Pulsed Electric Fields (PEF) for Permeabilization of Cell Membranes in Food- and Bioprocessing – Applications, Process and Equipment Design and Cost Analysis.
Year: 2006
Type: dissertation
Abstract: Der Einfluss gepulster elektrischer Felder (PEF) auf Liposomen und Membranen pflanzlicher, tierischer und mikrobieller Zellen wurde untersucht. Eine Reihe von Pulsmodulatoren und Behandlungszellen wurde realisiert, um den Einfluss unterschiedlicher Anlagen-, Prozess- und Produktparameter zu bewerten. Für pflanzliche und tierische Zellen wurde eine kritische Feldstärke im Bereich von 0,3 bis 0,5 kV/cm, für Mikroorganismen von 10 bis 15 kV/cm beobachtet. Das Ausmaß der Membranpermeabilisierung wurde mittels Impedanzanalyse für pflanzliche und tierische Gewebe und mittels Durchflußzytometrie für Mikroorganismen und Liposomen bestimmt. Die Auswirkung auf Stofftransportvorgänge in Geweben wurde im Labor- und technischem Maßstab untersucht. Eine Steigerung der Extrahierbarkeit intra-zellulärer Substanzen sowie der Ausbeute von Frucht- und Gemüsesäften bis zu 7 % bei äquivalenter Produktqualität konnte im Vergleich zu Kontrollproben gezeigt werden. Versuche in technischem Maßstab zeigten den Einfluss einer Elektroporation auf die Maischestruktur, eine Anpassung der Parameter der folgenden Fest-Flüssig-Trennung war notwendig. Durch eine Behandlung von Fleischwaren konnte deren Trocknung, Marination oder Pökeln beschleunigt werden, durch verbesserte Verteilung wasserbindender Agenzien innerhalb des Gewebes konnte eine Reduktion des Garverlustes erreicht werden. Die Inaktivierung von Mikroorganismen wurde am Beispiel von Fruchtsäften und Milch in untersucht, die Anwendbarkeit des Verfahrens zur schonenden Haltbarmachung wurde gezeigt. Eine Kombination mit milder Hitze führte zu einer deutlichen Verbesserung der Energieeffizienz. Anhand von Laktoperoxidase in Milch wurde die Inaktivierung von Enzymen ermittelt, es wurde ein lediglich geringer direkter Einfluss elektrischer Felder beobachtet. Zusätzlich wurde die Eignung zur Reduktion der Überschußschlammenge bei der biologischen Abwasserbehandlung und zur Konservierung von Algenextrakten untersucht. Der Energiebedarf für eine Permeabilisierung unterschiedlicher biologischer Membranen in Abhängigkeit vom induzierten Membranpotential wurde verglichen. Eine Effizienzanalyse zeigte deutliche Kosten- und Zeitvorteile bei einer Anwendung einer PEF-Behandlung als Zellaufschlussverfahren tierischer und pflanzlicher Gewebe im Vergleich zu konventionellen Technologien. Eine Anwendung als Konservierungsverfahren führte auch nach energetischer Optimierung zu höheren Behandlungskosten als eine thermische Behandlung, jedoch können diese durch Verbesserung der Produktqualität bei Premium- oder thermolabilen Produkten gerechtfertigt werden. Der Zellaufschluss bei Fleischwaren, Frucht- und Gemüsemaischen konnte als vielversprechendste Einsatzmöglichkeit des Verfahrens identifiziert werden um, etwa 50 Jahre nach den ersten empirischen Untersuchungen von Heinz Doevenspeck, eine breite Anwendung des Verfahrens in industriellem Maßstab zu erzielen.
Source: DepositOnce
Author: Töpfl, Stefan
Language: German
Subfield: Biotechnology
Domain: Life Sciences
SDG: Zero hunger
Open Access status: green
OpenAlex ID: W2113231331