Branża Mleczarska 100 Firm

Forum Mleczarskie Biznes 2/2021 (43)

Patrycja Cichońska

© fm

Utrwalanie żywności:

Nietermiczne metody utrwalania produktów mleczarskich


Konsumenci w coraz większym stopniu skupiają swoją uwagę, zarówno na korzyściach zdrowotnych, jak i zagrożeniach związanych ze spożywaniem żywności. Producenci starając się wyjść naprzeciw ciągle rosnącym oczekiwaniom konsumentów ulepszają technologię produkcji, w celu zapewnienia jak najwyższej jakości oferowanej żywności. Produkowana żywność musi być przede wszystkich bezpieczna. W przemyśle mleczarskim niezwykle istotne jest zapewnienie bezpieczeństwa mikrobiologicznego. Osiąga się ją poprzez kontrolę wszystkich materiałów i surowców wprowadzanych do łańcucha żywnościowego, wdrażanie operacji mających na celu eliminację i hamowanie rozwoju drobnoustrojów, a także poprzez odpowiednie przetwarzanie i zapobieganie wtórnym zakażeniom produktów. Wdrażanie określonych operacji jednostkowych pozwala na zapewnienie bezpieczeństwa oraz przedłużenia przydatności do spożycia.

W przemyśle mleczarskim wykorzystywane są głównie termiczne metody utrwalania produktów – pasteryzacja oraz sterylizacja. Mleko i produkty mleczne poddawane są zazwyczaj obróbce termicznej w zakresie od 70 do 140°C. Stosowanie pasteryzacji pozwala na zmniejszenie liczebności mikroorganizmów wegetatywnych i inaktywację wybranych enzymów w produkcie, co zapewnienia od 7 do 20 dni przydatności do spożycia. Obróbka w wyższych temperaturach (np. UHT) pozwala na znaczne wydłużenie okresu przydatności do spożycia nawet do kilku miesięcy, dzięki eliminacji nie tylko drobnoustrojów wegetatywnych, ale również ich przetrwalników. Obróbka termiczna pomimo swej skuteczności wpływa niekorzystanie na wartość odżywczą oraz walory sensoryczne mleka i produktów mlecznych. Nadmierna obróbka cieplna może powodować niepożądaną denaturację białek, nieenzymatyczne brązowienie, a także utratę witamin oraz lotnych związków smakowych i zapachowych. Żywność taka staje się mniej atrakcyjna dla konsumentów, którzy coraz częściej poszukują żywności najbardziej zbliżonej do „naturalnej”.

Producenci wychodząc naprzeciw oczekiwaniom konsumentów poszukują metod obróbki, które zapewnią bezpieczeństwo produktu, nie powodując niekorzystnych zmian w wartości odżywczej i jakości sensorycznej. Coraz popularniejsze staje się wykorzystanie alternatywnych metod, zwanych nietermicznymi. Spośród metod tych wyróżnić możemy m.in. zastosowanie wysokiego ciśnienia hydrostatycznego, pulsacyjnego pola elektrycznego, ultradźwięków i promieniowania ultrafioletowego. Technologie nietermiczne, stanowiące alternatywę dla obróbki termicznej, są badane i rozwijane, w celu uzyskania lepszej jakości sensorycznej produktu końcowego, z uwzględnieniem bezpieczeństwa mikrobiologicznego. Ich zastosowanie umożliwia otrzymanie produktu bez szkodliwej mikroflory i z ograniczeniem obecności wybranych enzymów, zachowując właściwości odżywcze i jakość sensoryczną pod względem smaku, zapachu i barwy. Większość tych alternatywnych procesów zapewnia jednak utrwalenie produktu wyłącznie na poziomie pasteryzacji, przez co stosowane są one zazwyczaj w połączeniu z innymi metodami utrwalania, z wykorzystaniem tzw. technologii płotków. W technologii tej uwzględniając charakterystykę produktu i obecną w nim mikroflorę dobiera się odpowiedni zestaw oddziałujących czynników (płotków), który zapewni jego bezpieczeństwo. Każdy czynnik to kolejny „płotek”, który w połączeniu z pozostałymi hamuje rozwój, niszczy lub pozwala na utrzymanie drobnoustrojów na określonym poziomie. Jako „płotki” stosuje takie czynniki jak np. temperatura, pH, aktywność wody, czy ciśnienie osmotyczne. Wymienione nietermiczne metody przetwarzania żywności łączone są najczęściej z zastosowaniem podwyższonej temperatury w trakcie przetwarzania (o wartości poniżej temperatury pasteryzacji) lub chłodniczej temperatury przechowywania produktów po procesie.

