LOGO

ผศ.ดร. วีรเชษฐ จิตตาณิชย ภาควิชาวิทยาศาสตรและเทคโนโลยีการอาหาร

คณะอุตสาหกรรมเกษตร

มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร

Innovative Food Processing

Food

processing

Conventional

technique

Innovative

technique

การฆาเชื้อ Thermal processing High pressure

การทาํแหง Hot air drying Hybrid drying

การแชเยือกแข็ง Air blast freezer Impingement

freezing

2 2

3

High Pressure Processing

3

LOGO

High pressure processing จัดวาเปน Non-thermal food processing

สามารถใชกับ

อาหารที่เปนของเหลวและของแขง็

มี/ไมมี บรรจุภัณฑ

ความดันที่ใชอยูในชวง 50-1000 MPa

วัตถุประสงค คอื ทําลายเชื้อจลุินทรีย/เอนไซม โดยอาศัย

ความดันสูง ไมใชความรอน เพื่อลดความเสียหายของ

Heat-sensitive food components

High Pressure Processing

4

ผูบริโภคตองการ Minimally-processed food products

เปนเทคนิคท่ีชวยรักษากลิ่นรส คุณคาทางโภชนาการไดดี ในขณะท่ีใหอายุ

การเก็บรักษาท่ีสมเหตุสมผล

ความดันที่กระทํากับวัสดุอาหารจะมีคาเทากันทุกๆจุด (Uniform) ไมวา

อาหารจะมีขนาดเปนอยางไร ซ่ึงแตกตางจากการใช Thermal processing

แบบดั้งเดิม

U.S. Food and Drug Administration and the U.S. Department of

Agriculture: officially approved the use of high pressure

processing for foods.

5

สาเหตุทีไ่ดรับความสนใจ

5

ในปจจุบัน High pressure machines สวนใหญที่ใชในอุตสาหกรรมสวนใหญจะมี

ลักษณะการทํางานเปนแบบ batch นั่นคือ

วัตถุดิบอาหารถูกปอนเขาสู Pressure vessel

Pressure vessel ถูกปด

ปอนของเหลวเขาไปในระบบ

เพ่ิมความดันโดยใชปม หรือใชการบีบอัดดวยลูกสูบ

ลดความดัน

ระบายของเหลวออก

นําผลิตภัณฑอาหารออกมา

6 6

ลักษณะการทํางานแบบ Batch ของ High pressure processing

Source: http://www.hiperbaric.com/en/high-pressure

7 7

• อาหารถูกบีบอัดภายใตสภาวะความดันสูง

ระยะเวลาของการใหความดัน อยูในชวงต้ังแตไมก่ีวินาทีจนถึง 5 นาที

อาจใชรวมกับความรอน

อาหารอาจอยูในบรรจุภัณฑระหวางการใหความดัน (แตบรรจุภัณฑจะตองมีความยืดหยุน สามารถสง

ถายความดันใหกับอาหารภายในบรรจุภัณฑได) หรืออาจเขาสูกระบวนการบรรจุหลังจากอาหารผาน

กระบวนการใหความดันก็ได โดยปกติของเหลวจะมีปริมาตรลดลง 15% เมื่อถูกอัดที่ความดัน 600 Mpa

ความดันที่ระดับ 600 MPa สามารถทําลาย ยีสต รา และ vegetative cells ของ แบคทีเรียสวนใหญ

• กระบวนการอัดเพื่อเพิ่มความดัน จะกอใหเกิดการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิของอาหาร

ประมาณ 3°C ตอความดันที่เพิ่มขึ้น 100 MPa

หลักการพื้นฐาน

8 8

• ความดันจากของเหลวตัวกลางจะถูกถายเทใหกับอาหารอยาง ทั่วถึงทุกๆจุด

ทันทีทันใด

สมํ่าเสมอ

(ไมวาอาหารสวนนั้นจะสัมผัสกับของเหลวตัวกลางโดยตรง

หรือไมก็ตาม)

9

ดังนั้นขนาดของอาหารจึงไมมีผลตอระยะเวลาที่ตองใช

ใน High pressure processing ซึง่แตกตางจาก

Thermal processing

9

ปจจัยที่สําคัญของกระบวนการ

• ระดับความดันที่ใช

• Holding time

• Come-up time

• Decompression time

• อุณหภูมิเริม่ตนของอาหาร

10 10

Microbial stress, injury, adaptation, and resistance to processing

(Lado & Yousef, 2002).

