Пастеризация и стерилизация

Пастеризация и стерилизация — это классификация термических процессов, применяемых к пищевым продуктам в качестве методов консервации. Пастеризация уничтожает патогенные микроорганизмы, инактивирует ферменты и снижает порчу, в результате чего микроорганизмы продлевают срок хранения продукта от нескольких дней до недель.

Пастеризация определяется как мягкая термическая обработка, при которой продукты нагреваются до температуры 212°F или ниже и выдерживаются в течение установленного времени (Fellows, 2009b). Основная цель пастеризации — увеличить срок хранения продукта, обеспечивая необходимую сохранность и одновременно минимизируя потери питательных веществ за счет предотвращения термического разложения. Общие методы пастеризации продуктов включают процессы горячего розлива и хранения, а также процессы в контейнерах (Fellows, 2009b). В процессе горячего наполнения пища пастеризуется перед помещением в контейнер, и предполагается, что температура горячей пищи также пастеризует контейнер.

Пища, которая обычно представляет собой жидкость, нагревается либо в теплообменнике периодического действия, либо в теплообменнике непрерывного действия. После того, как продукт разлит в контейнеры, его немедленно запечатывают или укупоривают, прежде чем продукт охладится. Процесс горячего наполнения требует короткого времени выдержки при высокой температуре, поэтому поверхности внутреннего контейнера пастеризуются (Fellows, 2009b). Температура, используемая для горячего розлива, составляет около 180–210 °F, а температура для конкретного продукта зависит от pH и времени выдержки. Температуры процесса горячего заполнения достаточны для уничтожения жизнеспособных вегетативных форм микроорганизмов, но не термостойких спор. Пастеризация в контейнере предполагает применение термического процесса к пище после того, как продукт запечатан в контейнере.

Для пастеризации в контейнере может использоваться такое оборудование, как паровые автоклавы, паровые туннели под давлением, бани с горячей водой и распылители горячей воды. Термический процесс может применяться непрерывно, когда пищевые продукты в контейнерах перемещаются по конвейерам через пастеризационные туннели с секциями нагрева, выдерживания и охлаждения (Fellows, 2009b).

Стерилизация — это термический процесс, при котором продукты нагреваются при температуре выше 212°F и в течение длительного времени для инактивации и уничтожения вегетативных микробных клеток, спор и ферментов. Такая термическая обработка используется для снижения опасности для здоровья населения, связанной с патогенными микроорганизмами, и продления срока хранения LACF (Fellows, 2009c). Стерилизация дает продуктам срок хранения не менее полугода, а то и до нескольких лет. Стерилизация пищевых продуктов может происходить в контейнере или отдельно от контейнера, например, при асептических процессах.

Стерилизацию в контейнере также называют автоклавированием, варкой или стерилизацией. Пищевой продукт запечатывают в контейнер, а затем к продукту и контейнеру подвергают суровую термическую обработку. Стерилизация может проводиться периодически или непрерывно. Автоклавы — это машины, используемые для повышения внутренней температуры контейнеров до 250°F. Автоклавы представляют собой большие сосуды под давлением, которые позволяют температурам внутри сосуда и пищевого контейнера достигать температуры выше кипения (Fellows, 2009c).

Автоклавы описываются как большие скороварки. При асептической стерилизации продукта пищевой продукт и контейнер стерилизуются отдельно и объединяются в стерильной среде (Durance, 1997; Fellows, 2009c). При стерилизации используется суровая термическая обработка, которая может изменить вкусовые и питательные качества продукта. Ущерб этим характеристикам пищевых продуктов можно свести к минимуму за счет сокращения времени обработки или изменения рецептуры продуктов. Несколько способов сокращения или изменения времени обработки включают изменение геометрии и формы контейнера, использование гибких упаковочных материалов, таких как пакеты или лотки, применение автоклава и подкисление продуктов (Fellows, 2009c).

Движение автоклава

Автоклавы представляют собой сосуды под давлением, в которых происходит стерилизация внутри контейнера. Существует несколько типов сосудов и режимов нагрева для стерилизации пищевых продуктов. Автоклавы можно разделить на категории по типу движения: перемешивающие или статические. Показаны различные возможные типы движения автоклава. Статические автоклавы обрабатывают контейнеры внутри сосуда без дополнительного перемещения контейнеров. Этот процесс можно использовать как в автоклаве периодического действия, так и в автоклаве непрерывного действия.

В статическом автоклаве продукт находится в фиксированном положении, в то время как теплоноситель подается вокруг упаковок внутри сосуда. По данным FDA, гидростатические автоклавы классифицируются как автоклавы с неподвижным паром непрерывного действия. Однако, несмотря на то, что упаковки непрерывно перемещаются через камеру, сокращение времени обработки при использовании этого движения не дает никаких преимуществ (21 CFR 113, 2018). Контейнеры в гидростатических автоклавах транспортируются цепным транспортером через водяной патрубок в паровую камеру и затем выходят через водяной патрубок. Высота водяных опор регулирует давление и температуру в паровой камере, как показано на рисунке 5 (Walden & Emanuel, 2010).

Компании, использующие автоклавы, могут выбрать автоклав периодического или непрерывного действия. Автоклавы периодического действия работают на ограниченном размере партии (партии). Автоклавы непрерывного действия бывают гидростатическими или ротационными. Банки поступают в стерилизационную камеру необработанными и транспортируются через любую систему для производства коммерчески стерильного продукта. Автоклавы непрерывного действия используются для крупносерийного производства ограниченного количества упаковок.

При пакетном режиме контейнеры загружаются в автоклав, обрабатываются, а затем удаляются. В отличие от автоклавов непрерывного действия, здесь нет непрерывного ввода и вывода через технологический резервуар (Walden & Emanuel, 2010). Автоклавы с перемешиванием представляют собой сосуды периодического или непрерывного действия, в которых к упаковке прилагается движение, которое увеличивает скорость проникновения тепла в упаковку и улучшает условия обработки. Дополнительное движение сокращает время обработки, пригорание и переваривание, а также может улучшить текстуру, а также увеличить сохранение питательных веществ в продукте.

Перемешивающие автоклавы можно разделить на три категории прилагаемого движения: вращательное, возвратно-поступательное и колебательное (Rattan & Ramaswamy, 2014). Обработка вращательного движения перемещает контейнеры либо в вертикальном направлении, либо в осевом, либо в двухосном направлении (БЕРРИ и КОНХОРСТ, 1983). Перевернутое и осевое вращение производят в автоклавах периодического действия.

Контейнеры ориентируются вертикально или горизонтально, а затем вращаются в одном непрерывном направлении. Двухосное вращение обычно представляет собой непрерывный процесс, при котором банки вращаются штопором по длине корпуса автоклавы на барабанах и проходят через замки в нагревательные и охлаждающие корпуса (MENG & RAMASWAMY, 2006). Когда банки спускаются по спирали, происходит их перекатывание, что способствует проникновению тепла в продукт. Однако банки обычно остаются неподвижными, перемещаясь по восходящим частям спирали. Этот тип автоклавов называется катушечным и спиральным автоклавом. Движение обычно используется для продуктов, требующих некоторого перемешивания во время обработки, таких как супы и готовые к употреблению блюда. Общим свойством этих типов продуктов является то, что продукт может перемещаться внутри упаковки из-за вязкости пищевого продукта. Примерно пятьдесят процентов всей продукции из автоклавированных металлических банок перерабатывается в барабанных и спиральных автоклавных системах (Fellows, 2009c).

В возвратно-поступательных автоклавах используется движение вперед и назад для перемешивания контейнера, что способствует более быстрому нагреву. Автоклавы с возвратно-поступательным перемешиванием можно разделить на процессы Shaka® и Gentle Motion®. Процесс Gentle Motion® может выполняться со скоростью 5–60 движений в минуту или с частотой 0–1 Гц (А. Сингх, Пратап Сингх и Рамасвами, 2016). Процесс Shaka® может выполнять более 100 двойных движений в минуту, 1,5- 3 Гц, что может создать на изделии силу 2–3 g (А. Сингх и др., 2016). Поскольку технология все еще относительно новая, сокращение времени обработки при использовании процесса ® или процесса Gentle Motion® было зарегистрировано только для банок (A. Singh et al., 2016).

