История пищевой промышленности тесно связана с особой категорией пищевых продуктов длительного хранения — консервами. В отличие от других упакованных пищевых продуктов, консервы обладают рядом уникальных свойств, в том числе опасностями и бракованностью, в зависимости от состава съедобного содержимого, производства металлической упаковки и технологии консервирования.
Основная цель термических процессов — уничтожение микроорганизмов (бактерий и спорообразующих форм жизни) в пищевых продуктах. Кроме того, необходимо подавление роста микроорганизмов и инактивация микробных токсинов. Важны и другие факторы — рН, наличие жирных молекул, кальция и т.д. В результате выбор «правильной» термической обработки (пастеризации, стерилизации) и связанных с ней параметров процесса (время, температура) необходимо учитывать в различных областях, включая консервированные продукты (Chen в J Food: Microbiol Saf Hyg 02(1), 2017; Chen и др. в J Sci Food Agric 93 (5): 981-986, 2013; Гупта и Баласубраманьям в работе «Новые термические и нетермические технологии для жидких пищевых продуктов». Academic Press, Лондон, Уолтем и Сан-Диего, стр. 109-133, 2012; Устройство для замораживания в новых термических и нетермических технологиях для жидких пищевых продуктов. Academic Press, Лондон, Уолтем и Сан-Диего, стр. 305-367, 2012; Джонгин Чароен и Ахмад в книге «Функциональные продукты питания и пищевые добавки: влияние обработки и польза для здоровья». Уайли, Чичестер, Великобритания, 2014; Маньяс и Паган в J Appl Microbiol 98 (6): 1387-1399, 2005; Растоги в «Новых термических и нетермических технологиях для жидких пищевых продуктов». Academic Press, Лондон, Уолтем и Сан-Диего, стр. 411-432, 2012; Сахин и Сумну в «Физических свойствах пищевых продуктов», стр. 107-155, 2006; Тивари и Мейсон в работе «Новые термические и нетермические технологии для жидких пищевых продуктов». Academic Press, Лондон, Уолтем и Сан-Диего, стр. 135-165, 2012; Вассер и др. в J Appl Microbiol 86 (3):469-476, 1999).
Конечными результатами являются построение логарифмических «кривых выживаемости», определение факторов, которые могут снизить термическую деструкцию микроорганизмов (активность воды и рН). Кроме того, следует немного поразмыслить, говоря о «коммерческой стерильности» и связанном с ней понятии длительного хранения консервированных продуктов (хранение при комнатной температуре).
Термическая обработка пищевых продуктов: История пищевой промышленности
История пищевой промышленности тесно связана с особой категорией пищевых продуктов длительного хранения — консервами. В отличие от других упакованных пищевых продуктов, консервы обладают рядом уникальных свойств, в том числе опасностями и бракованностью, в зависимости от состава съедобного содержимого, производства металлической упаковки и технологии консервирования.
В частности, термически консервированные пищевые продукты требуют особого внимания из-за критической важности термической обработки с точки зрения параметров обработки и желаемых результатов (Chen 2017; Chen et al., 2013; Гупта и Баласубраманьям, 2012; Джонгингчароен и Ахмад, 2014; Маньяс и Паган, 2005; Растоги, 2012; Сахин и Сумну, 2006; Тивари и Мейсон, 2012; Вассер и др., 1999). Как правило, консервированные продукты могут подвергаться таким обработкам, как пастеризация и стерилизация, в зависимости от содержащегося в них продукта, соответствующей микробиологической экологии, требований к длительному сроку хранения (пищевые продукты, устойчивые к хранению) и определенных характеристик упаковки, таких как теплопередача (Mauer and Ozen, 2004).
Основной целью термических процессов является уничтожение микроскопических форм жизни (бактерий и спорообразующих организмов) в пищевых продуктах; также необходимо подавление роста микроорганизмов и инактивация микробных токсинов. Необходимо учитывать и другие факторы — уровень рН, наличие жировых молекул, кальция и т.д., поскольку в таких условиях термостойкость некоторых микроорганизмов может повышаться. В результате выбор ‘правильной» термической обработки (пастеризации, стерилизации) и связанных с ней технологических параметров (времени, температуры) должен осуществляться на основе всестороннего анализа, включая кинетические соображения (Brown 2000; Carslaw and Jaeger 1959; Engehnan and Sani 1983; Hersom and Hulland 1981; Джен и др. 1971; Ленц и Лунд, 1977; Лунд, 1982; Мишкин и др., 1982; Пфлунг и Одло, 1978; Тейшейра, 1971).
