatura datorate comprimarii. In mod evident
timpii lungi de comprimare se vor adauga la durata totala a procesului si vor afecta atat produsul, cat si cinetica de inactivare a microorganismelor. 3.5.3. Mecanisme de inactivare Cand alimentele sunt supuse la presiuni inalte, comprimarea se transmite instantaneu prin mediile hidrostatice microbilor. Comprimarea pare sa determine inactivarea microbiana prin modificarea proteinelor responsabile de replicare, integritate si metabolism. Presiunea inalta nu rupe legaturile covalente, dar deterioreaza legaturile ionice si de hydrogen responsabile pentru mentinerea proteinelor in forma lor activa biologic. Prin urmare, se poate postula ca inactivarea microbiana este o consecinta a denaturarii ireversibile a uneia sau mai mutor proteine critice din microoganisme. De vreme ce usurinta cu care o proteina este denaturata depinde de structura ei, domeniul de valori pentru rezistenta diversilor microbi la presiune este foarte larg. Dupa tratamentul cu presiune sau cu incalzire moderata poate avea loc repararea celulara. Aceasta arata ca o proteina critica a fost denaturata, dar probabil proteinele responsabile de reparare nu au fost afectate, astfel incat proteina critica a putut fi reparata. Mecanismul de reparare poate fi afectat de compozitia alimentului. Acizii din alimente pot inhiba activitatea de reparare a proteinelor celulare deteriorate si in consecinta pot creste sensibilitatea microbilor la presiune sau caldura. Cecetarile asupra efectelor presiunii asupra proteinelor arata un paralelism intre mecanismele de activare si inactivare reversibila si ireversibila a proteinelor prin caldura si presiune. Johnson si Eyring (1974) au propus modele cinetice pentru activarea si inactivarea ireversibila a proteinelor prin caldura si presiune. Teoria ratelor absolute de reactie se bazeaza pe formarea unui complex intermediar instabil, care se descompune la o rata care este fixata de temperatura sistemului. Prin urmare, rata reactiei, fie ca este vorba de o reactie catalizata de enzime, sau reactie de denaturare ireversibila a unei proteine va fi controlata de rata de formare a complexului activat. Aceasta rata (la 0,15 MPa) depinde de variatia energiei libere Gibbs la trecerea din starea normala in cea activata. Efectul temperaturii asupra vitezei de reactie este data de ecuatia Arrhenius: k = Ae-E/RT (1)
unde A, o constanta, si k, viteza de reactie, sunt determinate experimental. Aceasta ecuatie poate fi scrisa pentru a determina E, energia de activare, daca se cunosc vitezele de reactie kT1 si kT0 la doua temperaturi T1 si T0 (presiunea este constanta): E = Rx 2,3 ( lg kT1 . lg kT0 )/ [(1/T0) . (1/T1)] (2) O ecuatie similara poate fi scrisa pentru efectul presiunii asupra unei reactii, atunci cand temperatura se mentine constanta (0°C). In acest caz, V de activare reprezinta diferenta de volum dintre complexul activat si reactanti. Pentru proteine aceasta ar putea reprezenta diferenta de volum dintre proteina aflata in forma activate si cea denaturata ireversibil. V = 2.3RT [ log kp1 - log kp0] / [p1 - p0 ] (3) Procesarea alimentelor cu ajutorul presiunii duce intotdeauna la o crestere de temperatura, datorata lucrului mecanic de compresie. In schimb, incalzirea unui aliment prin transfer de caldura (la 0,15 MPa) nu duce la o crestere a presiunii in aliment. De aceea, temperatura trebuie mentinuta constanta in timpul procesului sau monitorizata atent in timpul comprimarii si destinderii. Proteinele prezinta o temperatura critica Tc la care incepe denaturarea termica (la presiune constanta). Rata de denaturare ireversibila a proteinei creste, conform ecuatiei 2, odata cu cresterea temperaturii peste Tc. Proteinele prezinta de asemenea o presiune critica la care incepe denaturarea lor ireversibila (la temperatura de 0°C). Dependenta ratei de denaturare a proteinelor de presiune este descrisa in cazul ideal de ecuatia 3. Dar variatia volumului de activare V al unei proteine microbiene critice sau al unei enzime care sufera o denaturare ireversibila sub actiunea presiunii este foarte sensibila la modificari mici ale temperaturii peste 0°C. Aceasta poate explica de ce datele experimentale de inactivare microbiana obtinute la temperatura camerei, fara o monitorizare a temperaturii in timpul comprimarii, sunt atat de greu de interpretat cu modelul matematic descris mai sus. Denaturarea proteinelor prin presiune pare a fi un proces mult mai subtil decat denaturarea termica. 3.5.4. HPP in combinatie cu alte tehnologii de procesare O metoda de conservare care include HPP, desi la presiuni semnificativ mai mici, de sub 15MPa, este procesarea alimentelor prin actiunea combinata a presiunii si dioxidului de carbon (Haas et al, 1989). Desi presiunile sunt mici, metoda este foarte eficienta datorita efectului antimicrobian al dioxidului de carbon. Mecanismul de
inactivare sugerat consta in scaderea pH-ului intracelular datorita patrunderii in celula a unei cantitati mari de CO2 si nu datorita ruperii peretilor celulari sau membranei din cauza presiunii CO2. Alte metode combinate includ: HPP si iradiere, HPP, caldura si ultrasunete (de asemenea cu presiuni mult mai mici decat cele folosite traditional in HPP, de ordinul kPa), HPP si diversi compusi antimicrobieni.
