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Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und eine
Vorrichtung zum Konservieren und Verpacken von Nahrungsmitteln,
insbesondere zum Konservieren von Nahrungsmitteln und
Verpackungsverfahren und eine Vorrichtung, die intensives,
inkohärentes, pulsierendes Licht verwenden.
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Bezüglich der Verlängerung Lagerungsdauer von
Nahrungsmitteln und anderen mikrobiologisch zersetzbaren
Produkten und der Resistenz gegenüber mikrobieller Zersetzung
wurden wesentliche technische Anstrengungen unternommen.
Derartige Anstrengungen beinhalteten sowohl die Behandlung von
Produkten als auch die Entwicklung von Verpackungstechniken zur
Konservierung.
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Nahrungsmittel können mikrobieller Zersetzung als auch
enzymatischen Abbau unterworfen sein, die die Lagerzeit des
Nahrungsmittels begrenzen. Enzymatischer Abbau ist besonders
schnell und offensichtlich, wie beispielsweise bei der
Braunfärbung von frisch geschnittenen Kartoffeln und Äpfeln, besitzt
jedoch bei einer Vielzahl von Nahrungsmitteln, allein, oder in
Kombination mit mikrobiell verursachter Zersetzung nachteilige
Auswirkungen. Nahrungsmittel, wie frischer Fisch, besitzen
beispielsweise eine relativ begrenzte Aufbewahrungsdauer bevor
sie mikrobiell und/oder enzymatisch zersetzt werden, was die
Verteilung und den Verkauf von frischen Fischprodukten
einschränkt. Zum Verlängern der Lagerzeit verderblicher
Nahrungsmittel, wie frischer Fisch, Geflügel, Rind und Schwein
geeignete Verfahren und eine Vorrichtung dafür waren wünschenswert.
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Viele Produkte, wie beispielsweise einige Säfte, werden
darüber hinaus gegenwärtig mittels Erhitzen bei Bedingungen
verarbeitet, die zum Erlangen der gewünschren Reduktion der
biologischen Aktivität eine Verschlechterung des Geschmacks und
des Wohlgeschmacks des behandelten Nahrungsmittels nach sich
ziehen. Um die Vorteile des Geschmacks und Wohlgeschmacks
beizubehalten wären Verfahren und eine Vorrichtung zur Reduzierung
oder Eliminierung biologischer Aktivität ohne derartiges,
abbauendes Erhitzen wünschenswert, die das Interesse des
Verbrauchers und daher den Markt für derartig behandelte Produkte
vergrößern würden.
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Die photobiologischen Auswirkungen von Licht
einschließlich sichtbarem Licht (380-780 nm), nahem Ultraviolett-Licht
(300-380 nm) und fernem Ultraviolett-Licht (190-300 nm) wurden
viele Jahre untersucht, wie beispielsweise in Jagger, J.,
"Introduction to Research in Ultraviolett Photobiology",
Prentice Hall, Inc., 1967 berichtet. Darüber hinaus wurden
Anstrengungen unternommen Licht zur Sterilisierung von
Nahrungsmitteln oder Behältern für Nahrungsmittel zu verwenden. US-PS-
2 072 417 beschreibt die Bestrahlung von Substanzen,
beispielsweise Milch, mit aktiven Strahlen, wie UV-Strahlen. US-PS-3 817
703 beschreibt die Sterilisierung von lichtdurchlässigem
Material mit pulsierendem Laser-Licht. US-PS-3 941 670
beschreibt ein Verfahren zur Sterilisierung von Materialien,
einschließlich Nahrungsmitteln, indem das Material mit einem
Laser bestrahlt wird, um Mikroorganismen zu inaktivieren.
Derartige Verfahren weisen jedoch verschiedene Nachteile auf, wie
begrenzte Durchsatz-Kapazität, begrenzte Wirksamkeit,
nachteilige Auswirkungen auf das Nahrungsmittel, uneffektive
Energieumwandlung (Elektrizität zu Licht) und ökonomische Nachteile.
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Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung neue
Verfahren zum Konservieren von Nahrungsmitteln zur Verfügung zu
stellen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung eines
Verfahrens zur Reduzierung von Enzymaktivät auf der Oberfläche
oder innerhalb eines Nahrungsmittelproduktes, einer Flüssigkeit
oder eines Gases oder auf der Oberfläche einer Vorrichtung oder
eines Verpackungsmaterials, das mit der Oberfläche eines
Nahrungsmittelproduktes in Kontakt steht zum Konservieren eines
verderblichen Nahrungsmittels. Das Verfahrenumfaßt die
Schritte, das Material, auf dem oder in dem die Enzymaktivität
reduziert werden soll mit mindestens einem sehr kurzen Puls
eines intensiven, polychromatischen, inkohärenten Lichtes, das
eine Dauer im Bereich von 0,001 bis 100 msec, eine
Energiedichte im Bereich von 0,01 bis 50 J/cm² auf der
Oberfläche des Materials, eine derartige
Wellenlängenverteilung, daß mindestens etwa 70 % der Energie des Pulses des
intensiven, polychromatischen, inköhärenten Lichtes bei
Wellenlängen zwischen 170 und 2600 nm verteilt ist, im wesentlichen
sofort mit der Dauer des ersten polychromatischen inköhärenten
Lichtpulses zu bestrahlen, um die Aktivität jeder einer
Vielzahl von mindestens zwei verschiedenen, spezifischen
Enzymen im wesentlichen gleichzeitig auf weniger als 75 % ihres
diesbezüglich ursprünglichen Wertes zu reduzieren.
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Beispiele für Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in
denen:
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Figur 1 eine schematische Darstellung einer
Ausführungsform einer pulsierendes Licht verarbeitenden Vorrichtung ist,
in der pumpbare Produkte, die longitudinal durch einen Mantel
um eine verlängerte Lichtquelle eines inkohärenten pulsierenden
Lichtes fließen, verarbeitet werden;
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Figur 2 eine schematische Darstellung einer
Ausführungsform einer pulsierendes Licht verarbeitenden Vorrichtung ist,
in der pumpbare Produkte, die parallel durch einen Mantel um
eine verlängerte Lichtquelle eines inkohärenten pulsierenden
Lichtes fließen, verarbeitet werden;
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Figur 3 eine schematische Darstellung einer
Ausführungsform einer pulsierendes Licht verarbeitenden Vorrichtung ist,
in der Produkte mittels Durchleiten durch eine Station mit
intensivem, inkohärentem, pulsierendem Licht behandelt werden;
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Figur 4 eine graphische Darstellung der Aktivität
alkalischer Phosphatase nach Behandlung mit pulsierendem Licht bei
einer Fluenz von 1 J/cm² als Funktion der Zahl der
Behandlungsblitze, gemessen als Akkumulation der optischen Dichte
bei 405 nm gegen die Zeit zur Besrimmung der Hydrolyse von p-
Nitrophenylphosphat zur Herstellung von p-Nitrophenol ist;
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Figur 5 eine graphische Darstellung der Aktivität
alkalischer Phosphatase nach Behandlung mit pulsierendem Licht mit
zwei Blitzen bei einer Zahl verschiedener Behandlungs-Fluenzen
ähnlich Figur 4, gemessen unter Verwendung der optischen Dichte
bei 405 nm gegen die Zeit zur Bestimmung der Hydrolyse von p-
Nitrophenylphosphat ist;
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Figur 6 eine graphische Darstellung wie in Figur 5 ist, in
der die Lichtpulse durch eine Kupfersulfatlösung gefiltert
werden, um Ultraviolett-Anteile des Spektrums herauszufiltern;
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Figur % eine graphische Darstellung wie in Figur 6 ist,
wobei 5 Behandlungsblitze in mehreren Fluenzen verwendet
werden;
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Figur 8 eine graphische Darstellung der Aktivität
alkalischer Phosphatase aufgetragen gegen die Behandlungs-Fluenz
für Behandlungen mit sowohl pulsierendem Licht aus das volle
Spektrum abgebenden Blitzlichtlampen ist, wie auch für
pulsierendes Licht, bei dem das ultraviolette Spektrum durch
einen Kupfersulfatlösung-Filter entfernt wurde ist; und
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Figur 9 eine graphische Darstellung der logarithmischen
Deaktivierung der Aktivität alkalischer Phosphatase aufgetragen
gegen die Fluenz des pulsierenden Lichtes Behandlungen mit
pulsierendem Licht aus das volle Spektrum abgebenden
Blitzlichtlampen sowie für pulsierendes Licht, bei dem das
ultraviolette Licht durch einen Kupfersulfatlösung-Filter
entfernt wurde, ist.
