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Ohmic heating as an alternative to conventional thermal treatment

Author(s): Castro, In??s cv logo 1

Date: 2007

Persistent ID: http://hdl.handle.net/1822/8411

Origin: RepositóriUM - Universidade do Minho

Subject(s): 66.04; 663


Description
Tese de Doutoramento em Qu??mica e Engenharia Biol??gica This manuscript intends to address ???non-thermal??? effects associated with using electricity during a thermal process. Being so, a wide range of research areas were focused with the main objective of obtaining results which will be used to develop new research topics related to the use of moderate electric fields. The main themes were approached from a practical point of view and grouped into five main chapters. The first chapter reviews the main research studies related to ohmic heating technology highlighting the most important vantages and disadvantages of the technology itself, mathematical modeling for process description and available equipments and configurations. Furthermore, the economical viability depending on the specific application is also addressed and actual applications of this technology to the food industry are described in detail. The following chapter deals with the ???non-thermal??? effects of electricity in food enzymes, namely the inactivation kinetics of the enzymes when an electric field is present. Several food relevant enzymes were chosen, namely lipoxygenase (LOX), alkaline phosphatase (ALP), polyphenol oxidase (PPO), pectinase (PEC) and ??-galactosidase (??-gal). Some of these enzyes are used as TTI???s (time temperature integrators) in the food sector. The experimental results indicate that some of the enzymes (LOX and PPO) are significantly affected by the presence of electric fields while the others (PEC, ALP and ??-gal) do not seem to be clearly affected. The third chapter has the main goal of assessing the ???electricity effect??? on target microorganisms. Being so, microorganisms relevant to food safety (due to high thermal resistance or probability of occurrence) were chosen: Byssochlamys fulva ascospores, Escherichia coli vegetative cells and spores of Bacillus licheniformis and their inactivation kinetics determined in real food matrices, respectively strawberry pulp, goat milk and cloudberry jam. For all the microorganisms tested the ohmic decimal reduction times (D-values) were lower than the ones obtained when using conventional heating. It was possible to conclude that the presence of a moderate electric field during a thermal process reduces the time needed to achieve microbial inactivation (in the conditions and for the microorganisms tested). Care should be taken when extrapolating the results to other food matrices or different microorganisms because food safety can be jeopardized. The application of moderate electric fields to fermentative processes is the topic under research in the fourth chapter. A recombinant yeast strain with high yields of ethanol production and the ability to ferment lactose and excreting ??-Gal was used. Moderate electric fields, ranging from 0 to 2 V/cm, were applied continuously or in specific stages of the fermentation. Aerobic and anaerobic conditions were tested. The results point out to a clear effect of the electric field under aerobic conditions namely in terms of reduction of the lag phase and the increase of biomass yields (which increases linearly with the electric field) thus considerably reducing the total fermentation time. However under anaerobic conditions the ???electric??? effect was not evident. On the other hand, plasmid stability was affected by the increase of the electric field value when using it continuously but if an electric field was used only during a limited time the results were quite encouraging. The results obtained in this section open a wide range of potential new applications of moderate electric fields technology (ohmic heating). Furthermore, the temperature and pH profiles of the excreted enzyme were studied and it has been concluded that there were no effects of the electric field on the enzyme characteristics. In the last chapter, the hydrodynamic behavior of a lab scale ohmic heater was determined and the results compared with the ones obtained from CFD (computational fluid dynamic) computer modelling. Summing up, the themes addressed were quite wide and aimed at gathering data for the validation of the ohmic heating technology as an alternative processing technology. Moreover, news topics for further research were raised during this work. Este trabalho pretende explorar os efeitos n??o t??rmicos relacionados com a tecnologia de aquecimento ??hmico. Desta forma, foram abordados diversos temas na tentativa de obter resultados que conduzam, posteriormente, a