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Inaktivierung bakterieller Endosporen durch kombinierte Anwendung gepulster elektrischer Felder und thermischer Energie
Projekt
Förderkennzeichen: AiF 16798 N
Laufzeit: 01.01.2010
- 31.05.2013
Fördersumme: 236.850 Euro
Forschungszweck: Angewandte Forschung
Bedingt durch den spezifischen Aufbau und besondere Mechanismen zeichnen sich bakterielle Endosporen durch eine hohe Resistenz gegen Umwelteinflüsse, wie Hitze, Strahlung und Chemikalien, aus. Verantwortlich hierfür sind vor allem die erhöhte Barrierefunktion (Membrankomprimierung und Lipidmolekülimmobilisierung) der inneren Sporenmembran und schützende Mechanismen im Core (z.B. säurelösliche Sporenproteine, die Reduktion des Wassergehaltes und der Wasserverfügbarkeit durch Bindung an Dipicolinsäure). Aufgrund dieser Resistenz ist bei Lebensmitteln mit einem pH-Wert von > 4, wie z.B. bei Gemüsesäften, eine Inaktivierung bakterieller Endosporen erforderlich. Diese erfolgt üblicherweise mittels einer thermischen Behandlung. Die erforderlichen Prozessund Anlagenparameter sind von den zu behandelnden Produkten sowie der gewählten Verpackungstechnologie abhängig. Trotz weitgehend optimierter Prozessbedingungen ist aber eine thermische Haltbarmachung mit einer hohen thermischen Belastung und teilweise erheblichen Veränderungen der Produkteigenschaften verbunden.
Um unerwünschte, thermische Beeinträchtigungen der Qualität der Produkte zu vermeiden, wurden Kombinationsverfahren unter Nutzung anderer Wirkprinzipien, wie z.B. Ultraschall oder hydrostatischem Hochdruck, vorgeschlagen.
Die Pasteurisation flüssiger Lebensmittel durch eine PEF-Behandlung, d.h. durch Einsatz gepulster elektrischer Felder (pulsed electric fields, PEF) zur Inaktivierung einer Vielzahl von pathogenen und produktschädlichen, vegetativen Mikroorganismen wird bereits kommerziell genutzt. Dabei hat neben der elektrischen Feldstärke und dem spezifischen Energieeintrag insbesondere die Behandlungstemperatur einen Einfluss auf die Entkeimungswirkung. Bei den üblicherweise für eine PEF-Behandlung verwendeten Temperaturen (20-40°C) wurde keine signifikante Abtötung von Endosporen nachgewiesen.
Anhand der Behandlung von Bacillus-cereus-Endosporen konnte gezeigt werden, dass bei einer Erhöhung der maximalen Behandlungstemperatur eine Inaktivierung mittels PEF erreicht werden kann. Dabei ist von einer kombinierten Wirkung von PEF und nasser Hitze auszugehen. Da die äußere Sporenmembran als Permeabilitätsbarriere nur bedingt wirksam ist, ist es denkbar, dass die innere Membran durch den spezifischen Aufbau zur Resistenz gegen PEF beiträgt. Trotz neuer Erkenntnisse ist es jedoch bislang nicht geklärt, ob es einen Zusammenhang zwischen dem Aufbau bzw. Zustand der inneren Membran der Sporen und ihrer Resistenz gegenüber PEF gibt. Auch wurde die Auswirkung von nasser Hitze auf Sporen beschrieben, allerdings ist wenig über Wirkmechanismen bekannt. So gibt es Hinweise, dass neben Denaturierungsprozessen auch Schädigungen der Permeabilitätsbarriere (innere Membran) und DNA auftreten. Da beide Verfahren Membranen als Wirkort haben, ist es denkbar, dass es bei der Sporeninaktivierung durch die kombinierte Wirkung von nasser Hitze und PEF zu additiven oder synergistischen Effekten kommt. Allerdings wurden Versuche zu einer kombinierten Anwendung von PEF und nasser Hitze in technischem Maßstab zur Sporeninaktivierung bisher weder in Modellmedien noch in Lebensmittelmatrices beschrieben.
Ziel des Forschungsvorhabens ist es, ein Verfahren zur produktschonenden Inaktivierung bakterieller Endosporen in flüssigen Produkten durch eine Kombination aus einer PEF-Behandlung und einer thermischen Behandlung zu entwickeln. Hierzu sollen zunächst durch Untersuchungen anhand einer temperierbaren, adiabaten Laboranlage die Inaktivierungsmechanismen geklärt und die wesentlichen Einflussparameter identifiziert werden. Dabei sollen additive oder synergistische Effekte bei der Inaktivierung erkannt und für die Entwicklung eines Kombinationsverfahrens für die Lebensmittelindustrie genutzt werden. Basierend darauf wird die Abtötung von Endosporen in verschiedenen Matrices, wie Gemüsesaft, Suppen, Hefeextrakten im technischen Maßstab unter Berücksichtigung des Temperatur-Zeit-Profils, sowie wichtiger Qualitätseigenschaften, wie z.B. Geschmack und Farbe, untersucht.
Abschnittsübersicht
Fachgebiete
- Lebensmittelmikrobiologie
