Conservare La Presiuni Inalte de CO2

8/8/2019 Conservare La Presiuni Inalte de CO2

1/19

1

Cuprins

Conservare la presiune nalt de CO2 ................................................................................................ 2

Informaii generale ............................................................................................................................ 2

Avantajele folosirii CO2..................................................................................................................... 2

Modelarea procesului de inactivare a microorganismelor cu tratament de CO2 presurizat ...................... 6

Inactivri microbiene sub presiune nalt de CO2.............................................................................. 9

Concluzii .............................................................................................................................................. 18

BIBLIOGRAFIE ........................................................................................................................................ 19


2/19

2

Conservare la presiune nalt de CO2

Informaii generale

Dioxidul de carbon (CO2) este un gaz incolor, inodor, insipid i nu este

inflamabil. Efectul inhibitor al CO2 asupra microorganismelor duntoare i agenilor

patogeni a fost bine documentat. La suprafaa crnii CO2 ptrunde n celule, inhib

enzimele bacteriene i, de asemenea, perturb membrana celulelor. Efectul inhibitor

al CO2 crete n timp ce temperatura scade, astfel nct gazul devine mai solubil,

deasemenea i utilizarea presiunilor nalte va mbunti capacitatea de penetrare a

CO2 n celule.

Ambalarea sub atmosfer modificat (MAP Moified atmosphere packaging)

de CO2 a fost dovedit a fi o tehnologie de conservare eficace, dar utilizarea CO2 camijloc de inactivare a microorganismelor din produsele alimentare nc mai are

nevoie de multe cercetri pentru a nelege mecanismele de inactivare i parametrii

critici. Unii autori au remarcat c utilizarea unei mici cantiti de monoxid de carbon,

CO, n amestec cu CO2, are un avantaj suplimentar pentru a pstra coloraia roie a

crnii. Utilizarea CO2 este permis n ntreaga lume, dar a CO nu este permis n

Australia i n UE.

Avantajele folosirii CO2Ca o strategie de intervenie, CO2 combinat cu alte tehnologii de prelucrare

non-termic, cum ar fi presiunile nalte i cmpuri electrice pulsante d rezultate

promitoare pentru viitor. Dioxidul de carbon sub presiune nalt (pn la 15 MPa) a

fost evaluat i s-a constatat c are succese n reducerea numrului de celule de

Salmonella n lichide i semi-solide. Tratamentul a fost aplicat timp de 2 ore, iar

rezultatul a fost foarte variabil n diferite produse alimentare. CO2 de presiune nalt

posed o aciune sinergic cu efect anti-microbian, mpreun cu scderea pH-ului.

Tratamentul UHT (ultra high temperature), este nc cea mai larg utilizat

tehnologie n industria alimentar pentru stabilizarea din punct de vedere microbilogic

a produselor alimentare. Totui exist unele dezavantaje legate de temperaturile

nalte utilizate precum:

denaturarea termic a substanelor sensibile i


3/19

3

formarea compuilor toxici ca subprodui.

Printre procesele alternative non-termice, tratarea la presiune nalt poate juca

un rol fundamental ca o nou tehnic de pasteurizare a produselor alimentare.

Deficiena principal a acestei tehnologii o reprezint preul ridicat datorit

presiunii extrem de ridicate utilizate.

Smelt i Rijke au demonstrat c efectul CO2 n condiii supracritice asupra

inactivrii microbiene asigur siguran microbiologic i stabilizeaz pstrarea

alimentelor la presiuni mai joase dect acelea utilizate prin metoda tradiional HPT.

Mai mult activitatea microbiana la temperaturi ambientale este redus, astfel

pstrndu-se trsturile organoleptice ale materialelor tratate.