© fm

Jedną z najpopularniejszych nietermicznych metod utrwalania, stosowanych w przemyśle mleczarskim jest wykorzystanie wysokiego ciśnienia hydrostatycznego (HHP – ang. High Hydrostatic Pressure). Metoda ta polega na umieszczeniu produktu w komorze ciśnieniowej, w której jest on poddawany ciśnieniu hydrostatycznemu w zakresie od 100 do 1000 MPa przez kilka minut. Ciśnienie hydrostatyczne generowane jest poprzez zwiększenie wolnej energii lub poprzez mechaniczne zmniejszenie objętości podczas obróbki ciśnieniowej w układzie zamkniętym. Przetwarzaniu HHP zwykle towarzyszy umiarkowany wzrost temperatury, który zależy od składu przetwarzanego produktu spożywczego. Uważa się, że w trakcie tego procesu drobnoustroje zostają inaktywowane na drodze wywołanych zmian strukturalnych w błonie komórkowej oraz inaktywacji układów enzymatycznych, odpowiedzialnych za kontrolę ich metabolizmu. Przeżywalność mikroorganizmów zależy od wartości ciśnienia, czasu oddziaływania, temperatury, składu pożywienia oraz stanu i fazy wzrostu mikroorganizmów. Działanie wysokim ciśnieniem hydrostatycznym o określonych parametrach na surowiec prowadzi do inaktywacji drobnoustrojów wegetatywnych i niektórych enzymów. Nie obserwuje się powstawania substancji toksycznych, a produkt ma cechy świeżego surowca o tylko nieznacznie zmniejszonej wartości odżywczej. Wykazano, że obróbka HHP w zakresie 400-600 MPa zapewnia w mleku surowym bezpieczeństwo na poziomie pasteryzacji, jednak nie zapewnia bezpieczeństwa na poziomie sterylizacji ze względu na obecność przetrwalników odpornych na wysokie ciśnienie. Dopiero połączenie metody z wykorzystaniem HHP z ogrzewaniem powyżej 60°C zostało uznane za równoważne sterylizacji, z jednoczesnym zachowaniem funkcjonalności produktu na lepszym poziomie niż po zastosowaniu sterylizacji konwencjonalnej.

Badania wykazują, że obróbka pod wysokim ciśnieniem hydrostatycznym może wpływać na wiele różnych składników mleka i produktów mlecznych, m.in. zwiększając poziom wolnych kwasów tłuszczowych, zmniejszając rozmiar miceli kazeiny, czy denaturując białka serwatki w mleku. Może to dawać interesujące możliwości dla opracowywania nowych produktów mleczarskich o właściwościach funkcjonalnych. W produkcji sera wykorzystanie obróbki HHP prowadzić może do poprawy koagulacji podpuszczki, skracania procesu dojrzewania oraz poprawy tekstury otrzymanego produktu. Ser poddany takiej obróbce ma wyższą wilgotność, nasolenie i całkowitą zawartość wolnych aminokwasów niż sery z surowego lub pasteryzowanego mleka. Zastosowanie wysokiego ciśnienia hydrostatycznego w technologii produkcji jogurtu prowadzić może do obniżenia synerezy (wydzielania serwatki ze skrzepu) oraz ograniczenia konieczności wykorzystywania dodatków do żywności. Lody z mieszanek poddanych obróbce wysokociśnieniowej wykazywały wolniejszą szybkość topnienia i lepsze właściwości sensoryczne, w porównaniu z lodami otrzymywanymi metodami konwencjonalnymi.

