9/21/2016               Food preservation ­ AccessScience from McGraw­Hill Education
                             (http://www.accessscience.com/)
  Food preservation
  Article by:
  Mendonca, Aubrey F.  Department of Food Science and Human Nutrition, Iowa State University, Ames, Iowa.
  Potter, Norman N.  Department of Food Science, Cornell University, Ithaca, New York.
  Publication year: 2014
  DOI: http://dx.doi.org/10.1036/1097­8542.267200 (http://dx.doi.org/10.1036/1097­8542.267200)
   Content 
     Heat
     Cooling and freezing
     Concentration and dehydration
     Irradiation
     pH control
     Chemical preservative
     Packaging
     Combined preservation methods
     Bibliography
     Additional Readings
  The branch of food science and technology that deals with the practical control of factors capable of adversely affecting the
  safety, nutritive value, appearance, texture, flavor, and keeping qualities of raw and processed foods. Since thousands of
  food products differing in physical, chemical, and biological properties can undergo deterioration from such diverse causes
  as microorganisms, natural food enzymes, insects and rodents, industrial contaminants, heat, cold, light, oxygen, moisture,
  dryness, and storage time, food preservation methods differ widely and are optimized for specific products. Apart from
  application of a single food preservation method, a combination of methods may be used to improve the safety and storage
  stability of foods. This concept is currently referred to as hurdle technology; it is also known as food preservation by
  combined methods, combination preservation, or combination techniques.
  Food preservation methods involve the use of heat, refrigeration, freezing, concentration, dehydration, radiation, pH
  control, chemical preservatives, and packaging applied to produce various degrees of preservation in accordance with the
  differing use patterns and shelf­life needs of unique products.
  Perishability of many food materials was somewhat controlled long before the principles of modern food preservation were
  understood. Cheese and other fermented milk products, wine, sauerkraut and pickles, smoked meats and fish, dried and
  sugared fruits, and numerous other foods had their beginnings in attempts to extend the storage life of the basic
  commodities from which they were derived, but results were often disappointing.
  Optimum food preservation must eliminate or minimize all of the factors that may cause a given food to deteriorate, without
  producing undue adverse effects. This can be especially difficult since the components of foods may be more sensitive to
  preservation treatments than the highly resistant bacterial spores and natural food enzymes targeted for destruction. Many
  nonbiological causes of food deterioration must be prevented also; these include oxygen, light, and loss of moisture.
    http://www.accessscience.com/content/food­preservation/267200        1/6
    9/21/2016                 Food preservation ­ AccessScience from McGraw­Hill Education
  While traditional methods of food preservation, including heating, freezing, drying, refrigerating, and acidifying, are still
  widely used in the food industry, new food preservation methods are actively being researched. These include physical
  methods such as high hydrostatic pressure, pulsed electric fields, ohmic heating, and ultrasound. Such methods have been
  shown to be effective in preserving food with minimal effects on nutrients and sensory quality that might otherwise be
  destroyed by traditional food preservation methods such as heating, drying, and acidification.
  Heat
  Thermal processes to preserve foods vary in intensity. True sterility to ensure total destruction of the most heat­resistant
  bacterial spores in nonacidic foods may require a treatment of at least 250°F (121°C) of wet heat for at least 15 min, or its
  lethal equivalent, to be delivered throughout the entire food mass. Such a treatment would be damaging to most foods. The
  term commercial sterility refers to a less severe condition that still assures destruction of all pathogenic organisms, as well
  as organisms that, if present, could grow in the product and produce spoilage under normal conditions of handling and
  storage. Most of the canned food supply that is stable at room temperature is commercially sterile. This is commonly
  achieved in canning retorts with steam under pressure at temperatures and for times that vary, depending upon container
  size and chemical and physical properties of the food, which can affect heat­transfer rates and the thermal resistance of
  organisms. See also: Sterilization (/content/sterilization/655600)
  Many foods are subjected to still less severe heating by methods that produce pasteurization to assure destruction of
  pathogens and extend product shelf life by inactivating food enzymes and reducing the number of spoilage organisms.