CO2 sub presiune, folosit ca o metod potenial nontermic pentru reducerea

ncrcturii microbiene n alimente i produse alimentare, a ctigat un interesdeosebit n ultimii 10 ani. Dioxidul de carbon, ca adaos de procesare, are multe

avantaje, inclusiv preul sczut , ndeprtarea facil din produs dup utilizare i statut

de substan GRAS (Generally Recognized As Safe). Bioxidul de carbon poate fi

utilizat n asigurarea reducerii microbiene n alimente fr a folosi temperaturi nalte;

acesta posed alternative de procesare atractive pe lng procesele termice folosite

n prezent cum ar fi pasteurizarea, care d schimbri nedorite ale texturii i aromei n

laptele procesat. Regimul de pasteurizare pentru laptele fluid a fost ales n primul

rnd pentru a obine un produs sigur, iar n al doilea rnd pentru a optimiza termenul

de valabilitate i a minimiza schimbrile organoleptice i de degradare. Dac

procesarea nontermic cu CO2 poate da rezultate de reducere microbian egale cu

sau, mai bune dect cele oferite de pasteurizare, astfel un proces alternativ poate

efectua obinerea unui produs mult mai bun n ce privte durata de valabilitate,

proprietile organoleptice sau ambele.La i peste temperatura critic de 31 C i

presiunea critic de 7,35 Mpa, CO2 se afl n stare de gaz i lichid n echilibru;

mrirea temperaturii sau a presiunii peste aceste puncte critice nu d schimbri nraportul dintre faze. Sub punctul critic i mai sus de punctul triplu de -56,6 C i 0,52

MPa, CO2 este n stare lichid.


4/19


5/19

5

Investigatorii au concluzionat c efectul letal in aceste tratamente s-a datorat

proprietii de bun solvent al bioxidului de carbon. Leziuni celulare s-au observat

doar la temperaturi mai mici de 18C. S-au efectuat multe lucrri pentru a investiga

aplicaiile comerciale i efectul letal al CO2 n sisteme industriale; au fost gsite

puine aplicaii cu sisteme de flux semicontinuu sau continuu (Kamihira et al.,

1987; Arreola et al., 1991; Spilimbergo et al., 2002). CO2 supercritic este, n general,

recunoscut pentru eficacitatea sa n reducerea populaiilor de bacterii, drojdii, i

mucegaiuri, n msura n care sterilizarea poate fi aplicat. Kamihira et al. (1987) a

folosit un aparat de extracie cu CO2 supercritic pentru a realiza cu succes condiiile

de sterilizare (o reducere 106 - ufc/g a celulelor bacteriene i de drojdii tratate),

dup un tratament de 2 ore la 35 C i 20.3 MPa. Alte studii au examinat eficacitatea

tratamentelor cu CO2 subcritic, presupus a fi mai puin sever n natur decttratamentele cu CO2 supercritic (Haas et al., 1989; Ballestra et al., 1996; Ballestra

and Cuz, 1998; Hong et al., 1999; Calvo and Bacones, 2001; Erkmen, 2001). Doar

cteva studii cunoscute au comparat eficacitatea sistemelor de CO2 subcritic cu cel

supercritic pentru reducerea populaiilor microbiene n produsele alimentare

(Kamihira et al., 1987; Lin et al., 1992; Isenschmid et al., 1995; Ishikawa et al.,

1995; Sirisee et al., 1998;Dillow et al., 1999). S-au folosit sisteme statice pentru a

examina inactivarea drojdiilor prin tratarea cu CO2 supercritic i subcritic (presiuni de

6.8 - 20.4 MPa i la temperaturi de 25 i 35 C).S-a gsit n mod similar, un impact

mai mare asupra letalitii celulelor de ctre tratamentul cu CO2 supercritic dect cu

CO2 subcritic.


6/19

6

Modelarea procesului de inactivarea microorganismelor cu tratament

de CO2 presurizat

Tehnologiile care folosesc presiunea au existat ca o alternativ potenial a

conservrii prin tratament termic pentru anumite produse, n special suc de portocale

i marmelade n Japonia i produse cum sunt avocado i stridii n SUA. Efectulpresiunii nalte asupra microorganismelor i cu privire la proprietile produselor

alimentare a fost un subiect de cercetare intensiv n ultimii ani i nu exist un volum

mare de literatura de specialitate pe aceast tem. Cinetica de inactivare microbian

n conformitate cu presiunea ultranalt a primit, de asemenea, o atenie

considerabil n cercetrile alimentelor i parametrii de supravieuire a varietilor de

microorganisme din produsele alimentare care produc probleme de siguran i sunt

enumerate pe site-uri sau pot fi gsite n alte publicaii.

