معالجة الأغذية بالضغط العالي

معالجة الأغذية بالضغط العالي لحفظ الأغذية

• يفضل المستهلك المنتجات الطازجة والصحية التي لها تأثير ضئيل على النكهة الطبيعية وتتمتع بفترة صلاحية طويلة.
• تعتبر معالجة الأغذية بالضغط العالي (HPP) تقنية واعدة "غير حرارية" لحفظ الأغذية.
• تعمل (HPP) بشكل فعال على تثبيط الخلايا الخضرية للكائنات الحية الدقيقة المرتبطة عادة بالأمراض المنقولة بالغذاء.
• تسمح هذه المعاملة بحفظ معظم الأغذية مع الحد الأدنى من التأثير على المذاق أو سلامة الأنسجة أو المكونات الغذائية.
• الميزة الرئيسية لمعاملة الضغط العالي مقارنة بالتعقيم الحراري والبسترة هي الاحتفاظ بالخصائص الحسية والتغذوية للأغذية المعالجة.
• تستخدم هذه التقنية ضغطًا عاليًا يتراوح من 400 إلى 600 ميجا باسكال، أو من 5800 إلى 87000 رطل/بوصة مربعة.
• تجري العملية في درجات حرارة باردة أو منخفضة تتراوح من 6 إلى 45 درجة مئوية ولفترة تتراوح من 2 إلى 10 دقائق.
• تعد تقنية التصنيع الغذائي بالضغط العالي أحد أفضل التطورات في تقنيات التصنيع الغذائي الحديثة خلال العقود الخمسة الماضية.
• تسهم هذه التقنية في تقديم أغذية خالية من المواد الحافظة الصناعية والكيميائية.

أساسيات استخدام الضغط العالي في الأغذية

• يتم ضغط المنتج الغذائي بضغط منتظم من جميع الاتجاهات، ثم يعود إلى شكله الطبيعي عند إزالة الضغط.
• يتم ضغط المنتجات بشكل مستقل عن حجمها وشكلها.
• لا يعتمد انتقال الضغط إلى داخل الغذاء على الكتلة أو الوقت.
• يقل تأثير هذه العملية على شكل المنتج إلى الحد الأدنى إذا كان يحتوي على رطوبة كافية.
• إن الضغط لن يؤدي إلى تلف المنتج طالما يتم تطبيقه بشكل موحد في جميع الاتجاهات.

مكونات نظام الضغط العالي

• وعاء للضغط العالي وغطاء.
• نظام لتوليد الضغط.
• جهاز للتحكم في درجة الحرارة.
• مكان لوضع المواد الغذائية.
• بعد وضع المواد الغذائية وإغلاق الجهاز، يتم تعبئة الوعاء بسائل نقل الضغط.
• تُزال الهواء من الوعاء بواسطة مضخة ملء وتهوية سريعة.
• يشتمل النظام على صمام لتنفيس أوتوماتيكي، ثم يتم توليد ضغط هيدروستاتيكي عالي.
• يمكن توليد الضغط العالي عن طريق الضغط المباشر أو غير المباشر أو عن طريق تسخين وسط الضغط.

طرق توليد الضغط العالي

• هناك ثلاثة طرق رئيسية لتوليد الضغط العالي وهي:
  • الضغط المباشر.
  • الضغط غير المباشر.
  • استخدام الحرارة.

الضغط المباشر

• يتم إنشاء الضغط المباشر عن طريق استخدام مكبس.
• يتصل الطرف ذو القطر الكبير للمكبس بمضخة لتوليد الضغط.
• تتيح هذه الطريقة ضغطًا سريعًا للغاية.
• تحد قيود القفل الديناميكي عالي الضغط بين المكبس والسطح الداخلي للوعاء من استخدام هذه الطريقة في أنظمة المختبرات أو الأنظمة التجريبية ذات القطر الصغير.

الضغط غير المباشر

• يستخدم الضغط غير المباشر مكثفًا عالي الضغط لضخ وسط الضغط إلى وعاء الضغط المغلق حتى يتم الوصول إلى الضغط المطلوب.
• تستخدم معظم أنظمة الضغط المتوازنة الصناعية (الباردة أو الدافئة أو الساخنة) هذه الطريقة.

