Optimisation of thermal processing of fresh farmed cod

Abstract

Heat treatment of cold water species is challenging due to quality changes occurring at low temperatures relative to most other foodstuffs. One of the characteristic challenges is the melting of connective tissue already below 40°C, causing disruption of the myotoma i.e. flaking of the fish muscle. One of the most heat sensitive fish species is Atlantic cod. Due to the relatively low fat content compared to other fish species, Atlantic cod easily loses its juiciness when the heat load causes cook loss or loss of ability to bind the inherent water (water holding capacity). In addition a tough texture is experienced after heat treatment at high temperatures. Farmed cod is known to lose its water holding capacity (WHC) earlier than wild cod during storage in raw condition. On the other hand, the market demand for Atlantic cod is high and farming is promising for regularity in delivery of cod and makes further processing profitable. The combination of the potentials for farmed cod and the challenges in heat processing has made the farmed Atlantic cod an interesting object to study. In this work, the quality of vacuum packaged, heat processed cod loins has been studied in order to find optimal combinations of processing time and temperature. A sample cup has been developed for rapid and homogenous heating and cooling of a fish sample with the possibility to measure cook loss, water holding capacity and texture without removing the sample from the cup. The sample cup and associated method have been used to characterise water holding capacity of the fish muscle at 156 combinations of temperature and processing time. The water holding capacity showed to decrease rapidly as soon as reaching the denaturation temperature of the proteins, but the correlation to temperature and processing time was complex and non-linear. The stepwise and partially overlapping denaturation of protein groups during heating is the major explanation for this behaviour and therefore the enthalpy changes during protein denaturation was investigated. The energy required for denaturing the protein groups has been scanned at a constant heating rate of 10°C/min. Five partially overlapping peaks each concentrated around a maximum peak temperature was observed, each representing the energy required for denaturation of a protein or a group of proteins. The denaturation of each of these five protein groups has an effect on the cod muscle. The peak maximum temperature for myosin was found at 44.1°C. However, myosin denaturation starts at about 28°C and continues to about 50°C and during this process the myosin chains will contract, split and form a new and more open structure with reduced ability to bind water. From 50°C to 72°C sarcoplasmic proteins are denatured, and the muscle is shrinking and partially closing the capillaries that were opened. Thus, the water holding capacity is increasing again but this development is reversed by denaturation of actin which starts already at about 58°C. At this temperature the denaturation of actin is a slow process and even at 68°C it will take about 13 min to denature 90% of the present actin and the peak maximum is reached at 76.1°C. One interesting observation is the rapid increase in cook loss when the water holding capacity again starts to decrease. No further protein denaturation was observed in the temperature range from 88°C to 120°C by the calorimeter, but still there was an increase in cook loss. General physical and thermodynamic inherent orderliness which applies to all porous materials is expected to at least partly be the reason for this cook loss and it should therefore be possible to calculate it if the gradients of temperature, pressure and concentration of liquid can be determined over the cross section of the cod loin (the thick part of the fillet). In general, the fish texture gets harder with increasing temperature, but as discussed for water holding capacity, there are no simple and obvious correlations to processing time and temperature. The surface of the cod is changing from opaque to white when heated to about 50°C, but after this transformation changes in colour can hardly be observed. The required heat load on a convenience cod product is determined by the desired shelf life and microbial constraints. These constraints must be known with accuracy to optimise the heat treatment as well as the temperature distribution over the whole volume of the cod loin. Temperature measurements in the core of the loin may be sufficient when using conventional heating methods, like autoclaves. This is either impractical or insufficient for a number of heating processes, e.g. continuous heating in tunnels and microwave heating. Even in some conventional heating processes, e.g. convection ovens, the ambient temperature distribution and temperature controlling are so poor that the cold spot in the fish cannot be determined. In such cases the inactivation of microbes and enzymes could rather be evaluated by inherent biological markers. One such promising biological marker described in literature was the residual enzymatic activity of acid phosphatase (ACP). Extracts of raw cod muscle was heat treated by several time and temperature combinations. A clear correlation between residual ACP activity and heat load was found. ACP levels also showed to be insignificantly dependent on gender or fish size and seasonal variations were small. The work was continued by heat treatment of fish muscle and subsequent extraction of aliquots. In the range 56°C to 68°C residual ACP activity showed to have some potential as a marker for inactivation of Listeria monocytogenes. The results discussed above may be used directly for optimisation of a thermal process. For instance, the ranges of time and temperature combinations that may give high water holding capacity, low cook loss and safe inactivation of L. monocytogenes have been identified. Further work should focus on how to combine this knowledge with heat transfer model of the fish portion that is able to predict the temperature development at any location of the fish. Such a model is already available as an example. The observations of quality changes presented in this thesis have been made over a wide range of time and temperature combinations. It should therefore be possible to model and optimise most heat treatment processes of interest to food companies processing vacuum packaged cod loins by combining the observations in a numerical model.