Abordarea tradiional la modelarea cinetica de inactivare a microorganismelor

expuse la o presiune ultranalt s-a bazat pe presupunerea c ea urmeaz modelul

cinetic de ordinul nti i c exist o analogie ntre efectul letal al presiunii ridicate i

cel al cldurii. Astfel, cea mai mare parte a parametrilor de supravieuire microbiene

postate pe Web sunt sub forma valorilorDp i zp i / sau sub form de constante ale

ratei la temperaturi specifice i energiile corespunztoare de activare. Acestea din

urm au fost calculate folosind o ecuaie modificat Arrhenius, n care presiuneaabsolut a nlocuit temperatura absolut. Alternativ, pentru a ine cont de efectul

combinat al presiunii i temperaturii, ecuaia Arrhenius iniial (K = A eEa/RT) a fost

modificat prin adugarea unui termen de presiune cu energie proprie de activare.

Este suficient s se reia aici faptul c, la fel ca n inactivarea termic, nu exist

nici o un motiv convingtor pentru a presupune c mortalitatea de microorganisme n

conformitate cu presiunea nalt este un proces care trebuie s urmeze cinetica de

ordinul nti. Astfel, sensul oricrei valori Dp ar rmne incert ca i n cazulde inactivare termic i chimic. Odat ce valoarea Dp devine suspect, utilitatea

valorii zp este, de asemenea subminat n mod grav. Acelai lucru se aplic pentru

reciproca acesteia, constanta ratei de inactivare, kp. Evident, ori de cte ori curba

izobaric semilogaritmic de supravieuire este neliniar, panta sa, rata logaritmica


7/19

7

momentan de inactivare, ar fi o funcie nu numai de presiune dar i de timpul de

expunere. Dac este aa atunci modelul Arrhenius nu poate fi utilizat, precum i

energia de activare ar pierde orice sens c ar fi putut exista. Analogia ntre efectul de

presiune nalt asupra celulelor vii, precum i influena temperaturii asupra

reactivitii sistemelor chimice simple, nu este deloc evident i nu exist nici un

motiv c ar trebui s fie luat de la sine.

Ca i n cazul prelucrrii termice, ecuaia Arrhenius i dependena logaritmic

liniar de presiune a valorii Dp sunt modele exclusive i, astfel, motivaia pentru

aezarea lor cot la cot ntr-unul din site-urile cele mai populate este, de asemenea,

neclar. Acelai lucru se poate spune despre transformarea dublu logaritmic de

care au nevoie modelele logaritmice lineare i Arrhenius.

Pentru a complica lucrurile n continuare, aplicarea presiunii ultranalte

ntotdeauna rezult prin nclzire adiabatic. Prin urmare, condiiile cu adevrat

izotermice i izobarice nu sunt niciodat reproduse n laborator sau n orice proces

industrial real. n consecin, pentru ca parametrii de presiune cinetic s fie coreci,

ei trebuie s fie determinai din ecuaiile care iau n seam dinamica i natura

nonizoterm a procesului. Acest lucru se datoreaz faptului c temperatura ridicat i

timpul de expunere pot afecta n mod semnificativ rata de inactivare, cel puin

teoretic. n ceea ce privete inactivarea prin presiune a microorganismelor, n

cauz, exist cel puin dou procese foarte distincte:

y Efect decisiv letal sau inhibitor este doar presiunea gazului singur, i toate

celelalte aspecte fizice ale aplicrii de presiune sunt neglijabile. Aplicarea de dioxid

de carbon, la fel ca n buturi carbogazoase sau alte produse, la presiuni de pn la

aproximativ 5 MPa ar putea fie un exemplu tipic al unui astfel de caz. Desigur,

proprietile chimice ale gazului pot juca un rol important n mecanismul de

inactivare, ca i n cazul bioxidului de carbon i posibila relaie a lui cu pH-ul

produsului. Principalul efect al temperaturii n acest caz este solubilizarea gazului,

care ar putea sau nu juca un rol major n eficiena inactivrii. Oricum, pentru c

nivelurile de presiune a CO2 n buturi carbogazoase sunt foarte mici n comparaie

cu cele exercitate n timpul unui tratament de presiune hidrostatic ultranalt,


8/19


9/19

9

Inactivri microbiene sub presiune nalt de CO2

Ca un sistem model, se consider rezultatele experimentale ale Ballestra et al.

