مقدمه:

شیر به دلیل دارا بودن مواد مغذی ضروری و محیط فیزیکی مطلوب جزء غذاهای فساد پذیر بوده و محیط مناسبی برای رشد تعداد زیادی از میکروارگانیسم هاست. روش معمول و سنتی ممانعت از فساد و افزایش زمان ماندگاری شیر خام، پاستوریزاسیون می باشد که در طی این فرایند اکثر باکتری های پاتوژن و عامل فساد از بین می روند. با این حال، این فرایند سبب نابودی کامل باکتری های ترمودوریک و اسپورزا نمی شود (۱).

از سوی دیگر برخی از باکتری ها آنزیم های خارج سلولی مانند پروتئاز، لیپاز و فسفولیپاز تولید می کنند که در برابر حرارت مقاوم بوده و در طی نگهداری شیر پاستوریزه در شرایط یخچالی فعال می شوند (۲) ؛ همچنین تعدادی از باکتری ها که به صورت نسبی تخریب شده اند ترمیم یافته و تکثیر می یابند. در نهایت برای حل این مشکلات باید از فرایند حرارتی شدیدتر استفاده نمود که این فرایند حرارتی سبب ایجاد تغییرات نامطلوب در خصوصیات حسی شیر می شود (۲،۱).

امروزه به منظور افزایش زمان ماندگاری توجه محققان و صنایع به پیشبرد تکنیک هایی معطوف شده است که مانع از ایجاد تغییر در خصوصیات حسی و تغذیه ای محصول می شود. از جمله این تکنیک ها استفاده از گاز CO2 می باشد. در ادامه شرایط فرآیند، مکانیسم غیر فعال سازی میکروارگانیسم ها و اثر این تکنولوژی روی خصوصیات شیر مورد بحث قرار گرفته است.
بحث:

سرد کردن شیر در دامداری ها و کارخانه  های فرآوری شیر باعث کاهش نرخ رشد باکتری های مزوفیل و حفظ کیفیت شیر می شود ولی با این عمل رشد باکتری های سرماگرا متوقف نمی شود و به عنوان فلور میکروبی غالب باقی می مانند. این باکتری ها می توانند آنزیم های پروتئاز و لیپاز خارج سلولی مقاوم به حرارت تولید کنند که توسط تیمارهای حرارتی معمول در صنعت برای سالم سازی فرآورده های لبنی به طور کامل از بین نمی رود.

این آنزیم ها با تجزیه ترکیبات مختلف شیر، ماندگاری و کیفیت شیر و محصولات لبنی را تحت تاثیر قرار می دهند. افزودن CO2 رشد باکتری های سرماگرا را مهار می نماید و موجب افزایش ماندگاری شیر خام و شیر پاستوریزه می شود و اثر زیان باری روی کیفیت بیوشیمیایی شیر ندارد (۴، ۳).
در تکنولوژی استفاده از گاز CO2، ماده غذایی برای مدت زمان مشخصی به صورت غیر مداوم و یا نیمه مداوم با CO2 فوق بحرانی یا زیر بحرانی تماس می یابد. CO2 بحرانی شرایطی خواهد بود که در آن در دما و فشار بالاتر از نقطه بحرانی(°C1/31=TC و MPa38/7= PC) قرار می گیرد و به صورت تک فاز است.

در این شرایط CO2 دارای این توانایی منحصر به فرد خواهد بود که می تواند مانند گاز در جامدات نفوذ کند و مانند مایعات مواد را در خود حل نماید. این شکل از CO2 اثر ضد میکروبی بیشتری دارد (۴، ۵، ۶).

این فرآیند به علت شرایط ملایم دارای مزایایی نسبت به تیمار فشار بالا است. فشار مورد استفاده در این روش خیلی پایین است (معمولا کمتر از MPa20) و این امکان را فراهم می آورد که مدیریت و کنترل فشار در این فرایند راحت تر بوده و به تبع آن هزینه نیز کاهش یابد(۷).
مکانیسم غیر فعال کردن CO2 به صورت زیر می باشد(۸).
۱- حل شدن CO2 در فاز مایع پیرامونی
۲- تغییر غشاء سلولی
۳- کاهش pH داخل سلولی
۴- غیر فعال شدن آنزیم های کلیدی به علت کاهش pH
۵- اثر مستقیم CO2 مولکولی وHCO3- روی متابولیسم
۶- به هم خوردن تبادل الکترولیت داخل سلولی
۷- خروج ترکیبات حیاتی از سلول و غشاء سلولی

در مرحله اول CO2 یا H2CO3به صورت مولکولی در مایع خارجی حل شده و بعد به صورت HCO3-، CO3-2 وH+ شکسته می شوند. در مرحله دوم CO2 ممکن است در غشاء سلولی نفوذ کرده و در لایه لیپوفیلیک تجمع یابد که این امر به دلیل از دست دادن زنجیره های چربی سبب افزایش سیالیت غشاء می شود این تغییرات سبب اختلال در خصوصیات عملکردی و ساختمانی غشاء می شود. همچنین CO2 موجب تغییر در بار سطحی غشاء نیز می گردد. در مرحله سوم CO2 در سیتوپلاسم داخلی سلول باکتری تجمع می یابد و سبب کاهش pH می گردد (۸).
آنزیم های کلیدی سیتوپلاسم حداکثر فعالیت را در pH اپتیمم خود دارند و فعالیت آنها با تغییر pH شدیدا کاهش می یابد؛ در نتیجه با کاهش pH سیتوپلاسم، ناشی از حضور CO2 آنزیم های ضروری برای فرآیند متابولیک غیر فعال می شوند.(۹)
سرعت عمل آنزیم ها علاوه بر pH، به غلظت داخلی سوبسترا، محصول و کوفاکتور آن نیز بستگی دارد. به نظر می رسد که غلظت H2CO3 برای تنظیم فعالیت آنزیم، نقش حیاتی داشته و سبب فعال تر شدن و یا ممانعت از فعالیت آنزیم می شود. H2CO3 و CO2 حل شده روی فعالیت کربوکسیلی و دکربوکسیلی تاثیر دارد (۱۰).
HCO3- و CO2 می توانند الکترولیت های غیر آلی داخل سلولی از جمله Ca+2 و Mg+2 و یون های موجود در سلول و غشاء سلولی را رسوب دهند. این یون ها ارتباط اسمزی بین سلول و محیط را نگه می دارند و این عمل سبب آسیب به حجم سلول می شود (۸).
تجمع CO2 به علت قدرت حل کنندگی بالا، ترکیبات حیاتی را از سلول و غشاء سلولی خارج می کند. در این حالت CO2 در سلول نفوذ می کند تا مقدار آن به سطح بحرانی در داخل سلول برسد و بعد ترکیبات داخل سلولی را بیرون می آورد که این امر سبب مختل شدن یا تغییر ساختار غشاء و یا تعادل سیستم زیستی می شود که پیامد آن غیر فعال شدن سلول است. به نظر می رسد که این فرآیند با حذف ناگهانی فشار تشدید می شود، زیرا سبب انتقال سریع مواد داخل سلولی به محیط خارج می شود (۱۱ ,۸).
فاکتورهای موثر در غیر فعال سازی میکروارگانیزم ها عبارتنداز: افزایش دما ، فشار و رطوبت در غیر (۷، ۸، ۱۲). از سوی دیگر حضور چربی و پروتئین نفوذ CO2 به درون سلول را کاهش می دهد (۱۳). همچنین سلول های باکتریایی در pH کمتر، به حضور CO2 حساس تر می باشند که به دلیل افزایش نفوذ پذیری غشاء به این گاز است (۷، ۸).
به علت ترکیبات دیواره سلولی، باکتری های گرم مثبت نسبت به گرم منفی ها مقاوم تر می باشند (۸، ۱۱) و با افزایش بار میکروبی مقاومت آنها به غیر فعال سازی نیز افزایش می یابد. به طور کلی سلول ها در فاز سکون نسبت به فاز لگاریتمی به حرارت و فشار مقاوم ترند و دلیل آن سنتز پروتئین جدید می باشد که سلول را در مقابل شرایط جدید محافظت می کند.

