การแปรรูปอาหารโดยการใช้ความร้อน เป็นวิธีที่นิยมมากวิธีหนึ่งเป็นวิธีถนอมรักษาอาหาร โดยมีวัตถุประสงค์หลักเพื่อยับยั้งการเน่าเสียของอาหาร และการสร้างสารพิษจากจุลินทรีย์ในอาหาร ยับยั้งการทำงานของเอนไซน์ที่อยู่ในอาหารรวมทั้ง พญาธิและแมลงต่างๆ ประโยชน์ที่สำคัญของการใช้ความร้อนในกระบวนการแปรรูป งานญี่ปุ่น ได้แก่
1. การทำลายองค์ประกอบในอาหาร ที่จะทำให้คุณค่าทางโภชนาการให้ลดไป
2. การเพิ่มความสามารถในการย่อยขององค์ประกอบในอาหาร
3. การเกิดเจลของแป้ง และการปลดปล่อยไนอะซิน
4. การเปลี่ยนสี ลิ่น รส และเนื้อสัมผัส
การแปรรูปอาหารโดยใช้ความร้อน จำเป็นต้องใช้ความร้อนสูง เพื่อฆ่าเชื้อจุลินทรีย์ที้งหมดที่มีอยู่ในอาหาร และการให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูง และระยะเวลานานจะสามารถทำลายเชื้อจุลินทรีย์และเอ็นไซม์ได้ดีกว่าการใช้อุณหภูมิต่ำและเวลาสั้น อย่างไรก็ตามการให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูงในช่วงเวลาสั้นๆ ก็สามารถยืดอายุของผลิตภัณฑ์ได้เท่ากับการใช้ความร้อนที่อุณหภูมิต่ำกว่าแต่เวลานานกว่า ซึ่งผลดีคือ จะยังคงรักษากลิ่น รส และคุณค่าทางโภชนาการของผลิตภัณฑ์นั้นไว้ได้
การใช้ความร้อนกับอาหารมีหลายวิธี แต่ละวิธีก็มีจุดมุ่งหมายจำเพาะเจาะจง ดังนั้นระดับความมากน้อยของความร้อนจึงขึ้นกับวัตถุประสงค์ ซึ่งจะมีผลต่อการเปลี่ยนแปลงคุณภาพของอาหาร และระยะเวลาการถนอมรักษาอาหาร เช่น การลวก การพาสเจอไรซ์ การแช่แข็ง การอบ การย่าง การทอด การต้ม การสเตอริไลซ์ ฯลฯ การใช้ความร้อนในการแปรรูปอาหาร จึงเป็นพื้นฐานการใช้ความร้อนในการระเหยน้ำ
กระบวนการใช้ความดันสูงเป็นวิธีการถนอมอาหารที่เริ่มมีการประยุกต์ใช้เพื่อการแปรรูปอาหาร เชิงการค้า เป็นการแปรรูปอาหารโดยไม่ใช้ความร้อน (non thermal processing) แต่เป็นการใช้ความดันสูงกว่าความดันบรรยากาศมาก เพื่อทำลายจุลินทรีย์ที่เป็นสาเหตุของการเสื่อมเสียของอาหาร (microbial spoilage) จุลินทรีย์ก่อโรค (pathogen) นอกจากนี้ความดันสูงยังทำลาย เอนไซม์ ที่เป็นสาเหตุให้เกิดการเสื่อมเสียของอาหาร ทำให้อาหารมีอายุการเก็บรักษานานขี้น มีผลเทียบเคียงกับการแปรรูปอาหารด้วยความร้อน (thermal processing) ระดับการพาสเจอร์ไรซ์ (pasteurization) แต่เนื่องจากอุณหภูมิของอาหาร เพิ่มขึ้นน้อยมาก ทำให้ลดการสูญเสียคุณภาพอาหาร เนื่องจากความร้อนทำให้อาหารปลอดภัย โดยรักษาสี กลิ่น และเนื้อสัมผัสของอาหารได้ดี เมื่อเทียบกับการใช้ความร้อน
ปัจจุบันมีผลิตภัณฑ์อาหารที่ผลิตและแปรรูปโดยใช้กระบวนการนี้และประสบผลสำเร็จทางการค้าได้แก่