11 11

Pres

sure

P2 P1

Pf

t f t 2 t 1 t s

Come-Up Holding Decompression

Ps

12 12

การเปลี่ยนแปลงของคาความดันและอุณหภูมิระหวางกระบวนการ

Tem

pera

ture

Pres

sure

T1 T2

T s

P2 P1

Pf

t f t 2 t 1 t s

T f

Come-Up Holding Decompression

Ps

13 13

ความดันสูงแคไหน?

Pressure = Force/Area

= Weight x Gravity force/Area

Weight = 5,000 kg x 3 elephants

= 15,000 kg Force = Weight x Gravity force

= 15,000 kg x 9.81 m/s2

Area = πr2

= 3.14 x 0.0092 m2

Pressure = 15,000 kg x 9.81 m/s2

3.14 x 0.0092 m2

14

= 579 x 106 kg/m⋅s2 = 579 MPa

14

Cell structures of untreated and 500 MPa-30 min treated E. coli and S. aureus.

a, untreated E. coli; a’, high pressure treated E. coli;

b, untreated S. aureus; b’, high pressure treated S. aureus (Yang et al., 2012).

E. coli

S. aureus

Untreated High pressure treated

15

สปอรของแบคทเีรีย

สามารถทนตอความดัน

สูงไดดี

ดังนั้นหากตองการทําลาย

สปอรของแบคทเีรีย ตอง

ใชระดับความดันที่สูง

> 600 Mpa รวมกับการ

ใชความรอน

15

VDO

• http://article.wn.com/view/2013/12/21/HPP_High_Pressure_Pr

ocessing_Equipment_Market_Worth_6_Millio_u/

16 16

บรรจุภัณฑสําหรับ High pressure processing

• ซีลสนทิ อากาศไมสามารถผานเขาออกได

• สามารถทนตอการเปลี่ยนแปลงปริมาตรของอาหารในระหวาง

กระบวนการเพิ่มและลดความดันได (ประมาณ 15%)

• โดยทั่วไปฟลมพลาสติกหรอืถาดที่ทําจากวัสดุชนิดก่ึงแข็ง จะเปนทีน่ิยม

ใช ในขณะที่กระปองและวัสดุแกวจะไมเหมาะสม

• อาหารควรถูกบรรจุแบบสุญญากาศ

17 17

Adapted from: Patterson et al. (1995)

ระดับความดันที่ตองใชเพื่อที่จะได 5-log cycle inactivation ratio

สําหรับจุลินทรียบางชนิด กรณทีี่ใช holding time 15 นาท ี

18 18

Adapted from: Patterson and Kilpatrick (1998)

ระดับความดันที่ตองใชเพ่ือจะได 5-log cycle inactivation ratio

สําหรับ E. coli และ S. aureus ใน poultry meat และ UHT milk

กรณีที่ใช holding time 15 นาที และอาหารมีอุณหภูมิที่ระดับตางๆกัน

19 19

Adapted from: Leadley et al. (2003) 20

ตัวอยางผลิตภัณฑอาหารทีใ่ช High pressure processing ผลิตในเชงิพาณชิย

20

อาหารทะเล

• ระดับความดันที่ใช 200-500 MPa

• เปาหมายหลัก คือ ทําลายเชื้อ Vibrio parahaemolyticus, Vibrio vulnificus ใหอยูในระดับที่ตรวจไมพบ

• ชวยทําใหสามารถแยกสวนที่เปนเนื้อออกจากเปลือกของกุง หอย และปู งายขึ้นมาก

• มีการประยุกตใชในเชิงพาณิชยที่

– USA

– Canada

– Europe

21 21

Ready to eat Meats

• ไดรับการยอมรับใหใชเปนกระบวนการฆาเชื้อเพ่ือควบคุมปริมาณ Listeria spp. ใน prepackaged ready to eat meats

ระดับความดันที่ใช 500 MPa-600 MPa.

