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Main Title: High pressure processing at ambient and high temperatures and its influence on food processing contaminants, food borne diseases and bacterial spores in model- and real-food systems
Translated Title: Hochdruckbehandlung bei moderaten und erhöhten Temperaturen und deren Einfluss auf Lebensmittelprozesskontaminanten, pathogene Mikroorganismen und bakterielle Sporen in Model- und echten Lebensmittelsystemen
Author(s): Sevenich, Robert
Advisor(s): Knorr, Dietrich
Stadler, Richard
Referee(s): Rauh, Cornelia
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Hochdruck bei 600 MPa in Kombination mit milden Temperaturen macht es möglich sichere und qualitativ hochwertige Lebensmittel herzustellen. In den letzten Jahren gab es grundlegende Arbeiten zum Verständnis des Inaktivierungsmechanismus von Sporen (Bacillus subtilis etc.) und vegetativen Mikroorganismen, wie Escherischia coli und Lacotbacillus subsp., die zum größeren Verständnis der Wirkungsweise dieser Technologie beitrugen. Ein weiteres Anwendungsgebiete der Hochdrucktechnologie ist die schonende Dekontamination von Lebensmitteln, die mit resistenten pathogenen Keimen, wie dem Escherichia coli (EHEC) Stamm O104:H4, der für den Infektionsausbruch in Deutschland 2011 verantwortlich war, verunreinigt sind. Die Kombination von Drücken zwischen 100-400 MPa und Temperaturen zwischen 40-70°C führten zu einer schnelleren Inaktivierung im Vergleich zur thermischen Behandlung. Um eine Haltbarkeit von Lebensmitteln bei Raumtemperatur zu gewährleisten, wird das Lebensmittel mittels Hitze sterilisiert. Dieser Prozess ist sehr intensiv und birgt eine hohe thermische Belastung des Produktes, wodurch zwar Sporen abgetötet werden, aber es zur Bildung von unerwünschten Prozess-Kontaminanten und dem Verlust von wertgebenden Inhaltsstoffen kommen kann. Deshalb soll im Rahmen dieser Arbeit die Hochdrucksterilisation als Alternative zur thermischen Sterilisation hinsichtlich der Inaktivierung von Sporen und Reduzierung der Prozesskontaminanten getestet werden. Es gibt bis heute jedoch keinen festgelegten Leitkeim für die Hochdrucksterilisation und Wissen über das Verhalten möglicher Leitkeime, wie Clostridium sporogenes, Bacillus amyloliquefaciens oder Geobacillus stearothermophlius, in lebensmittelnahen oder echten Lebensmittelsystemen ist gering. In den letzten Jahren gab es grundlegende Arbeiten zum Verständnis des Inaktivierungsmechanismus von Sporen (Bacillus subtilis etc.) aber diese wurde hauptsächlich in Puffersystemen durchgeführt. Deshalb wurden die vorhergenannten Sporenbildner in einem breiten Druck-Temperatur Spektrum getestet, um ihre Resistenz zu bestimmen. Die Inaktivierung unterschiedlicher Sporen (Clostridium sporogenes, Bacillus amyloliquefaciens und Geobacillus stearothermophlius) in einem breiten Druck- (100-600 MPa) und Temperaturbereich (40-100°C) in ACES-Puffer zeigte, dass unter diesen getesteten Bedingungen die Bacillus amyloliquefaciens Sporen die mit der höchsten Resistenz waren und könnte somit als Leitkeim für die Hochdrucksterilisation in Frage kommen. Zum besseren Verständnis der Inaktivierung in komplexeren Systemen und dem möglichen Schutzeffekt von gelösten Stoffen wurden Bacillus amyloliquefaciens Sporen in unterschiedliche Zucker-und Salzkonzentration (0.83-1.7 mol/l bzw. 1.2-2.7 mol/l) mit variierenden aw-Werten (0.9-1) inokuliert und hinsichtlich Inaktivierung, Dipicolinsäure (DPA)-Ausschleusung und Veränderung an der Membranstruktur mittels FCM, in einem Temperaturbereich von 105-115°C bei 600 MPa untersucht. Je höher die Konzentration der gelösten Stoffe desto schlechter die Inaktivierung und dementsprechend die DPA-Ausschleusung. Wobei Zucker einen höheren Schutzeffekt auf die Sporen hatte als Salz. Für beide Stoffe zeigte sich ein ausgeprägter schützender Effekt bei einem aw von ≤ 0.94. Ab einer Temperatur von 115°C verschwindet der schützende Effekt und es existieren kaum Unterscheide hinsichtlich der Inaktivierung oder der DPA-Ausschleusung. Die FCM-Analyse zeigte, dass diese für Systeme, die eine hohe Konzentration an gelösten Stoffen enthalten hinsichtlich der Färbung noch optimiert werden muss. Allerdings zeigten die Ergebnisse Tendenzen, die auf einen Einfluss der gelösten Stoffe auf die innere Sporenmembran schließen lassen. Noch komplexer sind echte Lebensmittelsysteme und deren Einfluss auf die Sporeninaktivierung und mögliche chemische Reaktionen während der Behandlung, die zur Bildung von von Prozesskontaminanten führen können. In den letzten Jahren