Metode Alternative de Procesare a Metode Alternative de Procesare a Alimentelor.Alimentelor.

Noutati, Oportunitati si PerspectiveNoutati, Oportunitati si Perspective

Carmen I Moraru, PhDCarmen I Moraru, PhD

Associate Professor Associate Professor Food Processing & Food Safety EngineeringFood Processing & Food Safety Engineering

Cornell University, USACornell University, USA

PProcesarea alimentelorrocesarea alimentelor in in secolul 21 – ce se intamplasecolul 21 – ce se intampla??

Situatia actuala: Situatia actuala: Tratamentele termice (pasteurizare, Tratamentele termice (pasteurizare, sterilizare) constituie principala modalitate de asigurare sterilizare) constituie principala modalitate de asigurare a inocuitatii si conservare a alimentelora inocuitatii si conservare a alimentelor

Tendinta noua: Tendinta noua: Minimizarea sau inlocuirea tratamentelor Minimizarea sau inlocuirea tratamentelor termice cu scopul de a pastra “prospetimea”, valoarea termice cu scopul de a pastra “prospetimea”, valoarea nutritiva si bioactiva a produselor alimentarenutritiva si bioactiva a produselor alimentare

Knorr, D. IFT, 2003

Progrese recente in procesarea Progrese recente in procesarea alimenteloralimentelor

PROCESE TEHNOLOGICE PROCESE TEHNOLOGICE IMBUNATATITEIMBUNATATITE

-Progrese in tratamentele Progrese in tratamentele termicetermice (utilaje) (utilaje)

-Sterilizare cu microundeSterilizare cu microunde cu cu incalzire uniformaincalzire uniforma

-Separare prin membraneSeparare prin membrane (noi utilizari)(noi utilizari)

PROCESE TEHNOLOGICE PROCESE TEHNOLOGICE IMBUNATATITEIMBUNATATITE

-Progrese in tratamentele Progrese in tratamentele termicetermice (utilaje) (utilaje)

-Sterilizare cu microundeSterilizare cu microunde cu cu incalzire uniformaincalzire uniforma

-Separare prin membraneSeparare prin membrane (noi utilizari)(noi utilizari)

TEHNOLOGII MODERNE/ TEHNOLOGII MODERNE/ ALTERNATIVEALTERNATIVE

-Presiuni inaltePresiuni inalte

-Pulsuri electricePulsuri electrice

-IradiereIradiere

-Radiatii ultravioleteRadiatii ultraviolete

-Pulsuri luminoasePulsuri luminoase

-PlasmaPlasma rece, etc. rece, etc.

TEHNOLOGII MODERNE/ TEHNOLOGII MODERNE/ ALTERNATIVEALTERNATIVE

-Presiuni inaltePresiuni inalte

-Pulsuri electricePulsuri electrice

-IradiereIradiere

-Radiatii ultravioleteRadiatii ultraviolete

-Pulsuri luminoasePulsuri luminoase

-PlasmaPlasma rece, etc. rece, etc.

- NanotehnologiiNanotehnologii- NanotehnologiiNanotehnologii

Sterilizare uniforma cu microundeSterilizare uniforma cu microunde

Incalzirea cu microundeIncalzirea cu microunde Avantaj: Avantaj: incalzire incalzire

rapida, in ambalajrapida, in ambalaj

Dezavantaje: Dezavantaje: incalzire incalzire neuniforma, putere de neuniforma, putere de penetrare limitata, penetrare limitata, incompatibilitate cu incompatibilitate cu ambalaje din folie ambalaje din folie metalizatametalizata

Source:Source: Datta, 2003 Datta, 2003

Source:Source: Dunne, 2008 Dunne, 2008

Sterilizare uniforma cu microundeSterilizare uniforma cu microunde (cont.)(cont.)

Washington State University:Washington State University: Proces de sterilizare cu microunde Proces de sterilizare cu microunde

care permite mentinerea calitatii care permite mentinerea calitatii produselor procesate peste 6 luni.produselor procesate peste 6 luni.