تسخين وسط الضغط

• يستخدم فيها التسخين لزيادة درجة الحرارة لتوليد ضغط مرتفع.
• يتم استخدام هذه الطريقة عندما يكون الضغط العالي مصحوبًا بارتفاع درجة الحرارة.
• تتطلب مراقبة دقيقة لدرجة الحرارة داخل الحجم الداخلي بالكامل لوعاء الضغط.
• يمكن تشغيل أنظمة الضغط المتوازنة (isostatic) كضغط بارد (Cold isostatic)، وضغط دافئ (Warm isostatic) أو ضغط مرتفع الحرارة (Hot isostatic) اعتمادًا على التطبيق المطلوب.

تثبيط الميكروبات بمعاملة الضغط العالي

• يعد تثبيط الميكروبات أحد الأهداف الرئيسية لتطبيق تكنولوجيا الضغط العالي.
• يعتمد مدى التثبيط الميكروبي الذي يتم تحقيقه عن طريق معالجة الضغط المرتفع المناسبة على عدد من العوامل:
  • نوع وعدد الكائنات الدقيقة.
  • حجم ومدة معاملات الضغط العالي.
  • درجة حرارة الغذاء ومكوناته.
• قد تختلف حساسية الكائنات الحية الدقيقة للضغط العالي بين الأنواع وربما بين سلالات من نفس النوع.
• يمكن تقسيم الكائنات الدقيقة إلى تلك التي تكون حساسة للضغط نسبيا وتلك التي تكون مقاومة للضغط.
• البكتيريا الموجبة لصبغة جرام أكثر مقاومة للضغط من البكتيريا والخمائر السالبة لجرام.
• الجراثيم الميكروبية هي الأكثر مقاومة للضغط الهيدروستاتيكي العالي.
• تعتمد حساسية الخلايا الميكروبية للضغط على مرحلة دورة النمو التي تتعرض فيها الكائنات الدقيقة إلى معاملة الضغط الهيدروستاتيكي العالي بشكل عام.
• تحدث مقاومة عالية للضغط عندما تكون عملية التمثيل الغذائي للخلايا بطيئة، وقد يرجع ذلك إلى تراكم مكونات الخلية التي تقلل من تأثير الضغط العالي.
• تعزز المواد الغذائية الغنية مثل اللحم مقاومة الكائنات الدقيقة لمعاملة HPP.
• للكربوهيدرات والبروتينات والدهون تأثير وقائي.
• يحمي نشاط الماء المنخفض الكائنات الحية الدقيقة من التأثر بالضغط، حيث يقل تأثير المعاملة إذا انخفض النشاط المائي إلى مادون 0,95.
• تعتمد الاستجابة الميكروبية للمعاملة بالضغط العالي على نوع الكائنات الدقيقة.
• لكل نوع مستوى ضغط معين يؤدي بعده زيادة زمن المعاملة إلى خفض معنوي في العدد الميكروبي.
• تؤثر درجة الحرارة أثناء المعاملة بالضغط العالي على مدى تثبيط الخلايا الميكروبية.
• أظهر بعض الباحثين أن مقاومة الميكروبات للضغط تكون في أقصاها عند درجة حرارة 15-30 درجة مئوية وتقل بدرجة ملحوظة عند درجة حرارة أعلى أو أقل.

ميكانيكية تأثير الضغط العالي على الكائنات الحية الدقيقة

• تتسبب معالجة الخلايا الميكروبية والجراثيم بطريقة الضغط المرتفع في العديد من التغيرات في الشكل المورفولوجي وأغشية الخلايا والخواص البيوكيميائية والآليات الوراثية للكائنات الحية الدقيقة.
• يعتقد أن التأثير المميت للضغط العالي على الخلايا الخضرية للكائنات الدقيقة هو نتيجة لعدد من التغييرات التي تحدث في وقت واحد في الخلية الميكروبية خاصة في الغشاء الخلوي للخلية الميكروبية، وهو الأكثر احتمالًا لحدوث الاضطراب.
• يمكن أن تؤدي معالجات الضغط الهيدروستاتيكي إلى تغيير وظائف الغشاء مثل النقل النشط أو النفاذية السلبية، وبالتالي اضطراب التوازن الفيزيولوجي الكيماوي للخلية.
• الضغط العالي يؤثر أيضًا على عمل الإنزيمات عن طريق التأثير على الحالة الفيزيائية للدهون المتحكمة في نشاط الإنزيم.
• يعتبر تثبيط الإنزيمات الرئيسية خاصة تلك المشاركة في نسخ ال DNA من الأسباب الحيوية المؤثرة أيضًا في آلية التثبيط.
• تسرب المكونات من داخل الخلية نتيجة زيادة نفاذية الغشاء الميكروبي من الأسباب الرئيسية لموت الخلية الميكروبية بعد المعاملة بالضغط العالي.

