METODE ŞI TEHNICI NONTERMICE DE PROCESARE A PRODUSELOR ALIMENTARE ÎN VEDEREA CREŞTERII CONSERVABILITĂŢII

Procesarea alimentelor este procesul de transformare al materiilor prime alimentare în

produse de larg consum şi menţinerea calităţii acestora pe perioada depozitării, transportului şi

comercializării. Obiectivele procesării sunt concentrate, în special, în adaptarea proprietăţilor

produselor finite la cerinţele fiziologice şi nutriţionale. Aceasta presupune eliminarea substanţelor

nealimentare, concentrarea componentelor dorite şi îndepărtarea celor nedorite din materia primă,

precum şi menţinerea proprietăţilor alimentare iniţiale ale acesteia în cel mai înalt grad posibil şi

chiar îmbunătăţirea lor printr-o procesare cât mai echilibrată posibil [5].

Procesele tehnologice aplicate în industria alimentară sunt într-o continuă perfecţionare

determinată de ritmul rapid de dezvoltare al ştiinţei şi tehnicii în acest domeniu [6]. În acest cadru,

pentru evitarea sau reducerea contaminării microbiologice, prin utilizare de tratamente termice de

procesare, se pierd calităţile alimentelor datorate reacţiilor enzimatice, iar limitarea acestor pierderi

este o preocupare majoră a industriei alimentare. Alături de metodele convenţionale de tratare

termică a alimentelor, o serie de metode moderne de tratare încep să fie aplicate în procesarea

alimentelor. Motivele de dezvoltare şi aplicare de metode noi, moderne, în procesarea alimentelor

sunt următoarele: creşterea calităţii nutritive, microbiologice şi senzoriale a produselor alimentare;

creşterea caracteristicilor tehnologice ale materiilor prime şi ale semifabricatelor; creşterea

diversităţii produselor şi mărirea intrinsecă a valorii produselor gata preparate. În plus, criteriile

economice şi de protejare ale mediului, care trebuie să îndeplinească cererile de protecţie ale

consumatorului, contribuie la dezvoltarea viitoare a metodelor de procesare a alimentelor. Aceste

metode devin din ce în ce mai importante de când, prin aplicarea lor, singure sau în combinaţie, este

posibil să se obţină proprietăţi noi şi calităţi superioare pentru produsele alimentare [5].

1.1. Enumerare si prezentare tehnici

1.1.1. Procesarea produselor alimentare prin intermediul câmpurilor electrice pulsatorii

Câmpul electric pulsatoriu (PEF-pulsed electric field) este o tehnologie de procesare

minimală nontermică care, pentru cercetătorii din domeniu, reprezintă un proces alternativ de

conservare a alimentelor lichide. Acest proces oferă posibilitatea prelungirii duratei de păstrare a

alimentelor, conducând la îmbunătăţirea aspectului, aromei, valorii nutriţionale, calităţii şi

conţinutului proaspăt al produsului procesat.

Procesarea alimentelor prin tehnica PEF se realizează prin introducerea produselor

alimentare într-o cameră de tratare prevăzută cu doi electrozi formaţi dintr-un material inert precum

titaniul. În această incintă produsul alimentar este supus acţiunii unor impulsuri electrice de durată

foarte scurtă şi cu o intensitate foarte mare. În alcătuirea sistemului de tratare PEF intră un generator

de impulsuri, un condensator de stocare a energiei, o cameră de tratament, o pompă care asigură

circulaţia fluidului supus tratamentului, un dispozitiv de răcire, un dispozitiv de măsurare a

parametrilor (de exemplu tensiunea, curentul în impuls, temperatura ,etc.) şi un computer pentru

controlul operaţiilor (vezi fig. 1.1.) [92].

Procesul PEF implică tratarea alimentelor prin aplicarea de impulsuri de voltaj ridicat,

între 20 - 80 KV, de obicei doar pentru câteva secunde. Utilizarea voltajului ridicat în câmp electric

determină inactivarea microbiană. Acest câmp electric poate fi aplicat în forma declinului

exponenţial, formă ondulată, bipolară sau câmpuri oscilatorii, la temperaturi ridicate. După aplicarea

tratamentului de recomandă ambalarea aseptică a produselor minimal procesate şi păstrarea acestora

la temperaturi de refrigerare.

Fig.1.1.

Diagrama de flux a unui proces PEF în flux continuu

Figure 1.1. Continuous PEF flow diagram [92]

Un câmp electric pulsatoriu aplicat unei suspensii celulare cauzează o diferenţă de

potenţial care traversează membrana şi induce o creştere rapidă în conductivitatea şi permeabilitatea

membranei. Astfel, în timpul tratamentului cu câmpuri electrice pulsatorii se produce liza celulelor

microbiene datorită unor modificări structurale ireversibile în membranele celulare, prin formarea de

pori şi distrugerea barierei semipermeabile a membranei. Acest proces este cunoscut sub numele de

electroporare şi inactivează eficient microorganismele.

În urma acestui tratament microorganismele sunt inactivate, iar activitatea enzimatică

este redusă în scopul creşterii termenului de valabilitate a produselor alimentare tratate fără

adăugarea de substanţe chimice nedorite sau utilizarea temperaturilor înalte. Suspensiile de

microorganisme au fost supuse, în vederea inactivării, unor câmpuri electrice de până la 25 kV/cm,

care au fost aplicate sub forma unei serii de impulsuri de curent continuu cu o durată de 2-20 µs.

După aplicarea a 10 impulsuri de câte 20 µs la 19,5 kV s-a constatat creşterea temperaturii până la

10oC [19].

Unul din avantajele utilizării câmpului electric pulsatoriu faţă de metodele de procesare

termică, care asigură sterilitatea artificială a alimentelor, este cantitatea scăzută de căldură produsă.

Ca rezultat al creşterilor mici de temperatură în timpul procesării, alimentele reţin caracteristicile

fizice, chimice şi nutriţionale de „proaspăt” şi au o conservabilitate satisfăcătoare când sunt păstrate

la temperatura mediului ambiant. Astfel, sucul de mere supus procesării prin tehnica PEF a avut o

temperatură de 35-40C pe toată durata tratamentului. Acest lucru a fost posibil prin combinarea

sistemului de răcire cu scurgerea controlată, cu ajutorul unei pompe, a lichidului supus

tratamentului. Temperatura sucului de mere a fost verificată atât înainte cât şi după aplicarea

tratamentului PEF, camera de tratare utilizată fiind prevăzută cu un termocuplu atasat la conductă şi

cu un termometru cu mercur în interiorul sticlei. Temperatura sucului de mere la intrarea în camera

tratament şi la ieşire a fost cuprinsă în intervalul 12-15C. Sucul de mere tratat a fost păstrat la 4C,

timp de 28 de zile fără a înregistra nici o creştere semnificativă a numărului de microorganisme, iar

activitatea pectinmetilsterazei a scăzut cu 55% [86].

Tehnologia PEF poate fi aplicată:

pentru îmbunătăţirea transferului de masă la procesarea materialelor vegetale în cadrul

proceselor de deshidratare şi extracţie prin inducerea stresului pentru creşterea producţiei de

metaboliţi;

pentru permeabilizarea controlată a membranelor biologice în scopul eliberării controlate a

unor anumiţi metaboliţi din plante şi microorganisme;

în domeniul medical, pentru izolarea celulelor stem în terapia genică sau distrugerea

celulelor canceroase în cazul transplantului de măduvă osoasă;

ca alternativă la procesarea termică a produselor alimentare, în scopul creşterii

conservabilităţii acestora [31].

Primul sistem comercial PEF a fost instalat la “Ohio State University’s Department of

Food Science and Technology”, în S.U.A. Acest sistem PEF face parte dintr-un sistem nou de

tratament aplicat alimentelor, realizat prin sponsorizarea DoD. Diversified Technologies Inc.,

Bedford, MA, care au realizat sisteme comerciale de procesare PEF pentru volume cuprinse între

500 şi 2000 litri.

Inactivarea populaţiei microbiene depinde de intensitatea câmpului electric, de durata

tratamentului, frecvenţa pulsurilor, polaritatea pulsurilor, forma pulsurilor, concentraţia şi natura

celulelor tratate [43]. Drojdiile sunt mult mai sensibile decât bacteriile vegetative. Microorganismele

care se află în faza de creştere exponenţială sunt inactivate mai repede şi într-un procent mai mare

faţă de cele care se află în faza de lag.

Cercetările au demonstrat că pentru majoritatea ţesuturilor plantelor tratamentul la

temperatura camerei, cu câmpuri electrice de 500-1000 V/cm, timp de10−4–10−2 secunde permite

atingerea unui nivel înalt de distrugerea a celulelor. Tratamentul PEF la temperaturi moderate

(≈50 °C) permite o scădere apreciabilă a intensităţii câmpului electric şi a duratei tratamentului [84].

Celulele vegetative de Bacillus cereus au fost inactivate prin utilizarea unei doze scăzute

de nisină, respectiv 0.06 mg/ml, concomitent cu aplicarea unui tratament moderat cu câmpuri

electrice pulsatorii (16.7 kV/cm, 50 pulsuri cu o durată de 2-ms). Sinergismul dintre nizina şi PEF a

condus la o reducere cu 1,8 unităţi logaritmice [53].

1.1.2. Iradierea produselor alimentare

Iradierea sau tratamentele ionizante aplicate produselor alimentare reprezintă o metodă

de procesare fizică în vederea conservării acestor produse [51].

Principiul acestei metode presupune producerea unei cantităţi controlate de raze beta sau

raze X prin intermediul radiaţiilor ionizante din izotopii radioactivi de cobalt sau cesiu sau din

electronii acceleratori în vederea tratării produselor alimentare. Alimentele tratate astfel nu devin

radioactive.

Cercetările efectuate în acest domeniu, de mai bine de 40 de ani, au demonstrat că

iradierea alimentelor poate conduce la:

distrugerea insectelor şi paraziţiilor din cereale, boabe de fasole uscată, fructe şi legume

deshidratate, carne şi fructe de mare;

prevenirea încolţirii cartofilor sau cepei;

întârzierea maturării fructelor şi legumelor;

reducerea numărului de microorganisme din alimente.

