مقاله فشار هیدرواستاتیک بالا در صنایع غذایی


high hydrostatic pressure

در مورد فناوری فشار هیدرواستاتیک بالا چه می دانید؟

مصرف کنندگان مواد غذایی چه خصوصیاتی را در مواد غذایی انتظار دارند؟
مناسب از جهت نگهداری، زمان ماندگاری و تهیه کردن –
کیفیت بالا از نظر طعم، بافت وظاهر –
تازگی و طبیعی بودن (کمترین افزودنی) –
سالم از نظر تغذیه ای –
حداقل بسته بندی –

تولید کنندگان برای رفع انتظارات مصرف کنندگان چه اقداماتی انجام داده اند؟
– استفاده از فرایندهای ملایم (بدون حرارت یا حرارت کمتر(
-کمترین افزودنی (شیمیایی یا آلی)
-استفاده از تکنیک های سنتی
استفاده کمتر از نمک، اسید چرب اشباع و شکر(غذاهای کم کالری) –
استفاده از بسته بندی های سازگار با محیط زیست –
حذف میکرواگانیسم های فسادزا و بیماری زا –

اساس روش هایی که برای افزایش ماندگاری مواد غذایی بکار می روند چیست و دسته بندی آنها چگونه است؟
روشهایی که مانع رشد میکروارگانیسم ها میشوند:
کاهش درجه حرارت –
کاهش آب فعال –
کاهش پ هاش –
خروج اکسیژن –
استفاده از بازدارنده ها –
روش هایی که بر اساس غیر فعال سازی میکروارگانیسم ها است:
حرارت دادن (ترمیزه کردن، پاستوریزه کردن، استریلیزه کردن) –
تشعشع –

روشهایی که دسترسی میکروارگانیسم ها را به مواد غذایی کم میکند:
بسته بندی –
امروزه تلاش بر این است که روشهای غیر فعال سازی میکروارگانیسم ها توسعه یابند زیرا احتمال بیماریزایی کاهش می یابد.
فرایند های حرارتی تاثیر منفی روی کیفیت مواد غذایی دارند اما میکروارگانیسم ها راغیر فعال میکنند. ازطرف دیگر فرایند های غیر حرارتی سبب غیر فعال شدن میکروارگانیسم ها ی فسادزا و بیماریزا در مواد غذایی میشوند بدون آن که کیفیت آنرا کاهش دهند.
فناوری فشار بالا علاوه بر غیر فعال سازی میکرارگانیسم ها، کیفیت مواد غذایی را در سطح بالایی نگه می دارد.

فرایندهای غیر حرارتی که سبب غیر فعال شدن میکروارگانیسم ها میشوند و هم اکنون در صنایع استفاده می شوند:

High hydrostatic pressure
Electro poration
Manothermosonication
High intensity laser
High strengh magnetic field pulses
Addition of bacteriocins
Addition of bacteriolytic enzymes
Surface decontamination techniques for carcusses

تکنیک فشار هیدرواستاتیک بالا در ابتدا در چه محصولاتی بکار برده شد؟
سرامیک –
استیل –
– فلزات مرکب

این تکنیک در چه سالی شناخته شد و امروزه در کدام کشورها استفاده می شود؟
در سال 1899 توسط هیت شناخته شد. از سال 1990 هم در کشور ژاپن استفاده می شود. بعد از ژاپن آمریکا و برخی از کشورهای اروپایی از این روش استفاده کردند.

آیا می توان این روش را برای تمام مواد غذایی استفاده کرد و اولین محصولات فرایند شده با آن کدام محصولات بودند؟
مانند سایر روشها این تکنیک برای تمام مواد غذایی کاربرد ندارد. البته مواد جامد ومایع را می توان با آن فرآوری کرد اما برای موادی با اسیدیته بالا مناسب تر است.
اولین محصولات فرایند شده با آن مرباها و آبمیوه ها بودند.
تا کنون برای چه محصولاتی به صورت موفقیت آمیز بکار برده شده است؟
Ready to eat meat
Avocado products(guacamol)
Tomato salsa
Applesauce
Orang juice
Oysters

آیا این تکنیک می تواند موادی با پ هاش بالا را هم فرایند کند؟
هنوز برای موادی با پ هاش بالا نظیر سوپ و سبزیجات و …در مقیاس وسیع بکار برده نمی شود. زیرا این تکنیک قادر نیست بدون اعمال حرارت اسپورها را غیر فعال کند. البته میتوان برای افزایش ماندگاری این محصولات از یخچال هم استفاده کرد و خطر بیماریزایی اشریشیاکلی و سالمونلا و لستریا را کاهش داد.
در محصولاتی با پ هاش بالا از این تکنیک میتوان برای ایجاد خصوصیات کاربردی یا حسی استفاده کرد.
در این روش ماده غذایی باید دارای رطوبت کافی باشد تا فشار بالا روی میکروارگانیسم ها موثر باشد.