Principiu: imersare produs ambalat Principiu: imersare produs ambalat in in apa fierbinte sub presiune si apa fierbinte sub presiune si incazire incazire simultana cu MW la 915 MHz. simultana cu MW la 915 MHz.

Microorganismele sunt inactivate in 5-8 min.Microorganismele sunt inactivate in 5-8 min.

Tehnologie aprobata de FDA.Tehnologie aprobata de FDA.

A primit 2010 IFT Research & Development Award.A primit 2010 IFT Research & Development Award.

Separari prin membraneSeparari prin membraneEliminarea microorganismelor prin microfiltrareEliminarea microorganismelor prin microfiltrare

Procesul de microfiltrare poate indeparta in mod eficient Procesul de microfiltrare poate indeparta in mod eficient microorganismele din lapte sau sucuri, mentinand microorganismele din lapte sau sucuri, mentinand compozitia neschimbatacompozitia neschimbata..

EficientaEficienta: : reducere cu 4 - 5 log a celulelor vegetative si cu reducere cu 4 - 5 log a celulelor vegetative si cu 2 - 3 log a sporilor2 - 3 log a sporilor din lapte (Fritsch and Moraru, 2008). din lapte (Fritsch and Moraru, 2008).

Extindere seminificativa a termenului de pastrare a Extindere seminificativa a termenului de pastrare a laptelui (>90 zile in conditii de refrigerare dupa laptelui (>90 zile in conditii de refrigerare dupa pasteurizare minima)pasteurizare minima)..

Problema: flux ne-economicProblema: flux ne-economic

Finantare: Finantare: Asociatia Producatorilor de Lapte din NY, USDAAsociatia Producatorilor de Lapte din NY, USDA

Cauza: colmatarea membranei Cauza: colmatarea membranei

Dezvoltare solutii de crestere a fluxuluiDezvoltare solutii de crestere a fluxului

Solutie: contracararea colmatarii Solutie: contracararea colmatarii prin injectare de COprin injectare de CO22

Port 1 Port 2 Port 3

(Tan and Moraru, 2010)(Tan and Moraru, 2010)

Automatizarea & optimizarea Automatizarea & optimizarea injectiei cu COinjectiei cu CO22

(Tan and Moraru, 2010)(Tan and Moraru, 2010)

20

25

30

35

40

45

50

55

60

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

J (L/

m2 h

)

Time (min)

control WF = 1200 L/m2 h 3 ports (120/1) WF = 1283 L/m2 h

control WF = 1190 L/m2 h 3 ports (120/1) WF = 1354 L/m2 h

control WF = 898 L/m2 h 3 ports (120/1) WF = 990 L/m2 h

50.0%

60.0%

70.0%

80.0%

90.0%

100.0%

110.0%

120.0%

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

J/Jo

(%)

Time (min)

control WF = 1190 L/m2 h 3 ports (120/1) WF = 990 L/m2 h

control WF = 898 L/m2 h 3 ports (120/1) WF = 1354 L/m2 h

control WF = 1200 L/m2 h 3 ports (120/1) WF = 1283 L/m2 h

Pentru lapte: o crestere semnificativa a fluxului (>16%) si o Pentru lapte: o crestere semnificativa a fluxului (>16%) si o incetinire a ratei de colmatare incetinire a ratei de colmatare

Interest manifestat de industria laptelui pentru adaptarea Interest manifestat de industria laptelui pentru adaptarea procesului la conditii industriale (“scale-up”)procesului la conditii industriale (“scale-up”)

Proiect nouProiect nou

Dezvoltarea unui proces combinat (MF + UV) pentru tratarea Dezvoltarea unui proces combinat (MF + UV) pentru tratarea sucului de meresucului de mere

Scop: eliminare Scop: eliminare E. coli E. coli O157:H7, O157:H7, Cryptosporidium parvum si Cryptosporidium parvum si Alicyclobacillus acidoterrestrisAlicyclobacillus acidoterrestris