Вибрирующие автоклавы используют движение из стороны в сторону для обеспечения перемешивания контейнеров внутри корпуса. Колебательное движение раскачивает корзины автоклава под заданным углом к каждой стороне корпуса автоклава. Угол можно регулировать, а также частоту покачивания. Все контейнеры на каждой стойке имеют одинаковый угол качания и одинаковый процесс. Во время колебательного движения можно применять удержание при максимальном значении каждого угла. Это время выдержки может позволить продукту двигаться под действием силы тяжести и больше перемешиваться внутри контейнера, чтобы увеличить скорость проникновения тепла.

Теплоносители для автоклавов

В автоклавах можно использовать различные нагревательные среды для облегчения передачи тепла к продукту. Наиболее распространенной нагревательной средой является насыщенный пар, но в автоклавах также могут использоваться паровоздушный, водное погружение, водяное распыление и водяной каскад. Паровые автоклавы исторически были предпочтительным методом обработки для предприятий пищевой промышленности, использующих металлические банки (A. Singh et al., 2016). Эти автоклавы требуют графика вентиляции в начале процесса для устранения воздушных карманов внутри сосуда. Захваченный воздух в резервуаре может привести к неравномерному нагреву внутри резервуара и продукта (Walden & Emanuel, 2010). Пар закачивается в автоклав для повышения давления и температуры внутри автоклава для достижения условий обработки. Многие конденсационные паровые автоклавные установки были заменены новыми системами, создающими избыточное давление, что обеспечивает гибкость выбора типа обрабатываемой упаковки (Fellows, 2009c).

К некоторым процессам автоклавы можно добавить избыточное давление, поскольку для достижения желаемой температуры в автоклаве требуется дополнительный воздух или пар сверх давления в резервуаре. Кроме того, избыточное давление используется при обработке полужестких и гибких контейнеров для сохранения их общей целостности и предотвращения разрыва контейнера из-за повышения внутреннего давления. Давление внутри упаковки повышается при автоклавировании при высоких температурах. В случае жестких упаковок сама упаковка способна выдержать нарастающее давление. Однако при обработке полужестких или гибких контейнеров контейнеры недостаточно прочны, чтобы выдерживать возникающее давление внутри упаковки, и им требуется дополнительное давление в автоклавном сосуде, чтобы сохранить их целостность и предотвратить взрыв (Fellows, 2009c).

Можно обрабатывать гибкие упаковки насыщенным паром без использования избыточного давления во время циклов нагрева и выдержки, если контролировать изменения давления и минимизировать свободное пространство в контейнере. Однако во время цикла охлаждения обычно требуется избыточное давление, поскольку наиболее критический перепад давления в контейнере возникает в начале цикла охлаждения (Featherstone, 2015b). В паровоздушном автоклаве в качестве технологической среды используется смесь пара и воздуха в автоклавном резервуаре. Паровоздушная смесь позволяет создавать избыточное давление и в автоклавной системе. Паровоздушные смеси как теплоноситель ведут себя скорее как вода, чем насыщенный пар. Поскольку пар конденсируется на упаковке и отдает тепло, воздух остается, поэтому крайне важно найти способ непрерывного смешивания воздуха и пара, чтобы предотвратить образование карманов в автоклаве (Fellows, 2009c).

Воздушные карманы в паровоздушном автоклаве могут привести к недостаточной обработке некоторых продуктов, поскольку воздух является изолятором. Обычно для быстрого перемешивания паровоздушной смеси и принудительного прохождения смеси через автоклав используется большой вентилятор. Соотношение пара и воздуха является критическим фактором для температуры и избыточного давления автоклава. По данным FDA, паровоздушные автоклавы обычно работают при соотношении пара и воздуха в диапазоне от 75% пара/25% воздуха до 95% пара/5% воздуха в зависимости от желаемого избыточного давления (21 CFR 113, 2018). Автоклавы полного погружения в воду используют воду в качестве среды для передачи тепла продукту. Воду можно предварительно нагреть и хранить в отдельном резервуаре для более быстрого нагрева технологического резервуара, или воду можно нагревать с помощью теплообменника во время ее перекачки в автоклавный резервуар. В обоих этих сценариях вода дополнительно нагревается внутри резервуара до температуры обработки.

