کاربرد الکتروپوریشن در صنایع غذایی

کاربرد الکتروپوریشن در صنایع غذایی
الکتروپوریشن – که اغلب در صنایع غذایی با عنوان پردازش پالس میدان الکتریکی (PEF) شناخته میشود – یک فناوری نوظهور و غیرحرارتی در فرآوری مواد غذایی است که در حال دگرگونسازی نگهداری و فرآوری غذاست. الکتروپوریشن با اعمال پالسهای کوتاه و پُرفشار به مواد غذایی، بهطور موقت یا دائم غشاهای سلولی را قابل نفوذ میکند. این رویکرد غیرحرارتی میتواند میکروبها و آنزیمها را غیرفعال کند در حالی که کیفیت غذایی و حسی (رنگها، ویتامینها، عطر و طعم) را بهتر از فرآیندهای حرارتی مرسوم حفظ مینماید.
برای مثال، PEF میتواند غذاهای مایع (مانند آب میوهها، شیر، تخم مرغ مایع) را پاستوریزه کند و بافت مواد جامد را بدون پختن نرم نماید و محصولاتی با ماندگاری طولانی اما با ویژگیهای “شبه تازه” تولید کند. فراتر از نگهداری، الکتروپوریشن استخراج آب میوهها، عطر و طعمها و مواد زیستفعال (مانند پلیفنولها و آنتیاکسیدانها) از میوهها، سبزیجات و محصولات جانبی را بهطور چشمگیری راحت تر میکند.
.
الکتروپوریشن در صنایع غذایی چگونه عمل میکند
در سطح سلولی، الکتروپوریشن شامل اعمال پالسهای الکتریکی کوتاه و قدرتمندی است که یک پتانسیل تراغشایی (transmembrane) و فراتر از یک آستانه بحرانی ایجاد میکند. این امر منجر به ایجاد منافذ در دولایه فسفولیپیدی میشود. هنگامی که قدرت میدان یا تعداد پالسها بالا باشد، این منافذ میتوانند غیرقابل برگشت باشند و باعث نشت سلول و مرگ آن شوند.
برای میکروارگانیسمها، الکتروپوریشن یک مکانیسم غیرفعالسازی مؤثر است: پالسها غشاهای سلولی میکروارگانیسمهای رویشی را با ایجاد منافذ پاره میکنند و باعث نشت محتویات درون سلولی و از دست دادن قابلیت حیات آن ها میشوند. نکته مهم این است که الکتروپوریشن غشاهای سلولی میکروارگانیسم ها را هدف قرار میدهد بدون آنکه ماده غذایی را بهطور قابل توجهی گرم کند و بدین ترتیب پروتئینها، ویتامینها و عطر و طعمها را حفظ مینماید. نتیجه این است که میکروب ها به طور کارآمدی (مثلاً کاهش ۴ تا ۵ لگاریتمی) از بین می روند در حالی که حداقل تأثیر بر تازگی مواد غذایی گذاشته میشود.
پارامترهای پالس بر اساس نوع ماده غذایی و هدف مورد نظر تنظیم میشوند. میدانهای پایینتر (۱ تا ۵ کیلوولت بر سانتیمتر) بر روی بافتهای گیاهی منافذی ایجاد میکنند که بافت را نرم کرده و به خشککردن کمک مینمایند، در حالی که میدانهای بالاتر (۲۰ تا ۵۰ کیلوولت بر سانتیمتر یا بیشتر) برای استریلیزاسیون یا پاستوریزاسیون قوی مایعات استفاده میشود. عرض پالس، فرکانس و شکل موج نیز بر نتایج تأثیر میگذارند. برای مثال، پالسهای طولانی میتوانند محصول را (از طریق گرمایش ژولی) تا دمای متوسط گرم کنند و در صورت نیاز به غیرفعالسازی بیشتر کمک نمایند. بهطور کلی، مکانیسم منحصر بهفرد الکتروپوریشن – قابل نفوذ کردن غشاها در عین اجتناب از گرمایش گسترده – اساس کاربردهای متعدد آن در صنعت غذاست.
.
