Термическая обработка пищевых продуктов
Одним из распространенных методов консервации пищевых продуктов, используемых в пищевой промышленности, является термическая обработка, при которой используется тепло в течение определенного периода времени для уничтожения микроорганизмов, присутствующих в пищевых продуктах. Для сохранения и предотвращения повторного загрязнения обработанных пищевых продуктов перед термической обработкой продукты упаковываются в контейнер и герметично закрываются. Как правило, целью термической обработки является снижение или уничтожение микробиологической и ферментативной активности, а также внесение физических или химических изменений в пищевые продукты для достижения определенного стандарта качества.
Термически обработанные пищевые продукты, отвечающие требованиям стерильности, можно безопасно хранить при комнатной температуре в течение оставшегося срока годности. Пищевые продукты никогда не стерилизуются полностью, им только придается коммерческая стерильность.
«Коммерческая стерильность», или, как ее иногда называют, «стабильность при хранении», означает отсутствие в продукте жизнеспособных микроорганизмов, имеющих значение для общественного здравоохранения, а также тех, которые способны размножаться в пищевых продуктах при нормальных условиях хранения и реализации без охлаждения”. Большинство коммерчески стерильных консервированных и разлитых по бутылкам пищевых продуктов имеют срок годности не менее двух лет и при более длительном хранении теряют качество из-за изменения текстуры или вкуса, а не из-за роста микробов. Чтобы определить, соответствует ли обработанный пищевой продукт коммерческим требованиям стерильности, важной информацией являются активность воды (aw), кислотность (pH) и способ консервирования продукта.
Активность воды (aw) — это показатель общего количества воды, содержащейся в продукте. Когда такие вещества, как сахар и соль, растворяются в воде, они уменьшают количество свободных молекул воды и, таким образом, уменьшают количество воды, доступной для роста микроорганизмов. Поскольку большинство бактерий, дрожжей и плесневых грибов могут размножаться при показателях активности воды выше 0,95, использование показателя активности воды 0,85 в качестве критерия для определения необходимости термической обработки обеспечивает большой запас прочности. В тех случаях, когда активность воды в пищевом продукте превышает 0,85, для выбора правильного метода термической обработки необходима известная кислотность.
Степень кислотности или рН пищи влияет на типы микроорганизмов, способных в ней расти. Главной заботой предприятий пищевой промышленности является борьба с ростом Clostridium botulinum — бактерии, которая может вырабатывать смертельный токсин и способна расти в отсутствие кислорода, что также называется анаэробными условиями. Эти условия обычно возникают в герметично закрытых упаковках. Научные исследования показали, что споры C. botulinum не прорастают и не растут в продуктах с рН ниже 4,8. Поэтому в качестве границы между кислыми и низкокислотными продуктами был выбран уровень рН 4,6. Несмотря на то, что споры C. botulinum и других видов порчи могут быть обнаружены как в кислых, так и в слабокислых продуктах, в кислых продуктах роста и образования токсинов не произойдет.
Методы термической обработки, используемые в пищевой промышленности, включают пастеризацию, выдержку в горячем виде и стерилизацию.
Пастеризация — это относительно мягкая термическая обработка по сравнению со стерилизацией, при которой продукты нагреваются до температуры ниже 100°C для уничтожения ферментов и относительно чувствительных к теплу микроорганизмов. Одной только термической обработки при пастеризации недостаточно для того, чтобы уничтожить все растительные микроорганизмы, вызывающие порчу, или термостойкие споры. В результате пастеризация подходит для получения стабильного при хранении продукта, когда рН продукта составляет 4,6 или ниже (подкисленные или естественно кислые продукты).
Срок хранения пастеризованных продуктов с низким содержанием кислотности, таких как молоко и некоторые другие молочные продукты, в охлажденном виде составляет приблизительно 2-3 недели. Пастеризация неупакованных жидкостей с низкой вязкостью, таких как молоко и фруктовые соки, обычно проводится с использованием трубчатых или пластинчатых теплообменников непрерывного действия. Эти жидкости нагреваются, а затем охлаждаются перед розливом в контейнеры с последующей герметизацией для предотвращения повторного загрязнения (Robertson, 1992).
Некоторые жидкие пищевые продукты, такие как пиво и фруктовые соки, после розлива в контейнеры подвергаются пастеризации, известной как пастеризация в упаковке, при которой в качестве теплоносителя используются паровоздушные смеси или горячая вода (Safefood 360, 2014). Другой относительно мягкой термической обработкой, используемой для подкисленных или естественно кислых пищевых продуктов, является процесс горячей заливки и выдержки. Этот процесс требует, чтобы пищевой продукт был нагрет перед розливом, затем в горячем виде был разлит, запечатан в контейнер и выдержан в течение определенного периода времени при заданной температуре перед охлаждением. Тепла от горячего наполненного продукта должно быть достаточно, чтобы нагреть контейнер и уничтожить микроорганизмы (Black & Barach, 2015).