Sliced ham, turkey or chicken cuts,

ready-to-eat products, whole pieces of

cured ham

มีการประยุกตใชในเชิงพาณิชยใน USA, Spain,

Italy, Japan, Germany

22 22

Fruits and Vegetables Juices & Beverages

• ระดับความดันที่ใช 200-600 MPa

• เปาหมายหลัก คือ ทําลายเชื้อ Escherichia coli O157:H7,

Listeria monocytogenes,

Salmonella

• Variable effect on enzyme inactivation

• มีการประยุกตใชในเชิงพาณิชยที่ North America, Europe, Japan

23 23

24

Adapted from: Polydera et al. (2003)

ผลการเปรียบเทียบ Shelf-life ของน้าํสม

โดยใช sensory evaluation เปนเกณฑ

24

เงนิลงทุนเครือ่งจักรสงูมาก (0.5-4 ลาน Euro for industrial scale)

ไมสามารถทําเปนระบบตอเนื่องทีส่มบูรณได ตองเปน Batch or semi-

continuous เนื่องจากกลไกการใหความดัน

25

ขอจํากัด

25

26

Hybrid drying

26

• ในปจจบุัน ระบบการอบแหงแบบ Hybrid ถูกพัฒนาขึ้น

เพื่อตอบสนองความตองการของอุตสาหกรรมอาหาร เนื่องจาก

ในบางกรณี A single drying system ไมสามารถผลิต

ผลิตภัณฑไดคุณภาพหรือประสิทธิภาพตามท่ีตองการ

27

Novel drying: ระบบการอบแหงแบบ Hybrid

27

1. Heat pump drying (HPD)

28

เทคนิคการอบแหง

28

ประสิทธิภาพเชิงพลังงานสูง คาใชจายดานพลังงานต่ํา

คุณภาพของผลิตภัณฑสงู เนื่องจากเปนวิธีการอบแหงท่ีสามารถ

ควบคุมสภาวะอากาศไดดี

29

ขอดีของระบบ HPD

29

ตองการการซอมบํารุงอุปกรณหลัก อยางสม่ําเสมอ

ใชเงินลงทุนเริ่มตนสูง

30

ขอจํากัดของระบบ HPD

30

• Radio frequency (RF) – assisted HPD

31

ระบบ Hybrid ท่ีมีการใช HPD

31

2. Fluidized bed drying (FBD)

FBD ถูกนํามาใชอยางแพรหลายในอุตสาหกรรมอาหาร

โดยเฉพาะ ในการอบแหงวัสดุที่เปนอนุภาคของแขง็

ขอดี คือ

เปนวิธีทีใ่หอัตราการถายเทความรอนและความชืน้ ระหวาง

อนุภาคของแข็งกับลมรอนสูง

มีประสิทธิภาพเชงิความรอนสงู

ขอจํากัด คือ

• สามารถใชไดกับวัสดุอาหารเฉพาะบางประเภท

32 32

• ระบบ hybrid ที่มีการใช FBD รวมกับ HPD

33

ระบบ Hybrid ท่ีมีการใช FBD

33

• ระบบ hybrid ท่ีมีการใช Microwave drying (MWD)

ระบบ Hybrid ที่ใช MWD รวมกับ vacuum drying ถูกพัฒนาขึ้นที่ Washington State University

โดยมีลักษณะดังรูป

34 34

• ระบบ Hybrid ท่ีใช MWD รวมกับ spouted bed drying (SB).