تأثير استخدام الضغط العالي على الجراثيم البكتيرية

• أظهرت الجراثيم الميكروبية مقاومة للضغط العالي والآليات التي يتم من خلالها تثبيط الخلايا الخضرية.
• وُجد أن بروتينات الجراثيم محمية ضد الإذابة والتأين.
• يمكن تثبيط الجراثيم الميكروبية عن طريق اختيار الظروف المناسبة للمعاملة بالضغط العالي، مثل ضغط عالي مع وقت تعرض طويل عند درجة حرارة مرتفعة.
• يمكن استخدام الضغط المنخفض (100 - 300 MPa) لإنبات الجراثيم أولًا، ثم يحدث تثبيط للخلايا الخضرية.

تثبيط الإنزيمات باستخدام الضغط العالي

• قد يؤدي التعرض لضغط مرتفع إلى تثبيط أو تعطيل الإنزيمات.
• يتأثر تثبيط الإنزيمات باستخدام الضغط بدرجة الحموضة وتركيز مادة الإنزيم وتركيب الإنزيم ودرجة الحرارة أثناء الضغط.
• يحدث تأثير الضغط على نشاط الإنزيم نتيجة التأثير على الارتباط بين الإنزيم والمادة المتفاعلة.
• يؤثر الضغط أيضًا على المناطق النشطة في الإنزيم، وقد يكون تثبيط الإنزيمات عكسيًا أو غير عكسي.

تطبيقات استخدام الضغط العالي في تصنيع الأغذية

• توفر المعاملة بالضغط العالي فرصة فريدة لمصنعي الأغذية لتطوير جيل جديد من المنتجات الغذائية ذات القيمة المضافة التي تتميز بجودة عالية وفترة صلاحية للمنتجات التي يتم إنتاجها بشكل تقليدي.
• تقنية الضغط العالي واعدة جدًا للحوم الجاهزة للأكل (RTE) بسبب إجازتها من جهات مراقبة الغذاء ولا توجد متطلبات خاصة لوضع العلامات التجارية.
• لا يتم إضافة أي مواد كيميائية، وإذا تم استخدامها بشكل مناسب، لا توجد تغييرات ملحوظة في القوام أو النكهة للمنتج.
• تعتبر المعاملة بالضغط العالي مؤثرة في تثبيط العديد من الميكروبات مثل Campylobacter jejuni, Escherichia coli O157:H7, Listeria monocytogenes, and Salmonella spp. في العديد من الأغذية.
• يمكن تعقيم الأغذية على درجات حرارة منخفضة أو متوسطة باستخدام الضغط، وهي طريقة مفضلة للأغذية التي تتأثر مكوناتها بالحرارة.
• يستخدم الضغط العالي أيضًا للقضاء على الحشرات في الخضروات والفواكه، مما يزيد من فترات تخزينها.
• ثبت أنه يمكن تثبيط الخمائر والفطريات باستخدام تقنية الضغط في عصائر الموالح.
• تم تعقيم العصائر بالضغط عند 400 ميجا باسكال لمدة 10 دقائق عند 40 درجة مئوية لم تتعرض للتلوث عند تخزينها لمدة 2-3 أشهر.
• المعاملة بالضغط العالي تقلل من البكتيريا الموجودة في جبن لبن الماعز وتزيد من فترة التخزين البارد.
• لم تتواجد بكتيريا E. coli في الجبن بعد 60 يومًا من التخزين على (2-4) درجة مئوية بعد المعاملة وضغط 400 - 500 ميجا باسكال لمدة 5-10 دقائق.
• تُحدث أيضًا معاملة الضغط العالي تغيرات مورفولوجية في الخلايا الميكروبية وأدت إلى انفصال الجدار الخلوي وخلل في تجانس الطبقة الوسطى بين الجدار الخلوي والسيتوبلازم للخلية الميكروبية.

