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Main Title: Effect of ultrasound, temperature and pressure treatments on enzyme activity and quality indicators of fruit and vegetable juices
Translated Title: Einfluss von Kombinationen aus Ultraschall, Hitze und Druck auf Enzymaktivität und Qualitätsmerkmale von Frucht- und Gemüsesäften
Author(s): Kuldiloke, Jarupan
Advisor(s): Knorr, Dietrich
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Zusammenfassung: Einfluss von Kombinationen aus Ultraschall, Hitze und Druck auf Enzymaktivität und Qualitätsmerkmale von Frucht- und Gemüsesäften Pektinesterase (PE) ist das hitzestabilste Enzym in Zitrusfrüchten. Dieses Enzym ist verantwortlich für den Pektinabbau, der zum Verlust an natürlicher Trübung im Saft führt. Die Trübung des Saftes ist ein Indikator für die Frische von Säften und eine korrekte Saftproduktion. Die Inaktivierung von PE wird normalerweise als Indikator für eine ausreichende Pasteurisation herangezogen, da dieses Enzym resistenter gegen Hitze ist als die in Zitronensaft vorkommenden Mikroorganismen. Ultraschallbehandlung ist ein neuartiges Verfahren, das als Alternative zu thermischen Prozessen betrachtet werden kann. Es kann sowohl den konvektiven Wärmetransport als auch Kavitation hervorrufen. Dies kann eine Inaktivierung von Mikroorganismen und Enzymen zur Folge haben. Ultraschallbehandlung allein kann die thermoresistente PE auch nach langer Behandlungsdauer nicht inaktivieren. Durch Kombination von Ultraschall und Hitze (TS) kann jedoch die Reduktion dieses Enzyms, abhängig von Behandlungsdauer und Temperatur, geringfügig erhöht werden. Manothermosonication (MTS) ist eine Methode, bei der eine Kombination von Ultraschall mit Hitze und Druck eingesetzt wird. Diese Kombinationsmethode kann die Inaktivierung von PE bei moderatem Druck (100-300 KPa) deutlich erhöhen. Eine fast vollständige Enzyminaktivierung (94% Inaktivierung bei 70 °C, 300 KPa, 2 min und 96% Inaktivierung bei 80 °C, 200KPa, 5 min) tritt bei Temperaturen unterhalb von 100 °C auf. Der Erfolg der Enzyminaktivierung ist von pH-Wert, Behandlungsdauer, Temperatur, Druck und Amplitude während der Ultraschallbehandlung abhängig. Ein niedriger pH-Wert des Mediums erhöht die Enzyminaktivierung. Eine PE-Aktivität von 0,55 U/ml wurde bei pH = 2,5, 30 °C und 1 min. beobachtet, während bei pH = 7,5 und sonst gleichen Behandlungsbedingungen die PE-Aktivität 2,5 U/ml betrug. Die Erhöhung der Behandlungsdauer (um 46 % erhöhte Inaktivierung von 3 min auf 38 min. bei 70 °C, um 65 % erhöhte Inaktivierung von 3 min auf 63 min bei 80 °C) , Temperatur (für 3 min Behandlungsdauer 3,7 % Inaktivierung bei 40 °C, 95 % Inaktivierung bei 80 °C, 98 % Inaktivierung bei 90 °C), Druck (bei 70 °C, 2 min. und 100KPa lag die PE-Inaktivierung bei 26 %, bei 300 KPa lag sie bei 35 %) und Ultraschall-Leistung ( bei 80 °C, 300 KPa wurde die PE um 83,5 % bei 20% Ultraschall-Leistung, um 87% bei 50 % Ultraschall-Leistung und um 91% bei 100% Ultraschall-Leistung reduziert) erhöhte die Enzyminaktivierung ebenfalls. Die Erhöhung der Enzyminaktivierung kann auf drei Mechanismen zurückgeführt werden: Durch Druck erhöhten Ultraschalleffekt (z.B. für MTS Inaktivierung von PE, D60(100KPa) = 3,6 min, D60(300KPa)= 1,18 min), durch Ultraschall erhöhte Hitze und Druck (z.B. für die Versuchsreihe der MTS Inaktivierung von PE von frischem Zitronensaft bei 75 °C, 300 KPa, 60% Inaktivierung ohne Ultraschall, 77% Inaktivierung bei 20 % Ultraschall-Leistung, 81% Inaktivierung bei 50 % Ultraschall-Leistung) und durch Temperatur und Druck induzierte chemische Reaktionen. Der Einfluß von MTS wurde ebenfalls für frischen Zitronensaft und Erdbeersaft untersucht. MTS inaktivierte die PE, während Trübung, Farbe, pH-Wert, Trockensubstanzgehalt und Leitfähigkeit des Saftes unbeeinflusst blieben. Jedoch wurde Ascorbinsäure während der Behandlung und Lagerung abgebaut. Es ist daher wichtig, die optimalen Bedingungen bei der MTS Behandlung (z.B. Entfernung von Sauerstoff vor der Behandlung) zu untersuchen, um die wertgebende Inhaltsstoffe während der Behandlung möglichst zu erhalten. Als ein anderes Einsatzgebiet der MTS-Enzyminaktivierung wurde die Inaktivierung von PE bei Tomaten mit moderatem Druck von CO2-Gas (400 KPa) untersucht. Die dezimale Inaktivierungsdauer (D-Wert) wurde drastisch reduziert. Für Pektinesterase wurde ein D-Wert von 7,39 min bei 60 °C, 400 KPa, 100% Ultraschall -Leistung erzielt, während ohne MTS bei sonst gleichen Bedingungen ein D-Wert von 21 min beobachtet wurde. Derselbe Effekt von kombinierter MTS mit CO2-Gas wurde im Falle von Polygalacturonase (D60 = 12,74 min, D60(MTS) = 5,63 min), Peroxidase (D60 = 21 min, D60(MTS) = 7,4 min) und Polyphenoloxidase (D60 = 14,7 min, D60(MTS) = 8,9 min) von Tomaten beobachtet. Diese Inaktivierung war von Temperatur (z.B. PE; D60 = 12,8 min, D80 = 1 min) und Zeit (z.B. PE Aktivität bei 70 °C, 1min=0,49% U/ml, PE Aktivität bei 70 °C, 5min=0,08 U/min) abhängig. Weitere Untersuchungen sollten sich auf die Aufklärung des Inaktivierungseffektes von kombinierten Verfahren konzentrieren.