Избыточное давление может быть добавлено в технологический резервуар с помощью дополнительного пара или сжатого воздуха. По достижении желаемого времени процесса в технологический резервуар впрыскивается охлаждающая вода, чтобы начать фазу охлаждения. Полное погружение в воду обеспечивает плавучесть упаковок, что позволяет обрабатывать стеклянные упаковки на более высоких скоростях вращения (BERRY & KOHNHORST, 1983; Fennema et al., 1996). В автоклавах с распылением воды используются форсунки на внутренней оболочке автоклава для распределения технологической воды по упаковкам.

Воду можно повторно использовать, так что она постоянно повторно используется в процессе, а охлаждающая вода остается стерильной при нагревании до температуры автоклава. Избыточное давление можно создать в автоклавах для распыления воды с помощью пара. Это позволяет водораспылительным автоклавам обрабатывать гибкие и полужесткие упаковки. Автоклавы с водяным каскадом аналогичны распылению воды, за исключением того, что технологическая вода подается сверху резервуара, откуда она затем стекает вниз на стойки внутри автоклава (BERRY & KOHNHORST, 1983).

Испытание на проникновение тепла

Чтобы подтвердить, что внутренняя температура продукта достигла правильного сочетания времени и температуры, на всех LACF необходимо провести испытание на проникновение тепла. Испытание на проникновение тепла определяется как «исследования, проводимые для определения и установления запланированного процесса». Исследования проникновения тепла обычно проводятся в «наихудших» условиях для продукта, упаковки, местоположения и параметров автоклава». (БЕРРИ и КОНХОРСТ, 1983). Скорость проникновения тепла в самое холодное место продукта в контейнере является основой запланированного процесса, созданного руководителем процесса.

Термопара, которая представляет собой устройство для измерения температуры, помещается внутри продукта внутри контейнера в самой медленной точке нагрева или «холодной точке». Предполагается, что все остальные места внутри контейнера получают по крайней мере ту же комбинацию времени и температуры, что и самая медленная точка нагрева, и, следовательно, весь контейнер обработан должным образом. Скорость проникновения тепла в продукт зависит от физических и химических свойств продукта, а также от профиля контейнера и количества захваченного воздуха. Более вязкие продукты имеют более медленную скорость проникновения тепла, чем менее вязкие продукты, а более крупные частицы нагреваются медленнее, чем более мелкие частицы. (Ансар Али, Судхир и Шриниваса Гопал, 2006).

Возможность увеличить скорость проникновения тепла в пищу в контейнере может повысить качество продукции, а также сократить время обработки, тем самым сэкономив время и деньги компании. Испытание на проникновение тепла требуется для всех новых рецептур, контейнеров и автоклавов LACF. Запланированный процесс испытания на проникновение тепла должен отражать фактические условия обработки в автоклавном сосуде, который будет использоваться для коммерческого производства. Критические факторы регистрируются на основе конкретного сочетания продукта, контейнера и автоклавы.

Критическими факторами являются особые свойства пищевых продуктов и контейнеров, влияющие на скорость проникновения тепла, что является предсказуемой потенциальной проблемой при производстве. Включение критических факторов в испытания на проникновение тепла добавляет буфер безопасности к официальному запланированному процессу. Все запланированные процессы основаны на наихудших сценариях для конкретного продукта и упаковки (Ансар Али и др., 2006). Институт специалистов по термической обработке имеет протокол проведения испытаний на проникновение тепла, включающий информацию о том, что документировать и какое оборудование имеется в промышленности (BERRY & KOHNHORST, 1983).

Технологические расчеты

Данные о времени и температуре, собранные в ходе испытаний на проникновение тепла, можно использовать для расчета запланированного процесса и значения F, которое необходимо установить для этого процесса. Существует два метода, которые используются для расчета запланированного процесса для конкретного продукта в определенном контейнере в конкретном автоклаве: общий метод и метод шара. Оба метода рассчитывают время процесса; однако метод мяча более распространен. Общий метод был разработан Бигелоу и др. (Бигелоу, В.Д., Бохарт, Г.С., Ричардсон, А.К., Болл, К.О., Национальная ассоциация консервных заводов, Исследовательские лаборатории, 1920). и позволяет рассчитать значение F на основе данных, собранных в ходе исследования проникновения тепла. При использовании общего метода для организации процесса рассчитанные значения F применимы только к условиям исследования теплопроницаемости и не могут быть перенесены на другие потенциальные условия автоклава.

