Автоклавная обработка — это технология консервирования пищевых продуктов, направленная на решение проблемы коммерческой стерильности пищевых продуктов, вызванной Clostridium botulinum, для получения микробиологически безопасных и стабильных продуктов при нагревании. Цель данного обзора — изучить историю производства стерилизованных продуктов, начиная с их раннего использования в одноразовых консервах и заканчивая современными применениями в различных типах емкостей и нагревательных сред. Кроме того, будет рассмотрена адаптивность автоклавного оборудования, в том числе его способность работать в стационарном режиме и в различных режимах перемешивания, а также гибкость в скорости обработки как для единичных, так и для непрерывных операций.
Вступление
Загрязнение пищевых продуктов микроорганизмами является серьезной проблемой общественного здравоохранения, поскольку грибы вызывают порчу и бактериальные заболевания пищевого происхождения (Clark et al., 2014). Споры, такие как Clostridium thermosaccolyaticum, Bacillus spp. и Clostridium botulinum, также могут представлять опасность для здоровья, поскольку они часто обладают высокой термостойкостью и размножаются в анаэробных условиях (Awuah, Ramaswamy, & Economides, 2007). Болезни пищевого происхождения ежегодно поражают миллиарды людей и ложатся значительным бременем на общественное здравоохранение во всем мире (Seboka et al., 2023). Чтобы предотвратить это, крайне важно внедрять такие процедуры, как стерилизация и пастеризация, гарантирующие безопасность пищевых продуктов.
Термическая обработка является широко используемым методом консервирования пищевых продуктов и в последние годы вызывает все больший интерес в связи со спросом на высококачественные продукты длительного хранения (Singh et al., 2018). Термическая обработка — это широко используемая технология термической обработки в пищевой промышленности, поскольку это безопасный, не содержащий химикатов и экономичный метод получения ароматов и вкусовых добавок при приготовлении блюд и продлении срока их хранения. Основной целью термической обработки является уничтожение опасных загрязнений, включая C. botulinum, которые также могут быть предотвращены в пищевых продуктах путем контроля уровня рН (≤4,6) и активности воды (≤0,85). Стерилизация необходима для обеспечения отсутствия бактерий в бытовых условиях, но в коммерческих целях воздействие экстремальных температур значительно снижает качество продуктов питания.
Вместо этого пищевые продукты обрабатываются с помощью процесса, известного как “коммерческая стерильность” (Awuah, Ramaswamy, & Economides, 2007). История термической обработки началась в начале 19 века, когда Апперт разработал технологию консервирования, а спустя годы Питер Дюран усовершенствовал ее, изобретя жестяную банку. Статические автоклавы, нагреваемые паром в качестве среды, уже давно используются в промышленных целях, и были созданы новые варианты, такие как водяные, паровые, воздушные, водяные каскады и системы распыления воды. Усовершенствования в процессе термической обработки в автоклаве включают перемешивание и изменение скорости обработки (Tucker & Featherstone, 2021). Были проведены многочисленные исследования с целью определения оптимальных методов использования автоклавов для различных пищевых продуктов. В этом обзоре будут рассмотрены методы и технологии, относящиеся к процессу автоклавирования.
Обработка автоклавами
Промышленный метод стерилизации предполагает использование тепла для повышения температуры контейнеров в закрытом сосуде, известном как реторта или автоклав; принципы показаны на рисунке 1. Упакованные пищевые продукты, подвергнутые промышленной стерилизации, могут храниться в герметичных контейнерах при комнатной температуре до 2 лет (Featherstone, 2015). Процедура стерилизации включает в себя трехэтапный цикл (рис. 2). Первая стадия, CUT (время разогрева), — это время, необходимое для того, чтобы теплоноситель с высокой скоростью подачи достиг температуры в автоклаве 240-250°F (приблизительно 115-121°C) и требуемого давления на 15-20 фунтов на квадратный дюйм (приблизительно на 1-1,4 бара) выше атмосферного. На второй стадии, Pt (стадия выдержки или варки), в автоклаве поддерживаются температура и давление, гарантирующие летальный исход; это зависит от целевого микроорганизма или предполагаемого микробиологического заражения. На третьем этапе, CDT (время остывания), добавляется охлаждающая вода для дальнейшего снижения температуры. Чрезмерной тепловой обработки продуктов можно избежать, охладив их, что также предотвращает развитие термофильных микроорганизмов. Однако в процессе охлаждения пакеты для автоклавов могут лопнуть. Этого можно избежать, если во время процесса охлаждения подавать воздух под избыточным давлением, что помогает сохранить целостность упаковки и избежать деформации контейнера (Mosna & Vignali, 2015).