Astfel incidenţa îmbolnăvirilor cauzate de agenţi patogeni prezenţi în alimente poate fi

scăzută şi valabilitatea produselor alimentare poate fi prelungită.

Proctor şi Goldblith (1951) au concluzionat că alimentele pot fi sterilizate prin radiaţii

ionizante şi au făcut o serie de observaţii în acest sens:

(1) Mediul în care microorganismele au fost iradiate a constituit un factor important în ceea

ce priveşte determinarea dozei corecte de radiaţie pentru inactivarea bacteriană.

(2) Enzimele au fost mai rezistente la radiaţiile ionizante decât bacteriile.

(3) Iradierea alimentelor în stare congelată a diminuat apariţia schimbărilor de aromă în lapte

şi suc de portocale.

Radiaţiile ionizante (razele gamma şi razele x) au o lungime de undă foarte scurtă şi o

energie foarte mare, destul de mare încât să producă o modificare a atomului prin cedarea unui

electron pentru a forma un ion, dar nu suficient de mare pentru a distruge atomii şi a transforma

sursele expuse în surse radioactive. De aceea, sursele de radiaţie permise pentru procesarea

alimentelor (Cobalt-60, Cesiu-137, electroni acceleraţi şi raze x) nu pot transforma alimentele în

alimente radioactive.

Utilizarea electronilor proveniţi din generatoare de fascicule de electroni pun mai puţine

probleme de sănătate decât razele gamma. Fasciculele de electroni pot fi direcţionate şi sunt puţin

penetrante, generatoarele pot fi oprite pentru reparaţii şi mentenanţa echipamentelor, în plus nu

prezintă pericol de material radioactiv după un incendiu, o explozie sau alte catastrofe de acest gen.

În schimb, razele gamma sunt emise în toate direcţiile, sunt emise în mod continuu, au putere mare

de penetrare şi provin din surse radioactive. De aceea razele gamma impun asigurarea unei protecţii

mult mai mari pentru muncitori.

Efectul bactericid al radiaţiilor ionizante are loc atunci când microorganismele iradiate

sunt distruse prin trecerea unei particule ionizante sau a unui quatum de energie prin, sau în

vecinătatea apropiată, porţiunea sensibilă a unei celule. Această lovitură directă a celulei produce

ionizarea regiunii sensibile a celulei microorganismului şi ulterior moartea. Efectul germicid

înregistrat în urma ionizării mediilor, în special a apei, este produs de radicalii liberi, obţinuţi fie

prin oxidare fie prin reducere, şi care produc astfel distrugerea microorganismelor. Acest efect este

redus dacă alimentul este iradiat în stare congelată. Iradierea poate de asemenea produce mutaţii ale

acestor organisme.

Sporii bacterieni sunt mult mai rezistenţi la radiaţiile ionizante decât celulele vegetative.

Bacterile Gram-pozitive sunt mult mai rezistente la tratamentul cu radiaţii ionizante decât bacteriile

Gram-negative. Rezistenţa drojdiilor şi mucegaiurilor la acest tip de tratament variază considerabil,

câţiva fiind foarte rezistenţi în comparaţie cu majoritatea bacteriilor. În tabelul 1.1. sunt prezentate

nivele ale radiaţiilor ionizante, exprimate în KiloGray (kGy), la care devin letale pentru o serie de

microorganisme.

Tabel 1.1. Exemple de doze letale de radiaţii ionizante pentru inactivarea microorganismelor*

Table 1.1. Lethal doses examples of ionized radions for microorganisms inactivation*

Organisme Doza letală aproximativă (kGy)

Insecte 0.22 - 0.93

Virusuri 10 - 40

Drojdii (fermentative) 4 - 9

Drojdii (film) 3.7 - 18

Mucegaiuri (cu spori) 1.3 - 11

Bacterii (patogene):

Mycobacterium tuberculosis

Staphylococcus aureus

Cornybacterium diphtheriae

Salmonella spp.

1.4

1.4 - 7.0

4.2

3.7 - 4.8

Bacterii (saprofite):

Gram-negative:

Escherichia coli

Pseudomonas aeruginosa

Pseudomonas fluorescens

Enterobacter aerogenes

1.0 - 2.3

1.6 - 2.3

1.2 - 2.3

1.4 - 1.8

Gram-pozitive

Lactobacillus spp. 0.23 - 0.38

Streptococcus faecalis

Leuconostoc dextranicum

Sarcina lutea

1.7 - 8.8

0.9

3.7

Spori bacterieni:

Bacillus subtillus

Bacillus coagulans

Clostridium botulinum (A)

Clostridium botulinum (E)

Clostridium perfringens

Putrefactive anaerobe 3679

Bacillus stearothermophilus

12 - 18

10

19 - 37

15 - 18

3.1

23 - 50

10 - 17

* Adaptat după Frazier, W.C., şi Westhoff, D.C. 1988. Capitolul 10. Preservation by radiation. In Food Microbiology (a patra ediţie). McGraw-Hill. New York, NY.

Efectul bactericid al dozei de iradiere depinde de:

numărul, tipul, faza de dezvoltare şi specia de microorganism;

compoziţia produsului alimentar; de exemplu anumiţi compuşi pot avea un rol de protecţie

(nitriţi, sulfiţi, compuşi sulfhidril), în timp ce compuşii cu grupări SH vor exercita un efect de

sensibilizare;

efectul prezenţei sau absenţei oxigenului, care variază în funcţie de organism, variind de la

producerea niciunui efect până la sensibilizarea organismului;

starea fizică a alimentului pe parcursul iradierii, de exemplu umiditatea şi temperatura

afectează diferite organisme în diferite moduri [23].

Perioada de valabilitate a unor produse de origine vegetală în stare proaspătă (ciuperci,

cartofi, tomate, ceapă, mango, papaya, banana, piersici, căpşuni, smochine) poate fi prelungită dacă

se aplică doze scăzute de radiaţii, astfel încât să nu se producă pierderi de calitate. Calitatea unor

produse de origine vegetală (anumite citrice, avocado, pepene, pere, prune) poate fi afectată de acest

tip de tratament. În tabelul 1.2. sunt prezentate o serie de aplicaţii ale tratamentului prin iradiere

asupra produselor alimentare.

Tabel 1.2. Aplicaţii ale tratamentului cu iradiere asupra produselor alimentare*Table 1.2. Applications of irradiation treatment on food products*

Produsul alimentarDoza de

iradiere în kGy

Efectul tratamentului aplicat

Carne, carne de pasăre, peşte, fructe de mare, anumite legume, produse coapte,

alimente preparate

20 - 71

Sterilizare. Produsele tratate pot fi păstrate la temperatura camerei fără a se altera. Produsele

tratate sunt sigure pentru pacienţii din spitale care au nevoie de hrană microbiologic sterilă.

Condimente şi alte ierburi aromatice

maximum până la 30

Reducerea numărului de microorganisme şi insecte. Înlocuieşte substanţele chimice utilizate în

acest scop.

Carne, carne de pasăre, peşte 0.1 - 10Întârzie alterarea prin reducerea numărului de

microorganisme în produsele alimentare refrigerate în stare proaspătă.

Căpşuni şi alte fructe 1 - 5Prelungirea duratei de valabilitate prin întârzierea

creşterii şi dezvoltării mucegaiurilor.

Cereale, fructe, legume, alte alimente care pot fi infestate

cu insecte0.1 - 2

Distruge insectele şi previne înmulţirea acestora. Poate înlocui parţial substanţele fumigante aplicate

post-recoltă pentru prevenirea apariţiei şi înmulţirii insectelor

Banane, avocado, mango, papaya, guave, şi alte fructe

de acest gen

1.0 maximum

Întârzierea maturării

Cartofi, ceapă, usturoi, ginger 0.05 - 0.15 Inhibarea germinării

Cereale, legume deshidratate şi alte alimente

diferite dozeInducerea unor modificări dorite (de ex. reduce

timpul de rehidratare)

* Adaptat după Consiliul American al Ştiinţei şi Sănătăţii 1988. Irradiated Food (a treia ediţie).

Organizaţia Mondială a Sănătăţii (World Health Organization - WHO) a declarat că

alimentele iradiate, procesate prin respectarea Bunelor practici de producţie (Good Manufacturing

Practices - GMP) sunt sigure pentru consumul uman şi au valoare nutritivă adecvată deoarece:

tratamentul de iradiere al alimentelor nu produce schimbări ale compoziţiei produsului, care

din punct de vedere toxicologic ar putea provoca un efect advers asupra sănătăţii umane;

tratamentul de iradiere al produselor alimentare nu produce schimbări ale microflorei

alimentului, care pot creşte riscurile microbiologice la care este expus consumatorul;

tratamentul de iradiere a produselor alimentare nu produce schimbări din punct de vedere

nutriţional, nefiind astfel înregistrate pierderi ale nutrienţilor produselor tratate, care să efecteze

starea de nutriţie a consumatorilor individuali sau ale grupurilor de consumatori.

Evaluarea produselor alimentare în ceea ce priveşte siguranţa pentru consumul uman a

impus efectuarea de teste radiologice, microbiologice, nutriţionale şi toxicologice.

1.1.3. Metode de procesare a produselor alimentare la presiune hidrostatică înaltă

În termeni moderni, tehnologia de tratare la presiuni înalte (UHP – ultra high presure)

este o tehnică de procesare nouă, non-termică, prin care produsele sunt supuse unei presiuni

hidrostatice înalte, în general în domeniu 100 – 600 MPa, la temperatura camerei [51].

Tehnologia UHP având un caracter non-termic deschide noi oportunităţi pentru industria

alimentară în ceea ce priveşte realizarea de noi produse cu calităţi senzoriale şi nutriţionale

superioare, cu modificări nedorite minime, cum ar fi: pierderi de aromă, culoare şi substanţe

nutritive, cu o textură nouă, mult mai convenabilă, mai sigure pentru consum şi cu o conservabilitate

comercială mai mare.

