Оценивалось влияние термообработки в колебательной и статической автоклавах на проникновение тепла при использовании мешка стандартного размера. Смеси крахмала Frigex-W (Национальная инновационная пищевая компания по производству крахмала) и воды были приготовлены в трех различных концентрациях (1%, 3% и 5%). Пять серий смесей крахмала и воды были обработаны с использованием распыления воды в качестве рабочей среды в реторт-пакетах стандартного размера (29,2 см х 38,1 см) с использованием как колебательного, так и статического режимов обработки. Для каждого уровня концентрации смеси крахмала и воды определяли вязкость (с помощью вискозиметра Брукфилда и консистометра Боствика), остаточный воздух (методом деструкции), цвет (с помощью колориметра Minolta L*a*b*), время обработки (наклон кривой теплопоглощения) и время обработки для достижения 5-логарифмического уменьшения количества Clostridium botulinum.
Средние значения крутизны для двух режимов обработки (колебательного и статического) не отличаются (p>0,05) для концентраций 1% и 5%. Средние значения крутизны для режимов обработки (колебательного и статического) различаются для концентрации 3%. Результаты этого исследования важны для пищевой промышленности, поскольку колебательная технология может оказаться невыгодной для компаний, перерабатывающих продукты с низкой вязкостью (1%) и/или высокой вязкостью (5%), поскольку при оценке времени обработки нет существенной разницы между двумя режимами (колебательным и статическим). Компании, перерабатывающие продукты со средней вязкостью (3%), могли бы выиграть от инвестиций в осциллирующую технологию из-за сокращения времени обработки. Сокращение времени обработки может привести к повышению урожайности и сохранению важных питательных веществ.
Однако компании, перерабатывающие продукты с низкой вязкостью (1%) и/или с высокой вязкостью (5%), могут по-прежнему получать выгоду от инвестиций в осциллирующую технологию благодаря другим преимуществам. Для определения эффективности осциллирующей технологии необходимо изучить другие потенциальные преимущества (например, сохранение важных питательных веществ). Введение Производство термически обработанных пищевых продуктов в Соединенных Штатах ежегодно обходится в 134 миллиарда долларов (All Business, 2009). Объем рынка только овощных консервов составляет 5 миллиардов единиц.
Другими крупными категориями термически обработанных пищевых продуктов являются рынок консервированных супов объемом в 4 миллиарда единиц и рынок детского питания объемом в 1,5 миллиарда единиц (Keith, 2001). В пищевой промышленности появилось множество новых технологий и упаковок. Новая технология использования осциллирующих автоклавов аналогична вращательному процессу в том смысле, что она перемешивает пищевой продукт, помогая увеличить скорость разогрева сердцевины; однако осциллирующая технология может быть использована для изготовления пакетов-реторт, поскольку при мягком покачивании пакет не повреждается (Collins, 2009).
Пакеты-реторты становятся все более популярными в Соединенных Штатах. В 2005 году Стэн Сачаров (Stan Sacharow) (исполнительный директор Packaging Group Inc. в Принстоне, штат Нью-Джерси) сообщил, что продажи упаковочных материалов в США ежегодно растут на 13-15% (Gazdziak, et. al., 2005). Существует ряд предположений, связанных с использованием осциллирующей технологии. Считается, что, как и в случае с ротационной технологией, использование осциллирующей технологии может привести к сокращению времени обработки.
Сокращение времени обработки может привести к улучшению вкуса, цвета и сохранению витаминов, а также к снижению энергозатрат и увеличению срока годности. Перемешивание с помощью осциллирующей технологии может позволить использовать в процессе более высокие температуры, что еще больше сократит время процесса (Пархомчук, 1977). В обзоре литературы не было обнаружено исследований, связанных с технологией осциллирования, и необходимо ответить на ряд вопросов, прежде чем компания решит инвестировать в новую технологию.