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Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und eine
Vorrichtung zum Konservieren von Nahrungsmitteln unter
Verwendung intensiver, kurzer Pulse inkohärenten Lichtes mit einem
breiten Spektrum. Gemäß den erfindungsgemäßen Verfahren können
Nahrungsmittelprodukte im Hinblick auf ihre enzymatischen
Abbauprozesse konserviert werden, wobei beträchtliche Lagerzeiten
und Stabilitätsverbesserungen erzielt werden. Der Gebrauch von
inkohärenten, polychromatischen Lichtpulsen hoher Intensität
ermögliche ein wirksames, effektives Verarbeiten mit hohem
Durchsatz und liefert viele praktische und ökonomische
Vorteile. Zudem erlaubt die kurze Dauer eines jeden Pulses unter
bestimmten Bedingungen eine räumliche Lokalisierung der
verschiedenen konservierenden Wirkungen auf eine dünne
Oberflächenschicht eines Nahrungsmittelproduktes.
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Im allgemeinen werden erfindungsgemäß Verfahren zum
Konservieren von Nahrungsmitteln und zur Inaktivierung von Enzymen
auf den Oberflächen der Nahrungsmittel und des
Verpackungsmaterials oder in einem transparenten Medium zur Verfügung
gestellt, indem das Medium oder die Oberfläche mindestens einem
inkohärentem Lichtpuls einer Energiedichte im Bereich von 0,01
bis 50 J/cm² auf der Oberfläche des zu behandelnden
Nahrungsmittels oder Verpackungsmaterials ausgesetzt wird, wobei eine
Wellenlängenverteilung verwendet wird, daß mindestens 70%, und
vorzugsweise mindestens 95 % seiner elektromagnetischen Energie
in einem Wellenlängenbereich von 170 bis 2600 nm verteilt ist
und eine Dauer im Bereich von 1 x 10&supmin;&sup6; bis etwa 1 x 10&supmin;¹
Sekunden, vorzugsweise weniger als 10 msec verwendet wird.
Vorzugsweise sollten mindestens 40 %, und gewöhnlich mehr als
70 % der Energie des Lichtpulses ein kontinuierliches Spektrum
aufweisen. Intensive Pulse aus Quellen, einschließlich starker
Linien-Emissionsspektren können in bestimmten Verfahren
ebenfalls nutzbringend eingesetzt werden. Derartige kurze,
intensive, inkohärente Lichtpulse können durch pulsierende,
Gas-gefüllte Blitzlichtlampen,
Elektrodenabstands-Entladungsvorrichtungen oder andere pulsierende inkohärente Lichtquellen
geliefert werden. Bei Entladung eines Strompulses durch die
Blitzlichtlampe und Ionisierung des Gases liefern pulsierende,
Gas-gefüllte Blitzlichtlampen ein Licht mit breitem Spektrum,
und stellen ein intensives Signal einer kontinuierlichen, wie
auch einer Linien-Emission über ein breites Spektrum hinweg zur
Verfügung. Aufgrund ihres hohen Wirkungsgrads bei der
Umwandlung von elektrischer zu Lichtenergie verwenden derartige
Blitzlichtlampen gewöhnlich inerte Gase wie Xenon oder Krypton.
Die Verwendung anderer Gase oder Gasgemische und
Gasentladungssysteme ist möglich und kann für bestimmte Anwendungen
wünschenswert sein. Es ist davon auszugehen, daß im Gegensatz
zu der Wirkung eines Emissionsspektrum einer einzelnen Linie
durch beispielsweise eine keimtötende, kontinuierlich
arbeitende Nieder- oder Hochleistungslampe die Anwendung eines
intensiven Pulses mit Licht eines breiten Spektrums gemäß
verschiedener Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung verschiedene
letale Wirkungen über einen Bereich von Wellenlängen geliefert
werden.
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Darüber hinaus kann gemäß der vorliegenden Erfindung durch
Auswahl der Betriebsbedingungen der pulsierenden Lichtquelle
und/oder eines geeigneten Filters für bestimmte Anwendungen
eine bestimmte Spektralverteilung des pulsierenden, hoch
intensiven, inkohärenten Lichtes gewählt werden. Wie
nachstehend genauer beschrieben wird können Ferne und nahe UV-
Anteile eines inkohärenten, hoch-intensiven Lichtpulses für
eine wirksame und ökonomische Deaktivierung von Enzymen durch
photochemische Effekte verwendet werden um diese auf der
Oberfläche und innerhalb des nahen Oberflächenbereichs eines
festen Nahrungsmittels oder der Verpackungsmaterial-Oberfläche
oder innerhalb einer Flüssigkeit oder eines Gases chemisch zu
deaktivieren. Spektralverteilungen und Lichtpuls-Intensitäten,
die einen photothermalen Mechanismus verwenden, wie durch
photothermale Chromophore innerhalb des Enzyms oder durch
photothermale Absorption auf der Oberfläche oder nahe der zu
behandelnden Oberfläche werden hier ebenfalls in Betracht
gezogen. Beide Mechanismen können mit hoher Effizienz und
Wirksamkeit für die Konservierung von Nahrungsmitteln verwendet werden
und für Verfahren zur Behandlung aseptischer Verpackungen.
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Die Intensität einer bestimmten Wellenlängenverteilung
wird vorzugsweise so gewählt, daß sie beim Behandeln mit den
intensiven Lichtpulsen eine Reduktion der ursprünglich
vorhandenen Kolonie bildenden Einheiten auf der zu behandelnden
Oberfläche (oder in dem zu behandelnden, flüssigen Medium) um einen
Faktor von mindestens 10 (1 log-Reduktion, Basis 10) und noch
bevorzugter um mindestens Tausend (3 log-Reduktion, Basis 10)
liefern. Erfindungsgemäß kann eine Reduktion der Kolonie
bildenden Einheiten um einen Faktor von mindestens 1 Million
oder mehr (6 log-Reduktion, Basis 10), bis zur vollständigen
Sterilisierung bereitgestellt werden. Bei Verfahren, die eine
erhebliche Erwärmung der Oberfläche beinhalten, wird die
gewünschte Intensität größer sein und bei Verfahren mit mehr
UV-Lichtpulsen geringer.
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Als Ergebnis enzymatischer Inaktivierung können feste
Nahrungsmittelprodukte eine beachtliche Verbesserungen der
Lagerzeit und der Stabilität aufweisen. In Übereinstimmung mit
derartigen Verfahren sind mindestens 5 % und vorzugsweise
mindestens etwa 10 % der Energie der Lichtpulse bei Wellenlängen
kürzer als 300 nm. Derartige UV-reiche Lichtpulse haben
gewöhnlich eine relativ geringe Gesamtenergiedichte, wie im
Bereich von 0,01 bis 15 J/cm² und gewöhnlich 0,1 bis 3 J/cm².
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Zur Behandlung von Nahrungsmitteloberflächen kann es
wünschenswert sein Anteile des mit (einer) pulsierenden
hochintensiven Blitzlichtlampe (n) hergestellten polychromatischen,
inkohärenten Lichtspektrums herauszufiltern. Bestimmte
bevorzugte Verfahren zur Behandlung von Nahrungsmittelprodukten
können beispielsweise Spektralkontrollen und/oder Filter
beinhalten, um die Spektral-Fluenz von Wellenlängen, die als
unerwünscht erachtet werden, auf ein Minimum zu beschränken da
einige Spektralbereiche den Geschmack oder die Qualität des
Nahrungsmittels nachteilig beeinflussen könnten. Gemäß
verschiedener erfindungsgemäßer Verfahren können beispielsweise
Nahrungsmittelprodukte mit intensiven, polychromatischen,
inkohärenten Lichtpulsen behandelt werden, die mindestens etwa 90 %
ihrer Energie bei Wellenlängen zwischen 300 und 2500 nm
verteilt und eine Blitzdauer im Bereich von 0,001 und 100 msec
haben und eine Energiedichte auf der Nahrungsmitteloberfläche
im Bereich von 0,01 bis etwa 20 J/cm² aufweisen. Zusätzlich zu
den Blitzlichtlampen können andere, pulsierendes Licht
spendende Vorrichtungen verwendet werden, die für die hier
beschriebenen Verfahren geeignete Breitband-Spektren und
Intensitäten liefern.