Sub influenţa presiunii înalte, biomoleculele îşi modifică comportamentul conform

principiului Le Chartelier-Braun, promovând reacţiile de scădere în volum şi inhibând reacţiile de

creştere în volum [25]. Datorită acestui fapt la o temperatură relativ joasă (0-400C) legăturile

covalente sunt aproape neafectate de presiunea înaltă, în schimb structurile terţiare şi cuaternare ale

moleculelor, care sunt menţinute în primul rând prin intermediul interacţiilor hidrofobe şi ionice

asociate, se modifică în urma tratamentului cu presiune înaltă de 1200 MPa [25]. În consecinţă

presiunea înaltă inactivează microorganismele, afectează structura polimerilor şi activitatea

enzimelor, în timp ce factorii care determină calitatea alimentului, cum sunt de exemplu factorii

nutriţionali sau caracteristicile funcţionale, rămân neschimbaţi. Presiunea înaltă conferă posibilitatea

îmbunătăţirii procesării, iar caracteristicile unice de păstrare a legăturilor covalente intacte în timpul

comprimării, activarea/inactivarea selectivă a enzimelor, distrugerea bacteriană şi capacitatea de

retenţie a calităţilor senzoriale într-un ritm mult mai mare decât într-un proces termic reprezintă

câteva dintre avantajele acestui proces, care are ca rezultat producerea de alimente de calitate

superioară [28].

Transformările alimentelor sub efectul presiunii înalte pot fi ireversibile sau reversibile,

în funcţie de proces, substanţele implicate, condiţiile de mediu, timpul de expunere, combinaţia

dintre presiune şi temperatură. Efectele tratamentului cu presiune înaltă asupra sistemelor alimentare

sunt dependente în principal de efectele presiunii şi temperaturii asupra proprietăţilor termodinamice

şi de transport ale sistemelor alimentare, incluzând componentele acestora şi interacţiunile dintre

ele. Câteva proprietăţi termodinamice relevante ale tratamentului cu presiune înaltă sunt densitatea,

compresibilitatea, coeficientul termic de presiune adiabatică, proprietăţile fazei de tranziţie (ex.

fierberea şi temperatura de topire), solubilitatea şi modificările acestora. Presiunea este o variabilă a

stării fizice care influenţează valorile acestor proprietăţi [53].

Avantajele şi limitările folosirii metodei presiunii hidrostatice sunt redate în continuare:

Avantajele folosirii presiunii înalte:

(1) Aplicarea presiunii înalte nu este dependentă de mărimea şi forma alimentului.

(2) Aplicarea presiunii înalte este independentă de raportul timp/masă şi acţionează instantaneu

reducând timpul de prelucrare.

(3) Aplicarea presiunii înalte nu rupe legăturile covalente; în consecinţă nu se dezvoltă arome

străine în produs, menţinându-se astfel aroma naturală a produselor.

(4) Presiunea înaltă poate fi aplicată la temperatura camerei reducându-se astfel cantitatea de

energie termică necesară pentru produsele alimentare în timpul prelucrării convenţionale.

(5) Deoarece presiunea înaltă este un proces izostatic (se propagă uniform în tot produsul),

alimentul este conservat uniform fără ca alte particule să poată pătrunde în timpul tratamentului.

(6) Procesul nu afectează mediul înconjurător, necesită numai energie electrică şi nu se produc

deşeuri.

(7) Se mențin aroma, nutrienţii şi culoarea alimentelor tratate la presiuni înalte, atunci când

procesul are loc la temperaturi joase.

(8) Procesul nu depinde de dimensiunea şi forma produsului, presiunea este distribuită uniform şi

instantaneu, toate acestea reducând timpul de prelucrare comparativ cu procesele convenţionale.

Limitările presiunii înalte sunt:

(1) Enzimele din alimente şi sporii bacterieni sunt rezistenţi la presiune şi necesită pentru inactivare

o presiune foarte înaltă.

(2) Activitatea enzimatică reziduală şi oxigenul dizolvat duce la o degradare enzimatică şi oxidativă

a anumitor componente din aliment.

(3) Majoritatea alimentelor tratate la presiune înaltă necesită depozitare şi distribuţie la temperatură

josă, pentru a păstra calităţile senzoriale şi nutritive.

(4) Mecanismelor şi efectele asupra alimentelor şi constituenţilor celulari nu sunt pe deplin

elucidate.

Cercetările privind efectul presiunii înalte asupra alimentelor şi microorganismelor din

alimente au început cu studii pe lapte, carne şi microflora acestora. S-a observat că laptele supus la o

presiune de 600 MPa, timp de 10 minute, la temperatura camerei a avut ca efect scăderea numărului

de bacterii. Carnea expusă la presiunea de 520 MPa pentru o oră la 250C a prezentat o

conservabilitate de 3 săptămâni (Farr, 1990). Rezistenţa microorganismelor la presiune înaltă

variază mult, iar reducerea încărcăturii microbiene este în directă legătură cu nivelul presiunii

hidrostatice înalte aplicate (de asemenea cu temperatura, care este dependentă de presiune datorită

căldurii adiabate), tipul şi faza de creştere a microorganismului, matricea alimentului şi condiţiile

mediului înconjurător (ex. factorilor fizico-chimici şi sinergetici) (Aleman şi colab., 1994; Arroyo şi

colab., 1997; Linton şi Patterson, 2000; Farkas şi Hoover, 2000; Furukawa şi colab., 2002; He şi

colab., 2002; Ludwig şi colab., 2002).

Calitatea şi siguranţa produselor alimentare tratate la presiuni înalte depinde în mare

măsura de proprietăţile microorganismelor care contaminează alimentul.

Cercetătorii au demonstrat că presiunea înaltă inactivează microorganismele inducând

transformări în morfologia acestora, la nivelul reacţiilor biochimice, a mecanismelor genetice şi

membranelor celulare [26]. Rezultatele studiilor efectelor presiunii înalte asupra supravieţuirii

bacteriilor patogene ca: Listeria monocytogenes, Aeromonas hydrophila şi Enterococcus hirae - cu

care au fost contaminate artificial alimente precum şuncă afumată, brânzeturi maturate şi sucuri de

fructe indică faptul că numărul microorganismelor descreşte proporţional cu presiunea aplicată şi

durata tratamentului, iar efectele acestor doi factori sunt semnificative (nivel sau probabilitate, P≤

0.001).

Inactivarea sporilor bacterieni prezintă un interes special pentru sterilizarea alimentelor

slab acide, spre deosebire de alimentele acide (sucurile de fructe si gemurile, iaurt şi carnea

acidulată) unde pH-ul scăzut serveşte drept inhibitor pentru creşterea bacteriană. Studiile au arătat că

unii constituenţi alimentari şi interacţiunile lor au efecte protectoare la influenţa presiunii asupra

florei naturale microbiene spre deosebire de studiile în care sunt folosite soluţiile-tampon sau culturi

pure din laboratoare (Calik şi colab., 2002; Castellari şi colab., 2000; Gauzle şi colab., 2001). În alte

studii, substanţe ca: zaharoza, trehaloza, glucoza şi clorura de sodiu au cauzat efecte sinergice; în

timp ce glicerolul, acidul citric şi acidul sorbic au redus acţiunea presiunii asupra inactivării

microorganismelor [53]. De asemenea, există dovezi experimentale, precum faptul că sterilizarea cu

presiune poate fi îmbunătăţită suplimentar când procesul are loc la temperatură scăzută, inclusiv la

temperaturi sub 0oC (Hashizume şi colab., 1995;1996; Hayashi şi colab., 1998). Inactivarea

microbiologică se realizează mai rapid decât cea enzimatică (Smelt, 1998).

De asemenea s-a observat că bacterii Gram negative au fost inactivate la presiune joasă,

comparativ cu bacteriile Gram pozitive, iar drojdiile au sensibilitate la presiune intermediară acestor

două grupe de bacterii. Efectul presiunii înalte asupra viabilităţii microorganismelor este, în mod

evident, o combinaţie a factorilor care pot cauza modificări în morfologie, profilul genetic, în

reacţiile biochimice, ale membranelor celulare şi sporilor. Presiunea înaltă modifică permeabilitatea

membranelor celulare având drept rezultat tulburarea mecanismelor de transport, conducând la

pierderea nutrienţilor şi în cele din urmă la moartea celulelor [27]. Schimbările induse în morfologia

celulei pot fi reversibile la presiune joasă, dar ireversibile la presiune înaltă (Farr, 1990).

Hayakawa (şi colab., 1994), a demonstrat că sporii microbieni pot fi distruşi prin

aplicarea unui tratament combinat dintre temperatură (de 800C) şi presiune înaltă (de 600 MPa).

Aceasta combinaţie de tratament pare a fi eficace doar când presiunea este aplicată în pulsuri scurte.

Microorganismele patogene care nu formează spori, Listeria monocytogenes şi Vibrio

parahaemolyticus, prezintă rezistenţă la inactivarea cu presiune (Styles şi colab., 1991 ). Mussa (şi

colab., 1999) a studiat cinetica distrugerii la presiune înaltă a Listeriei monocytogenes în laptele

crud. Acesta a observat un efect dublu de distrugere a microorganismelor cu presiune constând din

(i) presiunea care poate inactiva instantaneu microorgasnismul prin aplicarea unui puls fără nici un

timp de menţinere, (ii) urmat de o viteză de distrugere cu o cinetică de ordinul întâi pe perioada de

aplicare a tratamentului [48].

1.1.4. Utilizarea agenţilor antimicrobieni din plante în vederea creşterii conservabilităţii produselor alimentare

În ultimii ani, a crescut interesul pentru utilizarea extractelor din plante şi a uleiurilor

esenţiale în vederea conservării produselor alimentare. Din punct de vedere chimic, uleiurile

esenţiale sunt formate dintr-un amestec de esteri, aldehide, cetone şi terpene. Au fost testate

proprietăţile antimicrobiene ale uleiurilor esenţiale în combinaţie cu diferite tratamente (de ex. filme

edibile şi iradiere) împotriva microorganismelor de alterare în medii de cultură şi produse procesate,

în special împotriva fungilor asociaţi cu alterarea post-recoltă a fructelor şi legumelor şi a drojdiilor

şi mucegaiurilor prezente în produsele minimal procesate din fructe.

