Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-763
Main Title: Impact of high pressure - low temperature processes on cellular materials related to foods
Translated Title: Wirkung von Hochdruck-Niedrigtemperatur-Prozessen auf zellulare lebensmitteltrelevante Materialien
Author(s): Schlüter, Oliver
Advisor(s): Knorr, Dietrich
Referee(s): Knorr, Dietrich
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Bei den gegenwärtig im industriellen Maßstab eingesetzten Verfahren zur Herstellung und Verarbeitung von Lebensmitteln handelt es sich überwiegend um Kombinationen verschiedener Prozessschritte, die zur Erzielung der gewünschten Produkteigenschaften und zur Gewährleistung einer bestimmten Lagerungszeit angewendet werden. Neben Fermentationsverfahren und der Beimengung zugelassener Hilfs- und Konservierungsstoffe handelt es sich dabei vorrangig um rein physikalische Einflussnahmen auf die Lebensmittelmatrix. Abgesehen von den mechanischen Verfahren, wird besonders bei thermischen Prozessen der Zustand des komplexen Systems Lebensmittel, bzw. einzelner Bestandteile durch die Verarbeitung dem vorgegebenen Prozessziel entsprechend verändert. Einerseits werden unterschiedliche Aggregatzustände genutzt wie etwa beim Trocknen, Verdampfen, Kristallisieren, Schmelzen und Extrahieren, andererseits werden möglichst selektiv die reaktiven Zustände von nieder- und hochmolekularen organischen Substanzen, von Enzymen sowie von Mikroorganismen beeinflusst (Blanchieren, Pasteurisieren, Sterilisieren, Koagulieren, usw.). Die Phasen- bzw. Zustandsänderungen sind jedoch nicht nur von der Temperatur abhängig, sondern werden auch maßgeblich vom wirkenden Druck beeinflusst. Mit der Anwendung von hohem hydrostatischem Druck bietet sich eine neuartige Möglichkeit zur gezielten Steuerung zahlreicher Phasenumwandlungsprozesse bei der Lebensmittelverarbeitung, besonders im Bereich niedriger Temperaturen. Ansteigender hydrostatischer Druck beeinflusst den Phasenübergang von Wasser, wobei die Gefrier- bzw. Schmelztemperatur erniedrigt wird und begleitend eine Reduzierung der ab- bzw. zuzuführenden Kristallisationswärme erfolgt. Bei Drücken oberhalb von 209 MPa existieren zusätzliche Eiskristallformen mit einer höheren Dichte als die des Wassers. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich daher mit der Einschätzung des Potentials von Anwendungen hoher hydrostatischer Drücke im Bereich niedriger Temperaturen zur Umsetzung innovativer Lebensmittelverarbeitungsschritte unter besonderer Berücksichtigung von Wasser-Eis-Transformationen. Dabei wurde der Einfluss verschiedener Prozesse auf zellulare, lebensmittelrelevante Materialien, d.h. pflanzliches Gewebe (Kartoffel), tierisches Gewebe (Fisch) sowie Mikroorgansimen (Listeria innocua) bewertet. Beispielhaft für das Verhalten zellularer Matrices wurden zunächst die Phasengrenzlinien von Wasser im Kartoffelgewebe untersucht. Die Schmelzkurven für verschiedene Eismodifikationen (Eis I, Eis III und Eis V) konnten durch Adaption eines empirischen Models mit guter Übereinstimmung für einen Druck bis 400 MPa beschrieben werden. Unter Berücksichtigung der Bildung höherer Eisformen wurden in einem zweiten Schritt unterschiedliche druckunterstützte Gefrierverfahren untersucht, mit der Intention, ein Model zur Berechnung von Gefrierzeiten zu entwickeln. Das mathematische Model basiert auf einer nummerischen