تکنولوژی هیدرواستاتیک در شیر: فشار هیدرواستاتیک بالا (HHP)

فرآیند هیدرواستاتیک HHP چیست؟

در راستای کاهش صدمات وارده به موادغذایی درطول فرآیندهای متداول نگهداری، امروزه تحقیقات گسترده‌ای برای یافتن روش‌های کارآمدتر با حداقل آسیب به موادغذایی انجام می‌گیرد.

متداول‌ترین روش نگهداری مواد که امروزه مورد استفاده قرار می‌گیرد، فرایندهای حرارتی (پاستوریزاسیون و استریلیزاسیون) است.

اگرچه استفاده از حرارت باعث کاهش میکروارگانیسم‌ها مانند باکتری‌ها می‌شود، اما این چنین فرایندهایی موجب تغییر در طعم و عطر طبیعی مواد غذایی شده و ویتامین‌های آن‌ها را تخریب می‌نماید.

بنابراین تکنولوژی‌های جایگزین و نوین جهت تولید فراورده‌های ایمن، با طعم حقیقی ماده غذایی، دارای ارزش تغذیه‌ای بدون استفاده از حرارت یا افزودنی‌های شیمیایی به‌وجود آمد.

در بین روش‌های نوین فرایند مواد غذایی و دارویی استفاده از فرایند فشار بالا یا HHP به عنوان بهترین جایگزین فرایندهای حرارتی انتخاب شده است.

اکثر مصرف کنندگان به دنبال مواد غذایی هستند که حداقل فرایند بر روی آن‌ها اعمال شده باشد. بنابراین تولید کنندگان مواد غذایی با این مشکل رو به رو هستند که چگونه ماده غذایی با ویژگی‌های زیر را تولید نمایند:

1. تازه، سالم، با حفظ حداکثر مواد مغذی و ویتامین‌ها
2. قابلیت نگهداری و ماندگاری بالا

برخلاف فرایندهای حرارتی، HHP کیفیت مواد غذایی و سایر مواد را کاهش نمی‌دهد. فشار بصورت آنی و به طور یکنواخت به درون ماده غذایی منتقل شده و به تمام قسمت‌ها می‌رسد. HHP باعث تولید موادی می‌شود که کیفیت ماده تازه را داشته و زمان ماندگاری آن مانند موادی است که با روش‌های سنتی، فرایند شده‌اند.

واژه فرآوری بالا، نوعی تکنولوژی است که با استفاده ازفشار خیلی زیاد 800-500 صورت می‌گیرد. دراین روش، فشار در تمام قسمت‌های ماده بطور یکسان اعمال می‌شود.

دراین روش  برخلاف روش حرارتیT وابسته به زمان و جرم نیست، از این رو زمان لازم برای فرآیند کوتاه خواهد بود. اولین فرآورده تجاری درسال 1991 در ژاپن وارد بازار شد.

توليد فشار بالا در تراکم مستقیم و غیرمستقیم

1. تراکم مستقيم با فشردن ماده ناقل فشار در پيستونی که قطر قسمت انتهايی آن کم باشد. انتهای پيستون توسط يک پمپ کم فشار به حرکت در می‌آيد.
   فایده: تراکم، بسيار سريع صورت می‌گيرد.
   محدودیت: ارتباط بین پیستون و سطح داخلی مخزن
2. در تراکم غيرمستقيم، از يک تشديد کننده فشار بالا، برای انتقال ماده ناقل فشار از يک مخزن به مخزن تحت فشار، استفاده می‌شود. در اکثر سيستم‌های ايزواستاتيک، از اين روش استفاده می‌شود.

طرز کار مخزن فشارهیدرواستاتیک

• ابتدا ماده غذايی در يک ظرف استريل پر می‌شود و پس از محکم شدن درب آن، در مخزن فشار قرار می‌گيرد تا فشار مورد نظر اعمال شود.
• لفاف مورد استفاده کوپليمر اتيلن وينيل الکل (EVOH) و پلی وينيل الکل (PVOH) می‌باشد.
• چون فشار اعمال شده يکنواخت است، بسته بندی تغيير شکل پيدا نمی‌کند.
• پس از پرشدن مخزن با ماده غذايی و بسته شدن درب آن، ماده ناقل به داخل آن تزريق می‌شود.
• اغلب، ماده ناقل، آب می‌باشد که به منظور ايجاد حالت لغزنده و ضد خورندگی، آن را با مقداری روغن مخلوط می‌کنند.
• دراین روش ماده غذایی به مدت مشخص تحت فشار بالا قرار می‌گیرد.
• زمان نگهداری ماده غذایی درمخزن تحت فشار، به نوع ماده غذایی و درجه حرارت فرآیند بستگی دارد.
• درپایان زمان فرآوری، فشار داخل مخزن حذف می‌شود تا مواد فرآوری شده خارج گردند.
• سپس بخش دیگری ازماده غذایی در مخزن فشار قرار می‌گیرد و این چرخه تکرار می‌شود.