Uleiurile esenţiale de cuişoare, cimbru, dafin şi scorţişoară inhibă complet creşterea

tuturor speciilor studiate timp de 30 de zile aşa cum se observă în tabelul 1.3. În prezenţa acestor

uleiuri esenţiale s-a observat că faza de lag a creşterii microorganismelor a fost de asemenea

prelungită. Acesta fiind un indicator important în vederea extinderii duratei de păstrare dincolo de

domeniul de activitatea apei şi temperatură stabilite deja pentru conservarea produselor de

panificaţie în condiţii optime. Patkar şi col. (1993) a demonstrat că o concentraţie de 500 ppm ulei

esenţial de scorţişoară inhibă complet creşterea tulpinii aflatoxigene de Aspergillus flavus pe mediu

de cultură, la nivel de laborator, timp de 7 zile; acelaşi efect de inhibare a creşterii lui Aspergillus

flavus poate fi obţinut folosind ulei esenţial de cuişoare cu o concentraţie de 1250 ppm. Azzouz şi

Bullerman (1982) au raportat o activitate antifungică a uleiurilor esenţiale de cuişoare şi scorţişoară

asupra anumitor specii de Aspergillus şi Penicillium. [63]

Tabel 1.3. Rata de inhibare a creşterii radiale (%) pentru 5 tulpini de fungi cultivate la 25oC pe 2% agar cu făină de grâu, în prezenţa a 20 de uleiri esenţiale din plante în concentraţie de 500 ppm, la aw 0,95 şi pH 6

Table 1.3. Radial growth inhibition (%) of five fungal strains growing at 25oC on 2% wheat flour agar in the presence of 500 ppm of 20 plant essential oils at aw 0.95 and pH 6

Uleiuri esenţiale din plante

Rata de inhibare a creşterii (%)

Aspergillus ochraceus

Cladosporium herbarum

Penicillium corylophium

Penicillium verrucosum

M450

Penicillium verrucosum

PV3

Busuioc –tip linalol

Busuioc–tip metil cavicol

Dafin

Scorţişoară

Cuişoare

Eucalipt

Ghimbir

Grapefruit

Cymbopogon citratus

Citrus latifolia

Origanum majorana

Myristica fragrans

-16.42

-13.51

100.00

100.00

100.00

-4.73

-6.18

-9.46

-32.76

-6.36

-7.14

-10.21

100.00

0.41

100.00

100.00

100.00

11.35

29.33

5.02

100.00

31.68

-4.11

69.85

26.49

12.74

100.00

100.00

100.00

8.26

5.71

14.67

11.80

17.67

6.16

7.91

-11.48

-11.48

100.00

100.00

100.00

-25.47

-3.15

-12.79

5.96

-11.32

-9.23

-2.86

-14.77

-38.85

100.00

100.00

100.00

-50.39

-25.35

-75.15

-10.36

-53.78

-51.73

-50.24

Portocal

Mentha piperita

Pinus sylvestris

Rozmarin

Salvia officinalis

Mentha spicata

Foeniculum vulgare varietatea dulce

Cimbru

-19.06

-19.06

-8.28

-7.60

-19.56

-21.66

-21.04

100.00

36.83

34.11

12.68

17.84

33.00

100.00

61.56

100.00

3.25

5.62

0.96

4.66

9.24

4.18

20.99

100.00

-14.84

-21.97

-27.37

-17.46

-17.27

-28.24

-8.31

100.00

-34.58

-18.54

-49.41

-53.81

-71.97

-30.30

-41.56

100.00

Aspergillus flavus, unul dintre cele mai toxigene mucegaiuri prezent în produsele

alimentare, în natură şi unul dintre cei mai frecvenţi contaminanţi ai făinii utilizate în panificaţie s-a

dovedit a fi sensibil la anumite uleiuri esenţiale, aşa cum se poate observa în tabelul 1.4.

Tabel 1.4. Concentraţia minimă inhibitoare (CMI) a anumitor compuşi antimicrobieni selectaţi împotriva Aspergillus flavus pe mediu de cultură PDA (potato destrose agar) la aw 0,99 sau aw 0,95 şi pH 3,5 sau 4,5.

[63]

Table 1.4. Minimum inhibitory concentrations of selected antimicrobials against Aspergillus flavus in PDA at aw 0.99 or 0.95 and pH 3.5 or 4.5 [63]

Compus antimicrobian

Concentraţia minimă inhibitoare (ppm)

aw 0,99 aw 0,95

pH 3,5 pH 4,5 pH 3,5 pH 4,5

Vanilină

Eugenol

Carvacrol

Timol

Citral

1300

600

300

400

1800

1300

500

400

400

1800

1300

600

200

300

1400

1100

500

300

300

1600

Benzoat de sodiu

Bisulfit de sodiu

Sorbat de potasiu

200

< 100

400

1500

900

800

300

300

200

1100

700

300

Uleiurile esenţiale au fost testate în două moduri pentru a dovedi controlul mucegaiurilor

de alterare în pâine. În primul rând, compuşii volatili produşi de uleiurile esenţiale au fost folosiţi la

ambalarea pâinii, iar în al doilea rând s-au făcut încercări pentru a încorpora uleiuri esenţiale în

concentraţii scăzute, cu ingredientele folosite la obţinerea pâinii. Nielsen şi Rios (2001) au studiat

eficacitatea compuşilor volatili la ambalarea în atmosferă modificată pentru a controla creşterea

fungilor de alterare a pâinii din făină de secară. Uleiul esenţial de muştar în fază de vapori la o

concentraţie de 1-10 µg/ml a fost eficient împotriva fungilor de alterare cum ar fi Penicillium

commune, Penicillium roquefortii, Aspergillus flavus şi Endomyces fibuliger. Uleiurile esenţiale de

scorţişoară, usturoi şi cuişoare pot ţine sub control creşterea mucegaiurilor pe feliile de pâine.

Vanilia nu a demonstrat efecte inhibitoare, iar Aspergillus flavus a fost cea mai rezistentă specie

testată. Concentraţia minimă inhibitoare (CMI) este dependentă de compusul activ aliltiocianat, fiind

nevoie de o concentraţie de cel puţin 3,5 µg/ml pentru a obţine un efect fungicid. Introducerea unor

săculeţe mici sau discuri impregnate cu uleiuri esenţiale în interiorul ambalajelor poate fi o cale

eficientă care permite eliberarea compuşilor volatili din uleiurile esenţiale pentru a controla

creşterea mucegaiurilor de alterare în produsele de patiserie, mai ales dacă acestea pot fi combinate

cu atmosfera modificată.

Încorporarea directă a uleiurilor esenţiale (scorţişoară, cuişoare, cimbru şi muştar) în

pâine sau în produse de panificaţie similare le reduce acestora eficacitatea, în comparaţie cu

rezultatele obţinute pe medii de cultură, la nivel de laborator. Atunci când este incorporat direct în

procesul de obţinere a pâinii, eficacitatea uleiurilor esenţiale pare să fie scăzută.

Tratamente termice blânde combinate cu adăugarea de acid ascorbic, vanilină, reducerea aw şi

controlul pH-ului au fost aplicate piureului din căpşune minimal procesate (Cerrutti şi col., 1997).

Pentru a reduce aw până la valoarea de 0.95 în piureul de căpşune proaspăt, s-a adăugat sucroză.

Apoi s-a adăugat 500 ppm acid ascorbic, 1000 ppm lactat de calciu şi 3000 ppm vanilină, acidul

citric a fost folosit pentru a reduce pH-ul până la valoarea 3. Stabilitatea piureului de căpşune a fost

monitorizată prin determinări periodice ale germenilor mezofili aerobi şi anaerobi, drojdiilor şi

mucegaiurilor. Tratamentele combinate aplicate au prevenit creşterea florei native şi a celei

inoculate timp de 60 de zile la temperatura camerei. Numărul celorlalte drojdii scad numeric în

timpul depozitării, iar culoarea produsului se păstrează mai bine la temperaturi ≤ 10oC. În concluzie,

vanilina combinată cu o uşoară reducere a activităţii apei şi reglare a pH-ului cu acid citric, poate fi

o tehnică promiţătoare pentru conservarea produselor din căpşune [63].

Cea mai eficientă modalitate de folosire a uleiurilor esenţiale poate fi reprezentată de

încorporarea acestora în ambalaje din care să difuzeze uşor compuşii volatili, în combinaţie cu

sistemele de ambalare în atmosferă modificată. Acest lucru trebuie cercetat în amănunt ca o

alternativă pentru substituirea acizilor organici [13].

1.1.5. Procesarea produselor alimentare prin utilizarea ultrasunetelor

Ultrasunetele sunt vibraţii similare cu undele sunetului, dar la frecvenţe mult mai înalte

decât cele percepute de urechea umană şi anume, între 18 kHz şi 500 MHz. În medii biologice,

aceste vibraţii produc cicluri de comprimare şi expansiune şi, în final, fenomene de cavitaţie.

Implozia bulelor de aer generate într-un punct cu presiuni şi temperaturi foarte înalte poate rupe

structurile celulare. Efectul letal al ultrasunetelor asupra unor microorganisme este de mult timp

cunoscut. Ultrasonarea a fost propusă ca mijloc de sterilizare a alimentelor lichide, dar inactivarea

celor mai rezistente forme microbiene, cum ar fi sporii bacterieni, ar fi cerut tratamente de

ultrasonare atât de drastice încât ar fi rezultat degradarea caracteristicilor fizico-chimice ale

alimentului [51].

Pentru utilizarea ultrasunetelor în mod raţional şi cu eficienţă maximă este necesară

cunoaşterea bazelor ştiinţifice ale propagării ultrasunetelor în diferite medii şi efectele lor la

interacţiunea cu aceste medii, efecte care pot fi utilizate corect în diferitele operaţii tehnologice.

Intensificarea operaţiilor fizice, chimice şi biochimice, constă în suprapunerea peste

starea staţionară a unui fluid sau solid, sau peste curgerea normală a fluidelor a unor mişcări

oscilatorii, create prin utilizarea vibraţiilor ultrasonice. Oscilaţia poate avea diferite forme:

sinusoidale sau pătratice, iar după modul de aplicare pot fi: longitudinale, când direcţia oscilaţiei

este în lungul axei aparatului şi trasnversale, când direcţia este perpendiculară sau înclinată pe axa

aparatului.

Există o serie de tipuri de unde:

unde sonore (limita superioară de frecvenţă 16kHz);

unde ultrasonore (domeniul de frecvenţă 16 ÷ 106 kHz);

unde hipersonice sau microunde (domeniul de frecvenţă de 16 ÷ 1011 kHz).