Varmebehandling av kaldtvannsfisk er utfordrende fordi uønskede kvalitetsendringer kan oppstå ved lavere temperaturer enn mange andre matvarer. Ett av disse særtrekkene er at bindeproteinet kollagen selv ved temperaturer under 40 °C kan denatureres slik at myotomene (skivene) i fiskemuskelen faller fra hverandre. Et av fiskeslagene som lett faller fra hverandre ved varmebehandling er torsk. Med sitt lave fettinnhold i muskelen kan Atlantisk torsk i tillegg lett oppleves som tørr dersom varmebehandlingen medfører stort væsketap eller tap i evnen til å binde vann i tillegg til at muskelen blir hard ved høyere temperaturer. Flere studier har vist at oppdrettstorsk kan være særlig utsatt for tap av vannbindingsevne i rå tilstand. Samtidig er torsk en etterspurt matvare og oppdrettsfisk åpner for en regularitet i leveransene til markedene som muliggjør økt foredlingsgrad. Kombinasjonen av oppdrettstorskens potensial og at den er mer utfordrende enn andre fiskeslag har gjort den til et spennende studieobjekt. I dette arbeidet har kvaliteten på torskefilet (loin) som er varmebehandlet i en vakuumpakke blitt studert i den hensikt å finne en optimal kombinasjon av varmebehandlingstid og -temperatur. Det har blitt utviklet en prøvekopp egnet for hurtig og homogen oppvarming, varmholding ved konstant temperatur og nedkjøling av en liten fiskeprøve. Uten å fjerne prøven fra koppen er det mulig å måle koketap, vannbindingsevne og tekstur. Prøvekoppen og tilhørende målemetoder er brukt til å karakterisere vannbindingsevnen i fiskemuskelen ved 156 kombinasjoner av temperatur og varmebehandlingstid. Disse målingene har vist at vannbindingsevnen tapes raskt straks temperaturen blir tilstrekkelig høy for denaturering av proteiner. Koketap og vannbindingsevne er imidlertid parametre som har vist seg og ha en komplisert og ikke-lineær sammenheng med varmebehandlingstid og –temperatur. Forklaringen på disse fenomenene er i vesentlig grad knyttet til at denatureringen av ulike proteingrupper skjer stegvis og delvis overlappende under oppvarming, og derfor ble energiomsetningen ved proteindenaturering undersøkt. Energimengdene som medgår til proteindenaturering er blitt målt under konstant oppvarming av fiskekjøttet og det er påvist at energiforbruket er konsentrert i fem, delvis overlappende, topper rundt hver sin maksimumstemperatur. Hver topp representerer energien som medgår til denaturering av et protein eller gruppe proteiner. Proteindenatureringen som foregår i disse fem stegene har ulike effekter på fiskemuskelen. Når temperturen når 44,1 °C er denaturering av myosin på sitt maksimale og proteinkjedene vil trekke seg sammen og aggregere med hverandre slik at det dannes en ny og åpnere struktur i fiskemuskelen. Samtidig vil de spaltede proteinkjedene klumpe seg sammen. Vann som var immobilisert i myofibrillene presses dermed ut i det ekstracellullære området. Dette er bakgrunnen for at vannbindingsevnen faller vesentlig i temperaturområdet fra 28 °C til 50 °C. Fra 50 °C og oppover denatureres sarkoplasmiske proteiner og etter hvert som muskelen krymper vil de kapillare kanalene som åpnet seg bli lukket igjen slik at fallet i vannbindingsevne avtar og faktisk reverseres i området 50 °C til 72 °C. Denne effekten vil imidlertid bli reversert når aktin denatureres. Aktindenatureringen starter allerede rundt 58 °C men krever lang tid ved så lav temperatur og selv ved 68 °C vil det ta omkring 13 min å denaturere 90% av tilstedeværende aktin og