غیرفعالسازی میکروبی و نگهداری غیرحرارتی
یک کاربرد اصلی الکتروپوریشن در مواد غذایی، پاستوریزاسیون و نگهداری غیرحرارتی است. با الکتروپوریشن ماندگاری مواد غذایی را مشابه پاستوریزاسیون حرارتی افزایش میدهد، اما مواد مغذی و کیفیت حسی غذاها بهتر حفظ می شود. سیستمهای PEF برای فرآوری آب میوهها، اسموتیها، شیر و سایر نوشیدنیها توسعه یافتهاند. قابل ذکر است که آب میوههای ارگانیک تیمار شده با PEF از سال ۲۰۰۵ به صورت تجاری فروخته شدهاند.
میدانهای الکتریکی، میکروارگانیسم های رویشی (مانند E. coli، Salmonella) را غیرفعال میکنند در حالی که رنگ، ویتامین C، مواد فرار طعمدهنده و احساس دهانی مواد غذایی (mouthfeel) را عمدتاً دستنخورده باقی میگذارند. برای مثال، اسموتی توت فرنگی یا سبزی تیمار شده با الکتروپوریشن، رنگ روشن خود را بسیار بهتر از نمونه تیمار شده با حرارت حفظ میکند.
PEF اغلب همراه با یک فرآیند خنک سازی ترکیب میشود تا عملکرد غیرحرارتی تضمین شود. نقطه ضعف اصلی این روش است که PEF بهتنهایی معمولاً اسپورهای مقاوم را غیرفعال نمیکند. با این حال، برای بیشتر غذاهای تازه و با حداقل فرآوری، PEF در سطوح میکروبی کاهش قابل توجهی ایجاد میکند. از آنجایی که به مواد نگهدارنده شیمیایی نیاز نیست، الکتروپوریشن مواد غذایی را بدون مواد افزودنی (clean-label) استریل می کند، زیرا ایمنی میکروبی را از طریق روشهای فیزیکی بهدست میآورد و فهرست مواد تشکیلدهنده را ساده نگه میدارد. بهطور خلاصه، الکتروپوریشن یک فناوری نویدبخش نگهداری غیرحرارتی مواد غذایی است که پاتوژنها و ارگانیسمهای فاسدکننده را غیرفعال میکند در حالی که یک کیفیت مواد غذایی را حفظ مینماید.
.
استخراج ترکیبات (آب میوه، عطر و طعمها، پلیفنولها)
الکتروپوریشن در افزایش انتقال جرم (mass transfer) در بافتهای گیاهی و جانوری عالی عمل میکند. PEF در میوهها و سبزیجات، غشاهای سلولی را باز میکند و به آب، آب میوه و مواد محلول درون سلولی اجازه میدهد در طول فرآیند پرس یا استخراج بهراحتی خارج شوند. مطالعات متعددی گزارش میدهند که بازده آب میوه بالاتر و استخراج عطر و طعم/رایحه غنیتری پس از پیشتیمار PEF حاصل میشود. برای مثال، تیمار مرکبات با ولتاژهای متوسط میتواند بازده آب میوه را در مقایسه با شاهدهای تیمار نشده ۲۵ تا ۵۹٪ افزایش دهد.
در یک مطالعه بر روی توتها، فرآیند PEF بازده آب بلوبری را ۲۸٪ افزایش داد و محتوای کل آنتوسیانین (رنگدانه قرمز) را ۶۰٪ بالا برد. بهطور مشابه، PEF بازیابی پلیفنولها، آنتیاکسیدانها و سایر مواد مغذی-دارویی (nutraceuticals) از مواد گیاهی را بهطور قابل توجهی بهبود میبخشد.
سیستمهای PEF صنعتی را میتوان قبل از آبمیوهگیری یا دستگاه استخراج نصب کرد. یک تیمار کوتاه PEF مثلاً بر روی پوره هویج، سیب یا انگور، ترکهای میکروسکوپی در بافت ایجاد میکند. نتیجه این است که پرس آسانتر و بازده بالاتر با همان فشار مکانیکی حاصل میشود. نکته مهم برای کیفیت این است که آب میوه و عصارهها معمولاً غنیتر از ترکیبات زیستفعال (پلیفنولها، کاروتنوئیدها، فلاونوئیدها) هستند زیرا محتوای سلولی بیشتری آزاد شده است.
