بخشی از مقاله
چکیده
فرایند میدانهای الکتریکی با پالسهای قوی - PEF - فرایندی است که با اعمال پالسهای با ولتاژ بالا توسط دو الکترود در موادغذایی صورت میگیرد. این فرایند در حرارت معمولی در مدت زمان کمتر از 1 ثانیه اعمال میشود و سبب به حداقل رساندن میزان از دست رفتن انرژی و ارزشهای تغذیهای بر اثر حرارت دادن موادغذایی میشود. فناوری PEF به دلیل جلوگیری از تغییرات نامطلوب و ویژگی های فیزیکی و شیمیایی موادغذایی بهتر از فرآیند موادغذایی با استفاده از حرارت است.
اساس این روش اعمال انرژی الکتریکی با استفاده از میدان الکتریکی و ایجاد روزنه در غشای سلول میباشد که به آن حفرهزایی الکتریکی"الکتروپوراسیون"میگویند. در این فرایند میدان الکتریکی خارجی یک پتانسیل انتقال غشایی اضافی که بزرگتر از پتانسیل طبیعی سلول است ایجاد میکند و هنگامی که پتانسیل کلی غشا به حد بحرانی حدود 1 ولت رسید پاره شدن اتفاق میافتد که میتواند به صورت برگشت پذیر یا قابل ترمیم و برگشت ناپذیر یا غیر قابل ترمیم باشد.
پارگی برگشتپذیر در تحریک سلولی، انتقال ژن و افزایش فعالیتهای متابولیکی سلول کاربرد دارد و پارگی برگشت ناپذیر میتواند در سه مقوله مهم فراوری موادغذایی مورد استفاده قرار گیرد. اول، نابودی میکروارگانیسمها و اعمال فرایندهای پاستوریزاسیون و استریلیزاسیون بدون اعمال حرارت. دوم، در فرایندهای استخراج مواد درون سلولی از بافتهای گیاهی و جانوری و سوم خشک کردن و کاهش آب در موادغذایی است.
مقدمه
تکنولوژی میدانهای الکتریکی با پالس های قوی - PEF - برای بسیاری از عملیات در مهندسی زیستی و مواد غذایی مورد استفاده قرار می گیرد. برنامه های کاربردی برای مثال شامل: غیر فعال کردن سلول های میکروبی، بهبود انتقال جرم در سلول های گیاهی یا حیوانی و یا تجزیه لجن می باشد. اولین تلاش ها در بکارگیری میدانهای الکتریکی پالسی قوی برای غیر فعال کردن میکروارگانیسم در دمای معمول اتاق انجام شده است.
همچنین اثر میدان های الکتریکی روی غشای سلول های گیاهی و جانوری توسط محققان مختلفی مورد بررسی قرار گرفته اند. بر اساس تحقیقات انجام شده توسط زیمرمان و همکاران وقتی غشای سلول تحت تاثیر میدان الکتریکی 1 -10 KV/cm در یک زمان میکرو ثانیه قرار می گیرد سبب آسیب برگشت ناپذیر غشای سلول می گردد در حالی که اگر شدت میدان از این مقدار ضعیف تر باشد - در حدود - 0/8 -1 KV/cm تخریب غشا به صورت برگشت پذیر است. کنور و همکاران نشان دادند که شدت های مختلف میدان برای تخریب غشای سلولی باید به یک حد بحرانی در کمتر از 1 s برسد تا تخریب برگشت ناپذیر صورت گیرد.
