فشار هیدرواستاتیک بالا شیوهای نوین در فراوری غیرحرارتی دانه گندم
مقدمه
ظهور و پیشرفت روشهای غیرحرارتی نوین در صنایع غذایی، به دلیل تاثیرات سوء حرارت، اهمیت خاصی در دهههای اخیر پیدا کرده است. فرآیند فشار هیدرواستاتیک بالا1 یا پاسکالیزاسیون2، یکی از مهمترین تکنولوژیهای کنونی میباشد که در آن مواد غذایی با هدف از بین بردن میکروارگانیسمهای پاتوژن و همچنین غیرفعال کردن آنزیمهایی که باعث تغییرات نامطلوب میشوند و افزایش کیفیت، در معرض فشار بالا (معمولاً بین 100 تا 1000 مگاپاسکال) قرار میگیرند (1). سابقه استفاده از فشار بالا به قرن نوزدهم برمیگردد. در سال 1899، Hite به طور موفقیت آمیزی از فشارهای هیدرواستاتیک بالا برای بهبود و حفظ کیفیت شیر استفاده نمود. بنابراین کاربرد این فرآیند در کنترل میکروارگانیسمها و نگهداری مواد غذایی تاریخچهای طولانی دارد (2). از اوایل دهه 1990، حدود ده ماده غذایی فرآوری شده به روش HHP شامل پوره میوهها، مرباها، آبمیوهها و کیکها به صورت تجاری در ژاپن تولید میشود. عملکرد یکنواخت در تمام محصول، بهبود خواص تغذیهای در محصولات فرآوری شده همراه با پارامترهای کیفی بهتر، بیتاثیر بودن اندازه نمونهها بر روی زمان فرآیند و همچنین بهبود خواص کاربردی نظیر بافت، امولسیفیه شدن، کف کردن و خواص شکلدهی، از مزایای عمده این تکنولوژی نسبت به دیگر روشهای فرآیند و نگهداری است (3). برای فرآوری در فشار بالا از فشارهای بالای هیدرواستاتیک استفاده میشود. وسیله مورد نیاز جهت این فرآیند یک محفظه مکانیکی (استوانه از جنس استیل) و یک پمپ جهت تولید فشار تا چند صد مگاپاسکال (MPa3) میباشد. پس از این که ماده غذایی در ظرف مناسبی قرار داده و دربندی شد، بسته مورد نظر را در استوانهای قرار میدهند که دارای مایعی با قابلیت تراکم کم (نظیر آب) میباشد. فشار به کمک یک پمپ تولید میشود که ممکن است به طور دائم (استاتیک) و یا ناپیوسته به کار رود. در حالت اخیر ممکن است از دو یا سه سیکل اعمال فشار با زمانهای متفاوت استفاده نمود (4).
مطالعات چندانی بر روی کاربرد روش فشار هیدرواستاتیک بالا در حوزه غلات و فرآوردههای آن انجام نشده است اما گزارشات متعددی در خصوص تاثیر این تکنیک بر گلوتن و نشاسته گندم به انجام رسیده است (5). روشهای جدید نگهداری، جوابگوی نیازهای مصرف کنندگان برای حصول فرآوردههای مغذی، کاهش مصرف نگهدارندهها، عمر نگهداری مناسب و همچنین سهولت حمل و نقل هستند. هدف از این مقاله، بازتاب متفاوت تاثیر فرآیند فشار هیدرواستاتیک بالا از نقطه نظر تکنولوژیکی و کیفی میباشد.
* تاثیر فشار بالا بر روی پارامترهای رنگ خمیر گندم
مقادیر مختلف فشار و زمان بر روی پارامترهای متفاوت رنگ (L, a, b) خمیر بررسی شده است. رنگ خمیر تحت تاثیر HHP قرار میگیرد، با این وجود تفاوتهای جدی بین دادههای آزمایش نسبتاً کم هستند. روشنی (L) نمونهها با تغییر میزان فشار و زمان نگهداری در فشار ثابت تغییر میکند، این در حالی است که تغییرات چندانی بین نمونههای شاهد و خمیرهای تیمار شده مشاهده نشده است. فشار 100 و 150 MPa بیشترین اثر را بر روی پارامترهای a و b میگذارد که به ترتیب نشاندهنده تمایل به رنگ قرمز و زرد است. از سوی دیگر افزایش مدت زمان تیمار موجب کاهش پارامتر a میشود، اما تغییر چشمگیری در پارامتر b مشاهده نمیگردد. فشار اعمال شده به خمیر، تنها در بالاترین مقدار آزمایش شده (MPa 250) موجب تغییر رنگ کل میشود (6).