อาหารพร้อมรับประทาน (ready to eat)
อาหารประเภทที่เป็นกรด (acid foods) เช่น แยม โยเกิร์ตและ เครื่องดื่ม เช่น น้ำผลไม้
อาหารทะเล เช่น หอยนางรม (oyster)
โดยเฉพาะในประเทศญี่ปุ่น ซึ่งเป็นประเทศเริ่มแรกและทำให้เกิดการกระตุ้นและเกิดการวิจัยและพัฒนาผลิตภัณฑ์อาหารโดยการใช้ความดันสูงเพื่อการถนอมอาหารเพิ่มมากขึ้นและแพร่หลายไปยังประเทศต่างๆ หลายประเทศเช่น ประเทศสหรัฐอเมริกาและประเทศในแถบยุโรป ได้แก่ฝรั่งเศส สหราชอาณาจักร เยอรมันนีและสวีเดน ซึ่งได้มีการรวมกลุ่มเพื่อวิจัยและศึกษากระบวนการใช้ความดันสูงในการแปรรูปและถนอมอาหาร
กระบวนการใช้ความดันสูงในการแปรรูปและถนอมอาหารในเชิงการค้าระดับอุตสาหกรรม จะต้องศาสตร์หลายแขนงมาประกอบกัน ทั้งด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีการอาหาร เช่น จุลชีววิทยาอาหาร เคมีอาหาร และความรู้ด้านวิศวกรรม เพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์อาหาร ที่มีคุณภาพดี ปลอภัย มีประสิทธิภาพและปลอดภัยในการผลิต
การใช้ความดันสูงนั้นจะต้องใช้งบประมาณตั้งต้นในการลงทุนค่อนข้างสูงแต่พบว่าจะให้ผลตอบแทนดีในระยะยาวเนื่องจากเทคโนโลยีนี้เป็นเทคโนโลยีสะอาด ไม่ก่อให้เกิดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมและผลิตภัณฑ์ที่ผ่านกระบวนการนี้มีความสดและใกล้เคียงกับธรรมชาติ
ประวัติการใช้ความดันสูงในการแปรรูปและถนอมรักษาอาหาร
เทคโนโลยีการใช้ความดันสูงนั้น เริ่มต้นมาจากการใช้ความดันสูงในอุตสาหกรรมการผลิตเซรามิก (ceramics) เหล็กและซุบเปอร์อัลลอยด์ (superalloys) และเริ่มนำมาใช้กับอุตสาหกรรมอาหารในภายหลัง โดยมีการศึกษาผลของความดันสูงต่อจุลินทรีย์ตั้งแต่ต้นศตวรรษที่ 20 ในการใช้ความดันเพื่อยืดอายุการเก็บรักษาน้ำนมและหลังจากนั้น 15 ปี มีการวิจัยศึกษาในประเทศฝรั่งเศสเรื่องผลของความดันสูงต่อแบคทีเรีย และพบว่าการใช้ความดันสูง 600 MPa สามารถทำลายเซลล์จุลินทรีย์ (vegetative cells) ได้ อย่างไรก็ตามงานวิจัยเกี่ยวกับเทคโนโลยีการใช้ความดันสูงยังไม่เป็นที่น่าสนใจมากนักจนกระทั่งในช่วงปี คศ. 1980 จึงเริ่มมีการวิจัยการใช้เทคโนโลยีนี้อีกครั้งหนึ่ง โดยในประเทศสหรัฐอเมริกา ญี่ปุ่น และประเทศในยุโรป จากนั้นได้มีการวางจำหน่ายผลิตภัณฑ์ที่ผ่านการแปรรูปโดยกระบวนการใช้ความดันเป็น ครั้งแรกในประเทศญี่ปุ่นในปี คศ.1990
หลักการของกระบวนการใช้ความดันสูงในการแปรรูปและถนอมรักษาอาหาร
ผลของความดันสูงต่อจุลินทรีย์
ผลของความดันการทำลายเซลจุลินทรีย์