Приведет ли эта технология к сокращению времени выполнения работ? Останется ли качество продукта таким же или улучшится? Будет ли пищевая ценность продукта такой же или улучшится? Оправдывает ли новая технология капитальные вложения в новое оборудование? Какое покачивание (из стороны в сторону или спереди назад) более эффективно? Эффективна ли осциллирующая технология для всех уровней вязкости пищевых продуктов? Если нет, то в каких типах продуктов следует использовать осциллирующую технологию, а в каких нет?
Целью данного исследования является определение влияния технологии осциллирующих и статических реторт на проникновение тепла с использованием пакета для реторт стандартного размера с тремя уровнями вязкости. Материалы и методы Приготовление смеси крахмала Frigex-W (National Starch Food Innovation) и воды Смеси крахмала Frigex-W (National Starch Food Innovation) и воды были приготовлены в трех концентрациях (1%, 3% и 5%). Необходимое количество воды для каждой концентрации нагревали в чайнике с паровой рубашкой до 85°C. В этом эксперименте использовались два чайника — 132-литровый и 756-литровый. Необходимое количество крахмала постепенно добавляли в воду с температурой 85°C при перемешивании.
После добавления всего крахмала смесь нагревают до 100°C и выдерживают в течение 10 минут при перемешивании. Затем смесь крахмала и воды оставляют для гидратации на 72 часа. Через 72 часа смесь крахмала и воды была разложена по пакетам и обработана в реторте со временем приготовления 60 минут при температуре 123°C в статическом режиме для стабилизации вязкости. Затем пакетики хранили в холодильнике при температуре 5,5°C до тех пор, пока они не понадобятся. За день до обработки смесь крахмала и воды вынимали из холодильника и выдерживали в течение 24 часов до достижения равновесия при комнатной температуре (около 21°C). Затем 13,2 килограмма смеси крахмала и воды использовали для заполнения мешочков с термопарами. Затем эти пакеты были использованы в реальном эксперименте для имитации приготовления пищевого продукта с тремя различными уровнями вязкости.
Всего в эксперименте было использовано 90 пакетов. Прозрачные пакеты-реторты институционального размера (29,2 см. х 38,1 см) были использованы в данном эксперименте. Размер упаковки был эквивалентен банке № 10. Для подсоединения термопар к пакетам в пакете было проделано отверстие по краю на полпути к верхней части пакета. После того как отверстие было пробито, в него вставили уплотнительный элемент и термопару. В эксперименте использовались термопары длиной 12,7 см. Для того чтобы термопары оставались на своих местах внутри мешочков для реторт, к мешочку были прикреплены нейлоновые цилиндры (1,9 на 3,8 см) с отверстием посередине. Термопара была помещена внутрь отверстия в нейлоновом цилиндре. Цилиндры были размещены на расстоянии 4,4 сантиметра от конца термопары, регистрирующего температуру (рисунки 1 и 2).
Пакеты были запечатаны с помощью термосваривателя Toyo Jidoki при следующих настройках: температура 125°C, время нагрева 0,7 секунды и время охлаждения 3,0 секунды. После заполнения толщина пакетов составляла 3,8 сантиметра. Каждый пакетик был помечен с 1 по 9. Пакетики с 1 по 3 предназначались для продуктов с низкой вязкостью (концентрация 1%), с 4 по 6 — для продуктов со средней вязкостью (концентрация 3%) и с 7 по 9 — для продуктов с высокой вязкостью (концентрация 5%).
Расположение пакетов внутри автоклава
Пакеты были загружены в автоклав, где каждая термопара была прикреплена к шнуру внутри камеры автоклава, который затем был подключен к компьютеру, который регистрировал время и температуру. Использовалось программное обеспечение CALSoft для сбора данных. За один цикл обрабатывалось девять пакетов. Позиции в автоклаве были обозначены с 1 по 9. Пакеты со смесью крахмала и воды находились на лотках 7, 8 и 9; всего в корзине было 14 лотков (2 корзины находились внутри автоклава). Позиции 1, 2 и 3 были на подносе 7. Позиции 4, 5 и 6 были на подносе 8. Позиции 7, 8 и 9 находились на лотке 9. Остальные места в автоклаве были заполнены мешочками с водой для равномерного распределения тепла. Расположение мешочков было выбрано случайным образом, как указано в схеме эксперимента. Для проведения эксперимента использовали автоклав с 2 корзинами (номер модели AO142), используя термический процесс, описанный в таблице 1. Как указано выше, в каждой корзине помещается 14 лотков. В качестве рабочей среды в этом эксперименте использовались водяные брызги. Скорость в колебательном режиме составляла 10,5 об/мин. Угол наклона в колебательном режиме составлял 10 градусов. В режиме колебаний корзина раскачивалась из стороны в сторону. Корзина совершала один оборот влево и вправо, а затем возвращалась в исходное положение.