Proiect integrat (Research-Teaching-Extension)Proiect integrat (Research-Teaching-Extension)

Apple cider

MICROFILTRATION 0.45m pore size 0.8m pore size 1.4m pore size

Clear apple juice Semi-cloudy apple juice Cloudy apple juice

UV TREATMENT UV TREATMENT UV TREATMENT

Univ. Wisc. Univ. Wisc. MadisonMadison

Cornell Cornell UniversityUniversity

University of University of ConnecticutConnecticut

MinnesotaMinnesota

IowaIowa

IllinoisIllinois New YorkNew York MassachusettsMassachusettsConnecticutConnecticut

VermontVermont

WisconsinWisconsin PennsylvaniaPennsylvania

Finantare: USDA

IradiereIradiere

Iradierea este una dintre cele mai studiate Iradierea este una dintre cele mai studiate metode de procesare, dar utilizarea ei este inca metode de procesare, dar utilizarea ei este inca

destul de controversata in multe tari, in destul de controversata in multe tari, in special in Europa. special in Europa.

Ce se cunoaste:Ce se cunoaste:

Produsele tratate nu devin radioactive in urma dozelor de Produsele tratate nu devin radioactive in urma dozelor de sterilizare folosite in industria alimentara.sterilizare folosite in industria alimentara.

Nu s-a dovedit nici o legatura intre consumul de produse Nu s-a dovedit nici o legatura intre consumul de produse iradiate si aparitia cancerului sau a defectelor de nastere.iradiate si aparitia cancerului sau a defectelor de nastere.

RADURARADURA

Situatia curentaSituatia curenta

Aprobari exista in 42 tari, pentru 240 produse alimentare. Aprobari exista in 42 tari, pentru 240 produse alimentare.

Aprobare pentru Romania: Magurele.Aprobare pentru Romania: Magurele.

Cca. 9000 tone produse alimentare iradiate anual. Cca. 9000 tone produse alimentare iradiate anual.

Procesarea la presiune inaltaProcesarea la presiune inalta

Metoda de procesare care expune alimentele la presiuni Metoda de procesare care expune alimentele la presiuni extrem de ridicate (100-800 MPa), cu scopul principal de extrem de ridicate (100-800 MPa), cu scopul principal de a inactiva microorganismelea inactiva microorganismele

Produsul este ambalat intr-un Produsul este ambalat intr-un container flexibil, introdus intr-o container flexibil, introdus intr-o camera de presiune umpluta cu camera de presiune umpluta cu lichid, care este apoi presurizat.lichid, care este apoi presurizat.

Presiunea ridicata modifica Presiunea ridicata modifica legaturile de hidrogen si ionice in legaturile de hidrogen si ionice in microorganisme microorganisme denaturare denaturare proteine proteine modificari ireversibile modificari ireversibile ale membranei celulare ale membranei celulare moartea moartea celuleicelulei

Echipamente pentru tratamente Echipamente pentru tratamente cu presiune inaltacu presiune inalta

www.foodtechsource.com www.foodtechsource.com

Vas de presiune cilindric Vas de presiune cilindric Dispozitive (capace) pentru inchidere etansa la ambele capeteDispozitive (capace) pentru inchidere etansa la ambele capete Pompa de presiunePompa de presiune Un intensificator Un intensificator agent hidraulic de inalta presiune agent hidraulic de inalta presiune

Vase de presiune (izolatoare)Vase de presiune (izolatoare)

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

Total

128

112

93

79

64

49

3728

19

11977775

321

71

811

7610787

511

0

31

7336

3312

11

1

21

034

212

3

12111

51

211

OceaniaAsia

Europa

America

Total

Comercializarea HPP pe plan Comercializarea HPP pe plan mondialmondial

50

75

100

125

150

175

1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007

Vo

lum

e, L

iter

s

Average Installed Vessel Size

Courtesy D. Knorr

Produse obtinute cu ajutorul HPPProduse obtinute cu ajutorul HPP

Produse pe baza de legume: 36%Produse pe baza de legume: 36% Produse din carne: 30%Produse din carne: 30% Fructe de mare si peste: 16%Fructe de mare si peste: 16% Sucuri si bauturi: 12%Sucuri si bauturi: 12% Alte produse: 6%Alte produse: 6%