Ultrasunetele longitudinale şi plane au efecte complexe asupra materiilor prime şi

produselor alimentare. Parametrii care influenţează operaţiile care intervin în procesul tehnologic

sunt: frecvenţa, undele acustice, energia acustică, intensitatea, presiunea acustică, impedanţa,

coeficientul de atenuare şi cavitatea acustică.

Frecvenţa undelor ultrasonice contribuie la intensificarea transformărilor fizice, chimice

şi biochimice sau frânează desfăşurarea lor în funcţie de valorile ei mai ridicate sau mai scăzute,

cuprinse în intervalul de frecvenţă 16÷106 kHz. Frecvenţa optimă la care se obţine eficienţa maximă

diferă cu natura mediului de propagare.

Intensitatea acustică contribuie la intensificarea proceselor de transfer de impuls de

căldură şi de substanţă, iar pentru aceasta ea trebuie să depăşească o valoare de prag dar să nu

depăşească o valoare maximă. În afara acestor limite ea poate avea efecte negative. Având în vedere

că aceste limite diferă de la un mediu la altul, sunt necesare cercetări aprofundate pentru stabilirea

acestor limite sau a optimului de acţiune pentru dirijarea şi controlul transformărilor.

Presiunea acustică contribuie la intensificarea proceselor de transfer de impuls de

căldură şi de substanţă şi este în inderdependenţă cu ceilalţi parametrii.

Coeficientul de atenuare şi valoarea acestuia depind de proporţiile mediului în care se

propagă undele, motiv pentru care poate fi utilizat în aprecierea calităţii produselor alimentare. Pe

baza fenomenelor de atenuare a undelor se pot construi aparate pentru controlul calităţii materiilor

prime şi a produselor finite.

Cavitația, prin efectele ei biologice poate inactiva sau distruge unele microorganisme

favorizând pasteurizarea şi sterilizarea atermică a produselor alimentare. Tratamentele atermice cu

ultrasunete constituie tehnici de prelucrare cu perspective multiple, dar sunt necesare cercetări în

diverse ramuri ale industriei alimentare pentru stabilirea condiţiilor de utilizare.

Tratamentul cu ultrasunete de mare intensitate, în vederea inactivării microorganismelor,

poate genera mari cantităţi de energie, putând genera temperaturi de 5000 K şi unde şoc cu o

presiune de câteva atmosfere (Mason, 1990). Inactivarea microbiană cu ajutorul ultrasunetelor,

depinde de mai mulţi factori cum ar fi: amplitudinea undelor, temperatura, volumul alimentului

procesat, compoziţia şi proprietăţile chimice ale alimentului, caracteristicile microbiene, etc.

Sporii bacterieni sunt mai rezistenţi la tratamentul cu ultrasunete decât celulele

vegetative, de asemenea fungii sunt mai rezistenţi decât bacteriile în stare vegetativă (Alliger, 1975).

Tratamentele cu ultrasunete nu modifică proprietăţile senzoriale şi nutriţionale ale alimentului şi nu

sunt atât de eficiente împotriva microorganismelor. Astfel s-a recurs la utilizarea acestui tip de

tratament în combinaţie cu încălzirea (termo-ultrasonicarea) sau cu încălzirea sub presiune

(manotermosonicarea) în vederea inactivării microorganismelor patogene şi de alterare (Garcia şi

col., 1989; raso şi col., 1997; Guerrero şi col., 2001).

Într-un studiu realizat asupra sensibilităţii lui Saccharomyces cerevisiae la tratamentele

cu ultrasunete au fost combinate cu temperaturi medii, adăugarea de conservanţi (sintetici/sau

naturali), iar pH-ul a fost controlat cu acid citric (Guerrero şi col, 2001). În urma aplicării

tratamentului cu ultrasunete (20 kHz, 95.2 μm amplitudinea undelor, 45oC, 15 min) nu s-au

înregistrat diferenţe semnificative (α < 0.05) în ceea ce priveşte valorile D la pH 3.0 sau 5.6 pe

mediu de cultură Sabouraud. Adăugarea a 700 ppm vanilină combinată cu tratamentul cu

ultrasunete, la pH 5.6, nu a afectat semnificativ inactivarea Saccharomyces cerevisiae. În schimb, la

adăugarea a 500 ppm vanilină, urmată de adăugarea de acid citric pentru a controla pH-ul şi

combinarea cu ultrasunete, s-a observat un efect sinergic în vederea inactivării Saccharomyces

cerevisiae. Acest efect sinergic a fost mult mai puternic la adăugarea EDTA (Guerrero şi col., 2001).

EDTA şi vanilina afectează permeabilitatea membranei celulare, conducând la pierderea

macomoleculelor din interiorul celulei şi facilitând astfel pătrunderea compusului fenolic în celulă

(Conner şi Beuchat, 1984).

O activitate antimicrobiană puternică a fost obţinută prin combinarea tratamentelor cu

ultrasunete cu 50 ppm scorţişoară. Scorţişoara din China (50 ppm) s-a dovedit a fi mai eficientă

decât scorţişoara din Ceylon (100 ppm), obţinându-se o reducere de 2.5 log CFU/ml în 20 de

minute. Pre-incubarea drojdiilor cu 100 ppm scorţişoară din Ceylon, timp de 35 ore, urmate de

tratamentul cu ultrasunete, a condus la inhibarea Saccharomyces cerevisiae (Guerrero şi col, 2001).

Compusul liofilic se poate acumula în bistratul lipid al membranei celulare şi poate perturba

funcţionarea membranei sau chiar ruperea membranei [63].

1.1.6. Procesarea produselor alimentare prin utilizarea impulsurilor ultrascurte de lumină

Impulsurile ultrascurte de lumină produse de generatoare laser sau lămpi reprezintă o

tehnologie de conservare care este aplicată în special la sterilizarea sau reducerea populaţiei

microbiene existente pe suprafaţa materialelor de ambalare, echipamentelor de ambalare şi

procesare, alimentelor, instrumentelor medicale, precum şi a altor suprafeţe care necesită

decontaminare. Produsele alimentare procesate prin această metodă necesită o depozitare ulterioară

în stare refrigerată sau congelată.

Pentru inactivarea unei game largi de microorganisme se foloseşte lumina de culoare

albă, iar durata impulsurilor este de la 1 µs până la 0,1 s. Impulsurile de lumină sunt aplicate în

general cu o viteză de 1 – 20 impulsuri pe secundă. În general, pentru aplicaţiile care presupun

inactivarea microbiană este necesară aplicarea câtorva impulsuri într-o fracţiune de secundă.

Impulsurile ultrascurte de lumină pot fi generate de o lampă cu gaz inert, care este conectată, printr-

un cablu de voltaj înalt, la un generator de curent electric. Pentru a aprinde lampa este nevoie de

aplicarea unui curent electric de înaltă tensiune. Pentru o mai bună eficacitate se pot utiliza mai

multe lămpi care pot funcţiona simultan sau secvenţial.

Aceast metodă este eficientă în cazul materialelor de ambalare sau produselor alimentare

transparente. În cazul în care se doreşte tratarea cu impulsuri ultrascurte de lumină a unui material

opac (care are coeficient de absobţie a luminii scăzut), atunci se recomandă utilizarea unor agenţi

care să stimuleze absorbţia de lumină.

Saccharomyces cerevisiae a fost inactivată cu 4 impulsuri ultrascurte de lumină la 0,5

J/cm2, înregistrândi-se o reducere de 10 unităţi logaritmice.

În urma aplicării a două impulsuri ultrascurte de lumină cu o densitate a energiei de 16

J/cm2 şi o durată a impulsului de 0,5 ms la brânza Cottage inoculată cu Pseudomonas s-a înregistrat

o reducere cu 1,5 unităţi logaritmice a agentului patogen inoculat. S-a constat creşterea cu 5oC a

temperaturii măsurate la suprafaţa produsului în urma aplicării tratamentului cu impulsuri ultrascurte

de lumină.

Tratamentul cu impulsuri ultrascurte de lumină s-a dovedit a fi eficient la aplicarea a opt

impulsuri ultrascurte de lumină cu 0,5 J/cm2 pentru fiecare impuls a fost în cazul ouălor imersate

timp de 10 minute într-o suspensie cu Salmonella enteridis.

În cazul legumelor şi fructelor de tipul cartofi, banane şi mere aplicarea acestui

tratament a condus la evitarea brunificării enzimatice, care este cauzată de prezenţa

polifenoloxidazei (PPO-polyphenol oxidase) şi a flavonoizilor. Astfel activitatea fosfatazei alcaline,

care catalizează hidroliza esterfosfatazei, este redusă cu 60-70% prin aplicarea unui singur impuls de

lumină cu 1 J/cm2 [3].

1.2. Tehnologia PEF

1.2.1. Introducere

Aplicaţia câmpurilor electrice pulsatorii pentru inactivarea microbiană şi tratamentul alimentar (food treatment) au fost înregistrate la începutul secoului trecut, prima aplicaţie a câmpurilor electrice pulsatorii (PEF) pentru dezintegrarea materialelor biologice (desintegration of biological material) fiind descrisă de Doevenspeck (1960) si Flaumenbaum (1968) ca de altfel si inactivarea microbiana de către Sale si Hamilton (1967).

Aplicabilitatea PEF pentru a spori, a modifica şi a înlocuii o varietate de operaţii în timpul prelucrarii produselor alimentare a fost demonstrată într-un număr fără precedent de publicaţii, de aproximativ 25 de grupuri în toata lumea (Barbosa-Canovas et al. 1999), dar în prezent exploatarea industriala a aplicatiilor PEF este limitată la o aplicaţie comercială pentru conservarea sucului premium (Clark 2006) şi la o unitate industrială de dezintegrare a piureului de fructe înainte de separarea sucului(to desintegrate fruit mashes prior to juice separation) (Kern 2006).

