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Effect of high pressure - low temperature phase transitions on model systems, foods and microorganisms
Luscher, Cornelius Martin
Im Druckbereich über 210 MPa existieren Eis III und weitere Eismodifikationen, die eine größere Dichte als flüssiges Wasser aufweisen. Bei Entspannung auf atmosphärischen Druck (0,1 MPa) wandelt sich Eis III zu gewöhnlichem Eis I um und vergrößert dabei sein Volumen in einer schnellen Phasenumwandlung in Bruchteilen einer Sekunde. Dieser Effekt wurde ausgenutzt, um einen Prozess zu entwickeln, der es ermöglicht Mikroorganismen in gefrorenen Lebensmitteln durch Behandlung mit hohem hydrostatischem Druck zu inaktivieren. Zunächst wurden Prozessbedingungen bis 500 MPa untersucht, indem Gefrier- und Schmelzpunkte konzentrierter Saccharose- und NaCl-Lösungen unter Beteiligung der Eisformen I, III und V ermittelt und mittels Simon-Gleichungen beschrieben wurden. Das Unterkühlungsverhalten und die konzentrationsabhängige Gefrierpunkterniedrigung wurden evaluiert und daraus gefolgert, dass die Phasengrenzlinien dieser Lösungen nicht durch Parallelverschiebung der Linien für reines Wasser zu tieferen Temperaturen ermittelt werden können. Eine Gleichung wurde aufgestellt, die es ermöglicht den Schmelzdruck von Saccharoselösungen in Abhängigkeit von Solvatkonzentration und Temperatur im Eis I – Bereich zu berechnen. Der Phasenübergang von Eis I zu Eis III während der Druckbehandlung von gefrorenen biologischen Materialien wurde auf der Grundlage dieser Erkenntnisse untersucht. Die verschiedenen Mechanismen von partiellem druckinduziertem Schmelzen und direktem Eiskristallphasenübergang in Abhängigkeit vom Temperaturniveau konnten voneinander abgegrenzt werden, so dass geeignete Behandlungsparameter definiert werden konnten. Die Schädigung von Bakterien nach Gefrieren und Gefrierlagerung wurde mittels Durchflusszytometrie untersucht und die Stresswirkung von Gefrierkonzentrierung und kalter Temperatur von der Eiskristallschädigung abgegrenzt. Bakterien überdauerten Gefrieren und Lagerung bei -18 °C besser als bei -40 °C, da sich bei -18 °C kein intrazelluläres Eis bildet. Bei -40 °C erscheint es wahrscheinlich, dass sich intrazelluläres Eis während der Lagerung aber nicht direkt beim Gefrieren bildet. Bei Druckbehandlung von L. innocua in gefrorener Pufferlösung bei -45 °C und 300 MPa wurden schon nach sehr kurzer Behandlungszeit (< 1 min) drei Zehnerpotenzen Inaktivierung erreicht, aufgrund des Zellaufschlusses, der auf den Eis III – Phasenübergang zurückgeführt wurde. Bei anderen vegetative Mikroorganismen wurde eine Reduzierung um etwa 3 bis 7 log – Stufen erzielt. In gefrorenem Hackfleisch konnte eine Inaktivierung von mindestens 2 log erreicht werden, wohingegen in Eiskrem nur weniger als 1 log Inaktivierung erreicht wurde. Der Einfluss verschiedener Behandlungsparameter wie Druck, Temperatur, Geschwindigkeit der Druckentspannung, Gefrierlagerung und andere weiterer Einflussgrößen wurde ebenfalls untersucht. Modelle, die den Mechanismus des Zellaufschlusses durch den Phasenübergang zu Eis III beschreiben wurden aufgestellt und diskutiert. Der Einfluss der Behandlung auf die Qualität von Lebensmitteln wurde am Beispiel von Schweinefleisch untersucht, doch waren die Auswirkungen auf Farbe, Textur, Abtropf- und Bratverlust nur gering. Zusammenfassend ist die Druckbehandlung von gefrorenen Lebensmitteln bei 300 bis 400 MPa und Temperaturen von -30 bis -45 °C für kurze Zeitspannen von einer Minute und weniger ein technisch umsetzbarer Prozess, der die aktive Reduzierung der Zahl der Mikroorganismen ermöglicht.
Under pressures of 210 MPa and above, ice III and other ice modifications exist, which have a higher density than liquid water. Phase transitions from ice III to ice I are going along with an increase in ice volume in parts of a second as the transition is very fast. This phenomenon was used to develop a process which makes the inactivation of microorganisms by pressure treatments in frozen food possible. In the first part, processing criteria were examined by freezing and thawing of ices I, III and V in solutions of sucrose and NaCl at pressure to 500 MPa. Freezing and melting points were studied and parameters of Simon equations describing the phase transition lines were fitted. The supercooling behavior and the solute dependent freezing point depression were described and quantified. It was concluded that phase transition lines of solutions cannot be obtained by shifting transition lines of water parallel to lower temperatures. An equation was proposed for calculating the melting pressure of sucrose solution as a function of temperature and solute concentration in the ice I range. The phase transition of ice I to ice III during pressure cycles of frozen biomaterial was studied and mechanisms of partial thawing and direct crystal phase transition as a function of temperature were identified and suitable treatment parameters were proposed. The freezing damage of bacteria was analyzed by flow cytometry after freezing and during frozen storage up to 100 days. The stress related to cold temperature and freeze concentration was separated from the effect of ice crystal damage on bacteria. It was found that bacteria survive freezing and frozen storage at -18 °C better than at -40 °C, because no intracellular ice forms at the higher temperature level. At -40 °C it is likely that intracellular ice forms during storage, but not immediately during freezing. Pressure treatment of frozen model suspension of L. innocua at -45 C and 300 MPa revealed inactivation of 3 logs by cell disintegration after very short treatment times (< 1 min) due to ice III transitions. Other vegetative microorganisms were inactivated in a range of 3 to 7 logs. In frozen ground beef, L. innocua inactivation was about 2 logs, ice cream less than 1 log. Treatment parameters like pressure, temperature, pressure release, storage after treatment and others were examined. Models were discussed that describe the disintegrative effect of the transition on bacteria. Pork meat after such treatments was examined but only little effect on the quality was found. It was concluded that treatment of frozen food by high pressure with parameters of 300 to 400 MPa, -30 to -45 °C and 1 min of pressure holding time is a technically feasible process that makes the active reduction of microbial counts possible.