Пакеты нагревали до тех пор, пока температура во всех пакетах не достигала 121°C. Для проведения эксперимента потребовалось 5 циклов обработки в колебательном режиме и 5 циклов обработки в статическом режиме. Анализ образцов (цвет с помощью колориметра Minolta L*a*b* и вязкость с помощью вискозиметра Brookfield и консистометра Bostwick) Цвет смеси крахмала и воды измеряли как до, так и после обработки с помощью колориметра Minolta L*a*b*. Образец помещали в чашку Петри и помещали поверх белой пластины, чтобы обеспечить точные показания. Вязкость измеряли до и после обработки в автоклаве, чтобы убедиться в стабильности вязкости. Вязкость измеряли с помощью вискозиметра Brookfield и консистометра Bostwick. Образцы измеряли при комнатной температуре (21°C). Для анализа с использованием вискозиметра Brookfield образцы помещали в химический стакан объемом 250 мл.
Образец помещали под стержень, прикрепленный к вискозиметру. Стержень вводили в образец до тех пор, пока выемка, отмеченная на стержне, не была полностью погружена. Образец вращался в течение 5 минут со скоростью 12 оборотов в минуту. Номер шпинделя, используемый при измерении по методу Брукфилда, варьировался в зависимости от вязкости. Для образцов с концентрацией 1% использовался шпиндель № 1, для образцов с концентрацией 3% — шпиндель № 1, 2 и 3, а для образцов с концентрацией 5% — шпиндель № 4. Для анализа с помощью консистометра Bostwick камера для выдержки была заполнена образцом до краев, при этом затвор был опущен. С помощью тыльной стороны ножа образец был разровнен. Затвор был снят, и образцу дали стечь в течение 30 секунд. По истечении 30 секунд расстояние, пройденное образцом, измеряли в сантиметрах.
Остаточный воздух (свободное пространство в мешке) В течение часа после обработки был проведен тест на остаточный воздух (свободное пространство). Для проведения теста раковину наполнили водой. Для удержания перевернутого градуированного цилиндра использовали кольцевую подставку таким образом, чтобы верхняя часть цилиндра находилась как раз под поверхностью воды. Мешочек держали под водой под воронкой, прикрепленной к градуированному цилиндру, наполненному водой. Уголок мешочка был надрезан под воронкой, и воздух был выдавлен наружу.
Количество остаточного воздуха в пакете измеряли (в миллиметрах) как величину вытеснения воды в баллоне (Канадское агентство по контролю за продуктами питания, 2002). При проведении эксперимента был использован раздельный график с использованием автоклавного метода в качестве коэффициента для всего графика и вязкости в качестве коэффициента для дополнительного графика. Для рандомизации использовался план SAS proc. Конкретный план рандомизации для размещения пакетов в автоклаве представлен в таблицах 2 и 3. Рандомизация коэффициента автоклава была разработана следующим образом: 1. Присвоите номера от 1 до 5 статическому методу и номера от 6 до 10 колебательному методу. 2. Используйте случайную последовательность, приведенную в таблице 2, чтобы определить порядок проведения различных методов автоклавирования. План рандомизации для коэффициента автоклавирования представлен ниже.