В отличие от процессов пастеризации и выдержки в горячем виде, при которых выживаемость термостойких непатогенных микроорганизмов является приемлемой, для инактивации большинства термостойких микроорганизмов используется более жесткая термическая обработка, называемая стерилизацией (Safefood 360, 2014).
Температура стерилизации выше 100°C, обычно варьирующаяся от 110°C до 121°C в зависимости от типа продукта, должна быть достигнута внутри продукта, а затем храниться в течение определенного периода времени (Safefood 360, 2014). Поскольку стерилизация — это интенсивная термическая обработка, она необходима для продуктов с низким содержанием кислоты, чтобы обеспечить коммерческую стерильность. Коммерческая стерильность продуктов с низким содержанием кислоты может быть достигнута путем стерилизации в потоке или в упаковке.
Стерилизацию в потоке обычно называют асептическим процессом, в то время как стерилизацию в упаковке называют автоклавным процессом (Kumar & Sandeep, 2014). Концепция асептического процесса заключается в объединении коммерчески стерильного пищевого продукта и коммерчески стерильного контейнера, которые стерилизуются отдельно и герметично закрываются в стерильной среде для получения коммерчески стерильного готового продукта (Black & Barach, 2015).
Пищевой продукт, такой как фруктовый сок или суп, нагревают и выдерживают в течение определенного периода времени в пробирке для выдерживания, затем охлаждают и упаковывают в стерильный контейнер. Поскольку пищевой продукт нагревается вне упаковки, высокие температуры, применяемые в асептическом процессе лишь в течение короткого периода времени, позволяют получить продукт высокого качества с точки зрения питательных веществ, вкуса, цвета или текстуры по сравнению с продуктом, получаемым при обычном консервировании (Kumar & Sandeep, 2014).
Однако обычно упоминаются такие ограничения асептического процесса, как большие капиталовложения, применимость к ограниченному ассортименту продуктов, требование относительной однородности жидкости и необходимость в сложном оборудовании (Featherstone, 2015a). Другим процессом, который также позволяет достичь коммерческой стерильности, когда пищевые продукты перед стерилизацией расфасовываются по контейнерам, является ретортная обработка.
Традиционная стерилизация включает в себя розлив продукта в ретортируемые контейнеры и их герметичную закупорку с последующим нагревом, выдерживанием и охлаждением в автоклаве (Kumar & Sandeep, 2014). Для достижения температуры выше 100°C термообработка должна проводиться под давлением в автоклаве. Поскольку процесс стерилизации может использоваться с различными пищевыми продуктами и контейнерами, он требует широкого спектра технологических приемов, конструкций автоклавов и рабочих процедур (Rahman, 2007).
Процесс стерилизации в автоклаве
Существует множество различных автоклавных систем, используемых для обработки стерильных пищевых продуктов, расфасованных в герметичные контейнеры. Общие характеристики современных автоклавных систем требуют повышения давления в системе для достижения более высоких температур, чем температура кипящей воды, и использования теплоносителя, такого как насыщенный пар, паровоздушные смеси и вода, для передачи тепла продукту (Black & Barach, 2015). В дополнение к тому, что пар достигает более высоких температур, система наддува автоклавных систем обычно используется для предотвращения разрыва контейнера наружу из-за повышения внутреннего давления. Это также известно как избыточное давление и позволяет обрабатывать широкий спектр емкостей, включая стекло, жесткие пластмассы и гибкие пакеты (Kumar & Sandeep, 2014).
Фактически, пакеты можно обрабатывать насыщенным паром без использования избыточного давления во время цикла нагрева и выдержки, также называемого стадией стерилизации, при условии надлежащего контроля изменений давления внутри автоклава и свободного пространства в контейнерах для минимизации расширения воздуха внутри контейнеров. Однако во время цикла охлаждения, как правило, требуется избыточное давление, поскольку наиболее критический перепад давления в контейнере возникает в начале цикла охлаждения (Featherstone, 2015b).