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Typische Nahrungsmitteloberflächen und
Verpackungssubstrate können zwischen 1 und 20 kurzzeitigen, inkohärenten
Lichtespulsen hoher Intensität ausgesetzt werden, wobei die
Verwendung mehrerer, mindestens jedoch 2 Pulse besonders
bevorzugt ist. In verschiedenen Ausführungsformen können die
Nahrungsmittel, bevor sie den Lichtpulsen augesetzt werden, in
ein Verpackungsmaterial eingepackt werden, das für das
gewünschte Behandlungsspektrum ausreichend durchlässig ist.
Diesbezüglich sollte das, das zu behandelnde Nahrungsmittel
enthaltende Verpackungsmaterial mindestens etwa 10 % und
vorzugsweise mindestens etwa 50 % der Energie der Lichtpulses
über einen vorbestimmten Behandlungs-Wellenlängenbereich von
weniger als etwa 320 nm durchlassen.
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Bei der Behandlung von Flüssigkeiten (wie beispielsweise
Getränke) können intensive, inkohärente polychromatische
Lichtpulse geschaffen werden, die in einem Behandlungsbereich
durch das behandelte Flüssigkeitsvolumen hindurch eine
bestimmte Energiedichte (wie hier beschrieben) aufweist. Diesbezüglich
sollte in dem Behandlungsvolumen mindestens eine spezifizierte,
minimale Energiemenge des pulsierenden Lichtes vorhanden sein,
die zum Erreichen des gewünschten Desinfektionsgrades
ausreichend ist. Derartige Verfahren können in einem fixierten
Behandlungsvolumen der Flüssigkeit statisch sein oder können
kontinuierlich sein, wenn die Flüssigkeit durch eine
Behandlungszone in einer Menge geleitet wird, die sicherstellt, daß
das gesamte, durch die Behandlungszone geleitete Volumen der
vorgeschriebenen, minimalen, pulsierenden Lichtmenge ausgesetzt
wird.
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Flüssigkeiten, wie klare Zuckerlösungen, Wein usw. können
eine beschränkte Durchlässigkeit besitzen, was durch die
Verwendung entsprechend kleinerer (beispielsweise in der(n)
Richtung(en) der Fortpflanzung des Lichtpulses dünnerer)
Behandlungsvolumen ausgeglichen werden kann. Es ist bevorzugt,
daß die Flüssigkeit für UV-Licht eine derartige Durchlässigkeit
aufweist, daß mindestens die Hälfte des ursprünglichen Lichtes
bei 260 nm durch eine 0,025 cm Dicke der Flüssigkeit
hindurchgeht. Bei der Behandlung von Flüssigkeiten sind diese
wünschenswert im wesentlichen frei von festen, dispersen
Materialien (beispielsweise reine Flüssigkeiten oder flüssige
Gemische oder Lösungen, in denen Festkörper in einem flüssigen
Lösungsmittel gelöst sind), so daß jegliches vorhandene Enzym
dem intensiven Lichtfeld ohne Schatten-Effekt maximal
ausgesetzt wird. Es ist jedoch ebenfalls klar, daß feste
Materialien, wie zu- und aufgeschnittene oder Nahrungsmittel in
Stückchenform (beispielsweise getrocknetes Gemüse) in einer
flüssigen (beispielsweise Wasser) Suspension, vorzugsweise mit
mehreren Pulsen, zweckmäßig behandelt werden können, wobei die
Pulse wünschenswert in mehreren Fortpflanzungsrichtungen
vorhanden
sind, um die Behandlung aller festen Oberflächen
sicherzustellen.
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Zusätzlich zur Behandlung von Flüssigkeiten mit einer
geeigneten Intensität pulsierenden, inkohärenten Lichtes in dem
zu behandelnden Flüssigkeitsvolumen kann die Flüssigkeit ebenso
durch viele Bestrahlungen mit pulsierendem Licht unter Mischen
(vorzugsweise turbulentes Mischen) der Flüssigkeit zwischen den
einzelnen Pulsen behandelt werden. Obwohl derartige
Behandlungsverfahren den Gehalt abbauender Enzyme reduzieren
kann sind sie bedeutend weniger wünschenswert und weniger
wirksam als die Gesamtvolumen Behandlungs-Verfahren.
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Erfindungsgemäß sollte die Intensität der Lichtpulse,
insbesondere bei Verfahren, in denen der Ultraviolett-Anteil
der pulsierenden Lichtblitze unterdrückt oder im wesentlichen
entfernt wurde, ausreichend sein, um eine sehr dünnen
Oberflächenschicht des Nahrungsmittel oder Verpackungsmaterials
in einer Dicke von weniger als 10 µm auf eine Temperatur von
mindestens 50ºC, vorzugsweise auf mindestens 75ºC und noch
bevorzugter auf mindestens etwa 100ºC zu erhitzen. Eine
derartige dünne Schicht kann in sehr kurzer Zeit, gleichzeitig mit
der Anwendung einer oder mehrerer Lichtpulse auf eine im
wesentlichen höher Temperatur (beispielsweise höher als 150ºC,
wie im Bereich von 300ºC bis 700ºC) erhitzt werden. Auf diese
Weise kann Hitze auf eine sehr dünne Oberflächenschicht
lokalisiert werden, um auf der Oberfläche vorhanden Enzyme zu
inaktivieren, ohne im wesentlichen die inneren Temperaturen des
Nahrungsmittelproduktes zu erhöhen. Zwischen den
aufeinanderfolgenden Pulsen kann die Hitze in der Oberflächenschicht des
Nahrungsmittelproduktes und/oder des Verpackungsmaterials
abgeleitet werden oder sich zerstreuen ohne das Produkt im
wesentlichen zu verändern. Die Anzahl der Lichtpulse und ihre
Gesamtenergie kann begrenzt werden, um die meßbare
Oberflächentemperatur des Materials 10 Sekunden nach dem Lichtpuls auf
unter etwa 100ºC zu halten und vorzugsweise den durch die
Lichtpuls-Behandlung verursachten Anstieg der
Oberflächentemperatur mindestens 10 Sekunden nach der Behandlung auf weniger
als 50ºC und noch bevorzugter auf weniger als 15ºC zu
begrenzen.
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In einigen Ausführungsformen kann das Nahrungsmittel oder
anderes behandeltes Material für das Licht, dem es ausgesetzt
ist, im wesentlichen nicht durchlässig sein, so daß sehr wenig
Licht in das Material eindringt und das gesamte Licht (der Teil
der nicht reflektiert wird) im wesentlichen innerhalb einer
sehr dünnen Oberflächenschicht des Nahrungsmittels, gewöhnlich
weniger als etwa 1 µm und bis zu 1 mm Dicke zerstreut wird.
Licht dringt gemäß einer exponentiellen Formel in die
Oberfläche eines Materials ein:
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I = (1-R) Io eαx (1)
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worin I die Energieintensität des Lichtes ist, das bis zu einer
Entfernung x unterhalb der Oberfläche reichte, R der
Oberflächenkoeffizient der Reflexion ist, Io die ursprüngliche
Intensität auf der Oberfläche ist und α der
Extinktionskoeffizent ist, der die Lichtundurchlässigkeit des verwendeten
Materials darstellt. Licht, das in das Material eindringt,
jedoch nicht hindurchgeht, wird in dem Material in Wärme
umewandelt. Bei jedem Punkt der Oberfläche wird die Energie pro
Einheit (Ed) in einer Tiefe d gemäß folgender Formel
umgewandelt:
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Ed = (1-R)Io [1-e-αd] (2)
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Sobald sich die Wärme mittels Absorption des Lichtpulses in dem
Material festgesetzt hat verteilt sie sich im allgemeinen gemäß
dem bekannten Gesetz des Wärmetransportes durch thermische
Leitung:
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Ec = Akt dT/dx
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wobei Ec die zwischen zwei durch eine Längeneinheit dx
getrennte Ebenen des Bereichs A geleitete Energie in dem Material
ist, k die thermische Leitfähigkeit des Mediums ist, dT der
Temperaturunterschied zwischen diesen beiden Ebenen in ºKelvin
ist und t die Zeit in Sekunden ist, während der der
Wärmetransport stattfinden kann. In einigen Ausführungsformen
weist das Material ein geeignetes Absorptions-verstärkendes
Mittel auf oder wird damit behandelt, um über das gewünschte
Wellenlängen-Spektrum einen geeigneten, wirksamen,
durchschnittlichen Extinktionskoeffizienten (α) aufzuweisen und
somit die gewünschte Energieabsorption in einer geeigneten
Tiefe zu besitzen.