انواع فرآیندهای هیدرواستاتیک HHP

فرآیندهای فشار بالا در صنعت معمولا به دوصورت batch و semi-continuous می‌باشند.
انتخاب تجهیزات به نوع ماده بستگی دارد.
مواد جامد یا حاوی ذرات درشت را فقط با استفاده از فرآیند batch می‌توان فرآیند نمود.
فرآورده‌های مایع آبکی و سایر موادی که قابلیت پمپ شدن دارند را با استفاده از فرآیندهای semi-continuous نیز می‌توان فرآیند نمود.

کارایی روش‌های نگهداری مواد با هیدرواستاتیک HHP

1. قادر به از بین بردن میکروارگانیسم‌های پاتوژن موجود در ماده جهت تولید فراورده‌ای ایمن
2. غیرفعالسازی میکروارگانیسم‌هایی که باعث فساد ماده می‌شوند جهت افزایش زمان ماندگاری ماده
3. فرایند HHP باعث ایجاد تغییرات در ساختار میکروارگانیسم‌ها شده و گاهی باعث غیرفعال شدن آن‌ها می‌شود.

فشار هیدرواستاتیک و سلول‌های میکروبی

اسیدهای نوکلئیک نسبت به مولکول‌های پروتئینی در مقابل فشار مقاوم ترند.
ساختمان DNA از پیوندهای هیدروژنی تشکیل شده است.
فشار بالا به تشکیل پیوندهای هیدروژنی کمک می‌کند.
در نتیجه ملکول‌های DNA در فشار بالا پایدارتر از پروتئین‌ها هستند.
در فشارهای بالا همانندسازی و نسخه‌برداری DNA به دلیل حضور آنزیم‌ها مختل می‌شود.

اثر فشارهیدرواستاتیک بالا بر میکروارگانیسم‌ها‌

الف) تغییرات مورفولوژیکی
توقف حرکت و از دست دادن فلاژل‌ها
تشکیل رشته (فیلامنت) در Esherichia coli

ب) غیر فعال شدن میکروارگانیسم‌ها
فشارهای بالا سرعت رشد و تکثیر را کاهش می‌دهند.
فشارهای بسیار بالا میکروارگانیسم‌ها را غیرفعال می‌کنند.
عوامل فوق به نوع میکروارگانیسم و گونه آن بستگی دارد.

مکانيسم غير فعال‌ سازي هیدرواستاتیک

تراوش ترکيبات درون سلولي از طريق غشاء سلولي، نفوذ پذير شده مهمترين دليل مرگ سلولي توسط اعمال فشار بالا است.
اگر فشار به اندازه کافي شديد نبود تا سلول به طور کامل نفوذ پذير شود، نفوذ پذيري تنها در غشاء خارجي سلول رخ مي‌دهد (باکتري‌هاي گرم منفي) .

اکثر پروتئين‌های غشاء خارجي با اعمال فشار هيدرواستاتيک بالا ناپديد مي‌شوند. ميکروارگانيسم‌هاي داراي غشاء با سياليت پايين نسبت به فشار بالا حساس‌تر هستند . دناتوراسيون آنزيم‌هاي کليدي در ميکروارگانيسم توسط فشار از ديگر دلايل مرگ سلول است.

اثر استفاده از فناوری فشارهیدرواستاتیک بالا در شیر

براساس گزارش محققین مقدار کلسیم محلول، دراثر اعمال فشار 200 مگاپاسکال افزایش می‌یابد درحالی که در فشارهای 600-400 مگاپاسکال این مقدار مشابه شیر معمولی است.

در پژوهش دیگری نیز که در این زمینه انجام گردیده است، محققین گزارش کردند که غلظت کلسیم، منیزیوم و فسفر در فاز محلول شیر گاو و بز، در اثر اعمال فشارهای تا 300 مگاپاسکال افزایش یافت. درصورتی که مقدار آن بعد از اعمال فشار 400 مگاپاسکال کمتر از مقدار آن در فشار 300 مگاپاسکال بوده است.

اثر اعمال فشار بر تغییر نمک‌های محلول شیر گوسفندی بسیار چشمگیر‌تر است و مقدار آن با افزایش فشار تا 400 مگاپاسکال، افزایش می‌یابد. تغییرات pH، باعث تغییر در مقدار کلسیم یونی می‌شود. به عنوان مثال، اسیدی کردن محیط باعث تجزیه فسفات کلسیم کلوئیدی می‌گردد. البته به کارگیری همزمان PH=7-5.5 و  فشارهای 200 تا 400 اثر بیشتری بر مقدار کلسیم یونی دارد.