Limite ale procesarii cu presiuni Limite ale procesarii cu presiuni inalte… si solutiiinalte… si solutii

Produsele tratate cu HPP trebuie sa contina apa si sa nu Produsele tratate cu HPP trebuie sa contina apa si sa nu aiba continut ridicat de aer / porozitate interna.aiba continut ridicat de aer / porozitate interna.

HPP nu poate fi utilizata pentru sterilizarea produse HPP nu poate fi utilizata pentru sterilizarea produse alimentare cu aciditate redusa, datorita inabilitatii de a alimentare cu aciditate redusa, datorita inabilitatii de a inactiva sporii. inactiva sporii.

Solutie: Solutie: utilizarea concomitenta a energiei termice.utilizarea concomitenta a energiei termice.

NCFST a pus al punct un proces de sterilizare termica asistat de temperatura (PATS).

2009: PATS a primit IFT Innovation Award.

Temperatura initiala in camera de presurizare: 60-90ºC. Temperatura initiala in camera de presurizare: 60-90ºC. Presiuni de 500-800 MPaPresiuni de 500-800 MPa

Datorita incalzirii adiabatice temperaturile interne in produs Datorita incalzirii adiabatice temperaturile interne in produs ajung la 80-130ºC.ajung la 80-130ºC.

Comparatie cu sterilizarea in container (pentru FComparatie cu sterilizarea in container (pentru F00 = 4 min): = 4 min):

Cerere de aprobare pentru piure de cartofi depusa la FDA in Cerere de aprobare pentru piure de cartofi depusa la FDA in Sept 2008Sept 2008

““Pressure Assisted Thermal Pressure Assisted Thermal Sterilization” (PATS)Sterilization” (PATS)

SterilizareTimp de incalzire: 20 min

Timp de mentinere: 40 minTimp de racire: 20 min

PATSTimp de incalzire: 4 min

Timp de mentinere: 5 minTimp de racire: 3 min

Procesarea cu pulsuri electrice Procesarea cu pulsuri electrice (PEF)(PEF)

Mecanism: Mecanism: Pulsurile electrice distrug membrana celulelor microbiene ca Pulsurile electrice distrug membrana celulelor microbiene ca

rezultat al fenomenului de electroporarerezultat al fenomenului de electroporare

PEF utilizeaza campuri electrice de inalta energie (20-80 PEF utilizeaza campuri electrice de inalta energie (20-80 kV/cm) pentru a inactiva microorganismele (si unele enzime).kV/cm) pentru a inactiva microorganismele (si unele enzime).

Pentru a fi tratate, produsele trebuie sa poata fi pompate. Pentru a fi tratate, produsele trebuie sa poata fi pompate.

Milk treated with 30kV - 2500 pulsesUntreated whole milk

Mycobacterium paratuberculosis Mycobacterium paratuberculosis (Rowan, 2001)(Rowan, 2001)

Applicatii ale procesarii cu pulsuri Applicatii ale procesarii cu pulsuri electriceelectrice

Pasteurizare:Pasteurizare: Alimente lichide (sucuri de fructe, lapte, sosuri, oua lichide) Alimente lichide (sucuri de fructe, lapte, sosuri, oua lichide) Paste alimentare care pot fi pompate (piureuri de fructe si Paste alimentare care pot fi pompate (piureuri de fructe si

legume, carne tocata)legume, carne tocata)

Extractia sucurilor de fructe si legume Extractia sucurilor de fructe si legume PEF poate cauza permeabilizarea membranelor in celulele PEF poate cauza permeabilizarea membranelor in celulele

vegetale vegetale eliberarea usoara si completa a lichidului din eliberarea usoara si completa a lichidului din aceste celule aceste celule

