Pole pulsacyjne: Pulsacyjne pole elektryczne (PEF) w przetwórstwie mleka

mgr inż. Patrycja Cichońska,
Katedra Technologii i Oceny Żywności,
Instytut Nauk o Żywności, SGGW Warszawa
Forum Mleczarskie Biznes 2/2022 (47)
Pulsacyjne pole elektryczne
© fm

Mleko i produkty mleczarskie są powszechnie określane jako produkty nietrwałe, o dość krótkim terminie przydatności do spożycia. Aby zagwarantować ich jakość i bezpieczeństwo oraz przedłużyć ich przydatność do spożycia wykorzystywane są różnego rodzaju procesy technologiczne, które pomagają kontrolować lub zapobiegać zagrożeniom mikrobiologicznym. Do takich procesów, stosowanych jako podstawa produkcji mleka i produktów mleczarskich, zaliczane są procesy termiczne, w tym głównie pasteryzacja i sterylizacja. Procesy termiczne nie tylko niszczą niekorzystne drobnoustroje, ale także powodują istotne zmiany właściwości odżywczych, organoleptycznych i technologicznych mleka.

Rosnące zapotrzebowanie na produkty świeże o wysokiej wartości odżywczej wywołało w przemyśle spożywczym konieczność opracowywania łagodniejszych technologii konserwacji, które mogą zastąpić istniejące metody obróbki termicznej. Naprzeciw temu zapotrzebowaniu wychodzą nietermiczne metody obróbki żywności. Technologie te są odpowiednie do przetwarzania mleka i niektórych produktów mleczarskich, przy jednoczesnym uniknięciu niekorzystnego wpływu na smak i składniki odżywcze. Jedną z tych technologii jest pulsacyjne pole elektryczne (ang. pulsed electric field – PEF), którego zastosowanie w przemyśle mleczarskim coraz częściej poruszane jest w literaturze. Technologia ta wykorzystuje krótkie impulsy elektryczne i może oferować interesujące możliwości wytwarzania minimalnie przetworzonej i bezpiecznej żywności z zachowaniem właściwości sensorycznych oraz wartości odżywczej, przy wydłużonym okresie przydatności do spożycia.

Charakterystyka PEF

Zastosowanie pulsacyjnego pola elektrycznego opiera się na poddaniu żywności oddziaływaniu pola elektrycznego o natężeniu około 10-80 kV/cm, o różnej ilości i szerokości impulsów, przez zaledwie kila mikro-/milisekund. W przetwórstwie mleka i produktów mleczarskich wykorzystywane są głównie impulsy o wysokiej intensywności. Typowy system PEF składa się z generatora impulsów, komory roboczej i powiązanych z nimi urządzeń kontrolujących i monitorujących. W trakcie przetwarzania żywność umieszczana jest w komorze roboczej pomiędzy dwiema elektrodami, gdzie znajduje się szczelina, określana jako szczelina zabiegowa komory. Żywność poddawana jest oddziaływaniu impulsów elektrycznych o wysokim napięciu. Proces można prowadzić w różnych zakresach temperatur. Najważniejszym skutkiem oddziaływania PEF na mleko i produkty mleczarskie jest inaktywacja mikroorganizmów,. Schemat aparatury wchodzącej w skład systemu przetwarzania PEF przedstawiono obok.

przetwórstwo mleka
© fm

Technologia PEF zyskała swoją popularność głównie dzięki możliwości jej zastosowania do obróbki żywności płynnej. Najczęściej stosowana jest w celu pasteryzacji produktów spożywczych, podczas której nie dochodzi lub dochodzi w niewielkim stopniu do zmian we właściwościach sensorycznych i wartości odżywczej produktu. Do tej pory PEF stosowane było do przetwarzania m.in. mleka, deserów mlecznych i w produkcji sera. Bardzo niewiele badań dotyczy oddziaływania PEF na mikroorganizmy biorące udział w fermentacji mlekowej i zastosowania tej technologii w przetwórstwie fermentowanych produktów mleczarskich. Trwają badania nad zastosowaniem tej technologii w żywności zawierających cząstki stałe, w tym różnego rodzaju produktów mleczarskich, mleka czekoladowego i jogurtów. Obecnie technologia wykorzystywana jest głównie do żywności płynnej i ma kilka ograniczeń. Poddawany obróbce produkt musi być wolny od pęcherzyków powietrza i musi mieć niską przewodność elektryczną. Dodatkowo wielkość cząstek powinna być mniejsza niż szczelina w komorze zabiegowej, aby zapewnić odpowiednią obróbkę.