این تکنیک اکنون در محیطهای تجاری برای تولید پیشرفته آب میوه، استخراج گیاهان دارویی و تغلیظ عصارههای گیاهی مورد استفاده قرار میگیرد. با ترکیب الکتروپوریشن و استخراج سرد، تولیدکنندگان به فرآیندی سبزتر دست مییابند که شامل استفاده کمتر از حلال، کاهش تقاضای انرژی و حفظ مواد مغذی حساس است. در واقع، استخراج به کمک PEF اغلب بهعنوان یک روش “استخراج تمیز” ذکر میشود که با اهداف شیمی سبز مدرن نیز همسو است.
.
تأثیرات ساختاری و بافتی
فراتر از میکروبیولوژی و استخراج، الکتروپوریشن تغییرات مطلوب بافتی و ساختاری را در بسیاری از مواد غذایی القا میکند. برای مثال، در سیبزمینی و سایر غدهها، PEF گوشت را نرمتر و یکنواختتر میکند. فرآوریکنندگان سیبزمینی در سراسر جهان از PEF برای افزایش کیفیت سیبزمینی سرخ کرده و چیپس استفاده میکنند. اثر پیشتیمار سیبزمینیهای پوستگیری شده با PEF شامل کاهش نیروی برش، رنگ یکنواختتر پس از سرخ کردن و جذب روغن تا ۵۰٪ کمتر در حین سرخ کردن است.
بافت نرمتر همچنین به معنای زمانهای بلانچینگ و خشککردن کوتاهتر است؛ یک مطالعه نشان میدهد که برشهای سیبزمینی تیمار شده با PEF در خشککردن هوایی ۵۷٪ سریعتر خشک شدند. این تغییرات ناشی از رهایش کنترلشده پکتینها و قندهاست که دیواره سلولی را تضعیف کرده و پیشسازهای واکنش میلارد را کاهش میدهد (از این رو، آکریل آمید کمتر) و بافتِ تردتر و بلانچشدهای تولید میکند.
در میوهها و سبزیجات، الکتروپوریشن میتواند فرآیندهایی مانند آبگیری اسمزی، انجماد و تزریق (infusion) را بهبود بخشد. برای مثال، اسفناج یا بروکلی تیمار شده با PEF با پارگی سلولی کمتر منجمد و ذوب میشود و رنگ روشن را حفظ میکند. در توتها و مرکبات، همانطور که در بالا ذکر شد، PEF سفتی و رهایش آب میوه را بهطور چشمگیری افزایش میدهد. این دستگاه همچنین در مزهدار کردن (marination) یا تزریق آبنمک به گوشت کمک میکند: میدانهای متوسط PEF کانالهای میکروسکوپی ایجاد میکنند که به محلولهای نمکسود (curing) اجازه میدهند سریعتر و عمیقتر به بافت عضلانی نفوذ کنند.
در حالی که الکتروپوریشن در مقیاس کامل برای نرمکردن گوشت هنوز در حال مطالعه است، یافتههای اولیه نشان میدهند که PEF میتواند فیبرهای عضلانی سفت را مختل کند و بهطور بالقوه استیکها را نرم کند یا جذب آبنمک را تسریع نماید. بهطور کلی، الکتروپوریشن ابزاری همهکاره برای اصلاح ساختار است، زیرا میتوان آن را برای نرمکردن محصولات جهت برش یا تجزیه بافتها برای خشککردن سریع تنظیم کرد. و همه اینها با تنش مکانیکی یا حرارتی کمتر نسبت به روشهای مرسوم اتفاق می افتد.
.
کاربردها در بخشهای مختلف غذایی

کاربردهای الکتروپوریشن در صنایع غذایی شامل موارد زیر است:
میوهها و سبزیجات.