* تاثیر فشار بالا بر روی جمعیت میکروبی خمیر گندم
اثرات فشار بالا بر روی غیر فعالسازی میکروبی به فاکتورهای متعددی از جمله نوع میکروارگانیسم، مدت زمان تیمار، دما و ساختار ماده غذایی بستگی دارد. بنابراین انتخاب فشار مناسب جهت ازبین بردن و غیرفعال کردن عوامل فساد و سلولهای رویشی اجتناب ناپذیر است. اثر درجات مختلف HHP در مدت زمانهای متفاوت بر روی تعداد کلی باکتریهای مزوفیل هوازی4 مورد بررسی قرار گرفت. بر طبق نتایج به دست آمده، پس از یک دقیقه اعمال فشار، کاهش شدیدی در تعداد میکروارگانیسمها مشاهده گردید. این در حالی است که با افزایش مدت زمان فرآیند، کاهش چندانی گزارش نگردید (7) معمولاً افزایش فشار منجر به غیر فعالسازی بیشتر میکروارگانیسمها میشود اما توجه به این نکته ضروری است که باید آستانه فشار مورد نیاز برای غیرفعال کردن هر میکروارگانیسم تعیین شود. با این وجود فشار کمتر از MPa 200 موجب جوانه زدن اسپورهای برخی گونههای خاص، افزایش تعداد سلولها در مرحله رشد و همچنین افزایش تعداد کلنیها میشود (8). از سوی دیگر، کپکها و مخمرها به فشار بالا بسیار حساس هستند، چرا که غشای خارجی آنها تحت تاثیر قرار میگیرد. نتایج حاصل از بررسیها نشان داد کاربرد فشار MPa 500 باعث آسیب و تخریب دیواره سلولی آنها میشود (9).
* تاثیر فشار بالا بر روی ژلاتیناسیون نشاسته گندم
وقتی نشاسته در یک محیط آبی و در فشار اتمسفر حرارت داده میشود، فرآیند ژلاتیناسیون صورت میگیرد. به طور کلی ژلاتینه شدن نشاسته یک فرآیند غیر قابل برگشت است که شامل تورم گرانول، ذوب کریستال طبیعی، فقدان انکسار مضاعف و همچنین عدم قابلیت حل شدن نشاسته میباشد. البته تحقیقات صورت گرفته نشان میدهد استفاده از فشار بالا (تا MPa 650) نیز میتواند موجب تغییر شکل غیرقابل برگشت ناحیه کریستالی در گرانولهای نشاسته گردد که در نتیجه منجر به تخریب ساختار گرانولی میشود (10). Katopo و همکاران در سال 2002، تاثیر فشار MPa 690 را به مدت 5 دقیقه بر روی خصوصیات ژلاتیناسیون سوسپانسیون نشاسته گندم مورد بررسی قرار دادند. نتایج نشان داد ژل تشکیل شده از سوسپانسیون 1:1 (نسبت نشاسته به آب) بسیار ترد و شکننده بود و با افزایش نسبت آب، میزان ژلاتیناسیون نشاسته نیز افزایش مییابد (10). Hongsheng و همکاران در سال 2009 به این نتیجه رسیدند که فشار موجب کاهش آنتالپی ژلاتیناسیون میشود اما این کاهش خطی نیست. به گونهای که آنتالپی در ابتدا بسیار سریع کاهش یافته ولی با افزایش فشار، به تدریج تغییر میکند. این نتایج نشان میدهد برخی ساختارهای ضعیفتر نشاسته آسیب میبیند اما بخشهای مستحکمتر آن در طول تیمار با فشار، تغییری نمیکند (11). Bauer و Konrr در سال 2005، تغییرات پارامتر هدایت الکتریکی5 را در سوسپانسیون 5% نشاسته گندم پس از قرار گرفتن در معرض فشار MPa 530 مورد بررسی قرار دادند. نتایج نشان داد با افزایش مقدار فشار، هدایت الکتریکی نیز به دلیل آزادسازی یونها افزایش مییابد. بین پارامتر هدایت الکتریکی و ژلاتیناسیون سوسپانسیون نشاسته گندم رابطه مثبتی وجود دارد، بدین معنی که درجه ژلاتیناسیون نشاسته را میتوان با استفاده از فاکتور هدایت الکتریکی تعیین نمود (12).