Wpływ PEF na drobnoustroje

Mechanizm oddziaływania PEF na drobnoustroje opiera się głównie na procesie elektroporacji, który skutkuje zaburzeniem i uszkodzeniem błony komórkowej. Mechanizm ten nie jest jeszcze w pełni poznany, jednak ogólnie impulsy elektryczne oddziałują na błonę komórkową mikroorganizmów tworząc w niej pory, przez co staje się ona bardziej przepuszczalna. Dochodzi do przerwania błony i inaktywacji komórki. Wydajność inaktywacji drobnoustrojów techniką PEF zależy od kilku czynników:

  1. parametrów procesu (natężenie pola elektrycznego, liczba i szerokość impulsów, czas, temperatura);
  2. właściwości produktu (skład, stężenie cząstek stałych, aktywność wody, pH, środki przeciwdrobnoustrojowe, związki jonowe, przewodnictwo i siła jonowa);
  3. cech mikroorganizmów (rodzaj, wielkość, struktura powierzchni komórki, stężenie i faza wzrostu, cechy komórek, takie jak: typ, kształt, wielkość).

Wrażliwość drożdży na PEF jest wyższa niż bakterii ze względu na ich większy rozmiar, co czyni je bardziej podatnymi na uszkodzenia. Bakterie Gram-dodatnie są bardziej odporne niż bakterie Gram-ujemne, ponieważ ściana komórkowa tych drugich jest cieńsza i mniej sztywna. Zarodniki bakterii i pleśni są odporne na PEF w odróżnieniu od form wegetatywnych. PEF wpływa na różne gatunki bakterii w różnym tempie. Przykładowo, bakterie Salmonella ssp. i Escherichia coli są bardziej wrażliwe na PEF w porównaniu do bakterii z rodzajów Listeria i Bacillus. Za bakterie odporne na działanie PEF uważa się m.in. Corynebacterium spp. i Stenotrophomonas maltophilia. Stosowanie pulsacyjnego pola elektrycznego o wysokiej intensywności może powodować wysoki poziom dezaktywacji mikroorganizmów odpowiadających za psucie się żywności i mikroorganizmów chorobotwórczych, które mogą rozwijać się w mleku, przy jednoczesnym minimalnym wpływie na jakość i składniki odżywcze.

Wpływ na enzymy

Ważnym aspektem jest również stopień inaktywacji poszczególnych enzymów mleka pod wpływem PEF. Mleko zawiera różnego rodzaju enzymy o różnych rolach i wpływie na cechy produktu. Fosfataza alkaliczna i laktoperoksydaza to jedne z najważniejszych enzymów mleka, które często wykorzystywane są jako wskaźniki skuteczności procesów termicznych.

Wykazując w mleku inaktywację fosfatazy alkalicznej mamy pewność, że zostały również zniszczone drobnoustroje chorobotwórcze, a więc proces pasteryzacji został przeprowadzony poprawnie. Inaktywację tego enzymu zapewniają parametry pasteryzacji łagodnej, tj. 72-75°C przez 15-25 sekund.

Laktoperoksydaza jest to enzym, który ulega inaktywacji dopiero w temperaturze 80°C przez 15 sekund. W mleku poddanym pasteryzacji łagodnej laktoperoksydaza jest obecna, zaś w mleku poddanym pasteryzacji wysokiej (90°C przez 2-25 sekund) nie wykazuje się już jej obecności. Badania wskazują, że zazwyczaj enzymy wymagają intensywniejszego traktowania PEF niż mikroorganizmy, aby uzyskać ich inaktywację. Stopień inaktywacji zależy od natężenia pola elektrycznego, czasu trwania procesu, temperatury zabiegu, typu enzymu, stężenia enzymu i rodzaju żywności.

W łagodnych warunkach PEF, które są zwykle stosowane na skalę przemysłową, inaktywacja enzymów jest ograniczona. Jednak w różnych warunkach PEF (np. wysokie natężenia pola elektrycznego > 10 kV/cm, długi czas przetwarzania > 250 µs i wysoka temperatura > 40°C) większość enzymów spożywczych ulega uszkodzeniom i jest inaktywowana. Wpływ procesu PEF na inaktywację fosfatazy alkalicznej jest zwiększany i może osiągnąć efektywność taką jak przy pasteryzacji, gdy obróbkę stosuje się w podwyższonych temperaturach (np. powyżej 50°C). W przypadku laktoperoksydazy badania nad jej dezaktywację przez PEF są dość ograniczone. Sugeruje się jednak, że jej inaktywacja również w dużej mierze zależy od temperatury stosowanej podczas przetwarzania PEF, a tylko około 5-12% inaktywacji jest związane z samym PEF.

