În ultimii 25 de ani, consumatorii solicită un lapte mai convenabil și mai variat. Acest lucru îi determină pe procesatori să adopte rate de producție mai rapide, o calitate îmbunătățită, și prelungirea duratei de valabilitate, aducând îmbunătățiri semnificative la prelucrarea lapteui fluid și la fabricarea produselor lactate.

Multe dezvoltări tehnologice au fost direcționate spre operațiuni unitare, cum ar fi separarea, standardizarea, pasteurizarea și ambalarea, ceea ce duce la progrese considerabile în mecanizare, automatizare, eficiență energetică, igienă și calitate în uzina de procesare (Goff și Griffiths 2006). Concomitent, s-au dezvoltat tehnologii inovatoare, cum ar fi prelucrarea ohmică a laptelui. În fapt, nu putem vorbi despre o noutate absolută, această tehnologie fiind cunoscută de câteva zeci de ani.

Însă, studiul impactului neutralizării microbiene sau a altor compuși, oferă invormații noi, care pot conduce la inovații în domeniu, după cum se relevă în studiul cu titlul  ”Novel Technologies for Milk Processing”, semnat de cercetătorii italieni Ricardo Nuno Pereira și António Augusto Vicente, de la Universitatea din Bologna.

Termenul de valabilitate, un obiectiv primordial

Prelungirea duratei de valabilitate a laptelui și a produselor lactate, fără a compromite calitatea și siguranța acestora a fost un obiectiv principal al procesatorilor de lapte. În general, tratamentul de căldură este o practică uzuală a industriilor lactate, pentru a garanta microbiologic siguranța laptelui și a subproduselor sale. Cu toate acestea, prelucrarea laptelui prin încălzire a avut o evoluție previzibilă, în timpul secolului XX, care a continuat până în prezent timpul prezent.

Îmbunătățirile tehnologice, împreună cu eforturile și diligența spre înnoire a procesatorilor, tehnologilor și cercetătorilor, pentru a aduce o calitate superioară produse pentru consumatori, a declanșat investigarea și dezvoltarea de noi abordări tehnologice pentru prelucrarea laptelui, capabile să înlocuiască tradiționalele procese de conservare bine stabilite. Tehnologii termice, cum ar fi încălzirea electrică încălzirea dielectrică sau încălzirea inductivă, au fost dezvoltate, putând înlocui, cel puțin parțial, metodele tradiționale de încălzire, care se bazează în principal pe conductoare, convectoare, și transfer de căldură radiantă.

Abordări netermice ale procesării laptelui, cum ar fi câmpurile electrice pulsatorii de înaltă presiune, printre altele, pot fi, de asemenea, alternative valoroase la procesarea termică, deoarece au capacitatea de a inactiva microorganisme la temperaturi aproape ambientale, evitând efectele nedorite ale căldurii asupra proprietăților alimentelor. Iată, însă, că procesarea ohmică a laptelui poate oferi noi perspective.  

Procesarea prin încălzirea ohmică (OH) a laptelui

Încălzirea ohmică (OH), numită și încălzire Joule, care presupune o încălzire cu rezistență electrică, este una dintre cele mai vechi aplicații ale energiei electrice în pasteurizarea alimentelor, fiind definită ca un proces în care curenții electrici sunt trecuți prin alimente, pentru a-i încălzi. Căldura este generată datorită rezistenței electrice (De Alwis și Fryer 1999a), iar tehnologia OH se distinge de alte metode de încălzire electrică prin prezența electrozilor în contact cu alimentele. Frecvența este aplicată fără restricții, cu excepția radiațiilor sau a microundelor special atribuite unui interval de frecvență și formă de undă sinusoidală, de asemenea, fără restricții, (Vicente 2007).

Tehnologia a fost dezvoltată ca o aplicație de succes a energiei electrice în procesarea alimentelor pentru pasteurizarea laptelui încă de la începutul secolului trecut, însă, această aplicație a fost abandonată, aparent, din cauza costurilor mari de procesare (De Alwis și Fryer 1990a). De asemenea, alte aplicații au fost abandonate din cauza materialor inerte necesare electrozilor, deși decongelarea cu electroconductoare a fost o excepție (Mizrahi, Kopelman și Perlaman 20055).

Un potențial neexploatat

Cu toate acestea, cercetarea privind aplicațiile ohmice în produsele alimentare, a fost reluată, pentru că are încă un potențial serios (Castro, Teixeira, și Vicente-2003). De fapt, tehnologia OH a dobândit interes recent, deoarece produsele sunt de o calitate superioară celor procesate prin tehnologii convenționale. Potentialul aplicațiilor sunt foarte largi și includ, de exemplu, albirea, evaporarea, deshidratarea, și fermentația (Cho, Yousef și Sastry 1996). În prezent, concentrația OH este adresată operațiunilor de prelucrare termică, cum ar fi sterilizarea și pasteurizarea. Această tehnologie poate fi realizată într-un încălzitor continuu pentru procesat și sterilizare a alimentelor vâscoase și lichide (Icier și Ilicali 2005).

