Mendelova univerzita v Brně

Mendelova univerzita v Brně Zahradnická fakulta v Lednici

VYUŽITÍ PULZNÍHO ELEKTRICKÉHO POLE NA KONZERVACI POTRAVIN Bakalářská práce

Vedoucí bakalářské práce:

Vypracoval:

Ing. Pavel Híc, Ph.D.

Adam Gabryš

Lednice 2014

Na této straně se v tištěné podobě nachází zadání bakalářské práce.

2

Prohlášení Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma „Využiti pulzniho elektrickeho pole na konzervaci potravin“ vypracoval samostatně a veškeré použité prameny a informace uvádím v seznamu použité literatury. Souhlasím, aby byla moje práce zveřejněna v souladu s § 47b zákona č. 111/1998Sb., o vysokých školách ve znění pozdějších předpisů a v souladu s platnou Směrnicí o zveřejňování vysokoškolských závěrečných prací. Jsem si vědom, že se na moji práci vztahuje zákon č. 121/2000 Sb., autorský zákon a že Mendelova univerzita v Brně má právo na uzavření licenční smlouvy a užití této práce jako školního díla podle §60 odst. 1 autorského zákona. Dále se zavazuji, že před sepsáním licenční smlouvy o využití díla jinou osobou (subjektem) si vyžádám písemné stanovisko univerzity, že předmětná licenční smlouva není v rozporu s oprávněnými zájmy univerzity, a zavazuji se uhradit případný příspěvek na úhradu nákladů spojených se vznikem díla, a to až do jejich skutečné výše.

V Lednici, dne ….....................

Podpis diplomanta: …......................

3

Poděkování Děkuji vedoucímu mé práce panu Ing. Pavlu Hícovi, Ph.D. za čas věnovaný při konzultacích a jeho cenné rady, které napomohly k vypracování této práce.

4

Obsah 1 ÚVOD...........................................................................................................................7 2 CÍL PRÁCE..................................................................................................................8 3 SOUČASNÝ STAV ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY......................................................9 3.1 Historie konzervace a skladování potravin...........................................................9 3.2 Metody konzervace potravin ..............................................................................10 3.2.1 Metody založené na mechanickém vylučování mikroorganismů z prostředí. ................................................................................................................10 3.2.2 Metody založené na přímé inaktivaci mikroorganismů .............................11 3.2.3 Metody založené na nepřímé inaktivaci mikroorganismů...........................11 3.2.4 Metody využívající pro konzervaci potravin elektrickou energii...............12 3.3 Metoda PEF – pulzní elektrické pole (pulsed electric field)...............................14 3.4 Elektroporace a apoptóza....................................................................................15 3.5 Možnosti využití pulzního elektrického pole......................................................16 3.5.1 Společnost Hoogesteger – Nizozemí...........................................................17 3.6 Technologie.........................................................................................................17 3.6.1 Napájení......................................................................................................20 3.6.2 Vysoce výkonné kondenzátory....................................................................20 3.6.3 Komory pro ošetření potraviny...................................................................20 3.6.4 Technologie HIPEF a HACCP....................................................................23 3.7 Vliv HIPEF na mikroorganismy.........................................................................25 3.7.1 Vliv metody na inaktivaci mikroorganismů u jednotlivých druhů potravin ................................................................................................................................26 3.7.2 Vliv běžně používaných metod konzervace na mikroorganismy................28 3.7.2.1 Metody využívající záhřev potraviny..................................................28 3.7.2.2 Metody ovlivňující aktivitu vody a osmotický tlak potraviny............29 3.7.2.3 Konzervace potravin chemickými látkami – konzervanty..................29 3.8 Vliv HIPEF na proteiny......................................................................................30 3.9 Vliv HIPEF na enzymy.......................................................................................31 3.9.1 Peroxidázy a lipoxygenázy..........................................................................32 3.9.2 Plazmin........................................................................................................35 3.10 HIPEF a legislativa v České republice a Evropské unii...................................36 3.11 Výhody a nevýhody HIPEF .............................................................................38 3.11.1 Výhody.....................................................................................................38 3.11.2 Nevýhody a možná rizika.........................................................................39 4 VLASTNÍ KOMENTÁŘ K ŘEŠENÉ PROBLEMATICE........................................41 5 ZÁVĚR......................................................................................................................43 6 SHRNUTÍ – RESUME...............................................................................................44 6.1 Využití pulzního elektrického pole na konzervaci potravin...............................44 6.2 The use of pulsed electric fields on food preservation.......................................44 7 ZDROJE INFORMACÍ..............................................................................................45 8 PŘÍLOHY...................................................................................................................49

5

Seznam obrázků, grafů, tabulek Obrázek č. 1 Charakter pulzů, pulzní šíře. A: monopolární pulz záporný, B: monopolární pulz kladný................................................................................................................14 Obrázek č. 2 Vliv HIPEF na mikrobiální buňku Bacillus cereus..............................................16 Obrázek č. 3 Zjednodušený obvod pro tvorbu pulzů...............................................................18 Obrázek č. 4 Typická konfigurace HIPEF................................................................................18 Obrázek č.5 Schéma aparatury pro konzervaci metodou HIPEF...........................................19 Obrázek č. 6 Různá konstrukční řešení ošetřovacích komor ….............................................22 Obrázek č. 7 Kontinuální komora s iontově vodivými membránami separující elektrody a ošetřovanou potravinu ......................................................................................23 Graf č. 1 Inaktivace E. coli suspendované v ultrafiltrátu mléka, za použití 40 kV při 10°C...................................................................................................................26 Graf č. 2 E. coli v tekutých vejcích po ošetření 26 kV/cm při teplotě 37°C...................................................................................................................27 Graf č. 3 Inaktivace alkalické fosfatázy v odtučněném, 2% a plnotučném mléce.................................................................................................................31 Graf č. 4: Inaktivace plazminu vlivem HIPEF při 15°C …..................................................35 Tabulka č. 1 Průměrné hodnoty ze dvou pokusů ošetření jablečného džusu........................28 Tabulka č. 2 Reziduální aktivita peroxidáz a lipoxygenáz při monopolárním a bipolárním ošetření..............................................................................................................34

6

1 ÚVOD Požadavky

dnešního

náročného

zákazníka

vedou

výrobce

a zpracovatele potravin k neustálému inovování a vylepšování technologických postupů šetrných vůči potravině. Základní známé technologie konzervace jako zavařování, pasterizace a jiné vedou k degradaci jak senzorických vlastností – chuť, vůně, vzhled – tak ke snižování nutriční hodnoty potraviny. Nejvíce náchylné suroviny pro výrobu hotových konzervovaných výrobků jsou ovoce a zelenina. Zde se tedy naskýtá příležitost pro méně známé, leč účinné metody konzervace, které nezmění kvalitu potraviny, ale zároveň zaručí mikrobiální bezpečnost na takové úrovni, která neohrozí spotřebitele. Kromě klasických, již zcela běžných (ať už více čí méně šetrných) postupů pro konzervaci potravin, které jsou známy i neodborné veřejnosti, se však pro konzervaci potravin dají využít i méně známé a přesto zajímavé alternativní metody, které mohou některé způsoby doplnit, nebo případně zcela nahradit. Pro svou bakalářskou práci jsem si proto zvolil téma Využití pulsního elektrického pole na konzervaci potravin. Protože se v současnosti stále více řeší problematika potravin, tak se tato metoda do budoucna jeví jako velmi přínosná pro zvýšení jakosti a uspokojení potřeb spotřebitelů a požadavků trhu. Nezáleží však jen na spotřebiteli, ale záleží také na možnostech zpracovatelů. Právě pro ně by mohl tento způsob konzervace do budoucna přilákat novou klientelu, což může být jistě zajímavým ekonomickým přínosem. V době civilizačních chorob, kdy se populace snaží žít zdravěji a zlepšovat svůj životní standard, se právě pro svou účinnost a přitom pozitivní vliv na potraviny (v nich obsažené vitamíny, nutričně prospěšné látky a také senzorické vlastnosti) tento způsob konzervace zdá jako vhodná alternativa.

7

2 CÍL PRÁCE Cílem této práce je seznámení s touto metodou konzervace potravin, prostudovat dostupnou literaturu, popsat přístrojové vybavení a způsoby použití. Dále je cílem sepsat dostupné informace o vlivu na konzervovanou surovinu, možné výhody, nevýhody a rizika týkající se problematiky.