Рандомизация коэффициента вязкости была разработана следующим образом: 1. Обозначьте позиции в автоклавной машине от А до Я. 2. Обозначьте девять упаковок от 1 до 9. (Пакеты с 1 по 3 предназначены для продуктов с низкой вязкостью (концентрация 1%), с 4 по 6 — для продуктов со средней вязкостью (концентрация 3%) и с 7 по 9 — для продуктов с высокой вязкостью (концентрация 5%)). 3. Используйте случайную последовательность, указанную в таблице 3, для размещения пакетов в соответствующих положениях автоклава. Схема рандомизации коэффициента вязкости приведена ниже.
С помощью статистического анализа с использованием SAS были определены средние значения, стандартные ошибки и уровни значимости в 5% для вязкости, остаточного воздуха, значений L* и крутизны наклона. Результаты и обсуждение Вязкость Смеси крахмала и воды были выбраны потому, что в ходе предварительных испытаний вязкость не изменялась в процессе автоклавирования. Смеси бентонита и воды также были оценены для использования в эксперименте, но в ходе предварительных испытаний они не показали стабильной вязкости (приложение А). Среднеквадратичные значения вязкости для 1%, 3% и 5%-ной концентраций крахмала и воды не отличаются (р>0,05) от значений до и после процесса автоклавирования как для колебательного, так и для статического режимов обработки (таблица 4), таким образом, вязкость не влияла на скорость нагрева.
В ходе статистического анализа были вычислены квадратные корни из-за отклонений от заданных значений. Результаты измерения вязкости для консистометра Bostwick не были представлены, поскольку результаты для образцов с концентрацией 1% и некоторых образцов с концентрацией 3% превышали возможности прибора. Результаты измерений по методу Боствика для образцов с концентрацией 1% превышали 24 сантиметра. Измерения по методу Боствика варьировались от 12,25 сантиметров до более чем 24 сантиметров в образцах с 3%-ной концентрацией и от 4,0 до 6,0 сантиметров в образцах с 5%-ной концентрацией.
Среднеквадратичный корень из значения вязкости (стандартная ошибка). Значения a,b,c, которые содержат одни и те же строчные буквы в одной строке, не отличаются друг от друга по методу наименьших квадратов (p>0,05). Значения A, B, C, которые содержат одинаковые заглавные буквы в одном столбце, не отличаются друг от друга по методу наименьших квадратов (p>0,05). Остаточный воздух (свободное пространство в мешке) Остаточный воздух важен при обработке автоклавов, поскольку он влияет на скорость нагрева. Если в упаковке недостаточно остаточного воздуха, то не будет эффекта перемешивания, который способствовал бы более быстрому нагреванию пищевого продукта. Избыточный остаточный воздух может действовать как изолятор и замедлять скорость нагрева (Campbell и др., 1992). Средние логарифмические значения остаточного воздуха для колеблющегося и статического в концентрациях 1% и 5% не отличаются (p>0,05), в то время как среднее логарифмическое значение остаточного воздуха для колеблющегося и статического в концентрации 3% отличается.
В целом, при сравнении смесей крахмала и воды до обработки, в статическом состоянии и при колебаниях, наблюдалось очень незначительное изменение цвета. Это подтверждает рекомендацию Frigex-W как подходящего крахмала для использования в пищевых продуктах, обработанных в автоклавах. Смеси крахмала и воды концентрацией 1% и 3% стали темнее после обоих процессов (колебательного и статического). Потемнение могло быть результатом карамелизации. Наклон (кривая нагрева) Значение наклона представляет собой наклон на графике зависимости температуры от времени (кривая нагрева). Чем больше угол наклона, тем быстрее продукт нагревается до температуры 121°C. Чем меньше угол наклона, тем дольше продукт нагревается до температуры 121°C. С увеличением продолжительности процесса снижается производительность. Более длительное время обработки также может привести к переварению продукта, что приведет к нежелательным изменениям цвета, текстуры или содержания питательных веществ. Средние значения уклонов для двух режимов обработки (колебательного и статического) не отличались (р>0,05) для концентраций 1% и 5% (таблица 7). Значения наклона для режимов обработки (колебательного и статического) были разными.
