Развитие методов обработки HTST для стерилизации в непрерывном потоке привело к необходимости асептической упаковки продукта. Только благодаря использованию асептической упаковки можно полностью реализовать преимущества лечения HTST. Асептическая упаковка будет демонстрировать наибольшее улучшение качества по сравнению с традиционным консервированием при переработке вязких продуктов с низким содержанием кислоты. Многие продукты могут подвергаться промышленной стерилизации перед упаковкой с помощью непрерывных процессов, так что их органолептические и питательные качества существенно не ухудшаются.
Такие продукты, как пудинги, соусы, соусы и пасты, в настоящее время обрабатываются асептически. В методах, применяемых для асептической упаковки, теплообменники непрерывного действия могут быть спроектированы таким образом, чтобы можно было применять любой температурный профиль. Асептическая упаковка пищевых продуктов – это процесс, который позволяет разливать и запечатывать продукты, стерилизованные навалом или паром, в стерильные контейнеры в асептических условиях.
Есть две причины для его использования: (а) дать возможность использовать контейнеры, которые непригодны для стерилизации внутри упаковки, и (б) воспользоваться преимуществами процесса стерилизации HTST, который термически эффективен и обычно позволяет получать продукты превосходного качества. по сравнению с теми, которые обрабатывались при более низких температурах в течение более длительного времени. Применение асептического процесса включает (а) стерилизацию продукта, (б) стерилизацию упаковочного материала и (в) поддержание стерильности во время операций наполнения и укупорки.
Преимущества асептической упаковки пищевых продуктов в том, что она обеспечивает более высокое качество продукта. Можно использовать широкий спектр упаковочных материалов разных размеров и форм. В процессе стерилизации требуется минимальная обработка контейнеров. Кроме того, он обеспечивает большую площадь поверхности для эффективной теплопередачи. Однако асептическая обработка и упаковка имеют ограничения и не дают преимуществ для всех продуктов. Некоторые из недостатков, которые обычно называют, — это большие капиталовложения, применимость к ограниченному диапазону продуктов, требование относительной однородности жидкости и необходимость в сложном оборудовании.
Системы стерилизации
Производство стерильного продукта путем стерилизации в непрерывном потоке включает в себя (а) нагревание продукта путем пропускания его через подходящий теплообменник для повышения его до рабочей температуры, (б) пропускание продукта через секцию выдержки в течение заранее определенного времени для осуществления стерилизации. и (c) охлаждение до температуры 35°C или менее перед асептическим розливом. Процесс теплообмена ограничивается жидкостями, содержащими мелкие частицы с поперечным сечением менее примерно 8 мм. Для стерилизации крупных изделий требуется специальное оборудование. Идеальная система должна была бы поднять температуру в теплообменнике до необходимого значения, тем самым устраняя необходимость в держателе трубки.
Для многих продуктов невозможно использовать для этой цели достаточно высокую температуру и короткое время пребывания, поскольку (а) вязкие продукты трудно равномерно и равномерно нагреть до рабочей температуры, (б) наличие мелких частиц делает желательным установить необогреваемую секцию для уравновешивания температур, (в) продукты могут содержать термостойкие ферменты, которые с большей вероятностью выживут в процессах в верхней части температурного диапазона, и (г) критичность процесса затрудняет контроль. Ключевыми компонентами асептических систем являются насос-распределитель или дозирующий насос, нагреватель продукта, удерживающая трубка, охладитель и обратный клапан. Тип выбранного оборудования для асептической обработки зависит от pH, вязкости или консистенции продукта, а также от того, содержит ли он частицы и их размер.
Технологическое оборудование. Инфузионная стерилизация. Стерилизация паром
Это наиболее быстрый метод нагрева продукта, позволяющий достичь температуры стерилизации за считанные секунды. В сочетании с быстрым методом охлаждения путем впрыскивания горячего продукта в вакуумную камеру и испарения эквивалентного количества воды получается продукт очень высокого качества. Обычно метод сочетают с нагревом и охлаждением в теплообменниках до области низких температур (80°С).
