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Inactivation of bacterial endospores by application of pulsed electric fields (PEF) in combination with thermal energy
Siemer, Claudia
Die Anwendung von gepulsten elektrischen Feldern (PEF) ist im Bereich Inaktivierung vegetativer Mikroorganismen zur schonenden Haltbarmachung von hitzeempfindlichen Produkten wissenschaftlich validiert. Eine deutlich intensivere Behandlung ist bei Produkten, die mit bakteriellen Endosporen kontaminiert sind, nötig. Das Ziel dieser Studie ist eine Inaktivierung von bakteriellen Endosporen mit geringerer thermischer Produktbelastung durch den Einsatz von PEF in Kombination mit thermischer Energie zu erreichen. Der Einfluss von verschiedenen Prozess (elektrische Feldstärke, Temperatur und spezifischer Energieeintrag) und Produkt (pH, Zucker-, Ionen- und Fettkon-zentration) Parametern auf die Inaktivierung von B. subtilis, A. acidoterrestris und G. stearothermophilus Sporen wurde untersucht. Es wurde ein mathematisches Modell basierend auf einer Schulterformation mit anschließendem linearen Inaktivierungsverlauf angewendet, um den Einfluss der PEF Bedingungen und Produktparameter bewerten zu können. Im Bereich Prozessparameter zeigte die Eingangstemperatur den größten Einfluss auf die zur Inaktivierung benötigte Energie. Die Zucker- und Fettgehalte von maximal 10 °Bx bzw. 10 % Fett zeigten keinen Effekt auf die Inaktivierung. Geringere Energieeinträge konnten bei geringen Salzkonzentrationen (1 mS/cm, pH 4) eingesetzt werden. Der Einfluss der Temperatur auf die Inaktivierung wurde durch eine Kombination aus sporenspezifischen thermischen Inaktivierungskinetiken und des Temperatur Zeit Profils des PEF Prozesses modelliert. Das Modell ermöglichte die Trennung der Gesamtinaktivierung in thermische und PEF induzierte Inaktivierung. Es zeigte sich ein Anteil thermische Inaktivierung von B. subtilis und A. acidoterrestris Sporen, jedoch hatte die PEF induzierte Inaktivierung den größeren Anteil. Aufgrund der hohen thermischen Resistenz der G. stearothermophilus Sporen, ist die Gesamtinaktivierung größtenteils durch PEF induziert.
Der Wirkmechanismus der PEF induzierten Inaktivierung konnte nicht eindeutig geklärt werden. Mikroskopische Aufnahmen und DPA Messungen nach der PEF Behandlung zeigten einen sich zur thermischen Behandlung unterscheidenden Mechanismus. Durch den schnellen Temperaturanstieg und das elektrische Feld wurden Strukturveränderungen induziert, welche ein Auslaufen der Sporen bewirken könnten.
Die Validierung des entwickelten PEF Prozesses wurde durch Fallstudien analysiert. Der Karottensaft und das Hefeextrakt zeigten eine nach einer thermischen Behandlung vergleichbare Haltbarkeit mit höherer Produktqualität.
Die Ergebnisse dieser Studie zeigen die Anwendung von PEF zur Inaktivierung bakterieller Endosporen bei geringeren Temperaturen. Somit können qualitativ hochwertige und mikrobiologisch sichere Produkte hergestellt werden.
Pulsed Electric Fields (PEF) technology is widely studied in literature for the inactivation of vegetative microorganisms and offers a gentle preservation for heat sensitive products. Some products might be contaminated with bacterial endospores and require a more severe treatment for inactivation. The objective of this study was the inactivation of bacterial endospores by application of PEF with a lower heat load compared to thermal sterilization. Therefore, the PEF process was combined with thermal energy. The influence of different process (electric field strength, temperature and specific energy) and product (pH, sugar-, ion- and fat concentration) parameters on the inactivation of B. subtilis, A. acidoterrestris and G. stearothermophilus spores were analyzed. From experimental data, a model based on shoulder followed by linear distribution was applied. This model was used for evaluating the effect of PEF conditions and product parameters on the resistance of spores. As a result, the inlet temperature was identified as the most influencing process parameter. No effect of sugar and fat on the energy required for inactivation was obtained in the studied range from a maximum of 10 °Bx and 10 % fat. Low specific energy values were obtained at low salt concentrations (1 mS/cm) and pH 4. The impact of temperature on the inactivation by the developed process was modeled by combination of thermal inactivation kinetics of each spore type and the related temperature time profile of the PEF process. The model allowed a separation of total inactivation in thermal and PEF induced inactivation. The separation indicated a thermal inactivation rate for B. subtilis and A. acidoterrestris spores, but the PEF induced inactivation had a higher part. Based on the high thermal resistance of G. stearothermophilus spores, the obtained total inactivation was mainly based on PEF.
The PEF induced inactivation of spores cannot be clearly explained as the mechanism of action is unclear. Microscopic studies and measurements of DPA after PEF treatment demonstrate a different mechanism compared to thermal inactivation. Due to the fast temperature increase and the electric field, changes in structure were induced, which might cause a leakage of spore content. The validation of the developed PEF process was analyzed by performance of case studies. Therefore, yeast extract and carrot juice were PEF treated and the microbial safety as well as quality were studied over shelf life. In both cases, the obtained shelf life was comparable to the thermally treated product, but a higher quality could be achieved.
The presented data in this study demonstrates the possibility of inactivation of bacterial endo-spores at lower temperature than thermal sterilization. Therefore, the developed process can be used to produce products with a higher quality and ensure microbial safety.