  Pasteurization of milk is achieved with a temperature of 145°F (63°C) for 30 min, or its thermal lethal equivalent. Since
  significant numbers of nonpathogenic bacteria survive, storage life is extended by refrigerating the pasteurized milk. Beer,
  wine, fruit juices, and other foods are commonly pasteurized, but at different temperatures. Heat blanching is a kind of
  pasteurization applied to vegetables to inactivate enzymes when such products are to be frozen, since frozen storage of
  itself does not stop enzyme activity. See also: Pasteurization (/content/pasteurization/492000)
  The lethality of heat always depends upon temperature and time. Higher temperatures for shorter times can be as effective
  as lower temperatures for longer times, and appropriate combinations can be selected for thermal lethal equivalency. Time­
  temperature combinations with equivalent microbial lethality, however, are not equal with respect to the damaging effects
  these can have on color, flavor, texture, and nutritive values of foods. In this regard, higher temperatures for shorter times
  will yield products superior to those produced with lower temperatures for longer times.
  Advances in thermal processing incorporate the high­temperature short­time (HTST) principle whether pasteurization or
  commercial sterilization is the goal. The application of high­temperature short­time processing is more easily accomplished
  with liquid foods or liquids containing small particulates than with solid foods, since the former can easily be heated and
  cooled rapidly by passing them in thin layers through specially designed heat exchangers. This is done in the process of
  aseptic canning, where products prepared to commercial sterility standards are heated to temperatures as high as 302°F
  (150°C) for 1 or 2 s and as quickly cooled, and then sealed in previously sterilized containers within an aseptic
  environment.
  Cooling and freezing
  The slowing of biological and chemical activity with decreasing temperature is the principle behind cooling (refrigeration)
  and freezing preservation. In addition, when water is converted to ice, free water required for its solvent properties by all
  living systems is removed. Even severe freezing, however, will not destroy large numbers of microorganisms or completely
    http://www.accessscience.com/content/food­preservation/267200              2/6
    9/21/2016                Food preservation ­ AccessScience from McGraw­Hill Education
  inactivate food enzymes; these can resume rapid activity, unless inhibited by other means, when food is removed from cold
  or frozen storage.
  Most microorganisms grow best in the range of about 60–100°F (16–38°C). Psychrotrophic bacteria thrive at low
  temperatures and can grow slowly at temperatures down to 32°F (0°C) and below if free water exist. Most pathogens
  cannot grow below 40°F (4°C). Home refrigerators commonly operate in the range of about 40–45°F (4–7°C). Some fruits
  and vegetables store best at temperatures of about 50°F (10°C), and commercial refrigerated storage may be optimized
  for specific products. Refrigerated storage life of many foods can be extended by the use of packaging that minimizes
  moisture loss and controls gas atmospheres within packages.
  Highest­quality frozen foods depend upon very fast rates of freezing. Slow freezing leads to the growth of large irregular ice
  crystals capable of disruption of delicate food textures. Slow freezing also increases the time during which food constituents
  can react adversely with solutes that become concentrated by liquid water changing to ice as freezing progresses. Thus,
  rapid freezing has been the goal of advanced freezing processes.
  Commercial freezing methods utilize refrigerated still air; high­velocity air, which is faster and more efficient; and high­
  velocity air made to suspend particulate foods, such as peas, as in a fluidized­bed fast freezer. Indirect­contact freezing
  utilizes hollow flat plates chilled with an internally circulated refrigerant to freeze solid foods, or with refrigerated tubular heat
  exchangers that rapidly slush­freeze liquids. Immersion freezing involves direct contact of the food or its container with such
  refrigerants as cold brine, a glycol approved for food, or a fast­freezing cryogenic liquid, such as liquefied carbon dioxide or
  liquid nitrogen. Liquid nitrogen has a temperature of −320°F (−196°C). See also: Cold storage (/content/cold­
  storage/148000)
  Concentration and dehydration
  When sufficient water is removed from foods, microorganisms will not grow, and many enzymatic and nonenzymatic
  reactions will cease or be markedly slowed. Free water that can enter into biological and chemical reactions is more
  important than total water, since some water may be bound and unavailable to support deteriorative processes. Free water
  exerts vapor pressure and possesses water activity (that is, provides water for bacterial growth), which must be decreased
  below critical levels if foods are to be preserved. Sugar syrups are concentrated foods whose water activity is below that
  required to support microbial spoilage. Sugar added to fruit juice will bind water, lower the juice's water activity, and, in
  sufficient concentration, yield a jelly that does not undergo microbial spoilage at room temperature. Concentration
  preservation, therefore, can be achieved by physically removing water, as by boiling or with lower­temperature vacuum
  evaporation, or by binding water through the addition of sugar, salt, or other solutes.