Вливание жидкости в пар
Эта система предполагает введение тонкой пленки жидкости в атмосферу пара, что способствует быстрому нагреву. Охлаждение также достигается за счет вливания жидкости в вакуумную камеру. Система представляет собой универсальный метод обработки, предназначенный в первую очередь для нагрева и охлаждения жидких пищевых продуктов за считанные секунды. Он обеспечивает самые быстрые методы нагрева, что сводит к минимуму изменения вкуса и повреждение продукта, обычно связанное с высокими температурами обработки. Это особенно важно для низкокислотных продуктов, требующих стерилизации до 150°С. Система может быть предварительно укомплектована и упакована или собрана на месте в соответствии с требованиями конкретного производственного помещения. Затраты на приобретение систем инфузионного нагрева невелики при обработке высоких скоростей потока. В нем мало движущихся частей, а затраты на обслуживание низкие. Однако этот метод подходит только для жидкостей, не содержащих частиц. Эффективность рекуперации тепла составляет всего около 50%.
Трубчатый асептический стерилизатор
Трубчатая асептическая стерилизация — это метод непрямого нагрева/охлаждения, в котором используются спиральные или прямые трубчатые теплообменники из нержавеющей стали. Диаметр трубки относительно мал по сравнению с потоком продукта. В результате чрезвычайно высокие скорости потока внутри трубки максимизируют турбулентность. Высокая турбулентность вызывает быструю передачу тепла. Диаметр трубки соответствует расходу и вязкости продукта. Трубы сворачиваются в бухты или пучки и помещаются вместе со специальными перегородками в кожухи из нержавеющей стали. Горячая вода, пар или холодная вода проходят через эти рубашки для нагрева или охлаждения продукта, проходящего по трубкам.
Ряд горизонтальных трубчатых теплообменников и вертикальная трубка-держатель поддерживают температуру и время стерилизации продукта. Для слабокислотных продуктов применяют температуру 150°С с выдержкой 2–4 с. Продукт с высокой кислотностью обычно нагревают примерно до 95°C и выдерживают примерно 30 с. Из удерживающей трубы продукт поступает в другую серию вертикальных трубчатых теплообменников для охлаждения. Эта система обеспечивает высокую скорость теплопередачи и очищающее действие, которое уменьшает «выгорание» или засорение труб, что приводит к очень короткому времени обработки. Это помогает сохранить натуральный вкус продукта.
Система обладает значительной гибкостью в выборе продуктов, с которыми она может работать, и температурном диапазоне, при котором может обрабатываться конкретный продукт. Они полностью автономны, и во время установки требуется только подключение продукта и утилит. На высокотемпературной стороне прокладки, требующие замены, не требуются. Большинство систем доступны с регенерацией в качестве опции. Регенерация может достигать 85 % в зависимости от скорости потока, характеристик продукта и используемого варианта регенерации.
Стерилизатор с очищаемой поверхностью
Этот тип теплообменника аналогичен трубчатому теплообменнику, но снабжен центральным вращающимся валом, на котором установлено устройство для очистки нагретых поверхностей. Это предотвращает подгорание и загрязнение поверхности продуктов, а также обеспечивает перемешивание. Система используется, когда необходимо обрабатывать вязкий материал или материал, содержащий мелкие дискретные частицы. Стерилизация прометываемой поверхности представляет собой метод непрямого нагрева/охлаждения. При постоянном удалении продукта со стенок цилиндра пленка продукта сокращается до абсолютного минимума, что позволяет проводить длительную обработку без отложения продукта на стенках теплообменника.
Можно обрабатывать термочувствительные продукты, а система универсальна для асептической обработки различных продуктов. Продукты можно обрабатывать в широком диапазоне температур и вязкости с наличием твердых частиц или без них. Различные горизонтальные и вертикальные конфигурации позволяют адаптировать эту форму теплообменника к конкретным системам или требованиям предприятия. Его можно использовать последовательно с другими типами теплообменников для таких продуктов, как крахмалы, вязкость которых может увеличиваться в результате обработки.
Стерилизатор пластин
Пластинчатый теплообменник (описанный в разделе о пастеризации) также можно использовать для асептической обработки.