Bioingineria electroporării (bio-engineering electroporation) a găsit aplicaţia pe scară largă pentru introducerea de materiale străine in celule in vitro sau in vivo, aproximativ 14 companii (are distributing lab scale pulse modulator and treatment cuvettes commercially) (Puc et al. 2004). În contrast cu aplicaţiile de prelucrare a produselor alimentare intensitatea trebuie să fie menţinută la un nivel scăzut, subletal, capacitatea de tratare a acestor dispozitive este adesea într-o gamă de la 200 la 1000μl, dar de asemenea, dispozitive de lot de până la 1000 ml sunt disponibile. Cunoştinţele referitoare la parametrii de prelucrare, cinetica de permeabilizare şi design-ul echipamentului obţinut în acest domeniu de aplicare prevede bazele pentru un transfer la prelucrarea produselor alimentare, dar în plus faţă de obiectivul de a realize o permeabilitate ireversibilă, producţia pe scara mare precum si cerinţele de fiabilitate şi durata de funcţionare în industria alimentara sunt substantial diferite.

După descrierea empirică a efectelor constatate pe alimente şi primele studii de cercetare din anii 1960-1970, munca de pionierat a fost facuta de Krupp Maschinentechnik, Germania in anii 1980. Unităţile pe scară industrială au fost proiectate, dar au trebuit să fie dezmembrate după operabilitate, fiabilitatea a fost slabă şi cerinţele sofisticate nu a putut fii îndeplinite.

În timpul anilor 1990 interesul aplicaţiilor PEF a crescut în universităţi şi în centrele de cercetare şi pana în 2006 au fost publicate 450 lucrari e cercetare (proiecte de cercetare – research papers) în “Food Science and Technology”(FSTA). Aplicabilitatea tehnologiei PEF pentru a realiza cu success permeabilitatea membranlor la plante, animale sa la celulele microbiene a fost demonstrate in sistem “batch” dar şi în sistem continuu, dar munca de cercetare a fost realizată în principal la scară de laborator.

Au fost obţinute cunoştiinţe în ceea ce priveşte parametrii esenţiali de prelucrare şi a impactului unui tratament asupra microorganimelor şi celulelor vegetale, însă din pacate nici o aplicaţie la dimensiune industrială nu a fost posibilă până în 2005.

Cu toate că ofera un potenţial mare pentru a realiza o dezintegrare non-termica cu consum redus de energie a matricilor animale şi vegetale, mai multe obstacole a limitat transferul tehnicilor de cercetare, în principal lipsa de sisteme de tratare a pe scară industrial.

O evoluţie a aplicabilităţii campurilor electrice pulsatorii a arătat că un tratament pe celule vegetale sau animale este foarte competitive în comparaţie cu cu tehnicile convenţionale de dezintegrare cum sunt tratamentele termice, mecanice sau enzimatice în ceea ce priveste costurile

exploatare, timpul necesar procesării şi schimbările ce apar în detrimentul produsului. Tratamentul poate fi efectuat în mod continuu, ca urmare a evoluţiilor in electricitate o solida scara a ingineriei semiconductoare de stat până la scara industrială a costuri rezonabile pare să fie fezabilă la ora actuală. (the treatment can be performed continuously, due to developments in electric an solid state semiconductor engineering a scale up to industrial scale at reasonable costs appears to be feasible at present).

A fost investigat potenţialul aplicaţiilor PEF în conservarea alimentelor pentru a determina impactul procesării şi parametrii produsului asupra permeabilităţii membranelor prin studii de flow cytometry şi cinetică la scară de laborator. Cercetările au fost concentrate asupra sucului de fructe şi a laptelui, pentru a identifica potenţialul şi eventualele beneficii ale tehnicii în conparaţie cu metodele convenţionale deprocesare, precum şi pentru a efectua o evoluţie a costurilor de fezabilitate într-o scară mai largă. În plus, a fost investigată şi tratare a apelor uzate şi decontaminarea microbiană din extractele de alge pentru a identifica potenţialul tehnicii şi dincolo de aplicaţiile din industria alimentară.

După o introducere în dezvoltarea de produse alimentare legate de cererile de curent electric până în prezent şi o privire de ansamblu asupra mecanismelor de acţiune şi a modelelor de inactivare s-au propus aplicaţii potenţiale ce vor fi evidenţiate cu privire la avantajele unei cereri de aplicaţii PEF în comparaţie cu tehnicile convenţionale.

Studii sistematice au fost efectuate pentru a identifica principalii parametri de prelucrare şi pentru a optimiza eficienţa energetică a unei tehnici de electropermeabilizare (electropermeabilization). De asemenea sunt comparate cerinţele generale pentru permeabilizarea diferitelor memebrane biologice.

În cele ce urmează vor fi discutate fezabilitatea, dezavantajele si provocările tehnicii, împreună cu o estimare a costurilor de investiţii si de funcţionare pentru aplicaţiile PEF precum şi consideraţii de proiectare pentru echipamanete de scală industrială.

1.2.2. Scurt istoric

Efectul curentului electric asupra celulelor a început sa fie investigat aproape de când curentul electric a fost disponibil în comerţ. La sfârşitul secolului al XIX-lea efectele bactericide ale curentului electric alternativ şi continuu au fost studiate de către Prochownick & Co. (1890). După o aplicare a unui tratament de curent de 300 mA s-a observat inactivarea unei suspensii de Staphzlococcus aureus. Dar a fost observat faptul că mediile tratate au atătat diferenţe ale acidităţii în diferite puncte ale camerei de tratament. Atunci când microbii au fost ataşaţi pe mediul de cultură (agar) pentru a investiga impactul generat d scăderea pH-ului electric asupra viabilităţii lor, sa constatat că probele prelevate de la anod au fost sterile în contrast cu probele luate de la catod.

În anii 1920 un proces numit “Electropure” a fost introdus în Europa şi în USA (Beattie and Lewis 1925; Fetterman 1928; Moses 1938). Acesta a fost printre primele tentative de a utiliza energie electrică pentru pasteurizarea laptelui şi pentru a îmbunătăţi starea de sănătate a consumatorilor, efectuându-se prin aplicarea unui curent alternativ de 220 - 420 V cu un electrode de carbon într-o camera de tratament.

Metoda a fost în esenţă o metodă termică, folosind încălzirea direct a laptelui cu ajutorul curentului electric (încălzirea Joule - Joule heating). Camera electrică de tratament a constat într-un tub dreptunghiular şi prevăzut cu electrozi de sarcini opuse. Laptele a fost încălzit la 52 oC şi, ulterior încălzit electric la 71oC timp de 15s. Tehnica a fost acceptată drept o pasteurizare în condiţii de sigurantă în şase state din SUA.

În 1949, Flaumenbaum a raportat aplicarea de curent alternativ şi direct pentru electroplasmolysis ţesuturilor de fructe şi legume, înregistrându-se o creştere a randamentului în suc de până la 10%.

În 1980 a început utilizarea tratamentului ohmic de încălzire şi unele aplicaţii industriale ale tehnologiei au fost atinse, inclusiv pasteurizare de oua lichide sau procesarea produselor din fructe.

Recent tehnicile de procesare a produselor alimentare prin încălzire ohmică sau, de asemenea, numit şi tratament în câmp electric moderat (moderate electric field treatment) a primit o atenţie deosebită în domeniul de pre-tratament de uscare, de extracţie şi de exprimare sau de reducere a utilizării apei în timpul albirii(blanching)(Reznick 1996; cousin 2003; Sensoy and Sastrz 2004; Lebovka et al. 2005; Praporscic et al. 2006).

În plus faţă de efectele termice, pe baza mecanismului de încălzire ohmică, uneori au fost raportate efectele letale ale curentului electric, cum ar fi hidroliza clorului, în urma supunerii produselor alimentare la o tensiune joasă a curenţilor alternativi (Pareilleux and Sicard 1970).

Tracy (1932) a raportat uciderea celulelor de drojdie de bere la tensiune joasă a curentului alternativ la o temperatură minimă letală de 46oC. Formarea de clorine libere (free chlorine) şi alte substanţe toxice au fost responsabile pentru efectul de ucidere al celulelor.

1.2.3. Tratamentul electrohidraulic şi primele aplicaţii PEF - munca de pionierat a lui Doevenspeack (Electrohzdraulic Treatment)

S-a investigat aplicarea de impulsuri de elergie electrică de înaltă tensiune între doi electrozi pentru inactivarea microbiană, rezultînd un process numit tratamentul electrohidraulic. Eletrozii erau submersaţi în mediul lichid într-un vas sub presiune, arcul electric fiind generat de impulsuri de înaltă tensiune, formând unde tranzitorii de presiune şoc până la 250MPa şi impulsuri de lumină ultravioletă.

Metoda a fost capabilă să inactiveze până la 95% din Escherichia coli, Streptococcus faecalis, Bacillus subtilis, Treptococcus cremoris şi Micrococcus radiodurans dintr-o suspensie cu apă ditilată sperilă(Gilliland ans Speack 1967).

Decalajul electrodului (the electrode gap) a fost între 0,16 - 0,64 cm şi vărful de tensiune la 15kV, raportându-se cea mai bună eficacitate cand s-a folosit o capacitate de 6µF şi o tensiune de 5kV(Allen şi Soike 1967). Astfel s-a ajuns la concluzia că tratamentul electrohidraulic, pe lângă faptul că este un unul nontermic, este o metodă rapidă, eficientă şi necostisitoare pentru sterilizarea apelor uzate.

Reacţiile electrochimice, undele şoc, lumina ultraviolet format şi radicalii foarte ractivi sunt responsabili pentru efectul factericid al acestui tratament.

Utilizând electrozi cu nucleu de cupru s-a constatat o anumită sumă de toxicitate reziduală în mediul de tratament, însă acest efect nu a fost găsit atunci când s-au folosit electrozi de fier sau aluminiu. aplicarea unui sistem de camera dublă, separate de o diafragmă a relevat faptul că acţiunea mecanică în sine nu a fost responsabiliă de inactivare microbiană(Gilliland şi Speck 1967).

Edebo şi Selin (1968) au investigat impactul emisiilor de fotoni plasmă şi inactivarea microbiană atribuită acestora. Alternând materialul eletrodului, s-a raportat o eficacitate crescută pentru electrozii de cupru decat pentru cei din fier, oţel sau aluminiu.

Deşi s-au obţinut rezultatele promiţătoare în aceste studii timpurii, tehnologia a fost dezvoltată până la punctul în care a fost atinsă o cerere în tehnologia alimentară. Dezintegrarea particulelor de alimente şi electrozi a provocat contaminarea alimentelor şi totodată a inhibat aplicaţiile industrial a acestui proces pentru ape uzate (Jezamkondan et al. 1999).