Wpływ na składniki i sensorykę mleka

Najważniejszą zaletą technologii PEF jest minimalny wpływ na naturalny charakter i właściwości odżywcze mleka podczas przetwarzania. Badania skupiające się na analizie zmian właściwości organoleptycznych i fizykochemicznych mleka poddanego działaniu PEF zazwyczaj wskazują na brak zmian w porównaniu do mleka surowego lub też brak różnic w porównaniu do mleka poddanego procesowi pasteryzacji. Wyniki często są różne za względu na niejednorodność stosowanych parametrów obróbki PEF. Z wyjątkiem wit. C, inne witaminy, takie jak tiamina, ryboflawina, wit. D, wit. E nie ulegają znaczącemu uszkodzeniu w wyniku przetwarzania PEF. Nie zachodzą również zmiany związane z zawartością wapnia. Większość badań wskazuje, że PEF nie wpływa również na tłuszcz mleczny. Niektóre z badań sugerują jednak, że mechanizm oddziaływania PEF na komórki drobnoustrojów może w podobny sposób wpływać na strukturę otoczek kuleczek tłuszczowych, prowadząc do ich uszkodzenia. Kwestia ta nie jest jednak jeszcze dostatecznie przebadana.

cysterna na mleko
© fm

Białka mleka nie ulegają znacznemu uszkodzeniu podczas stosowania PEF. Może dochodzić do zmiany struktury miceli kazeinowych i białek serwatkowych, wpływając na ich właściwości technologiczne, takie jak np. zdolność do agregacji, szybkość żelowania, hydrofobowość, stabilność emulsji i wytrzymałość żelu. Oddziaływanie PEF na mleko, które zostało przeznaczone do produkcji sera może powodować usprawnienie i skrócenie procesu koagulacji pod wpływem podpuszczki i otrzymanie sera o zwiększonej sprężystości i twardości, w porównaniu do sera wytworzonego z mleka pasteryzowanego. W produkcji twarogu poddanie mleka oddziaływaniu PEF może doprowadzić do przyspieszenia procesu krzepnięcia i zmniejszenia twardości produktu, w porównaniu do twarogu wytworzonego z mleka pasteryzowanego.

 

Obróbka PEF jest uważana za interesującą alternatywę dla pasteryzacji termicznej, ponieważ przetwarzanie PEF może oferować niewyczuwalne zmiany w profilu sensorycznym w mleku, co pozytywnie wpływa na jakość produktów mleczarskich. PEF zazwyczaj nie wpływa na profil sensoryczny mleka lub wpływa w stopniu niewielkim, ale zawsze mniejszym niż obróbka termiczna. Wskazuje się również na brak wpływu lub minimalny wpływ PEF na barwę produktów, ich pH, przewodność elektryczną i gęstość.

PEF a trwałość produktu

Technologia PEF stanowi metodę nietermicznego przetwarzania mleka, która może wydłużyć okres trwałości poprzez elimanację drobnoustrojów chorobotwórczych, z jednoczesnym zachowaniem pożądanych cech sensorycznych produktu. W literaturze brakuje jednak opracowań wskazujących jednoznacznie na parametry obróbki PEF, które gwarantują taki efekt. Przykładowo, zastosowanie technologii PEF zapewniła stabilność mikrobiologiczną mleka pełnego przechowywanego przez 5 dni w lodówce. Nie wykazano zmian w kwasowości i zawartości wolnych kwasów tłuszczowych. W innym badaniu mleko odtłuszczone przetworzone przez PEF osiągnęło 14-dniowy okres przydatności do spożycia w temperaturze chłodniczej, a poziom kwasowości był niższy niż w przypadku mleka po obróbce termicznej. Wiele zależy od początkowej ilości drobnoustrojów w mleku, charakterystyki produktu, stosowanych parametrów procesu i wykorzystywanego sprzętu.

Największą popularność zyskuje wykorzystanie technologii PEF w połączeniu z łagodną obróbką termiczną, jako elementów technologii płotków. Technologia ta opiera się na łączeniu zastosowania kilku czynników wpływających na eliminację lub ograniczenie rozwoju drobnoustrojów w żywności, z których każdy osobno jest mało skuteczny. Stosowana jest w celu obniżenia parametrów lub obniżenia stężenia stosowanych środków ochrony tak, aby w mniejszym stopniu wpływały na jakość żywności. Połączenie technologii PEF i łagodnej obróbki termicznej pozwala na osiągnięcie bezpieczeństwa mikrobiologicznego produktu i wydłużonego okresu przydatności do spożycia. Przykładowo, obróbka mleka przez PEF o natężeniu 35 kV/cm przez czas poniżej 10 sekund w połączeniu z pasteryzacją w temperaturze 72°C przez 15 sekund pozwoliła na wydłużenie terminu przydatności do spożycia do 60 dni. W innym badaniu wykorzystano połączenie PEF o natężeniu 30 kV/cm i obróbki termicznej w temperaturze 60°C w czasie 30 sekund do przetwarzania smakowych produktów na bazie jogurtu. Proces wydłużył trwałość produktu do 90 dni w warunkach chłodniczych, co było wartością trzykrotnie dłuższą niż w przypadku próbki niepoddanej obróbce. 