Бинду и др. (2008) оценили характеристики термопроницаемости копченого тунца в масле и рассоле в реторт-пакетах при различных скоростях вращения. Исследование, проведенное Бинду и соавторами, показало, что тунец, запеченный в рассоле, быстрее впитывает тепло, чем тунец, запеченный в масле. Высокая вязкость масла препятствовала быстрому конвекционному движению внутри мешочков (Bindu et al. al, 2008). Ali et. al. (2006) заявили, что теплопередача в жидких пищевых продуктах может быть значительно увеличена путем перемешивания во время обработки пищевых продуктов (Ali et. al, 2006). Результаты исследований Бинду и др. (2008) и Али и др. (2006), в дополнение к работе Парчомчука (1977), также не подтверждают результаты этого исследования. Как поясняется в исследовании Парчомчука (1977), перемешивание не было полезным для твердых пищевых продуктов, например мяса и рыбы (Parchomchuk, 1977).
Образцы с высокой вязкостью (5%-ная концентрация), использованные в данном исследовании, были не такими вязкими, как мясо или рыба; однако результаты этого исследования согласуются с результатами исследования Пархомчука, поскольку перемешивание в колебательном режиме для образцов с 5%-ной концентрацией не влияло на время обработки. Ортис и др. (1995) заявили, что ротационная термическая обработка более эффективна, чем стационарная, для продуктов с высокой вязкостью, поскольку сокращает время стерилизации примерно на 50% (Ortiz и др., 1995). Исследование Ortiz и соавторов (1995) может показаться противоречащим результатам этого исследования; однако, по их мнению, их высокая вязкость (10 000 сП) находится в диапазоне средней вязкости (концентрация 3%) после обработки в автоклаве в этом исследовании.
Таким образом, результаты Ортиса и соавт. (1995) подтверждают результаты этого исследования, поскольку средние значения для образцов с концентрацией 3% различаются (p>0,05) при колебательном и статическом режимах обработки. Рисунки 3, 4 и 5 иллюстрируют результаты, представленные в таблице 7. Результаты этого исследования важны для пищевой промышленности, поскольку компаниям, перерабатывающим продукты с низкой вязкостью (1%) и/или высокой вязкостью (5%), не нужно вкладывать новые средства в осциллирующий режим обработки, поскольку при оценке нет существенной разницы между двумя режимами (осциллирующим и статическим). время обработки.
Компании, перерабатывающие продукты со средней вязкостью (3%), могли бы выиграть от инвестиций в осциллирующую технологию из-за сокращения времени обработки. Сокращение времени обработки может привести к повышению урожайности и сохранению важных питательных веществ. Компании, перерабатывающие продукты с низкой вязкостью (1%) и/или высокой вязкостью (5%), могут по-прежнему получать выгоду от инвестиций в осциллирующую технологию по другим причинам. Другие причины (например, сохранение важных питательных веществ) требуют дальнейшего изучения для определения эффективности осциллирующей технологии.
Выводы, основанные на условиях, использованных в нашем исследовании: 1. Смеси крахмала и воды Frigex-W обеспечивают стабильную вязкость для использования в модельных исследованиях для оценки систем обработки в автоклавах. 2. Смеси крахмала и воды Frigex-W претерпевают минимальное изменение цвета в процессе обработки в автоклавах. 3. Колебательный процесс эффективен для сокращения времени обработки смесей крахмала и воды с концентрацией 3% по сравнению со статическим процессом. 4. Колебательный процесс не эффективен для сокращения времени обработки смесей крахмала и воды концентрацией 1% и 5% по сравнению со статическим процессом. Существует очень мало опубликованных работ, посвященных использованию технологий с использованием колебательных автоклавов. Будущая работа должна быть сосредоточена на влиянии этой технологии на питательные компоненты продуктов (например, на удержание витаминов), влиянии на конкретные свойства продуктов (вкус, цвет и текстуру) и сравнении различных методов осцилляции. В процессе осцилляции, использованном в этом исследовании, использовались покачивания из стороны в сторону. Возвратно-поступательное покачивание может обеспечить дополнительные области применения и увеличить время обработки в других продуктах или системах.