استفاده از تکنولوژی CO2 با فشار بالا در دمای متوسط (ºC40-20) برای کاهش شکل اسپوری باکتری ها کارایی ندارد و بدین منظور مدت زمان طولانی تری لازم می باشد (۱۴۴۰ دقیقه).

تیمارهای دیگر، نظیرافزودن نیسین، لاکتوپراکسیداز و لیزوزیم نیز برای این منظور استفاده می شود(۸). همچنین دمای بالاتر از ºC80 همراه با CO2نیز سبب نابودی اسپورها می شود (۷). در نتیجه این تیمار به تنهایی نمی تواند به منظور استرلیزاسیون استفاده شود زیرا در استرلیزاسیون حداقل cfu/m 106 اسپور بایستی به صورت کامل از بین برود (۱۱).

در مطالعه ای، تاثیر CO2 تحت فشار (MPa5/5-5/1) و زمان های مختلف تماس روی بقای اشرشیاکلی، ساکارومایسز سرویزیه و انتروکوکوس فکالیس مورد بررسی قرار گرفته و مشاهده گردید که با افزایش فشار و زمان تماس، تخریب سلولی نیز بیشتر می شود. بعلاوه یک رابطه خطی بین غیرفعال سازی میکروب ها، فشار CO2 و مدت زمان تماس وجود دارد (۱۴). استفاده از تیمار CO2 سبب کاهش بار میکروبی بیشتر و یا برابر با فرآیند پاستوریزاسیون می شود و محصولی با ماندگاری بیشتر و خصوصیات حسی بهتر تولید می کند (۶).

تحقیقات نشان داده اند که افزودن ppm1500 CO2 به شیر خام سرد شده به طور معنی داری پروتئولیز و لیپولیز را طی ۲۱ روز نگهداری در Cº۴ کاهش می دهد که عمدتا مربوط به اثر بازدارندگی میکروبی CO2 می باشد. افزودن CO2 به شیر خام پروتئولیز را از طریق دو مکانیسم کاهش می دهد: کاهش پروتئازهای میکروبی به دلیل کاهش رشد میکروبی و کاهش فعالیت پلاسمین به این دلیل که پلاسمین یک پروتئاز قلیایی است و با افزودن CO2 به شیر pH محیط از مقدار بهینه فعالیت آن دور می شود (۱۵).

در مطالعه ای که روی شیر فرآیند شده با CO2 انجام گرفت مشاهده گردید که در مقایسه با نمونه شاهد طی سرد کردن شیرهای فرآیند شده با CO2 مقادیر کمتری از ترکیبات فرار تولید شده و محتوی اسید لاکتیک این شیرها ثابت باقی ماند؛ در صورتی که در شیر شاهد مقادیر آنها به آرامی افزایش یافت. از سوی دیگر خاصیت ضد میکروبی CO2 زمانی که pH شیر را به ۶ می رساند بیشتر از زمانی می باشد که pH 2/6 است (۱۶).
افزودن CO2 به شیر سبب کاهش در pH، خروج کلسیم کلوئیدی و کلسیم باند شده با کازئین ها شده، سطح یون کلسیم افزایش یافته و ساختمان میسل شکسته می شود. افزایش میزان یون کلسیم در خصوصیات انعقاد توسط رنت مفید خواهد بود. اگر چه قابلیت حل شدن فسفات کلسیم کلوئیدی می تواند فرایند تولید پنیر را تحت تاثیر قرار دهد (۱۷).