Термическая обработка — это технологический ответ на устойчивость к микробиологическим агентам, которые способны влиять на здоровье человека и вызывать значительную порчу пищевых продуктов. В результате, текущее положение дел и знания о термической обработке в промышленности следует рассматривать как наследие первых работ по этому вопросу, выполненных Эсти и Мейером в 1922 году (Ларусс и Браун, 1997). Собственно, основу термической обработки следовало бы назвать «термобактериологией’. Фактически, термическая деструкция — технологическая стратегия, которая способна снижать и устранять активность микроорганизмов с помощью нагрева, — не может быть надежно применена без четких знаний о термической устойчивости микроорганизмов (Болл и Олсон, 1957; Дойл и Маццотта, 2000; Пфлуг и др., 2001; Стамбо, 1973).
Окончательными результатами исследований термостойкости являются логарифмические «кривые выживаемости» (Пелег, 2003; Пелег и Коул, 1998; Пелег и др. 2005): эти математические представления эволюционных профилей микроорганизмов зависят от различных факторов, которые способны уменьшить — или усилить — термическую деструкцию микроорганизмов (активность воды, рН и т.д.). Кроме того, некоторые размышления могут быть объяснены, когда речь заходит о «коммерческой стерильности» (Schmitt, 1966) и связанной с ней концепции длительного хранения консервированных продуктов (хранение при комнатной температуре).
Обсуждение эволюционного профиля отдельных микробиологических агентов не является целью данной главы; с другой стороны, методы термической обработки исторически основаны на предыдущих исследованиях, таких как ранние методики Апперта по сохранению скоропортящихся пищевых продуктов в стеклянных контейнерах за счет теплового воздействия (Stumbo, 1973). Впоследствии различные исследователи, такие как Пастер, Андервуд и Прескотт, открыли новые законы термической обработки.
Появление так называемых «санитарных» банок, использование первой термопары в измерительных целях во время экспериментов по сохранению тепла, проведенных такими исследователями, как Бигелоу и Болл в 1920-х годах, и создание «высокотемпературных кратковременных» процессов привели к значительному прогрессу в области сохранения тепла (Stumbo, 1973). В любом случае, термостойкость микроорганизмов и термическая обработка пищевых продуктов — это взаимосвязанные вопросы.
Ключевые точки соприкосновения представлены химическими и физическими условиями для получения подробных знаний об экологии микроорганизмов в выбранных пищевых продуктах, с одной стороны, и оптимальной термической деструкцией микробиологических агентов — с другой. Следующие разделы посвящены описанию этих основных характеристик, в то время как в разделе 1.4 делается попытка объяснить концепцию «коммерческой стерильности» с помощью достоверной интерпретации основных фактов и практических знаний с «промышленной» точки зрения.
Термическая обработка пищевых продуктов: Микробиологические агенты. ‘Враг’ микробов
Активным ‘объектом’ (или ‘врагом’) термической обработки всегда являются микроорганизмы. На самом деле, это утверждение следует обсудить более подробно и «расширить» из-за существования различных «агентов», способных вызывать повреждения, и связанных с этим различий в тепловом сопротивлении (Ларусс и Браун, 1997). В результате, микробиологические «агенты» должны рассматриваться следующим образом (Jay et al., 2008a, b, c):
(а) вирусы;
(б) бактерии, включая спорообразующие микроорганизмы, и
(в) грибы.
Кроме того, третья микробиологическая категория способна вырабатывать токсины, обладающие заметной термостойкостью. На самом деле, некоторые бактерии также могут продуцировать стафилококковые и ботулинические токсины, но связанная с этим термическая инактивация, по-видимому, относительно проста. С другой стороны, сообщается, что некоторые энтеротоксины, выделяемые золотистым стафилококком, остаются активными после термической обработки при условии, что их выработка наблюдалась до консервирования (Bennett and Berry, 1987; Dangerfield, 1973; Larousse and Brown, 1997; NFPA/CMI Container Integrity Task Force, 1984).
Что касается вирусов, то основная опасность, по-видимому, связана с нуклеиновыми кислотами, содержащимися в органической структуре после денатурации белка. В частности, белковые капсулы, содержащие генетический код вируса, быстро денатурируются при температуре 50-70 °C, но вирусные нуклеиновые кислоты — реальная опасность, если говорить о вирусах — могут оставаться биологически активными, если не проводить радикальное лечение.
Однако подобная обработка — 10 минут при температуре 100°C и более во влажной среде может быть достаточной — практически «подразумевается», когда речь заходит об обычной термической обработке консервированных продуктов с низким содержанием кислоты (Blackwell et al., 1985; Charm and Landau, 1987; Gaze, 2005; Jay et al., 2008a; Ларусс и Браун, 1997; Ричардс и др., 2010). Бактерии — это другой «враг», потому что несколько их видов способны образовывать споры.
Можно предположить, что консервная промышленность «родилась» в качестве решения проблемы выживания опасных видов микробов, которые способны продуцировать споры после подавления вегетативной жизни и распространения после обработки при температуре 100 °C в течение нескольких часов (Carlin, 2011; Couvert et al., 2005; Larousse and Brown, 1997; Омес и др., 2007). Проблема зависит от состава эндоспор, своего рода обезвоженной структуры, содержащей только основные клеточные компоненты для жизнедеятельности (Atrih and Foster, 1999; Gates et al., 2010; Энрикес и Моран, 2000; Джей и др., 2008b, c; Маккенни и др., 2013).
Эта стратегия позволяет некоторым бактериям сохранять свое «спящее» состояние в неблагоприятных условиях без вегетативного роста; впоследствии эндоспоры могут развить свою «активную» или жизнеспособную форму, когда условия станут более благоприятными, с необходимой биодоступностью основных элементов, таких как углерод, фосфор и азот (Atrih and Foster, 1999; Moir 2006; Пайдхунгат и Сетлоу, 2002; Уэллс-Бенник и др., 2016).
Когда речь заходит о термической обработке в консервной промышленности, учитывается несколько видов спорообразователей: Bacillus, Clostridium, Actynomycetes, Thermoactinomyces, Pasteuria, Metabacterium и др. (Андре и др., 2013; Дотзауэр и др., 2002; Джей и др., 2008b; Мацуда и др., 1985; Пфлуг и др., 2001; Ричардсон, 1972). На самом деле, критическим и основным фактором, влияющим на образование спор, является специфическое поведение микроорганизмов: облигатные аэробы, такие как Bacillus subtilis, могут продуцировать споры в контролируемой среде (питательный агар) в течение четырех дней при температуре 27-30°C (Jay et al., 2008d).
С другой стороны, факультативным видам анаэробов, таким как B. coagulans, для аналогичного процесса спорообразования требуется температура не менее 50°C в специальной среде. С другой стороны, сообщается, что Clostridium botulinum продуцирует споры при температуре 28-30 °C, но в контролируемой среде их развитие происходит заметно медленнее, чем у B. subtilis: 7-14 дней (Larousse and Brown, 1997). Естественно, эти характеристики можно объяснить с точки зрения температуры и рН (5,4–5,7 — оптимальный диапазон для B. pasterianum, в то время как B. стеаротермофилусу необходимы нейтральные значения рН), аэробная или анаэробная среда, биодоступность определенных ионов (кальция, цинка, сульфат- и фосфат-ионов), сахаров и молекул на основе азота и т.д. Синергетическое действие этих факторов может объяснить специфическое поведение этих бактерий, когда речь заходит о пищевых продуктах и других непродовольственных товарах (Ахмед и Дирар, 2011; Ким и др., 1988; Лаббе и Дункан, 1974; Ларусс и Браун, 1997; Мазас и др., 1997).
В любом случае, спороношение всегда зависит от одного или нескольких стрессовых факторов, включая заметные колебания рН, тепловой шок или присутствие специфических серосодержащих молекул (Casolari, 1996a; Larousse and Brown, 1997). Термостойкость бактериальных спор естественным образом коррелирует с физическими и химическими свойствами (Jay et al., 2008e); в результате низкие значения рН могут значительно увеличить повреждение спор в условиях сильной жары. Эта стратегия особенно полезна, когда речь идет о консервированных продуктах с низким уровнем кислотности, хотя полученные результаты не всегда гарантированы.