1.2.2. Primele aplicaţii PEF - munca de pionierat a lui Doevenspeack

Efectele secundare ale reacţiilor electrochimice şi ale presiunii hidraulice sunt mai puţin relevante atunci când sunt aplicate impulsuri scurte şi omogene ale arcului electric. Prima aplicaţie a impulsuri electrice de înaltă tensiune au fost raportate cu scopul de a induce mutaţii artificial (Gossling 1960). A constatat o moarte microbiană, dependentă de intensitatea tratamentului pentru Streptococcus lactis, recultivând celulele care supravieţuiesc pentru a descoperii eventualele mutaţii. El a sugerat cultivarea în sistem batch, precum şi în sistem continuu într-o cameră de tratament la scară mică.

Munca de pionierat, în experimentele de aplicare a câmpurilor electrice pulsatorii pentru procesarea produselor alimentare , a fost făcută de către inginerul de origine germană Heiny Doevenspeck. Brevetul obţinut (Doevenspeck 1960) descria aplicarea PEF pentru distrugerea (disruption = întrerupere) celulelor din produsele alimentare pentru a îmbunătăţii separarea fazelor. Între 1961-1971 el a studiat modificarea pH-ului într-o soluţie supusă câmpurilor electrice pulsatorii, raportând o schimbare de culoare din roşu neutru citită la suprafaţa electrodului. Valoarea pH-ului măsurată la anod a fost 6,8 în timp pe valoarea pH-ului măsurată la catod avea o valoare de 8. După o omogenizare această schimbare a parut a fii reversibilă, restaurându-se pH-ul iniţial de 7,2.

Tratamentul aplicat asupra Lactobacillus delbrückii din bere, colorate cu albastru de metilen, a determinat o absorbţie de culoare, indicând permeabilizarea celulelor. Creşterea microorganismelor şi alterarea berii au fost împiedicate în urma tratamentului cu impulsuri de 6kV descărcate de un capacitor de 2,5 µF (dischargind a 2,5 µF capacitor).

Supunerea celulelor de Escherichia coli la un tratament PEF, aplicând un câmp electric de joasa tensiune („soft puses”, sub 2kV/cm) sporeşte dezvoltarea celulelor, în timp ce aplicarea unui câmp electric de înaltă tensiune („hard pulsses”) duce la moartea celulară.

Unitatea principală a tratamentului PEF asupra produselor alimentare este formată dintr-un generator ce pulsează o tensiune înaltă şi o cameră de tratament în care se aplică tehnologia PEF.

În brevetul lui Doevenspeck (1960) a fost descris setup-ul impulsurilor modulatoare şi de asemenea tratamentul continuu de operare. În general câmpul pulsat este generat prin descărcări repetate de energie, stocată într-un condensator prevăzut cu un întrerupator de înaltă tensiune (capacitor bank across a high voltage switch); s-au sugerat (mercury switch tubes) ca incăperea întrerupătorului sa fie de mercur.

Au fost propuse pentru tratamentul în sistem batch diferite dimensiuni pentru camera de tratament, o centrifugă acoperită cu carbon, conţinând o sita imbracată în carbon precum şi un rezervor de amestecare cu agitatoare îmbracate in carbon.

Pentru tratementul în sistem continuu (product slurry) tulbureala produsului a sugerat să fie transmică de electrozi cilindrici contaţi pe un jgheab cu şuruburi pe un stup coaxial. (For continuous treatment the product slurry was suggested to be conveyed by a screw press through cylindrical electrodes in a coaxial setup.)

Au fost prezentate în multitudinea de brevete aplicaţii ale tratamentului asupra apei de la robinet, a apelor uzate, (cleaning of gasses) curăţarea gazelor precum şi curăţarea extractţiilor din ţesururile animale. În plus a fost descrisă incativarea microorganismelor patogene, raportând o eficienţă de 96% din suspensiile de soluţiilor saline precum şi inactivarea speciei Salmonella din suspensiile de praf de ou.

În Germania, in 1961, au fost construite instalaţiile la scară industrială, cu o capacitate e 2500 kg/h, pentru procesarea returilor de materii prime din carne de vită, porc, peşte.

În căutarea sa pentru posibili aplicanţi ai acestei tehnici, Doevenspeck – activa pe post de inginer consultant, l-a contactat pe Münch, director technic pentru procesarea materiilor animale la Krupp Maschinentechnik în 1985, intuind potenţialul câmpurilor electrice pulsatorii. După interzicerea folosirii perchloroethylen-ului în extracţia grăsimilor, Krupp Maschinentechnik era în căutarea unei tehnici alternative de procesare pentru a induce dezintegrarea celulară şi pentru a îmbunătăţii separarea componentelor din tulbureala de peşte într-o presă cu şurub(Sitzmann 2006).

Încă de atunci un grup alcătuit din Münch Sitzmann & Co. sub îndrumarea lui Doevenspeck au pus bazele proceselor ELCRACK® şi ELSTERIL® (Sitzmann şi Münch 1988; Sitzmann şi Münch 1989).

Figure 1.2. Heinz Doevenspeck and his pulsed power generator at the facilities of Krupp Maschinentechnik in the 1980s (Sitzmann 2006), (left); Right: Treatment chamber geometries suggested in a patent by Doevenspeck; Fig 1: rotating carbon coated sieve electrode; Fig 2: carbon coated mixing electrode;

Fig 3 and 5: screw press with coaxial treatment chamber of carbon electrodes (Doevenspeck 1960).

1.2.4. Aplicaţiile timpurii ale câmpurilor electrice pulsatorii in UK şu Ucraina

Supă electropermeabilizarea piureului de mere de către Flaumenbaum în 1940 folosind current continuu şi alternative, în 1965 a fost contruit primul prototip industrial cu o capacitate de 6-15 t/h într-o fabric de îmbuteliede din Republica Moldova (Flaumenbaum 1968).

În aceeaşi perioadă a fost consemnată şi folosirea impulsurilor electrice de current direct dar fără a se menţiona mai multe detalii despre parametrii sau rezultatele obţinute in urma folosirii diferitelor tipuri de current.

A fost înregistrată o creştere a randamentului cu 10 – 12% a sucului şi produsele au fost descries ca fiind mai deschise la culoare şi mai puţin oxidate decât dupa aplicarea unui tratament termic sau enzimatic (McLellan et al. 1991).

Primele studii sistematice din U.K. asupra efectului letal nontermic al câmpurilor electrice pulsatorii omogene asupra microorganismelor au fost realizate la Centrul de Cercetare Unilever din Bedford (Sale and Hamilton 1967). Pentru investigarea efectului PEF, a fost contruit un generator de impulsuri conectat la o cameră de tratament în system batch. Electrozii de carbon erau separaţi de un despărţitor de polietilenă, obţinându-se un compartiment pentru probe în formă de U.

Puterea maximă a câmpului electric a fost limitată la 30kV/cm datorita descărcărilor electrice (electrical breakdown) ale aerului de deasupra probei, tensiunea impulsurilor putând fi ajustată până la 10kV, cu o durată a impulsului intr 2-20µs.

S-a demonstrate că cei mai importantţi factori implicaţi în inactivarea microbiană sunt intensitatea curentului electric şi timpul total necesar tratamentului, rezultaţi din numărul şi intervalul impulsurilor.

Prin aplicarea tratamentului PEF asupra microorgnismelor într-un gel impermeabil pentru poduşii de electroliză s-a demonstrate că electroliza propru-zisă nu este unul din factorii care detrmină inactivarea microbiană în urma aplicarii câmpurilor electrice pulsatorii.

Ca explicaţie ale morţii celulare a fost propusă varianta afectării membranei celulare prin pierderea ireversibilă a funcţiei semipermeabile a membranei ceulare, afectând comunicarea celulei cu mediul exterior. În urma tratamentului au fost semnalate scurgeri/pierderi de ioni, pierderi ale conţinutului ctoplasmatic, modificări morfologice ale membranei precum şi liza celulară (Sale and Hamilton 1967).

Efectul letal al lui PEF s-a dovedit astfel independent de densitatea curentului, concluzionând că inactivarea se datorează efectelor nontermice.

Intensitatea câmpului electric s-a dovedit a fi unul dintre cei mai importanţi factori cu o valoae critic de 10-15kV/cm pentru majoritatea microorganismelor.

1.2.5. Dezvoltarea echipamentului industrial la Krupp Maschinentechnik

În anii ’80 la Krupp Maschinentechnik a fost creată o unitate tehnică cu o scală de o capacitate de până la 200 de kg/h pentru tratarea cărnii, a peştelui, a fructelor pasate, a sfeclei de zahăr, etc. Aceasta este prezentată în imaginea urmatoareîimpreuna cu camera de tratareşsi cu o poză a lui Werner Sitzmann. În cooperare cu Universitatea de Ştiinte aplicate din Hamburg, au fost făcute cateva teze de doctorat ce investigau dezintegrarea semintelor de oleaginoase, gradul de permeabilitate a celulei, şi potenţialul de a optimiza geometria camerei de tratare şi variante de control a procesului.

Figure 1.3. Pilot scale PEF system at Krupp Maschinentechnik

Dupa performanţa promiţătoare în urma testării tehnice la scală industrială, echipamente au fost realizate de catre Krupp pentru a fi instalate în fabricile de peşte din Norvegia. Procesul a constat în sistemul ELCRACK®, o separare ulterioară a lichidului liber şi o presa cu şurub care să separe tulbureala. Fluidul a fost separat în apa şi ulei cu o centrifuga decantatoare şi cu separatoare. Proteinele au fost îndepartate din faza apoasa folosind ultrafiltrarea. În 1988 a fost scoasă pe piaţă o broşură (Krupp, 1988) ce descria tehnologia cât şi aplicabilitatea sistemului ELCRACK® în procesarea peştelui. Poze ale acestui echipament, luate din acea broşură pot fi gasite în fig. 1.3. După instalarea primului echipament au aparut diferite probleme legate de stabilitatea electrozilor, separarea lichid – solid precum şi de recuperarea proteinelor după tratament. Instalaţia a fost dezmembrată după doar câteva luni de operare. În prezent s-a constatat că eşecul acestei prime instalaţii, nu a fost datorat în intregime tehnicii ELCRACK®, care a reprezentat doar o mica parte a instalaţiei. Datorită designului, a implementării unei tehnologii de separare sofisticate şi realizării unei întregi unităţi de procesare a peştelui fără a avea o experienţă anterioară, echipamentul a trebuit retras de către Krupp (Sitzmann 2006).