در این تکنیک از چه محدوده فشاری استفاده می شود؟
فشاری بین 100_1000 مگاپاسگال
آیا این تکنیک صدمه ای به ماده غذایی وارد می کند؟
خیر، چون فشار از تمام جهات به محصول وارد می شود.البته محصولاتی نظیر توت فرنگی و مارشال مالو به دلیل هوای محبوس داخلی آسیب می بینند.

ماندگاری محصولاتی که تحت فشار بالا قرار گرفته اند چگونه است؟
تقریباً شبیه فرایند پاستوریزاسیون است که باید بعد از فرایند در یخچال نگهداری شوند.
البته بدلیل مزیت های زیادی که این روش دارد ترجیح داده میشود زیرا خصوصیاتی نظیر رنگ، بافت و طعم را دستخوش تغییر نمی کند.

سیستم های موجود قادر به فرایند چه میزان محصول هستند؟
سالانه 10 میلین پوند محصول

فشار بالا چگونه تولید می شود؟
-به صورت مستقیم توسط یک پیستون، اما فشار حاصله پایین است و در سطح آزمایشگاهی استفاده می شود.
-به صورت غیر مستقیم که در آن یک مخزن با فشار بالا، فشار حاصل از پیستون را تقویت می کند و در مقیاس صنعتی استفاده می شود.
-افزایش فشار از طریق افزایش دما که در آن با کنترل دما فشار را کنترل می کنند.

تکنیک فشار بالا به چند طریق انجام می شود؟
-روش سرد: در ابتدا برای فلزات، سرامیک، کربن، گرافیت و پلاستیک بکار می رفت سپس در صنایع غذایی استفاده شد که به دو صورت خشک و مرطوب است. در روش مرطوب ماده مستقیماً با واسطه فشار در ارتباط است ولی در روش خشک ماده توسط یک محفظه پلاستیکی پوشیده شده است و محصول به صورت بسته بندی شده است.
– روش گرم: در این روش از افزایش درجه حرارت تا حدود 200 درجه سانتیگراد استفاده می شود. این روش زمانی انجام می شود که یک واکنش شیمیایی در حال انجام است.
-روش داغ: در این روش از دماهای بالا حدود 2200 درجه سانتیگراد و فشار 1000-4000 اتمسفر استفاده میشود. واسطه می تواند یک گاز مثل آرگون، نیتروژن، هلیوم یا هوا باشد. زمان فرایند هم 6-12ساعت است. این روش هم در صنعت فلزات و سرامیک استفاده می گردد.

این تکنیک به چه نوع تجهیزاتی نیاز دارد؟
این تکنیک به دو صورت ناپیوسته و نیمه مداوم انجام میشود. نوع ناپیوسته مواد جامد و مایع را فراوری می کند البته این مواد باید بسته بندی شده باشند. در سیستم های نیمه مداوم مواد باید قابلیت پمپ شدن داشته باشند. مثل شربت پرتغال
در روش نیمه مداوم پیستون داخل محیط بصورت شناور است. در این روش خود محصول واسطه فشار است.
سیستم ناپیوسته شامل سه بخش مهم است:
مخزن –
سیستم تولید فشار –
میله های عرضی احاطه کننده سیستم –

خط تولید فرایند ناپیوسته

مخزن فرایند ناپیوسته

کل فرایند به چه صورت است؟
در ابتدا مواد غذایی بسته بندی می شود سپس داخل مخزن قرار می گیرد.واسطه فشار که معمولاً آب به همراه کمی روغن (جلوگیری از خوردگی) است به مخزن اضافه می شود. سپس فشار لازم اعمال می گردد و کاهش حجم ایجاد می شود. کاهش حجم آب در فشارهای مختلف به صورت زیر است:
4% در 1000 اتمسفر 7% در 2000 اتمسفر
5/11% در4000 اتمسفر 15% در 6000 اتمسفر