  Foods preserved by dehydration contain considerably lower water activity and less total water than concentrated foods.
  Sun­dried cereal grains contain about 14% total water. Most dehydrated foods such as dried milk, instant coffee, and
  dehydrated potato flakes or granules contain less than 10% total water, and some, such as fruit juice crystals, contain less
  than 2%.
  Most dehydration methods utilize heat to vaporize and remove water. This is most efficiently achieved when a food can be
  highly subdivided to produce a large surface area for rapid heat transfer into the food and rapid moisture transfer out.
  Liquid foods and purees commonly are atomized into a heated chamber (as in spray drying), spread thinly over the surface
  of a revolving heated drum from which they are continuously scraped (as in drum drying), and sometimes thickened or
    http://www.accessscience.com/content/food­preservation/267200           3/6
    9/21/2016                    Food preservation ­ AccessScience from McGraw­Hill Education
  foamed and cast on belts that move through a tunnel oven. Solid foods may be diced to uniform piece size for more even
  drying and dried with heated moving air in cabinets, on belts, or within rotating cylinders to provide tumbling action.
  Fluidized­bed dryers use high­velocity air to suspend particulates for still faster drying.
  The heat and oxygen sensitivity of many foods necessitates vacuum dehydration for high quality. Under vacuum, water can
  be removed at reduced temperature, and oxidative changes are minimized. Solid foods tend to shrink and undergo shape
  distortion when they are dried. This can be overcome by freeze­drying whereby foods are frozen quickly and placed in a
  chamber under high vacuum. Vacuum and temperature conditions are regulated to promote sublimation of water vapor
  from the ice phase without the ice melting. The food's structure remains rigid as it goes directly from the frozen state to
  dryness. Because of its gentleness, freeze­drying is also used to dehydrate liquid foods such as coffee. A disadvantage of
  freeze­drying, however, is that it is more costly than other drying methods. See also: Drying (/content/drying/206100);
  Sublimation (/content/sublimation/664000)
  Irradiation
  X­rays, ultraviolet light, and ionizing radiations (including gamma and beta rays) belong to the electromagnetic spectrum of
  radiations and differ in frequency, wavelength, penetrating power, and the effects upon biological and nonbiological
  systems. Ionizing radiations may be obtained from radioactive isotopes, such as cobalt­60, or from electron accelerator
  machines. These radiations penetrate foods and exert their major effects by producing free radicals from water and other
  substrates. Depending upon dose intensity, these radiations can inhibit the sprouting of tubers, destroy insects, inactive
  some enzymes, and kill microorganisms to the point of pasteurization or sterilization. Preservation of food using sterilizing
  irradiation doses is done for various purposes, such as for use by astronauts during space missions and for immune­
  compromised persons who are highly susceptible to microbial infection. See also: Free radical (/content/free­
  radical/271500)
  Food irradiation remains highly controversial, partly because of fears that the safety of products and processes cannot be
  adequately regulated. In the United States, treatment of spices, raw or frozen beef, pork, or poultry meat to destroy
  microbial contamination is among the very few applications that are permitted. Several other countries permit wider use of
  food irradiation, including low­dose irradiation pasteurization to extend the storage life of highly perishable fruits and
  vegetables, poultry, and seafoods.
  pH control
  Hydrogen­ion concentration affects the rate and course of a great variety of chemical reactions. Microbial growth and
  metabolism and the activities of food enzymes exhibit pH optima and can be controlled to various degrees beyond these
  optima. The natural acids of certain fruits and vegetables, acid added as a chemical, and acid produced by fermentation
  can inhibit or partially inhibit several pathogenic and spoilage organisms. Clostridium botulinum, the most heat­resistant
  pathogen found in foods, will not grow and produce toxin at a pH of 4.6 or below. Therefore, foods with a pH in this range
  do not constitute a health hazard from this organism, and they do not require heat processing as severe as that required
  for more alkaline foods. Further, acid enhances the lethality of heat, often permitting milder heating conditions.
  The pH of acidic foods, however, is rarely sufficiently low to assure long­term preservation from acid alone. Many acidic and
  fermented foods further depend upon prior pasteurization of their ingredients, the addition of salt and other chemicals, and
  refrigeration. See also: pH
                      (/content/ph/504000)
  Chemical preservative
    http://www.accessscience.com/content/food­preservation/267200                      4/6