Å sette mikroorganismer ut av spill med PEF

Bruk av PEF for mikrobiell inaktivering er den mest studerte bruken av denne teknologien. Det er godt kjent at PEF kan inaktivere vegetative bakterier, gjær- og muggsopper uten å forringe kvaliteten på matvareproduktene. 

Se film om hva PEF kan gjøre i matindustrien

Hva skjer når PEF danner porer i mikrobens celler? 

Når PEF inaktiverer mikroorganismer, er det først og fremst fordi behandlingen lager hull, eller porer, i cellemembranen (i vitenskapelig språkdrakt sier man at behandlingen øker gjennomtrengeligheten, eller permeabiliseringen, i cellemembranene).

Det er ikke helt klart hvilke molekylære mekanismer som fører til at det dannes porer. Ifølge den mest anerkjente teorien gjør de elektriske feltene at det samles opp en stor mengde frie ladninger med motsatt ladning på begge membranoverflatene, noe som fører til kompresjon av membranen. Når det utvendige elektriske feltet overskrider en kritisk verdi eller terskel (ca. 1 v), kan ikke membranen motstå kompresjonskreftene, og det dannes porer. 

Bilde

Porene som dannes kan være reversible (kan lukkes på nytt) eller irreversible (kan ikke lukkes på nytt). Når det er snakk om mattrygghet, så er irreversibel behandling naturlig nok mest interessant. Men reversibel behandling kan gi andre interessante muligheter, som vi kommer tilbake til nedenfor. 

Faktorer for mikrobiell inaktivering med PEF 

Inaktivering av mikroorganismer ved hjelp av PEF påvirkes av følgende tre faktorer:

1. Behandlingsparametere

Dette kan være elektrisk feltstyrke, behandlingstid, pulsform, pulsbredde, frekvens og spesifikk energi.

For å inaktivere mikroorganismer, må de elektriske feltene være kraftige nok (Ec). Denne verdien avhenger imidlertid også av andre parametere, som behandlingstid og pulsbredde (dvs. jo lengre behandlingstid, jo lavere Ec). Gitt at det er snakk om svært små mikroorganismer, er disse Ec-verdiene alltid høyere enn 1 kV/cm, og typisk i området 10–20 kV/cm – mye høyere enn for andre PEF-bruksområder.

En annen relevant parameter er temperatur: Selv om PEF-teknologien i utgangspunktet kom i bruk som en ikke-termisk teknikk for behandling av mat, har det vist seg at mange flere mikroorganismer dør med PEF-behandling ved høyere temperaturer, også i kombinasjon med ikke-dødelige temperaturer (< 50 ºC).

Bilde

2. Mikrobielle egenskaper 

En rekke mikrobielle egenskaper er viktige, men det viktigste er uten tvil hvilken type mikroorganisme man har med å gjøre. Det er kjent at selv om PEF-teknologien er ganske effektivt for å inaktivere «voksende» (vegetative) bakterieceller, mugg og gjær, så tåler bakterielle sporer denne behandlingen godt. Nyere studier har imidlertid vist at bakteriesporer kan inaktiveres ved å bruke en kombinasjon av moderat forvarming og PEF-behandlinger med forhøyet sluttemperatur. 

3. Egenskaper ved behandlingsmediet

Type behandlingsmedium (hvilken type produkt som mikroorganismene er i) og behandlingsmediets egenskaper er viktig. Her er det først og fremst evnen til å lede elektrisitet som er svært relevant («konduktivitet»). Det er også vist at lav vannaktivitet gir økt mikrobiell resistens. Betydningen av pH til mediet avhenger av type mikroorganisme som studeres, der Gram-positive og Gram-negative bakterier utviser forskjellig PEF-resistens ved ulike pH-verdier. 

Kombinasjonsbehandling 

Selv om effekten av PEF for inaktivering av vegetative celler er godt dokumentert, er det i de fleste tilfeller nødvendig å bruke PEF med høy spenning over lang tid for å oppnå tilstrekkelig mattrygghet og holdbarhet. Rent praktisk kan det være flere ulemper knyttet til disse høyintensive behandlingene på grunn av krav som stilles til utstyret, påvirkningen på matens egenskaper og de totale kostnadene ved prosessen. Når formålet er mikrobiell inaktivering, er derfor muligheten for industriell oppskalering begrenset. Det at bakteriesporer og flere enzymer er motstandsdyktige mot PEF, gjør at det er noen begrensninger ved bruk av denne teknologien for pasteurisering.

For å bedre utnytte potensialet med PEF har forskning vist at PEF kan kombineres med andre behandlinger for å gjøre maten tryggere eller gi økt holdbarhet. De kan se ut til at disse tre kombinasjonene er mest relevante: 

1. PEF kombinert med mild varmebehandling (< 50 ºC), som i de fleste tilfeller ikke vil påvirke matens kvalitet og egenskaper 
2. PEF kombinert med høyt syrenivå/lav pH. Dette vil hindre vekst av overlevende bakteriesporer 
3. PEF kombinert med antimikrobielle komponenter som blant annet nisin, lyzosym, EDTA, organiske syrer og essensielle oljer 

Oppsummering: fordeler og begrensninger med PEF

Med tanke på mikrobiell inaktivering er det mest aktuelt å bruke PEF til pasteurisering og for å øke holdbarheten til flytende produkter.

De viktigste fordelene, sammenlignet med andre metoder:

• særlig nyttig for temperatursensitive næringsmidler 
• har lav innvirkning på sensoriske og ernæringsmessige egenskaper 
• kan brukes i kontinuerlige prosesser 
• det finnes systemer for bruk i større skala (TRL-nivå 8–9) 

De viktigste begrensningene: 

• fungerer kun med flytende produkter 
• deaktiverer ikke sporer 
• har begrenset effekt på enzymer

Se også

Film fra PEF-utstyrsprodusenten ELEA: Industrielle PEF-systemer for juice