اگر از واسطه های گازی استفاده شود نوع مخزن متفاوت خواهد بود.
مراحل فرایند برای شربت پرتغال به صورت زیر می باشد:
قرار دادن مواد داخل مخزن 1 دقیقه کاهش فشار 1 ثانیه
افزایش فشار 5/1دقیقه تخلیه 1 دقیقه نگهداری فشار 1دقیقه

نمودار فرایند

چه نوع بسته بندی هایی جهت فشار بالا به کار می رود؟
بسته بندی های مناسب آنهایی هستند که انعطاف پذیر بوده و مقاومت حرارتی بالایی دارند. مثل بسته های پلاستیکی، لوله های استریل، لوله های پلیمری، پلی اتیلن، نایلون، کوپلیمرهای اتیل ونیل الکل و پلی ونیل الکل
تاثیرات بیولوژیکی فشار بالا چیست؟
مطالعه تاثیرات فشار روی میکروارگانیسم های زنده باروبیولوژی گفته می شود.
این تکنیک تغیراتی را در ریخت شناسی
بیوشیمی
ژنتیک
غشا و دیواره سلولی ایجاد می کند.

این تکنیک روی میکروارگانیسم ها چه تاثیری دارد؟
بطور کلی قارچ ها، باکتری های لاکتیک اسید و کپک ها نسبت به اسپورها به فشار بالا حساس تر هستند. میکرب های گرم منفی در فشار پایین تری نسبت به گرم مثبت ها غیر فعال می شوند.
تاثیر فشار بالا روی میکروارگانیسم ها به عواملی چون طول مدت اعمال فشار، حضور اسپورها، فشار اسمزی، پ هاش، درجه حرارت فرایند و نوع و ترکیب ماده غذایی بستگی دارد.هر قدر فشار بالاتر باشد قدرت کشندگی آن هم بالاتر است. اما افزایش طول مدت اعمال فشار تاثیر چندانی در قدرت میکرب کشی ندارد.

سلول ها در مواد غذایی نسبت به سیستم های بافری مقاومت بالاتری به فشار دارند.
پ هاش پایین و فعالیت آبی بالا، کاهش فشار اسمزی و مواد ضد میکربی تخریب میکروارگانیسم ها را افزایش می دهد.
میکروارگانیسم هایی که در اثر فشارآسیب دیده اند در اثر کاهش پ هاش، افزایش عوامل ضد میکربی، فشار مجدد و حرارت ملایم از بین می روند.
افزایش درجه حرارت همزمان با اعمال فشار میزان میکرب کشی ( البته در درجه حرارت های بالای 30 درجه سانتیگراد) را افزایش می دهد. فشار نفوذپذیری غشای سلولی را تغیر می دهد.

نماودار تاثیر افزایش فشار بر جمعیت میکروارگانیسم ها

اثرات فشار بالا به چند دسته تقسیم می شود:
تغیرات ریخت شناسی
ایجاد رشته: میکروارگانیسم 5 تا 8 برابر درازتر می شود.
توقف تحرک یا کاهش جنبش: میکروارگانیسم ها تحرک خود را از دست می دهند.
غیر فعال کردن میکروارگانیسم ها
غیر فعال کردن اسپورها
اسپور ها در فشار متوسط جوانه می زنند و در فشار بالا غیر فعال می شوند.
غیر فعال شدن اسپورها تحت تاثیر حرارت است و به میزان کم تحت تاثیر پ هاش، قدرت یونی و فعالیت آبی است.

تاثیر فشار بالا روی واکنش های آنزیمی به چه صورت است؟
فعالیت آنزیم ها در اثر افزایش فشار کاهش می یابد و معمولاً در فشار 1000 اتمسفربمدت 15 دقیقه غیر فعال میگردند. تاثیر فشار روی آنزیم ها تحت تاثیر پ هاش، غلظت سوبسترا، اجزای ساختاری آنزیم و درجه حرارت می باشد.
البته فعالیت بعضی آنزیم ها در اثر افزایش فشار افزایش می یابد چون دیواره سلولی پاره می شود وآنزیم راحت تر با سوبسترا تماس می یابد. در این موارد هم با افزایش فشار می توان آنزیم را غیر فعال کرد.
مثلاً آنزیم پکتین استراز در غلظت های بالای قند و مواد جامد محلول مقاومت بالایی نسبت به فشار دارد. این آنزیم سبب شفافیت واز بین رفتن حالت ابری در آب مرکبات می شود.
پلی فنل اکسیداز در اثر فشار بالا فعال تر می شود.
فشار بالا می تواند برای ایجاد تغیرات موثر در سرعت واکنش یا انتخابی بودن آنزیم
استفاده شود. حتی می تواند سبب هضم انتخابی پروتئین ها توسط آنزیم ها گردد.