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Wird ein Strahl eines kontinuierlichen Lichtes auf der
Oberfläche eines Nahrungsmittels absorbiert, wird er gewöhnlich
gemäß Gleichung (2) in Wärme umgewandelt. Die erhitzte
Oberfläche wird noch wärmer, was zu einem Temperaturgradienten in
dem Material und zu einem Wärmefluß in die tieferen Schichten
des Materials gemäß Gleichung (3) führt. Schließlich wird ein
Gleichgewichtszustand erreicht, bei dem die
Oberflächentemperatur dergestalt ist, daß genausoviel Wärme in die Tiefe des
Materials fließt, wie der Lichtstrahl auf die Oberfläche
bringt. Da Nahrungsmittel und andere Produkte häufig Wasser
enthalten, das ein guter Wärmeleiter ist, kann die auf der
Produkt-Oberfläche mit herkömmlichen, kontinuierlichen
Lichtbehandlungs-Verfahren (beispielsweise mittels einer
kontinuierlichen Quecksilberdampf-Ultraviolettlampe) hergestellte Wärme
ziemlich schnell nach innen geleitet werden. Durch Verwendung
von inkohärenten Lichtpulsen hoher Intensität und einer Dauer,
die bezüglich der Wärmeleitfähigkeits-Zeitkonstante kurz ist,
kann die Energie innerhalb einer sehr kurzen Zeit auf die
behandelten Oberfläche aufgebracht werden, während der wenig
oder überhaupt keine Wärmeleitung stattfindet, wobei im
wesentlichen eine sehr dünne Oberflächenschicht sofort auf eine
Temperatur erwärmt wird, die viel höher ist, als die
Gleichgewichtstemperatur, die durch kontinuierliche Lichtstrahlen der
gleichen durchschnittlichen Leistung erreicht wird.
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Erfindungsgemäß wird die Erwärmung einer dünnen
Oberflächenschicht eines relativ lichtundurchlässigen
Nahrungsmittelmaterials mit Lichtquellen bewirkt, die während der
Pulsdauer Pulse mit Energiedichten zwischen 0,01 und 50 J/cm²
und vorzugsweise zwischen 1 bis 20 J/cm² auf die
Materialoberfläche liefern können. So können beispielsweise Lichtpulse mit
einem Energiegehalt zwischen 2 und 20 J/cm² (beispielsweise
zwischen 8 und 16 J/cm²) einfach und wirksam auf die
Nahrungsmitteloberfläche aufgebracht werden. Gewöhnlich ist die
Energiedichte der auf die Oberfläche des Produktes aufgebrachten
Lichtpulse ausreichend, um eine pulsierende Wärmebehandlung
einer sehr dünnen Oberflächenschicht zu ergeben. Um die
Oberflächentemperatur zu erhöhen bevor erhebliche Mengen nach
innen transportiert werden, wird diese Energie wünschenswert in
Pulsen mit einer Dauer im Bereich von 0,001 bis 100 msec und
vorzugsweise von 0,1 bis 3 msec, wie zwischen 0,1 und 1 msec
geliefert. Die Dauer eines Pulses wird durch die verstrichene
Zeitspanne bestimmt zwischen der die ansteigende
Lichtenergiedichte des Lichtpulses die Hälfte seines vollen Wertes erreicht
hat und die Intensität wieder auf die Hälfte des vollen Wertes
gefallen ist. Die Gesamtmenge der dem jeweiligen Produkttyp
zugeführten Lichtenergie hängt von den Eigenschaften des
jeweiligen Materials ab, wie seinem Extinktions- (oder
Absorptions-) koeffizienten und seinem Oberflächenkoeffizienten
der Reflexion. Bei Verfahren, die das Erhitzen der Oberfläche
verwenden, hängt die für das Erhitzen des bestimmten Produktes
erforderliche Wärmemenge auch zu einem begrenzten Ausmaß von
dem Typ oder den Typen der zu zerstörenden Oberflächenenzyme
ab. In Nahrungsmittelprodukten kann eine große Vielzahl
abbauender Enzyme vorhanden sein, die einen Bereich
unterschiedlicher optischer Absorptionsmerkmale aufweisen können. Die
Konservierung von Nahrungsmitteln kann durch Verwendung
hochintensiver, polychromatischer Lichtpulse eines breiten
Spektrums gegen einen weiten Bereich abbauender Enzyme erreicht
werden.
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Diesbezüglich enthalten viele Nahrungsmittelprodukte,
insbesondere Nahrungsmittelprodukte, wie Früchte, Fisch,
Schalentiere, Gemüse und Fleisch Enzyme, wie Oxidoreductasen,
Hydrolasen, Lipasen, Isomerasen, Proteinasen usw., die das
Erscheinungsbild, den Geruch, den Geschmack, die Stabilität
oder andere geschmackliche Parameter des
Nahrungsmittelproduktes bei Lagerung nachteilig beeinflussen können. Abbauende
Enzyme können insbesondere auf geschnittenen oder aufgerauhten
Oberflächen des Nahrungsmittelproduktes vorhanden sein. Enzyme
können ebenfalls durch auf der Oberfläche des
Nahrungsmittelproduktes
vorhandene Mikroorganismen hergestellt werden. Gemäß
bevorzugter Ausführungsformen der Behandlungsverfahren für
derartige Nahrungsmittelprodukte kann die abbauende Wirkung eines
Enzyms über die Oberfläche des Nahrungsmittelproduktes hinweg
um mindestens 25 % (d.h. weniger als 75 % der ursprünglichen
Aktivität bleiben erhalten) und bevorzugter um mindestens 90 %
(d.h. weniger als etwa 10 % der ursprünglichen Enzymaktvität
bleiben erhalten) reduziert werden. Als Nahrungsmittelprodukt
wird die äußere Oberflächendicke des Nahrungsmittelproduktes
bis zu einer Tiefe von 0,1 mm bezeichnet. Obwohl die
Enzymaktivität hier auf die Oberfläche des Nahrungsmittelproduktes
beschränkt wird, kann eine Inaktivierung auch in inneren
Bereichen als der Nahrungsmittelproduktoberfläche erreicht
werden. Die Breitspektrums-, hoch-intensiven Lichtpulse können
zur Deaktivierung einer Vielzahl von Enzymen verwendet werden,
wobei im wesentlichen eine gleichzeitige Inaktivierung einer
Vielzahl derartiger Enzyme erreicht wird. Gemäß derartiger
Verfahren kann eine wie hier beschriebene Behandlung mit
hochintensiven Lichtpulsen zur Reduzierung der Aktivität einer
Vielzahl von mindestens zwei unterschiedlichen, spezifischen
Nahrungsmittel-abbauenden Enzymen um einen Faktor von
mindestens 25 % und vorzugsweise um mindestens 90 % über die
behandelte Oberfläche des Nahrungsmittelproduktes hinweg
verwendet werden, um ein konserviertes Nahrungsmittelprodukt mit
erhöhter Lagerungsbeständigkeit und Stabilität zu erhalten.
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In bevorzugten Verfahren zum Konservieren verderbbarer
Nahrungsmittel, die aufgrund der Anwesenheit mehrerer Enzyme
auf der Oberfläche Enzymaktivität aufweisen, werden durch
Verfahren Nahrungsmittelprodukte mit verbesserter Lagerungsdauer
geliefert, die die Schritte umfassen, ein zu behandelndes,
festes Nahrungsmittelprodukt mit abbauenden Enzymen auf der
Oberfläche des Nahrungsmittelproduktes bereitzustellen und die
Oberfläche des festen Nahrungsmittelproduktes mit mindestens
einem sehr kurzen Puls eines intensiven, polychromatischen
inkohärenten Lichtes mit einer Dauer im Bereich von 0,001 bis
100 msec einer Energiedichte im Bereich von 0,1 bis 50 J/cm²
auf der Oberfläche des Nahrungsmittelproduktes, einer
derartigen Wellenlängenverteilung, daß mindestens 70 %, der Energie
des intensiven, polychromatischen, inkohärenten Lichtpulses bei
Wellenlängen zwischen 170 nm und 2600 nm verteilt sind im
wesentlichen sofort mit der Dauer des ersten polychromatischen
inkohärenten Lichtpulses, zu bestrahlen, um die Aktivität jedes
einer Vielzahl von mindestens zwei unterschiedlichen Enzymen
auf weniger als 75 % ihres ursprünglichen Wertes auf der
Oberfläche des Nahrungsmittelproduktes zu reduzieren, um ein
konserviertes Nahrungsmittelprodukt mit erhöhter
Lagerbeständigkeit zu liefern. Die Aktivität jedes der Vielzahl von Enzymen
wird in derartigen Verfahren vorzugsweise auf weniger als 10 %
ihres ursprünglichen Wertes reduziert.
