خرید vpn
فرایند فشار بالا و میکروارگانیسم های مواد غذایی - IFScience
  • book1
  • کتاب2
  • banner3

    The 1st International Conference on Natural Food Hydrocolloids, 22-23 October 2014, Mashhad-Iran

  • first page 3
امتیاز کاربر:  / 11
ضعیفعالی 

تاثیر فرایند فشار بالا بر میکروارگانیسم های مواد غذایی

فرآیند فشار بالا (HPP) یک تکنیک جدید غیر حرارتی برای فرآوری مواد غذایی است که می تواند پاتوژن های مواد غذایی را در دمای اتاق غیر فعال کرده  ، عمر ماندگاری غذا ها را افزایش داده و آسیب ترکیبات حساس به حرارت را کاهش دهد. در HPP اصول فرایند  ساده است . مواد غذایی در بسته بندی مهر و موم شده قرار گرفته و در ظروف دربسته ی عایق گذاشته میشوند. از یک مایع ( معمولا آب) به عنوان محیط انتقال حرارت و فشار بسیار بالای 100 تا 600 مگاپاسکال در فرآوری تجاری استفاده میشود. بر اساس اصول ایزواستاتیکی ، فشار درون ظرف به سرعت و به طور مساوی به محصول غذایی که تحت فرآیند فشار بالا قرار گرفته است منتقل شده و تمام قسمت های غذا به طور مساوی تحت فشار قرار می گیرند. HPP متاثر از اندازه و شکل خارجی محصول نیست. فرآیند تحت دمای طبیعی سبب پاستوریزاسیون و مهار فعالیت آنزیمی میشود. در مقایسه با روش های پاستوریزاسیون حرارتی سنتی، HPP سبب حفظ رنگ ، عطر و طعم ، کیفیت و محتوای مغذی طبیعی غذا می شود.

 گرچه ساختار مولکول های سنگین وزن مانند پروتئین ها و کربوهیدرات ها می تواند توسط فرایند فشار بالا تغییر کند  اما مولکول های کوچکتر مانند ترکیبات فرار ، پیگمان ها ، ویتامین ها  و دیگر ترکیبات مربوط به جنبه های حسی ، تغذیه ای و مفید برای سلامتی در غذا  کمتر تحت تاثیر قرار می گیرند. تغییرات شیمیایی در غذاهای فراوری شده تحت فشار خیلی جزئی است ، چرا که شکست پیوند های کووالانسی رخ نمی دهد. بعلاوه ، تکنولوژی HPP با کاهش نیاز به استفاده از افزودنی ها به غذا و در عین حال افزایش ماندگاری آن ، سبب برتری کیفیت در مقایسه با محصولات تولید شده با تکنولوژی های متعارف میشود.

کمیته ی مشورتی ملی ایالات متحده در ضوابط میکروبیولوژی مواد غذایی HPP را به عنوان تکنیک پاستوریزاسیون بدون گرما که میتواند جایگزین پاستوریزاسیون شود معرفی کرده است. FDA  و دپارتمان کشاورزی آمریکا نیز استفاده ازHPP در مواد غذایی را رسما تایید کرده اند.

 پتانسیل فرآیند فشار بالا در افزایش عمر ماندگاری غذا و بهبود امنیت میکروبیولوژیکی غذا اولین بار بیشتر از 100 سال پیش گزارش شد و ایالات متحده اولین کشوری بود که این فرآیند را مورد بررسی قرار داد. هیت در سال 1899 دریافت که فرآیند فشار بالا می تواند میکروارگانیسم ها را در شیر مهار کرده و عمر ماندگاری آن را افزایش دهد ، از این رو فرآیند HPP  در صنایع غذایی را گسترش داد. او این مساله را که آیا شیر تحت تاثیر سطوح مختلف فشار در مقایسه با شیر پاستوریزه نشده مطبوع می ماند یا نه آزمایش کرد و مشخص شد که استفاده از فشار بالای 463 مگا پاسکال برای 1 ساعت، ترش شدن شیر را برای حداقل 24 ساعت به تاخیر می اندازد. با پیشرفت تجهیزات فشار بالا که اخیرا به اوج خود رسیده است، آمارها نشان می دهند که حدود 200 تولید کننده کلی تجهیزات فشار بالا در سراسر دنیا وجود دارند. تجهیزات فشار بالا به طور گسترده برای تولید گوشت ، محصولات لبنی ، غذاهای دریایی ، میوه و سبزی جات و انواع نوشیدنی ها به کار می روند. ارزش تولیدات مواد غذایی با فرآیند فشار بالا از 10 میلیارد دلار می گذرد و شمار تولید کنندگان نیز سالیانه افزایش میابد. ارزیابی امنیت یک تکنولوژی نگهداری جدید، بستگی به تخمین قابل اعتماد از عملکرد آن علیه میکروارگانیسم های پاتوژنیک و فاسد کننده ی مواد غذایی دارد.

