Câmpul electric concentrat de mare intensitate (CHIEF) este un nou proces de pasteurizare nontermică a alimentelor lichide dezvoltat de cercetătorii de la Universitatea din Minnesota (Ruan et all).

Un sistem CHIEF folosește o cameră de tratament unică (orificiu) și o configurație de electrod în care un câmp electric de intensitate mare este concentrat în orificiul prin care curge lichidul și este pasteurizat.

Această tehnologie a fost descrisă în studiul ”Non-Thermal Pasteurization of Milk Using CHIEF Technology” semnat de  Lloyd Metzger și Roger Ruan, de la Department of Bioproducts and Biosystems Engineering and Department of Food Science and Nutrition, University of Minnesota, USA.

Structura unui sistem CHIEF

Structura unui sistem CHIEF are caracteristici similare cu cele ale reactoarelor cu plasmă netermică cu barieră dielectrică (NTP), care constau adesea din doi electrozi separați de unul sau două straturi de materiale dielectrice.

Cu toate acestea, mecanismele de inactivare microbiană de către CHIEF seamănă mai mult cu cele ale tehnologiei câmpurilor electrice pulsate, decât cu cele ale NTP. În comparație cu tehnologia PEF, CHIEF are câteva caracteristici unice:

1-este alimentat de curent alternativ cu frecvență industrială în loc de curent continuu pulsat de înaltă frecvență (DC), astfel costurile sale de capital sunt semnificativ mai mici;

2-folosește o barieră nemetalică (dielectrică) pentru a evita contactul direct între electrozi și lichid, eliminând practic contaminarea prin oxidarea, coroziunea și eroziunea electrozilor metalici și evitând necesitatea schimbării periodice a electrozilor.

În cercetarea tehnologiei au fost demonstrate o reducere cu 5 log10 a Escherichia coli O157:H7 (E. coli O157) și o reducere cu 7 log10 a bacteriilor lactice inoculate în sucul de portocale și o reducere cu 3–5 log10 a E. coli O157, Salmonella și Listeria monocytogenes inoculate în lapte. (date nepublicate).

Nu au fost observate modificări fizice și chimice semnificative ale produselor. Datele experimentale generate până acum sunt limitate și lipsește o înțelegere solidă a proceselor.

Efecte biologice

Nu au fost efectuate studii mecanice asupra inactivarii microbiene de catre CHEF. Dar, după cum am menționat mai devreme, se presupune că procesul CHIEF ucide microbii într-un mod similar procesului cu câmpuri electrice pulsate de înaltă intensitate (PEF).

PEF implică aplicarea de impulsuri scurte (1–10 μs) de înaltă tensiune (de obicei 20–80 kV/cm) materialelor alimentare situate între doi electrozi metalici (de obicei din oțel inoxidabil) care formează așa-numita cameră de tratament (Qin și colab., 1996; Vega-Mercado et al., 1997), în timp ce în procesul CHIEF lichidul curge printr-un câmp electric de mare intensitate concentrat într-un orificiu mic.

Studiile de expunere a microorganismelor la câmpuri electrice au indicat că un câmp electric poate provoca modificări ale membranelor celulare (Pothakamury et al., 1997; Barbosa-Cánovas et al., 1999).

Când o tensiune este aplicată unei celule, un potențial transmembranar suficient de mare este indus peste membrana celulară, provocând ruperea membranei (deteriorări mecanice directe, teoria defecțiunii electrice) sau destabilizarea straturilor lipidice și proteice ale membranelor celulare, rezultând în porii (teoria electroporației).

Membrana celulară deteriorată își pierde semi-permeabilitatea selectivă, ceea ce permite apei să pătrundă în celulă și are ca rezultat umflarea excesivă a volumului celular și, în cele din urmă, duce la ruptura celulară și inactivarea organismului.

Dovezi microscopice

Unele studii au furnizat dovezi microscopice care susțin această teorie (Harrison și colab., 1997; Calderón-Miranda și colab., 1999). Studii recente au arătat o permeabilitate crescută a membranei după tratamentul PEF (Aronsson et al., 2005; García et al., 2007).

Cu tratamentul cu PEF s-au atins niveluri diferite de inactivare microbiană în funcție de tipul de probe, tipul de microbi, intensitatea câmpului și numărul de impulsuri aplicate în timpul procesului (Martin și colab., 1997; Pothakamury și colab., 1997; Bai-). Lin și colab., 1998; Qin și colab., 1998). Inactivarea enzimelor de către PEF este limitată și s-a demonstrat că eficacitatea variază în funcție de intensitatea câmpului electric, de numărul de impulsuri aplicate în timpul procesului și de caracteristicile intrinseci ale enzimei (Bendicho et al., 2003; Kambiz et al., 2008).

Pentru a înțelege și îmbunătăți procesul CHIEF, sunt necesare cercetări suplimentare pentru a studia mecanismele biologice ale inactivării microbiene și enzimatice de către CHIEF.