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Bei Behandlungsverfahren für Nahrungsmittel, in denen es
wünschenswert ist, die Anwendung von UV-Licht auf das Produkt
zu begrenzen, kann das verwendete Licht hauptsächlich bei
Wellenlängen verteilt sein, das vom sichtbaren in das ferne
oder nahe UV und nahe IR reicht, wobei vorzugsweise 80% der
Energie des Lichtpulses bei Wellenlängen im Bereich von 270 bis
2600 nm verteilt sind. Bei bestimmten Behandlungsmaterialien
beispielsweise kann das gelieferte Licht vornehmlich bei
Wellenlängen zwischen 300 und 2500 nm verteilt sein. Derartige
Lichtpulse können mindestens 10 % ihrer Lichtenergie bei
Wellenlängen im nahen UV verteilt haben, d.h. zwischen 300 und
400 nm. Sichtbares Licht und Infrarot sind jedoch ebenfalls
sehr wirksam die gewünschte thermische Wirkung hervorzubringen.
Wenn gewünscht kann durch beispielsweise Herausfiltern aus dem
pulsierenden Lichtspektrum ein Teil oder im wesentlichen das
gesamte Licht einer vorbestimmten Grenzfrequenz oder einer
bestimmten Bandbreite entfernt werden. Ein derartiges
Herausfiltern kann mittels fester Filter, wie UV-absorbierender
Glasfilter, oder mittels flüssiger Filter, wie durch statische oder
fließende flüssige Ummantellungen, die eine Blitzlichtlampe mit
unerwünschten Spektralanteilen umgeben, erreicht werden. Die
flüssige Ummantellung kann geeignete organische oder
anorganische Absorptionsmittel enthalten, wie anorganische Salze, die
bei den zu entfernenden Wellenlängen absorbieren. Eine
Kupfersulfatlösung in Wasser, (beispielsweise 50 g CuSO&sub4;/Gallone
Wasser) das als Kühlmedium der Ummantellung einer
Blitzlichtlampe verwendet wird kann beispielsweise einen wirksamen
UV-Filter darstellen. Die Absorptionsspektren fester
Filtermaterialien, der Flüssigkeiten und Lösungen organischer und
anorganischer Materialien sind wohlbekannt und können je nach
Wunsch gewählt werden.
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Es wurde gefunden, daß auch kurze, hoch-intensive Pulse im
fernen und nahen UV-Bereich bei der Inaktivierung abbauender
Nahrungsmittel-Enzyme wirksam sein können. Die Verwendung
kurzer, hoch-intensiver Lichtpulse ermöglicht eine beachtliche
Reduktion der Produkt-Verarbeitungszeit und einen bedeutenden
Anstieg des Produkt-Durchsatzes. Pulsierendes sichtbares Licht
und Infrarot sind jedoch zur Herstellung der gewünschten
Wirkung in stark absorbierenden Medien mittels
Oberflächen-Erhitzung ebenfalls wirksam. Die Fähigkeit zur Inaktivierung von
Enzymen auf Oberflächen mit Licht eines breiten Spektrums
ermöglicht es, abbauende Enzyme durch Einsatz der inkohärenten
Lichtpulse mit breitem Spektrum durch transparente
Verpackungsmaterialien, wie Glas oder klares Plastik, von denen einige zur
Absorption bestimmter Ultraviolett-Wellenlängen neigen können,
zu inaktivieren.
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Ein großer Teil der auf der Oberfläche hergestellten Wärme
wird schließlich in das Innere des Produktes geleitet. Die
gesamte, sogar durch eine Reihe von Pulsen hergestellte
Wärmemenge, kann im Vergleich mit der im wesentlichen zur
Erhöhung der Temperatur in Inneren des Produktes
erforderlichen Wärmemenge relativ klein sein. Unter diesen Umständen
wird das Produkt (mit Ausnahme einer sehr dünnen
Oberflächenschicht) nicht auf eine Temperatur erhitzt, bei der es seine
Eigenschaften im wesentlichen ändern würde. Die Anzahl der
Lichtpulse für die Inaktivierung von Enzymen auf der Oberfläche
des Produktes wird darüber hinaus zweckmäßig beschränkt, um das
Produkt nicht zu überhitzen.
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In einigen Verarbeitungsverfahren von Nahrungsmitteln
können hoch-intensive Lichtpulse mit einem wesentlichen Anteil
an UV-Strahlung verwendet werden.
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Das Intervall zwischen den hoch-intensiven Pulsen, die auf
ein Produkt einwirken, sollte hinreichend lang sein, damit sich
ein Teil der Wärme aus der sehr dünnen Oberflächenschicht
verteilen kann, jedoch hinlänglich kurz, so daß die Vielzahl
der Pulse eine kumulative Wirkung aufweisen. Die Zeit zwischen
den auf die zu behandelnde Oberfläche aufgebrachten Pulsen
beträgt vorzugsweise zwischen 0,001 und etwa 30 Sekunden
(beispielsweise 0,1 bis 5 sec), und in industriellen
Verfahrens- oder Verpackungsanwendungen vorzugsweise weniger als 2
Sekunden. Werden die Pulse durch eine einzige Blitzlichtlampe
geliefert (oder mehreren Lampen, die gleichzeitig blitzen) wird
die maximale Wiederholungsrate praktischerweise durch die
Abkühlungs-Parameter der einzelnen Lampen bestimmt, die im
allgemeinen eine Wiederholungsrate im Bereich von weniger als 1
bis 1000 mal/sec erlauben. Die wirksame Wiederholungsrate kann
jedoch durch Verwendung mehrerer Blitzlichtlampen, die
nacheinander geblitzt werden, erhöht werden und durch eine relative
Bewegung der Blitzlichtlampe und der zu behandelnden
Oberfläche.
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Inkohärentes, pulsierendes Licht ausreichender Intensität
sowie geeigneter Dauer und Wellenlängenverteilung ist von einem
Blitzlichtlampen-System erhältlich. Ein geeignetes
Blitzlichtlampensystem wird durch Maxwell Laboratories Inc. unter dem
Handelsnamen "Flashblast" verkauft. Ein bestimmtes Modell, das
Flashblast Modell FB-300 besteht aus einer
DC-Stromversorgungseinheit, das die Energielagerungs-Kondensatoren versorgt, einen
Schalter zur Kontrolle der Entladung dieser Kondensatoren,
einen Auslösungskreislauf zum Umlegung des Schalters in einem
vorprogrammierten Zeitintervall (automatisch) oder beim Pressen
eines Knopfes durch den Anwender (manuell), einen Satz von
Hochspannungs-Koaxialkabel, mit denen die Entladungspulse von
der Kondensator-Schalteranordnung herangeführt werden und 1 bis
4 Blitzlichtlampen, die zur Ausrichtung des von den Lampen
emittierten Lichtes in einem Metallreflektor angeordnet sind.
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Um die Wirkung der hoch-intensiven, pulsierenden,
inkohärenten Lichtbehandlung insbesondere für transparente,
reflektierende oder relativ nicht-absorbierende
Nahrungsmittelprodukte oder Substrate zu verstärken, kann ein geeignetes
Absorptions-verstärkendes Mittel auf die Oberfläche des
Nahrungsmittelproduktes aufgebracht werden. Zwei Hauptanwendungen
dieser Technik beinhalten die Oberflächenbehandlung von
Produkten, die für die für die Behandlung gewählten
Wellenlängen
relativ durchlässig sind. Einige Nahrungsmittel, wie
beispielsweise bestimmte Früchte, Säfte oder dünne Scheiben
frischen Fisches sind für sichtbares Licht relativ durchlässig.
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Gemäß einiger Gesichtspunkte dieser Verfahren kann zuerst
ein Absorption-verstärkendes Mittel auf das zu behandelnde
Produkt aufgebracht werden. Das Mittel kann in jeder geeigneten
Art und Weise aufgebracht werden, wie durch Sprühen oder
Bestäuben der Oberfläche des Produktes mit einem Pulver, das das
Mittel enthält, oder durch Aufbringen des Mittels in einem
gelösten Zustand, wie als wäßrige der nicht-wäßrige Lösung des
Mittels, das durch Sprühen, Beschichten oder Eintauchen des zu
behandelnden Substrats oder durch Aufdampfen des Mittels auf
die Oberfläche des Produktes aufgebracht werden kann.