die Reduzierung der krebserregenden Food process contaminants (FPCs), wie Furan oder Monochlorpropandiol (MCPD)-ester, in Lebensmitteln diskutiert und Alternativen, wie die Hochdrucksterilisation, zur herkömmlichen Prozessierung nach ihrem Potential diesbezüglich gilt es ebenfalls zu untersuchen. Deshalb wurde Bacillus amyloliquefaciens in ausgewählte Lebensmittelsysteme (Babynahrung auf Gemüsebasis und Rohprodukte für Fischkonserven) inokuliert, um das Potential der Hochdrucksterilisation auf die Inaktivierung von Sporen und die Reduzierung von FPCs zu untersuchen. Es zeigte sich, dass eine Inaktivierung von Bacillus amyloliquefaciens Sporen in den Lebensmittelsystem und Modelllebensmittelsystemen im Bereich 90-110°C stark von der Zusammensetzung/Konzentration der Inhaltsstoffe abhängig war. Ab 115°C existierten nur marginale Unterschiede zwischen den Systemen, da hier die treibende Kraft der Inaktivierung die Temperatur war. Die gewonnen Inaktivierungskinetiken für Babynahrung auf Gemüsebasis und Rohprodukte für Fischkonserven, konnten zur Modellierung einer extrapolierten 12 log10 Inaktivierung, mittels eines nten –Ordnung Ansatzes verwendet werden und ein Scale up vom Labormaßstab (4 ml) auf Pilotmaßstab (55 L) durchgeführt werden. Die durchgeführten Lagerversuche zeigten, dass ein sicheres Produkt in einem Temperaturbereich von 110-115°C und einer Haltezeit zwischen 6.5 – 28 min bei 600 MPa gewährleistet werden kann. Die Furananalyse zeigte, dass die Bildung von Furan nur in Lebensmittelsystemen auftritt, die Vorläufer (sog. Precursor wie Zucker, mehrfachungesättigte Fettsäuren und Aminosäuren) enthalten. Bei den Produkten Sardine in Olivenöl und Babynahrung auf Basis von Gemüse konnte eine Reduzierung im Vergleich zur thermischen Sterilisierung (F0=7) von 72-97 % (ausgehend von 57.88 µg kg-1) bzw. 81-96 % (ausgehend von 30 µg kg-1) in einem Temperaturbereich von 90-121°C bei 600 MPa erzielt werden. Bei den MCPD-estern erfolgte keine Bildung während der thermischen oder der hochdruck-hochtemperatur Behandlung in den getesteten Systemen. Nur in Thunfisch in Sonnenblumenöl wurden größere Mengen an MCPD-estern gefunden, diese sind allerdings auf die Verwendung von raffiniertem Sonnenblumenöl zurückzuführen. Die Daten dieser Arbeit können dazu beitragen, diese vielversprechende Technologie zu kommerzialisieren und somit die Lebensmittelsicherheit und Lebensmittelqualität zu erhöhen
High pressure pasteurization, high pressure at 600 MPa in combination with mild temperatures, makes it possible to produce safe and high quality foods. In the last few years groundbreaking research was conducted to understand the inactivation mechanisms of vegetative microorganism such as, Escherischia coli and Lacotbacillus subsp., under high pressure conditions, which lead to a better understanding of this technological the working principle. Another application field of the high pressure technology is the mild decontamination of foods, which are contaminated, with resistant pathogen bacteria such as the Escherichia coli (EHEC) strain O104:H4, responsible for an outbreak of HUS in Germany in 2011. The combination of pressures between 100-400 MPa and temperatures between 40-70°C showed an accelerated inactivation as in comparison to the thermal treatment. The kinetic data from this study and the suggested mechanisms can aid in optimizing this promising sterilization technology and will increase food safety and food quality. To obtain long storage periods for foods at ambient temperatures, sterilization by heat is one of the main technologies used in the food industry. The process is quite intense with a huge thermal load applied to the product, leading not only to the inactivation of spores but also to the formation of other unhealthy compounds such as food processing contaminants (FPCs) and a loss of nutrients. This is why the use of the high pressure thermal sterilization is tested as an alternative for the thermal retorting of spore inactivation in real and model food systems and the mitigation of FPCs. To this day there is no indicator microorganism for the high pressure thermal sterilization and knowledge about the behavior of possible target microorganisms, such as Clostridium sporogenes, Bacillus amyloliquefaciens or Geobacillus stearothermophilus, in food model systems or real food system is scarce. In the last few years groundbreaking research was conducted to understand the inactivation mechanisms of spores (Bacillus subtilis etc.) but mainly in buffer systems. Therefore the aforementioned spore strains need