35 35

36

Impingement freezing

36

วัตถุประสงค คือ ลดระยะเวลาที่ใชในกระบวนการแชเยือกแข็ง

ผลิตภัณฑอาหาร เนื่องจากคาสัมประสิทธ์ิการถายเทความรอนที่

สูงขึ้น

เทคนิค Jet impingement ถูกใชอยางกวางขวางในการ cooling

ชิ้นสวนอิเล็คทรอนิคส

กงัหันไอนํ้า

กระบวนการบด

Impingement freezing

37

• ลมเย็นที่มีความเร็วสูงมาก (10-65 m/s) ถูกปลอยออกมาจาก jet nozzle ในแนวด่ิง

ลงมาปะทะกับพ้ืนผิวของอาหารโดยตรง

• ปกติจะมีการติดต้ัง jet nozzles ทั้งดานบนและดานลางของสายพานลําเลียงในเครื่อง

แชเยือกแข็ง

Source: Westermark (2013). 38

หลักการ

38

Source: Westermark (2013).

39 39

Source: Westermark (2013).

40 40

• สามารถลดระยะเวลาการแชเยือกแข็ง เนื่องจากสัมประสิทธ์ิการถายเทความรอนที่

สูงขึ้น (70-250 W/m2⋅°K)

• ที่ระดับคาสัมประสิทธ์ิการถายเทความรอนเทากัน ปริมาณลมเย็นที่ตองใชสําหรับ

jet impingement freezer จะมีคานอยกวา air blast freezer

• ใชระยะเวลาแชเยือกแข็งใกลเคียงกับ cryogenic freezer แตมี operating cost

ตํ่ากวา

• อาหารตองมีความหนาไมมาก จึงจะคุมคาทางเศรษฐศาสตร

• พ้ืนผิวของอาหารตองมีความเรียบสมํ่าเสมอพอสมควร

• ตนทุนของ jet nozzle system (High power compressed fan, nozzles and

piping)

41

ขอด ี

ขอจํากัด

41

• Patty

• Sliced meat

• Fish fillet

42

ตัวอยางผลิตภัณฑ

42

เอกสารอา้งอิง • Lado, B. H. and Yousef, A.E. 2002. Alternative food preservation technologies: Efficacy and

mechanisms. Microbes and Infection. 4: 433-440.

• Leadley, C., Williams, A. and Jones, L. 2003. New technologies in food preservation: an

introduction. Key Topics in Food Science and Technology – No.8. Campden and Chorleywood

Food Research Association Group.

• Patterson, M.F., Quinn, M., Simpson, R. and Gilmour, A. 1995. Sensitivity of vegetative

pathogens to high hydrostatic pressure treatment in phosphate-buffered saline and foods.

Journal of Food Protection. 58(5): 524-529.

• Patterson, M. and Kilpatrick, D. 1998. The combined effect of high hydrostatic pressure and

mild heat on inactivation of pathogens in milk and poultry. Journal of Food Protection. 61(4):

432-436.

• Polydera, A.C., Galanou, E., Stoforos, N.G. and Taoukis, P.S. 2003. Inactivation kinetics of pectin

methylesterase of Greek navel orange juice as a function of high hydrostatic pressure and

temperature process conditions. Journal of Food Engineering. 62(3): 291-298.

43

เอกสารอางอิง

43

• Soto, V. and Borquez, R. 2001. Impingement jet freezing of biomaterials. Food Control. 12:

515-522

• Sun, D. W. 2005. Emerging Technologies for Food Processing, Elsevier Academic Press,

California, 1-65.

• Yang, B., Shi. Y., Xia, X., Xi, M., Wang, X., Ji, B. and Meng, J. 2012. Inactivation of foodborne

pathogens in raw milk using high hydrostatic pressure. Food Control. 28 (2): 273-278.

• http://www.hiperbaric.com/en/high-pressure

• http://article.wn.com/view/2013/12/21/HPP_High_Pressure_Processing_Equipment_Market

_Worth_6_Millio_u/

44 44

LOGO