8

3 SOUČASNÝ STAV ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY 3.1 Historie konzervace a skladování potravin Konzervace a skladování potravin sahají pravděpodobně do velmi daleké minulosti, zřejmě do momentu, kdy si lidé uvědomili, že období blahobytu po sklizni střídají také období nedostatku, a proto bylo třeba se na takové období řádně připravit. Skladování potravin rostlinného původu mohli naši předkové pravděpodobně vysledovat u zvířat, která mají v genech zakódovanou přípravu na období nedostatku. Je předmětem dohadů, která metoda konzervace potravin byla právě ta první, na kterou naši předkové přišli. S největší pravděpodobností bylo první metodou konzervace právě sušení. Zřejmě však nebylo sušení úmyslným procesem, ale jevem čistě náhodným. Dalším

takto

pravděpodobně

náhodně

vymyšleným

způsobem

konzervace je chlazení. Díky tomu, že se obyvatelé jeskyní snažili uchránit maso před drobnými zvířaty, schovávali jej do hlubších částí jeskyně a vlivem nižší teploty tak maso vydrželo déle poživatelné. Poté zřejmě následovala konzervace uzením, solením a proslazováním, kvašením atd.. Konzervace

jako

např.

sterilací,

lyofilizací,

šokovým

mrazením,

vakuovým balením, balení do ochranné atmosféry, konzervanty, atd., jsou již čistě výdobytkem člověka konzumní společnosti. Potravinářský průmysl zažil díky expanzi populace takový nárůst, že je potraviny dnes nutno vyrábět ve velkém množství, přepravovat na dlouhé vzdálenosti a následně po dlouhou dobu skladovat. To tedy vyvolává potřebu zajistit potraviny mikrobiálně bezpečné, ale také vizuálně atraktivní, které zákazníka nalákají k jejich koupi. K tomu dnes běžně slouží velké množství látek přídatných (barviva, vitamíny, konzervanty, emulgátory…), které však nemusí být zcela zdravé. Tím, že se v současnosti masově propaguje zdravé 9

stravování, je třeba nacházet nové způsoby konzervace, které zaručí, že konzervované potraviny budou mikrobiálně bezpečné, budou vypadat pokud možno co nejčerstvěji a zůstane u nich zachována původní nutriční hodnota a budou schopny přilákat zákazníka. Použití elektrického proudu k inaktivaci mikroorganismů bylo studováno ve 30. letech 20. století, ale tyto brzké studie se zakládaly jen na nepřetržité aplikaci proudu, která vedla k vysokému ohřevu a formaci volných radikálů (Jay, Loessner, Golden, 2005).

3.2 Metody konzervace potravin Jako konzervaci označujeme každý úmyslný zákrok nebo úpravu surovin, která prodlouží jejich skladovatelnost déle, než dovoluje jejich přirozená

údržnost.

Nejvíce

ohrožuje

potraviny

rozkladná

činnost

mikroorganismů. Znemožněním tohoto nežádoucího působení mikroorganismů chráníme potraviny i před většinou ostatních škodlivých vlivů. Proto volíme při rozdělení

konzervačních

metod

zpravidla

jako

kritérium

právě

jejich

protimikrobiální účinnost. Podle Kyzlinka (1988) se praktické konzervační metody rozdělují takto:

3.2.1 Metody založené na mechanickém vylučování mikroorganismů z prostředí. a) Omezování přístupu mikroorganismů k potravině Sem řadíme všechna obecná opatření zmenšující počet mikroorganismů ve zpracovávané hmotě. Jde např. o čistotu zařízení a místnosti, vzduchu, vody, pomocného materiálu a přísad a o čistotu pracovníků.

10

b) Snižování počtu mikroorganismů v potravině během zpracování Sem patří procesy zbavující materiály nečistot nebo u tekutiny kalů, a tak zároveň i mikroorganismů. Je to např. praní, odstřeďování, odkalování šťáv. Dále můžeme zmínit úplné vylučování mikroorganismů z potravin mechanickým procesem, ale to přichází v úvahu jedině u šťáv a vín při mikrobiální filtraci.

3.2.2 Metody založené na přímé inaktivaci mikroorganismů V praxi nedochází po těchto zákrocích k absolutní sterilitě potravin, ale k tzv. praktické sterilitě, tj. trvalému usmrcení (inaktivaci) těch forem mikroorganismů, které za běžných podmínek složení potraviny a jejího uložení v ní mohou vegetovat. Účinky sterilace trvají pouze tak dlouho, pokud do potraviny nevniknou nové mikroorganismy. Toto je možné provádět fyzikální či chemickou cestou. U fyzikálních metod se jedná o zvýšenou teplotu, ionizující záření, nebo ultrazvuk, u metod chemických je to například sterilace kyslíkem nebo stříbrem.

3.2.3 Metody založené na nepřímé inaktivaci mikroorganismů Uvedená skupina metod je založena na úpravě prostředí tak, aby se v něm mikroorganismy nemohly množit a vegetovat. I když nejde o záměrné usmrcení mikroorganismů, při mnohých z těchto anabiotických postupů mikroby odumírají. Podobně jako v předchozí skupině je možno podle povahy účinku rozdělit zákroky na fyzikální, chemické a biologické.

a) Fyzikální, popřípadě fyzikálně chemické zákroky Sem patří

např.

vysušování 11

potravin

(tzv.

osmoanabióza

nebo

xeroanabióza)

prostým

sušením,

zahušťováním,

vymrazováním

vody,

proslazováním, dále snižováním teploty (nad bod mrazu – psychroanabióza nebo hluboko pod 0°C – kryoanabióza) a odnímáním kyslíku.

b) Chemické zákroky (tzv. chemoanabióza) Sem se řadí chemická konzervace v užším slova smyslu, prováděná průmyslově vyráběnými chemikáliemi nebo uzením, konzervace umělou alkoholizací a okyselováním (ethanolem, běžnými organickými kyselinami), konzervace antibiotiky a fytoncidy.

c) Biologické zákroky (tzv. cenoanabióza) Konzervační činidla zde vznikají v upraveném prostředí čistě biologickou cestou. Patří sem konzervace alkoholovým a mléčným kvašením.

3.2.4 Metody využívající pro konzervaci potravin elektrickou energii Způsob konzervace vysoce intenzivním pulzním elektrickým polem není jedinou metodou, která využívá elektrickou energii pro zajištění nezávadnosti potravin. Nejznámější je především odporový a vysokofrekvenční ohřev. Sterilace odporovým ohřevem je účinkem podobná běžné tepelné sterilaci jen s tím rozdílem, že teplo vzniká při průchodu elektrického proudu vodičem, jímž je sterilovaný materiál. Je vhodný pro kyselé potraviny jako jsou například ovocné šťávy. Praktické využití metody je tím tedy hodně omezené (Kyzlink, 1980) U sterilace vysokofrekvenčním ohřevem rozlišujeme dva typy ohřevů: dielektrický a mikrovlnný ohřev. Dielektrický ohřev se děje v celé hmotě materiálu, kam až se dostane

nepohlcená

vysokofrekvenční energie.

Rovnoměrně se tak mohou prohřát jen homogenní potraviny. Mikrovlnný ohřev 12

byl patentován v USA již v roce 1945. Používán je zejména k ohřívání hotových pokrmů. Mikrovlnné záření nepřenáší tepelnou energii, tepelný účinek je vyvolán rotací molekul ve střídavém elektrickém poli při vysoké frekvenci střídání polarity pole. V České republice se používají hlavně tzv. mikrovlnné trouby v domácnostech. Ve světě se ale uplatňují i kontinuální mikrovlnná zařízení. V potravinářském průmyslu se používají například pro mikrovlnnou pasteraci různých potravin jako je pivo, mléko, víno nebo těstoviny. Mikrovlnná zařízení pro tepelnou sterilaci jsou energeticky mnohem náročnější a tudíž jsou také méně rozšířená. Ohřev mikrovlnným zářením však není k potravině příliš šetrný a ničí velké množství nutričně cenných látek jako jsou např. vitamíny a antioxidanty (Kyzlink, 1988).

13

3.3 Metoda PEF – pulzní elektrické pole (pulsed electric field) K ošetření potraviny dochází tím, že potravina prochází přes PEF aparaturu, v níž je mezi elektrodami vystavena elektrickým pulzům vysokého napětí o předem nastavených hodnotách. Tyto pulzy mají schopnost inaktivovat mikroorganismy (r. Salmonella, Shigella, Listeria, Pseudomonas, Proteus, Vibrio, Leuconostoc etc.) a snížit enzymatickou aktivitu, případně i enzymy úplně inaktivovat. Pro eventuální možnost záhřevu potraviny elektrickým proudem je aparatura chlazena. Pulzem se v souvislosti s HIPEF – vysoce intenzivním pulzním elektrickým polem (z angl. high intensity pulsed electric field, synonymum zkratky PEF) rozumí výron elektrické energie do ošetřované potraviny. Indukce takových pulzů do konzervovaného produktu může trvat i více než 1000 µs, přičemž frekvence pulzu se pohybuje v rozmezí 50 – 250 Hz (pro srovnání: 50 Hz je běžně dostupná frekvence v elektrické síti v Evropě, 60 Hz v Americe, 400 Hz u letadel a lodí). Šíře pulzu se běžně pohybuje v rozmezí 1-7 µs. Během celého procesu se používá napětí 20 - 80 kV/cm. Pulzy mohou být monopolárního či bipolárního charakteru (viz obrázek č.1).

Obr. č. 1: Charakter pulzů, pulzní šíře. A: monopolární pulz záporný, B: monopolární pulz kladný (Sepulveda et al., 2005) 14

Protože je potřeba, aby došlo k průniku pulsu do celé masy potraviny, je nutné, aby byla ošetřovaná potravina v tenké vrstvě – tudíž je metoda HIPEF možná pouze u produktů tekutých či kašovitých, bez bublin (Qin et al., 1995).