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Geeignete Absorption-vertsärkende Mittel sollten bei den
erwünschten Wellenlängen innerhalb des Spektralbereichs des(r)
in der Behandlung verwendeten, hoch-intensiven Lichtpulse(s)
einen hohen optischen Absorptionskoeffizienten aufweisen. Für
Nahrungsmittelprodukte sollte das Mittel am besten ein eßbares
Material sein, das allgemein als sicher angesehen wird und
leicht auf Nahrungsmittelprodukte, Vorrichtungen oder
Verpackungsmaterialoberflächen, die mit der
Nahrungsmitteloberfläche in Kontakt treten sollen, aufzubringen ist.
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Das Mittel sollte wünschenswert selektiv auf Oberflächen
lebender Zellen absorbiert werden, so daß die verwendete Menge
reduziert oder ihre Wirkung konzentriert werden kann.
Indikatoren wie lichtempfindliche, pH-empfindliche oder
oxidationsempfindliche Farbstoffe können beim Verfahren vorteilhaft
verwendet werden, so daß die Photonen-Absorption des Mittels
als ein Teil des Behandlungsverfahrens verändert werden kann.
Derartige Indikator-Farbstoffe können für bestimmte
Nahrungsmittelprodukte, Verpackungsfolien oder
Behandlungsverfahren nützlich sein, bei denen die Absorption des Farbstoffes
während der Behandlung mit dem pulsierenden Licht vergrößert
oder verringert wird. Wünschenswert sind
Absorptions-verstärkende Mittel, die ohne Zersetzung verdampfen oder die günstige
Zersetzungsprodukte auszuwählen. Beispiele für Mittel sind
erlaubte Nahrungsmittel-, Arzneimittel- und
Kosmetik-Farbstoffe, wie Karotin, Rot-Farbstoff #3, Zitronengrün, schwarze
Kirsche und Gemische davon. Die verschiedenen natürlichen
Farbstoffe und natürlichen Nahrungsmittel-Farbstoffe können für das
Verarbeiten von Nahrungsmitteln in geeigneter Weise verwendet
werden, wie verschiedene natürliche oder Kochöle. Gemische von
zwei oder mehreren Komponenten mit unterschiedlichen
Absorptionsmaxima können zur Erhöhung der optischen Absorption
über das gewünschte Spektrum geeignet verwendet werden.
Absorptionsmittel mit einer Affinität für Enzyme können
ebenfalls gewählt werden, um die Konservierungs-Behandlung von
Nahrungsmittelprodukten zu verbessern.
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Nach Aufbringung des Absorptions-verstärkenden Mittels auf
die Oberfläche des Produktes aus einer Lösung (wie durch
Eintauchen, Sprühen oder Roll-Beschichten), kann die überschüssige
Lösung entfernt und, wenn gewünscht, die Oberfläche des
Produktes teilweise oder vollständig getrocknet werden. Das
Produkt kann dann mit pulsierendem, inkohärentem Licht behandelt
werden, um eine sehr dünne Oberflächenschicht, die mit dem
Mittel behandelt worden war, in einer Zeitspanne zu erhitzen,
die im Vergleich zur thermischen Leitung klein ist.
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Die Verwendung Absorption-verstärkender Mittel zur
Vorbehandlung von Produkten kann die Erhöhung der Pulsbreite des
durch die Blitzlichtapparatur gelieferten Lichtes ermöglichen.
Dies fürht zur Verringerung des ultravioletten Anteil, der
erhoöung des Anteils an längeren Wellenlängen in dem Licht der
Blitzlichtlampen und zur Verlängerung der Lebensdauer der
Blitzlichtlampen.
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In Verfahren, in denen die Oberflächen von Produkten mit
pulsierendem Licht behandelt werden, wird wünschenswert die
gesamte Oberfläche des Produkt behandelt. Dies kann durch
Behandeln des Produktes in einer transparenten
Fördervorrichtung (oder einer Fördervorrichtung mit transparenten
Abschnitten, in die das Produkt überführt wurde), durch Drehen
des Produktes während der Behandlung mit mehreren Lichtpulsen
oder durch Behandlung im freien Fall erreicht werden, bei der
das Produkt durch eine von Blitzlichlampen umgebene
Behandlungszone fällt, so daß im wesentlichen die gesamte
Oberfläche des Produktes gleichzeitig behandelt wird. Der
Durchgang des Produktes durch eine Auslöser-Sensorzone kann
vorgesehen werden, um die Blitzlichtlampen-Pulse mit der
Anwesenheit des Produktes abzustimmen, wobei die verschiedenen
Blitzlichtlampenanordnungen an den freien Fall des Produktes
angepaßt wird. In geeigneter Weise kann ein Strom
sterilisierter Luft gegenläufig zum Produkt-Fluß verwendet werden. Die
sterilisierte Luft kann in herkömmlicher Art und Weise
geliefert werden, kann jedoch ebenso durch kontinuierliches
Leiten der Luft durch eine Behandlungszone mit hoch-intensivem,
pulsierendem Licht und Aussetzen der Luft beim Durchschreiten
der Zone einer Vielzahl, vornehmlich UV-angereicherter,
hochintensiver, polychromatischer Lichtpulse in den vorstehend
beschriebenen Intensitäten und Dauer geliefert werden. Für
einige Produkte, wie frischen Fisch, kann vorläufiges Waschen
mit unter hohem Druck stehendem Wasser wünschenswert sein. Um
die an der Oberfläche erhitzten Produkte oder einen
möglicherweise auf dem Nahrungsmittelprodukt vorhanden
oberflächlichen "gekochten" Geschmack zu entfernen, kann, wo
geeignet, eine endgültiger Waschschritt mit sterilem Wasser oder
anderen Mitteln ebenfalls eingesetzt werden. Das Produkt kann
darüber hinaus vor der Behandlung mit dem pulsierenden Licht in
einem transparentem Packmaterial eingepackt werden.
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Nachdem nun die verschiedenen Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, werden die
unterschiedlichen Gesichtspunkte der Erfindung unter Bezug zu den in
den Figuren und den verschiedenen Beispielen dargestellten
Ausführungsformen genauer beschrieben. Figur 1 ist eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform zur Behandlung
pumpbarer, flüssiger Nahrungsmittelprodukte, wie Früchtsäfte,
mit intensivem, inkohärentem, pulsierendem Licht. Die
Vorrichtung (50) umfaßt ein reflektierendes, zylindrisches
Gehäuse, das eine Behandlungskammer (502), durch die das
Produkt fließt, darstellt, und die eine Quelle pulsierenden
Lichtes (504) umgibt. Diese ist in der Vorrichtung (50) eine
hoch-intensive Xenon-Blitzlichtlampe, die gemäß herkömmlicher
Praxis für den Betrieb von Blitzlichtlampen mit einer
geeigneten Stromquelle (nicht gezeigt) verbunden ist. Eine
Flüssigkeitszirkulationspumpe (508) kontrolliert die Fließrate des
Produktes durch die Behandlungskammer (502) bezüglich der Puls-
Wiederholungsrate der Quelle der Lichtpulse, so daß während der
Anwesenheit des Produktes in der Behandlungkammer (502) das
gesamte, hindurchgehende Produkt eine vorbestimmte Anzahl
hochintensiver Pulse inkohärentem, polychromatischem Licht erhält.
In einigen Ausführungsformen wird die Produkt-Behandlungskammer
(502) geeigneterweise so angeordnet, daß sie von der Quelle des
pulsierenden Lichtes (504) getrennt ist, so daß das Produkt
nicht mit der Quelle in Berührung kommt. Der Durchmesser der
Behandlungskammer ändert sich abhängig von vielen Faktoren, wie
beispielsweise den spezifischen Absorptionscharakteristika des
zu behandelnden Produktes, den physikalischen und
Betriebscharakteristika der Blitzlichtlampen und dem Mischgrad des
Produktes zwischen mehreren Pulsen. Die Behandlungskammer kann
in geeigneter Weise so eingerichtet werden, daß eine
Reflexionsanordnung als ihre äußere Wand oder als ein externer
Reflektor vorgesehen ist, um die durch das Produkt
durchgegangene Strahlung wieder zurückzuwerfen. Es ist darauf
hinzuweisen, daß Flüssigkeiten, wie Luft oder Wasser, für
Licht, einschließlich einem beachtlichen Anteil des UV-
Spektrums relativ durchlässig sind. Es gibt daher relativ wenig
Verringerung durch Absorption in derartigen Medien, wobei die
Flußdichte im wesentlichen nur als Funktion der Entfernung von
den Kontrollampen abnimmt. Bei Flüssigkeiten mit erheblicher
Absorption verringert dieser Faktor jedoch ebenso die Puls-
Flußintensität als Funktion der Entfernung von der Lampe. In
jedem Fall sollte die gewünschte minimale Flußdichte wie zuvor
beschrieben durch die Behandlungszone hindurch aufrechterhalten
werden, da andernfalls gemischt werden muß um sicherzustellen,
daß die gesamte Flüssigkeit eine angemessene Flußdichte und
Anzahl von Pulsen erhält.