С другой стороны, термостойкость может повышаться в зависимости от нескольких факторов, включая наличие длинноцепочечных жирных кислот, специфических металлов (железа и кальция), относительно низкой активности воды и длительного (несмертельного) воздействия температур от 63 до 100°C (Larousse and Brown, 1997). Следует также отметить, что споры грибов не представляют заметных проблем по сравнению со спорами бактерий: в частности, присутствие грибов может представлять угрозу безопасности и качеству, если речь идет только о нестерилизованных продуктах. Другими словами, основная проблема плесневых грибов и дрожжей, как правило, связана с производством токсинов, и эта проблема обсуждается, когда речь заходит о распространении бактерий (Ларусс и Браун, 1997).
Опасность, которую представляют бактериальные и грибковые токсины, различна в зависимости от их типа. Ботулинические и стафилококковые токсины могут представлять проблему, если их инактивация не наблюдается при обычной тепловой обработке консервированных продуктов, и эти условия кажутся достаточными для этой цели, хотя могут быть сообщения о некотором критическом риске (Dangerfield, 1973; Jay et al., 2008d, f; Larousse and Brown, 1997; Целевая группа по обеспечению целостности контейнеров NFPA/CMI, 1984). С другой стороны, микотоксины могут представлять серьезную проблему из-за их разнообразия (виды-продуценты: Aspergillus, Penicillium, Cladosporium, Alternaria, Fusarium и т.д.), их различной химической структуры, взаимосвязи между токсиногенезом выбранного токсина и специфическим штаммом и повышенной термостойкостью.
Риск заражения микотоксинами зависит от различных факторов (Jay et al., 2008f), но основным фактором из этих переменных всегда является неправильное хранение сырья, особенно овощей и фруктов, в течение длительного времени. Следовательно, термическая обработка может иметь значение «технического восстановления» консервированных продуктов, но ее эффективность не гарантируется полностью из-за высокой термостойкости токсинов. На самом деле, эти молекулы следует рассматривать как часть «химической опасности».; однако, как правило, они рассматриваются в связи с микробиологическими рисками из-за их очевидного микробиологического происхождения.
Микробные изменения: основные последствия деградации
Различные эпизоды микробного заражения могут приводить к различным видимым изменениям, но обычные потребители не всегда замечают распространение микробов. В целом, в зависимости от специфики микробного «врага» в некислотных продуктах с рН > 5,3 выявляются следующие признаки контаминации (AACC International, 2009; Блачек, 1999; Касолари, 1996а; Эванчо и Уоллс, 2001; Филдс, 1970; Гуч, 2011; Джонсон, 1999; Макклейн, 2007; Миямото и Нагахама, 2016). Нотерманс, 1999; Олсон и Сорреллс, 2015): (1) Эффект «плоской кислинки». Это означает постепенное подкисление углеводов с образованием молочной кислоты и без заметного увеличения объема тары.
Сообщается, что значения рН снижаются до 1 логарифмической единицы, что приводит к ухудшению свойств продукта (аномальному аромату и вкусу). Этот дефект, как правило, приписывается B. stearothermophilus из-за недостаточной стерилизации и поддающейся измерению бактериальной контаминации. На самом деле, сообщается о незначительных признаках контаминации: снижении внутреннего давления в контейнерах и (2) гниении. Это явление можно отнести к C. sporogenes, C. botulinum, C. перфрингенов и других клостридий.
В целом, значения рН, по-видимому, не изменяются, хотя сообщалось о некотором повышении. Контейнеры всегда деформируются (с риском взрыва) из-за значительного выделения газов: водорода и углекислого газа. Сенсорные характеристики могут изменяться, когда речь заходит о C. sporogenes или других мезофильных клостридиях (выделение сероводорода, органических кислот и т.д.), в то время как C. botulinum и C. perfringens могут портить пищевые продукты с незначительными органолептическими изменениями.
Заражение ботулизмом может привести к летальному исходу. В любом случае, стерилизации недостаточно. Несколько эпизодов заболевания были связаны с анаэробными и термофильными клостридиями, такими как C. thermosac charolyticum, что привело к заметным изменениям пищевых продуктов и/или контейнеров. Интересно, что взрыв контейнеров можно легко наблюдать при температуре 30 °C (исключение составляют дефекты с плоской закисью). С другой стороны, кислые пищевые продукты (pH < 4,5) и продукты со средней кислотностью (pH между 4,5 и 5,3) могут подвергаться разложению следующими способами (Ларусс и Браун, 1997; Такер и Физерстоун, 2011):
(а) Подкисление B. coagulans, с незначительными сенсорными изменениями. В целом предварительная обработка была недостаточной;
(b) снижение рН без деформации контейнера лактобактериями. Частой причиной этого дефекта является повторное использование пищевых продуктов после консервирования, а также
(c) образование газов, приводящее к деформации контейнера и возможному взрыву, C. pasteurianum (производство водорода, двуокиси углерода, масляной кислоты), дрожжей (производство двуокиси углерода и этанола), Leuconostoc mesenteroides и L. dextranicum (производство из диоксида углерода и биологических полимеров), плесневые грибы (производство диоксида углерода; явный мицелий; токсиногенез) и некоторых лактобактерий (производство молочной кислоты, углекислого газа, этанола и т.д.).