اثرات  فرایند فشار بالا بر مهار رشد انواعی از میکروارگانیسم ها به صورت گسترده در مقالات منتشر شده است. جدول زیر نرخ زنده ماندن برخی از باکتری های رویشی و اسپور ها را بعد از اعمال استریلیزاسیون فشار بالا نشان می دهد.

 

دپارتمان کشاورزی آمریکا اشرشیا کلی O157:H7 را به عنوان سویه ی شناساگر برای محصولات خام یا آماده مصرف در نظر گرفته و مقرر کرده است که محصول باید تا 5-log  کاهش بار بیابد تا از ایمنی و سلامت مصرف کننده اطمینان حاصل شود. گرچه به این دلیل که با استفاده از فشار بالا نمی توان کاملا از رشد سویه های تولید کننده اندوسپور جلوگیری کرد، در حال حاضر هیچ ماده غذایی فرآوری شده با فرآیند فشار بالا در دمای اتاق ، در فروشگاه ها عرضه نمی شود. برای مهار موثر فعالیت اندوسپور میکروارگانیسم ها ، فرایند فشار بالا باید با مکانیزم های دیگر استریلیزاسیوم، تلفیق شود.

 

اثرات فرایند فشار بالا بر میکروارگانیسم ها :

فشار بالا می تواند برای مهار رشد میکروارگانیسم ها در مواد غذایی اعمال شود. گرچه ، انواع متفاوتی از میکروارگانیسم ها با ویژگی های فیزیولوژیکی متفاوت وجود دارند و بسیار میکروارگانیسم ها ممکن است ویژگی های مقاومت به فشار متفاوتی داشته باشند. عموما افزایش فشار فرایند سبب سطوح متفاوتی از اثرات بر میکروارگانیسم ها میشود. بر اساس مقالات گزارش شده ، 50 مگاپاسکال فشار می تواند سنتز پروتئین ها را در میکروارگانیسم ها مهار کرده و تعداد ریبوزوم ها را کاهش دهد. فشار 100 مگاپاسکال می تواند تا حدودی سبب دناتوره شدن پروتئین ها شود و 200 مگاپاسکال فشار باعث آسیب به غشای سلولی و ساختار های داخلی سلول میشود. افزایش فشار به 300 مگاپاسکال یا بیشتر باعث دناتوره شدن برگشت ناپذیر آنزیم ها و پروتئین ها و در نتیجه ی آن پارگی غشای سلولی و خروج محتویات داخل سلولی میشود که مرگ باکتری را در پی خواهد داشت. از اینرو ، تاثیراتی که فشار بالا بر میکروارگانیسم ها میگذارد را می تواند در درجه اول به تغییرات در مورفولوژی سلول ، مهار واکنش های متابولیکی ضروری برای بقای سلول ، و تغییرات مکانیسم ژنتیکی تقسیم بندی کرد.  

 

 

 

مورفولوژی:

وقتی میکروارگانیسم ها تحت تاثیر فشار بالا قرار میگیردند، معمولا غشای سلولی اولین ارگانی است که آسیب میبیند. عملکرد اصلی غشای سلولی حفظ مورفولوژی سلول ، حفظ و تعادل فشار درون و خارج از سلول و تنظیم ورود و خروج ترکیبات از خارج / به بیرون سلول است. وقتی فشار بالا به غشای سلولی و ساختار آن آسیب میزند ، جذب مواد غذایی در سلول میکروارگانیسم تحت تاثیر قرار میگیرد ، دفع مواد زاید درون سلول مختل میشود و مسیر طبیعی متابولیسم از بین میرود.