استفاده از فشار هیدرواستاتیک بالا با حفظ یکپارچگی گلوتن، موجب بادکردگی نشاسته میگردد. به طوری که ویژگیهای رئولوژیکی و ساختاری این نوع نشاسته در مقایسه با انواع حرارت دیده تفاوت داشت (13). مقدار بادکردگی نشاسته بستگی به نوع نشاسته، میزان فشار و همچنین مدت زمان انجام این روش دارد (13).
علاوه بر این، نتایج به دست آمده از ویژگیهای حرارتی نشاستههای تحت فشار حاکی از کاهش دمای ژلاتیناسیون و آنتالپی میباشد. علاوه بر این، گرانولهای نشاسته حالت کریستالی خود را از دست داده و تمایل به تجمع پیدا میکنند (14). تحقیقات دیگر در این خصوص نشان داد استفاده از مقادیر پائین فشار (MPa 200) تاثیر چندانی بر روی گلوتن ندارد، اما افزایش فشار و درجه حرارت (MPa800 و oC60) نتایج عکسی را موجب گردید. به گونهای که به هم پیوستگی ساختار گلوتن از بین خواهد رفت (4).
* تاثیر فشار بالا بر روی اجزای تشکیل دهنده دانه گندم
مطالعات چندانی بر روی کاربرد HHP و اثر آن روی ریزمغذیها در دانه غلات انجام نشده است اما تجزیه ویتامینهای محلول در آب در طول تیمار با فشار و حرارت، توسط Sancho و همکاران در سال 1999 بررسی شده است. علت انتخاب این ویتامینها حساسیت به عوامل فیزیکی بوده است چرا که استفاده از آنها در فرآیندهای حرارتی معمولی، با محدودیتهایی مواجه میشود (15). کاربرد HHP اثر زیادی بر روی کاهش پیریدوکسال و تیامین دارد، به گونهای که سیستم تیمار نشده شامل 475/1 ویتامین B1 است اما پس از تیمار در فشار MPa 600 و OC20 به مدت 30 دقیقه شامل 468/1 میباشد. ویتامین C پس از تیمار با فشار، کاهش چشمگیری نشان میدهد البته با افزایش میزان فشار از 200 به 600 MPa میزان باقیمانده ویتامین از 83/87% به 58/88% افزایش مییابد (15). در همین راستا، Gomes و همکاران در سال 1998 مشاهده کردند که اعمال فشار MPa 600-400 به مدت 10 تا 20 دقیقه در دمای محیط، افزایش چشمگیری در میزان این دو ترکیب را به همراه دارد. از سوی دیگر، در فشار MPa 800-700 میزان قندهای احیاکننده نسبت به کربوهیدراتهای محلول کل کمتر میگردد (16). Galazka و همکاران در سال 1995، گلوتن هیدراته را به مدت 60-20 دقیقه در معرض فشار MPa 800-200 قرار دادند. بررسی پروفایل بافت6 به عنوان شاخصی برای دناتوراسیون پروتئین انتخاب شد و در تشخیص خمیر ضعیف و قوی مورد استفاده واقع شد. ژلهای تشکیل شده با گلوتن فرآوری شده با حرارت، بسیار متفاوت بودند چرا که دارای الاستیسیته بیشتر و مدول الاستیسیته بالاتر بودند (17). تحقیقات Kieffer و همکاران در سال 2007 نشان داد در دمای OC20، تنها مقادیر فشار بالاتر از MPa 200 میتواند ساختار گلوتن را تغییر دهد (4). بر طبق مطالعات Barcenas و همکاران در سال 2010، تغییرات در ساختار گلوتن به پیوندهای دی سولفیدی نسبت داده میشود. تیمار گلوتن باعث ایجاد پیوندهای دی سولفیدی اضافی میگردد که در کنار پیوندهای هیدروفوب و هیدروژنی، موجب تغییراتی در شبکه گلوتن میشود که با تغییرات ایجاد شده توسط حرارت متفاوت است. تیمار HHP تا MPa 150 به مدت 4 دقیقه باعث تغییرات میکروسکوپی خمیر میشود که احتمالاً به دلیل بازشدگی پروتئین است (5).