3.4 Elektroporace a apoptóza Elektroporace je jev, kdy vlivem elektrických pulzů dochází ke změně polarity buněk, tj. mikroorganismů, přiněmž jsou destabilizovány lipidy a proteiny buněčné membrány, tudíž dojde k její permeabilizaci a ke vzniku pórů na povrchu buňky. Permeabilizace může být reversibilní i nereversibilní – záleží na síle použitého pulzu. Elektropory se mohou buď znovu uzavřít, nebo zůstat otevřeny, v závislosti na pulzní šířce, frekvenci, počtu použitých pulzů a několika dalších faktorech vztahujících se k buňce (mikroorganismu), jako jsou velikost a tvar buňky, povrchový membránový potenciál (přirozená hodnota je přibližně 1 V). Nicméně přesný mechanismus vzniku pórů, expanze, následného smrštění a opětovného uzavření, nebo rozpadu buňky není ještě úplně objasněn. V případě nereversibilní elektroporace je výsledným jevem apoptóza, čili buněčná smrt. Dochází k poškození jaderné DNA, buněčných organel a membrány do takové míry, že je buňka poškozena natolik, že zaniká – je inaktivována. Tento jev je již nevratný a dochází tak k masivní likvidaci mikroorganismů (viz obr. č. 2). Tím se zvyšuje mikrobiální bezpečnost potraviny bez toho aniž bychom potravinu zahřáli a měnili tak její senzorický charakter. Tento jev je dokonce také využíván v onkologické medicíně, kdy je použito velmi podobné metody při likvidaci rakovinových buněk bez poškození okolní zdravé tkáně.

15

Obr. č. 2: Vliv HIPEF na mikrobiální buňku Bacillus cereus (Brennan, 2006)

3.5 Možnosti využití pulzního elektrického pole Použití pulzního elektrického pole bylo úspěšně demonstrováno při konzervaci džusů (zvláště s nízkou viskozitou – pomerančový, jablečný a brusinkový džus), mléka, jogurtů, tekutých syrových vajec a polévek. Aplikování metody je omezeno na tekuté potravinářské výrobky, které neobsahují bubliny a mají nízkou elektrickou vodivost. Pro využití k ošetření tuhých výrobků je metoda nevhodná. Maximální velikost částic kapalného výrobku musí být menší než oblast mezery, v níž dochází k ošetření. Může být také využita k jiným než konzervačním účelům, např ke zvýšení výtěžnosti cukru z cukrové řepy (Beta vulgaris var. altissima). PEF (pulzní elektrické pole, z angl. pulsed electric field) také nalézá uplatnění pro snižování obsahu kalů v odpadních vodách. Metoda PEF je také využívána v onkologii při léčbě melanomů a v neurochirurgii. Metoda je nejvíce využívána ošetření jablečného džusu, pomerančového džusu, mléka, a roztok solanky (Qin et al., 1996)

Protože metoda HIPEF

nepoškozuje aromatické látky a nutriční hodnotu potraviny, je také vhodná a je hojně využívána pro ošetřování dnes velmi populárních smoothies nápojů. Ty jsou vyrobeny z čerstvého ovoce a zeleniny rozmixováním celých plodů nebo jejich částí s ledem a vodou, případně dochucovadly (cukr, med, stévie aj.)

16

3.5.1

Společnost Hoogesteger – Nizozemí

Jedná se o nizozemskou společnost zabývající se výrobou smoothies. Tato společnost přeměnila HIPEF na jimi používanou metodu Fresh Micro Pulse (FMP) pro tekuté suroviny a podporuje rozvoj a provádění této metody ve výrobním procesu. Do tohoto projektu byly začleněny kontrola kvality a spotřebitelské testy, aby byla zachována kvalita produktů. Hoogesteger nyní používá FMP běžně ve výrobě ke zničení mikroorganismů při nízkých teplotách, zachovají tak svěží chuť, vůni, barvu a výživnou hodnotu. Skladovatelnost šťáv se zvýšila z přibližných 8 dnů (čerstvé) až na 21 dnů (FMP). Tento nárůst usnadňuje společnosti velmi výrazně logistiku. Šťávy tak mohou být přepravovány delší dobu, a proto může společnost expandovat i na evropský trh (Wageningen UR, 2008).

3.6 Technologie Systém pro vytváření pulzního pole se skládá ze zdroje elektrické energie, zdroje vysokého napětí, kondenzátoru, rezistoru, který limituje elektrický proud a spínače. Dále je také zařazen do systému osciloskop pro sledování tvaru vln pulzů. Generátor vysokého napětí převádí napětí veřejné sítě na napětí vysoké. Energie ze zdroje elektrické energie je uložena v kondenzátoru a je odváděna přes pracovní komory pro vytvoření elektrického pole v ošetřované surovině. Maximální napětí na kondenzátoru se rovná napětí na generátoru (obr. č. 2 a 3). Elektrický spínač se používá k vypouštění energie přes surovinu v ošetřovací komoře.

17

Obr. č. 3: Zjednodušený obvod pro tvorbu pulzů (Vega-Mercado et al., 2007)

Obr. č. 4: Typická konfigurace HIPEF (Vega-Mercado et al., 2007)

18

Kromě těchto hlavních složek jsou důležité také některé další části. V případě kontinuálního systému se používá čerpadlo pro prostup potraviny přes ošetřovací komory. Komora chladicího systému může být použita ke snížení účinku ohmického ohřevu a řízení teploty potraviny v průběhu ošetření. Vysoké napětí a vysokoproudové sondy se používají pro měření napětí a proudu dodávaného do komory. Systém PEF pro zpracování potravin se obecně skládá z těchto tří základních složek (viz obr. č. 4): pulzní generátor vysokého napětí, komora pro ošetření suroviny a kontrolní systém pro sledování výrobních parametrů. Po zpracování se produkt ochladí, a pokud je to nutné, asepticky se zabalí. V závislosti na druhu potravin se poté uloží do chladírny nebo se skladuje při okolní teplotě ( Qin et al , 1995).

Obr. č. 5: Schéma aparatury pro konzervaci metodou HIPEF (Mohamed, Eissa, 2012)

19

3.6.1

Napájení

Aby celá technologie fungovala, je nutné do systému přivádět elektrickou energii. Zdrojem pro napájení systému je běžný zdroj stejnosměrného proudu. Vysokonapěťové pulzy jsou dodávány do systému pomocí vysokonapěťového generátoru pulzů požadované intenzity, tvaru a délky. Celkový výkon systému je omezen na počet, kolikrát může být kondenzátor nabit a vybit v daném čase (Zhang et. al. 1995).

3.6.2

Vysoce výkonné kondenzátory

Jedním z hlavních komponentů pro zdroje s vysokým výkonem je kondenzátor, dále spínače polohy on- a polohy off- a přepínače, které určí, jak rychle a kolik proudu je využito. Energie uložená v kondenzátorech se využívá pro vytváření elektrického nebo magnetického pole. Elektrické pole se využívá k urychlení nabitých částic, což vede k tepelným, chemickým, mechanickým, či rozkladným účinkům nebo k vytvoření elektromagnetických vln. Typickými příklady jsou rentgenové záření, mikrovlnné záření, nebo laserový paprsek (Weise a Loeffler, 2001).

3.6.3

Komory pro ošetření potraviny

Komora pro ošetření potraviny je jednou z nejdůležitějších částí systému. Zakladní myšlenkou během vytváření pulzů je udržení ošetřovaného materiálu uvnitř komory, tudíž je tato vlastnost komory silně závislá na její konstrukci. Pokud síla aplikovaného elektrického pole v komoře překročí intenzitu elektrického pole potravinářského výrobku, dojde k poruše, která vede ke vzniku nežádoucí jiskry. Tento jev je označován jako dielektrická porucha potraviny a je nutno jej brát v úvahu při řešení konstrukce komor. Obecně se

20

projevuje povrchovým poškozením elektrody. (Barbosa-Cánovas a Sepulveda, 2005). Ošetřovací komory se rozlišují převážně podle dvou základních vlastností. Podle kontinuálnosti procesu a podle konstrukčního řešení komory.

Komory dle kontinuálnosti procesu: Prvním typem jsou komory pro diskontinuální proces. Druhým typem jsou komory pro procesy kontinuální. V laboratorních podmínkách se využívá komor diskontinuálních = statických. Tzn., že tyto komory slouží k jednorázovému ošetření menšího množství tekuté suroviny, která se poté ošetřená z komory odebere. Pro průmyslová měřítka se využívá komor kontinuálních, do kterých se průběžně přivádí tekutá surovina k ošetření a zároveň se již ošetřená surovina z komory odvádí čerpadlem. Aby se zabránilo nežádoucímu záhřevu, je kvůli možnému vzniku tepla celý systém komor chlazen recirkulací vody přes elektrody (Barbosa-Cánovas et al., 1999).

