Wykorzystanie pulsacyjnego pola elektrycznego do produkcji żywności okazuje się zdecydowanie korzystniejsze w porównaniu do metod stosowanych od lat. Nie jest aż tak energochłonne oraz pozwala zachować właściwości prozdrowotne produktów, czego niestety nie udaje się osiągnąć wykorzystując metody tradycyjne. Badania w tym zakresie prowadzi w Szkole Głównej Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie jeden z najmłodszych naukowców w Polsce – ma zaledwie 35 lat i tytuł profesora uczelnianego – dr hab. Artur Wiktor, prof. SGGW.
Szacuje się, że w ciągu najbliższych 30 lat populacja naszej planety wzrośnie z 7,9 mld (stan na grudzień 2021 r.) do 9,7 mld. Natomiast na koniec XXI wieku osiągnie poziom 11 mld. Wzrost liczby ludności na Ziemi jest tylko jednym z wyzwań, z którymi będzie mierzyć się produkcja żywności. Istotnymi czynnikami, wpływającym zarówno na kierunek badań naukowców jak i trendy rynkowe są zmiany klimatyczne, a także rosnąca świadomość konsumentów. To wszystko sprawia, że naukowcy badają i poszukują nowych rozwiązań technologicznych, które pozwoliłyby zmniejszyć zużycie energii lub poprawić jakość produkowanej żywności. Jedną z metod, która może okazać się pomocna w sprostaniu tym wymaganiom jest pulsacyjne pole elektryczne (ang. pulsed electric field, PEF).
Działanie pulsacyjnego pola elektrycznego polega na wykorzystaniu serii bardzo krótkich impulsów prądu elektrycznego, który charakteryzuje się wysoką wartością natężenia pola elektrycznego. Impulsy te, mają natężenie nawet kilkudziesięciu kV/cm i trwają zazwyczaj kilka-, kilkanaście mikrosekund. Ich oddziaływanie na żywność prowadzi do zjawiska elektroporacji – które polega na powstawaniu w błonie komórkowej porów. Perforacja błony komórkowej może być odwracalna lub nieodwracalna i może być wykorzystana na przykład do utrwalenia żywności. Może także być wykorzystana do wspomagania procesów, w których chodzi o wydobycie określonych substancji z wnętrza komórek jak ekstrakcja barwników czy suszenie żywności. Co ważne – działaniu pulsacyjnego pola elektrycznego można poddać zarówno produkty płynne jak i te stałe.
Tradycyjne metody utrwalania żywności takie jak pasteryzacja czy sterylizacja polegają na obróbce termicznej – produkty spożywcze są podgrzewane przez określony czas, co inaktywuje większość drobnoustrojów i enzymów i nadaje trwałość żywności. Metody te ze względu na zastosowanie wysokiej temperatury, charakteryzują się wysokim zużyciem energii i prowadzą do zniszczenia substancji, które są cenne z żywieniowego punktu widzenia lub wpływają na smak i zapach. Wykorzystanie pulsacyjnego pola elektrycznego jest techniką nietermiczną, która nie prowadzi do ogrzania produktu, dzięki czemu odznacza się niskim zużyciem energii i w wielu przypadkach pozwala zachować bioaktywne składniki żywności oraz jej naturalny smak i zapach. – Soki poddane działaniu PEF charakteryzowały się większą zawartością witaminy C, poliefnoli czy karotenoidów niż produkty pasteryzowane – uzupełnia dr hab. Artur Wiktor, prof. SGGW z Katedry Inżynierii Żywności i Organizacji Produkcji Instytutu Nauk o Żywności Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie.
Technika PEF jest bardzo wszechstronna i możliwa do zastosowania podczas różnych operacji.