pulsacyjne pole elektryczne elea
© elea

 

Wyzwania i ograniczenia

Zastosowanie technologii PEF w produkcji mleczarskiej jak do tej pory badane jest głównie w warunkach laboratoryjnych, jednak podejmowane są kroki w kierunku opracowania przemysłowych systemów o przepływie ciągłym. Specyfika produktów mleczarskich wymaga dokładnych badań nad wpływem pulsacyjnego pola elektrycznego na poszczególne składniki. Szczególną uwagę należy zwrócić na tłuszcze i białka, które mogą wchodzić w interakcje z polem elektrycznym, a także wpływać na jednorodność samego procesu. Projekt sprzętu na skalę produkcyjną powinien więc przewidywać i starać się przezwyciężyć wszelkie potencjalne wady i poprawić skuteczność tej technologii w przetwarzaniu mleka i produktów mleczarskich.

Należy zwrócić uwagę na koszty związane z komercyjnym zastosowanie PEF w porównaniu z tradycyjną pasteryzacją termiczną. Powinny one zostać zrównoważone, aby producenci chcieli wykorzystywać tą technologię w swoich zakładach. Innym rozwiązaniem jest zastosowanie tej technologii początkowo głównie do produktów premium o wyższej cenie, jak np. żywność dla niemowląt, bioaktywne produkty mleczne, napoje z mieszanek owocowo-mlecznych lub sery z mleka surowego. Zastosowanie PEF w produkcji mleczarskiej wymaga również dalszej oceny aspektów związanych z bezpieczeństwem produktów poddanych takiej obróbce.

Z praktycznego punktu widzenia połączenie PEF z innymi klasycznymi lub nowatorskimi technikami konserwacji może prowadzić do wydłużenia okresu trwałości produktów mleczarskich. Inaktywacja enzymów i komórek drobnoustrojów jest wzmocniona, gdy PEF jest połączony z obróbką cieplną. Istnieją również badania wskazujące, że efektywne może okazać się także połączenie PEF z innymi technikami, np. chemicznymi lub naturalnymi środkami konserwującymi. Dalszych badań wymaga jednak wykorzystanie obróbki PEF do niszczenia przetrwalników drobnoustrojów, co mogłoby zapewnić również efekt sterylizacji produktu. Taki efekt w komercyjnych warunkach dla produktów mlecznych pozostaje jednak wyzwaniem i pozostaje przedmiotem badań.

Ograniczeniem stosowania technologii PEF w przetwórstwie mleka z pewnością jest możliwe występowanie pęcherzyków powietrza w produkcie. Ich obecność może wpływać na to, że próbka nie zostanie poddana odpowiedniej obróbce lub jej skuteczność będzie zmniejszona. Może również dochodzić do miejscowych wyładowań, powodujących koagulację i/lub parowanie mleka, a także tworzenie stałych osadów na powierzchniach ze stali nierdzewnej. Należy zwrócić na ten aspekt szczególną uwagę, a wpływ pęcherzyków powietrza minimalizować, np. poprzez zwiększenie ciśnienia i/lub odgazowanie produktu.

W literaturze analizie podlega głównie wykorzystanie PEF w przetwórstwie mleka, deserów mlecznych i serów. Bardzo ograniczone badania prowadzone są dla produktów fermentowanych, w tym produktów probiotycznych. Istnieje potrzeba poszerzenia wiedzy w tym zakresie i zbadania oddziaływania PEF na mikroorganizmy pożądane w mleczarstwie, biorące udział w procesie fermentacji i istotne z punktu widzenia właściwości prozdrowotnych produktu. Należy ocenić skutki i zmiany biochemiczne zachodzące w różnego rodzaju produktach mleczarskich, zachodzące pod wpływem PEF. Umożliwi to ewentualne rozszerzenie zastosowania tej technologii i poznanie szerszej gamy skutków oddziaływania tego procesu.

Technologia PEF stanowi atrakcyjną alternatywę dla konwencjonalnej obróbki cieplnej płynnych produktów mlecznych, ponieważ może wydłużyć ich okres przydatności do spożycia i zachować ich bezpieczeństwo. Ta nietermiczna metoda obróbki w połączeniu z umiarkowanym ogrzewaniem może znaleźć szersze zastosowanie jako zamiennik tradycyjnej pasteryzacji mleka, oferując minimalnie przetworzone, bezpieczne produkty, o wyższej wartości odżywczej i lepszych właściwościach sensorycznych. Kluczowa jest optymalizacja warunków obróbki PEF. Konieczne są również dalsze badania dotyczące innych, ważnych aspektów obróbki PEF takich jak wykorzystanie dla szerszej gamy produktów mleczarskich, a także testy preferencji konsumentów i wartości odżywczej produktów końcowych.

Literatura dostępna w redakcji.