Pasteurizarea HTST a produselor alimentare proteice lichide, tinde să denatureze și să coaguleaze produsul, atunci când sunt utilizate tehnologii convenționale prelucrate termic. Tocmai de aceea, datorită unei viteze de încălzire extrem de rapide, tehnologia OH permite temperaturi mai mari de pasteurizare, determinând creșterea consecventă a duratei de valabilitate frigorifică, fără a induce coagularea sau denaturarea excesivă a proteinelor constituente (Parrott 2012). Avantajele majore revendicate pentru tehnologia de încălzire ohmică sunt următoarele:

1. Temperatura necesară proceselor HTST se poate realiza foarte repede

2. Potrivită pentru prelucrare continuă, fără suprafețe de transfer de căldură

3. Încălzirea uniformă a lichidelor cu rate de încălzire mai rapide

4. Probleme reduse de murdărire a suprafeței sau supraîncălzire a produsului, comparat cu procesarea prin încălzire convențională

5. Produse cu gust mai proaspăt, de calitate superioară

6. Fără transfer de căldură reziduală după închiderea curentului și pierderi de căldură foarte mici

7. Utilă în produsele de preîncălzire, înainte de conserve

8. Costuri reduse de întreținere (fără piese mobile) și conversie cu eficiență mare de energie

9. Sistem ecologic

Din toate aceste motive, OH primește acum o atenție sporită din partea industriei lactate, fiind considerată o alternativă pentru metodele de încălzire indirectă a pasteurizării laptelui, cum ar fi schimbătoarele de căldură și PHE, unde încălzirea laptelui se realizează prin contact direct cu o suprafață fierbinte. În OH, căldura este generată direct în lapte (încălzire volumetrică), și, prin urmare, sunt eliminate problemele asociate suprafețelor de transfer de căldură (Bansal și Chen 2006).

Conductivitatea electrică a alimentelor, împreună cu cea electrică, și puterea de câmp aplicată, joacă un rol major în timpul procesării OH. Mai mult, alte proprietăți legate de tipul de aliment, cum ar fi tipul de fază (solid sau lichid), dimensiunea și forma particulelor, conținutul de umiditate al solidelor (dacă sunt prezente), raportul solidelor / lichidelor; vâscozitatea componentei lichide, posibila apariție a electrolizei, a pH-ului și a specificului căldurii, sunt, de asemenea, foarte importante pentru eficacitatea acestei tehnologii (Fellows 2000).

Inactivarea microbiană

Principalele mecanisme de inactivare microbiană în OH sunt de natură termică. Distrugerea microorganismelor prin efecte non-termice, precum electricitatea, nu este încă bine înțeleasă și generează unele controverse (Vicente 2007). Mai mult, cele mai multe dintre rezultatele publicate nu se referă la temperatura probei sau nu pot elimina temperatura ca parametru variabil (Siguranța alimentelor și nutriția 2000; Palaniappan și colab., 1990). În orice caz, studii precum cel al lui Cho et al. (1996), furnizează dovezi că OH poate fi utilă în industria produselor lactate, pentru a scurta timpul la producția de iaurt și brânză.

Recent, influența OH asupra rezistenței la căldură a Escherichia coli, care contaminează frecvent, a studiat produsele lactate atunci când condițiile lor de fabricație sunt nesanitare, în laptele de capră, și comparativ cu cel al încălzirii convenționale. Rezultatele au arătat că inactivarea microorganismelor a fost mai rapidă, atunci când s-a aplicat OH, ceea ce indică faptul că, în plus față de efectul termic, prezența unui câmp electric a furnizat un aspect netermic și un efect de ucidere asupra celulelor vegetative ale E. coli (Pereira și colab. 2007b).

Motivul principal al efectului suplimentar de ucidere al tratamentului ohmic, observat în diferite microorganisme, par a fi legate de curentul electric și frecvența aplicată în timpul inactivării OH (Sastry și colab., 2002; Sun și colab., 2008). Mai mulți autori sugerează că un mecanism ușor de electroporare poate contribui la moartea celulelor, aducând un efect netermic la inactivare (Imai și colab. 1995; Kulshrestha și Sastry 1999). Cu toate acestea, sunt necesare cercetări suplimentare,  pentru a înțelege inactivarea diferitelor microorganisme din diferite tipuri de produse alimentare.

