Minimal processing technologies in the food industries

1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 T. Ohlsson, SIK (Swedish Institute for Food and Biotechnology), Gothenburg and N. Bengtsson, Consultant, Molnlycke 1.1 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 Minimal processing of foods with thermal methods . . . . . . . . . . . . 4 T. Ohlsson, SIK (Swedish Institute for Food and Biotechnology), Gothenburg and N. Bengtsson, Consultant, Molnlycke 2.1 Introduction: thermal methods and minimal processing . . . . . . 4 2.2 Minimal processing by thermal conduction, convection and radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.3 Heat processing in the package . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.4 Aseptic processing and semi-aseptic processing . . . . . . . . . . . . . . 6 2.5 Sous-vide processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.6 Infrared heating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.7 Electric volume heating methods for foods . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.8 Electric resistance/ohmic heating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.9 High frequency or radio frequency heating . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.10 Microwave heating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.11 Inductive electrical heating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.12 Future trends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.13 References and further reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29Minimal processing of foods with non-thermal methods . . . . . . . 34 T. Ohlsson, SIK (Swedish Institute for Food and Biotechnology), Gothenburg and N. Bengtsson, Consultant, Molnlycke 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.2 Ionising radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.3 High pressure processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.4 Methods based on pulsed discharge of a high energy capacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.5 Pulsed white light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.6 Ultraviolet light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.7 Laser light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.8 Pulsed electric field (PEF) or high electric field pulses (HEFP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.9 Oscillating magnetic fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.10 Other non-thermal antimicrobial treatments . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.11 Ultrasound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.12 Pulse power system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.13 Air ion bombardment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.14 Plasma sterilisation at atmospheric pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.15 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.16 References and further reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4 Modified atmosphere packaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 M. Sivertsvik, J.T. Rosnes and H. Bergslien, Institute of Fish Processing and Preservation Technology (NORCONSERV), Stavanger 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.2 MAP principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.3 MAP gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.4 Gas mixtures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.5 Packaging and packages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 4.6 MAP of non-respiring foods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 4.7 MAP of respiring foods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.8 The safety of MAP food products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 4.9 The future of MAP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.10 References and further reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 5 Active and intelligent packaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 E. Hurme, Thea Sipila¨inen-Malm and R. Ahvenainen, VTT Biotechnology, Espoo and T. Nielsen, SIK (Swedish Institute for Food and Biotechnology), Gothenburg 5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 5.2 Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 5.3 Active packaging techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 5.4 Oxygen absorbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 5.5 Carbon dioxide absorbers and emitters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 935.6 Ethylene absorbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 5.7 Moisture/water absorbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 5.8 Ethanol emitters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 5.9 Active packaging materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 5.10 Oxygen-absorbing packaging materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 5.11 Packaging materials with antioxidants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 5.12 Enzymatic packaging materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 5.13 Antimicrobial agents in packaging materials . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 5.14 Flavour-scalping materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 5.15 Temperature-sensitive films . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 5.16 Temperature control packaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.17 Intelligent packaging techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 5.18 Time–temperature indicators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 5.19 Oxygen and carbon dioxide indicators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 5.20 Freshness and doneness indicators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 5.21 Consumer and legislative issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 5.22 Future trends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 5.23 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 6 Natural food preservatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 A. Meyer, K. Suhr and P. Nielsen, Technical University of Denmark, Lyngby and F. Holm, FoodGroup Denmark, Aarhus 6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 6.2 Antimicrobial agents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 6.3 Antimicrobial proteins and peptides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 6.4 Plant-derived antimicrobial agents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 6.5 Activity of natural antimicrobials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 6.6 Natural food preservatives: mechanisms of action . . . . . . . . . . . 138 6.7 Application in food products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 6.8 Natural antioxidants in food systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 6.9 Activity mechanisms of natural antioxidants . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 6.10 Commercial natural antioxidants: sources and suppliers . . . . . 152 6.11 Natural compounds with dual protective functionality as preservatives and antioxidants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 6.12 Conclusion and future trends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 6.13 References and further reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 7 The hurdle concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 H. Alakomi, E. Skytta¨ , I. Helander and R. Ahvenainen, VTT Biotechnology, Espoo 7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 7.2 The behaviour of microorganisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 7.3 The range and application of hurdles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 7.4 The use of hurdle technology in food processing . . . . . . . . . . . . 182 7.5 Hurdle technology in practice: some examples . . . . . . . . . . . . . . . 1837.6 The development of new hurdles: some examples . . . . . . . . . . . 185 7.7 The future of hurdle technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 7.8 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 8 Safety criteria for minimally processed foods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 P. Zeuthen, formerly Technical University of Denmark, Lyngby 8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 8.2 Safety problems with minimally processed foods . . . . . . . . . . . . 198 8.3 Fresh fruit and vegetables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 8.4 Shelf-life evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 8.5 Current legislative requirements: the EU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 8.6 Microbiological risk assessment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 8.7 Future developments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 8.8 References and further reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 8.9 Acknowledgement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 9 Minimal processing in practice: fresh fruits and vegetables . . . . 219 E. Laurila and R. Ahvenainen, VTT Biotechnology, Espoo 9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 9.2 Quality changes in minimally processed fruits and vegetables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 9.3 Improving quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 9.4 Raw materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 9.5 Peeling, cutting and shredding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 9.6 Cleaning, washing and drying . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 9.7 Browning inhibition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 9.8 Biocontrol agents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 9.9 Packaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 9.10 Storage conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 9.11 Processing guidelines for particular vegetables . . . . . . . . . . . . . . . 233 9.12 Future trends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 9.13 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 Appendix: Tables 9.5–9.10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 10 Minimal processing in practice: seafood . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 M. Gudmundsson and H. Hafsteinsson, Technological Institute of Iceland (MATRA), Reykjavik 10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 10.2 High pressure processing of seafood: introduction . . . . . . . . . . . 245 10.3 Impact on microbial growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 10.4 Impact on quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 10.5 Effects on enzymatic activity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 10.6 Effects on texture and microstructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 10.7 Effects on lipid oxidation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 10.8 Effects on appearance and colour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25410.10 The use of high electric field pulses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 10.11 Impact on microbial growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 10.12 Effects on protein and enzymatic activity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 10.13 Effects on texture and microstructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 10.14 Future trends of PEF treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 10.15 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 10.16 Acknowledgement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 11 Minimal processing in the future: integration across the supply chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 R. Ahvenainen, VTT Biotechnology, Espoo 11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 11.2 Key issues in an integrated approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269 11.3 Raw materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 11.4 Mild and optimised processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 11.5 Reduction of the number of processing stages . . . . . . . . . . . . . . . 273 11.6 Package optimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 11.7 Sustainable production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 11.8 Examples of food products manufactured using an integrated approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 11.9 Future trends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276 11.10 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .