Ψυχρή Παστερίωση Πορτοκαλοχυμού Ποικιλίας Navel με Υπερυψηλή Πίεση

Abstract

Η ποιότητα του φρέσκου χυμού πορτοκαλιού εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την παρουσία των πηκτινολυτικών ενζύμων, καθώς και την ανάπτυξη των αλλοιογόνων μικροοργανισμών. Οι μικροοργανισμοί που είναι υπεύθυνοι για την αλλοίωση του πορτοκαλοχυμού περιλαμβάνουν βακτήρια, ζύμες και μύκητες. Οι ζύμες είναι η επικρατούσα χλωρίδα για ανεπεξέργαστο πορτοκαλοχυμό, όμως μετά την επεξεργασία με Υπερυψηλή Πίεση (ΥΠ) η επικρατούσα χλωρίδα είναι τα γαλακτικά βακτήρια. Από τα πηκτινολυτικά ένζυμα, το σημαντικότερο για την περίπτωση του πορτοκαλοχυμού είναι η πηκτινομεθυλεστεράση (ΠΜΕ). Η δράση της ΠΜΕ προκαλεί την διαύγαση των χυμών πορτοκαλιού υποβαθμίζοντας την ποιότητά τους καθώς η θολότητα είναι ένα σημαντικό ποιοτικό χαρακτηριστικό του χυμού για την αποδοχή του από τους καταναλωτές. Η πιο διαδεδομένη μέθοδος απενεργοποίησης των δύο αυτών παραγόντων αλλοίωσης είναι η θερμική παστερίωση, με μειονέκτημα όμως την παράλληλη υποβάθμιση των οργανοληπτικών χαρακτηριστικών και των θρεπτικών συστατικών κατά την επεξεργασία. Τα τελευταία χρόνια αναπτύσσεται μια νέα μη-θερμική τεχνολογία επεξεργασίας τροφίμων, η τεχνολογία της Υπερυψηλής Πίεσης με την οποία επιτυγχάνεται απενεργοποίηση των παραγόντων αλλοίωσης των τροφίμων, ενώ παράλληλα διατηρούνται αναλλοίωτα τα οργανοληπτικά χαρακτηριστικά και τα θρεπτικά συστατικά τους. Σκοπός της συγκεκριμένης εργασίας είναι η εύρεση των βέλτιστων συνθηκών ΥΠ για την παραγωγή NFC πορτοκαλοχυμού ποικιλίας Navel. Μελετήθηκε η απενεργοποίηση της ΠΜΕ και των γαλακτικών βακτηρίων σε χυμό πορτοκαλιού με συνδυασμένη εφαρμογή ΥΠ (100-600MPa) και θερμοκρασίας (20-40°C). Aρχικά, προσδιορίστηκαν τα δύο πιο ανθεκτικά στην πίεση γαλακτικά βακτήρια (LAB1 και LAB2) και στη συνέχεια μελετήθηκε η θερμική απενεργοποίησή τους. Για κάθε θερμοκρασία (47.5 έως 55°C) υπολογίστηκε ο χρόνος υποδεκαπλασιαμού (D) του κάθε μικροοργανισμού με εφαρμογή του μοντέλου Baranyi. Προσδιορίστηκε επιπλέον η εξάρτηση του χρόνου υποδεκαπλασιασμού από τη θερμοκρασία μέσω της σταθεράς θερμικής αντίστασης Στη συνέχεια, μελετήθηκε η επίδραση της ΥΠ στην απενεργοποίηση των γαλακτικών βακτηρίων του χυμού. Εφαρμόστηκαν πιέσεις μεταξύ 150 και 300MPa για θερμοκρασίες 25, 30 και 35°C και υπολογίστηκε ο χρόνος υποδεκαπλασιασμού (D) των μελετώμενων μικροοργανισμών για κάθε συνθήκη χρησιμοποιώντας το μοντέλο Baranyi. Από τις τιμές που προέκυψαν έγινε φανερό ότι η πίεση και η θερμοκρασία επιδρούν συνεργιστικά στην απενεργοποίηση των μικροοργανισμών αυτών και ιδιαίτερα η αύξηση της πίεσης επιφέρει σημαντική αύξηση του ρυθμού απενεργοποίησης. Επίσης προσδιορίστηκε η εξάρτηση του χρόνου υποδεκαπλασιασμού από την πίεση και τη θερμοκρασία μέσω των σταθερών αντίστασης λόγω εφαρμογής πίεσης και θερμικής αντίστασης αντίστοιχα. Τέλος, υπολογίστηκαν οι παράμετροι του συνολικού μαθηματικού μοντέλου της απενεργοποίησης των εξεταζόμενων μικροοργανισμών καθώς και οι παράμετροι αυτές για την απενεργοποίηση ενός υποθετικού μικροοργανισμού που περιλάμβανε τα πιο ανθεκτικά χαρακτηριστικά σε σχέση με τους δύο πραγματικούς μικροοργανισμούς. Παράλληλα, πραγματοποιήθηκαν πειράματα επεξεργασίας της ενδογενούς ΠΜΕ του χυμού με συνδυασμένη εφαρμογή ΥΠ (200-600MPa) και θερμοκρασίας (20, 30 και 40°C). Υπολογίστηκε ο ρυθμός απενεργοποίησης του μελετώμενου ενζύμου σε κάθε συνθήκη επεξεργασίας και προσδιορίστηκε η εξάρτηση του ρυθμού απενεργοποίησης από τη θερμοκρασία μέσω της ενέργειας ενεργοποίησης (Ea) καθώς και η εξάρτηση του ρυθμού απενεργοποίησης από την πίεση μέσω του όγκου ενεργοποίησης (Va). Στη συνέχεια, χρησιμοποιήθηκε ένα συνολικό μαθηματικό μοντέλο που περιγράφει τη συνδυασμένη επίδραση της πίεσης και της θερμοκρασίας στην απενεργοποίηση της ΠΜΕ, λαμβάνοντας υπόψη την εξάρτηση του όγκου ενεργοποίησης από την θερμοκρασία και της ενέργειας ενεργοποίησης από την πίεση. Αξιολογώντας τα αποτελέσματα της παρούσας μελέτης προέκυψε ότι για την επεξεργασία του χυμού οι συνθήκες που απαιτούνται για την επιθυμητή απενεργοποίηση του ενζύμου είναι κατά πολύ πιο έντονες από αυτές που απαιτούνται για την επιθυμητή απενεργοποίηση του πιο ανθεκτικού στελέχους μικροοργανισμών (υποθετικός LAB). Συγκεκριμένα, συνδυάζοντας τα δύο μαθηματικά μοντέλα, οι προτεινόμενες συνθήκες για την επεξεργασία του πορτοκαλοχυμού (Navel) με ΥΠ είναι 600 MPa, 40oC για 3 min. Στις συγκεκριμένες συνθήκες επιτυγχάνεται 90% απενεργοποίηση της ΠΜΕ και μείωση των γαλακτικών βακτηρίων κατά 7D. Τα αποτελέσματα της συγκεκριμένης εργασίας μπορούν να χρησιμοποιηθούν για το βέλτιστο σχεδιασμό μιας διεργασίας ΥΠ για την παραγωγή ενός ποιοτικά ανώτερου πορτοκαλοχυμού NFC ποικιλίας Navel. Το κόστος αυτής της διεργασίας στις προτεινόμενες συνθήκες θα ανερχόταν στα 0,15€/L.

The overall quality of fresh orange juice is highly correlated to the effect of its endogenous PME and the growth of spoilage microorganisms. Therefore, control of these quality indices is a prerequisite to produce a high quality, NFC (not from concentrate) orange juice product of commercial stability. High Pressure (HP) technology could be used for this purpose inactivating spoilage factors while simultaneously retaining superior sensorial and nutritional characteristics. The objective of this research was to investigate the inactivation kinetics of the indigenous enzyme (PME) and the more pressure resistant indigenous species of lactic acid bacteria (LAB) in orange juice (Navel cv.) under pressure (100- 600MPa) combined with moderate temperature (20-40°C). Thermal and high pressure inactivation of Navel orange juice PME followed first order kinetics with a residual PME activity (10%) at all pressure–temperature combinations used. To serve as a tool for calculation of adequate process conditions, a composite mathematical model was described. The model describes the PME inactivation rate as a function of pressure and temperature process conditions, taking into account the dependence of both activation energy and activation volume on the applied pressure and temperature, respectively. The most pressure and temperature resistant spoilage microorganism isolated from HP treated Navel orange juice was adequately inactivated by HP processing and the corresponding zT and zP values of LAB inactivation were also estimated at all conditions tested. A mathematical model for LAB inactivation as a function of pressure and temperature was also developed. These functions allow the determination of the pressure/temperature conditions that achieve the target enzyme and microbial inactivation at a selected processing time. An inactivation of 90% of the pressure/temperature labile PME fraction should be considered as process target, while for LAB a 7D reduction of the most resistant strain should also be considered. Based on the above, the process conditions of 600 MPa at 40ºC for 3 min are proposed as effective for Navel orange juice cold pasteurization. The developed mathematical models can be used as tools for the optimal design of high pressure processing conditions for commercial production of superior quality NFC Navel orange juice.