Системы упаковки
Под асептической упаковкой понимается заполнение холодного коммерческого стерильного продукта в стерильных условиях в предварительно стерилизованный контейнер и закрытие в стерильных условиях для образования уплотнения, которое эффективно исключает микроорганизмы. Асептика буквально означает исключение микроорганизмов из окружающей среды. Асептическая обработка на самом деле является методом упаковки, поскольку пищевые продукты не стерилизуются, не подвергаются тепловой обработке или иным образом не изменяются асептическим методом. Скорее, с ними обращаются или перемещают асептическими методами, чтобы гарантировать сохранение микробиологического качества, с которым они были изначально. Как правило, асептическая упаковка сочетается с методами стерилизации пищевых продуктов HTST или UHT, и эти два процесса объединяются в целостную систему для производства того, что в торговле называется пищевыми продуктами, обработанными в асептических условиях. Однако все асептическое оборудование не является полноценной интегрированной системой, и переработчик должен приобрести стерилизатор и асептический упаковщик как отдельные блоки, а затем соединить их вместе.
Стерилизация упаковочных материалов
Стерилизация упаковки осуществляется с использованием ряда методов и их комбинаций. Наиболее распространенные методы основаны на использовании (а) перегретой системы, (б) горячего сухого воздуха, (в) перекиси водорода, (г) комбинации перекиси водорода и ультрафиолетового света, (д) комбинации перекиси водорода и тепла. , (f) теплота процесса соэкструзии и (g) облучение гамма-лучами.
Системы перегретого пара
В этой системе стерилизация контейнера и его закрытие осуществляется путем нагревания перегретым паром. Преимущество этой системы в том, что она может достигать высоких температур при атмосферном давлении; однако микроорганизмы более устойчивы к перегретому пару, чем к насыщенному пару.
Системы сухого горячего воздуха
Стерилизация горячим воздухом имеет те же преимущества и недостатки, что и перегретый пар. В настоящее время в производстве низкокислотных продуктов питания нет установок такого типа, однако оборудование используется для производства соков и напитков.
Системы перекиси водорода
В ряде систем используется перекись водорода в сочетании с теплом и другими добавками. В этой системе упаковочный материал не является металлическим и поставляется в рулонах, а не в заранее сформированных контейнерах. В системе также используется другая стерилизующая среда. Рулоны непрерывно подаются в вертикальную машину, которая стерилизует, формирует, наполняет и запечатывает упаковку. Стерилизация осуществляется сочетанием перекиси водорода и тепла. Тепло, необходимое для стерилизации, можно получить с помощью нагретого барабана из нержавеющей стали. При контакте с барабаном перекись нагревается и происходит стерилизация.
Другая система использует упаковочный материал из рулонов, которые непрерывно подаются в машину, которая формирует, наполняет и запечатывает упаковку. Упаковочный материал проходит через ванну с горячей перекисью водорода, которая смягчает материал для формования. Затем формируют чашки, наполняют их и закрывают крышкой, которая также проходит через ванну с перекисью водорода. В другой системе используются предварительно сформированные стаканчики, к которым после наполнения приклеивается крышка из фольги. Чашки подаются в машину, где они стерилизуются распылением перекиси с последующим нагреванием. Материал крышки стерилизуют, пропуская через ванну с перекисью. Все наполнение и герметизация выполняются в стерильной камере, поддерживающей положительное давление с помощью фильтрованного стерилизованного воздуха.
Другая система, в которой используются предварительно сформированные картонные коробки, распыляет на внутреннюю часть картонных коробок перекись водорода низкой концентрации. Затем эта картонная коробка, обработанная распылением, проходит под источником ультрафиолетового света, который действует синергетически с перекисью водорода, уничтожая микроорганизмы. Результаты испытаний с использованием суспензии микроорганизмов показали, что эта комбинация очень эффективна.
Система, использующая тепло процесса экструзии для стерилизации
Это система упаковки «формуй, наполняй, запечатывай», работа которой зависит от температуры, достигаемой термопластичной смолой в процессе совместной экструзии, используемой для производства многослойного упаковочного материала, для создания стерильной поверхности продукта. В процессе производства многослойный упаковочный материал подается в машину, где он расслаивается в стерильных условиях. При этом удаляется слой материала и обнажается контактная поверхность стерильного продукта. Затем из материала контейнера термоформуют чашки. Материал крышки, который также расслаивается, затем герметизируется на чашке после наполнения. Стерильность зон формования, наполнения и запечатывания поддерживается стерильным воздухом под положительным давлением.