شاید بیشترین کاربرد PEF، در صنایع فرآوری میوه و سبزیجات باشد. غذاهای مایع مانند آب میوه، سوپ و پوره را میتوان با PEF پاستوریزه کرد. سبزیجات جامد (مانند سیبزمینی، چغندر و هویج) را نیز می توان با الکتروپوریشن برای مراحل بعدی آماده کرد. برای مثال تولیدکنندگان سیبزمینی سرخ کرده از PEF برای کاهش جذب روغن و بهبود بافت استفاده میکنند. PEF همچنین قبل از پرس آب انگور، سیب و توتها برای افزایش بازده و استخراج پلیفنولها استفاده میشود.
آبمیوههای غیرحرارتی پرس سرد اغلب از PEF برای اطمینان از ایمنی در عین ادعای نداشتن مواد افزودنی استفاده میکنند. حتی اثر الکتروپوریشن بر سبزیجات و میوههای نرم نیز در حال بررسی هستند. PEF میتواند فرآیند شستشو و ضدعفونی را تسریع کند و جذب محلول آبنمک یا محلولهای دیگر را برای سالادها افرایش بخشد.
.
گوشت و غذاهای دریایی.
در فرآوری گوشت، الکتروپوریشن عمدتاً برای نرمکردن و مزهدار کردن می تواند استفاده شود. میدانهای الکتریکی منافذ میکروسکوپی در فیبرهای عضلانی ایجاد میکنند که میتواند برشها را با حداقل زمان رسیدن (aging) نرم کند. گوشت گاو یا مرغ تیمار شده با PEF میتواند مواد طعم دهنده را سریعتر جذب کند و بهطور یکنواختتر بپزد.
علاوه بر این، همانند سایر مواد غذایی، PEF میتواند بهعنوان یک مرحله پاستوریزاسیون ملایم برای محصولات گوشتی خام (مانند گوشت در آبنمک یا محصولات مبتنی بر ماهی) عمل کند زیرا این فرآیند در برابر باکتریها مؤثر است. توانایی PEF در تسریع خنکسازی یا انجماد در مورد غذاهای دریایی نیز صدق میکند: با قابل نفوذ کردن بافت، سرعت انجماد افزایش مییابد و فیلههای ذوب شده بافت خود را بهتر حفظ میکنند. در حالی که واحدهای PEF گوشت صنعتی هنوز گسترده نیستند، ماهیت انرژیکارآمد و غیرحرارتی این فناوری آن را برای گوشتهای با ارزش بالا و محصولات آماده مصرف جذاب میکند.
.
لبنیات.
کاربرد PEF در لبنیات هنوز در حال بررسی است. در مطالعات اخیر پیشتیمار شیر با PEF قبل از تولید پنیر یا ماست را بررسی کردهاند. یافتههای اولیه نشان میدهد که PEF با پالس الکتریکی متوسط بر روی شیر میتواند ساختار پروتئینها را برای کاهش سفتی شیر دلمه یا لخته شده تغییر دهد. از طرف دیگر PEF شدید میتواند بافت پنیر را سفت کند. نکته مهمتر این است که از PEF میتوان برای پاستوریزه کردن شیر و تخم مرغ مایع بدون حرارت استفاده کرد که این موضوع یک نکته بسیار مثبت برای کشتهای پروبیوتیک حساس به حرارت یا غنیسازی ویتامین است.
برای مثال، در یک ماست میوهای تیمار شده با PEF ویتامین B₂ بیشتری را نسبت به یک محصول معادل پاستوریزه شده با حرارت حفظ کرد. محققان همچنین گزارش کرده اند که PEF میتواند جدایی آب پنیر (whey) را کاهش داده و بازده محصولات لبنی تخمیر شده را افزایش دهد. بهطور کلی، PEF در لبنیات پتانسیلی را برای ارائه محصولات لبنی جدید که به صورت سرد بسته بندی می شوند (cold-filling) و تولید پنیر یکنواختتر بدون تغییر در رنگ، عطر و طعم ناشی از حرارت ارائه میدهد.
.
سایر محصولات.