Если в запланированном процессе, созданном с помощью общего метода, возникают отклонения, необходимо провести дальнейшие испытания в конкретных условиях, чтобы убедиться, что продукт был полностью обработан. Этот ограничивающий фактор для общего метода является причиной того, что он не часто используется в пищевой промышленности. Метод Болла, первоначально опубликованный доктором К. Оуэном Боллом (Ball, 1928; Ball, 1923), рассчитывает значения F для продуктов, но также учитывает индекс скорости нагрева (fh) и коэффициент задержки (jch), характерные для как продукт нагревается внутри контейнера. Эти коэффициенты нагрева и запаздывания используются вместе с данными о проникновении тепла, желаемым значением Fo, температурой автоклава (TRT) и начальной температурой продукта (TIT) для расчета общего времени процесса (Bb) (BINDU & SRINIVASA ГОПАЛ, 2008). Формула 1 рассчитывает Bb с использованием fh, jch, TRT, TIT и g, которые представляют собой количество градусов, на которое точка самого медленного нагрева в контейнере находится ниже температуры автоклава в конце нагрева. (Авуа, Рамасвами и Экономидес, 2007; Дюранс, 1997).

Метод Шара делает несколько основных допущений при расчете запланированного процесса. Во-первых, метод Шара предполагает, что скорость нагрева (fh) равна скорости охлаждения (fc). Во-вторых, предполагается, что после начала процесса охлаждения продукт не нагревается и что коэффициент задержки охлаждения постоянно равен 1,41. Наконец, метод Шара включает предполагаемую 42-процентную поправку времени подъема при расчете коэффициента задержки нагрева (jh) (BINDU & SRINIVASA GOPAL, 2008). В настоящее время метод Шара используется в пищевой промышленности для расчета тепловых процессов с использованием автоматизированного программного обеспечения, такого как CALsoft™ (TechniCAL, Metairie, LA). Допущения, используемые в методе Шара, допускают некоторую гибкость в применении расчетов, но также приводят к очень консервативным расчетам.

Существуют другие программы и методы, помогающие рассчитать и определить запланированный процесс. NumeriCAL® (JBT FoodTech, Чикаго, Иллинойс) — это альтернативное программное обеспечение CALSoft™, которое использует передовые математические модели и физику теплопередачи. Использование физики теплопередачи и передовых моделей позволяет технологическому органу определять переменные профили подъема и охлаждения для разработки более жесткого графика (Fellows, 2009c). И метод Шара, и общий метод используются для расчета общего времени процесса, запланированных процессов и значений F на основе комбинации продукта, упаковки и автоклавы «наихудшего случая». При оценке скорости проникновения тепла в пищевые продукты можно использовать переменную fh из метода Шара. Однако, поскольку это основано на «наихудших» ситуациях и запланированных процессах, значение fh неточно отражает существенные различия между различными скоростями проникновения тепла (Fellows, 2009c).

В исследованиях, представленных в этой статье, скорость проникновения тепла статистически анализируется путем расчета скорости проникновения тепла для продукта и преобразования ее в Rho вместо использования fh. Rho — это численное представление скорости проникновения тепла для одной конкретной упаковки. Значения Rho можно усреднить по нескольким запускам автоклава, в то время как значение fh будет учитывать только «наихудший случай» для каждого запуска автоклава и не будет точно отражать среднюю скорость профиля нагрева каждого контейнера в каждом запуске автоклава. Все анализы проводились с помощью программного обеспечения SAS® (Институт SAS, Кэри, Северная Каролина) с использованием уровня значимости 0,05 для проверки гипотез. Статистический анализ проводился по среднему наклону нагрева с использованием смешанной модели ANOVA и функции PROC MIXED в SAS® (Институт SAS, Кэри, Северная Каролина). Для аппроксимации кривых каждого повтора использовалась асимметричная логистическая функция из Тревино (Тревино, 2009).