แบคทีเรียส่วนใหญ่สามารถเจริญได้ที่ความดันระหว่าง 200 – 300 atm ส่วนจุลินทรีย์ที่สามารถเจริญได้ที่ความดันที่สูงกว่า 400 – 500 atm เรียกว่า barophiles ความดันสูงระดับ ปานกลาง (ระหว่าง 300 – 600 MPa) สามารถทำลายเซล (vegetative cells) ของ จุลินทรีย์ได้ โดยความดันสูงทำลายผนังเซลล์ (cell wall) และเซลล์เมมเบรน (cell membrane) ทำให้แวคคิวโอล (vacuoles) ภายในเซลล์แตก
ผลของความดันสูงต่อการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพของจุลินทรีย์ได้แก่ การหยุดการเคลื่อนที่ (cessation of motility) แบคทีเรียที่เคลื่อนที่ได้โดยส่วนใหญ่จะหยุดการเคลื่อนที่เมื่อให้ความดันต่อเนื่องที่ 200 – 400 atm ตัวอย่างเช่น ที่ความดัน 100 atm พบว่า E. coli, Vibrio และ Pseudomonas จะยังคงมี แฟลกเจลลา (flagella) แต่เมื่อเพิ่มความดันเป็น 400 atm พบว่าเชื้อเหล่านี้จะสูญเสียอวัยวะ และในแบคทีเรียบางชนิดพบว่าจะสามารถกลับมาเคลื่อนที่ได้อีกครั้ง
แบคทีเรียที่อยู่ในระยะ log phase จะทนต่อความดันสูงได้น้อยกว่าทำลายได้ง่ายกว่า เซลล์ที่อยู่ในระยะ stationaryphaseระยะ death phase และ สปอร์ของแบคทีเรีย (bacterial spore)
ความดันสูงระดับ ปานกลางมีผลทำให้อัตราการเจริญและการขยายพันธุ์ของจุลินทรีย์ลดลง ส่วนความดันที่สูงมากจะทำลายจุลินทรีย์ได้ ขนาดของความดันสูงที่สามารถยับยั้งการขยายพันธุ์และการเจริญจะมีค่าที่แตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับชนิดและสปีซีส์ (species) ของจุลินทรีย์
การทำลายสปอร์ของแบคทีเรีย
สปอร์ของแบคทีเรีย (bacterial spore) ที่มีการปนเปื้อนอยู่ในอาหารสามารถทำได้โดยการใช้ความร้อน (thermal processing) แต่จะมีผลเสียคือทำให้คุณภาพอาหาร ด้านต่างๆ ของผลิตภัณฑ์ลดลง ในทางกลับกันพบว่าที่อุณหภูมิต่ำ อัตราการทำลายสปอร์จะเพิ่มขึ้นเมื่อความดันสูงที่ใช้เพิ่มขึ้น
การใช้ความดันสูงในการทำลายสปอร์นั้นพบว่าอุณหภูมิมีบทบาทที่สำคัญมาก ส่วนปัจจัยอื่นๆที่มีผลรองลงมาได้แก่ค่า pH และวอเตอร์แอคติวิตี้ (water activity) โดยอุณหภูมิที่เหมาะสมสำหรับการเริ่มงอกของสปอร์จะมีความแตกต่างกันไปตามระดับของความดันสูงและการยับยั้งการงอกของสปอร์จะมีประสิทธิภาพดีที่สุดเมื่อ pH มีค่าปานกลางและมีประสิทธิภาพต่ำสุดเมื่อค่า pH สูงหรือต่ำเกินไป สำหรับตัวถูกละลายที่ไม่แตกตัวเป็นอิออนที่มีค่าวอเตอร์แอคติวิตี้ต่ำมีผลเล็กน้อยในการยับยั้งสปอร์ด้วยความดันสูง
ตัวอย่างการแปรรูปอาหารด้วยความร้อน
อาหารกระป๋อง อาหารสำเร็จรูป
การแปรรูปเนื้อสัตว์ (เนื้อหมู , เนื้อวัว ,เนื้อปลา หรืออาหารทะเล)
การทำไส้กรอก