تأثير الضغط العالي على الخواص الحسية

• من أهم مميزات استخدام الضغط العالي هو التأثير الضعيف على تركيب ومكونات الغذاء، وبالتالي خواصه العضوية والغذائية.ً.
• استخدام الضغط العالي ذو تأثير ضعيف على الخواص التغذوية للأغذية.
• يمكن الاستفادة من تعديل تركيب النشا والبروتين بالضغط العالي في تقليل زمن طبخ الأرز إلى عدة دقائق.
• عصير الجريب فروت المصنع بالضغط العالي لا يظهر فيه الطعم المر الذي يظهر عند استخدام الطرق التقليدية.
• تظل منتجات الخوخ والكمثرى التي تمت معالجتها عند 410 ميجا باسكال لمدة 30 دقيقة معقمة تجاريًا لفترات طويلة.
• تظهر عصائر الموالح غير المبسترة والمعاملة بالضغط نكهة طازجة مع عدم فقد فيتامين C، وتصل مدة صلاحيتها إلى 17 شهرًا تقريبًا.
• المربى التي يتم الحصول عليها عن طريق المعاملة بالضغط العالي تحافظ على طعم ولون الفواكه الطازجة، على عكس المربى التقليدية الناتجة باستخدام الحرارة.

الأغذية التي يمكن حفظها بالضغط الهيدروستاتيكي العالي تشمل

• الأغذية الصلبة وعلى وجه الخصوص المعبأة والمغلفة تحت تفريغ:
  • منتجات اللحوم الجافة المعتقة أو المطبوخة.
  • الأجبان.
  • الأسماك والمنتجات البحرية والمنتجات المتبلة.
  • الأغذية الجاهزة للأكل والجواكامولي (سلطة الأفوكادو) والحمص والحساءات والصوص.
  • الفواكه الطازجة المقطعة الجاهزة للأكل والمربات والمارملاد.
  • الخضراوات.
• الأغذية السائلة المعبأة والمغلفة في عبوات مرنة:
  • منتجات الألبان.
  • عصائر الفاكهة.
  • المركبات التغذوية الصحية.

الأغذية التي لا يمكن معالجتها بتقنية الضغط الهايدروستاتيكي العالي

• الخبز.
• الأغذية المعبأة في عبوات صلبة مثل العبوات الزجاجية والمعدنية.
• الأغذية ذات المحتوى الرطوبي المنخفض جدًا مثل التوابل والفواكه المجففة.

فعالية ومنافع استخدام تقنية الضغط الهايدروستاتيكي العالي لتصنيع الأغذية

• تثبيط الكائنات الممرضة والخطيرة التي تشمل بكتيريا الليستريا والإي كولاي والسالمونيلا إضافة للكائنات المجهرية المسببة لفساد الأغذية ويؤدي ذلك إلى ضمان العلامة التجارية للمصنع وتأكيد سلامة الغذاء للمستهلك.
• يتيح استخدام تقنية الضغط الهيدروستاتيكي العالي فترة صلاحية مضاعفة أو أكثر للغذاء.
• يعني ذلك الحفاظ على جودة الغذاء وراحة المستهلك وشحن المنتج لمسافات أطول، ويتيح للمصنعين الوصول لأسواق جديدة.
• ينتج عن استخدام هذه التقنية الحصول على بطاقات مواد غذائية خالية من المواد الحافظة والمضافات الأخرى ودون إضافة حرارة أو مواد كيميائية مع المحافظة القصوى على الجودة الحسية التي تشمل الطعم والملمس والرائحة واللون والحفاظ على القيمة التغذوية الابتدائية.
• الاستخدام في درجات الحرارة المنخفضة يحسن من الاحتفاظ بجودة الغذاء.
• معاملات الضغط العالي لا تعتمد على حجم المنتج والتوزيع الفراغي له وأثرها منتظم في كل أجزائه.