Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-689
Main Title: Untersuchungen zum Einsatz von nichtthermischen Zellmembranpermeabilisierungsmethoden zur Beeinflussung des Massentransports in pflanzlichen Lebensmitteln
Translated Title: Impact of non-thermal methods on cell membrane permeabilisation and mass transfer in the processing of plant based food
Author(s): Tedjo, Wahyuningsih
Advisor(s): Knorr, Dietrich
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Der Einfluss von verschiedenen nichtthermischen Verfahren, wie elektrische Hochspannungsimpulsen (HELP), hydrostatischer Hochdruck (HP), komprimiertes (cCO2) bzw. überkritisches Kohlendioxid (ScCO2), Hochleistungsultraschall (US) auf die Zellmembran-permeabilisierung von ausgewählten Früchten und Gemüsen (Weinbeeren, Pflaumen, Mango, Rote Beete, Spargel, rote Paprika) wurde untersucht und mit konventionellen thermischen bzw. enzymatischen Permeabilisierungsmethoden verglichen. Zusätzlich wurde der Effekt der nichtthermischen Verfahren auf die anschließenden Verarbeitungsprozesse (Entsaftung, Extraktion, osmotische Trocknung und Warmlufttrocknung sowie Fermentation) im Bezug auf die Prozesskinetik und die Produktqualität untersucht. Der Grad der thermischen Permeabilisierung hing von der Temperatur und Behandlungsdauer ab. Eine Mindesttemperatur von 50 °C und 15 min war notwendig, um eine geringfügige Permeabilisierung (Zp = 0,1) zu erzielen. Der Permeabilisierungseffekt von HELP war von der Feldstärke, Pulszahl, Energieeintrag und Rohware abhängig. Bei einer Feldstärke von 0,7 bis 3 kV/cm und Raumtemperatur konnte nach 10 bis 50 Pulsen ein Permeabilisierungsgrad, der ähnlich einer thermischen Behandlung bei 65 °C für 15 min war, erzielt werden. Der Energieeintrag (ca. 6-20 kJ/kg) und die Behandlungsdauer (10 bis 50 s bei f = 1 Hz) waren deutlich geringer als bei thermischer Permeabilisierung (ca. 170 kJ/kg, 900 s). Ebenfalls war die HP-induzierte Permeabilisierung von den Behandlungsbedingungen abhängig. Die Erhöhung von Behandlungsdruck, -temperatur und -dauer beeinflusste den Permeabilisierungsgrad, abhängig von der eingesetzten Rohware, mehr oder weniger stark. Nach der HP-Behandlung bei 500 MPa, 50 °C für 10 min konnte ein Permeabilisierungsgrad, der ähnlich einer thermischen Behandlung (65 °C, 15 min) war, beobachtet werden. Der Einfluss der (S)cCO2-Druckhöhe auf den Permeabilisierungsgrad war deutlich ausgeprägter als bei der HP-Behandlung. Zusätzlich führte eine geringe Temperaturerhöhung während der (S)cCO2-Behandlung zu einer deutlichen Erhöhung des Permeabilisierungsgrades. Eine Behandlung bei 7,1 bis 30 MPa bei 20-28 °C für 10 min war, je nach eingesetzter Rohware, ausreichend um einen Permeabilisierungsgrad, der ähnlich einer thermischen Behandlung (65 °C, 15 min) war, zu erzielen. Der Grad der US-Permeabilisierung hing von der Ultraschallleistung und Behandlungsdauer ab. Ultraschallbehandlung (30 W, 4 min) bewirkte einen Permeabilisierungsgrad (Zp) der grobzerkleinerten Weinbeeren von ca. 0,4. Die Vorbehandlung von Weinbeeren mit nichtthermischen Verfahren führte sowohl zur Erhöhung der Saftausbeute, als auch zur Verbesserung der Saftqualität. Der Farbstoff- und Mineralienaustritt aus den Rote Beete stiegen nach der Vorbehandlung mit nichtthermischen Verfahren im Vergleich zu unbehandelten signifikant an. Ein direkter Zusammenhang zwischen dem Permeabilisierungsgrad und dem anschließendem Stoffaustritt konnte, sowohl bei thermisch als auch bei nichtthermisch-vorbehandelten Rote Beete, festgestellt werden. Die HELP, HP, cCO2 beschleunigten die osmotische Trocknung von Mango. Die Zuckeraufnahme stieg bei allen vorbehandelten Proben im Vergleich zu unbehandelten. Die Zuckeraufnahme von cCO2-vorbehandelten Proben war am höchsten, die Wasserabgabe am niedrigsten und die geringste Schrumpfung im Vergleich zu anderen Proben. Die HELP-vorbehandelte Probe zeigte die geringste Veränderung der sensorischen Eigenschaften (Geschmack, Farbe) und war den unbehandelten ähnlich. Bis zur 40 % Trocknungszeitreduzierung, je nach eingesetzter Rohware, Trocknungsart und -temperatur, konnte durch HELP-Vorbehandlung erzielt werden. Die nichtthermische Verfahren konnte die Fermentationsdauer von rotem Paprika um bis zu 3 Tagen (45 %-ige Verkürzung) beschleunigen. Es wurde kein signifikanter Unterschied zwischen den vorbehandelten Proben gefunden, außer bei HP-vorbehandelten (aufgrund der Auslaugung der Inhaltsstoffe ins Behandlungsmedium während der HP-Behandlung). Die nichtthermischen Permeabilisierungsmethoden bewirkten bei allen untersuchten Proben eine Texturerweichung und Farbveränderung. Die Höhe hing von der eingesetzten Rohware, Behandlungsmethode und Permeabilisierungsgrad. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen zeigten, dass diese nichtthermischen Verfahren geeignete und produktschonende Alternativen zu thermischen bzw. enzymatischen Zellaufschlussmethoden sind. Der Massentransport ist eine Funktion der zellularen Vollständigkeit (Zp), der strukturellen und der chemischen Veränderungen der pflanzlichen Gewebe während der Vorbehandlung.