Abstract: The most heat stable enzyme in lemon and other citrus juices is pectinesterase (PE). This enzyme induces pectin destabilization, which causes cloud loss in the juice. The cloud presents the fresh-liked property and therefore product satisfaction. Inactivation of PE is generally used as an indicator of the adequacy of pasteurization because it is known to be more heat resistant than the common micro-organisms. Ultrasonic treatment is one of the emerging tool that could be the alternative to thermal processing. It can enhance convective heat transfer as well as generate bubble explosion, which produce local hot spot that can cause micro-organism and enzyme destruction. However, ultrasonication (US) alone cannot inactivate the thermo-stable PE, even at long exposure. The combination of ultrasound and heat (thermosonication, TS) can slightly decrease the activity of this enzyme, which depended on time and temperature. Manothermosonication (MTS) is a method of combining ultrasonication with thermal and pressure treatment. This method can significantly decrease the activity of PE at the moderate pressure (100-300 kPa) of temperature below 100°C. Almost complete enzyme inactivation (94% inactivation at 70°C, 300 kPa, 2 min and 96% inactivation at 80°C, 200 kPa,5 min) occurred under the conditions mentioned. The extent of inactivation depended on pH, time of exposure, temperature, pressure and amplitude of the ultrasound. Lowering the pH of the medium increased the inactivation of the enzyme. PE activity of o.55 unit/ml was obtained at pH 2.5, 30 °C, 1 min whereas 2.5 unit/ml was ontained at pH 7.5, 30°C,1 min. Increase in time of exposure (46% increased inactivation from 3 min to 38 min at 70°C, 65% increased inactivation from 3 min to 63 min at 80°C), temperature (for 3 min treatment time;3.7% inactivation at 40°C, 95% inactivation at 80°C, 98% inactivation at 90°C), pressure (at 70°C, 2 min PE was 26% inactivation at 100 kPa and 35% inactivation at 300 kPa) and ultrasonic power (at 80°C, 300 kPa, PE was 83.5% inactivation at ultrasonic power of 20%, 87% inactivation at power of 50% and 91% inactivation at power of 100%) enhanced enzyme inactivation. The improvement of the inactivation can be represented by pressure enhancing US (e.g. for MTS inactivation of PE, D60(100 kPa )= 3.6 min, D60(300 kPa) = 1.18 min), US enhancing heat and pressure (e.g. for the experiment of MTS inactivation of PE in fresh lemon juice at 75°C, 300 kPa, 60% inactivation without ultrasound, 77% inactivation at 20% ultrasonic power, 81% inactivation at 50% ultrasonic power) and temperature-pressure treatment inducing chemical reactions. The decimal reduction time of MTS inactivation of tomato were also dramatically decreased. For pectinesterase, D-value of 7.39 min at 60°C, 400 kPa, 100% ultrasonic power was obtained where D-value of 21 min was obtained at 60°C without MTS treatment. The same phenomenon was observed in polygalacturonase (D60 = 12.74 min, D60(MTS) = 5.63) peroxidase (D60 = 21 min, D60(MTS) = 7.4 min) and polyphenoloxidase (D60 = 14.7 min, D60(MTS) =8.9 min) inactivation. These inactivations depended on temperature (e.g. PE; D60 = 12.8 min, D80 = 1 min) and time (e.g. PE activity at 70°C, 1 min = 0.49 unit/ml, PE activity at 70°C, 5 min = 0.08 unit/ml). Further investigation should focus on the mechanisms of the combination treatment. MTS treatment was also investigated on fresh lemon juice and strawberry juice. It has been shown the great potential of this new technology since the MTS treatment could maintain properties such as cloud, colour, pH and conductivity. However, in terms of the nutrition value, ascorbic acid undergoes degradation during the treatment and storage. One needs to investigate further on the optimum treatment of MTS (e.g. oxygen removal) in order to preserve the nutritional indicators in lemon juice.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-4401
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/835
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-538
Exam Date: 27-Jun-2002
Issue Date: 20-Aug-2002
Date Available: 20-Aug-2002
DDC Class: 660 Chemische Verfahrenstechnik
Subject(s): Enzym Inaktivierung
Frucht- und Gemüsesäften
Kombinationsverfahren
Pektinesterase
Qualitätsmerkmale
Ultraschall
Enzyme Inactivation
Juice Quality
Manothermosonication
Pectinesterase
Ultrasound
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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