فرایند حرارتی سنتی ایمنی مواد غذایی را تضمین می کند و عمر ماندگاری محصولات غذایی را افزایش می دهد اما منجر به تغییرات مضر ارگانولپتیک و ویژگی های تغذیه ای محصولات می شود. لذا استفاده از میدانهای الکتریکی پالسی قوی - PEF - به عنوان یک فرایند غیر حرارتی در فراوری و نگهداری مواد غذایی در طی دو دهه اخیر مورد توجه قرار گرفته است. این فرایند مانند سایر فرایندهای غیر حرارتی سبب حفظ ویژگی های کیفی، تغذیه ای، کاهش مصرف انرژی و افزایش بهره وری در فرایندهای تولید مواد غذایی می گردد
مواد و روش
میدانهای الکتریکی با پالسهای قوی - PEF - فرایندی است که با اعمال پالسهای با ولتاژ بالا توسط دو الکترود در موادغذایی صورت میگیرد. این فرایند در حرارت معمولی در مدت زمان کمتر از 1 ثانیه اعمال می شود و سبب به حداقل رساندن میزان از دست رفتن انرژی و ارزشهای تغذیه ای بر اثر حرارت دادن موادغذایی میشود. فناوری PEF به دلیل جلوگیری از تغییرات نامطلوب و ویژگی های فیزیکی و شیمیایی موادغذایی بهتر از فرایند مواد غذایی با استفاده از حرارت است. اساس این روش اعمال انرژی الکتریکی با استفاده از میدان الکتریکی و ایجاد روزنه در غشای سلول میباشد که به آن حفره زایی الکتریکی - الکتروپوراسیون - میگویند. مزیت اصلی این فرایند امکان پردازش مواد غذایی مایع در جریان مداوم در چند ثانیه است
سیستم PEF
یک نمونه بارز از سیستم های PEF برای عملیات پمپ کردن مایعات شامل یک دستگاه تولید نیرو PEF که به نوبه خود متشکل از ژنراتور با ولتاژ بالا و یک مولد پالس، یک محفظه واکنش سیستم مولد جابه جایی مناسب و مجموعه ای از مانیتورینگ و کنترل دستگاه است. شکل 1 به صورت شماتیک سیستم میدانهای الکتریکی پالسی را بیان می دارد
شکل :1 شماتیک سیستم .PEF
اثر میدانهای الکتریکی پالسی بر روی سلول ها بر هم خوردن انسجام و یکپارچگی سیستم سلولی عمده ترین توجیه در از میان رفتن سلول و سیر نزولی حیات آن در هنگام استفاده از میدانهای پالسی می باشد. سیتوپلاسم سلول از نظر الکتریکی هادی و غشاء ان مشتمل بر لایه های لیپیدی در ادغام با اجزاء پروتئین می باشد، دارای مشخصه دی الکتریک است. اعمال میدان الکتریکی به سلول ها منجر به تجمع بار الکتریکی در بخش غشاء بیرونی سلول شده و در دو قسمت انتهایی غشاء ولتاژ دچار تغییرات خواهد بود. ولتاژ کافی و بالا بر دو انتهای غشاء سلولی برگشت سیستم سلولی به حالت عادی را به نوعی مختل نموده و این قبیل اختلالات زیستی حتی سرانجام می تواند به مرگ سیستم سلول بیانجامد
از فاکتورهای فرایند شدت میدان الکتریکی پهنای پالس به کار رفته، تعداد پالس، شکل موج، دما فاکتور های محصول قابلیت هدایت الکتریکی، قدرت یونی ماده غذایی، PH، وجود ذرات در مایع و فاکتور های میکروبی - نوع میکروارگانیسم فاز زندگی و غلظت اولیه آنها - می باشد
در این فرایند میدان الکتریکی خارجی یک پتانسیل انتقال غشایی اضافی که بزرگتر از پتانسیل طبیعی سلول است ایجاد میکند و هنگامی که پتانسیل کلی غشا به حد بحرانی حدود 1 ولت رسید پاره شدن اتفاق می افتد که می تواند به صورت برگشت پذیر یا قابل ترمیم و برگشت ناپذیر یا غیر قابل ترمیم باشد. که این بستگی به شدت و مدت دوام میدان الکتریکی اعمالی دارد. پارگی برگشتپذیر در تحریک سلولی، انتقال ژن و افزایش فعالیتهای متابولیکی سلول کاربرد دارد و پارگی برگشت ناپذیر میتواند در سه مقوله مهم فراوری مواد غذایی مورد استفاده قرار گیرد.
اول، نابودی میکروارگانیسم ها و اعمال فرایند های پاستوریزاسیون و استریلیزاسیون بدون اعمال حرارت. دوم، در فرایندهای استخراج مواد درون سلولی از بافت های گیاهی و جانوری. سوم، خشک کردن و کاهش آب در موادغذایی است. هر سه پدیده به دلیل پارگی غشا و افزایش نفوذپذیری سلول است. نابودی میکروارگانیسم ها، تسهیل فرایند انتقال جرم و ورود و خروج مواد به درون سلول و بالعکس در فرایندهای استخراج مواد دون سلولی، سهولت خروج آب و انتقال حرات یا مواد اسمزی حاصل پدیده نفوذپذیری است
کاربرد میدانهای الکتریکی پالسی تکنولوژی میدانهای الکتریکی پالسی به عنوان یک ابزار مناسب برای پاستوریزاسیون مواد غذایی می باشد بدون اینکه بر ویژگی های کیفی و تغذیه ای ماده غذایی اثر سوء داشته باشد. تاکنون مطالعات بسیار گسترده ای در زمینه به کارگیری میدان های الکتریکی پالسی در نابودی میکروارگانیسم ها و فرایندهای استخراج و خشک کردن مواد غذایی صورت گرفته است.