når først sitt maksimale ved 76,1 °C. En interessant observasjon er at koketapet tiltar kraftig når vannbindingsevnen faller igjen. Denne utviklingen fortsetter når temperaturen økes ytterligere selv om ytterligere proteindenaturering ikke kan observeres kalorimetrisk i området 88 °C til 120 °C. Det antas derfor at væskeutskillingen i tillegg til effektene av proteindenaturering følger allmenne termodynamiske lovmessigheter for porøse materialer. Derfor kan trolig væsketapet beregnes ut fra gradienter i trykk, temperatur og konsentrasjon av væske gjennom tverrsnittet av torskefileten. Generelt blir fisken hardere ved kraftigere varmebehandling, men i likhet med vannbindingsevnen skjer ikke endringene konstant verken i forhold til varmebehandlingstid eller -temperatur. Fargen endres vesentlig ved lave temperaturer og fileten går hurtig fra delvis gjennomskinnelig til hvit, men fra 50 °C og oppover er endringene knapt målbare. Holdbarhet og sikkerhet utgjør rammebetingelsene for påkrevd varmebelastning for ferdigretter av torsk. For å kunne optimalisere varmebehandlingen må disse rammebetingelsene bestemmes med best mulig nøyaktighet. I tillegg er det en forutsetning å kjenne temperaturforløpet over hele volumet av loinen (den tykkeste delen av fileten). Ved konvensjonelle varmebehandlingsmetoder som vannbad og autoklaver der produktet er stillestående under varmebehandlingen, kan temperaturmålinger utføres i enkelte punkter (fortrinnsvis i produktets kaldeste punkt) under oppvarmingen. Dette er imidlertid upraktisk i en rekke varmebehandlingssytemer, som ved kontinuerlig varmebehanding (koketunneler, hydrostatiske autoklaver) eller mikrobølgeoppvarming. I kokeskap vil også store variasjoner ulike steder i skapet, dårlig regulering og dårlig repeterbarhet gjøre det problematisk å utføre representative målinger. I disse situasjonene kan det være avgjørende å kunne evaluere varmebelastningen på enzymer og bakterier etter at varmebehandlingen er gjennomført ved hjelp av en iboende biologisk indikator. I litteraturen ble det funnet en slik indikator som var regnet som lovende, nemlig resterende enzymaktivitet fra sur fosfatase (ACP). Ekstrakt fra prøver av rå torsk ble utvunnet og varmebehandlet med ulike kombinasjoner av tid og temperatur. Det ble funnet en entydig sammenheng mellom varmebelastningen og resterende aktivitet av ACP i hver av prøvene. Innholdet av ACP viste seg å være ubetydelig påvirket av variabler som størrelse og kjønn på fisken og sesongvariasjonene var små. Arbeidet ble ført videre med varmebehandling av prøver av fisk og påfølgende ekstrahering og analyse av ACP. Det viste seg at innenfor temperaturområdet 56 °C til 68 °C kan ACP i en viss utstrekning brukes som en indikator for inaktivering av Listeria monocytogenes. Resultatene som er beskrevet ovenfor kan benyttes direkte til optimalisering av varmebehandlingen. For eksempel er det vist hvilke kombinasjoner av tid og temperatur som gir høy vannbindingsevne og lavt koketap samtidig som L. monocytogenes inaktiveres dersom temperaturforløpet i fisken under varmebehandling og kjøling er kjent. Derfor vil det være tjenlig å videreføre arbeidet som er gjort ved å integrere resultatene med en numerisk modell for varmetransport. Siden målingene som er gjort dekker de fleste aktuelle kombinasjoner av varmebehandlingstid og –temperatur kan matindustrien bruke en slik modell til å optimalisere de fleste varmebehandlingsprosesser tilpasset vakuumpakkede torskeloins.