Komory dle konstrukčního řešení: Dle konstrukce rozlišujeme komory, ve kterých dochází k ošetření mezi dvěma paralelními deskami a komory, jejichž elektroda je koaxiální (viz obr. č. 6). Paralelní desky jsou používány pro režim ošetřování jednotlivých dávek produktu, zatímco koaxiální způsob konstrukce komory se používá pro ošetření produktu při určitém průtoku a pulzy jsou aplikovány o známe frekvenci pulzování. Koaxiální komory využívané v kontinuálních systémech způsobují vyšší míru inaktivace mikroorganismů a enzymů než komory s dávkovacím systémem, využívané pro diskontinuální metody ošetření, protože dochází 21

k rovnoměrnějšímu rozložení procházejícího média (zvláště u kašovitých materiálů) (Qin et al., 1995).

Obr. č. 6: Různá konstrukční řešení ošetřovacích komor: (a) statická komora, (b) boční pohled na základní kontinuální komoru, (c) koaxiální komora, (d) kolineární prostor (Mohamed, Eissa, 2012)

Dunn a Pearlmann (1987) navrhli komoru skládající se ze dvou paralelních deskových elektrod a dielektrického izolačního prostoru (viz obr. č. 7). Elektrody jsou od potraviny odděleny iontově vodivou membránou ze sulfonovaného polystyrenu a kopolymerů kyseliny akrylové. Pro usnadnění vedení elektřiny mezi elektrodami a membránou se používá elektrolyt. Vhodné elektrolyty jsou roztoky uhličitanu sodného, hydroxidu sodného, uhličitanu

22

draselného a hydroxidu draselného.

Obr. č. 7: Kontinuální komora s iontově vodivými membránami separující elektrody a ošetřovanou potravinu (Mohamed, Eissa, 2012)

3.6.4

Technologie HIPEF a HACCP

Systém analýzy rizika a stanovení kritických kontrolních bodů (Hazard Analysis and Critical Control Points - HACCP) ve výrobě potravin je jeden ze základních nástrojů, jak účinně předcházet rizikům ohrožujícím bezpečnost potravin. Protože je metoda HIPEF určena pro konzervaci potravin, je tedy nutné, aby před zavedením do provozu byl systém HACCP zaveden. Vytvoření a zavedení systému HACCP je povinné u všech výrobců potravin na základě Nařízení Evropského parlamentu a Rady (ES) č. 852/2004 23

ze dne 29. dubna 2004 o hygieně potravin. Tento systém je určen pro všechny potravinářské podniky zajišťující výrobu, zpracování a distribuci potravin a také pro podniky, které svými produkty do potravinového řetězce vstupují (zemědělství,

výroba

obalů,

apod.).

Certifikace

systému

HACCP

je

prokazatelným potvrzením funkčnosti a efektivity zavedeného systému HACCP (HACCP CZ, 2006). Systém HACCP zahrnuje těchto sedm základních pravidel:  Analýza nebezpečí a rizik (fyzikální, chemické a biologické)  Stanovení kritických kontrolních bodů  Stanovení znaků a hodnot kritických mezí pro každý kritický bod  Nápravná opatření pro každý kritický bod  Stanovení ověřovacích postupů  Vypracování dokumentace a vedení záznamů  Sledování stavu v kritických bodech U metody HIPEF by měly být řešeny hlavně tyto kritické body: sekce pro příjem produktu a jeho skladování, sekce pro ošetření produktu a aseptické balení. V úvahu jsou v kritických bodech brány faktory jako jsou ruční manipulace, čistota nádob a nástrojů, monitorování hodnot ošetření (ty by měly být sledovány průběžně), spolehlivost spínačů a kontrola případného záhřevu (Vega-Mercado et al., 2007).

24

3.7 Vliv HIPEF na mikroorganismy Potraviny mohou

být kontaminovány mikroorganismy při sklizni,

pěstování, ošetřování, ruční manipulaci, zpracování, skladování… Záleží na složení potraviny a enviromentálních faktorech, které mikroorganismy pro svůj úspěšný růst potřebují. Metabolismus a růst mikroorganismů indukují v potravinách změny jako tvorbu slizu, změnu pH, přípachy, tvorbu plynu, které vedou ke kažení potraviny. K mikroorganismům, které způsobují zkázu potravin, se často také připojují patogenní mikroorganismy. Zatímco mikrobi způsobující kažení potravinu jsou velkou ekonomickou hrozbou, potravinové patogeny jsou velkým rizikem zdravotním jak pro zdraví člověka, tak pro zdraví zvířat. Obecně platí, že Gram-pozitivní vegetativní buňky jsou více odolné proti HIPEF než Gram-negativní. Kvasinky všeobecně vykazují vyšší citlivost než bakterie. Většina výzkumu se zaměřuje na inaktivaci vegetativních forem bakterií, o inaktivaci spór je jen velmi málo studií a důkazů (Zhang et al., 1994). Ve

většině

případů

konzervace

potravin

je

dosaženo

inhibice

mikroorganismů skrze ovlivnění faktorů, které jsou nejdůležitější pro jejich růst a přežití, jako jsou složení atmosféry, aktivita vody, teplota, pH. Přídavkem konzervantů a změnou těchto faktorů dojde k jejich potlačení. Tyto metody nevedou k úplné destrukci mikrobů a tyto zůstávají i nadále metabolicky aktivní a jsou stále plně životaschopné, pokud se dostanou do příznivých podmínek. Proto je aplikace vhodné metody, která plně zaručí destrukci patogenů velmi důležitá pro produkci bezpečných potravin. Metoda vysoce intenzivního pulzního elektrického pole je vnímána jako jedna z nejslibnějších pro mikrobiální inaktivaci v potravinách. Elektrické pole v rozmezí 5- 50 kV/cm využívající krátké pulzy mezi dvěma elektrodami zajistí inaktivaci mikroorganismů a přitom nedojde ke zvýšení teploty na teploty

25

podobné při konzervaci záhřevem (Mohamed, Eissa, 2007) Účinnost metody na mikroorganismy závisí také na kritických faktorech způsobujících inaktivaci, jako jsou např. síla elektrického pole, frekvence aj., které úzce souvisí s podmínkami zpracování.

3.7.1 Vliv metody na inaktivaci mikroorganismů u jednotlivých druhů potravin Protože se jednotlivé druhy tekutin a tekutých potravin od sebe mohou velmi výrazně lišit obsahovými látkami, případně látkami, které mohou inhibovat mikroorganismy, různou velikostí částic v celkové mase potraviny (např. u polévek), mohou se také lišit výsledné hodnoty usmrcených mikroorganismů. Proto je nejvhodnější, když je potravina co nejvíce homogenní a bez bublin. Při pokusech inaktivovat Escherichia coli u ultrafiltrátu mléka bylo zjištěno, že při hodnotách 20 kV/cm nebylo dosaženo žádné významné inaktivace. Avšak při zvýšení počtu pulzů a zvýšení napětí na 40 až 55 kV/cm bylo ošetření úspěšnější. Vliv na inaktivaci má také pH. Při pH 5,69 byla inaktivace úspěšnější než při pH 6,82 (viz graf č. 1).

Graf č. 1: Inaktivace E. coli suspendované v ultrafiltrátu mléka, za použití 40 kV při 10°C (H. Vega-Mercado et al.,1996)

26

Diskontinuální ošetření odstředěného mléka pulzním elektrickým polem inaktivuje E. coli již při 15°C. HIPEF aplikovaná na tekutá vejce, do nichž byla inokulována E. coli, která byla ošetřena kontinuálním způsobem ošetření, bylo množství E.coli sníženo na 0,00001 frakci původní inokulované populace při šířce pulzu 4µs, 26 kV/cm, 37°C a potravinou prošlo celkem 100 pulzů (viz graf č. 2)

Graf č. 2: E. coli v tekutých vejcích po ošetření 26 kV/cm při teplotě 37°C. (O. Martin et al.,1997)

U komerčně prodávaného jablečného džusu, do kterého byly následně přidány kvasinky Saccharomyces cerevisiae, nebyly po ošetření HIPEF zjištěny žádné změny pH, změny obsahu kyseliny askorbové, sacharózy, glukózy a fruktózy (viz tab. č. 1). Nejsilnější inaktivace bylo dosaženo po použití 10 pulzů, 35 kV/cm a teplotě 22 – 34°C. Takto ošetřený jablečný džus je poté možné uchovávat až 3 týdny při teplotě 4°C (Simpson, 1995).