Au fost proiectate alte două echipamente de scală industrială, dar după experienţa obţinută cu unitatea instalată în Norvegia nu au fost instalate la destinaţia lor. A fost creată din 1986 o staţie pilot ELSTERIL®, fiind formată dintr-un generator de impulsuri de înaltă tensiune, cu o tensiune de varf de 15 kV şi o rată de repetiţie de 22 Hz. Capacitatea de stocare a variat între 0.5 şi 5 μF, fiind utilizat un ignitron pentru a descărca energia electrică stocată (Grahl, 1994). Au fost dezvoltate cinci cuptoare diferite, precum şi camere de tratament continuu, echipate cu doi electroni de carbon, plan paraleli, diferenţa dintre electroni a fost 0.5 sau 1.2 cm, cu un debit de 165 l/h (Grahl, 1994). In urma unui studiu făcut în colaborare cu FMC Europe în 1990 nu au fost evidenţiate efecte negative care să evidenţieze calitatea sucului de portocale. După eşecul primei instalaţii industriale, sprijinul financiar oferit de Krupp a scăzut substanţial, grupul de lucru fiind pe cale de a se desfiinţa, moment în care Krupp şi Hoesch au fuzionat. În încercarea de a publica şi de a

comercializa această tehnologie Sitzmann şi Munch au stârnit interesul unor grupuri de cercetare (Sitzmann 1967; Sitzmann si Munch 1987, 1988, 1989). Sitzmann şi-a continuat activitatea în domeniu aplicabilităţii PEF, ulterior conducându-şi propria afacere, DWS şi Nafutec GmbH (Anonymous1995).

În 1993 în SUA s-a dezvoltat o nouă tehnică de electroşocuri, bazată pe cercetările făcute la Krupp pentru dezvoltarea tehnicii ELSTERIL®. Unitatea ESTERIL® a fost expusă la Universitatea tehnică din Berlin şi utilizată în experimente privind extractibilitatea ţesuturilor din morcovi (Geulen şi colab. 1992) sau pentru a spori uscarea cartofilor (Angersbach şi Knorr 1997). Unitatea ELSTERIL® de la Universitatea Tehnică din Berlin poate este prezentată in fig 2.5. In 1992 (Mertens si Knorr) şi în 1994 (Knorr so colab. 1994) aplicaţiile PEF în procesarea alimentelor a fost revizuită. În acest timp interesul în aplicabilitatea PEF a sporit, aparând numeroase grupuri de cercetare din universităţi urmate de activitaţi comerciale.

1.2.6. Cercetările făcute asupra aplicabilităţiilor PEF din 1980 până în 2000

După cercetarea empirica a mecanismelor de bază şi a efectelor impulsurilor electrice asupra celulelor biologice din anii ’60 tehnica s-a bucurat de atenţie la nivel universitar mult mai târziu. Descoperindu-se efecte reversibile şi ireversibile ale electroporării. Neumann şi Rosenheck (1972) precum şi Zimmermann şi colab. (1976, 1982, 1996) au investigat posibilitatea de obţine permeabilitate reversibilă la nivel celurar pentru aplicaţii în bioinginerie, alte grupuri concentrandu-se pe efectele ireversibile, letale în scopul conservării.

În anii ’80 grupul condus de Hulsheger a dezvoltat modele matematice pentru a descrie inactivarea microorganismelor cu ajutorul PEF, în funcţie de intensitatea câmpului electric şi timpul de expunere (Hulsheger şi Niemann 1980; Hulsheger şi colab. 1983).

În fosta RDG Jacob şi colab au studiat efectul câmpului electric asupra microorganismelor (Jacobs si colab. 1981) la o intensitate maximă de 35 kV/ cm, iar în SUA încă din 1982 Dunn, Hofmann şi Bushnell au studiat aplicatiile PEF.

În 1987 Dunn şi Pearlman au depus un brevet atribuit Maxuell Laboratories, San Diego SUA , în care descriau un aparat ce creştea durata de depozitare a produselor alimentare lichide (Dunn şi Pearlman 1987). Au propus tratamentul discontinuu cat si cel continuu, urmat ulterior de un brevet al lui Bushnell (1996).

Din 1988 procesul ELSTERIL® a fost studiat la Universitatea Tehnica din Hamburg Harburg (Grahl 1994), impactul tratamentului şi intensitatea necesitată de diferite microorganisme au fost studiate şi comparate între sistemul continuu şi cel discontinuu.

În Japonia, în 1980 Sakarauchi şi Kondo au observat efectele letale ale câmpurilor electrice cu intensităţi mari asupra microorganismelor, utilizând o cameră cu electrozi plan paraleli în formă de disc de platină, folosind un generator de impulsuri de 2 kV.

In 1988 Mizuno şi Horii au sesizat distrugerea unor celule vii de către voltajele înalte, utilizând placi plan paralele cât şi placa de tip ac şi electroni în formă de tijă. A fost folosit un sistem ce genera un puls cu o tensiune de vârf de 20 kV şi o frecvenţă de 25 Hz. Investigând eficienţa diferitelor camere de tratament, s-a descoperit că inactivarea maximă s-a produs în momentul folosirii electrozilor în formă de tijă ce produceau o descărcare în formă de arc.

În 1996 a fost dondată Asociaţia Japoneza pentru Cercetare şi Dezvoltare pentru Aplicaţii ale Tehnologiei Electronice în Industria Alimentara , ce desfăşoară activităţi în domeniul conservării alimentelor cu ajutorul tratamentului PEF cât şi în procesarea cărnii (Anonymus 1998). Cercetarile au fost conduse de Universitatea Tehnica Mitsubishi si Toyohashi.

Din 1992 Universitatea Tehnica din Berlin (Knorr) si Universitatea statului Washington (Barbosa-Canovas so Swanson) au facut cercetari în acest domeniu, urmati de Universitatea din Ohio (Zang) în 1994. Primele revizuiri ale tehnologiei au fost publicate în anii 1990 (Palaniappan si colab 1990 ; Tsong 1990;Mertens si Knorr 1992; Knorr si colab 1994; Ho si Mittal 1996; jeyamkondan si colab. 1999), prima carte PEF a fost publicata in 1999 (Barbosa-Canovas si colab. 1999).

In 1995 Pure Pulse Technologies, o filiala a Maxwell Laboratories a dezvoltat un sistem continuu de procesare numit CoolPure® ce poate trata pana la 2000 l/h. Pentru utilizarea în cercetare a fost creat un sistem numit CoolPure® Jr., ce poate opera la un debit de la 6 pana la 10 l/hla cu o putere maximă de 50 kV/cm. O broşură a Pure Pulse a descris cele două tehnologii non-termale PureBright®(Pulse Light) şi CoolPure® (PEF). În acelasi an, Food and Drug Administration (FDA) a lansat o scrisoare fără nici o obiecţie cu privire la utilizarea tehnologiei PEF în vederea conservarii alimentelor. În 1996, tratamentul asupra oului a fost aprobat, însă cu anumite condiţii ce urmau a fi acceptate.

În 1997 în Statele Unite, a fost iniţiată o colaborare între OSU, WSU, ERPI şi Armata SUA (Mermelstein ,1998), şi în anii 1997-1998 au fost înfiinţate o serie de ateliere de lucru, pentru experimentarea tehnologiei PEF. Protocoalele au fost elaborate atât pentru testele microbiologice căt şi pentru proiectarea unui sistem specializat al tehnologiei PEF.

Ulterior, în cooperare cu OSU şi diverse tehnologii au fost realizate proiecte pilot care s-au dezvoltat în timp, aspectele tehnice referitoare la tehnologia PEF au fost revizuite de Zhang et al.(1995). Sistemele dezvoltate de OSU au fost instalate în laboratoarele din Statele Unite cât şi din Europa. În Europa, un proiect finanţat de Comisia Europeană a fost demarat în 1997 în cooperare cu TU Berlin, KU Leuven, Universitatiile din Montpellier şi Zaragoza, SIK, Icetek, TetraPak, Unilever, Bestfoods şi Pernod Richard.

De asemenea în anii 90’ Centralp, Lyon, France a dezvoltat sisteme de producere a energiei pulsatorii (pulsed power systems) pentru aplicatiile PEF. La Unilever au fost dezvoltate propriile sisteme PEF (Wouters and Smelt 1997; Wouters et al. 1999; Wouters et al. 2001; Abram et al. 2003).

Din 1998 un prototip al companiei of PurePulse® a fost instalat la Universitatea Tehnologiei din Berlin, care mai tarziu şi-a încetat activitatea şi a fost reintegrat în Maxwell, regasindu-se în numeroase proiecte de cercetare al câmpurilor electrice pulsatorii pentru ţesuturi de plante până în 2005.

Începând din 1997, au fost proiectate în paralel de Angersbach Heinz şi Knorr, la Universitatea Tehnologiei din Berlin, generatoare de impulsuri şi camere de tratare. În acelaşi an a fost iniţiat un proiect naţional referitor la aplicabilitatea tehnologiei PEF în extragerea amidonului din cartof, care a stârnit interesul centrului de cercetare Karlsruhe. O echipă de cercetare de la Karlsruhe, condus de Bluhm şi Schultheiss, au experimentat efectele PEF pe plante şi ţesuturi vegetale.

Angersbach a elaborat o tehnica bazata pe un model fizico-electric al celulelor pentru a determina permeabilitatea acestora şi pentru a defini începtul dezintegrării lor. Primele rezultate ale ţestelor au fost publicate de Angersbach si Knorr (1997) şi Rastogi (1999).

Înca din 1999 la Universitatea Tehnologiei din Berlin a fost dezvoltat un prototip care să combine tratamentul PEF cu o presiune ridicată de 200 MPa elaborat de Volker Heinz. Un proiect similar privind utilizarea presiunii de 200 Mpa a fost expus pentru a avea un efect protector asupra susceptibilităţii B. subtilis împotriva PEF.