Машины для асептического розлива и упаковки
Системы асептического розлива и упаковки можно разделить на категории в зависимости от типа упаковочного материала и способа формирования контейнера.
Машина формования/наполнения/запечатывания пакетов
Показан принцип работы асептической вертикальной машины для формования/наполнения/укупорки трехсторонне запечатанных пакетов. Упаковочный материал с рулона, обычно сложный многослойный материал, стерилизуют перекисью водорода в нагретой ванне, представляющей собой сифонный затвор в стерильную камеру с небольшим избыточным давлением стерильного воздуха. В этой камере пленка высушивается, складывается через плечо в трубочку и запечатывается по длинному шву. Затем пробирку, закрытую снизу поперечным швом, можно вывести наружу из нестерильной камеры через плотно прилегающий гибкий замок.
Стерильная заправка внутри камеры осуществляется с помощью синусового наполнителя. В тубе содержимое защищено нейтральной атмосферой стерильного азота, которая поддерживает очень низкую концентрацию кислорода в свободном пространстве упаковок. Захваты раздвигают зоны запечатывания, а вертикальные возвратно-поступательные запечатывающие планки с режущими ножами транспортируются за пределы стерильного шкафа вниз, запечатывают и отрезают пакеты. Производительность упаковки составляет 15–35 пакетов/мин в зависимости от размера. Продукты, которые в настоящее время заполняются этими машинами, включают различные томатные продукты, соусы, такие как сырный соус и соус для пиццы с частицами. Также можно начинять компоненты еды и карри [87]. Система наполнения имеет характеристики CIP и SIP. Предстерилизация системы наполнения сжатым паром и стерильной камеры машины конденсированными парами перекиси водорода, а также нагретым воздухом осуществляется автоматически.
Машина для термоформования/наполнения/запечатывания стаканчиков и лотков
Пленки для чашек, лотков и крышек извлекаются из рулонов и транспортируются в полностью закрытый стерильный шкаф через нагретую ванну с перекисью водорода. Нижнюю пленку локально нагревают, термоформуют с помощью пробки с помощью сжатого стерильного воздуха, а затем формованные пакеты наполняют. Заполнение осуществляется специальным поршневым наполнителем с возвратно-поступательными клапанами, имеющими режущие кромки. Этот наполнитель способен осаждать смеси с частицами размером в несколько миллиметров. Валы шиберных клапанов и поршней проникают в емкость с продуктом, который необходимо заполнить. В механическом приводе внешний нестерильный воздух отделяется от стерильного воздуха над продуктом с помощью прокатных диафрагм. После наполнения крышку прикладывают к заполненному полотну и запечатывают по краям. Может быть выполнена продувка паровым газом. Полотна транспортируются в нестерильную сторону наружу через контурный замок без риска заражения, где осуществляется окончательная запайка пакетов, надрезание и разрезание.
Линия наполнения и укупорки бутылок и банок
Контейнеры, предварительно очищенные и подогретые специальным ополаскивателем, поступают в стерилизационную машину в один ряд и стерилизуются в несколько рядов в перевернутом виде, путем обработки внутри и снаружи парами перекиси водорода с последующей сушкой стерильным воздухом. Контейнеры переворачиваются, а затем периодически транспортируются к поршневому наполнителю. На следующем этапе контейнеры закрываются металлическими крышками, которые при входе в машину стерилизуются паром под давлением. Для жидких продуктов для розлива применяют магнитно-индуктивные дозаторы. Для пластиковых бутылок применяют термосвариваемые крышки из фольги.
Система Тетра Пак
Принцип этой системы заключается в том, чтобы брать упаковочный материал непосредственно с катушки и непрерывно формовать из него тубу. Тюбик запечатывается снизу перед наполнением и сверху после наполнения. Основное преимущество этой упаковки в том, что в готовой упаковке нет свободного пространства. Предварительно сложенное полотно упаковочного материала разматывается на роликах, которые смягчают поперечную складку. Полотно погружают в ванну с перекисью водорода для стерилизации. Упаковочный материал представляет собой ламинат из бумаги, фольги и полиэтилена. Такое сочетание придает ему легкость и газобарьерность, прочность и термосвариваемые свойства.
Система Conoffast – Continental Can Co.