در تحقیقی نشان داده شده است که اثر اعمال فشار بالا باعث تجزیه کاپا کازئین موجود در شیر بز به مقدار زیاد می‌شود. ترتیب تجزیه کازئین‌ها به طور عمده به مقدار سرین فسفات کازئین‌ها بستگی دارد که این امر بدلیل این است که کازئین‌هایی که با فسفات کلسیم کلوئیدی اتصالات قوی‌تر برقرار می‌کنند، کمتر تجزیه می‌گردند.

تجزیه هر مولکول کازئین در شیری که بر روی آن فشار 400 مگاپاسکال اعمال شده است تحت تاثیر pH قرار دارد. لازم به ذکر است که در محدوده pH=5-7.5 مقدار کازئین‌های محلول در شیر با نسب pH=6.7 به علت حلالیت فسفات کلسیم کلوئیدی یا افزایش دفع الکترواستاتیکی، بیشتر می‌باشد.

می توان گفت که براساس گزارش محققین، فرآیند فشار بالا، باعث تجزیه غیر قابل برگشت فسفات کلسیم کلوئیدی که توسط فرآیندهای حرارتی مانند UHT رسوب داده شده، می‌گردد و همچنین باعث تجزیه جزئی فسفات کلسیم کلوئیدی که باعث شکسته شدن میسل‌های کازئین که با تجمع پروتئین آب پنیر-کازئین است، می‌شود.

تمامی این عوامل به همراه قرار گرفتن پروتئین‌های دناتوره شده بر روی مسیل‌های کازئینی تجزیه شده تحت شرایط خاص، سبب تغییراتی در میسل‌های کازئینی شیر در اثر اعمال فشار بالا می‌شود.

در آزمایشی شیرهای پاستوریزه شده (در درجه حرارت 65 درجه سانتیگراد به مدت 30 دقیقه) فشار دیده شده (400مگاپاسکال در22 درجه سانتیگراد به مدت 15 دقیقه)و شیرهایی که هم پاستوریزه شده و هم تحت فشار قرار گرفته شده جهت تولید پنیر کم چرب(32% موادجامد کل)به کار گرفته شدند و مشاهده گردید که اعمال فشار روی شیر، عملکرد پنیر کم چرب را از طریق افزایش دناتوراسیون بتالاکتوگلوبولین و رطوبت باقی مانده در دلمه افزایش می‌دهد.

البته در طی مرحله افزودن نمک، دلمه‌های به دست آمده از شیر تحت فشار، میزان زیادی آب از دست می‌دهند و درنتیجه، اعمال فشار بر شیر پاستوریزه تنها عاملی است که باعث افزایش عملکرد این نوع پنیر می‌شود.

در صورتیکه براثر اعمال فشار روی شیر پس چرخ پاستوریزه،باعث بهبودخصوصیات انعقادی این نوع پنیر می‌شود. سختی پنیر کم چرب تولیدشده از شیر فشار دیده به دلیل افزایش مقدار رطوبت و تجزیه پروتئولیتیکی پنیر کاهش می‌یابد. باید توجه داشت که در تولید این نوع پنیرها، استفاده همزمان از فشار و دمای پاستوریزاسیون در هنگام رسیدگی پنیر، پس از 60 روز باعث تولید پپتیدهای تلخ می‌گردد.

در آزمایش دیگری که در این زمینه انجام گردید هیچگونه تغییر در طعم پنیرهای چدار تهیه شده از شیر پاستوریزه یا شیر تحت فشار مشاهده نشد ولی شیری که تحت فشار قرار گرفته بود دارای بافت ضعیف و چسبناکی بود که احتمال دارد به علت مقدار رطوبت بیشتر در آن باشد. آزمون‌های حسی بر روی پنیر حاصل از شیر بز پاستوریزه تحت فشار نشان داد که از نظر کیفیت مشابه هم می باشند.

نتیجه گیری در مورد هیدرواستاتیک

اعمال فرآیند فشار بالا بر شیر باعث اصلاح خصوصیات شیر و ساختار اجزا شیر بخصوص پروتئین‌های آن و تشکیل ژل می‌شود که این موضوع امکان حفظ ارزش غذایی آن را نیز فراهم می‌آورد و همچنین باعث  تسریع در رسیدن پنیر می‌گردد اما تاثیر قابل ملاحظه‌ای بر روی کیفیت کلی ندارد اگرچه در این زمینه باید تحقیقات بیشتری انجام گردد.