Principii fizice

Principiul de bază al generării CHIEF este cuplarea capacității. Un bloc neconductor împarte stratul de lichid în două părți (lichid în vrac, BL) cu un canal de lichid îngust (LC) între ele.

Barierele dielectrice intersectate între electrodul de medalie și electrodul de apă formează un condensator (CDB), iar canalul de lichid în vrac și canalul de lichid sunt tratate ca două rezistențe diferite, și anume RBL și respectiv RLC.

În ordine cu concentrarea câmpului electric pe canalul îngust, consumul de energie de către lichidul în vrac trebuie redus semnificativ.

Echipamente și fluxul de proces

Un dispozitiv CHIEF experimental simplu constă dintr-o cameră de tratament, o sursă de alimentare cu control, fire electrice și tuburi de lichid. Întregul set-up este un prim plan al camerei de tratament, unde orificiul este situat în mijlocul incintei de sticlă. Foliile de cupru ca electrozi sunt de asemenea vizibile.

Acest dispozitiv a fost folosit pentru a efectua experimente de demonstrare a conceptului. Elementele de control al temperaturii au fost adăugate înainte și după reactor pentru a controla temperatura lichidului care intră și iese dintr-un reactor.

Un regulator de contrapresiune a fost utilizat pentru a menține presiunea ridicată adecvată pentru a evita formarea de bule în fluxul de lichid, deoarece pot apărea descărcări electrice localizate în bulele umplute cu aer, provocând defecțiuni ale materialului.

Presiunea ridicată, care este în jur de 1000 KPa în acest sistem, are trei scopuri. În primul rând, asigură un debit mare prin orificiul mic al reactorului, suficient pentru a aduce rapid căldura generată în timpul tratamentului în stadiul de răcire. Temperatura țintă de ieșire este sub 60 C.

Presiunea mai mare permite creșterea tensiunii aplicate, Ua și, prin urmare, a câmpului electric, ELC, fără a determina temperatura de ieșire să depășească 60 C. În al doilea rând, o presiune ridicată poate preveni descărcarea electrică în lichid, care altfel ar cauza deteriorarea laptelui și a structurii reactorului.

În al treilea rând, reduce conductivitatea electrică a lichidului care este tratat și, astfel, minimizează creșterea temperaturii. Există totuși o provocare în găsirea unui material dielectric cu o rezistență mecanică rezonabilă pentru a rezista la presiune.

Excluderea barierelor dielectrice

În acest sistem pilot, camera de tratament/reactorul a fost modificat pentru a exclude barierele dielectrice, ceea ce renunță la avantajul utilizării barierelor dielectrice pentru a separa alimentele lichide de electrozii metalici, dar, pe de altă parte, oferă cea mai mare valoare a ELC.

Lichidul este pompat din rezervorul de probă printr-o serie de elemente de control al temperaturii și camere de tratare (reactoare). Temperatura probei este monitorizată pe tot parcursul procesului.

Următorii parametri de proces pot fi ajustați în timpul experimentelor, după cum urmează:

• Intensitatea câmpului electric, ELC: 10–70 kV/cm

• Frecvența curentului alternativ: 60 Hz

• Debit (care determină timpul de rezidență în reactoare): 500–2000 ml/min

• Interval timpilor de rezidență pentru reactoare: 10–400 μs

• Temperatura de alimentare a laptelui: 4–10∘C

• Număr de reactoare conectate în serie: 1–4

• Număr de treceri prin reactoare: 1–2.

Efectele procesului asupra microorganismelor

Microorganismele arată că o reducere mai mare de 3 log a cinci tulpini diferite de E. coli O157:H7, inoculate în lapte degresat, a fost obținută cu o singură trecere de tratament când tensiunea aplicată a fost 35–40 kV și temperatura de ieșire a fost sub 60 C. Reducerea mai mare a logaritului la un câmp electric mai mare s-a datorat combinației dintre câmp electric și temperatură crescute.

Există un efect sinergic între câmpul electric aplicat și temperatură. Deși 60 C este sub temperatura obișnuită de pasteurizare și timpul de tratament a fost mult mai scurt decât cel al unui proces de pasteurizare, poate induce reacții de stres, ducând la epuizarea bacteriilor și reducerea rezistenței la tratarea câmpului electric (Geveke și Brunkhorst, 2014; Ukuku și colab., 2018).

Reacția la stres și epuizarea bacteriilor sunt mecanisme propuse pentru tehnologia obstacol, care aplică o serie de procese minime, inclusiv tratament termic ușor unui sistem alimentar pentru a obține distrugerea bacteriilor necesare, dar cu impacturi nedorite reduse în comparație cu procesele convenționale.