© fm

Zastosowanie wysokiego ciśnienia hydrostatycznego wpływa głównie na takie składniki mleka jak białka i tłuszcze, jednocześnie nie oddziałując na witaminy i składniki mineralne. Zastosowanie HHP powoduje rozpad miceli kazeiny na cząstki o mniejszej średnicy, co prowadzi do spadku zmętnienia oraz wzrostu lepkości mleka. Dodatek białka serwatki do izolatu kazeiny chroni jednak micele przed rozerwaniem wywołanym wysokim ciśnieniem. Obróbka ciśnieniowa o określonych parametrach powoduje również denaturację laktoglobulin. Podczas przetwarzania mleka, błona globulek tłuszczu mlecznego ulega zmianie, co umożliwia działanie lipazy na trójglicerydy, zwiększając poziom wolnych kwasów tłuszczowych w mleku. Laktoza zawarta w mleku i produktach mlecznych może pod wpływem standardowej obróbki termicznej rozpadać się do kwasów i innych cukrów (może zachodzić tzw. reakcja Maillarda, tj. reakcji pomiędzy aminokwasami a cukrami redukującymi). Przy zastosowaniu HHP nie obserwuje się żadnych zmian w tych związkach, co sugeruje, że reakcja Maillarda nie zachodzi. Enzymy mleczne różnią się pod względem wrażliwości na wysokie ciśnienie, a niektóre z nich nie poddają się inaktywacji pod wpływem tego procesu. W tabeli 1 przedstawiono wpływ obróbki HHP na wybrane parametry jakości mleka.

Kolejną metodą nietermicznego utrwalania żywności jest pulsacyjne pole elektryczne (PEF – ang. pulsed electric field). Traktowanie żywności PEF polega na dostarczaniu impulsów o dużym natężeniu pola elektrycznego (5-80 kV/cm) do materiału przez kilka milisekund (µs). Żywność wystawiana jest na działanie pól elektrycznych pomiędzy elektrodami w komorze, a wysokie napięcie powoduje inaktywację mikroorganizmów obecnych w próbce żywności (dochodzi do zaburzenia struktury i rozrywania błon komórkowych drobnoustrojów). Utrwalanie żywności metodą PEF jest lepszą technologią niż tradycyjna obróbka termiczna, ponieważ pozwala na zachowanie cech sensorycznych i fizycznych produktów, przy jednoczesnej inaktywacji zagrożeń mikrobiologicznych. Proces ten można prowadzić w różnych zakresach temperatur – w temperaturze otoczenia oraz poniżej i powyżej temperatury otoczenia. Pulsacyjne pole elektryczne ma szeroki zakres zastosowań, od żywności płynnej i półstałej po żywność stałą, jednak najczęściej wykorzystywane jest w stosunku do żywności płynnej. Wynika to z faktu, że prąd elektryczny przepływa do płynnej żywności bardziej efektywnie, a przenoszenie impulsów z jednego punktu do drugiego w płynach jest dość łatwe. Stosowanie obróbki PEF jest równoważne pasteryzacji ze względu na to, że przetrwalniki drobnoustrojów są odporne na działanie pola elektrycznego. Proces ten wykorzystywany jest m.in. do pasteryzacji mleka. Uważa się, że inaktywacja drobnoustrojów wywołana PEF jest skutecznym sposobem konserwacji mleka, bez negatywnego wpływu na jego jakość. Stosowanie tej metody można łączyć z zastosowaniem innych metod obróbki, w celu zwiększenia jej skuteczności i osiągnięcia efektu sterylizacji. Wykorzystywane jest łączenie pulsacyjnego pola elektrycznego z obróbką ultradźwiękową, wysokociśnieniową, światłem ultrafioletowym oraz obróbką termiczną poniżej temperatury pasteryzacji. W tabeli 2 przedstawiono wpływ zastosowania PEF, w połączeniu z różnymi parametrami ogrzewania, na wybrane drobnoustroje.