diversas linhas de investiga????o relacionadas com a tecnologia de aquecimento ??hmico (ou aplica????o de campos el??ctricos moderados). Os assuntos foram abordados de um ponto de vista essencialmente pr??tico e agrupados em cinco cap??tulos principais. No primeiro cap??tulo ?? feita uma revis??o bibliogr??fica gen??rica sobre a tecnologia de aquecimento ??hmico indicando as suas vantagens e desvantagens, modelos matem??ticos usados e tipos de equipamentos existentes. Adicionalmente, aborda-se a quest??o da viabilidade econ??mica desta tecnologia consoante as suas potenciais aplica????es e s??o descritas, com algum detalhe, as actuais aplica????es na ind??stria alimentar j?? implementadas (ou em fase de teste). No segundo cap??tulo, pretendeu-se determinar se existiam efeitos ???n??o t??rmicos???, relacionados com a presen??a de campos el??ctricos moderados, que alterem as cin??ticas de inactiva????o t??rmica de diversas enzimas. Para tal, foram escolhidas algumas enzimas relevantes na ind??stria alimentar quer por serem utilizadas como TTI???s (time temperature integrators) quer por serem necess??rias para a produ????o de alguns alimentos. Estudaram-se as cin??ticas de inactiva????o da lipoxigenase (LOX), polifenoloxidase (PPO), fosfatase alcalina (ALP), pectinase (PEC) e ??-galactosidase (??-Gal). Os resultados obtidos indicam que algumas das enzimas (LOX e PPO) s??o bastante afectadas pela presen??a de campos el??tricos moderados enquanto que as restantes (ALP, PEC e ??-Gal) apresentam um efeito menos significativo. Na terceira sec????o deste trabalho foi realizado um estudo semelhante aos referido no segundo cap??tulo mas usando microrganismos alvo. Para tal foram seleccionados microrganismos representativos na ind??stria alimentar quer pela sua resist??ncia t??rmica quer pela sua elevada probabilidade de aparecimento em alimentos: ascosporos de Byssochlamys fulva, c??lulas de Escherichia coli e esporos de Bacillus licheniformis em matrizes de alimentos, respectivamente, polpa de morango, leita de cabra e compota de cloudberry. Em todos os microrganismos estudados a presen??a de um campo el??ctrico tem um efeito adicional na perda de viabilidade microbiana, consequentemente, os valores do tempo de redu????o decimal obtidos (valores D) foram, em geral, inferiores quando existia um campo el??ctrico. Em suma, a presen??a de um campo el??ctrico diminui o tempo de processamento t??rmico necess??rio ?? inactiva????o microbiana, nos alimentos e condi????es testadas. A extrapola????o dos resultados obtidos para outras matrizes ou microrganismos dever?? ser realizada com precau????o para que a seguran??a alimentar n??o seja posta em causa. A aplica????o de campos el??ctricos moderados a processos fermentativos constitui o tema sob investiga????o no quarto capitulo desta tese. Utilizou-se uma estirpe recombinante de levedura produtora de ??-Gal extra-celular e com elevado rendimento de produ????o de etanol e aplicaram-se campos el??ctricos (0 a 2 V/cm) continuos ou descontinuos em condi????es de aerobiose ou anaerobiose. Os resultados experimentais apontam para um efeito pouco significativo quando se trata de condi????es de anaerobiose mas, na presen??a de arejamento, obteve-se uma redu????o consider??vel da fase de lat??ncia (reduzindo o tempo total da fermenta????o) e um aumento do rendimento em biomassa (cujo aumento varia linearmente com o aumento do campo el??ctrico). Por outro lado, e dado que se trata de uma estirpe recombinante, verificou-se uma perda de estabilidade plasm??dica aquando do uso de campos el??ctricos cont??nuos. Tal n??o se verificou quando o campo el??ctrico era apenas aplicado na fase inicial da fermenta????o abrindo novas perspectivas para optimiza????o de processos fermentativos usandos campos el??ctricos cont??nuos ou descont??nuos consoante a aplica????o pretendida. A avalia????o do perfil ??ptimo de actividade da enzima excretada durante as fermenta????es foi igualmente estudado, conluindo-se que a presen??a do campo el??ctrico n??o altera o perfil ??ptimo da enzima. No quinto e ??ltimo cap??tulo deste documento efectua-se a determina????o do comportamento hidrodin??mico de um aquecedor ??hmico ?? escala piloto e comparam-se os resultados obtidos usando a ferramenta de CFD (computational fluid dynamics) com os dados obtidos experimentalmente. Conluindo, os temas abordados apesar de diversos, destinaram-se a reunir dados para a valida????o da tecnologia de processamento ??hmico com alternativa processual aos tratamentos t??rmicos convencionais e abrem horizontes para novas aplica????es desta tecnologia. Funda????o para a Ci??ncia e a Tecnologia (FCT).
Document Type Doctoral Thesis
Language English
Advisor(s) Vicente, A. A.
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