به نظر میرسد که غشای سلول باکتریایی یکی از اهداف فرآیند فشار بالا است. افزایش فشار در اطراف سلول سبب تورم و اختلال در ساختار غشاء شده و نفوذ پذیری غشا را به هم می زند که این امر نهایتا سبب مرگ سلول میشود. اختلال در ساختار غشاء نتیجه تغییرات در مورفولوژی و خواص فیزیکی سلول است. مشاهدات با میکروسکوپ الکترونی نشان می دهد که فشار بالا سبب ایجاد سطوح متفاوتی از آسیب در مورفولوژی میکروارگانیسم میشود.

وانگ و همکاران در سال 2013 از میکروسکوپ الکترونی استفاده کردند تا تغییرات مورفولوژیکی را در ویبریو پاراهمولیتیکوس پس از فرآیند 300 مگاپاسکال مشاهده کنند.  فشار بالا اعمال شده بر سلولها رشد فزاینده ای را در جوش ها و تورم های غشا نشان داد همچنین افزایش فشار منجر به خرد شدن و شکستن برخی از سلول ها شد. یانگ و همکاران در سال 2012 روش مشابهی را برای مشاهده اثرات 500 مگاپاسکال بر ای کلای و استاف اورئوس اعمال کردند. چین و چروک در غشای و دیواره ی سلول باکتریایی ، حفره های جزئی در سیتوپلاسم و خروج مایع درون سلولی به دلیل پارگی سلول مشاهده شد. (تصویر شماره 1)

 

 

تصویر 2 اثرات فرایند فشار و دماهای مختلف را بر اسپور باسیلوس سوبتیلیس نشان میدهد. مشخص شد که فرایند 400 مگاپاسکال در دمای 55 درجه سانتی گراد سبب ایجاد تو رفتگی و پارگی سطح اسپور میشود که خروج مواد و ترکیبات درون سلولی را در پی دارد.

 

 

محتوی ژنتیکی :

فرایند فشار بالا می تواند روی عملکرد عوامل ژنتیکی در میکروارگانیسم ها مانند  همانند سازی DNA و بیان ژن اثر منفی بگذارد. مطالعات نشان می هند که فشار بالا همانند سازی DNA  و آنزیم های بیان ژن را مهار می کند. مطالعات دریافتند که برخی میکروارگانیسم ها دارای ژن ها تنظیم کننده برای تطبیق با شرایط محیط هستند؛ مانند ( اشرشیا کلای O157:H7 ، باکتری های گرم مثبت مانند : باسیلوس سوبتیلیس ، استاف اورئوس و لیستریا مونوسیتوژنز) وقتی در یک محیط نامناسب برای رشد قرار می گیرند ، سویه های مقاوم به استرس این باکتری ها ظاهر میشوند.

 

عوامل تاثیر گذار بر خواص مقاومت به فشار در میکروارگانیسم ها:

اکثر میکروارگانیسم ها توانایی بالایی در تطابق با محیط دارند. در شرایط نامناسب ، میکروارگانیسم ها مکانیزم های حفاظتی متفاوتی، مانند تطابق با محیط ، تبدیل شدن به حالت خفته ( اندوسپور) ، فعال سازی بیان ژن های مقاوم به استرس یا تولید جهش یافته های مقاوم را به کار میگیرند. از اینرو ، میزان تحمل استرس در میکروارگانیسم ها ثابت نیست؛ در عوض ، متاثر از عوامل متعدد داخلی و خارجی ، مانند نوع میکروارگانیسم ، مدت رشد و شرایط محیط است.