В системе используются готовые запечатанные пакеты, которые можно стерилизовать внутри любым из четырех методов. Пустые пакеты пропускают через ультрафиолетовую камеру, чтобы свести к минимуму внешнее загрязнение пакетов, а затем наполняют их с помощью игл для подкожных инъекций в атмосфере перегретого пара. Иглу вынимают, а место прокола запечатывают термосваркой. Было предложено стерилизовать поверхности материала мешочка ионизирующим излучением. Стерилизация паром под давлением ограничивает использование упаковочных материалов теми, которые могут противостоять температурам. Для стерилизации области наполнения и запечатывания, а также иглы можно использовать перегретый пар при температуре 145°C.
В системе Conoffast также используется базовая система формирования, наполнения и запечатывания упаковки. Стерилизация внутренней части упаковки в этой системе основана на высоких температурах, возникающих внутри термопластичных смол во время процесса экструзии, используемого для производства многослойного упаковочного материала. Во время операции асептической упаковки верхний пластиковый лист расслаивается, в результате чего стерильная поверхность упаковочного материала подвергается воздействию пищевых продуктов в стерильной среде внутри установки Conoffast.
Перед наполнением упаковочный материал термоформуется в контейнеры чашеобразной формы. Стерильный пищевой продукт фасуют в упаковку в стерильных условиях. Затем пакеты запечатывают упаковочным материалом, от которого отслоился один слой, снова обнажая стерильную поверхность, контактирующую с пищевыми продуктами. Стерильность во время операций формования, наполнения и запечатывания поддерживается за счет выполнения этих операций в стерильной среде под положительным давлением.
Система Combibloc
В этой системе используются предварительно отформованные картонные заготовки, которые вырезаются, фальцуются, сшиваются по бокам и печатаются на заводе-изготовителе. Это способствует более совершенному сварному шву, обеспечивая тем самым хорошую целостность шва, а упаковочное оборудование может обрабатывать упаковки разных размеров с простой регулировкой высоты. Картонная заготовка вытягивается из магазина присосками и помещается на оправку. Поверхность уплотнения в нижней части коробки смягчается горячим воздухом. Дно сгибают, прижимают и герметизируют торец оправки. Верх предварительно сгибается, а затем передается в асептическую зону, где стерилизуется распылением перекиси водорода. После наполнения верхняя часть упаковки сгибается и запечатывается ультразвуковой сваркой.
Международная бумажная система
В этой системе упаковочный материал снимается с катушки. С рулона полотно проходит через ряд биговальных валиков в ванну с перекисью водорода для стерилизации. Горизонтальные уплотнения производятся с помощью чередующихся губок и индукционного нагревателя. Отдельные упаковки поступают на станцию окончательного складывания и запечатывания для запечатывания верхних и нижних клапанов.
Система Гасти
Эта система работает с предварительно отформованными чашками из пластика или алюминия. Это обеспечивает большую гибкость в работе и позволяет заранее утверждать качество контейнеров. В процессе работы предварительно сформированные стаканчики выдаются из магазина и стерилизуются парами перекиси водорода. Затем чашки наполняются в стерильном отделении и запечатываются предварительно стерилизованными крышками.
Система Ликви-Пак
В этой системе используется комбинация двух методов стерилизации для получения асептических упаковок, а именно. перекись водорода и ультрафиолет. Такой подход имеет синергетический эффект, что приводит к более эффективному бактерицидному действию, чем высокие концентрации перекиси водорода и ультрафиолета, применяемые по отдельности. Картонные коробки проходят через стерильную зону против потока фильтрованного воздуха. Наполнитель уникален пластиковым сильфонным механизмом для стерильного дозирования продукта. После наполнения двускатную коробку термосваривают обычным способом.
Система «FreshFill» в металлическом ящике
В этой системе используются предварительно сформированные чашки, стерилизованные перекисью водорода. Продукт заполняется с помощью многоголовочного наполнителя, при этом камера наполнения изолирована от других зон машины избыточным давлением стерильного воздуха, создаваемого ультрафильтром. Наполненные стаканчики запечатывают предварительно стерилизованным фольгированным материалом и штампуют обычным способом. Перед пуском камеру наполнения, наполнители и подводящую линию стерилизуют паром при температуре 130°С в течение 20 мин.