Lösung von Differentialgleichungen zur Beschreibung relevanter Wärmetransportprobleme. Die notwendige Einbindung der scheinbaren spezifischen Wärmekapazität sowie der Wärmeleitfähigkeit am druckabhängigen Gefrierpunkt erfolgte unter Verwendung der Funktion der Weibull-Dichte-Verteilung bzw. der Kumulierten-Weibull-Verteilung. In einem dritten Schritt wurde das mathematische Modell modifiziert, um die Berechnung der Temperaturprofile bei hochdruckunterstützten Auftauprozessen zu ermöglichen. Im Vergleich zu konventionellen Prozessen konnten für die hochdruckunterstützten Phasenumwandlungsprozesse deutliche Verkürzungen der Gefrier- und Auftauzeiten festgestellt werden. Verschiedene metastabile Zustände von Wasser (flüssig und fest) wurden experimentell nachgewiesen und entsprechend ihrer prozessabhängigen Beständigkeit definiert. Basierend auf den experimentellen Ergebnissen zur Prozessbetrachtung wurden bestimmte Prozessparameter ausgewählt, um die Auswirkung von Hochdruck NiedrigtemperaturAnwendungen auf qualitative Merkmale von zellularen Lebensmitteln zu untersuchen. Der Einfluss auf Kartoffelgewebe wurde mittels Texturanalyse und Impedanzanalyse, einer zerstörungsfreien Untersuchungsmethode, bewertet. Die Messung des Impedanzspektrums ermöglichte eine Aussage über den Zustand der Zellmembran innerhalb der gesamten Probe im Anschluß an eine Behandlung, wobei insbesondere die fortschreitenden Änderungen des Membranzustands beachtet werden konnten. Makroskopische Veränderungen sowie Bräunungsreaktionen wurden fotografisch bzw. durch Farbmessungen dokumentiert. Für einige hochdruckunterstützte Verfahren konnten merkliche Verbesserungen im Vergleich zu einem herkömmlichen Gefrierprozess aufgezeigt werden. Neben dem Druckwechselgefrieren wurde dabei das Gefrieren zu unterschiedlichen Eismodifikationen (Eis I, Eis III und Eis V), die Lagerung von Kartoffelproben bei 28 °C und 250 MPa (bis zu 24 h) sowie Kristall-Umwandlungen untersucht. Am Beispiel von verschiedenen, kommerziell bedeutsamen Fischarten wurde der Qualitätseinfluss des hochdruckunterstützten Auftauens bei 200 MPa im Vergleich zum konventionellen Auftauen bei 0.1 MPa beschrieben. Die qualitativen Merkmale der aufgetauten sowie der anschließend erhitzten Proben wurden anhand von sensorischen, physiko-chemischen oder auch mikrobiologischen Methoden einander gegenübergestellt. Die Hochdruckinaktivierung von fischspezifischen Mikroorganismen sowie von Parasiten deutete auf eine Erhöhung der Produktsicherheit. Um das Potential von hochdruckunterstützten Gefrier-, Auftau- und Lagerprozessen zur Steigerung der Produktsicherheit bewerten zu können, wurde zusätzlich der Einfluss relevanter Druck-Temperatur-Zeit-Kombinationen auf Listeria innocua (als Indikatorkeim für Listeria monocytogenes) in verschiedenen Medien untersucht. Die aufgezeichneten Inaktivierungskinetiken konnten unter Verwendung einer empirischen Formulierung beschrieben werden. Basierend auf der Gesamtheit der gewonnenen Resultate konnten unter Berücksichtigung einzelner Verarbeitungskriterien mehrere Prozessstrategien vorgeschlagen werden, um das Potential der Anwendung hohen hydrostatischen Drucks im niedrigen Temperaturbereich effizient bei innovativen Lebensmittelverarbeitungskonzepten nutzen zu können. Gedruckte Version im VDI Verlag Reihe Fortschritt-Berichte/Sachgebiet Verfahrenstechnik als Band 802 erschienen.
The currently established methods used for processing and producing food primarily concentrate on combining different processes to achieve desired qualities and shelf-life. With the exception of fermentation and the addition of permitted preservatives, the processes used primarily have a purely physical effect on the food matrix. However, with the use of conventional thermal processes the properties of the complex system food and/or single food components could be influenced, with respect to the process target. On one hand different aggregate states are used for drying, steaming, crystallising, melting and extracting, on the other hand the reactive state of high and low molecular organic substances, enzymes and microorganisms are selectively influenced (e.g. blanching, pasteurisation, sterilisation, coagulation). The phase or state changes are not only influenced by temperature but also directly effected by the acting pressure. With the application of high hydrostatic pressure there arises a new opportunity to specifically control phase changes during treatment of foods especially in the low temperature domain. Increased hydrostatic pressure influences the phase transition of water by way of depressing the freezing/melting point as well as reducing the latent heat of fusion. Furthermore different solid states of pure water with a higher density than the fluid exist under hydrostatic pressure above 209 MPa. Consequently, this thesis work was carried out to estimate the potential of application of high hydrostatic pressure at low temperature with special regard to high pressure supported water-ice transitions for innovative food processing. The processing effects on cellular materials related to food, i.e. plant tissue (potato), animal tissue (fish) and on microorganisms (Listeria innocua) were evaluated. In the first step of this study the phase transition lines of water in potato tissue was examined, as an example for cellular food matrices. An empirical model was adapted to accurately describe the melting curves of different ice polymorphs (ice I, ice III and ice V) for pressure levels up to 400 MPa. In the second step, high pressure-supported freezing was investigated, considering also the formation of higher ice polymorphs, with the intention of developing a model enabling the calculation of freezing times. The mathematical model was based on the solution of differential equations governing heat transfer. The apparent specific heat and thermal conductivity were modelled as functions of the pressure-dependent freezing point using the Density- and Cumulative-Weibull distribution functions. In the third step this mathematical model was adapted to also calculate temperature profiles during high pressure-supported thawing. Significant shortening of freezing/thawing times was observed for pressure supported phase transitions processes when compared to conventional processes. Different metastable states of water (liquid and solid) were experimentally observed and defined according to their process dependent stability. Based on the results of the experiments on process evaluation, specific process parameters were selected for the investigation of the impact of high pressure - low temperature processes on quality attributes of cellular foods. The impact on potato tissue was investigated by texture analysis and impedance analysis, a non-destructive method which measures the state of the cellular membranes throughout the whole sample after treatment. Using impedance analysis, special attention could be paid to the kinetic development of the state of the membranes after the treatment. Macroscopic changes, and browning reactions of the potato tissue were documented by photographs and colour measurements. Considerable improvements compared to conventional freezing were found for some pressure supported freezing processes. Beside pressure-shift freezing, the processes of freezing to different solid states (ice I, ice III and ice V, as well as storage at 28 °C and 250 MPa up to 24 h) of potato samples as well as solid-solid transformations were examined. The effects of high pressure-supported thawing on the quality of fish fillets were investigated. The influences of pressure assisted thawing at 200 MPa and of conventional thawing on the quality of both the thawed product and the subsequently cooked sample was compared. Using several commercially important fish species, the quality was evaluated by sensory, physico-chemical and microbiological methods. An improved product safety was indicated by high pressure inactivation of specific microorganisms and parasites. Furthermore, the effect of relevant pressure-temperature combinations on Listeria innocua (as indicator for Listeria monocytogenes) dispersed in different media was investigated in order to estimate the potential for increasing the product safety by applying high pressure supported freezing/storing/thawing processes. The inactivation kinetics obtained was modelled using an empirical formula. On the basis of the accumulated results and with respect to critical processing criteria several process strategies were proposed to effectively use the potential of high pressure application in the low temperature domain for innovative food processing. Printed version available from VDI Verlag.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-6647
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1060
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-763
Exam Date: 28-Jul-2003
Issue Date: 18-Dec-2003
Date Available: 18-Dec-2003
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Hoher hydrostatischer Druck
Wasser-Eis Phasenwechsel
metastabile Zustandsgebiete
Modellierung
Lebensmittelqualität
High hydrostatic pressure
water-ice phase transitions
metastable states
modelling
food quality
Usage rights: Terms of German Copyright Law
Notes: Gedruckte Version im VDI Verlag Reihe Fortschritt-Berichte/Sachgebiet Verfahrenstechnik als Band 802 erschienen.
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