 

تنوع میکروارگانیسم ها :

مقایسه پژوهش های انجام شده نشان می دهد که مقاومت به فشار پروکاریوت ها از یوکاریت ها بیشتر است و باکتری های گرم مثبت از باکتری های گرم منفی و همچنین کوکسی ها از باسیل ها بیشتر است. باکتری های کوچک تر و کوکوید شکل نسبت به انواع بزرگ تر و میله ای شکل به طور کلی نسبت به فرآیند فشار بالا مقاوم تر هستند. در محیط های نامناسب برای رشد ، برخی میکروارگانیسم ها برای گریختن از استرس یا شرایط سخت تشکیل اندوسپور میدهند. تحت چنین شرایطی سطح تحمل فشار مورفولوژی اندوسپور به شکل قابل ملاحظه ای نسبت به حالت رویشی اصلی میکروارگانیسم افزایش می یابد .

 

مرحله ی رشد:

به طور کلی میکروارگانیسم ها در فاز سکون نسبت به دوره ی فاز نمایی یا رشد ،مقاومت بیشتری در برابر فشار دارند. این مساله به این دلیل است که میکروارگانیسم طی فاز رشد به طور مداوم در حال تقسیم دوتایی و سنتز است و تحمل استرس آن در شرایط دشوار کاهش می باشد. میکروارگانیسم ها در فاز سکون دارای ساختار کامل هستند و توسط غشا محافظت میشوند ؛ از اینرو می توانند سطوح بالاتری از استرس ها را تحمل کنند.

 

شرایط محیط :

بر اساس مفهوم تکنولوژی هردل ، وقتی که فرآیند فشار بالا برای پاستوریزاسیون غذا به کار میرود ، ترکیب شرایط محیطی نامناسب برای رشد میکروارگانیسم مانند pH  پایین و دماهای بالاتر یا پایین تر از دمای مناسب رشد ، مقاومت میکروارگانیسم در برابر فشار را کاهش داده و نابود کردن آن را تسهیل می کند.  استفاده ترکیبی از روش ها، برای ممانعت از رشد میکروبی معمولا کارآمد تر از هر کدام از روش ها به تنهایی است که این بدین معنی است که ترکیب عوامل نگهدارنده می تواند به طور چشمگیری کیفیت غذاها را افزایش دهد در حالی که  میزان غیر فعال کردن میکروب ها با روش های معمولی برابر است. برای فرآیند پاستوریزاسیون با فشار بالا ، ترکیب فشار بالا و دما به عنوان مناسب ترین حالت در نظر گرفته میشود.

 

میکروارگانیسم های پیزوفیل:

سطح میکروارگانیسم های مزوفیل طوری تطبیق پیدا کرده اند که در اتمسفر فشار 0.1 مگاپاسکال زنده بمانند و به تدریج در اتمسفر های 40 – 50 مگاپاسکال رشدشان متوقف شود، در حالیکه ساختار سلولی آنها توانایی تحمل چنین شرایط نامناسبی را ندارد. از طرف دیگر میکروارگانیسم های پیزوفیل به صورت تکامل یافته ای برای رشد و تکثیر اپتیمال در فشار های بالا تطبیق یافته است و از این رو می توانند در شرایطی که اصطلاحا بیوسفر عمیق (deep biosphere ) خوانده میشود ، که شامل عمق دریا و زیستگاه های سطوح زیرین زمین است، بقا داشته باشند.

ای کلای :

تصور میشود که در دوره ی تکامل ای کلای دارای مکانیزم های سازگاری با فشار بالا نشد و در نتیجه سلول های ای کلای در برابر استرس فشار پاسخی مانند سایر استرس ها از خود نشان میدهد. به طور معمول ، افزایش فشار منجر به تغییرات متعددی در ساختار و عملکرد ترکیبات سلولی میشود که در بالا توضیح داده شد و در برخی موارد سبب مرگ سلول میشود. گرچه در حال حاضر چندین سویه پیزوتولرانت از ای کلای جداسازی و در مقالات معرفی شده است.  در جدول زیر مهار ای کلای در شیر توسط حرارت و دیگر تکنولوژی های نگهداری مقایسه شده است :

 

ساکارومایسز سرویزیا :

مخمر ساکارومایسز سرویزیا شناخته شده ترین تک سلولی یوکاریوت ، نه تنها به خاطر ویژگی های ژنتیکی و فیزیولوژیکی آن بلکه به دلیل کاربرد های متعدد آن در صنعت است.  رابطه ی قوی بین  دما و استرس فشار در ساکارومایسز سرویزیا وجود دارد. ایواهاشی و همکاران ثابت کردند که پیش فرایند با شوک حرارتی ملایم (45 درجه سانتی گراد برای 30 دقیقه) پایداری آن را در برابر فرایند فشار بالا تا حد حیات سلول در 150 مگاپاسکال افزایش می دهد. این شواهد نشان می دهد که قرار گرفتن در برابر حرارت باعث حفاظت در برابر آسیب های ناشی از فرایند فشار بالای بعدی میشود.