* ساختار میکروسکوپی خمیر تحت فشار بالا
دستگاه SEM7 برای تعیین اثر HHP بر روی ساختار میکروسکوپی خمیر استفاده میشود. خمیر تیمار نشده ساختار پیوستهای با گرانولهای نشاسته دست نخورده و تثبیت شده در شبکه پروتئینی دارد. پس از تیمار HHP این شبکه پیوسته، متلاشی شده و گرانولهای نشاسته به عنوان ساختار مجزایی تشخیص داده میشود. با این وجود شکل گرانولهای نشاسته با افزایش فشار بیشتر، از حالت طبیعی خارج میشود. خمیر تیمار شده در فشار 50 و 150 MPa، گرانولهای نشاسته را کاملاً قابل تشخیص با اندازههای متنوع نشان میدهد و همچنین ساختارهای احاطه کننده که عمدتاً طبیعت پروتئینی دارند به شدت کاهش مییابند و گرانولها را روی هم انباشته میکنند. در فشار MPa 250 تغییرات شدیدی در خمیر تیمار شده مشاهده میگردد، به طوری که گرانولهای نشاسته به عنوان ساختارهای مجزا ناپدید شده و فیلم ناپیوستهای مانند آنچه بعد از تورم و ژلاتیناسیون اتفاق میافتد ایجاد میکند (5). اثر فشار بالا بر روی گرانولهای نشاسته منجر به تورم محدود شده که وابستگی بسیاری به پارامترهای فشار، رطوبت، زمان و همچنین نوع نشاسته دارد. یافتههای Mozhaev و همکاران در سال 1994 نشان میدهد فشار برابر یا بیشتر از MPa 2000-1000 اثر زیادی بر روی پیوندهای کووالان ندارد (18). از سوی دیگر Hoover و همکاران نیز در سال 1989 به این نتیجه رسیدند که پیوندهای هیدروژنی ایجاد شده و اتصالات هیدروفوبی تمایل به پایدار شدن در فشارهای بالاتر از MPa 1000 دارند. با توجه به این که HHP باعث باز شدن پروتئینهای الیگومر میشود، بنابراین اصلاحاتی در ساختار پروتئینها مورد انتظار خواهد بود. Barcenas و همکاران در سال 2010 مشاهده کردند تیمار HHP تا MPa 150 به مدت 4 دقیقه باعث تغییرات میکروساختاری خمیر میشود که علت آن را به بازشدگی پروتئین نسبت دادند اما جهت اصلاح نشاسته، نیاز به درجات بالاتر فشار (MPa 250) میباشد (5).
نتیجه گیری
کاربرد روش HHP با توجه به مزیتهایی نظیر ارائه محصولاتی با کیفیت، بهبود خواص کاربردی و همچنین جلوگیری از واکنشهای ناخواسته شیمیایی، در صنعت غذا دارای روندی رو به رشد میباشد. استفاده از این نوع فناوریهای نوین از جمله اعمال فشارهای بالا سبب تحولات اساسی در بعضی از فرآیندهای مواد غذائی از جمله سالم سازی غیرحرارتی، بهبود ویژگیهای کیفی، بافتی و ارزش تغذ یهای مواد غذائی میگردد. به وضوح میتوان دریافت که گسترش این تکنولوژی، به راحتی میتواند جوابگوی نیازهای مصرف کنندگان برای حصول فرآوردههای مغذی با عمر نگهداری مناسب و سهولت حمل و نقل باشد.
تکنولوژی فشار هیدرواستاتیک بالا بعنوان یک تکنیک غیرحرارتی منافع زیادی را در حفظ ارزشهای کیفی و حسی ماده غذایی ایجاد میکند. با توجه به قیمت بالای این تکنولوژی امید است که با ترکیب این سیستم و روشهای دیگر در فرآیند مواد غذایی بتوان هزینههای عمل آوری را جبران نمود.