Скорость обработки в автоклаве
Классификация автоклавов может быть как периодической, так и непрерывной (как показано на технологической схеме 1). Выбор типа используемого автоклава зависит от различных факторов, включая тип и размер обрабатываемых емкостей и количество продукта. Как правило, малым и средним предприятиям может потребоваться помощь, чтобы оправдать затраты на непрерывный автоклав, в то время как крупные консервные заводы с более высокими объемами производства могут счесть ее более рентабельной.
Партия
Традиционным методом стерилизации консервов в паровых автоклавах на протяжении последних 75 лет был периодический процесс (Alonso et al., 1993). Продукт помещают в автоклав и подвергают термической обработке с перерывом во времени между циклами обработки. Автоклавы периодического действия могут быть неподвижными или перемешиваемыми и могут быть горизонтальными или вертикальными. Как правило, они оснащены манометром, термометром и системами автоматического управления.
Автоклавы периодического действия могут быть адаптированы к таким контейнерам, как банки, эластичные пакеты и другие емкости, при незначительном изменении условий обработки. Однако автоклавы периодического действия имеют некоторые ограничения, такие как пиковая потребность в энергии и рабочей силе, недостаточное использование производственных мощностей и отдельных автоклавов (Peesel et al., 2016). На этапе продувки затрачивается больше всего энергии в первые несколько минут технологического цикла. У крупных производителей, использующих автоклавы, могут возникнуть проблемы с потреблением энергии, поскольку автоклавы должны работать по поэтапному графику, чтобы минимизировать пиковую потребность в энергии. Чтобы оптимизировать энергопотребление и обработку при периодическом производстве, исследователи изучили возможность использования автоклавной обработки с изменяемой во времени температурой (TVRT). Согласно исследованиям, сохранение питательных веществ при постоянной температуре в автоклаве сравнимо с процессом TVRT (Simpson et al., 2006). Однако при использовании процесса TVRT время обработки значительно сокращается. Ящики, используемые при пакетной обработке, также могут повлиять на технологический процесс. В них можно хранить различные продукты, подвергнутые порционному хранению, и они позволяют быстрее заполнять и вынимать их (Teixeira, 2019). Разделители между слоями контейнера должны сводить к минимуму сопротивление потоку, поскольку передача тепла осуществляется за счет сочетания принудительной циркуляции воды и механического перемещения контейнера (Featherstone, 2015). Сепараторы используются для создания разделения между слоями контейнеров, ограничения расширения полужестких и гибких контейнеров и обеспечения опорных и циркуляционных каналов в тонких контейнерах (Llosa Sanz, 2017). Автоклавирование без ящиков — это автоклавирование периодического действия, при котором на заполнение или опорожнение ящиков не требуется времени по сравнению с обычной порционной обработкой, а управление процессом осуществляется автоматически. Емкости сначала наполовину заполняются горячей водой, а банки загружаются сверху. Когда банки загружаются, вода в емкостях служит для них амортизатором. Между термообработкой банок устанавливается пауза (Kou et al., 2019; Teixeira, 2019). Автоклав наполняется паром и выталкивается через дренажную трубу за счет выхода воздуха из оборудования. После этого устройство работает аналогично обычной паровоздушной обработке. Существует два способа извлечения банок из автоклава этого типа. При первом способе уровень воды в канале-подушке должен быть чуть ниже нижней дверцы автоклава. Для банок большего размера рекомендуется опорожнение под водой или под вакуумом. При использовании этого метода помните, что уровень воды в канале для подушек должен поддерживаться выше нижней крышки автоклава (Berk, 2018b).
Непрерывный процесс стерилизации
Процесс непрерывной стерилизации не требует перерывов и имеет ряд преимуществ по сравнению с периодической обработкой, включая экономию затрат, сокращение трудозатрат, энергопотребления и времени простоя оборудования. Это особенно выгодно для производственных линий с большим объемом производства, которые не требуют частой корректировки условий обработки или размеров контейнеров. При традиционном способе консервированные продукты перемещаются по контейнерному конвейеру через автоклав, где они подвергаются воздействию различных температур в зависимости от их положения. Гидростатическая реторта — это еще одна конструкция, используемая для непрерывной обработки в автоклавах. Этот метод заключается в использовании давления пара, которое регулируется высотой водяного столба. Эти автоклавы могут быть различных размеров, и иногда ножки могут быть вынесены за пределы установки для автоклавирования. Гидростатическая автоклав обычно состоит из четырех камер: секции предварительного нагрева воды, секции стерилизации, секции предварительного охлаждения воды и секции охлаждения. Гидростатические реторты могут работать при различных температурах и давлениях, что делает их универсальными термопреобразователями (Chen et al., 2008).
