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Main Title: Pulsed Electric Fields (PEF) for Permeabilization of Cell Membranes in Food- and Bioprocessing – Applications, Process and Equipment Design and Cost Analysis.
Translated Title: Gepulste elektrische Felder (PEF) zur Permeabilisierung von Zellmembranen in der Lebensmittel- und Biotechnologie - Anwendungen, Prozess- und Anlagenentwicklung und Effizienzanalyse
Author(s): Töpfl, Stefan
Advisor(s): Knorr, Dietrich
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Der Einfluss gepulster elektrischer Felder (PEF) auf Liposomen und Membranen pflanzlicher, tierischer und mikrobieller Zellen wurde untersucht. Eine Reihe von Pulsmodulatoren und Behandlungszellen wurde realisiert, um den Einfluss unterschiedlicher Anlagen-, Prozess- und Produktparameter zu bewerten. Für pflanzliche und tierische Zellen wurde eine kritische Feldstärke im Bereich von 0,3 bis 0,5 kV/cm, für Mikroorganismen von 10 bis 15 kV/cm beobachtet. Das Ausmaß der Membranpermeabilisierung wurde mittels Impedanzanalyse für pflanzliche und tierische Gewebe und mittels Durchflußzytometrie für Mikroorganismen und Liposomen bestimmt. Die Auswirkung auf Stofftransportvorgänge in Geweben wurde im Labor- und technischem Maßstab untersucht. Eine Steigerung der Extrahierbarkeit intra-zellulärer Substanzen sowie der Ausbeute von Frucht- und Gemüsesäften bis zu 7 % bei äquivalenter Produktqualität konnte im Vergleich zu Kontrollproben gezeigt werden. Versuche in technischem Maßstab zeigten den Einfluss einer Elektroporation auf die Maischestruktur, eine Anpassung der Parameter der folgenden Fest-Flüssig-Trennung war notwendig. Durch eine Behandlung von Fleischwaren konnte deren Trocknung, Marination oder Pökeln beschleunigt werden, durch verbesserte Verteilung wasserbindender Agenzien innerhalb des Gewebes konnte eine Reduktion des Garverlustes erreicht werden. Die Inaktivierung von Mikroorganismen wurde am Beispiel von Fruchtsäften und Milch in untersucht, die Anwendbarkeit des Verfahrens zur schonenden Haltbarmachung wurde gezeigt. Eine Kombination mit milder Hitze führte zu einer deutlichen Verbesserung der Energieeffizienz. Anhand von Laktoperoxidase in Milch wurde die Inaktivierung von Enzymen ermittelt, es wurde ein lediglich geringer direkter Einfluss elektrischer Felder beobachtet. Zusätzlich wurde die Eignung zur Reduktion der Überschußschlammenge bei der biologischen Abwasserbehandlung und zur Konservierung von Algenextrakten untersucht. Der Energiebedarf für eine Permeabilisierung unterschiedlicher biologischer Membranen in Abhängigkeit vom induzierten Membranpotential wurde verglichen. Eine Effizienzanalyse zeigte deutliche Kosten- und Zeitvorteile bei einer Anwendung einer PEF-Behandlung als Zellaufschlussverfahren tierischer und pflanzlicher Gewebe im Vergleich zu konventionellen Technologien. Eine Anwendung als Konservierungsverfahren führte auch nach energetischer Optimierung zu höheren Behandlungskosten als eine thermische Behandlung, jedoch können diese durch Verbesserung der Produktqualität bei Premium- oder thermolabilen Produkten gerechtfertigt werden. Der Zellaufschluss bei Fleischwaren, Frucht- und Gemüsemaischen konnte als vielversprechendste Einsatzmöglichkeit des Verfahrens identifiziert werden um, etwa 50 Jahre nach den ersten empirischen Untersuchungen von Heinz Doevenspeck, eine breite Anwendung des Verfahrens in industriellem Maßstab zu erzielen.
The impact of pulsed electric fields (PEF) on phospholipid vesicles, plant and animal as well as microbial and protozoa membranes was investigated. A series of pulse modulators and treatment chambers was realized in order to examine the diversity of components, materials and processing parameters. Electric field strength, energy input and treatment temperature were identified as key processing parameters. A critical field strength of 0.3 to 0.5 kV/cm for plant and animal and 10 to 15 kV/cm for microbial cells was observed. Degree of permeabilization was investigated by impedance analysis for plant and animal tissue and flow cytometry for microbes and liposomes to optimize processing parameters. The impact of membrane permeabilization on mass transfer processes was investigated for plant and animal tissue in lab- and technical scale. It was shown that extractability of fruit and vegetable juices or intracellular compounds can be enhanced after a PEF-treatment. An increase of up to 7 % of yield was found in comparison to untreated samples, juice quality was equivalent. Technical-scale treatments revealed the impact of a PEF-treatment on structural properties of fruit mash, an adaptation of liquid-solid separation techniques was shown to be required. A PEF-treatment of meat resulted in enhanced mass transfer during drying as well as brining of products, an improvement of water binding during cooking was found due to improved microdiffusion of brine and water binding agents. Microbial inactivation was investigated in different liquid media. For fruit juice and milk the applicability to achieve a gentle preservation was shown. The impact of processing parameters was evaluated in order to reduce electric energy requirements. A combined application of PEF and mild heat showed highly synergetic effects and improved energy efficiency. Enzyme inactivation was determined for lactoperoxidase in milk in comparison to thermal inactivation. It was observed that only a minor part of the inactivation was related to electric field effects, whereas at higher treatment intensities mainly thermal effects occurred. In addition the PEF applicability to achieve disintegration of sludge during waste water processing and for preservation of algae extracts was shown. Energy requirements to induce pore formation in different biological membrane systems were compared dependent on transmembrane potential induced. An analysis of cost efficiency showed that disintegration of plant and animal material by PEF is superior in comparison to a conventional treatment in terms of energy and time requirements as well as costs of operation. For microbial inactivation by PEF even an optimized treatment resulted in higher production costs, but consumer and quality benefits might justify these extra efforts for premium or thermally sensitive products. Meat, fruit and vegetable treatment were identified as the most promising applications to achieve a broad industrial exploitation of the technique, approximately 50 years after first empirical reports by Heinz Doevenspeck.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-13978
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1738
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1441
Exam Date: 20-Sep-2006
Issue Date: 6-Oct-2006
Date Available: 6-Oct-2006
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Desintegration
Elektroporation
Haltbarmachung
Hochspannungsimpuls
Zellmembran
Cell membrane
Disintegration
Electroporation
Preservation
Pulsed Electric Field
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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