(1996), care a studiat efectul CO2 asupra E. colintr-un mediu de cultur, n care s-a

demonstrat c pH-ul uor alcalin rmne practic neschimbat de presiunea gazului.

Datele de supravieuire a celulelor de E. Coliexpuse n conformitate cu diversepresiuni la aceeai temperatur sunt prezentate n Figura 2. Cu toate c ratele de

supravieuire raportate sunt puine i mprtiate, n special la cel mai sczut nivel de

presiune a CO2, acestea indica destul de clar faptul c inactivarea organismului de

gaz nu a urmat modelul cinetic de ordinul nti. Nici una dintre curbele

semilogaritmice de supravieuire nu a fost liniar i toate aveau concavitate

descendent care ar putea fi descris de legea modelului puterii Weibulliene (Peleg,

2002), cu n(P)> 1:

(1.1)

unde b(P) i n(P) sunt coeficieni dependeni de presiune.

Dimensiunea Ecuaiei 1.1 este prezentat n Figura 2 i dependena de presiune

a b(P) i n(P) este prezentat n Figura 3. Cu doar trei niveluri de presiune raportate n

publicaia original, caracterizarea precis a b(P) i n(P) a fost imposibil. Cu toate

acestea, deoarece accentul aici este pus pe procedura de modelare, mai degrab dectpe rspunsul E. Coliasupra presiunii de CO2, expresiile matematice folosite pentru a

descrie b(P) i n(P) cu relaii P (ambele pur empirice; a se vedea mai jos) nu sunt cu

adevrat importante. De asemenea, nu a fost fcut nici o ncercare pentru stabilirea

valorii n(P), aa cum a fost fcut n aplicaiile anterioare ale modelului legii puterii

Weibulliene.


10/19

10

FIGURA 2.

Datele experimentale de supravieuire a E. coli n conformitate cu trei niveluri de presiune de gaz deCO2 echipat cu modelul legeii de putere Weibull (Ecuaia 1.1) ca model primar. Datele originale suntde la Ballestra, P. et al., 1996, J. Food Sci., 61, 829-831; 836. (De la Peleg, M., 2002, J. Food Sci.,

67, 896-901. Cu permisiunea, curtoaziei de la Institutul de Tehnologii Alimentare.)

Ca i nainte, ratele de inactivare izobaric dependente de timp la orice presiune

impus sunt:

(1,2)

n mod similar, timpul, t*, care corespunde cu unele rate de supravieuire

momentane, log10 S(t), la o presiune dat este:


11/19

11

FIGURA 3

Parametrii Weibullieni de supravieuire, b(P) i n(P), dependeni de presiune echipai cu expresiiempirice ad-hoc ca modele secundare. (De la Peleg, M., 2002, J. Food Sci., 67, 896-901.

Cu permisiunea, curtoazie de la Institutul de Tehnologii Alimentare.)

(1,3)

Astfel, pentru orice proces nonizobaric n care presiunea variaz n funcie de

timp, b(P) i n(P), de asemenea, variaz n funcie de timp, respectiv, b(t) = b[P(t)] i

n(t) = n[P(t)], unde P(t) este profilul sub presiune".

Combinnd Ecuaia 1.2 i 1.3 se obine ecuaia de rat pentru orice proces

izotermic, dar nu nonizobaric:

(1,4)


12/19

12

Cinetic, ecuaia 1.4 este identic cu modelul de inactivare prin tratamente

termice nonizotermice, cu excepia faptului c profilul de presiune, P(t), nlocuiete

profilul de temperatur, T(t), n ecuaia de rat.

n cazul nostru, modelul secundar b(P) i n(P) unde P ar putea fi descris ad-hocprin termeni empirici:

(1.5)

i

(1.6)

respectiv. Acestea, la rndul su, ar putea fi uor convertite n funcii de timp i,

ulterior, introduce n modelele ecuaiei de rat b[P(t)] i n[P(t)] (Ecuaia 1.4).