لیستریا مونوسیتوژنز:

لیستریا مونوسیتوژنز یکی از خطرناک ترین پاتوژن های مواد غذایی است ، چرا که عامل بروز لیستریوزیس ، بیماری ای با میزان مرگ و میر بالا مخصوصا بین افراد آسیب پذیر است.  لیستریا مونوسیتوژنز AK01 یک سویه ی پیزوتولرانت است که پس از اعمال فرایند فشار بالای 400 مگا پاسکالی جداسازی شد. کاراتزاس و بنیک مشاهده کردند که سلول های AK01  نسبت به سویه های وحشی به طور چشمگیری فعالیت حیاتی بیشتری پس از یک بازه ی وسیع از فشار ها داشتند. به طور خاص ، اعمال 250 و 300 مگاپاسکال فشار سبب 1.2 و 1.6 واحد لگاریتمی کاهش در تعداد AK01 های زنده شد ،   در حالیکه ، به ترتیب 3.4 و 4.4 واحد لگاریتمی کاهش در نوع وحشی مشاهده شد. همچنین این سویه ی پیزوتولرانت میزان تحمل بالایی در برابر طیف وسیعی از عوامل استرس مانند گرما ، اسید و H2O2 نشان داد.

باکتری های مولد اندوسپور :

نتایج نشان می دهد که فشار 600 مگاپاسکال می تواند رشد اکثر میکروارگانیسم های پاتوژن مواد غذایی را مهار کند و افزایش فشار یا افزایش مدت فرایند سبب افزایش مهار کنندگی میشود. گرچه ، وقتی با شرایط محیطی خیلی دشوار مواجه شویم ، مانند دمای بالا ، محیط خشک  و مواد غذایی ناکافی ، باکتری های تولید کننده ی اندوسپور برای حفظ بقاء به فاز اندوسپور میروند. این باکتری ها شامل باسیلوس ها و  سویه های کلستریدیوم میباشند. ویژگی های ساختار منحصر به فرد اندوسپور این باکتری ها سبب میشود تا آنها بتوانند در برابر آسیب های فیزیکی و شیمیایی مانند حرارت ، فشار ، تشعشع و مواد شیمیایی به خوبی مقاومت کنند. اندوسپور باکتری ها می تواند حتی فشار 1200 مگا پاسکالی فرایند فشار بالا را تحمل کند. از این رو ، گرچه تکنولوژی فشار بالا به صورت تجاری در فرآوری های مواد غذایی مختلف بکار میرود، اما فرآیند فشار بالا تنها می تواند در حد استانداردهای پاستوریزاسیون سلامتی و ایمنی را تامین کند و مواد غذایی فرآوری شده در فشار بالا باید تا زمان خرده فروشی  در یخچال نگهداری شوند که این مدت تنها میتواند چند هفته باشد.

ژانگ و میتلال در سال 2008 متوجه شدند که ترکیب فشار 500 مگاپاسکال با دمای بالا (بالا تر از 40 درجه سانتی گراد) تنها روش تاثیر گذار برای نابودی اندوسپور باسیلوس است. چنانچه فرایند در دماهای پایین مانند دمای اتاق انجام شود نابودی اندوسپور ها ناچیز خواهد بود.  اندوسپور باکتری ای مانند کلستریدیوم بوتولینوم می تواند 30 دقیقه در محیط با دمای 75 درجه سانتی گراد و فشار 827 مگاپاسکال زنده بماند.