The influence of different non-thermal processes, such as high electric field pulses (HELP), high hydrostatic pressure (HP), compressed (cCO2) and/or supercritical carbon dioxide (ScCO2), high intensity ultrasound (US) on cell membrane permeabilisation of selected fruits and vegetables (grapes, plums, mango, red beet, asparagus, red paprika) was examined and compared with conventional thermal and/or enzymatic methods. In addition, the impact of these non-thermal methods on processing kinetics and product quality during juice extraction, osmotic dehydration, air dehydration and fermentation was evaluated. The extent of permeabilisation during thermal treatment was found to be time and temperature dependent. A minimum temperature of 50 °C for 15 min resulted in a permeabilisation equivalence of Zp = 0.1. Field strength, pulse number, energy input and material were found to significantly influence extent of permeabilisation during HELP treatment. Varying field strength from 0.7 to 3 kV/cm and pulse number from 10 to 50 yielded permeabilisation index similar to thermal treatment with 65 °C for 15 min. The required energy input ( 6.2 kJ/kg) and treatment time (10 to 50 s, f = 1 Hz) during HELP process were far lower than both the energy input ( 170 kJ/kg) and process duration (900s) required during thermal treatment. HP induced permeabilisation was depended on the treatment conditions. The higher the applied pressure, temperature and time, the greater the effect in the permeabilisation depending on the material treated. A HP treatment at 500 MPa, 50 °C for 10 min induced permeabilisation effect similar to a thermal treatment at 65 °C for 15 min. The impact of pressure level was more significant on permeabilisation index during (S)cCO2 than in HP process. Furthermore, slight changes in temperature during (S)cCO2-treatment had remarkable influence on permeabilisation index. Depending on the material handled, a treatment with 7.1 to 30 MPa at 20-28 °C for 10 min resulted in permeabilisation index similar to a thermal treatment with 65 °C for 15 min. Ultrasound power and treatment time influenced extend of permeabilisation. Ultrasound treatment (Power = 30 W, 4 min) of coarsely cut grapes resulted in a permeabilisation index of approx. 0.4. Pretreating of grapes with non-thermal methods enhanced both the juice yield and the quality parameters. Improved the color pigments and minerals were recorded with non-thermal pre-treatment of red beet in comparison to untreated ones. A linear relationship existed between the extent of permeabilisation and the level of extract obtained. Enhanced mass transfer rates during osmotic dehydration of HELP, HP, cCO2 pretreated mango were recorded. All the pre-treatments resulted in increased sugar uptake in comparison to the untreated. cCO2 pre-treatment resulted in the highest sugar uptake, least water loss and lowest shrinkage in comparison to other pre-treatments. Sensory evaluation (taste, color) revealed that HELP pretreated sample was similar to the untreated. HELP pre-treatment significantly reduced air drying time to 40 % depending on the material treated and the drying conditions. Non-thermal pre-treatment of red paprika significantly enhanced fermentation rates with marked reduction (45 %) in fermentation period. No significant difference was found between the pretreated samples except HP which resulted in cellular material leaching in the treatment medium during treatment. The pre-treatment methods induced tissue softening and color changes, the extent of which were dependent on the material treated, treatment method and conditions. These observations revealed the potentials of these non-thermal methods as good alternatives in processes to the thermal requiring membrane permeabilisation and/or enzymatic pre-treatments. Mass transport in cellular materials may be attributed to cellular integrity, structural and chemical changes occurring during pre-treatment.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-5900
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/986
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-689
Exam Date: 15-Apr-2003
Issue Date: 20-Jun-2003
Date Available: 20-Jun-2003
DDC Class: 660 Chemische Verfahrenstechnik
Subject(s): Fermentation
Massentransport
Nichtthermische Verfahren
Pflanzliche Lebensmittel
Saftgewinnung
Trocknung
Zellmembranpermeabilisierung
Cell membrane permeabilisation
Drying
Fermentation
Juice extraction
Mass transfer
Nichtthermische Verfahren
Plant based food
Usage rights: Terms of German Copyright Law
Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 3 Prozesswissenschaften » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Dokument_46.pdf4.18 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


Items in DepositOnce are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.