Pulsed Electric Field Treatment of Plant Tissue

Abstract: Popular Abstract in Swedish Elektriska pulser (PEF) är en nyligen introducerad icke-termisk livsmedelsprocess, som har en karakteristisk påverkan på cellmembranet. PEF-behandling innebär att livsmedlet utsätts för korta och upprepade pulser emellan en anod och en katod. Det huvudsakliga resultatet av denna process är en skada på cellmembranet, som leder till bildandet av antingen tillfälliga eller permanenta porer. Det intressanta med behandling av växtvävnad med elektriska pulser är att ingen värmebehandling behövs och på så sätt underlättas vissa processer såsom extraktion, torkning och osmotisk torkning. För att använda pulser i en kommersiell processning av växtvävnad krävs en bättre förståelse för de förändringar i strukturen hos växtvävnad på cellnivå orsakat av dessa pulser. Efter att porer i cellmembranet bildats, sker ett antal förändringar inuti vävnaderna. Den viktigaste av dessa är förlust av turgor och påföljande spridning av intracellulärt innehåll ut ur cellen. Detta reflekteras i att de mekaniska och elektriska egenskaperna förändras i vävnaden. I denna undersökning har utvecklats en metod som möjliggör studier av PEF-permeabilisering på cellnivå. Vi har demonstrerat att permeabilisering av växtvävnad börjar ske vid en enda puls av 100 μs vid 0.35 kV/cm fältstyrka. Tidsskalan för diffusion av intracellulärt innehåll ut i extracellulärt området är 2 min. Vid stress relaxationsstudier undersökte vi förändringar i de mekaniska egenskaperna hos växtvävnad, som var utsatta för pulser med eller utan osmotisk förbehandling. Vi kom fram till att den initiala styvheten påverkades lite medan kvarvarande elasticitet var den parameter som påverkades mest, även vid lägre nivå av pulsbehandling. Maximal pulsbehandling hade en likadan effekt som 0.7 M hyperosmotisk lösning, vilket innebär att inverkan av pulser på relaxationsbeteende kan förklaras som förlust av turgor. Varken hypoosmotisk eller hyperosmotisk förbehandling visade sig förbättra inverkan av pulsbehandling. När effekten av elektriska pulser på extraktion av färg från rödbetor undersöktes, visade det sig att en pulsbehandlingsnivå vid 1 kV/cm`s fältstyrka ledde till 90 % utbyte av ett rödbetsfärgämne vid efterföljande vattenextraktion under 1 timme. Energiförbrukningen var 7kJ/kg. En ökning av vävnadens konduktivitet efter pulsbehandling korrelerade linjärt med en extraktionsnivå upp till 60-70 %. Genom att använda bimodal Fick’s diffusionsmodell undersökte vi också extraktionshastigheten av rödbetsfärgämnet och några salter. Processen visade sig var styrd av en långsam och en snabb diffusionskoefficient, vilka var oberoende av behandlingsnivån. Men extraktionsandelen som skedde med den högre hastigheten, ökade med behandlingsnivån. Den snabbare diffusionskoefficienten var 2-5 gånger lägre än den motsvarande diffusionskoefficienten i utspädd lösning.