PEF در صنعت آبجوسازی (غیرفعالسازی مالت یا wort)، فرآوری تخم مرغ (پاستوریزاسیون تخم مرغ مایع) و حتی غذاهای گیاهی (بهبود استخراج پروتئین گیاهی) به کار گرفته میشود. در هر مورد، جذابیت آن مزیت داشتن برچسب بدون مواد افزودنی و غیرحرارتی است. برای مثال، پاستوریزه کردن شیر بادام یا قهوه سرد دم (cold-brew) با PEF از تغییر عطر و طعمهای ظریف جلوگیری میکند. میدانهای الکتریکی همچنین میتوانند آلرژنها یا سموم را از آبمیوهها حذف کنند. در غذای حیوانات خانگی و مواد اولیه تخصصی، واحدهای PEF در مقیاس کوچک میتوانند با بهینهسازی بافت و تغذیه، ارزش افزوده ایجاد کنند.
.
مزایا نسبت به روشهای سنتی
مزایای الکتروپوریشن نسبت به فرآوری مرسوم قانعکننده است:
نگهداری غیرحرارتی:
برخلاف پاستوریزاسیون یا گرمایش رتورت (retort)، PEF میکروبها را بدون استفاده از حرارت بالا از بین میبرد. این بدان معناست که ویتامینها (C، گروه B)، رنگدانههای طبیعی (کلروفیلها، آنتوسیانینها) و عطر و طعمها حفظ میشوند. آبمیوههای فرآوری شده سرد، روشن و با طعم تازه و سبزیجات ترد باقی میمانند.
بدون مواد افزودنی:
با PEF نیازی به مواد شیمیایی یا نگهدارندههای افزودهشده نیست. غذاها را میتوان “با حداقل فرآوری” یا “بدون نگهدارنده” اعلام کرد که با تقاضای روزافزون مصرفکنندگان برای این نوع محصولات از نظر تجاری قابل توجه است.
بهبود مواد غذایی مفید و عملکرد:
مطالعات نشان میدهد آبمیوههای تیمار شده با PEF اغلب ظرفیت آنتیاکسیدانی بالاتری نسبت به نمونههای تیمار شده با حرارت دارند، زیرا مواد زیستفعال (پلیفنولها) بیشتری بازیابی میشوند. پروتئینها و ویتامینها حداقل دناتوره شدن را متحمل میشوند.
مصرف انرژی و آب کمتر:
سیستمهای PEF میتوانند انرژی گرمایشی و مصرف آب را کاهش دهند. برای مثال، خشککردن میوهها به کمک PEF به حرارت کمتری نیاز دارد و سریعتر به پایان میرسد. سیبزمینیهای پیشتیمار شده میتوانند با روغن کمتری سرخ شوند. بسیاری از فرآیندها به دلیل زمانهای کوتاهتر یا عملکرد در دمای محیط، صرفهجویی انرژی را تجربه میکنند.
توان عملیاتی بالا و قابلیت ادغام:
تجهیزات مدرن PEF میتوانند صدها تا هزاران لیتر در ساعت را فرآوری کنند و میتوانند بهصورت خطی (inline) ادغام شوند. سیستمهای تجاری PEF از صدها تا ۵۰,۰۰۰ لیتر در ساعت متغیر هستند و برای آبمیوهها، شیر، ماست و سایر محصولات استفاده میشوند.
گزینشپذیری (Selectivity):
فرآوریکنندگان میتوانند الکتروپوریشن را طوری تنظیم کنند که فقط بر اجزای نامطلوب تأثیر بگذارد. برای مثال، پالسها میتوانند آنزیمها یا میکروبها را راحتتر در سلولهای بزرگ میوه غیرفعال کنند و بدین ترتیب رنگ را حفظ نمایند. قدرت میدان پایینتر منافذی در سلولهای بزرگ گیاهی یا گوشتی (برای خشککردن یا استخراج) ایجاد میکند، در حالی که قدرتهای بالاتر سلولهای میکروبی کوچک را هدف قرار میدهد. دستیابی به این گزینشپذیری با روشهایی مانند حرارت یا فشار دشوارتر است.