Способы нагрева и перемешивания
Тремя основными процессами автоклавирования являются обработка паром, обливание водой и полное погружение в воду. У каждой из этих категорий есть подкатегории, такие как паровоздушная обработка, распыление пара, распыление воды и полупогружение (Голландия, 2008). В каждом случае используется определенная форма воды, иногда в сочетании с воздухом, для передачи тепловой энергии продукту. Во всех методах автоклавирования используется давление, чтобы повысить температуру кипения воды и обеспечить более высокие температуры.
Некоторые методы, например, с использованием воздуха, также создают избыточное давление для предотвращения деформации контейнера (Mosna & Vignali, 2015). Используемый тип нагрева может влиять на скорость теплопередачи и время обработки. Например, Чжу и др. (2022) обнаружили, что нагревательная среда не оказывает существенного влияния на время обработки, но влияет на скорость теплопередачи. Кроме того, Рамасвами и Грабовски (1999) сообщили, что тип используемой теплоносителя значительно влияет на показатель скорости нагрева образцов тихоокеанского лосося. Эти результаты свидетельствуют о том, что выбор типа теплоносителя имеет решающее значение для повышения эффективности обработки и снижения производственных затрат при сохранении высокого качества консервированных продуктов.
Насыщенный пар
Автоклав с насыщенным паром — это простой тип автоклава, который обычно располагается вертикально и использует пар в качестве теплоносителя. Очень важно удалять воздух на этапе вентиляции, используя метод вентилирования с помощью нагнетаемого пара, чтобы предотвратить образование холодных зон. Было установлено, что использование насыщенного пара при обработке в автоклавах является экономически эффективным и энергосберегающим по сравнению с другими методами нагрева автоклавов с насыщенным паром — это простой тип автоклава, который обычно располагается вертикально пар в качестве теплоносителя. Очень важно удалять воздух на этапе вентиляции, используя метод вентилирования с помощью нагнетаемого пара, чтобы предотвратить образование холодных зон. Было установлено, что использование насыщенного пара при обработке в автоклавах является экономически эффективным и энергосберегающим по сравнению с другими методами нагрева. Однако этот тип автоклавов создает ряд проблем для переработчиков, таких как колебания давления, что затрудняет обработку пакетов, полужестких контейнеров и лотков без деформации упаковки или образования холодных пятен.
Водяной каскад/ разбрызгиватель
Технология каскадной подачи воды представляет собой разновидность непрямого нагрева паром, при котором вода разбрызгивается под давлением на верхние поддоны автоклавных тележек. Этот метод равномерно распределяет тепло по большому объему воды, позволяя теплу проходить через боковые стенки контейнера, когда вода. Технология каскадной подачи воды представляет собой разновидность непрямого нагрева паром, при котором вода разбрызгивается под давлением на верхние поддоны автоклавных тележек. Этот метод равномерно распределяет тепло по большому объему воды, позволяя теплу проходить через боковые стенки контейнера, когда вода проходит через контейнеры. Исследования показали, что опасения по поводу недостаточного разброса температур необоснованны, поскольку изменение летальности при обработке в автоклаве незначительно, а в период варки наблюдаются значительные колебания температуры. Кроме того, распылительные форсунки, расположенные вокруг камеры, могут быть использованы для улучшения процесса автоклавирования, обеспечивая превосходную теплопередачу и быстрый нагрев без использования вентилятора для циркуляции воздуха.
Погружение в воду
Погружение в воду — это широко используемый процесс автоклавирования (Adepoju et al., 2017), при котором вода сначала нагревается, а затем закачивается в автоклав для обработки. Во время обработки упаковка, как правило, полностью погружается в воду, при этом за счет продувки воздухом или паром создается избыточное давление для улучшения теплопередачи. гружение в воду — это широко используемый процесс автоклавирования (Adepoju et al., 2017), при котором вода сначала нагревается, а затем закачивается в автоклав для обработки. Во время обработки упаковка, как правило, полностью погружается в воду, при этом за счет продувки воздухом или паром создается избыточное давление для улучшения теплопередачи.
Однако в некоторых случаях, например, при полупогружении, упаковки погружаются в воду лишь частично (менее чем наполовину). Это может быть выгодно при высоких скоростях вращения, поскольку сепаратор создает меньшую турбулентность (Featherstone, 2015; Holland, 2008). В процессе нагрева вода циркулирует, обеспечивая равномерное распределение тепла по всему автоклаву. Исследователи обнаружили, что расположение продуктов в лотке и высота лотка могут влиять на коэффициенты теплопередачи (Ramaswamy et al., 1991).