Aplicatii industriale ale PEFAplicatii industriale ale PEF

US: prima aplicatie industriala a conservarii cu PEFUS: prima aplicatie industriala a conservarii cu PEF Obtinere de sucuri calitate premium (organice) (200 L/h) Obtinere de sucuri calitate premium (organice) (200 L/h) Aprobare FDA pentru piata SUA pentru acest scop (2005)Aprobare FDA pentru piata SUA pentru acest scop (2005)

Genesis Juices, Oregon, USAGenesis Juices, Oregon, USA

De doi ani, sucurile de fructe organice Genesis sunt procesate cu De doi ani, sucurile de fructe organice Genesis sunt procesate cu HPP (nu s-a putut demonstra reducerea HPP (nu s-a putut demonstra reducerea E. coli E. coli cu 5-log cu PEF).cu 5-log cu PEF).

Tratamente cu UV si pulsuri Tratamente cu UV si pulsuri luminoaseluminoase

Tratamente bazate pe actiunea radiatiilor electromagnetice Tratamente bazate pe actiunea radiatiilor electromagnetice (UV – NIR)(UV – NIR)

UV folosit de multi ani pentru dezinfectieUV folosit de multi ani pentru dezinfectie

PL tratament mai nou, mai rapid si de intensitate mai marePL tratament mai nou, mai rapid si de intensitate mai mare

Surse de lumina: Surse de lumina:

UV: lampi cu mercur UV: lampi cu mercur

PL: lampi cu XePL: lampi cu Xe

Aplicatii ale tratamentului cu UVAplicatii ale tratamentului cu UV

Pasteurizare atermica a cidrului de merePasteurizare atermica a cidrului de mere Aprobata in statul NYAprobata in statul NY Design:Design:

8 lampi UV8 lampi UV

Tratament in film de lichid subtire (3 mm thickness)Tratament in film de lichid subtire (3 mm thickness)

Regim de curgere turbulent (Re>2200)Regim de curgere turbulent (Re>2200)

2 senzori de UV “in-stream”2 senzori de UV “in-stream”

Debit maxim: 25 l/minDebit maxim: 25 l/min

Tratament cu pulsuri luminoaseTratament cu pulsuri luminoase Domeniu de cercetare in grupul nostru din 2003Domeniu de cercetare in grupul nostru din 2003

Consta in aplicarea de pulsuri de lumina de mare intensitate Consta in aplicarea de pulsuri de lumina de mare intensitate si durata foarte mica, in intervalul spectral 180 – 1100nmsi durata foarte mica, in intervalul spectral 180 – 1100nm

Mechanism de inactivareMechanism de inactivare

Inactivarea nu are loc daca se indeparteaza radiatiile UV Inactivarea nu are loc daca se indeparteaza radiatiile UV (Woodling (Woodling andand Moraru, 2007). Moraru, 2007).

Transcriptia genetica of Transcriptia genetica of L. monocytogenes L. monocytogenes a fost evaluata a fost evaluata comparativ pentru PL si UV (Uesugi and Moraru, 2010):comparativ pentru PL si UV (Uesugi and Moraru, 2010):

Diferente nesemnificative de expresie genetica in urma Diferente nesemnificative de expresie genetica in urma celor doua tratamentecelor doua tratamente

Atat PL cat si UV au rezultat in exprimarea pronuntata Atat PL cat si UV au rezultat in exprimarea pronuntata (“upregulation”) a genelor asociate cu: stress, transcriptie/ (“upregulation”) a genelor asociate cu: stress, transcriptie/ translatie, mobilitate, and membrane celularetranslatie, mobilitate, and membrane celulare

Mechanisme similare de Mechanisme similare de iinactivare: nactivare:

EEfect asupra moleculelor de ADNfect asupra moleculelor de ADN

Predictie inactivare volumetricaPredictie inactivare volumetrica

Hsu and Moraru, 2010Hsu and Moraru, 2010

Cz

yx

zyx AeF

22

11.2

87.05.0

48.21

04.15.0

,,

Simulare numerica Simulare numerica

Foloseste distributia Foloseste distributia fluentei cuplata cu fluentei cuplata cu ecuatiile de cinetica de ecuatiile de cinetica de inactivareinactivare

Tratamente pentru lichideTratamente pentru lichide

E. coli E. coli ATCC 25922 si ATCC 25922 si E. coli E. coli O157:H7 (Sauer & Moraru, 2008)O157:H7 (Sauer & Moraru, 2008)

Tratamentele cu pulsuri luminoase efectuate in stat subtire si sub Tratamentele cu pulsuri luminoase efectuate in stat subtire si sub turbulenta pot fi foarte eficienteturbulenta pot fi foarte eficiente

Inactivare Inactivare E. coli E. coli in suc de mere >7 log; in cidru de mere >5.5 login suc de mere >7 log; in cidru de mere >5.5 log

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

0 2 4 6 8 10 12 14Fluence [J/cm2]

Re

du

ctio

n [

log

(N/N

0)]

Nonpath. Ecoli high turbulence Nonpath. Ecoli low turbulence Nonpath. E.coli static

Pathogenic E.coli high turbulence Pathogenic E.coli static

FDA required 5-log reduction

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

0 2 4 6 8 10 12 14Fluence [J/cm2]

Re

du

ctio

n [

log

(N/N

0)]

Nonpath. Ecoli high turbulence Nonpath. Ecoli low turbulence Nonpath. E.coli static

Pathogenic E.coli high turbulence Pathogenic E.coli static

FDA required 5-log reduction

Desinfectie suprafeteDesinfectie suprafete

-5.0

-4.0

-3.0

-2.0

-1.0

0.0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Fluence (J/cm2)

PL only

PL + Nisaplin 0 hr

PL + Nisaplin 24 hr

PL + Nisaplin 48 hr

Red

uctio

n of

L. in

nocu

a L

og (C

FU

/sau

sage

)

Nisaplin only

Suprafete de otel inox (reducere Suprafete de otel inox (reducere Listeria Listeria cucu 3-4 log) (Woodling 3-4 log) (Woodling and Moraru, 2005). and Moraru, 2005).

Suprafata unor produse de carne (carnaciori vienezi). In Suprafata unor produse de carne (carnaciori vienezi). In combinatie cu compusi antimicrobieni (nizina) combinatie cu compusi antimicrobieni (nizina) reducere reducere Listeria Listeria cu 3-4 log (Uesugi and Moraru, 2009).cu 3-4 log (Uesugi and Moraru, 2009).

ConcluziiConcluzii In ultimii ani s-au facut progrese semnificative pentru In ultimii ani s-au facut progrese semnificative pentru

dezvoltarea metodelor de procesare minime & atermicedezvoltarea metodelor de procesare minime & atermice

Desi probabil ca aceste procese nu vor inlocui niciodata Desi probabil ca aceste procese nu vor inlocui niciodata complet tratamentele termice, avantajele unice pe care le complet tratamentele termice, avantajele unice pe care le ofera trebuie luate in considerare si exploatateofera trebuie luate in considerare si exploatate

Aplicatiile industriale sunt inca putine la numar in momentul Aplicatiile industriale sunt inca putine la numar in momentul de fata, datorita costurilor ridicate si dezvoltarii insuficientede fata, datorita costurilor ridicate si dezvoltarii insuficiente

Unele tari au facut progrese remarcabile in adoptarea Unele tari au facut progrese remarcabile in adoptarea acestor tehnologii (SUA, Germania, Noua Zeelanda, acestor tehnologii (SUA, Germania, Noua Zeelanda, Australia).Australia).

Multe eforturi de cercetare si dezvoltare sunt inca necesareMulte eforturi de cercetare si dezvoltare sunt inca necesare

Multumesc pentru Multumesc pentru atentie!atentie!

Ithaca, NYIthaca, NY