27

Tabulka č. 1: Průměrné hodnoty ze dvou pokusů ošetření jablečného džusu. (Simpson et al.,1995)

3.7.2 Vliv běžně na mikroorganismy 3.7.2.1

používaných

metod

konzervace

Metody využívající záhřev potraviny

Mezi tyto metody se řadí např. pasterizace, sterilace, tyndalizace, odporový ohřev aj.. Jsou to v potravinářském průmyslu nejhojněji využívané metody. Vzhledem k teplotám o hodnotách 60°C a více dochází k mikrobiální destrukci. Pasterace je záhřev, dosahující teplot do 100°C který se používá pro konzervaci kyselých potravin, kdy dochází k inaktivaci vegetativních forem mikroorganismů. U pasterace nekyselých potravin je nutno použít další konzervační metodu, jako např. chlazení. Pasterace je k potravinám relativně šetrná, senzorické a nutriční vlastnosti se výrazně nemění. Sterilace využívá teplot nad 100°C (zpravidla 121°C) a kromě vegetativních forem mikroorganismů ničí také většinu spór. Tato metoda se využívá pro nekyselé potraviny. Nehledě na to však mohou mít kromě této výhody likvidace patogena i negativní vlastnosti, které se projevují např. jako neenzymatické hnědnutí potraviny, denaturace proteinů, ztráta vitamínů a těkavých aromatických látek. 28

Tyndalizace neboli frakcionová sterilace využívá opakovaných záhřevů do 100°C, kdy doba mezi jednotlivými záhřevy může být až několik dní. Tímto se docílí inaktivace vegetativních forem mikroorganismů a vyklíčení spór, které se dalším záhřevem inaktivují. Metodou využívající elektrický proud jako zdroj záhřevu je metoda odporového ohřevu. Pomocí elektrod, které jsou do potraviny ponořeny, a vlivem elektrického odporu potraviny a střídavého elektrického proudu dochází k záhřevu. Tímto se může dosáhnout teplot jako u sterilace.

3.7.2.2 Metody ovlivňující aktivitu vody a osmotický tlak potraviny Do těchto metod se řadí sušení, proslazování a solení. Díky použití soli nebo cukru dojde ke zvýšení osmotického tlaku v potravině. Při sušení dochází ke snížení aktivity vody, tzn. k odebrání dostupné vody pro mikroorganismy. Pokud dojde ke snížení aktivity vody pod 0,6, potravina je již samoúdržná a nepotřebuje další úpravu. Jestliže nedojde ke snížení pod tuto hranici, je třeba ještě další úpravy jako je např. chlazení. Tyto metody ovšem mění původní charakter potraviny a potravina tak postrádá svoji původní čerstvost.

3.7.2.3 Konzervace potravin chemickými látkami – konzervanty Konzervanty jsou chemické látky, jejichž pomocí se zajišťuje mikrobiální bezpečnost

potravin,

zabraňují

svým

působením

nežádoucí

činnosti

mikroorganismů. Jedná se o chemicky syntetizované látky, jejichž spektrum je velmi široké, od bezpečných konzervantů jako jsou např. soli kyseliny octové, až po velmi rizikové látky, jakými jsou např. dusitany. Přidáním těchto látek do potravin již potraviny ztrácí naprosto svůj charakter čerstvosti, navíc mohou

29

měnit jejich senzorické vlastnosti a také může konzumace takto ošetřených potravin ve větším množství negativně ovlivňovat zdraví konzumenta. Mezi tyto látky patří i antibiotika, která jsou však striktně zakázána pro použití ke konzervaci. Tyto látky buď mikroorganismy přímo usmrcují, nebo blokují enzymové systémy pro ně nezbytné (Rop, Valášek, Hoza, 2005).



Kyselina sorbová E 200, kyselina benzoová E 210 (a jejich soli ) Jsou to nejběžnější chemické konzervanty. Spektrum jejich účinnosti jsou

především bakterie a kvasinky, méně pak působí proti plísním. Kys. benzoová může však být přítomna přirozeně u některých fermentovaných výrobků.



Oxid siřičitý E220 (a jeho sloučeniny) SO2 se používá nejběžněji v plynném stavu, soli H 2SO3 se používají ve

stavu tuhém nebo ve formě roztoku. H 2SO3 je vysoce účinná vůči bakteriím, kvasinkám a také plísním. SO2 se také uplatňuje jako inhibitor enzymového a neenzymového hnědnutí.

3.8

Vliv HIPEF na proteiny Aktivita některých proteinů v ošetřených produktech může poukazovat na

nedostatečné ošetření potraviny, jsou tedy velmi důležité. Je tomu tak například u alkalické fosfatázy – ALP (z angl. alkaline phosphatase) při ošetření mléka pasterizací, kdy přítomnost aktivní ALP naznačuje, že nedošlo k dostatečné pasterizaci, nebo došlo ke křížové kontaminaci mléka. Tuk v čerstvém syrovém mléce je suspendován ve formě kuliček a ALP se na membránu těchto tukových kuliček váže. U odstředěného mléka se 30

vyskytuje v podobě lipoproteinové částice. Aktivita ALP se snižuje se zvyšováním intenzity ošetření. Redukce aktivity o 65% bylo dosaženo v pokusných podmínkách při vystavení suroviny následujícím hodnotám: 70 pulzů o šířce 400 µs, 18,8 kV/cm (viz graf č.3).

Graf č. 3: Inaktivace alkalické fosfatázy v odtučněném, 2% a plnotučném mléce (Castro, 1994)

3.9 Vliv HIPEF na enzymy Enzymy jsou v podstatě makromolekulární biokatalyzátory umožňující velmi složité biochemické reakce, aniž by do nich samy vstupovaly. Aktivita enzymů je neobyčejně velká, tzn. že jedna molekula enzymu dokáže během několika sekund rozštěpit až několik milionů molekul určitých látek. Aktivita enzymů závisí na řadě činitelů, hlavně na pH, teplotě, koncentraci enzymů a látek, které štěpí. (Rop, Valášek, Hoza, 2005) 31

U čerstvých ovocných šťáv mohou enzymy způsobovat nežádoucí změny. Je to způsobeno např. katalýzou další přeměny vitamínů, přičemž může dojít až k částečné či úplné destrukci vitaminového účinku. Z chemického hlediska se většinou jedná o oxidační změny, případně o enzymové štěpení na již neúčinné složky. Patří sem řada enzymů, které se podílejí na oxidaci L- askorbové kyseliny, jako například peroxidázy (POD), cytochromoxidázy a jiné. Tyto enzymy neštěpí specificky kyselinu askorbovou, tzn., že potřebují k jejímu štěpení další látky. U peroxidáz je třeba zastoupení látek jako jsou deriváty flavonů, flavonolů, flavanonů aj., u cytochromoxidáz například je třeba přítomnosti cytochromu, kdy v jeho přítomnosti dochází k rychlé oxidaci. Kromě těchto nespecifických oxidačně redukčních enzymů se na oxidaci vitamínu C podílí i enzym askorbáza, která specificky oxiduje kyselinu askorbovou na dehydroaskorbovou. Dalším důležitým enzymem, který je třeba v produktu inaktivovat, je lipoxygenáza (LOX). Ta je označována jako antivitamín A, respektive antivitamín

esenciálních

mastných

kyselin.

Tento

enzym

je

přítomen

v některých rostlinných semenech. Jejím působením dochází k degradaci esenciálních mastných kyselin, čímž se přímo snižuje nutriční hodnota potraviny a nepřímo tak dále degraduje přítomný karoten (Davídek, Janíček, Pokorný, 1983).

3.9.1

Peroxidázy a lipoxygenázy

Pro POD je optimální pH v prostředí 4,5 – 6,7 (Rop, Valášek, Hoza, 2005). Způsob činnosti POD představuje tvorbu komplexů enzymů donoru vodíku, které mohou být fenoly, aminy nebo jiné organické sločeniny. Tak by díky POD nebyla již šťáva tolik zdraví prospěšná, což je důsledek ztráty některých důležitých živin, jako kyselina askorbová a karotenoidy (Davey et al., 32

2000). Zprávy týkající se účinku HIPEF na inaktivaci enzymů se výrazně liší, což lze přičíst vlastnostem suroviny (šťávy), zpracovatelských podmínek a dokonce i technickým charakteristikám aparatury (Van Loey, Verachtert, Hendrickx, 2002). Stupněm inaktivace se enzymy od sebe liší, obecně je tvrzeno, že působení HIPEF ovlivňuje síly podílející se na trojrozměrné stavbě globulárního proteinu. Navíc relativně vysoký měrný příkon, definovaný elektrickým polem vysoké intenzity je nutný za účelem dosažení enzymaticky stabilních produktů (Elez-Martínez et al., 2006; Schilling et al., 2008). Nejnižší reziduální aktivita peroxidáz RA POD (0,16± 0,04%; viz tab. č. 2) byla dosažena při aplikaci 7 µs bipolárních pulzů o frekvenci 250 Hz a 35kV/cm. Aplikace HIPEF prokázala účinné snížení aktivity POD na úrovni podnobné konvenčnímu tepelnému zpracování. Experimentální výsledky v tab. 1 ukazují, že nejnižší reziduální aktivity RA LOX (48,02 ± 0,20%) bylo dosaženo při ošetření HIPEF 250 Hz a 1,0 μs s bipolárním pulzem 35 kV/cm (Aguilo´ - Aguayo et al., 2010).