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Obwohl in der Vorrichtung (50) in der Behandlungskammer
(502) die Lampe im Inneren angeordnet ist, können auch eine
oder mehrere Lampen außerhalb der Behandlungskammer angeordnet
sein. Eine besonders bevorzugte Anordnung ist in Figur 2
gezeigt, in der die zu behandelnde Flüssigkeit durch eine
durchsichtige Behandlungsleitung (552) (beispielsweise eine
Quartzrohre) geleitet wird, die entlang eines Fokus eines
elliptischen Reflektors (554) angeordnet ist. Eine Blitzlichtlampe
(556) ist entlang eines anderen Fokus des elliptischen
Reflektors angeordnet, wobei mehrere elliptische Abschnitte mit
je einer Lampe in ihrem Fokus und die Quartz-Röhre (552) in
ihrem anderen Fokus (nicht gezeigt) verwendet werden können.
Die Lampe kann mit einer Ummantellung zur Wasserkühlung
und/oder Flüssigkeitsspektralfilterung umgeben sein. Auf diese
Art und Weise wird, da die Lichtpulse auf das Zentrum der
Behandlungszone der Flüssigkeit gerichtet sind die
Lichtabsorption der zu behandelnden Flüssigkeit kompensiert, so daß
die gesamte Flüssigkeit einer oder mehreren einheitlichen
Lichtbehandlungen unterworfen wird.
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In Figur 3 wird eine Ausführungsform einer intensiven,
inkohärenten Licht-Verarbeitungsstation (60) gezeigt, die eine
Lichtpuls-Anordnung (602) mit Quelle/Reflektor umfaßt, durch
die das Produkt (601) geleitet wird, fällt oder herunterfällt.
Die Anordnung der Blitzlichtlampen (602) ist durch Drähte mit
einer einen elektrischen Puls herstellenden Einheit (603) oder
einem Impulsgeber verbunden, der die Blitzlichlampen-Anordnung
entweder gleichzeitig oder nacheinander mit Strom versorgt und
einer durch Schläuche mit eier
Kühlung/Filter-Flüssigkeitszirkulationsvorrichtung (604), die das flüssige Medium durch eine,
extern jeder Lampe angeordnete Ummantellungsanordnung zum
Kühlen und/oder spektralen Filtern durch Verwendung
ausgewählter Lösungen mit gewünschten
Spektral-Durchlässigkeits-/Absorptionscharakteristika, zirkuliert. Die
Blitzlichtlampen/Reflektor-Anordnung umfaßt mehrere Lampen und Reflektoren, die
einen intensiven Lichtpuls hervorbringen. Obwohl die
dargestellte Ausführungsform (60) gerade Lampen und
Reflektorelemente verwendet können andere Anordnungen eingesetzt werden.
Die Blitzlichtlampen können beispielsweise in jeder Form
hergestellt werden, wie auch die Neonlichtröhren in jeder
Gestalt hergestellt werden können. In ähnlicher Weise können die
Reflektoren aus vielen verschiedenen Materialien in vielen
verschiedenen Formen bestehen, um die Blitzlichtlampen auf das
zu behandelnde Produkt in der gewünschten Art und Weise
auszurichten. Für eine Einführung in die Grundlagen der
Reflektorausbildung stellt "The Optical Design of Reflectors"
2. Ausgabe, William B. Elmer, Herausgegeben von John Wiley and
Sons, Inc. New York eine geeignete Quelle dar.
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Unter Bezugnahme auf die folgenden spezifischen Beispiele
werden verschiedene Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung
genauer erläutert. Diese Beispiele zeigen qualitativ und
quantitativ die erfindungsgemäße Wirkung beim Konservieren von
Nahrungsmittelprodukten mittels Reduzierung oder Entfernung von
Enzymen.
Beispiel 1
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Um die Inaktivierung abbauender Enzyme in einem festen
Nahrungsmittelprodukt durch Behandeln mit einer pulsierenden
Xenon-Blitzlichtlampe zum Konservieren des
Nahrungsmittelproduktes zu zeigen, wurde ein Nahrungsmittelprodukt (Kartoffel)
gewählt, bei dem der enzymatische Abbau visuell schnell
ersichtlich ist. Frisch geschnittene Kartoffel werden in Luft
durch die Wirkung des Enzyms Polyphenol-Oxidase (PPO) schnell
braun. Während die Wirkung der Polyphenol-Oxidase visuell
schnell sichtbar wird, können andere Enzyme ebenfalls die
Frische oder andere Eigenschaften des Nahrungsmittelproduktes
verschlechtern. In diesen Untersuchungen wurden Kartoffeln in
Scheiben geschnitten und einige dieser Scheiben anschließend
auf einer Oberfläche mit einer pulsierender
Xenon-Blitzlichtlampe behandelt, während andere Scheiben als Kontrollproben zum
Vergleich mit den behandelten Scheiben zurückbehalten wurden.
Ein Satz von Behandlungsbedingungen war, 5 Blitze des gesamten
Spektrums einer pulsierenden Xenon-Blitzlichtlampe bei einer
Fluenz von 3 J/cm² auf die behandelte Oberfläche aufzubringen.
Ein anderer Satz von Behandlungsbedingungen war, 2 Blitze des
gesamten Spektrums einer pulsierenden Xenon-Blitzlichtlampe bei
einer Fluenz von 3 J/cm² auf die behandelte Oberfläche
aufzubringen. Kontroll- und behandelte Scheiben wurde dann bei
Raumtemperatur in Plastik-Petrischalen aufbewahrt und
beobachtet. Die Kontroll-Kartoffelscheiben (unbehandelt) begannen sich
durch die Einwirkung der Polyphenol-Oxidase (PPO) innerhalb von
Minuten braun zu verfärben. Die behandelten Scheiben blieben
jedoch weiß und sahen frisch aus, wobei sich diese Wirkung über
eine verlängerte Lagerzeit hielt. Es wurde weiterhin
beobachtet,
daß sich die unbehandelten (gegenüberliegenden)
Oberflächen der behandelten Kartoffelscheiben ebenfalls braun
verfärbten, wobei sich jedoch das Ausmaß der Verfärbung mit der
Scheibendicke zu ändern schien, was mit der Durchdringung der
Enzym-deaktivierenden Anteile des Lichtes in die
Kartoffelscheiben-Probe in Zusammenhang gebracht wurde. Kurz nach dem
Schneiden wurde eine andere Kartoffelscheibe mit 5 Blitzen aus
einer pulsierenden Xenon-Blitzlichtlampe bei einer Fluenz von 3
J/cm² behandelt und dann 45 Minuten unter den gleichen
Bedingungen wie die Kontrollprobe gehalten. Diese Scheibe wurde
aus derselben Knolle wie die Kontrollscheibe geschnitten wobei
beide Scheiben innerhalb einer Minute geschnitten wurden. Die
behandelte Kartoffelscheibe zeigte ein eindeutig frischeres
Erscheinungsbild und zeigte weniger oxidative Braunverfärbung
durch PPO.
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In ähnlicher Weise verfärbt sich eine Kontrollprobe,
verglichen mit einer ähnlichen, mit 2 hoch-intensiven,
kurzeitigen Xenon-Blitzlichtlampen-Blitzen bei 3 J/cm²
behandelten Kartoffelscheibe. Bei einem Vergleich von Kontroll-
und behandelten Scheiben von Bananen- und Apfelscheiben, die
ebenfalls eine schnelle enzymatische Braunfärbung unbehandelter
Scheiben, verglichen mit behandelten Scheiben zeigen, wurden
ähnliche Wirkungen nachgewiesen.