Parametry stosowania PEF w żywności powinny być szczegółowo dobierane w zależności od produktu, który wystawiany jest na jego działanie. Przykładowo przetwarzanie PEF przy 35 kV/cm, w czasie 40 ms i temperaturze 60°C pozwala na uzyskanie efektu pasteryzacji płynnych produktów mlecznych, z jednoczesnym zachowaniem cech sensorycznych i właściwości funkcjonalnych, w porównaniu z konwencjonalnymi procesami termicznymi (np. pasteryzacją w temperaturze 72°C przez 15 s). Przetwarzanie PEF można również wykorzystać do przedłużenia okresu przechowywania mleka surowego w warunkach chłodniczych przed dalszym przetwarzaniem w mleczarni. PEF pozwala na inaktywację takich patogenów jak np. E. coli, Cronobacter sakazakii, Bacillus cereus, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Salmonella enterica. Proces ten częściowo inaktywuje również enzymy tj. laktoperoksydaza czy fosfataza alkaliczna. Enzymy wykazują jednak wyższą odporność na przetwarzanie PEF niż mikroorganizmy wegetatywne, więc do uzyskania ich pełnej inaktywacji wymagane jest zastosowanie wyższej intensywności obróbki (natężenie pola elektrycznego lub temperatury).

Coraz większe zastosowanie w przemyśle spożywczym mają fale akustyczne o częstotliwości powyżej 20 kHz, czyli ultradźwięki. Stosowane są ultradźwięki o niskiej i wysokiej częstotliwości. Ultradźwięki o niskiej intensywności charakteryzują się częstotliwościami wyższymi niż 100 kHz i natężeniami poniżej 1 W/cm2, natomiast ultradźwięki o wysokiej intensywności charakteryzują się częstotliwościami od 20 do 500 kHz i natężeniami powyżej 1 W/cm2. Tworzenie fal ultradźwiękowych jest możliwe za pomocą przetworników, które wytwarzają stabilne pole ultradźwiękowe, wykorzystując energię elektryczną wytwarzaną przez generator prądu. Energia ta jest przekształcana w energię mechaniczną w postaci drgań ultradźwiękowych, które są przykładane do produktu spożywczego bezpośrednio za pomocą sonotrody lub pośrednio za pomocą kąpieli ultradźwiękowej. Metoda ta generuje fale dźwiękowe, powodując naprzemienne ściskanie i rozrzedzanie cząstek w ośrodku oraz zapadanie się pęcherzyków, powodujące kawitację (gwałtowną przemianę z fazy ciekłej w fazę gazową pod wpływem zmniejszenia ciśnienia). Temperatura i ciśnienie wzrastają w pęcherzykach, generując fale o wysokiej energii i turbulencje. Połączenie tych mikrozdarzeń wywołuje fizyczne i chemiczne zmiany w produkcie spożywczym. Mechanizm inaktywacji drobnoustrojów przez ultradźwięki polega w głównej mierze na rozrzedzeniu błon komórkowych, miejscowym ogrzewaniu, uszkodzeniach DNA i produkcji wolnych rodników. Efektywność procesu mierzona skutecznością inaktywacji drobnoustrojów zależy od rodzaju ultradźwięków, czasu ekspozycji, rodzaju mikroorganizmów, objętości żywności poddawanej ekspozycji, składu żywności oraz temperatury procesu.

Przetrwalniki drobnoustrojów są bardziej odporne na ultradźwięki niż komórki wegetatywne. Aby uzyskać efekt sterylizacji konieczne jest łączenie zastosowania ultradźwięków z innymi metodami. Stosuje się połączenie ultradźwięków i ciśnienia, ultradźwięków i ciepła oraz ultradźwięków, ciśnienia i ciepła jednocześnie. W tabeli 3 przedstawiono efekt stosowania ultradźwięków samodzielnie oraz w połączeniu z ciepłem i ciśnieniem na aktywność komórek drobnoustrojów i enzymy. Połączenie ultradźwięków z ciepłem może znacznie przyspieszyć proces sterylizacji żywności, zmniejszając czas trwania procesu oraz intensywność obróbki termicznej, ograniczając ubytki w zawartości składników odżywczych i właściwościach sensorycznych produktu. Połączenie ciepła i ultradźwięków jest znacznie bardziej wydajne pod względem czasu zabiegu i zużycia energii w porównaniu z każdym zabiegiem stosowanym indywidualnie.