Efectul Nivelului presiunii i durata tratamentului

O familie de profiluri de presiune realiste de (aproape) aceeai durat a

tratamentului pot fi produse prin suprapunerea logistic i termeni Fermi:

(1.7)

unde

Ptarget este presiunea int

tc1 i tc2 marcheaz punctele de centru ale creterii sau scderii presiuni

k1 i k2sunt constante care reprezint sau controleaz rata cu care intele depresiune cresc (k1) i scad (k2).

Astfel, durata unui proces de conformitate cu acest model este de aproximativ

tc2tc1 i mai mare dect a valorilor k1 i k2, mai mult, profilul seamn cu o cretere i o

scdere instantanee de presiune. Tratamentele cu CO2 simulate, de tipul celor descrise


13/19

13

FIGURA 4

Profilul de presiune a CO2 simulat generat de ecuaia 1.7 ca un model cu diferit inte de niveluri depresiune i corespunztoare curbelor teoretice de supravieuire a E. coli calculat cu Ecuaia 1.14

ca model. (De la Peleg, M., 2002, J. Food Sci., 67, 896-901. Cu permisiunea, curtoaziei de laInstitutul de Tehnologii Alimentare.)

de ecuaia 1.7, sunt prezentate n Figura 4, mpreun cu curbele corespunztoare de

supravieuire. Curbele de presiune au fost produse prin introducerea ecuaiei de profil a

presiunii (ecuaia 1.7), cu k1 = k2 i tc1 i tc2 aceleai, dar cu niveluri diferite de Ptarget.

Curbele de supravieuire au fost generate cu ecuaia 1.4 ca model de rat n care

parametrii de supravieuire ai organismului b(P) i n(P), caracterizai prin Ecuaia 1.5 i

Ecuaia 1.6, respectiv, au fost inserate n forma impus de b[P(t)] i n[P(t)]. Odat

formulat, ecuaia modelului a fost rezolvat numeric prin Mathematica pentru a

genera curbele de supravieuire rezultate. Acestea demonstreaz modul n care

simulrile de acest gen pot fi folosite pentru a determina nivelul presiunii care va

produce reducerea teoretic dorit a ratei de supravieuire a organismelor int - cele de

E. coli, n exemplul nostru special.


14/19

14

FIGURA 5

Profilele izobarice sub presiune de CO2 de durat de timp diferit generate cu Ecuaia 1.7 ca unmodel i curbele teoretice de supravieuire corespunztoare E. coli calculate cu Ecuaia 6.14 ca

model. (De la Peleg, M., 2002, J. Food Sci., 67, 896-901. Cu permisiunea, curtoaziei de la Institutulde Tehnologii Alimentare.)

Acelai tip de simulri poate fi utilizat pentru a determina durata unui tratament

eficace. Acest lucru este indicat n Figura 5. Profilurile de presiune n acest caz au fost,

de asemenea, reproduse de Ecuaia 1.7 ca model, cu excepia faptului c inta de

presiune Ptarget, k1 i k2 au fost fixate i tc1 i tc2 au fost setate astfel nct duratele de

tratament ar fi de aproximativ 10, 15, 20, i 25 min. Curbele teoretice de supravieuire

corespunztoare, de asemenea, sunt prezentate n figur. Ele demonstreaz modul n

care durata procesului trebuie s fie ajustat pentru a atinge un nivel dorit de distrugere

a organismului int, moment n care nivelul de presiune a fost deja ales.


15/19

15

FIGURA 6

Simularea profilului de pierdere a presiunii de CO2 generat cu Ecuaia 1.8 ca model i curbele desupravieuire teoretice de E. coli corespunztoare.

(De la Peleg, M., 2002, J. Food Sci., 67, 896-901. Cu permisiunea, curtoaziei Institutului deTehnologii Alimentare.)

Acelai model poate fi folosit pentru a evalua consecinele teoretice ale

schimbrii simultane a presiunii int i a duratei tratamentului. Astfel, simulrile pot fi

repetate cu profiluri diferite de presiune, pn cnd o combinaie practic eficient a

nivelului de presiune i de durat de proces pot fi identificate. Acestea, la rndul lor, pot

fi folosite pentru a selecta tratamente promitoare nainte de testrile reale. n mod

similar, presurizarea i ratele de presiune pot fi variate prin ajustarea k1 i k2, respectiv,

pn cnd profilul de presiune simulat se potrivete celui al unui echipament special.