33

Tab. č. 2: Reziduální aktivita peroxidáz a lipoxygenáz při monopolárním a bipolárním ošetření (Aguilo´- Aguayo et al., 2010)

Obecně platí, že bipolární ošetření vede k nižším hodnotám LOX aktivity, než monopolární ošetření. Na rozdíl od těchto výsledků Aguilo´ - Aguayo, Sobrino-Lo´ pez, et al. (2008) zjistili, že aktivita LOX v jahodovém džusu byla bez ohledu na frekvenci a šířku pulzu více snížena v monopolárním než bipolárním režimu. Jak uvádí Elez – Martínez, Aguiló – Aguayo, et al. (2006), účinnost pulzní polarity na inaktivaci enzymu by mohla být ovlivněna rozmanitostí způsobu použití HIPEF a médii na kterých jsou vázány enzymy. Vliv frekvence a šířka

34

impulzu, jakož i jejich vzájemné působení jsou velmi významné. Hodnoty naznačují, že největšího snížení aktivity LOX může být dosaženo zvýšením hodnot použitých při ošetření produktu. RA se snížila až o 70% použitím frekvence nad 185 Hz a pulsní šířky pod 2,20 μs v monopolárním režimu. Nízký dopad HIPEF na LOX se uvažuje kvůli možné přítomnosti několika izoenzymů, které mají různou odolnost vůči HIPEF. Zhong, Hu, Wu, Chen, a Liao (2009) prokázali, že HIPEF způsobila ztrátu α- šroubovice a zvýšení obsahu β-listů, což naznačuje, že došlo ke konformačním změnám v sekundární struktuře LOX. Vysoké hodnoty aktivity enzymů jako jsou právě LOX mohou způsobit barevné změny a změny charakteristické chutě a vůně.

3.9.2

Plazmin

Proteolytický enzym plazmin a proteázy jsou produktem bakterie Pseudomonas fluorescens, která je často izolována z klinických vzorků. Tato bakterie a její enzymy jsou typickými účastníky mikrobiálního kažení potravin jako jsou právě vejce a mléko. K nejúčinnější inaktivaci plazminu došlo při 15°C, 45kV/cm a počtu 50 pulzů o pulzní šířce 2 μs (viz graf č.4)

Graf č. 4: Inaktivace plazminu vlivem HIPEF při 15°C (Vega-Mercado et al.,1995.) 35

3.10 HIPEF a legislativa v České republice a Evropské unii Veškeré metody konzervace mají za úkol potraviny udržet co nejdéle poživatelné, ale také musí zaručit konzumentovi jistotu, že se nenakazí alimentárním

onemocněním

(alimentární

onemocnění

–

onemocnění

z potravin). Protože každá úprava potraviny může ve svém důsledku ovlivnit zdraví konzumenta, je nutné tyto procesy legislativně ošetřit. V České republice je po vstupu do EU snaha legislativu ztotožnit s evropskými právními předpisy. Protože metoda HIPEF není v praxi ještě hojně rozšířena a většina práce se zatím probíhá v laboratorních podmínkách a je ve fázi pokusů, není v ČR v Zákoně o potravinách a tabákových výrobcích č. 110/1997 sb. ještě legislativně zakotvena, ani v jeho nejnovějších novelách a dalších upravujících právních předpisech. Zákoník v ČR upravuje především metody úpravy potravin jako je pasterizace mléka, ošetření potravin pomocí UV záření a ionizovaným zářením. O metodě HIPEF a dalších alternativních metodách bohužel nejsou zmínky. Metody využívající ošetření zářením, jsou v zákoně č. 110/1997 sb. zmíněny především v části o označování potravin, které níže cituji:

„Provozovatel potravinářského podniku, který uvádí do oběhu potraviny balené ve výrobě, je povinen způsobem stanoveným vyhláškou potravinu řádně označit na obalu určeném pro spotřebitele nebo pro provozovny stravovacích služeb



názvem druhu, skupiny nebo podskupiny potravin stanoveným ve vyhlášce, pod nímž je potravina uváděna do oběhu. Potravina, kterou nelze označit druhem, skupinou nebo podskupinou vzhledem k použitým surovinám nebo použité technologii, se označí názvem odvozeným od

36

základní použité suroviny nebo technologie



údaji o možnosti nepříznivého ovlivnění zdraví lidí, stanoví-li tak zvláštní předpisy



údajem o ošetření potraviny nebo suroviny ionizujícím zářením, a to slovy "ionizováno" nebo "ošetřeno ionizací" anebo "ošetřeno ionizujícím zářením"; v případě ošetření potraviny nebo potravinové suroviny, která je složkou potraviny, se tento údaj uvede vedle názvu složky potraviny.“

Přestože metoda HIPEF není ještě zcela prozkoumána a sice se zatím jeví jako velice šetrná a účinná, chybí však výzkumy ohledně vlivu na zdraví lidí, možných negativních aspektech této metody. Lze tedy předpokládat, že by mohl být tento způsob ošetření potravin podobně právně ošetřen, například označením potraviny slovy „ošetřeno pulzním elektrickým polem“ nebo „ošetřeno HIPEF“.

V právním systému EU v NAŘÍZENÍ EVROPSKÉHO PARLAMENTU A RADY (ES) č. 258/97 se vyskytuje pojem „potraviny nového typu“, který je popsán následovně, cituji: 

„potraviny obsahující nebo vyrobené z geneticky modifikovaných organismů, potraviny mající novou nebo modifikovanou primární molekulární

strukturu,

potraviny

skládající

z mikroorganismů, hub nebo řas, potraviny

se

nebo

izolované

z dosud nepoužívaných

rostlin nebo živočichů (např. klonovaných) a potraviny, u nichž se použil výrobní postup, který není běžně používán a způsobuje významné změny ve složení nebo struktuře potravin, mající vliv na jejich výživovou hodnotu.“

37

Tím, že metoda HIPEF zatím není příliš známá, a tudíž není běžně používána, je možné, že by mohlo být její používání legislativně řešeno také právě tímto nařízením. Jak již bylo zmíněno, v souvislosti s HIPEF je také nutné vytvoření a zavedení systému HACCP, které je povinné u všech výrobců potravin na základě Nařízení Evropského parlamentu a Rady (ES) č. 852/2004 ze dne 29. dubna 2004 o hygieně potravin.

3.11

Výhody a nevýhody HIPEF

Jako každá jiná metoda konzervace má i tato své výhody a nevýhody. Proto je nutné tyto proměnné před finálním rozhodnutím použití tohoto způsobu konzervace zvážit. Pokusné poznatky se snaží tuto metodu popsat v pozitivním smyslu, a tak informace o možných nevýhodách a případných rizicích chybí.

3.11.1

Výhody

Jak již bylo řečeno, celá tato metoda má řadu výhod. Hlavní výhoda spočívá v šetrném ošetření potraviny. Tím, že zachovává původní podíly vysoce cenných nutričně prospěšných a aromatických látek, neubírá tak ošetřené surovině na výživové hodnotě a atraktivitě, což může být pro konečného zákazníka jeden z důvodů výrobek zakoupit. Další velmi důležitou výhodou je možnost inkativace bakterie Escherichia coli a rodu Salmonella, které jsou původci závažných alimentárních onemocnění. Z dalších běžně zastoupených mikroorganismů spolehlivě inaktivuje kvasinky Saccharomyces cerevisiae, tudíž lze tuto metodu využít k zastavení kvašení ovocných šťáv a moštů.

38

Velkou výhodou je také to, že lze metodu uplatnit nejen na ošetření rostlinných produktů, ale také na produkty živočišného původu, jako jsou mléko a vejce (O. Martin, 1997). Tím, že je na aplikaci elektrických pulzů do potraviny již sestaven systém analýzy rizika a stanovení kritických kontrolních bodů HACCP, tak již v průmyslovém měřítku tyto kritické body můžeme zohlednit a zamezit tak alimentárním nákazám a jiným zdravotním hrozbám vyplývajících při ošetřování potravin touto metodou.

3.11.2

Nevýhody a možná rizika

Kromě výše popsaných výhod, které autoři výzkumů uvádějí však může konzervace vysoce intenzivním pulzním elektrickým polem přinášet i různé nevýhody. První nevýhodou je použití metody pouze na tekuté či kašovité výrobky. Jednou z nevýhod může být díky elektrochemické reakci v potravině možná oxidace ošetřené potraviny a eroze elektrod. Eroze elektrod však může být vnímána jako běžné opotřebení součástky. Toepfl (2007) předpokládá pro industrializaci této metody upravení konstrukčního řešení aparatury, jako jsou například elektrody z nerezové oceli nebo modifikaci systémů pulzních generátorů tak, aby nedocházelo k nežádoucím změnám v potravině a vybavení mělo co nejdelší životnost. Další, poměrně velkou nevýhodou je, že ohledně této metody nejsou vedeny výzkumy například na tvorbu volných radikálů a jiných možných nebezpečných zdraví ovlivňujících produktů elektrochemických reakcí. Naopak jsou vedeny výzkumy o vlivu PEF na antioxidanty, kdy bylo dokázáno, že je PEF mnohem šetrnější vůči antioxidantům, než běžná tepelná pasterace (Sánchez-Moreno et al., 2005). Některé zdroje (jako např. Jay et al. 2005) však uvádějí, že dlouhodobé působení elektrického proudu na potravinu vytváří volné radikály, ale již nejsou důkazy o zamítnutí tvorby volných radikálů u PEF. 39

Velmi důležitým prvkem v oblasti potravinářství je legislativa. Ovšem u tohoto způsobu konzervace je legislativa nejistá (jak v EU a ČR) a chybí dokumenty pro korigování této metody. Pokud má být tato metoda industrializována např. jako pasterizace, je nutné k ní vytvořit legislativní dokumenty stejně jako je tomu u pasterizace, jelikož je snaha metodu aplikovat i na produkty živočišného původu, které mohou být mikrobiálně a enzymaticky poměrně nestálé a v důsledku by nedostatečné ošetření mohlo vést k ohrožení zdraví konzumentů. Další nevýhodou je cena. Ta se u jednotky HIPEF může pohybovat od 450 000 do 2 000 000 $ (Vega-Mercado, 2007). To však v případě větších zpracovatelů nemusí být příliš velkou finanční zátěží.