منابع و مراجع
1. Farr, D. (1990). High pressure technology in the food industry. Trends in Food Science and Technology, 1, 14-17.
2. Norton, T., & Sun D.W. (2007). Recent advances in the use of high pressure as an effective processing technique in the food industry. Food Bioprocess Technology, DOI: 10.1007/s11947-007-0007-0.
3. Balasubramaniam, V.M., and Farkas, D. 2008. High Pressure Processing. Food Sci. and Technol. Int. In press.
4. Kieffer, R., Schurer, F., Köhler, P., & Wieser, H. (2007). Effect of hydrostatic pressure and temperature on the chemical and functional properties of wheat gluten: studies on gluten, gliadin and glutenin. Journal of Cereal Science, 45(3), 285-292.
5. Bárcenas M.E., Altamirano-Fortoul R., Rosell M.R. (2010). Effect of high pressure processing on wheat dough and bread characteristics. LWT – Food Science and Technology, 43, 12-19.
6. Palou, E., Lo pez-Malo, A., Barbosa-Ca novas, G. V., Welti-chanes, J., Davidson, P.M., & Swanson, B.G. (1998). High hydrostatic pressure come-up time and yeast viability. Journal of Food Protection, 61 (12), 1657-1660.
7. Ahn, J., Balasubramaniam, V.M., and Yousef, A.E. 2007. Inactivation kinetics of selected aerobic and anaerobic bacterial spores by pressure-assisted thermal processing. Int. J. of Food Microbiol. 113(3): 321-329.
8. Black, E.P., Setlow, P., Hocking, A.D., Stewart, C.M., Kelly, A.L., and Hoover, D.G. 2007. Response of spores to high-pressure processing. Comp. Rev. Food Sci. Food Safety 6(4): 103-119.
9. Sullivan, J. W., & Johnson, J. A. (1964). Measurement of starch gelatinization by enzyme susceptibility. Cereal Chemistry, 41, 73-7.
10. Katopo, H., Song, Y., & Jane J. L. (2002). Effect and mechanism of ultrahigh hydrostatic pressure on the structure and properties of starches. Carbohydrate Polymers, 47, 233-244.
11. Liu, Hongsheng; Yu, Long; Simon, George; Dean, Katherine; Chen, Ling. Carbohydrate Polymers vol. 77 issue 3 July 11, 2009. p. 662-669.
12. Bauer B.A., knorr D (2005). The impact of pressure, temperature and treatment time on starches: pressure-induced starch gelatinization as pressure time tempreture indicator for high hydrostatic pressure processing. Journal of Food Engineering, 68, 329-334.
13. Stolt, M., Oinonen, S., & Autio, K. (2000). Effect of high pressure on the physical properties of barley starch. Innovative Food Science and Emerging Technologies, 1, 167-175.
14. Wang, B., Li, D., Wang, L., Chiu, Y.L., Chen, X.D., & Mao, Z. (2008). Effect of high pressure homogenization on the structure and thermal properties of maize starch. Journal of Food Engineering, 87, 436-444.
15. Sancho, F., (1999). Effect of ultra-high hydrostatic pressure on hydro soluble vitamins. Journal of Food Engineering, 39(3), 247-253.
16. Gomes, M.R., Clark, A., & Ledward, D.A. (1998). Effects of high pressure on amylases and starch in wheat and barley flours. Food Chemistry, 63, 363-372.
17. Galazka, V.B., and Ledward, D.A. )1995. (Development in high pressure processin. Food Technology International Europe, 12:123-125.
18. Mozhaev, V., Heremans, K. (1994). Exploiting the effect ofs of high hydrostatic pressure in biotechnological applications. Trends in biotechnology, 12, 493-501.
1 High Hydrostatic Pressure
2 Pasckalization
3 1MPa=10atm, 100MPa=1Kbar
4 Total Aerobic mesophilic bacteria (TAMB)
5 Electrical Conductivity
6 Texture Profile Analysis
7 Scanning Electron Microscopic
—————
————————————————————
—————
————————————————————
2