Плохая циркуляция может привести к недостаточной теплоотдаче. Управление перемещением упаковок может быть сложной задачей, а пакеты и лотки часто препятствуют этому процессу, увеличивая затраты на изготовление корзин и снижая технологичность. Полупогружение происходит, когда сосуд наполовину заполнен водой, и часть вращения происходит в воде и из нее. Этот метод полезен при высоких скоростях вращения, поскольку сепаратор создает меньшую турбулентность. Такие производители, как Stock Inc., FMC, Lagarde и Lubeck, разработали эту систему (Голландия, 2008).
Паровоздушная система
Еще одним популярным способом термической обработки является использование пара и воздуха. Компания Lagarde Autoclaves запатентовала этот процесс в 1972 году, и он отличается высокой эффективностью. Этот проЕще одним популярным способом термической обработки является использование пара и воздуха. Компания Lagarde Autoclaves запатентовала этот процесс в 1972 году, и он отличается высокой эффективностью. Этот процесс существенно отличается от парового автоклава благодаря горизонтальному резервуару с быстро открывающимися дверцами для легкой загрузки и выгрузки корзин, принудительной циркуляции пара и, что наиболее важно, независимому контролю температуры и давления (Holland, 2008).
Пар и воздух непрерывно подаются в автоклав для получения однородной смеси. При смешивании воды и пара в автоклаве создается избыточное давление, что приводит к постоянной вентиляции. Непрерывный поток нагретого пара мимо емкостей предотвращает образование холодных пятен (Adepoju et al., 2017). Первоначально этот метод был разработан для гибких и полужестких контейнеров, таких как армейские пайки в упаковках из алюминиевой фольги, но с тех пор он был применен для упаковки в пакеты и готовых к употреблению продуктов питания (Holland, 2008). Ранние исследования паровоздушных сред обработки показали возможность получения неодноРанние исследования паровоздушных сред обработки показали возможность получения неоднородной смеси пара (Ramaswamy et al., 1991).
Европа и Япония долгое время использовали этот метод для коммерческого использования, прежде чем его приняла Северная Америка. Более поздние исследования показали, что схема теплопередачи будет адекватной при условии достаточного перемешивания (Ramaswamy et al., 1991). Тип воздушного потока определяется конструкцией автоклава. Автоклавы с положительным потоком создают восходящий поток и предназначены для вертикальных автоклавов. Горизонтальные потоки используются в автоклавах Лагарда, которые предназначены для горизонтальных автоклавов. Исследование, в котором сравнивались эти два типа, показало, что общий средний показатель скорости нагрева для положительного потока лишь немного выше, чем для автоклава Лагарда (Ramaswamy & Tung, 1988).
Пароводяное распыление
В 1983 году испанская компания Surdry запатентовала метод распыления пара и воды, который является относительно новым методом автоклавирования порциями. В этом методе используется распыленВ 1983 году испанская компания Surdry запатентовала метод распыления пара и воды, который является относительно новым методом автоклавирования порциями. В этом методе используется распыленный воздух для обеспечения превосходной теплоотдачи к жестким контейнерам, а для циркуляции воздуха не используется вентилятор. Вместо этого вода забирается насосом и смешивается с конденсатом из центра автоклава, а затем рециркулирующий конденсат подается непосредственно в камеру через распылительные форсунки, расположенные вокруг нее. Хотя распылительные форсунки обеспечивают быстрый нагрев, они, как правило, препятствуют прохождению воды во время охлаждения, что приводит к увеличению времени обработки по сравнению с каскадной подачей воды, погружением в воду или распылением воды струей (Голландия, 2008).
Способы перемешивания
Первый тип автоклавов, используемых для консервирования, известный как статические или негазированные автоклавы, обычно используется для жидких пищевых продуктов. Первый тип автоклавов, используемых для консервирования, известный как статические или негазированные автоклавы, обычно используется для жидких пищевых продуктов и не приводит к перемешиванию в контейнерах. Однако этот подход имеет некоторые ограничения, такие как медленное нагревание, создающее различные температурные зоны внутри упаковки, что может привести к перевариванию, неравномерной текстуре и аромату. Альтернативой для решения этой проблемы является перемешивание. Перемешивание может помочь уменьшить тепловое повреждение и ускорить передачу тепла, что приводит к улучшению.