علاوه بر این ، باسیلویس آمیلولیکوفاسینس که می تواند اندوسپور تولید کند ، به شدت در برابر فشار مقاوم است و می تواند 16 دقیقه در محیط با دمای 70 درجه سانتی گراد  و فشار 800 مگاپاسکال بدون تغییر باقی بماند. لذا بسیاری پژوهش ها پیشنهاد داده اند که از این باکتری به عنوان شاخص استریلیزاسیون در فشار بالا استفاده شود. در جدول زیر مهار اسپور های باسیلوس توسط حرارت و دیگر تکنولوژی های نگهداری مقایسه شده است :

 

بحث و نتیجه گیری :

فرآند فشار بالا اخیرا توجه پژوهشگران زیادی را برای مطالعات مختلف به خود جلب کرده است. موفق ترین کاربرد های صنعتی و تجاری فرآیند فشار بالا برای غیر فعال کردن میکروارگانیسم های رویشی برای دستیابی به پاستوریزاسیون بدون حرارت و افزایش عمر ماندگاری محصولات غذایی بدون تغییر در خواص تغذیه ای ، عملکردی  و حسی مواد غذایی است.

در تکنیک های حرارتی سنتی و رایج فرآوری مواد غذایی، نقش اصلی حرارت اطمینان حاصل کردن ازامنیت ماده غذایی و مهار رشد پاتوژن هاست. از این رو ارزش پاستوریزاسون در دماهای مختلف باید به دقت ارزیابی شود. گرچه این مساله برای مدت طولانی به عنوان یک مشکل حل نشده در فرآوری مواد غذایی بود که بتوان با کمترین نیاز به حرارت بالا و  بدون آسیب به کیفیت ماده غذایی، آن را نسبت به میکروارگانیسم ها ایمن کرد؛ پیشرفت فرآیند فشار بالا می تواند این خواسته را فرآهم کند. فشار بالا می تواند رشد پاتوژن ها را مهار کرده ، سطح کیفیت ماده غذایی را حفظ و تازگی آن را مشابه مواد غذایی با حداقل فرآوری نگه دارد. گرچه فرآوری فشار بالا بیشتر از 100 سال است که در آمریکا و ژاپن گسترش یافته اما در بسیاری از کشور ها همچنان یک روش در حال ظهور است. تمام روش های جدید فرآوری باید قبل از استفاده تجاری، با استاندارد های  ایمنی مواد غذایی مطابقت داشته باشند. علاوه بر این ، به دلیل اینکه عادت های غذایی در هر کشور مختلف است، تعاریف ایمنی مواد غذایی نیز به طرز چشمگیری تفاوت دارند. از اینرو، وقتی فرآیند فشار بالا اعمال میشود باید عوامل بسیاری مانند فشار ، دما ، زمان و pH در نظر گرفته شوند.

لادو و همکارانش در مقاله خود مقایسه ای کلی بین تکنولوژی های جایگزین نگهداری مواد غذایی در کشور های مختلف ارائه داده اند :

 

 

منابع:

1 - Hsiao-Wen Huang, Hsiang-Mei Lung, Binghuei Barry Yang, Chung-Yi Wang, Responses of microorganisms to high hydrostatic pressure processing, Food Control 40 (2014) 250e259

2 - Maria J. Mota , Rita P. Lopes, Ivonne Delgadillo, Jorge A. Saraiva ,  Microorganisms under high pressure - Adaptation, growth and biotechnological potential, Biotechnology Advances 31 (2013) 1426–1434

 

3 - Beatrice H. Lado, Ahmed E. Yousef , Alternative food-preservation technologies: efficacy and mechanisms, Microbes and Infection 4 (2002) 433–440

 

 

 

گردآوری و ترجمه : علی ابراهیمی پور

دانشجوی کارشناسی ارشد علوم و صنایع غذایی

 

این مطلب اختصاصا جهت چاپ در نشریه هنر بسته بندی نگاشته شد. استفاده از این مطلب با ذکر نام نویسنده و آدرس سایت به عنوان منبع بلامانع است.

نوشتن دیدگاه


تصویر امنیتی
تصویر امنیتی جدید

 2017 / 1396

☼بازدید کل: 474,659 ☼امروز: 284 ☼دیروز: 221 ☼این صفحه: 5,608 ☼آنلاین: 1 جزئیات