to be tested in a broad pressure temperature range to evaluate their resistance. The inactivation of different spore strains (Clostridium sporogenes, Bacillus amyloliquefaciens and Geobacillus stearothermophilus) in a wide pressure (200-600 MPa) and temperature (40-100°C) domain in ACES-buffer showed that the most resistant one under these conditions is the Bacillus amyloliquefaciens. Therefore this spore strain could be used a possible indicator microorganism for the high pressure thermal sterilization. To gain a better understanding of the inactivation of spores and possible baroprotective effects of solutes in complex food systems Bacillus amyloliquefaciens spores were inoculated in different sucrose and NaCl solutions (0.83-1.7 mol/l respectively 1.2-2.7 mol/l) with aw-values ranging from 0.9-1. Investigated were inactivation, DPA-release and possible inner membrane changes via FCM in a temperature range of 105-115°C at 600 MPa. The higher the solute concentration the more pronounced was the impact on a retarded inactivation and DPA-release. The impact of sucrose as a baroprotective solute was stronger than NaCl. Both solutes showed their potential as a baroprotective solute at aw ≤ 0.94. At temperatures of 115°C and higher the baroportective effect of the solutes diminishes and the differences in inactivation and DPA-release are nominal for all aw. The FCM-analyses needs to be optimized for high concentrated solutions since the dying of all spores was not always possible. Although the results showed tendencies that the solutes had an impact on the inner spore membrane and therefore led to a retarded inactivation and DPA-release. Even more complex are real food systems and their influence on the inactivation of spores and possible chemical reactions during the processing which can lead to the formation of FPCs. Therefore Bacillus amyloliquefaciens was inoculated in selected food system baby food on the basis of vegetables and raw products for fish cans and tested at lab scale level concerning the inactivation and the formation of FPCs, such as furan and MCPD-ester under high pressure thermal sterilization conditions. The treatment was conducted in a temperature range of 80-121°C at 600 MPa with dwell times up to 40 minutes. It showed that the inactivation in food of Bacillus amlyoliquefaciens at 600 MPa 90-110°C and food model systems is strongly dependent on the composition/concentration of the ingredients. At 115 °C and 600 MPa the difference in terms of inactivation was nominal since the driving force of inactivation was the temperature. The collected inactivation data, for the baby food puree and the raw products for fish cans, was used to model with an nth-order approach extrapolated optimal treatment conditions for a 12 log inactivation. Based on these calculations from lab scale (4 ml) a scale up approach for a 55 L vessel was conducted. The storage trials revealed that in a temperature range of 110-115°C and dwell times between 6.5-28 min a safe product can be guaranteed. The analyses of furan showed that the formation of furan was only present in those foods (baby food puree and sardine in olive oil), which contained precursors of furan, such as amino acids, sugar and poly unsaturated fatty acids. For the products sardine in olive oil and baby food puree a reduction of furan in comparison to the initial content in the thermal treated sample was possible. The reduction was between 72-97 % (based on 57.88 µg kg-1) respectively 81-96% (based on 30 µg kg-1) in a temperature range of 90-121°C at 600 MPa. No MCPD-esters were formed either under thermal or under high pressure high temperature treatment. Only high amounts of MCPD-esters were found in tuna in sunflower oil which is due to the use of refined sunflower oil. The kinetic data from this study and the suggested mechanisms aid in optimizing this promising sterilization technology and will increase food safety and food quality.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5426
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5101
Exam Date: 26-Feb-2016
Issue Date: 2016
Date Available: 15-Apr-2016
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::660 Chemische Verfahrenstechnik::664 Lebensmitteltechnologie
Subject(s): high pressure processing
bacterial spores
high pressure thermal sterilization
food processing contaminants
pathogenic microorganisms
Hochdruckverfahren
bakterielle Sporen
Hochdrucksterilisation
Lebensmittelprozesskontaminanten
pathogene Mikroorganismen
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