Система Авосет
Эта система упаковывает жидкие продукты в стекло и банки, а затем в аэрозольные контейнеры. Система стерилизует контейнеры и продукт отдельно и объединяет их в стерильной среде. Все оборудование помещается в контролируемую среду, а все критические элементы стерилизуются. Присутствует оператор, осуществляющий контроль за оборудованием. Хотя стерильность гарантирована, обычно рекомендуется хранить в холодильнике для замедления биохимических изменений.
Мантон-Гаулин (Pet Inc.)
Система представляет собой перчаточный ящик. Полиэтиленовые пакеты стерилизуют в перчаточном боксе смесью этиленоксида и нагревают до 49°С в течение 6 ч. После стерилизации газ заменяется стерильным воздухом. Стерильная смесь в асептических условиях перекачивается в насадку внутри перчаточного бокса. Используя технику перчаточного ящика, оператор заполняет один мешок через жесткий носик. Носик термосваривается ламинированной фольгой. Заполненный пакет покидает перчаточный бокс через ловушку с хлорированной водой и высушивается за пределами зоны асептического наполнения. Использовался контейнер Шолле с полуавтоматической асептической системой для наполнения полиэтиленовых мешков емкостью 6 галлонов. Стерильные условия поддерживаются сжатым стерилизованным воздухом и непрерывным распылением раствора хлора над откидной крышкой на мешке во время наполнения.
Качество пищевых продуктов, обработанных асептически
Разрушение питательных веществ и других химических реакций, влияющих на цвет и вкус продукта, уменьшилось примерно в 3 раза. Это называется значением z. Чем выше температура стерилизации, тем больше разница в скоростях разрушения реакций. Это концепция, на которой основаны наиболее важные преимущества систем асептической обработки и упаковки. Благодаря этому органолептические и питательные характеристики продуктов, обработанных системами асептической обработки, сохраняются по сравнению с продуктами, обработанными другими системами, такими как обычное консервирование.
Химические изменения и изменения вкуса при высокотемпературном нагревании особенно выражены в продуктах с низким содержанием кислоты, которые для обеспечения стерильности требуют более жесткой термической обработки. При более высоких температурах обработки разрушение бактериальных спор происходит намного быстрее, чем разрушение компонентов пищи. Продукты, обработанные асептическим способом, имеют лучший цвет и содержат больше тиамина, чем продукты, изготовленные традиционным способом консервирования. Асептическая обработка применяется в молочной промышленности, а также для розлива фруктовых соков и пюре, гороховых супов, соусов и томатной пасты. Влияние стерилизации HTST на пищевую ценность мясных продуктов вызвало большой интерес. Качество белка может ухудшиться из-за разрушения одной или нескольких незаменимых аминокислот, образования меж- и внутримолекулярных связей, устойчивых к пищеварительным ферментам, а также изменения скорости высвобождения различных аминокислот из белка. В результате образуется смесь аминокислот, которая может быть менее эффективной для метаболизма и усвоения.
Незаменимые аминокислоты триптофан, метионин и лизин также разрушаются при стерилизации HTST. Разрушение метионина и накопление диоксида серы являются основными химическими показателями воздействия варки белков мяса при 120–150°С. Денатурация белков — не единственное изменение, происходящее при тепловой обработке. Также происходит гидролиз белков и полипептидов. Коллаген, истин и ретикулин составляют соединительную ткань мяса и нерастворимы в воде и солевых растворах. Коллаген при нагревании превращается в растворимый желатин. При этом преобразовании некоторые поперечные связи разрываются, что приводит к укорочению и дезорганизации белковых цепей.
Преобразование также обеспечивает более высокую растворимость белка в переработанных мясных продуктах. Было доказано, что мясо, протертое в асептических условиях, более питательно и содержит больше тиамина. Асептически обработанные мясные и овощные продукты теряют тиамин и пиридоксин, но другие витамины практически не изменяются. В асептически обработанном молоке потери витаминов незначительны, а липиды, углеводы и минералы практически не затронуты. Рибофлавин, тиамин, пантотеновая кислота, биотин, никотиновая кислота и витамины B6 и B12 не затрагиваются. Потери питательных веществ также происходят в периоды длительного хранения, и это следует учитывать при оценке важности стерилизованных пищевых продуктов в рационе.