Сквозной/осевой
Вращение упаковки «конец за концом» (EOE) или в осевом режиме — это популярный метод, который приобрел популярность в последние годы, при котором упаковки вращаются в корзинах или ящиках с ограниченным вращением. Этот метод дозирования обеспечивает большую технологичность производства и не ограничивается металлическими цилиндрическими банками (Zhu et al., 2022). Коммерческие ротационные автоклавы, такие как Sterilmatic, Steristar и Rotomat, работают на основе EOE-вращения. Однако этот метод имеет ряд недостатков. Исследователи обнаружили, что частицы скапливаются на краю контейнера с определенной скоростью, что препятствует перемещению пузырьков в свободном пространстве внутри банки из-за равных центробежных и гравитационных сил внутри банки. Технология ротации EOE предполагает вращение банок круговыми движениями, что требует наличия свободного пространства в контейнере (Singh & Ramaswamy, 2015).
Двухосный
Другим методом перемешивания является двухосное перемешивание, которое обычно используется в автоклавах непрерывного действия. В этом методе металлические банки дважды меняют направление вращения во время вращения сепаратора, что устраняет центробежные проблемы, возникающие при вращении EOE, и улучшает теплопередачу (Dwivedi & Ramaswamy, 2010; Singh et al., 2015). Использование горизонтального осевого вращения для перемешивания началось в 1920-х годах, когда банки начали переворачивать для перемешивания. В 1950-х годах было предложено вертикальное вращение как средство улучшения теплопередачи в консервированных продуктах.
Прерывистый
Прерывистое перемешивание предполагает периодическую остановку перемешивания во время непрерывной обработки. Этот метод используется в коммерческих целях в FMC Sterilmatic, которая обрабатывает банки с помощью периодического осевого вращения (Таттиякул и др., 2002). Этот метод подходит для продуктов, которые могут пострадать от сдвигающего усилия, возникающего при постоянном перемешивании. Например, при нагревании гранулы крахмала расширяются и образуют густую дисперсию. Растворение компонентов гранул в матрице может быть вызвано нагревом и сдвигом гранул крахмала в матрице (Таттиякул и др., 2002). Это приводит к разрушению водородных связей, деполимеризации и снижению вязкости.
Возвратно-поступательное движение гранул крахмала в матрице приводит к разрушению водородных связей, деполимеризации и снижению вязкости
Возвратно-поступательное перемешивание, при котором контейнеры быстро перемещаются взад-вперед, является перспективным способом перемешивания. Компания Walden изобрела первую пароварку с возвратно-поступательным движением в 1999 году, а компания Gerber изобрела ее в 1938 году. С тех пор как были изобретены автоклавы Shaka и Gentle Motion, популярность взбалтывания с возвратно-поступательным движением возросла.
Оптимальная скорость взбалтывания для системы стерилизации с возвратно-поступательным перемешиванием определяется такими факторами, как пищевой продукт, размер и форма контейнера, а также желаемый уровень микробиологической инактивации. Процесс Shaka используется только для жидких продуктов с высокой скоростью перемешивания, превышающей 1 Гц, в то время как метод мягкого перемешивания используется для жидких блюд с частицами при более низкой скорости перемешивания. В последнее время было проведено много исследований, посвященных этому методу, включая изучение интенсивности, амплитуды и частоты возвратно-поступательных движений, размещения контейнера, свободного пространства и размера частиц.
Согласно одному исследованию, наиболее существенное влияние на теплопередачу оказывает скорость возвратно-поступательных движений, за которой следуют амплитуда и частота. Другое исследование показало, что термическая обработка консервированных креветок с возвратно-поступательным перемешиванием приводит к повышению качества продукта, улучшению технологических параметров и потенциальной экономии энергии. При любых скоростях перемешивания технология повторного перемешивания сокращает время процесса по сравнению со статическими автоклавами для достижения целевого значения F0 и улучшения горизонтального перемещения продукта в процессе обработки (Walden & Emanuel, 2010).
Колеблющийся
Согласно исследованию, проведенному компанией McNaughton в 2018 году, использование колебательного движения при термообработке может значительно сократить среднее расчетное время процесса на 10-27% по сравнению со статическим режимом при тех же параметрах термообработки. В исследовании использовался автоклав для распыления воды с двумя корзинами, а время процесса было рассчитано с использованием метода формулы Болла. В колебательном методе использовалась скорость 10,5 об/мин при угле колебания 15°. В ходе исследования также было обнаружено, что в зависимости от количества остаточного воздуха в мешке наблюдалась значительная разница в среднем значении наклона кривых нагрева при статическом движении, при колебательном движении и между статическим и колебательным движениями (блок-схема 2) (Holland, 2008; Singh & Рамасвами, 2015).