Pentru a examina răspunsul bacteriilor mixte inoculate în lapte degresat la tratamentul CHIEF, au fost testate amestecuri de tulpini multiple de bacterii vizate. Când a fost testat un amestec de cinci tulpini de E. coli O157:H7, inactivarea celulelor a variat de la aproape 2 până la 3,9 log10 CFU/ml după o singură trecere prin aparatul CHIEF (temperatura 55 C).

Salmonella pare să fie mai sensibilă și mai puțin variabilă la tratamentul CHIEF decât E. coli O157:H7, deoarece reducerile lor microbiene au variat de la 2,6 la 3,1 log10 CFU/ml. Tulpinile unei bacterii patogene Gram pozitive, Listeria monocytogenes, au fost la fel de sensibile la Salmonella, cu reduceri medii de 2,75 (±0,25).

Tratamentul CHIEF, totuși, nu a părut a fi foarte eficient în inactivarea sporilor de Bacillus cereus, deoarece nu mai mult de 0,35 log CFU/ml spori au fost inactivați printr-o singură trecere.

Un tratament în serie de două treceri consecutive prin dispozitivul CHIEF pare să aibă un efect aditiv asupra gradului de ucidere a tulpinilor patogene vegetative, deoarece numărul final de Salmonella a fost crescut de aproape două ori de la 2,95 la 5,55 reducerea medie log10 CFU/ml.

Această inactivare îmbunătățită, totuși, a fost mai mică pentru Listeria și E. coli O157:H7, deoarece trecerea suplimentară a crescut doar uciderea cu 77 și, respectiv, 59%, în comparație cu tratamentul cu o singură trecere.

Calitatea

Deoarece nu a fost efectuat niciun studiu privind efectul tratamentului CHIEF asupra calității laptelui, sunt prezentate, prin urmare, câteva date relevante dintr-un studiu privind tratamentul CHIEF al sucului de portocale în comparație cu tratamentul cu temperatură ridicată, timp scurt (HTST) și omogenizare.

Acest studiu s-a concentrat pe modificările aromei și vitaminei C din sucul de portocale după tratamentul CHIEF. Sa constatat că toate probele au conținut între 12 și 14 compuși miros-activi.

CHIEF și HTST nu au distrus niciunul dintre compușii miros-activi găsiți în proba netratată. În ceea ce privește retenția vitaminei C, tratamentul CHIEF a avut rezultate puțin mai bune decât HTST imediat după tratament. Interesant, probele tratate cu CHIEF au reținut de aproape 13 ori mai multă vitamina C decât probele tratate cu HTST după trei săptămâni de depozitare la 4,4 °C.

Alte utilizări ale tehnologiei CHIEF

Pe lângă lapte și sucul de portocale, a fost testată și o băutură din zer folosind tehnologia CHIEF. Zerul este o componentă lichidă bogată în proteine ​​a laptelui care este produs ca produs secundar al fabricării brânzei.

Beneficiile pentru sănătate ale consumului de zer au fost recunoscute (Luhovyy et al., 2007; Smithers, 2008), iar utilizarea zerului a fost extinsă la multe alimente funcționale. Băuturile bogate în proteine ​​care conțin zer sunt anticipate a fi un produs sănătos binevenit de către consumatori.

Cu toate acestea, trebuie evitată prelucrarea termică, cum ar fi pasteurizarea termică, a băuturilor care conțin zer. Proteinele din zer sunt instabile atunci când sunt supuse la temperaturi peste 72 C, ceea ce denaturează proteinele, distruge unii dintre compușii bioactivi și are ca rezultat instabilitate și scăderea valorilor nutriționale și de sănătate.

În acest studiu, au fost formulate băuturi model din zer care conțin zer și suc de portocale, sau suc de struguri sau suc de mere. Au fost preparate următoarele amestecuri de zer și suc de fructe: 100% zer, 75% zer/25% suc de fructe, 50% zer/ 50% suc de fructe, 25% zer/75% suc de fructe.

Aproximativ 7,5 log10 CFU/ml E. coli au fost inoculate în băuturile model. Băuturile model au fost supuse unor tratamente CHIEF cu o tensiune aplicată de 30 kV.

Rezultatele experimentale arată că 2–3 și 4–6 log10 reduceri de celule vegetative de E. coli au fost obținute cu o trecere și, respectiv, două treceri de tratament CHIEF (Tabelul 9.5). Uciderea bacteriilor pare să crească odată cu creșterea proporțiilor de suc de fructe, ceea ce poate fi atribuit pH-ului scăzut și/sau efectului protector diluat al zerului de către sucul de fructe.

Dezvoltarea viitoare

CHIEF este o tehnologie foarte nouă și puține informații sunt disponibile în literatura științifică. Deși o mare parte din cunoștințele PEF din literatură sunt relevante, sunt necesare eforturi riguroase de cercetare și dezvoltare din cauza sursei de energie electrică unică și a structurii reactorului CHIEF, care pot prezenta oportunități și provocări diferite în comercializarea tehnologiei.