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Durch leichtes Kratzen mit einer Rasierklinge über die
Oberfläche der Kartoffelscheibe unter Spülen mit
Enzympufferlösung konnte von den Kontroll-Proben ausreichend PPO-Enzym
gewonnen werden, um einen herkömmlichen PPO-Assay schnell zu
färben. Identisches Kratzen und Spülen der Kartoffelscheiben-
Oberfläche verfärbte das PPO-Assay Gemisch nicht schnell. Die
Kontroll-Assay-Gemische verfärbten sich aufgrund der
Akkumulierung des PPO-Endproduktes, o-Quinon. Die Assay-Gemische der
behandelten Proben blieben im wesentlichen klar. Dieser
Unterschied war schnell und lang andauernd. Der Unterschied
zwischen der Kontrolle und den behandelten PPO-Assay-Gemischen
kann in ähnlicher Weise nach vierundzwanzig stündiger Lagerzeit
hei Raumtemperatur in offenen Polypropylen-Röhrchen gezeigt
werden.
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In ähnlicher Art und Weise wurden eine Reihe von
Untersuchungen durchgeführt, um die Auswirkungen der Behandlung
mit hoch-intensivem, pulsierendem Licht bei einem spezifischen
Enzym-System, der alkalischen Phosphatase, zu untersuchen, die
in verschiedenen natürlichen Nahrungsmittelprodukten zu finden
und leicht zu messen ist. Alkalische Phosphatase-Enzyme
katalysieren die Hydrolyse zahlreicher Phosphatase-Ester, wie
Phosphatase-Ester primärer und sekundärer Alkohole und
Zuckeralkohole. In diesen Untersuchungen wurde das Enzym in einer
Pufferlösung auf eine Aktivität verdünnt, die für einen
kolorimetrischen Assay geeignet ist, und dann als 100 ul Tröpfchen
behandelt. Nachfolgend wurden 10 ul Aliquots einer
unbehandelten Kontrollenzymlösung oder der behandelten Tröpfchenlösung
mit einem kinetischen kolorimetrischen Assay-System auf
enzymatische Aktivität untersucht, in dem das Enzym zur Hydrolyse
von p-Nitrophenoylphosphat zu p-Nitrophenol verwendet wird.
Dies ist photometrisch durch Absorption bei einer Wellenlänge
von 405 nm leicht nachzuweisen. Die Änderungsgeschwindigkeit
der Absorption bei 405 nm ist daher proportional zur Aktivität
der alkalischer Phosphatase in dem Reaktionsgemisch.
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Die Daten sind in Tabelle 1 gezeigt und in den Figuren 4-9
aufgetragen. In Tabelle 1 sind die Behandlungsbedingungen für
jeden Blitz durch die Fluenz in J/cm² gekennzeichnet und durch
die Anzahl an Blitzen (F):
Tabelle 1
Auswirkung der Blitz-Fluenz und der Anzahl der Blitze
auf die enzymatische Aktivität alkalischer Phosphatase
Behandlung
Gemessene Enzymaktivität Gesamtspektrum
Gefiltertes Spektrum (100g/gal CuSO&sub4;)
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In einem Satz dieser Untersuchungen wurde die Behandlung
mit einer hoch-intensiven, das gesamte Spektrum abdeckenden,
pulsierenden Xenon-Blitzlichtlampe durchgeführt. In einer
entsprechenden Versuchsreihe wurde die Behandlung mit einer
derartigen hoch-intensiven das gesamte Spektrum abdeckenden,
pulsierenden Xenon-Blitzlichtlampe durchgeführt, wobei das
Licht durch eine Kupfersulfatlösung mit 100 g/Gal Kupfersulfat
und einer Dicke von 0,15 cm gefiltert wurde. Es wurde
berechnet, daß die unbehandelten Kontroll-Assay-Gemische etwa
1200 enzymatisch aktive Einheiten pro Liter (3,6 U in den
ursprünglichen 10 ul) aufwiesen. Die Behandlung mit einem
einzigen, das gesamte Spektrum abdeckenden Blitz mit einer
Fluenz von 1 J/cm² reduzierte die Aktivität der Enzymlösung um
etwa 2/3 (die Aktivität nach Behandlung betrug etwa 1/3 der
Kontrollaktivität). Die verbleibende Aktivität nach all den
anderen Behandlungen mit dem gesamten Spektrum war
vernachlässigbar. Die Behandlung mit pulsierendem Licht aus einer
Xenon-Blitzlichtlampe, das durch die Kupfersulfatlösung
gefiltert
worden war, bewirkte ebenfalls eine Reduktion der Enzym-
Aktivität. Das gefilterte Licht war jedoch, verglichen mit den
Auswirkungen der das gesamte Spektrum abdeckenden
Xenon-Blitzlichtlampe, zur Reduzierung der Enzymaktivität weniger
wirkungsvoll. In Figur 8 ist die nach den Behandlungen mit der
entsprechend gefilterten oder ungefilterten, pulsierenden
Xenon-Blitzlichtlampe verbleibende Enzymaktivität gegen die
verwendete Behandlungsdosis aufgetragen (akkumulierte Fluenz in
J/cm²). In Figur 9 sind diese Daten zu der logarithmischen
Abnahme der Enzymaktivität mit der Behandlung umgewandelt. Die
Dosis-Antwort-Kurve für die Enzyminaktivierung erscheint bei
einer halblogarithmischen Auftragung für Dosen von 20 J/cm²
oder weniger für sowohl die Behandlung mit den
Blitzlichtlampen-Blitzen mit vollem Spektrum und für Blitze, die durch
eine Kupfersulfatlösung gefiltert worden waren, linear zu sein.
Eine derartige exponentielle Inaktivierung kann daher ein "ein-
Treffer-Prozess sein, was bedeutet, daß die Absorption eines
einzelnen Photons durch ein entscheidendes Ziel zur
Inaktivierung führt. Der offensichtliche Anstieg der Wirksamkeit der
Enzym-Deaktivierung bei Behandlung mit durch Kupfersulfat
filtriertem Licht, das bei einem Vergleich der Auswirkungen bei
20 J/cm² oder weniger mit denjenigen bei 30 J/cm² zu beobachten
ist, kann von dem Einsetzen thermischer Auswirkungen herrühren.
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Es scheinen daher beide, die Behandlung mit gefiltertem
als auch mit ungefiltertem Licht aus einer
Xenon-Blitzlichtlampe die Inaktivierung des behandelten Enzyms durch ähnliche
photochemische Mechanismen zur Folge zu haben, wobei sich beide
in ihrer Deaktivierungs-Effizienz unterscheiden (die zum
Erreichen eines bestimmten Deaktivierungsgrades erforderlichen
Dosis oder Anzahl von Photonen).
Beispiel 2
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Von einem Kolonialwarengeschäft gekaufte rohe Garnelen
wurden zur Vermeidung von Kontamination mit
Operationshandschuhen enthäutet. Im Vergleich mit unbehandelten Kontroll-
Proben erreichten die mit mehreren (beispielsweise 4-8) Blitzen
eines polychromatischen, inkohärenten Lichtes aus einer Xenon-
Blitzlichtlampe bei einer Fluenz von 1-2 J/cm² behandelten
Garnelen eine etwa 1 Woche längere Lagerbeständigkeit. Es wird
angenommen, daß eine derartige Verlängerung der
Lagerbeständigkeit durch die Inaktivierung von sowohl Enzymen als auch
Mikroorganismen herrührt. In ähnlicher Art und Weise erreichten mit
Listeria-Bakterien kontaminierte Garnelen und mit Salmonellen
kontaminierte Hühnerstückchen nach Behandlung mit derartigem
hoch-intensivem, pulsierendem Licht eine Reduktion der
Listerien bzw. Salmonellen um einen Faktor von 10 bis 1000 und
mehr.
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Andere natürliche Fleischprodukte, wie Rind, Geflügel
(beispielsweise Huhn, Truthahn) und Schwein, insbesondere in
geschnittener Form, sowie vorbereitete oder verarbeitete
Fleischprodukte, wie Würstchen und Fleischpasteten können
leicht behandelt werden, um Nahrungsmittelprodukte mit erhöhter
Lagerbeständigkeit unter Kühlung, ohne die Notwendigkeit des
Einfrierens, zu erhalten. Da Gemüse, Früchte und
fertiggestellte Nahrungsmittelprodukte, wie Nudeln und Reis-Zwischengerichte
in ähnlicher Art und Weise behandelt werden können, können
fertiggestellte Speisen einschließlich Fleisch und andere
Zwischengerichte mit pulsierendem, inkohärentem Licht auf der
Oberfläche behandelt und verpackt werden, um einzelne
Fertiggerichte mit verlängerter Lagerbeständigkeit unter Kühlung und
ohne die Notwendigkeit die verpackten Produkte den Kosten und
Auswirkungen des Einfrierens zu unterwerfen, zu erhalten.