مقیاسپذیری و پشتیبانی تحقیقاتی:
شرکت پارس تراوا با محصولات خود دسترسی به این فناوری را ممکن میسازد. تحقیقات آکادمیک و صنعتی نیز به پالایش مواد الکترود و طراحی محفظهها برای به حداقل رساندن مسائل (مانند خوردگی الکترود) و گسترش کاربردها ادامه میدهند.
به طور خلاصه، الکتروپوریشن جایگزینی مدرن برای فرآیندهای حرارتی، شیمیایی یا پرفشار سنتی ارائه میدهد. این فناوری محصولاتی ایمنتر و با کیفیتتر را به شیوهای پایدارتر تولید میکند. این موضوع یک برد برای دانشمندان علوم غذایی، فرآوریکنندگان و مصرفکنندگان بهطور یکسان محسوب می شود.
.
پارس تراوا: پیشگام الکتروپوریشن در فناوری غذایی ایران
پارس تراوا پیشرو در توسعه تجهیزات الکتروپوریشن است. این شرکت که در سال ۲۰۱۸ تأسیس شد، “اولین و تنها تولیدکننده دستگاههای الکتروپوریشن در ایران” است. در حالی که شرکت شهرت خود را بر پایه الکتروپوراتورهای پزشکی و تحقیقاتی (تا ۳۰۰۰ ولت و جریان بالا) بنا نهاده است، اکنون در حال گسترش به بخش فرآوری مواد غذایی است.
پارس تراوا با بهرهگیری از تخصص عمیق خود در سیستمهای بیوالکترومغناطیسی، دستگاههای الکتروپوریشن پیشرفتهای را برای کاربردهای غذایی ارائه میدهد. این تجهیزات آنها برای استفاده های متنوعی طراحی و تولید شدهاند و قابلیتهای فنی دستگاه های تولید پارس تراوا، مطابق یا سیستمهای وارداتی یا فراتر از آن است. ورود پارس تراوا به فناوری غذایی نوید شتابدهی به پذیرش PEF در ایران و فراتر از آن را میدهد. محققان و تولیدکنندگانی که بر روی فرآوری نوآورانه کار میکنند میتوانند از راهحلهای سفارشی و پشتیبانی مهندسی پارس تراوا بهرهمند شوند.
.
چشم انداز آینده
الکتروپوریشن (PEF) به سرعت در حال تبدیل شدن به یک فناوری کلیدی برای صنعت مواد غذایی است که نیازهای فوری برای نگهداری غیرحرارتی و فرآوری کارآمد را برطرف میکند. با قابل نفوذ کردن سلولها بدون حرارت، میکروبها را غیرفعال میکند، استخراج ترکیبات ارزشمند را تقویت مینماید و بافت مواد غذایی را متناسب میسازد. و همه اینها در حالی است که غذاها را “تازه”، مغذی و عاری از افزودنیها نگه میدارد. کاربردهای آن آبمیوهها، پورهها، گوشت خام و محصولات لبنی را در بر میگیرد، و توسعه مستمر استفاده هرچه گستردهتر از آن را تضمین میکند.
پارس تراوا محققان غذایی، تولیدکنندگان و خریداران را به کاوش در راهحلهای سفارشی استفاده از الکتروپوریشن دعوت میکند. تیم ما میتواند مشاوره فنی شما برای انتخاب محصول مناسب یا شخصی سازی محصولات بر اساس نیاز شما باشد. برای مشاوره و یا صحبت درباره فرصتهای همکاری، لطفاً از طریق واتساپ به شماره ۹۸۹۰۲۴۰۵۱۸۶۲+ یا ایمیل info@persiantarava.me با ما در تماس باشید.
ما مشتاقیم به شما کمک کنیم تا از پیشرفتهترین فناوری فرآوری غیرحرارتی مواد غذایی برای تولید محصولات تمیزتر و با کیفیتتر استفاده کنید.
.
منابع
Electroporation in food processing and biorefinery
The application of PEF technology in food processing and human nutrition
Polyphenol Extraction from Food (by) Products by Pulsed Electric Field: A Review
Pulsed Electric Field Processing Applications in the Food Industry
.