С точки зрения безопасности пищевых продуктов, было бы идеально подвергнуть их интенсивной тепловой обработке, чтобы исключить риск появления выживших микроорганизмов. Однако большинство пищевых продуктов нельзя подвергать такому интенсивному нагреванию без ухудшения их вкусовых качеств или потери питательной ценности. Чтобы соблюсти оба аспекта, необходимо разработать оптимальный технологический процесс, обеспечивающий достаточную интенсивность тепловой стерилизации, чтобы продукты соответствовали условиям коммерческой стерильности, и как можно более умеренную температуру по соображениям качества продукции (Safefood 360, 2014).
В дополнение к термической обработке, во многих публикациях отмечается превосходное качество продукта, которое может быть достигнуто за счет сокращения времени обработки. Однако, для максимального сохранения органолептических свойств и питательных веществ в пищевом продукте предлагается использовать более высокие температуры и, следовательно, более короткое время обработки (Rahman, 2007).
Сокращение продолжительности технологического процесса с последующим быстрым охлаждением не только повышает качество пищевых продуктов, но и сокращает общее время, необходимое для каждого цикла обработки, и обеспечивает эффективное использование автоклавов (Featherstone, 2015).
Периодические и непрерывные автоклавы
Автоклавы могут работать как в периодическом, так и в непрерывном режиме. Автоклав периодического действия считается универсальной системой стерилизации благодаря своей способности обрабатывать различные пищевые продукты и типы упаковок. В частности, автоклавы периодического действия можно разделить на неподвижные (или статические) и перемешивающие (вращающиеся или колеблющиеся).
Для обработки пищевых продуктов в неподвижных автоклавах используется сосуд высокого давления без перемешивания, в то время как вращающиеся и колеблющиеся автоклавы обеспечивают перемешивание продукта во время обработки, что способствует более быстрому нагреву. Кроме того, автоклавы периодического действия могут быть дополнительно классифицированы.
Что касается перегонных кубов, то контейнеры можно загружать в резервуар высокого давления или выгружать из него с помощью стеллажей, ящиков, тележек, корзин или лотков. Неподвижные автоклавы, которые загружаются ящиками рядом друг с другом, называются горизонтальными автоклавами, в то время как неподвижные автоклавы, которые загружаются ящиками, уложенными друг на друга, называются вертикальными автоклавами. Однако существуют некоторые модели перегонных кубов, которые могут эксплуатироваться без использования систем поддержки контейнеров, которые называются автоклавами без ящиков (Black & Barach, 2015).
Очевидно, что термический процесс периодического действия не является энергоэффективным методом обработки из-за затрат энергии на нагрев и охлаждение автоклава для каждой партии пищевых продуктов. Непрерывная обработка пищевых продуктов является более предпочтительным методом, когда перерабатывается большое количество продуктов (Featherstone, 2015).
Непрерывные автоклавы, помимо повышения энергоэффективности, помогают увеличить производительность и снизить затраты на рабочую силу. Автоклавы непрерывного действия можно разделить на гидростатические (или статические) и вращающиеся (или перемешивающие) (Kumar & Sandeep, 2014).
Гидростатические автоклавы
Термообработка в гидростатических автоклавах происходит в технологической камере, в которой поддерживается повышенная температура и давление. Поскольку в технологической камере нет дверей или клапанов, отделяющих ее от атмосферы, давление поддерживается и уравновешивается весом воды на входе и выходе. Таким образом, максимальная температура процесса в гидростатических автоклавах ограничена максимальной высотой бортов с водой (Black & Barach, 2015).
В отличие от гидростатических автоклавов, где требуется широкое использование вертикального пространства, вращающиеся автоклавы непрерывного действия обеспечивают перемешивание продукта и перемещение контейнеров с помощью спиральной направляющей на внутренней окружности по всей длине горизонтальной цилиндрической камеры автоклава. Несмотря на преимущества непрерывных вращающихся автоклавов, для этой системы обычно требуется цилиндрический контейнер с ограниченным изменением диаметра и высоты для каждого применения. Это связано с недостаточной гибкостью при обработке контейнеров с использованием спиральной колеи (Sun, 2012).
В дополнение к способу подачи продукта и перемешивания, другая система классификации автоклавного процесса включает в себя тип используемой теплоносителя. Пар является наиболее распространенным теплоносителем для термической обработки. Даже когда в качестве теплоносителя используется вода, для нагрева воды обычно используется пар (Black & Barach, 2015).
Для стерилизации пищевых продуктов обычно используются четыре процесса на основе пара: насыщенный пар, погружение в воду, распыление воды (включая каскадную подачу воды) и паровоздушный процесс. Поскольку не существует способа стерилизации, подходящего для всех областей применения, необходимо выбрать оптимальный способ стерилизации для конкретного продукта и контейнера (Williams, 2018).