استخراج آبمیوه ها، ترکیبات زیست فعال، آنزیم ها، رنگ دانه ها، ویتامین ها، قندها، پروتئین ها و چربی ها و یا کمک به فرایند خشک کردن میوه ها و سبزی ها با پیش فراوری PEF مورد مطالعه قرار گرفته است و تسریع در عمل استخراج، افزایش راندمان و حفظ ویژگی های کیفی مواد از مهمترین دستاوردهای به کارگیری این فناوری بوده اند
اعمال میدان های الکتریکی پالسی با شدت بالا روش نوینی برای غیرفعال کردن میکروارگانیسم ها و آنزیم های نامطلوب در تکنولوژی لبنیات است. استفاده ازمیدان الکتریکی پالسی در نگهداری شیر اخیرا افزایش یافته است که علاوه برافزایش تخریب میکروبی انعقاد اسیدی یا رنینی شیر را بهبود می بخشد بدون اینکه اثرات تخریبی روی ویژگیهای کیفی مثل طعم مزه ویتامین ها و موادمغذی آن داشته باشد.
تأثیرگذاری PEF، بر بعضی از آنزیمهای شیر، مانند آلکالین فسفاتاز، لیپازها، لاکتوپراکسیدازها و پروتئازها اثبات شده است. همچنین مطالعات نشان داده است که اعمال میدان الکتریکی پالسی در خصوص آب میوه ضمن کاهش بار میکروبی سبب افزایش عمرماندگاری و همچنین بهبود برخی ویژگی های کیفی درمقایسه با سایر روشهای نگهداری ازجمله انجماد می شود
به عنوان یک کاربرد از تکنولوژی فشار قوی، در معرض قرار دادن سلول های میکروبی در برابر میدانهای الکتریکی پالسی قوی ممکن است منجر به نابودی دی الکتریک منشاء سلولی شود که این نابودی می تواند برگشت پذیر یا برگشت ناپذیر باشد. سازوکار اثر میدان های الکتریکی پالسی بر سلول های گیاهی و حیوانی بر مبنای ایجاد روزنه های بسیار ریز بر اثر جریان های الکتریکی یا فرایند الکتروپوراسیون و افزایش قابلیت نفوذ در غشا می باشد. ایجاد روزنه و قابل نفوذ نمودن سلول های بیولوژکی اصطلاحاً الکتروپوراسیون نامیده می شود.
مهم ترین اثرات میدان الکتریکی پالسی تخریب دیواره و غشای سلولی و افزایش میزان انتقال جرم است که می تواند در دو فرایند مهم صنایع غذایی مورد استفاده قرار گیرد؛ اول: فرایند نابودی سلول های زنده از جمله میکروارگانیسم های موجود در مواد غذایی: وقتی یک سلول زنده تحت تاثیر چنین میدانی قرار می گیر طبعتاًی دیواره سلولی و غشای آنها دچار تخریب شده، مواد درون سلول به سهولت خارج می شود و از طرف دیگر سبب ورود مواد اطراف به درون سلول می گردد و منجر به نابودی سلول زنده می شود.
دوم: با افزایش قابلیت نفوذ در سلول های گیاهی و جانوری فرایند استخراج مواد درون سلولی با سهولت و سرعت بیشتری انجام می شود، لذا می توان از فرایند دوم به عنوان یک مرحله پیش فراوری در استخراج مواد با ارزش سلولی نظیر آنزیم ها، قندها و سایر ترکیبات موجود در فرایند های تولید آنزیم و آب میوه استفاده نمود. همچنین در تولید خشکبار اعمال این پیش فرایند سبب سهولت خروج آب و در نتیجه افزایش سرعت خشک کردن میوه ها و سبزی ها تازه می گردد
مزیت استفاده از تکنولوژی میدانهای الکتریکی پالسی مهمترین ویژگی های این روش نسبت به فرایندهای حرارتی نای است که اولاً: به دلیل این که تخریب دیواره و غشای سلولی تحت اثر میدان های الکتریکی بدون کمترین آسیب وارده به قسمت های دیگر انجام می شود و بر خلاف روش حرارتی که تخریب کامل سلولی را به دنبال دارد، قوام و ساختمان سلول حفظ می گردد.