Inactivarea enzimelor

Există încă informații limitate despre efectele tehnologiei OH asupra activității a enzimelor, în special a celor utilizate ca integratori de temperatură. În ultimii ani, au fost efectuate analize de inactivare (Castro și colab., 2004a), în condiții convenționale și OH, unde istoricul termic al eșantioanelor (convențional și procesat ohmic), a fost făcut egal, pentru a determina dacă a existat o inactivare suplimentară, cauzată de prezența unui câmp electric.

Printre altele, două enzime importante au fost testate, pentru industria produselor lactate: fosfatază alcalină (ALP) și b-galactozidaza (b-GAL). Rezultatele au arătat că toate enzimele au urmat o primă ordine cinetica de inactivare, atât pentru tratamentele convenționale, cât și pentru OH, și că prezența unui câmp electric nu a provocat o inactivare sporită a b-GAL (în intervalul de la 55 până la 80 C). Concomitent, s-a observat o reducere a valorii D, pentru ALP (în intervalul de la 52 până la 78 C). În cazul primei enzime, acest rezultat pare a fi destul de interesant,  atât timp cât b-GAL permite producerea de produse lactate care pot fi consumate și de persoanele cu intoleranță la lactoză. În cazul ALP, o inactivare sporită se obține atunci când câmpul electric este prezent (Wilinska și colab. 2006), reducând astfel timpul de inactivare.

Efectul asupra proprietăților fizico-chimice

În ciuda cantității reduse de informații disponibile, tehnologia OH pare să fie promițătoare și extrem de eficientă, pentru inactivarea unor microorganisme și enzime. Cu toate acestea, informațiile privind efectele acestei tehnici asupra componentellor alimentare specifice, în comparație cu pasteurizarea convențională, sunt chiar mai rare. Prelucrarea termică clasică implică întotdeauna pierderea de substanțe nutritive și de calități organoleptice ale produsului final, fie el lapte sau, de exemplu, brânza obținută din ea. De exemplu, proteinele din zer (proteine ​​globulare tipice, cu niveluri ridicate de structurile secundare și terțiare), sunt foarte sensibile la denaturarea prin căldură (Fox și McSweeney 2008). Un alt aspect negativ, cauzat de tratamentul tehnologic, este creșterea concentrației de acizi grași liberi (FFAs) (Antonelli și colab., 2002; Morgan și Gaborit 2001).

În timpul procesării termice, pot apărea modificări semnificative ale proprietăților fizice ale lipidelor din lapte, în special la nivelul globulelor de grăsimi din lapte. Membrana, care este o structură delicată și poate fi ușor ruptă fie prin acțiune fizică sau șoc termic (Muir 1988), poate duce la acumularea excesivă de FFA în lapte, aspect care este frecvent asociat cu apariția aromelor nedorite. Recent, Pereira și colab. (2017a), au studiat efectele pasteurizării ohmice HTST, privind calitatea laptelui de capră, prin evaluarea proprietăților fizice și chimice, cum ar fi pH-ul, solidele totale și acizii grași totali și au ajuns la concluzia că tehnologia bazată pe OH furnizează produse cu proprietăți fizico-chimice similare cu cele ale produselor obținute prin tratament convențional.

La fel, când s-au constatat grade de denaturare proteică în OH și tehnologiile cu încălzire convențională, la diferite temperaturi (cuprinse între 40 și 80 C), nu au fost observate diferențe semnificative între cele două tipuri de tratamente, ceea ce i-a determinat pe autori să ajungă la concluzia că aplicarea unui curent electric nu are niciun efect suplimentar, asupra denaturării proteinelor (Sun și colab., 2008).

Sistem de evaluare

Pentru a evalua valoarea electroîncălzirii în procesarea produselor lactate, a fost dezvoltat sistemul OH Raztek. Acesta a fost folosit la supraîncălzirea laptelui pasteurizat timp de până la 4 secunde. Laptele încălzit ohmic a fost apoi comparat cu un disponibil comercial, în fapt, o probă de lapte UHT. Rezultatele indică faptul că aromele din eșantioanele electroîncălzite au fost mult mai puțin estompate, decât cele din ​​proba comercială.

Analiza lor a arătat, de asemenea, că denaturarea proteinelor, a substanțelor chimice și a aromelor a fost de 67 %, în eșantionul comercial UHT și dramatic mai scăzut, în laptele tratat ohmic, de doar 30%. Ulterior, au fost caracterizate profilurile de acizi grași liberi cu lanț scurt din laptele crud și laptele prelucrat prin pasteurizare convențională și ohmică HTST, la 72 C, timp de 15 secunde, pentru a determina influența fiecărui tratament asupra calității finale din lapte. În special, s-a putut concluziona că pasteurizarea ohmică HTST nu a promovat o modificare extinsă a conținutului de acizi grași liberi în laptele de capră, în comparație cu cea a pasteurizării convenționale, ceea ce indică faptul că tehnologia OH poate fi introdusă în pasteurizare, fără a afecta negativ calitatea aromei (Pereira et al. 2008).