W technologii mleka i produktów mleczarskich najszersze zastosowanie mają ultradźwięki o wysokiej częstotliwości. Zastosowanie tego zabiegu wpływa nie tylko na inaktywację drobnoustrojów, ale powoduje również homogenizację, poprawę właściwości emulgujących, a także może modulować aktywność probiotyków i prebiotyków w produktach mlecznych. Zastosowanie tej techniki w technologii produkcji jogurtu wpływa na poprawę emulgowania i homogenizacji poprzez:

  • zmniejszenie wielkości kuleczek tłuszczu mlecznego,
  • zwiększenie lepkości i zdolności do zatrzymywania wody poprzez zmniejszenie synerezy,
  • zwiększenie jędrności i siły żelu poprzez usprawnienie krzepnięcia białek serwatkowych,
  • skrócenie czasu fermentacji poprzez poprawę hydrolizy laktozy oraz stymulację bakterii probiotycznych.
© fm

Ultradźwięki o wysokiej częstotliwości w przetwórstwie lodów mogą usprawnić proces zamrażania, poprzez zmniejszenie wielkości kryształków lodu. W przetwórstwie sera technika ta, poprzez oddziaływanie na enzymy może przyspieszyć twardnienie skrzepu, dając produkt końcowy o lepszej jędrności. Dużym zainteresowaniem przemysłu mleczarskiego cieszy się również zastosowanie ultradźwięków w pasteryzacji. Okazało się ono skuteczne w niszczeniu bakterii E. coli, Pseudomonas fluorescens i Listeria monocytogenes, bez szkodliwego wpływu na całkowitą zawartość białka w pasteryzowanym mleku. Stosowanie ultradźwięków o wysokiej częstotliwości może ponadto poprawiać przeżywalność i funkcjonalność bakterii probiotycznych oraz zmieniać strukturę prebiotyków, ułatwiając dostęp do nich. W związku z tym produkty mleczne poddane obróbce ultradźwiękowej mogą wykazywać zwiększoną przeżywalność obecnych w nich bakterii probiotycznych oraz zwiększoną aktywność fermentacyjną.

Badania wskazują, że również promieniowanie ultrafioletowe (UV) może potencjalnie zostać wykorzystywane na szeroką skalę do nietermicznego utrwalania niektórych grup żywności. Promieniowanie UV to promieniowanie niejonizujące o właściwościach bakteriobójczych w zakresie długości fal 200-280 nm. Technika ta może być używana do inaktywacji wielu rodzajów organizmów, w tym wirusów, jednak obecnie wiadomo że działa ona głównie na powierzchniach lub w zakresie produktów płynnych tj. woda czy mleko. Promieniowanie UV jest stosowane od wielu lat w przemyśle farmaceutycznym i elektronicznym jako środek dezynfekujący. Światło UV jest wytwarzane przez lampy rtęciowe pod niskim lub średnim ciśnieniem w postaci ciągłej wiązki. Technologia UV to rozwijająca się technologia, mająca potencjał do wykorzystania w dezynfekcji żywności. Obecnie technologia ta nie jest szeroko stosowana w przetwórstwie żywności, ale potencjalnie mogłaby znaleźć zastosowanie w przemyśle mleczarskim do dezynfekcji mleka w odpowiednio kontrolowanych warunkach. Konieczne jest prowadzenie badań nad wpływem ultradźwięków na poszczególne składniki oraz właściwości sensoryczne mleka i produktów mlecznych.