40

4 VLASTNÍ KOMENTÁŘ K ŘEŠENÉ PROBLEMATICE Ačkoliv je dostupné literatury a pokusných poznatků poměrně velké množství, je problém získat ucelený náhled na celou metodu. Ikdyž jsou dostupná schémata zapojení jednotlivých součástí aparatury, nejsou uvedeny bližší technicku specifika, jako například kapacita kondenzátorů, vzdálenost mezi elektrodami v komoře hodnoty odporů atd.. Tudíž zatím nejsme schopni v běžných podmínkách tuto metodu používat, jako je tomu např. u pasterace. Je tomu tak zřejmě kvůli patentové ochraně společností, které se tímto způsobem konzervace zabývají. Velké množství autorů se zabývá stejnými výsledky pokusů, zvláště těmi pozitivními. I v případě, že není u pokusu s mikroorganismy mikrobiální populace plně inaktivována, byť je inaktivována na zlomek původní populace (0,00001), prezentují autoři tyto hodnoty za úspěšné. Zřejmě by to znamenalo, že bude nutno najít způsob, jak metodu zefektivnit natolik, aby bylo dosaženo 100% inaktivace, tzn., že bude dále potřeba použít např. nižší množství konzervantu. To by však znehodnotilo původní ideu metody pro vytvoření zdravých potravin mikrobiálně bezpečných bez chemických konzervantů. Tím by také pravděpodobně nemohlo dojít k nalákání běžného spotřebitele ke koupi výrobku. Dále by se větší účinnosti mohlo dosáhnout za pomoci vyšší teploty. Avšak musel by se najít způsob, kdy nedojde k znehodnocení vitamínů teplem do takové míry, kdy by byly hodnoty obsahu nutričně cenných látek na úrovni běžné tepelné konzervace. Velmi zajimavá možnost je využití pulzního elektrického pole i pro konzervaci potravin živočišného původu jako jsou vejce a mléko. Tyto produkty jsou velmi ceněny pro svůj obsah živin, a tak je zajimavou možností použít pro tyto produkty jinou šetrnější metodu konzervace, než je například UHT nebo pasterace, které udrží hodnoty vitamínů a prospěšných látek, ale zároveň 41

inaktivují zdraví nebezpečné patogeny jako jsou bakterie rodů Salmonella, Shigella, Listeria, Pseudomonas, Proteus, Vibrio, Leuconostoc aj.. Současný stav je takový, že metoda v EU není dostatečně známá, a tudíž není ani používána (výjimka společnost Hogesteger, Nizozemí). Ve Spojených státech amerických je používána pro ošetření tekutých vajec a výrobu ovocných nápojů smoothies. Aby bylo možné tuto metodu rozšířit do potravinářského průmyslu z laboratoří, je třeba navrhnout aparatury tak, aby zvládaly stejnoměrně a důkladně ošetřit suroviny ve velkém množství (např. hl ·hod-1). Bylo by také vhodné vymyslet marketingovou podporu, aby společnosti poté tato zařízení pro své provozy zakoupily. Velkým otazníkem zůstává, proč již od počátku výzkumů v 70. letech minulého století se za celých 44 let nepodařilo této metodě prorazit. Možným

důvodem

pro

nezastoupení

této

moderní

technologie

v potravinářském průmyslu je také nutná výměna starších technologií a s tím spojené náklady a také náklady spojené s pořízením technologie HIPEF, i když je ošetření pulzním elektrickým polem mnohem méně nákladné než převádění energie elektrické na energii tepelnou. Tudíž je velmi pravděpodobné, že by se počáteční náklady za nákup aparatur brzy navrátily a pořizovací náklady by se při větším rozšíření metody HIPEF, a tím i nutností více vyrábět tyto aparatury časem mohly snižovat. Osobně se mi tato metoda jeví jako zajímavá a slibná, má však ještě nedostatky, které bude třeba vyřešit.

42

5 ZÁVĚR Ze všech dostupných informací vyplývá, že využití pulzního elektrického pole pro konzervaci potravin je možné pouze u tekutých surovin bez větších částic a bublin. Díky tomu je možné konzervovat potraviny nejen rostlinného původu ale i původu živočišného. Celý systém se všeobecně skládá ze zdroje napětí, generátoru pulzů, monitorovacího zařízení, pumpy, která zajišťuje průtok suroviny, komory ve které jsou uloženy elektrody, mezi nimiž potravina protéká a chladícího zařízení pro případný záhřev. Výzkumy dokazují, že HIPEF dokáže za určitých podmínek (teplota, počet pulzů, pulzní šíře atd.) inaktivovat nejen mikroorganismy, ale také snižuje aktivitu enzymů obsažených v potravinách bez většího snížení obsahu nutricky cenných látek. Velmi důležitým a zajímavým jevem při procesu ošetření je elektroporace, která způsobuje masivní likvidaci bakterií. Pokud by nedošlo k snížení aktivity enzymů, tak by jejich aktivitou potravina mohla být během krátké doby senzoricky nepřijatelná. I když se jedná o netermální metodu konzervace potravin, je zde jistá synergie mezi teplotou a účinností na patogeny a enzymy. Nejsilnější inaktivace lze dosáhnout bipolárním ošetřením při teplotách v rozmezí 30 – 40 °C, 15 – 45 kV/cm. I když není po legislativní stránce tato problematika řešena, objevuje se již snaha na metodu pulzního elektrického pole aplikovat systém HACCP, což je velkým přínosem pro integraci tohoto způsobu konzervace do běžných konzervárenských postupů. Je však otázkou času a otázkou práce vědeckých pracovníků, kdy bude tato metoda zařazena mezi běžně používané metody.

43

6 SHRNUTÍ – RESUME 6.1 Využití pulzního elektrického pole na konzervaci potravin Vysoce intenzivní pulzní elektrické pole HIPEF je poměrně inovativní a nová metoda konzervace potravin. V současnosti celosvětový trend zdravé výživy nutí zpracovatele potravin měnit receptury a postupy při výrobě tak, aby byly potraviny zdravější a senzoricky lákavější. Tato práce je kompilací dostupných informací obecně o konzervacích a metodě HIPEF. Z dostupné literatury je zde popsáno přístrojové vybavení pro tento způsob konzervace, jsou zde stručně vyjmenovány patogenní mikroorganismy v potravinách, některé enzymy znehodnocující potravinu a příklady inaktivace. V práci je charkterizována také dostupná legislativa, systém HACCP a stručně je zahrnuta i současná situace využití metody v průmyslu. Klíčová slova: pulzní elektrické pole, konzervace potravin, HIPEF

6.2 The use of pulsed electric fields on food preservation The high-intensity pulsed electric fields HIPEF is quite innovative method of food preservation. At present, the global trend of healthy eating forces food processors to change recipes and procedures during production to healthier and sensorially more attractive food. This work is a compilation of available information about conservation and method HIPEF. The thesis deals with instrumentation of this method of preservation, it also briefly characterizes listed pathogenic microorganisms in foods, some food degrading enzymes as well as examples of inactivation.The thesis also includes available legislation, HACCP system and briefly is included present situation of method in the industry. Keywords: pulsed electric field, food preservation, HIPEF 44

the use of this

7 ZDROJE INFORMACÍ Knižní zdroje, e-knihy, vědecké články: AGUILÓ-AGUAYO, Ingrid, Ángel SOBRINO-LÓPEZ, Robert SOLIVA-FORTUNY a Olga MARTÍN-BELLOSO. Influence of high-intensity pulsed electric field processing on lipoxygenase and β-glucosidase activities in strawberry juice. Innovative

Food

Science.

2008,

vol.

9,

issue

4,

s.

455-462.

DOI:

10.1016/j.ifset.2007.12.007. Dostupné z: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1466856408000027 AGUILÓ-AGUAYO,

Ingrid;

Robert

SOLIVA-FORTUNY;

Olga

MARTÍN-

BELLOSO. Impact of high-intensity pulsed electric field variables affecting peroxidase and lipoxygenase activities of watermelon juice. LWT-Food Science and Technology, 2010, 43.6: 897-902. BARBOSA-CANOVAS, Gustavo V., et al. Preservation of foods with pulsed electric fields. Academic Press, 1999. BARBOSA-CÁNOVAS, Gustavo V.; David SEPÚLVEDA. Present status and the future of PEF technology. Novel food processing technologies, 2005, 1-44. BRENNAN, J. Food processing handbook. Weinheim: Wiley-VCH, c2006, xxv, 582 p. ISBN 978-352-7307-197. CASTRO CASTILLO, Armando J. Pulsed electric field modification of activity and denaturation of alkaline phosphatase. Washington, 1994. Disertační práce. Washington State University. DAVEY, Mark W., Mark Van MONTAGU, Dirk INZÉ, Maite SANMARTIN, Angelos KANELLIS, Nicholas SMIRNOFF, Iris J. BENZIE, John J. STRAIN, Derek FAVELL, John FLETCHER.