Odat ce modelul i programul sunt stabilite, ele pot fi utilizate pentru a simula o

varietate de scenarii care ar putea fi de interes pentru designul procesului sau pentru

operator. Exemple sunt erorile de presiune, presiunea prematur de lansare, sau o

scurgere care ar duce la o cdere de presiune. Aceasta din urm poate fi simulat prin

modificarea profilului modelului de presiune. Figura 6 arat un astfel de scenariu ipotetic


16/19

16

Figura 7

Simularea profilului oscilant de presiune de CO2 generat cu ecuaia 1.9 i curbele teoretice desupravieuire corespunztoare E. coli. (Din Peleg, M., 2002, J. Food Sci., 67, 896-901. Cu

permisiunea curtoaziei de la Institutul de Tehnologii Alimentare.)

i consecinele sale poteniale n ceea ce privete organismul int n funcie de curba

de supravieuire. Profilul de presiune n acest caz a fost produs de modelul:

(1.8)

unde ceste o constant, reprezentnd o rat de pierdere constant de presiune.

Termenul 1 - c(t tc ) din ecuaia 1.8 poate fi nlocuit cu o expresie alternativ

n cazul n care presiunea scade la o variabil mai degrab dect la o rat constant

sau n cazul n care pierderea de presiune este nsoit de oscilaiile de presiune.


17/19

17

Astfel de exemple sunt prezentate n figura 7, unde profilul de presiune a fost

produs de:

(1,9)

unde a reprezint amplitudinea oscilaiilor de presiune i frecvena lor.

Aa cum a fost precizat, acestea sunt doar cteva exemple selectate. Profilurile

de presiune realiste pot avea discontinuiti i regimuri de oscilaii aleatoare. Prin

urmare, ecuaia de rat a modelului (Ecuaia 1.4) poate fi folosit pentru a genera

curbe de supravieuire n conformitate cu aproape orice profil de presiune imaginabil.

Odata ce acestea sunt produse, ele pot fi utilizate pentru a evalua implicaiile desiguran microbian n modificrile planificate i accidentale ale procesului

examinat.

.


18/19

18

Concluzii

Utilizarea de CO2 supercritic pare a fi un mediu eficient pentru a inactiva

microorganisme de natur diferit. Rata de inactivare ar putea fi ameliorat prin

trecerea de CO2 n mod continuu i utiliznd un mod mai bun de dispersie de CO2,

deoarece eficiena metodei este foarte mult dependent de contactul n de aproapentre CO2 i membrana celular. Efectul mortal al CO2 supercritic ar putea fi atribuit

deteriorrii membranei celulelor prin solubilizarea componentelor din membran de

ctre CO2. Acest motiv ar putea explica de ce alte gaze aplicate n aceleai condiii de

funcionare ntr-un mediu redus al pH-ului nu pot cauza moartea microorganismelor.

Unii autori au emis ipoteza c un alt motiv pentru moartea celulei ar putea fi scderea

pH-ului intracelular. n special, CO2 ar putea difuza prin membran i se acumuleaz n

interiorul celulei, care depete capacitatea de tamponare de la nivelul rezervorului

citoplasmatic i reduce pH-ul intern, ceea ce provoca i mai mult moartea

microorganismelor. n orice caz, procesul ar fi beneficiat la presiuni ridicate, deoarece

coeficientul de difuzie a CO2 n mediu lichid i solubilitatea sa sunt mai mari. Presiunea

nalt poate ajuta, de asemenea, penetrarea CO2 n membrana celulelor i solubilizarea

componentelor celulare vitale. n mod similar, temperatura ridicat diminueaz

coeficientul de difuzie i promoveaz fluiditatea membranei care pare a fi favorizat de

pH-ul extern sczut.


19/19

19

BIBLIOGRAFIE

(http://jds.fass.org/cgi/content/abstract/86/6/1932)

http://www.ensic.inpl-nancy.fr/ISASF/Docs/Colmar/Paper/Rb7.pdf

Advanced Quantitative Microbiology for Foods and Biosystems. Models for Predicting

Growth and Inactivation M. Peleg, Taylor and Francis publishers, 2006.

Documents

Conservare La Presiuni Inalte de CO2