Poddając działaniu PEF marchew lub jabłka, możemy zwiększyć wydajność tłoczenia z nich soku. Następnie, stosując pole elektryczne do obróbki wytłoków możemy wspomóc pozyskiwanie z nich przeciwutleniaczy i barwników, co zwiększa wartość produktów postrzeganych tradycyjnie jako odpad i doskonale wpisuje się w ideę gospodarki cyrkularnej – dodaje dr hab. Artur Wiktor, prof. SGGW.
Obniżenie energochłonności produkcji żywności jest istotnym zadaniem – szacuje się, że sektor żywnościowy zużywa rocznie ok. 200 EJ energii, z czego blisko połowa związana jest z produkcją i dystrybucją produktów spożywczych. Niższe zużycie energii to nie tylko potencjalne oszczędności ale także mniejsze emisje gazów cieplarnianych. – Jak pokazują nasze badania, zastosowanie PEF przed procesem suszenia lub liofilizacji może skrócić czas trwania tych procesów a tym samym obniżyć zużycie energii nawet o ponad 20%. A trzeba pamiętać, że suszenie to jedna z tych operacji jednostkowych, które charakteryzują się największą energochłonnością – mówi Profesor.
Krótszy czas suszenia to także potencjalnie wyższa zawartość substancji aktywnych biologicznie w suszonych przekąskach – choć – jak dodaje naukowiec z SGGW, dużo zależy od samego surowca i związku chemicznego.
– W naszej Katedrze w ramach projektu FOX, finansowanego dzięki europejskiemu programowi Horyzont 2020, badamy w jaki sposób PEF wpływa na jakość wybranych owoców, warzyw i pieczarek suszonych różnymi metodami. Kolejnym krokiem zaplanowanym na najbliższe lata będzie opracowanie prototypu mobilnej suszarki, która umożliwi wielu gospodarstwom rolnym i małym producentom żywności rozszerzenie swojego portfolio o suszone owoce czy warzywa – mówi.
Jak pokazała pandemia COVID-19 konsumenci coraz częściej poszukują żywności autentycznej, której historia i pochodzenie jest transparentna. Zaletą takiego mobilnego rozwiązania jest także jego elastyczność – położenie urządzenia można zmieniać w zależności od aktualnych potrzeb. Suszenie jest także dobrą metodą zagospodarowania nadwyżek surowców lub takich, których jakość jest niewystarczająca, aby wprowadzić je do obrotu jako np. owoce deserowe.
System do aplikacji pulsacyjnego pola elektrycznego (PEF)
Pulsacyjne pole elektryczne jest postrzegane jako metoda nowa, choć jej początki sięgają jeszcze ubiegłego wieku. Obecnie, na skalę przemysłową najczęściej wykorzystywana jest do wspomagania przetwórstwa ziemniaków – w produkcji frytek czy chipsów ziemniaczanych. – Urządzenia do aplikacji PEF stają się w zasadzie standardem w branży ziemniaczanej. Aplikacja PEF obniża chłonięcie tłuszczu przez ziemniaki podczas ich smażenia, co obniża jego zawartość we frytkach czy też chipsach. Ziemniaki są także bardziej miękkie, dzięki czemu ich cięcie jest łatwiejsze. Jak pokazują badania, dzięki tej metodzie można także zmniejszyć w tych produktach zawartość akrylamidu – związku, który jest szkodliwy dla naszego zdrowia i który potencjalnie może zwiększać ryzyko zachorowania na raka – dodaje dr hab. A. Wiktor, prof. SGGW.
PEF nie jest ciągle powszechnie wykorzystywany w przemyśle spożywczym. Pewnym ograniczeniem mogą być koszty zakupu odpowiedniej aparatury. Pomimo tego, że pulsacyjne pole elektryczne jest także od lat używane w medycynie np. do wspomagania leczenia nowotworów, jego wykorzystanie w przemyśle spożywczym może wzbudzać wśród konsumentów zaniepokojenie. – Dotychczas przeprowadzone badania wskazują, że pulsacyjne pole elektryczne jest metodą bezpieczną – uspakaja jednak naukowiec.