Паровая стерилизация
В автоклавах с насыщенным паром используется чистый насыщенный пар для непосредственного нагрева контейнеров. Чистый насыщенный пар — это пар, не содержащий воздуха, других неконденсирующихся газов и летучих веществ, кроме пара, избыточного конденсата или растворенных веществ (Featherstone, 2015).
Когда насыщенный водяной пар конденсируется снаружи емкости, скрытое тепло передается пищевому продукту. Если внутри автоклава находится воздух, он образует защитную пленку вокруг емкостей, которая препятствует конденсации пара и приводит к неполной переработке продукта. Этот захваченный воздух также создает в автоклаве более низкую температуру, чем при использовании чистого насыщенного пара. Поэтому важно удалить весь воздух из реторты с помощью поступающего пара, что называется вентиляцией (Rahman, 2007). Благодаря такой процедуре вентиляции автоклав с насыщенным паром относится к числу систем, использующих большое количество пара при переработке (Williams, 2018).
Хотя автоклавы с насыщенным паром не являются энергоэффективными, они способны обрабатывать большинство консервированных продуктов. Кроме того, этот процесс требует небольших капиталовложений, поскольку нет необходимости использовать избыточное давление, если только не обрабатывается тара, отличная от банок. Если в автоклавах с насыщенным паром используется избыточное давление, его можно использовать только на стадии охлаждения, поскольку доступ воздуха в емкость на этапе стерилизации запрещен (Williams, 2018).
После завершения процесса стерилизации контейнеры охлаждаются водой, что приводит к быстрому снижению температуры в автоклаве. На этом этапе продукты охлаждаются медленнее, чем внутри автоклава, и давление внутри контейнеров остается высоким. В этом случае при обработке хрупких контейнеров, таких как стекло, жесткие пластмассы и гибкие пакеты, требуется избыточное давление, чтобы предотвратить разрыв контейнеров внутренним давлением (Kumar & Sandeep, 2014; Rahman, 2007).
Автоклав для стерилизации в воде
Автоклав для погружения в воду аналогичен автоклаву с насыщенным паром в том смысле, что продукт полностью изолирован от любого воздействия охлаждающего воздуха, поскольку продукт в автоклаве для погружения в воду полностью погружен в воду. В отличие от автоклавов с насыщенным паром, в которых воздух не может подаваться в емкость во время стерилизации, в процессе погружения в воду используется избыточное давление на поверхности воды для повышения давления в технологической нагрузке, что позволяет использовать автоклав для работы с самыми хрупкими контейнерами (Williams, 2018). Однако скорость передачи тепла от воды к продукту значительно ниже, чем от пара к продукту, что приводит к увеличению общего времени, необходимого для каждого цикла обработки (Featherstone, 2015).
Автоклав с водяным распылением
Автоклав с водяным распылением — это автоклав, в которой в качестве теплоносителя используется горячая вода под давлением. Для нагрева продукта через распылительные форсунки, расположенные сверху и по бокам автоклава, на продукт подается контролируемое количество технологической воды (Featherstone, 2015).
Автоклав для распыления воды
Автоклав для распыления воды — это также система с избыточным давлением, которая может использоваться для обработки самых разных типов емкостей, таких как автоклав для погружения в воду, но при этом контейнеры непосредственно подвергаются воздействию воздуха с избыточным давлением. Этот процесс стал одним из самых популярных типов автоклавов благодаря своей высокой гибкости и низкой стоимости оборудования по сравнению с другими типами автоклавов с избыточным давлением. Кроме того, автоклав для распыления воды является энергоэффективной системой, если она оснащена резервуаром для хранения, поскольку стерилизующая и охлаждающая вода может быть повторно использована без химической обработки для следующего технологического процесса (Williams, 2018).
Автоклав с каскадной подачей воды
Автоклав с каскадной подачей воды похожа на автоклав с водяным распылением, в которой контролируемое количество технологической воды забирается со дна автоклава насосом большой производительности и распределяется по продукту. Однако в реторте с каскадной подачей воды технологическая вода распределяется через коллектор или перфорированную пластину в верхней части втоклава вместо использования распылительных форсунок (Featherstone, 2015).
Паровоздушная стерилизация
Паровоздушный процесс использует пар в качестве единственного теплоносителя. Однако воздух подается вместе с паром для создания избыточного давления в автоклаве, что повышает его способность обрабатывать большинство типов емкостей. Большой вентилятор используется в качестве движущей силы для смешивания пара с воздухом, чтобы предотвратить образование холодных пятен в автоклаве. Этот вентилятор также помогает увеличить скорость теплопередачи за счет создания принудительной конвекции, что приводит к повышению энергоэффективности процесса.