Ohmic heating as an alternative to conventional thermal treatment

• Author(s): Castro, Inês
• Date: 2007
• Persistent ID: http://hdl.handle.net/1822/8411
• Origin: RepositóriUM - Universidade do Minho
• Subject(s): 66.04; 663
• Document Type: Doctoral thesis
• Language: English
• Advisor(s): Vicente, A. A.
• Contributor(s): Universidade do Minho

Description

Tese de Doutoramento em Química e Engenharia Biológica

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 β-galactosidase (β-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 β-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 β-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 não térmicos relacionados com a tecnologia de aquecimento óhmico. Desta forma, foram abordados diversos temas na tentativa de obter resultados que conduzam, posteriormente, a diversas linhas de investigação relacionadas com a tecnologia de aquecimento óhmico (ou aplicação de campos eléctricos moderados). Os assuntos foram abordados de um ponto de vista essencialmente prático e agrupados em cinco capítulos principais. No primeiro capítulo é feita uma revisão bibliográfica genérica sobre a tecnologia de aquecimento óhmico indicando as suas vantagens e desvantagens, modelos matemáticos usados e tipos de equipamentos existentes. Adicionalmente, aborda-se a questão da viabilidade económica desta tecnologia consoante as suas potenciais aplicações e são descritas, com algum detalhe, as actuais aplicações na indústria alimentar já implementadas (ou em fase de teste). No segundo capítulo, pretendeu-se determinar se existiam efeitos “não térmicos”, relacionados com a presença de campos eléctricos moderados, que alterem as cinéticas de inactivação térmica de diversas enzimas. Para tal, foram escolhidas algumas enzimas relevantes na indústria alimentar quer por serem utilizadas como TTI’s (time temperature integrators) quer por serem necessárias para a produção de alguns alimentos. Estudaram-se as cinéticas de inactivação da lipoxigenase (LOX), polifenoloxidase (PPO), fosfatase alcalina (ALP), pectinase (PEC) e β-galactosidase (β-Gal). Os resultados obtidos indicam que algumas das enzimas (LOX e PPO) são bastante afectadas pela presença de campos elétricos moderados enquanto que as restantes (ALP, PEC e β-Gal) apresentam um efeito menos significativo. Na terceira secção deste trabalho foi realizado um estudo semelhante aos referido no segundo capítulo mas usando microrganismos alvo. Para tal foram seleccionados microrganismos representativos na indústria alimentar quer pela sua resistência térmica quer pela sua elevada probabilidade de aparecimento em alimentos: ascosporos de Byssochlamys fulva, células 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 presença de um campo eléctrico tem um efeito adicional na perda de viabilidade microbiana, consequentemente, os valores do tempo de redução decimal obtidos (valores D) foram, em geral, inferiores quando existia um campo eléctrico. Em suma, a presença de um campo eléctrico diminui o tempo de processamento térmico necessário à inactivação microbiana, nos alimentos e condições testadas. A extrapolação dos resultados obtidos para outras matrizes ou microrganismos deverá ser realizada com precaução para que a segurança alimentar não seja posta em causa. A aplicação de campos eléctricos moderados a processos fermentativos constitui o tema sob investigação no quarto capitulo desta tese. Utilizou-se uma estirpe recombinante de levedura produtora de β-Gal extra-celular e com elevado rendimento de produção de etanol e aplicaram-se campos eléctricos (0 a 2 V/cm) continuos ou descontinuos em condições de aerobiose ou anaerobiose. Os resultados experimentais apontam para um efeito pouco significativo quando se trata de condições de anaerobiose mas, na presença de arejamento, obteve-se uma redução considerável da fase de latência (reduzindo o tempo total da fermentação) e um aumento do rendimento em biomassa (cujo aumento varia linearmente com o aumento do campo eléctrico). Por outro lado, e dado que se trata de uma estirpe recombinante, verificou-se uma perda de estabilidade plasmídica aquando do uso de campos eléctricos contínuos. Tal não se verificou quando o campo eléctrico era apenas aplicado na fase inicial da fermentação abrindo novas perspectivas para optimização de processos fermentativos usandos campos eléctricos contínuos ou descontínuos consoante a aplicação pretendida. A avaliação do perfil óptimo de actividade da enzima excretada durante as fermentações foi igualmente estudado, conluindo-se que a presença do campo eléctrico não altera o perfil óptimo da enzima. No quinto e último capítulo deste documento efectua-se a determinação do comportamento hidrodinâmico de um aquecedor óhmico à 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 validação da tecnologia de processamento óhmico com alternativa processual aos tratamentos térmicos convencionais e abrem horizontes para novas aplicações desta tecnologia.

Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT).