Continuous-flow microwave heating is an alternative processing technology that can bring advantages to the pasteurization of food products, particularly, fruit-based beverages. This work aimed to study the continuous-flow microwave thermal processing of cloudy apple juice. Dielectric and electric properties of cloudy apple juices, obtained from different varieties and from an industrial plant, were determined from 500 to 3000 MHz and temperatures between 10 °C and 90 °C. At these frequencies, apple variety showed little influence and the permittivity decreased almost linearly with temperature. Inactivation kinetics of pathogen microorganisms (Escherichia coli O157:H7 and Listeria monocytogenes) and enzymes (polyphenol oxidase, peroxidase and pectin methylesterase) were studied and modeled to evaluate non-thermal effects of microwave radiation. For both processing technologies, it was possible to achieve a 5-log10 reduction of E. coli and L. monocytogenes, as recommended by the FDA. Microwave processing in comparison to conventional heating enhanced the microorganism inactivation in 18 out of 28 experiments. Predicted enzyme inactivation curves for pasteurization at 70 °C and 80 °C of the cloudy apple juice showed that pectin methylesterase has the highest thermal resistance and that there was no significant evidence of non-thermal microwave effects. A pilot scale unit used for pasteurizing fruit juices was evaluated and the process was modeled and simulated to determine the average time-temperature history. Mean residence times and dispersion parameters were obtained from internal volume measurements and residence time distribution experiments. Thermal processing experiments using water provided heat transfer coefficients as functions of Reynolds number and also microwave power absorption. Mathematical modeling was used to determine the temperature distribution along the product path and results were validated. Results showed that focused microwave heating provided the necessary temperature increase in a very short time, with a lethality contribution of only 0.7% as compared to 59-68% when using the conventional heat exchanger, which configures over-processing and can decrease product quality. Fresh cloudy apple juice was subjected to continuous flow microwave assisted pasteurization in a pilot scale unit at three processing temperatures (70 °C, 80 °C and 90 °C), two flow rate levels and two heating systems (conventional and focused microwave). Good results were obtained for polyphenol oxidase and peroxidase inactivation, but not for pectin methylesterase, which showed to be the most resistant enzyme. A comparative evaluation on quality changes was performed in cloudy apple juice samples pasteurized in the continuous-flow unit. Profile of volatiles of the microwave pasteurized apple juice was more similar to the nonpasteurized juice, in comparison with the conventionally pasteurized juice. However, total organic acids and total soluble sugar contents were not significantly different between both processing technologies. There was an increase of phenolic contents during processing of cloudy apple juice, possibly due to the extraction of phenolic compounds present in suspension of material. Furthermore, it was observed the same trend of antioxidant capacity by DPPH and ORAC methods. In conclusion, this PhD work presents the potential of the microwave-assisted pasteurization in cloudy apple juice regarding enzymatic, microbiological and quality aspects. / Aquecimento de micro-ondas de fluxo contínuo é uma tecnologia de processamento alternativa que pode proporcionar vantagens para a pasteurização de produtos alimentícios, particularmente, bebidas à base de frutas. Este trabalho teve como objetivo estudar o processamento térmico de micro-ondas de fluxo contínuo em suco de maçã não clarificado. As propriedades dielétricas e elétricas dos sucos de maçã não clarificados, obtidos de diferentes variedades de maçãs e de uma planta industrial, foram determinadas entre 500 e 3000 MHz e temperaturas entre 10 °C e 90 ° C. Nessas frequências, a variedade da maçã apresentou pouca influência e a permissividade elétrica diminuiu quase linearmente com a temperatura. Cinéticas de inativação de microrganismos patogênicos (Escherichia coli O157: H7 e Listeria monocytogenes) e enzimas (polifenol oxidase, peroxidase e pectina metilesterase) foram estudadas e modeladas a fim de avaliar os efeitos não térmicos da radiação de micro-ondas. Para ambas tecnologias de processamento foi possível obter uma redução de 5-log10 de E. coli e L. monocytogenes, como recomendado pelo FDA. O processamento de micro-ondas em comparação com o aquecimento convencional aumentou a inativação dos micro-organismos em 18 dos 28 experimentos. As curvas de inativação enzimática preditas para pasteurização a 70 ° C e 80 ° C do suco de maçã mostraram que a pectina metilesterase possui a maior resistência térmica e que não houve evidência de efeitos não térmicos. Uma unidade de escala piloto usada para pasteurizar sucos de frutas foi avaliada e o processo foi modelado e simulado para determinar o histórico de tempo-temperatura. Os tempos médios de residência e os parâmetros de dispersão foram obtidos a partir de experimentos de distribuição do tempo de residência e volumes. Experimentos do processamento térmico utilizando água, como produto alimentício, forneceram coeficientes de transferência de calor em função do número de Reynolds e absorção de energia de micro-ondas. A modelagem matemática foi utilizada para determinar a distribuição de temperatura do percurso do produto, e posteriormente, foram validados. Os resultados mostraram que o aquecimento por microondas focalizadas proporcionou o aumento necessário da temperatura em um tempo curto, com uma contribuição de letalidade de apenas 0,7% em comparação a 59-68%, quando usado somente o trocador de calor convencional, o que configura sobre processamento, podendo diminuir a qualidade do produto. O suco de maçã fresco não clarificado foi submetido à pasteurização por micro-ondas em fluxo contínuo em uma unidade de escala piloto em três temperaturas de processamento (70 ° C, 80 ° C e 90 ° C), dois níveis de vazão e dois sistemas de aquecimento (convencional e micro-ondas). Resultados positivos foram obtidos para polifenol oxidase e peroxidase, mas não para a pectina metilesterase demonstrando ser a enzima mais resistente. Uma avaliação comparativa das mudanças de qualidade foi realizada em amostras de suco de maçã pasteurizado na unidade de fluxo contínuo. O perfil de voláteis do suco de maçã pasteurizado por microondas foi mais semelhante ao suco não pasteurizado em comparação ao suco pasteurizado convencionalmente. Entretanto, ácidos orgânicos totais e açúcares solúveis totais não foram significativamente diferentes no processamento por estas duas tecnologias. Houve um aumento de compostos fenólicos durante o processamento do suco de maçã não clarificado, possivelmente devido a extração de compostos fenólicos presentes no material em suspensão. Além disso, foi observado a mesma tendência na atividade antioxidante determinada pelos métodos de DPPH e ORAC. Em conclusão, este trabalho de doutorado apresenta o potencial da pasteurização por micro-ondas em suco de maçã não clarificado quanto aos aspectos enzimáticos, microbiológicos e de qualidade.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:teses.usp.br:tde-25092018-075112 |
| Date | 18 July 2018 |
| Creators | Érica Sayuri Siguemoto |
| Contributors | Jorge Andrey Wilhelms Gut, Marcelo Cristianini, Cynthia Jurkiewicz Kunigk, Carmen Cecilia Tadini |
| Publisher | Universidade de São Paulo, Engenharia Química, USP, BR |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | English |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Source | reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP, instname:Universidade de São Paulo, instacron:USP |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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