تاثیر افزلیش فشار بر کاهش پکتین استراز

فشار در درجه حرارت اتاق قسمتی یا کل آنزیم را غیر فعال می کند که به دلیل تغیر ساختار پروتئین است.
واکنش های شیمیایی هم که تحت تاثیر فشار قرار گرفته اند متوانند روی آنزیم ها اثر گذارند که معمولاً در نحوه اتصال سوبسترا وآنزیم است.
گاهی در اثر فشار سوبسترا تغیر می کند ( ژلاتینه شدن نشاسته) که در نتیجه آن آنزیم غیر فعال می شود.
فشار بالا روی واکنشهای بیوشیمیایی چه تاثیری دارد؟
سرعت این واکنش ها در اثر افزایش فشار می توانند افزایش یا کاهش یابد.
البته واکنش های تخمیری در اثر افزایش فشار کند می شوند.
فشار بالا فضاهای مولکولی را کاهش می دهد در نتیجه واکنش هایی که منجر به ایجاد پیوند هیدروژنی می شوند توسط فشار تسریع می گردند.

تاثیر این تکنیک روی ترکیبات تشکیل دهنده مواد غذایی ( پروتئین ها، لیپیدها، کربوهیدرات ها، ترکیبات با وزن مولکولی پایین) چگونه است؟
پروتئین ها
فشار بالا روی ساختمان دوم، سوم و چهارم پروتئین ها موثر است. زیرا فشار بالاپیوندهای غیر کوالان را تحت تاثیر قرار می دهد. معمولاً پروتئین ها در اثر فشار دناتوره می شوند که ساختار پروتئین ها، رنج فشار، دما، پ هاش و ترکیب حلال در این دناتوراسیون موثر است.
فشار بالا علاوه بر دناتوراسیون پروتئین ها، سبب ژله ای شدن و سفت شدن پروتئین ها می شود. در فشار های خیلی بالاممکن است ترتیب اسیدهای آمینه تغیر یابد.
در اثر فشار بالا ابتدا پیوندهای هیدروژنی بین زنجیره های پپتیدی حاصل می شود و پروتئین ها به شکل کروی در می آیند سپس این اشکال کروی بهم مرتبط می شوند و حالت پزله ای حاصل می کنند.البته اگر در حالت کروی باقی بمانند در برابر دناتوراسیون حرارتی مقاومت حاصل می کنند. پروتئین های سفیده تخم مرغ در فشار 7 کیلو بار به مدت 30 دقیقه دناتوره می شوند.

نشاسته
نشاسته و پلی ساکارید ها در اثر افزایش فشار حالت ژله ای پیدا می کنند البته هرقدر نسبت آمیلوز بالاتر باشد مقاومت نسبت به فشار بالا بیشتر می شود.
لیپیدها
فشار در لیپیدها و فسفولیپیدها حالت کریستالی ایجاد می کند. فشار اکسیداسیون لیپیدها را افزایش ولیپولیز آنها را کاهش می دهد.
ترکیبات با وزن مولکولی پایین
فشار بالا روی این ترکیبات اثر کمی دارند بنابر این ترکیبات طعمی، ویتامین ها، رنگدانه ها در اثر فشار بالا تغیری حاصل نمی کنند.

این تکنیک روی بافت چه تاثیری دارد؟
فشار بالا روی بافت محصولاتی که دیواره سخت دارند یا فضاهای داخل سلولی بالا دارند اثر می گذارد. محصولات سخت در اثر فشار آسیب میبینند. البته ممکن است سبب افزایش ویسکوزیته در مواد نشاسته ای یا ایجاد حالت ژله ای در پروئین ها شود.
ویسکوزیته موادغذایی در اثر افزایش فشار افزایش و در اقر افزایش دما کاهش می یابد.

آیا توانسته اند بافتهایی مثل سبزیجات را که فضاهای خالی دارند با این تکنیک فرایند کنند؟
بله به این صورت که ابتدا فضاهای خالی را توسط یک مایع تراکم ناپذیر مثل آب (15% تراکم در 600 مگا پاسگال) پر میکنند سپس فرایند را انجام می دهند.

