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High-Pressure Low-Temperature Processing of Foods: Impact of Metastable Phases on Process and Quality Parameters
Urrutia Benet, Gabriel
Hochdruck wird seit etwa 20 Jahren in der Lebensmittelindustrie als eine Alternative zu konventionellen thermischen Prozessen eingesetzt, bedingt durch die zunehmende Nachfrage nach Lebensmitteln mit verbessertem Nährwert und besseren sensorischen Eigenschaften. Gefrieren und Kühlen sind heutzutage zwei der am meisten angewendeten Konservierungsmethoden, die eine Lagerfähigkeit von Lebensmitteln ermöglichen. Gefrieren und Auftauen verursachen jedoch unerwünschte Veränderungen der Textur und der sensorischen Eigenschaften von Lebensmitteln. Druck beeinflußt Eis-Wasser-Phasenübergänge und seine Anwendung im Tieftemperaturbereich (HPLT, High-Pressure Low-Temperature) bietet große Möglichkeiten die Kinetik von Gefrier- und Auftauprozessen zu verbessern. Eine Hochdruckbehandlung bietet verschiedene Vorteile, wie die Unabhängigkeit von Größe und Form der Proben während der Behandlung, die Reduzierung mikrobieller und enzymatischer Aktivität, den Erhalt von Nährstoffen und die Möglichkeit abfallfrei zu arbeiten. In dieser Arbeit wurde die Kinetik der Phasenübergänge bis 500 MPa untersucht (in den Bereichen von Eis I, Eis III und Eis V) und die Existenz sowohl flüssiger als auch fester metastabiler Phasen experimentell nachgewiesen. Des Weiteren wurden Parameter untersucht, um kontrollierte Gefrier- und Auftauvorgänge festzulegen, die hinsichtlich einer Verkürzung der Prozesszeiten, der Produktsicherheit und der Produktqualität optimiert wurden. Eine vollständige Datensammlung für das Phasendiagramm von Kartoffeln, als Modell für pflanzliche Zellgewebe, wurde erstellt und Standards für die Definition möglicher Prozesse im HPLT – Gebiet wurden vorgeschlagen. Eine mathematische Modellierung der Prozesse wurde vorgenommen, einschließlich der Definition von Prozesszeiten, Benchmark-Tests und der Reproduktion und Vorhersage von Temperaturprofilen. Eine HPLT – Mikroskopiezelle wurde verwendet, Phasenübergangsphänomene in verschiedenen Matrices direkt zu beobachten, was neue Fragen und Herausforderungen aufwirft. Der Einfluß von Gefrieren und Tauen unter Druck auf die Aktivität von Verderb erregenden Enzymen wie Polyphenoloxidase, auf den Permeabilizationsgrad, sowie auf die Vitalität von Bakterien und das Ausmaß ihrer Verletzung (mittels Selektivmedium am Beispiel Bacillus subtilis) wurden untersucht. Diese Auswirkungen sowie der direkte Einfluß von HPLT – Prozessen auf lebensmittelrelevante Aspekte wie Farbe, Textur, Mikrostruktur und Abtropfverlust wurde sowohl im Labor- wie im Technikumsmaßstab erfaßt, mit dem Ziel Prozesse und Produktkonzepte zu entwickeln und die Anwendbarkeit derartiger Prozesse im Sinne eines Scale-up des Systems zu bewerten.
High pressure (HP) has been successfully used during the last two decades in food industry as an alternative to conventional thermal preservation methods, given the increasing demand for improved nutritional and sensory characteristics of foods. Freezing and chilling are still nowadays two of the most used preservation methods of foods, providing long term stability to products. Freezing and subsequent thawing are, nevertheless, responsible of undesirable changes in the texture and sensory properties of foods. Pressure markedly influences ice-water transitions and the use of HP in the Low-Temperature domain (HPLT) has opened great potentialities for improving the kinetics of freezing and thawing processes. High pressure treatment has several advantages including independence of size and geometry of the samples during processing, reduction of microbial and enzyme activities, retention of nutrients and the availability of a waste free technology. In this work, the kinetics of phase transitions up to 500 MPa (in the domain of ice I, ice III and ice V) have been studied and the existence of both liquid and solid metastable phases has been proven experimentally and used to analyze the influence of critical parameters to obtain controlled and optimized freezing and thawing paths, in terms of processing time reduction, and product quality and safety enhancement. A complete data base has been created for the phase diagram of potato tissue (taken as model of vegetal tissue), standards of definitions of possible processes in the HPLT domain has been suggested and a modelling work, including definition of processing times, bench mark tests and temperature profile reproduction and prediction has been addressed. A HPLT microscopic cell has been used to observe directly phase transition phenomena in different tissues, revealing new questions and challenges. The effect of pressure freezing/thawing on activities of food spoilage enzymes such as polyphenoloxidase, the degree of permeabilization, cell viability and degree of cell injury (using selective growth media) after various freezing methods and subsequent thawing for microbial model systems (Bacillus subtilis) and the direct impact of HPLT processes of food quality related aspects (colour, texture measurement, microstructure, drip loss) have been studied on both laboratory and pilot scale facilities, with the final aim of developing process and product concepts and performing a feasibility study on scale-up of the high pressure system for proposed processes.