Największą zaletą przedstawionych nietermicznych procesów utrwalania żywności jest ich skuteczność w inaktywacji drobnoustrojów wegetatywnych, bez konieczności stosowania wysokich temperatur. Ich zastosowanie jest jednak ograniczone w przypadku konieczności osiągnięcia czystości mikrobiologicznej produktu na poziomie sterylizacji. W takim wypadku jednak połączenie tych metod z zastosowaniem podwyższonej temperatury umożliwia osiągnięcie celu z zastosowaniem mniejszego nakładu energii oraz łagodniejszego ogrzewania. Pozwala to na otrzymanie czystego mikrobiologicznie produktu o zachowanych wartościach odżywczych i sensorycznych. Nietermiczne metody utrwalania często łączy się również z przechowywaniem powstałych produktów w temperaturach chłodniczych, co pozwala na wydłużenie przydatności do spożycia. Komercjalizacja zastosowania większości tych metod jest nadal w toku. Żywność przetwarzana z wykorzystaniem nietermicznych metod ma jednak ograniczoną akceptację konsumentów, głównie ze względu na nieznajomość sposobu ich stosowania oraz ich bezpieczeństwa. We wdrażaniu tych technologii na rynek bardzo istotna jest jasna komunikacja pomiędzy producentem i konsumentem, która umożliwi objaśnienie tych metod i terminologii stosowanych na etykietach produktów przetwarzanych w ten sposób. Pozwoli to na zwiększenie zaufania konsumentów wobec nowych typów technologii i zaznajomienie z korzyściami wynikających z ich stosowania.

Literatura:

  1. Alirezalu K., Munekata P., Parniakov O., Barba F., Witt J., Toepfl S., Wiktor A., Lorenzo J.: Pulsed electric field and mild heating for milk processing: a review on recent advances. Journal of the Science of Food and Agriculture 2019, 100.
  2. Buckow R., Chandry P., Ng S., McAuley C., Swanson B.: Opportunities and challenges in pulsed electric field processing of dairy products. International Dairy Journal 2014, 34.
  3. Chawla R., Patil G., Singh A.: High hydrostatic pressure technology in dairy processing: a review. Journal of Food Science and Technology 2011, 48.
  4. Chemat F., Huma Z., Khan M.: Applications of ultrasound in food technology: Processing, preservation and extraction. Ultrasonics Sonochemistry 2011, 18.
  5. Duran A., Kahve H.G.: Ultraviolet Radiation (UV) Applications In Milk Industry. International Conference on Engineering and Natural Science 2016.
  6. Guimaraes J., Balthazar C., Scudino H., Pimentel T., Esmerino E., Ashokkumar M., Freitas M., Cruz A.: High-intensity ultrasound: A novel technology for the development of probiotic and prebiotic dairy products. Ultrasonics Sonochemistry 2019, 57.
  7. Lado B.H., Yousef A.: Alternative food-preservation technologies: efficacy and mechanisms. Microbes and Infection 2002, 4.
  8. Liepa M., Zagorska J., Galonburda R.: High-pressure processing as novel technology in diary industry: A review. Research for Rural Development 2016, 1.
  9. Nowicka P., Wojdyło A., Oszmiański J.: Zagrożenia powstające w żywności minimalnie przetworzonej i skuteczne metody ich eliminacji. ŻYWNOŚĆ. Nauka. Technologia. Jakość 2014, 2.
  10. Syed Q., Ishang A., Rahman U., Aslam S., Shukat R.: Pulsed Electric Field Technology in Food Preservation: A Review. Journal of Nutritional Health & Food Engineering 2017, 6.
copyright
Nathusius Investments Sp. z o.o. © 2008-2021
02-920 Warszawa
ul. Powsińska 23/6
tel.: 22 642 43 12, fax: 22 642 36 25

Serwis www.forummleczarskie.pl wykorzystuje ciasteczka (ang. cookies) w celu gromadzenia informacji, które pozwalają lepiej adaptować stronę do potrzeb i preferencji Czytelników oraz budować statystyki dotyczące oglądalności. Cookies można wyłączyć w każdej chwili w ustawieniach przeglądarki internetowej. Brak takiej zmiany oznacza możliwość zapisu w pamięci urządzenia. Więcej informacji znajdą Państwo w Polityce prywatności. Zamknij