مزیت های این فرایند چیست؟
زمان کوتاه فرایند –
بدون آسیب حرارتی –
حفظ تازگی محصول –
-حفظ بافت، طعم، رنگ و مواد غذایی محصول
-عدم تخریب ویتامین ها
-کاهش آسیب های ناشی از یخ زدن
مصرف انرژی پایین –
– سازگار با محیط زیست
– فضای کم

کاربردهای این تکنیک در صنایع غذایی به چه صورت است؟
– تولید مواد غذایی
– غیر فعال سازی آنزیم ها و سموم غذایی
– دناتوراسیون پروتئین ها و افزلیش حساسیت آنها در برابر آنزیم ها
– کریستالیزاسیون چربیها و تغیرات فسفولیپید ها
– ژلاتینه کردن و کریستالیزاسیون نشاسته
– تجزیه پلیمرها
– افزایش زمان ماندگاری و بهبود بافت و نرم کردن بافت
– بهبود فرایند انجماد و کاهش صدمات ناشی از دفراست
– سفت کردن گوجه فرنگی
– کاهش زمان تردکردن گوشت به 10 دقیقه و کاهش زمان جمود
– کاهش زمان پخت (برنج)
– استخراج فلاونوئیدها
– تغیر در پلی مرفی گلیسین
– تسریع رسیدگی در پنیر و کاهش لیپولیز در آن

– برطرف کردن تلخی آب مرکبات
– حذف فرایند پختن در مربا
– افزایش بنزآلدئید و بهبود طعم مرباها وژل ها
– افزایش کشش پذیری و بهبود رنگ گوشت
– پاستوریزاسیون در فشار پایین
– استرلیزاسیون تجاری در فشار خیلی بالا
– بهبود رنگ میوه ها و زرده تخم مرغ
– تسریع رسیدن در پنیر
– افزایش واکنشهای ترکیبات غذایی
– بی رنگ کردن هموگلوبین
– اتصال مواد معطر و ویتامین ها و مواد معدنی به پروتئین ها
– تمپرینگ شکلات و افزایش نقطه ذوب لیپید ها
– کاهش تعداد مخمرها
– غیر فعال کردن لیستریا در گوشت

– شباع کردن محلول های آبی با دی اکسید کربن
– هواگیری مواد غذایی
– بهبود استخراج ترکیبات سلولی مثل آنزیم ها و مواد محلول وآب
– متراکم ساختن ترکیبات غذایی
– پوشش سطحی مواد غذایی با فیلم های خوراکی

آیا از این تکنیک به همراه سایر فرایند ها استفاده شده است؟
فشار و تشعشع
اگر تشعشع قبل یا بعد از فرایند فشاری اعمال شود تفاوتی با زمانی که تنها از فشار استفاده میشود مشاهده نشد.
فشار و پالس
در این مورد هم تفاوتی مشاهده نشد.
فشار و جریان الکتریکی
در اثرجریان الکتریکی متناوب مواد داخل سلولی خارج می شوند در نتیجه مقاومت سلول کاهش می یابد.
فشار و اولتراسوند
کاربرد این دو به صورت همزمان غیر فعال سازی میکروارگانیسم ها افزایش می یابد. البته خصوصیاتن کاربردی و عملکردی مواد غذایی تحت تاثیر قرار میگیرد.
فشار و حرارت
افزایش دما تاثیر فشار را روی اسپورها افزایش می دهد.

تحقیقات بعدی در این زمینه در چه مواردی باید متمرکز شود؟
باید محدودیت های این تکنیک شناخته شود. بسیاری از کاربردهای گفته شده در سطح آزمایشگاهی قابل انجام است و هنوز صنعتی نشده است. برای صنعتی شدن آنها باید پژوهش های بیشتری انجام شود.
باید تلاشهایی در جهت کاهش هزینه های آن انجام شود. می توان از حجم های بالاتر و زمان های کمتر استفاده کرد.

منابع:
Hendrichx , M. E. G; Knorr, D. (2001). Ultra high pressure treatment of food. New York: Kluwer Academik/Plenum Publisher, USA.
Ledward, D.A; Johnston, D.E; Earnshaw, R.G; Hasting, A.P.M. (1995).High pressure processing of food.Trowbridge: Nottingham university press,
Bozoglu, F; Deak, T; Ray, B. (1999). Novel processing and control technologies in the food industry. Ohmsh: IOS press,
Barbosa-Canovas, G.V; Pothakamury, U.R; Palou, E;Swanson, B.G. (1997). Nonthermal preservation of food.
http://fresherunderpressure.com/
http://ohioline.osu.edu/fse-fact/0001.html/