تهیه پنیر از شیر سرد تیمار شده با CO2 نشان داد که رشد استارترهای این پنیر و تولید اسیدهای آلی و ترکیبات فرار با اسیدی کردن شیر توسط CO2 تحت تاثیر قرار نمی گیرد. همچنین در تولید پنیر از شیر تیمار شده با CO2، زمان انعقاد و مقدار رنت لازم کاهش و راندمان پنیرسازی، سفتی لخته و خروج آب پنیر افزایش می یابد. CO2 شیر، اثرات زیان آوری روی خواص شیمیایی، میکروبی یا حسی نشان نمی دهد(۴ ،۳).

نتایج:
استفاده از گاز CO2 در سالم سازی شیرکاهش بار میکروبی شیر می گردد ولی قادر نیست اسپورها را از بین برد و برای این منظور نیاز به اعمال زمان و دمای بالاتر می باشد. در صورت اقزودن گاز CO2 به شیر خام پروتئولیز و لیپولیز در طی ۲۱ روز نگهداری در Cº۴ کاهش می یابد. افزودن CO2 به نمظور سالم سازی شیر پنیر سازی سبب بهبود خصوصیات انعقاد رنت می شود و تاثیر نامطلوبی روی خصوصیات شیمیایی و حسی پنیر حاصل ندارد.

منابع:

[۱]-Smiddy M A, Martin J, Huppertz T, Kelly A L.Microbial shelf-life of high-pressure-homogenised milk International Dairy Journal 2007 17 29-32.
[۲]- Odriozola-Serrano I, Bendicho-Porta S, Martin-Belloso O.Comparativ study on shelf life of whole milk processed by high-intensity pulsed electric field or heat treatment Journal Of Dairy Science 2006 89 905-911.
[۳]-Ruas-Mddiedo, P., Bade-Gancedo, J. C., Alonso, L., de los Reyes-Gavilan, C. (1998), CO2 addition to refrigerated milk in acid-coagulated cheese making. International Dairy Journal, 8, 951-958.
[۴]- Ruas-Madiedo, P., Alonso, L., Delgado, T., Bada-Gancedo, J. C, de los Reyes-Gavilán, C. G. Manufacture of Spanish hard cheese from CO2-treated milk. Food Research International 35, 681-690.
[۵]- Kamihira, M., Taniguchi, M., Kobayashi, T. 1986, Sterilization of microorganisms with supercritical carbon dioxide, Agric Biol Chem, 51 407-712.
[۶] Warner. B. G., Hotchkiss, J. H. 2006, Countinus flow nonthermal CO2 processing : the lettal effect of subcritical and supercritical CO2 on total microbial, Journal of Dairy Science, 89, 872-881.
[۷]- Wu, Y., Yao, S. J., Guan, Y. X. 2007, Inactivation of microorganisms in carbon dioxide at elevated pressure and ambient temperature , Ind. Eng. Chem. Res, 46, 6345-6352.
[۸]- Gonzalez, L., Geeraerd. A.H., Spilimbergo, S., Elst. K., Van Ginnekn, L., Debevere, J., Van Impe, J. F. 2007. High pressure carbon dioxide inactivation of microorganisms in food: the past, the present and the future. International Journal of Food Microbiology, 117, 1-28.
[۹]- Hutkins, R. W., Nannen, N. L., 1993. Ph homeostasis in lactic-acid bacteria. Journal of Dairy Science 76, 2354-2365.
[۱۰]- Joes, R. P., Greenfield, P. F., 1982. Effect of carbon dioxide on yeast growth and fermentation . Enzyme and Microbial Technology, 4, 210-223.
[۱۱]- Zhang, J., Davis,T. A., Matthews, M. A., Drews, M. J., Laberg, M. 2006. Sterilization using high-pressure carbon dioxide. Journal of Supercritical Fluids, 38, 354-372.
[۱۲]- Ballestra, P., Cuq, J. L. 1998, Influence of pressurized carbon dioxide on the thermal inactivation of bacterial and fungal spores, Lebensm, wiss. U. Technol, 31, 84-88.
[۱۳]- Erkmen, O. 2001. Effects of high-pressure carbon dioxide on Escherichia coli in