Могут быть рассмотрены различные технологические причины, но необходимо учитывать недостаточную термическую обработку и повторное загрязнение (из-за негерметичных контейнеров).
Термическая обработка пищевых продуктов: Химические и физические параметры, влияющие на термостойкость
Значения DT и z зависят от конкретной температуры, конкретного микроорганизма и нескольких химико–физических переменных. Низкие значения рН, как правило, могут значительно увеличить повреждение спор в условиях сильной жары, и сообщалось о том же самом поведении, когда низкие значения активности воды отрицательно влияют на термическую деструкцию. С другой стороны, термостойкость может повышаться в зависимости от нескольких факторов, включая наличие длинноцепочечных жирных кислот, специфических металлов (железа и кальция) и длительного (несмертельного) воздействия температур от 63 до 100 °C.
В частности, тепловое сопротивление возрастает при снижении активности воды, и эта ситуация наблюдалась в основном, когда речь шла о вегетативных клетках. С математической точки зрения, в целом (для вегетативных клеток и спор) можно предположить, что DT увеличивается в 10 раз, если активность воды снижается на 0,2–0,3 единицы, в то время как при активности воды < 5,5 может наблюдаться противоположное поведение.
Однако общего правила не существует, хотя существует некоторая приблизительная зависимость была предложена разница между значениями pH и DT. То же самое можно сказать и о значениях z (Casolari 1996b). Можно учитывать негативное влияние некоторых металлов, таких как железо. Длительное и нелетальное воздействие определенных температур (100 °C) обычно наблюдается, когда речь заходит о спящих спорах, продуцируемых C. botulinum и B. stearothermophilus, что, возможно, объясняется потерей ферментативной активности (Etoa и Michiels, 1988).
Концепция ‘Коммерческой стерильности’
Концепция «коммерческой стерильности» часто провозглашается и повторяется (или принимается) в пищевой промышленности и в коммерческом секторе (Augusto et al., 2014; Коста, 2003; Да Силва и др., 2013; Холл, 1971; Хайнц и Хаутцингер, 2007; Джей и др., 2008e; Мембре и ван Зейлен, 2011; Найтингейл и Столлингс, 1986; Шмитт, 1966). Однако теория термической деструкции показывает, что вероятность выживания живых микроорганизмов не может быть сведена к «нулевому» значению. Другими словами, «абсолютная стерильность» — это концепция, не имеющая математической и надежной основы (Casolari, 1996b). Более того, построение временных кривых термического разрушения на этих основаниях было невозможно из-за логарифмической природы этих графиков.
Кроме того, разница между значениями N и N0 соответствует количеству уничтоженных микроорганизмов, где термин «убитый» или «мертвый» микроорганизм определяется таким образом из-за невозможной репродуктивной способности (Larousse and Brown, 1997; Stumbo, 1973). На самом деле, определенная часть «мертвых» спор все еще может выживать, но не способна выполнять нормальные метаболические функции, если условия культивирования не станут более благоприятными. В результате термин «коммерческая стерильность» должен быть правильно определен, особенно когда речь идет о консервированных продуктах с низким содержанием кислоты.
В этом отношении консервированные продукты являются «коммерчески стерильными» после термической обработки, которая способна уничтожать патогенные микроорганизмы и микроорганизмы, продуцирующие токсины, в том числе устойчивые микробиологические агенты, которые могли бы распространяться в консервах при нормальных условиях хранения (Brooks and Houpt, 1975). В таких условиях ожидается, что «коммерчески стерильные» консервированные продукты будут оставаться стабильными в течение длительного срока хранения, хотя на рынке могут быть найдены нестабильные продукты (André et al., 2013). С другой стороны, термин «абсолютная стерильность» не имеет практического значения из-за его практической невозможности (фон Бокельман и фон Бокельманн (1986).