Plant L-ascorbic acid: chemistry, function,

metabolism, bioavailability and effects of processing. J. Sci. Food Agric., 2000; 80:825–860.

doi:10.1002/(SICI)1097-0010(20000515)80:7<825::AID-

45

JSFA598>3.0.CO;2-6 DAVÍDEK, Jiří, Gustav JANÍČEK a Jan POKORNÝ. Chemie potravin: učebnice pro vys. školy chemickotechnologické. 1. vyd. Praha: SNTL, 1983, 629 s. Dostupné z: http://doi.wiley.com/10.1111/j.1365-2621.1980.tb04141.x DUNN, Joseph E., Jay S. PEARLMAN, Methods and apparatus for extending the shelf life of luid food products. [patent] 1987 U. S. Patent 4,695,472. E.A., Maged, Ayman H. AMER EISS, Pedro ELEZ-MARTÍNEZ, Begoña DE ANCOS, Olga MARTÍN-BELLOSO a M. Pilar CANO. Pulsed Electric Fields for Food Processing Technology. Structure and Function of Food Engineering. InTech, 2012-08-22, vol. 53, issue 11, s. 4403-4409. DOI: 10.5772/48678. Dostupné

z:

http://www.intechopen.com/books/structure-and-function-of-food-

engineering/pulsed-electric-fields-for-food-processing-technology HUOR, S. S., E. M. AHMED, R. D. CARTER, Begoña DE ANCOS, Olga MARTÍN-BELLOSO a M. Pilar CANO. CONCENTRATION OF WATERMELON JUICE. Journal of Food Science. InTech, 1980, vol. 45, issue 3, s. 718-719. DOI: 10.1111/j.1365-2621.1980.tb04141.x. JAY, James M., Martin J. LOESSNER a David Allen GOLDEN. Modern food microbiology. 7th ed. New York: Springer Science+Business Media, 2005, 790 s. ISBN 0-387-23180-3. KYZLINK, Vladimír. Teoretické základy konzervace potravin. 1.vyd. Praha: SNTL, 1988, 511 s. M. V. SIMPSON et al., Influence of PEF on the composition of apple juice, interní zpráva, Washington State University, Pullman, WA, 1995. MARTIN, O., et al. Inactivation of Escherichia coli in skim milk by high intensity pulsed electric fields. Journal of Food Process Engineering, 1997, 20.4: 317-336. QIN, Bai - Lin., Usha R. POTHAKAMURY , Humberto VEGA, Olga MARTÍN BELLOSO, Gustavo V. BARBOSA – CÁNOVAS, Barry G. SWANSON. Food pasteurization using high intensity pulsed electric fields. 1995, Food Technology, 46

49, 55–60. QIN, Bai‐Lin, Usha R. POTHAKAMURY, Gustavo V. BARBOSA‐CÁNOVAS, Barry G. SWANSON, Micha PELEG a M. Pilar CANO. Nonthermal pasteurization of liquid foods using high‐intensity pulsed electric fields. Critical Reviews in Food Science and Nutrition [online]. 1996, vol. 36, issue 6, s. 603-627 [cit. 2014-0421].

DOI:

10.1080/10408399609527741.

Dostupné

z:

http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/10408399609527741 ROP, Otakar, Pavel VALÁŠEK a Ignác HOZA. Teoretické principy konzervace potravin I. Vyd. 1. Zlín: Univerzita Tomáše Bati, 2005, 130 s. ISBN 80-7318-3390. SÁNCHEZ-MORENO, Concepción, Lucía PLAZA, Pedro ELEZ-MARTÍNEZ, Begoña DE ANCOS, Olga MARTÍN-BELLOSO a M. Pilar CANO. Impact of High Pressure and Pulsed Electric Fields on Bioactive Compounds and Antioxidant Activity of Orange Juice in Comparison with Traditional Thermal Processing. Journal of Agricultural and Food Chemistry. InTech, 2005, vol. 53, issue 11, s. 4403-4409.

DOI:

10.1021/jf048839b.

Dostupné

z:

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jf048839b VAN LOEY, A, B VERACHTERT, M HENDRICKX, Begoña DE ANCOS, Olga MARTÍN-BELLOSO a M. Pilar CANO. Effects of high electric field pulses on enzymes. Trends in Food Science. InTech, 2001, vol. 12, 3-4, s. 94-102. DOI: 10.1016/S0924-2244(01)00066-8. Dostupné z: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0924224401000668 VEGA – MERCADO, Humberto, Marcela M. GONGORA – NIETO, Gustavo V. BARBOSA – CANOVAS, Barry G. SWANSON, Pulsed Electric Fields in Food Preservation, 2007, Taylor and Francis group LLC VEGA - MERCADO, Humberto, Usha R. POTHAKAMURY, Fu-Jung CHANG, Gustavo V. BARBOSA-CÁNOVAS, Barry G. SWANSON a M. Pilar CANO. Inactivation of Escherichia coli by combining pH, ionic strength and pulsed 47

electric fields hurdles. Food Research International. InTech, 1996, vol. 29, issue 2,

s.

117-121.

DOI:

10.1016/0963-9969(96)00015-4.

Dostupné

z:

http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/0963996996000154 WEISE, Theodor H. G., applications,

M.J. LOEFFLER. Overview on pulsed power

Proceedings of the International Conference on Pulsed Power

Applications, 2001, Gelsenkirchen, Germany ZHANG, Qinghua; Gustavo V. BARBOSA-CÁNOVAS; Barry G. SWANSON. Engineering aspects of pulsed electric field pasteurization. Journal of Food Engineering, 1995, 25.2: 261-281. Internetové zdroje HACCP

CZ.eu.

[online].

2006

[cit.

2014-04-17].

Dostupné

z:

http://www.haccp-cz.eu NAŘÍZENÍ EVROPSKÉHO PARLAMENTU A RADY (ES) č. 258/97 ze dne 27. ledna 1997 o nových potravinách a nových složkách potravin. In: 1997. Dostupné z: http://eur-lex.europa.eu/legal-content/CS/ALL/?uri=CELEX:31997R0258 TOEPFL, Stefan. Preservation of Heat Sensitive Liquids by Pulsed Electric Fields. (2007) In: [online]. German Institute of Food Technologies [cit. 2014-0331]. Dostupné z: https://www.foodprotection.org/downloads/library/toepfl.pdf Wageningen UR: PEF nearly triples fruit juice shelf life. Wageningen UR [online]. 2008 [cit. 2014-04-17]. Dostupné z: http://www.wageningenur.nl/en/show/PEF-nearly-triples-fruit-juice-shelf-life.htm

48

8 PŘÍLOHY Seznam příloh: 

Příloha č. 1: Příklad využití HIPEF v průmyslovém měřítku, společnost Hoogesteger, Nizozemí

Zdroj: TOEPFL, Stefan. Preservation of Heat Sensitive Liquids by Pulsed Electric Fields. (2007) In: [online]. German Institute of Food Technologies [cit.2014-03-31]. Dostupné z: https://www.foodprotection.org/downloads/library/toepfl.pdf 

Příloha č. 2: Ukázka elektroporace vlivem HIPEF na gumové membráně pod vodní hladinou

Zdroj: RASO, Javier a Volker HEINZ. Pulsed electric fields technology for the food industry: fundamentals and applications. New York, c2006, xiv, 245 p. ISBN 978-038-7310-534. 

Příloha č. 3: Pomerančový džus týden po uzavření do lahví.

Zdroj: TOEPFL, Stefan. Preservation of Heat Sensitive Liquids by Pulsed Electric Fields. (2007) In: [online]. German Institute of Food Technologies [cit. 2014-03-31]. Dostupné z : https://www.foodprotection.org/downloads/library/toepfl.pdf 

Příloha č. 4: Aparatura pro kontinuální ošetření HIPEF: ´OSU-6´ na Státní Univerzitě v Ohiu

Zdroj: BRENNAN, J. Food processing handbook. Weinheim: Wiley-VCH, c2006, 201 - 236. ISBN 9783527307197.

49

Příloha č. 1: Příklad využití HIPEF v průmyslovém měřítku, společnost Hoogesteger, Nizozemí

Příloha č. 2: Ukázka elektroporace vlivem HIPEF na gumové membráně pod vodní hladinou

50

Příloha č. 3: Pomerančový džus týden po uzavření do lahví.

Příloha č. 4: Aparatura pro kontinuální ošetření HIPEF: ´OSU-6´ na Státní Univerzitě v Ohiu

51