Автоклавная обработка — это метод консервирования пищевых продуктов, позволяющий решить проблему коммерческой стерильности пищевых продуктов, создаваемую Clostridium botulinum, для получения микробиологически безопасных и стабильных продуктов путем нагревания. Целью данного обзора является изучение пути автоклавной обработки, начиная с ее раннего использования в однопартийных консервированных продуктах и заканчивая современным применением с различными типами контейнеров и нагревательных сред. Кроме того, будут изучены возможности адаптации автоклавного оборудования, в том числе его способность работать в стационарном режиме и при различных состояниях перемешивания, а также его гибкость в скорости обработки как для однопартийных, так и для непрерывных операций.
Целью данного обзора является изучение пути автоклавной обработки, начиная с ее раннего использования в однопартийных консервированных продуктах и заканчивая современным применением с различными типами контейнеров и нагревательных сред. Кроме того, будут изучены возможности адаптации ретортного оборудования, в том числе его способность работать в стационарном режиме и при различных состояниях перемешивания, а также его гибкость в скорости обработки как для однопартийных, так и для непрерывных операций.
Введение
Загрязнение пищевых продуктов микроорганизмами является серьезной проблемой общественного здравоохранения, поскольку грибки вызывают ухудшение состояния, а бактерии – болезни пищевого происхождения (Clark et al., 2014). Споры, например, Clostridium thermosaccolyaticum, Bacillus spp. и Clostridium botulinum, также могут представлять опасность для здоровья, поскольку они зачастую обладают высокой термоустойчивостью и процветают в анаэробных условиях (Awuah, Ramaswamy & Economides, 2007). Болезни пищевого происхождения ежегодно поражают миллиарды людей и налагают значительное бремя на общественное здравоохранение во всем мире (Seboka et al., 2023). Чтобы предотвратить это, крайне важно внедрить такие процедуры, как стерилизация и пастеризация, чтобы гарантировать безопасность пищевых продуктов.
Термическая обработка является широко используемым методом консервирования продуктов питания, и в последние годы к нему растет интерес из-за спроса на высококачественные продукты питания с более длительным сроком хранения (Singh et al., 2018). Термическая обработка — широко используемая технология термической обработки в пищевой промышленности, поскольку это безопасный, не содержащий химикатов и экономически эффективный метод придания аромата и вкуса приготовленным продуктам с одновременным продлением срока годности. Основной целью термической обработки является уничтожение опасных загрязнителей, в том числе C. botulinum, появление которых в пищевых продуктах также можно предотвратить путем контроля уровня pH (<4,6) и активности воды (<0,85).
Стерилизация необходима для обеспечения отсутствия бактерий в бытовых условиях, но при коммерческой деятельности воздействие экстремальных температур существенно снижает качество продуктов питания. Вместо этого продукты обрабатываются посредством процесса, известного как «коммерческая стерильность» (Awuah, Ramaswamy & Economides, 2007). История термической обработки восходит к началу 19 века, с развитием консервирования Аппером, и усовершенствована Питером Дюраном несколько лет спустя с изобретением консервной банки. 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 водораспыления. Улучшения в процессе термической реторты включают перемешивание и изменение скорости обработки (Tucker & Featherstone, 2021). Проведены многочисленные исследования по определению оптимальных способов эксплуатации реторт для различных пищевых продуктов. В этом обзоре будут рассмотрены методы и технологии, относящиеся к процессу реторты.
Автоклавная обработка
Коммерческий метод стерилизации включает использование тепла для повышения температуры контейнеров в коммерческом закрытом сосуде, известном как автоклав. Упакованные пищевые продукты, стерилизованные в промышленных масштабах, можно хранить в герметично закрытых контейнерах при комнатной температуре до 2 лет (Featherstone, 2015).
Процедура стерилизации включает трехэтапный цикл. Первая стадия, CUT (время выхода на поверхность), представляет собой время, необходимое для того, чтобы высокопоточный теплоноситель достиг температуры в автоклаве 240–250°F (приблизительно 115–121°C) и требуемого давления 15–20 psi ( примерно на 1–1,4 бар) выше атмосферного давления. На втором этапе, P t (этап выдерживания или приготовления), в автоклаве поддерживаются температура и давление, гарантирующие летальность; это варьируется в зависимости от целевого микроорганизма или ожидаемого микробного загрязнения. На третьем этапе, CDT (время снижения), добавляется охлаждающая вода для дальнейшего снижения температуры. Чрезмерной термической обработки продуктов питания можно избежать, охладив их, что также предотвращает развитие термофильных микроорганизмов. Однако процесс охлаждения может привести к разрыву ретортных пакетов. Этого можно избежать, применяя воздух под избыточным давлением во время процедуры охлаждения, что помогает сохранить целостность упаковки и избежать деформации контейнера (Мосна и Виньяли, 2015).
Скорости автоклавной обработки
Классификация автоклавов может быть периодической или непрерывной (как показано на блок-схеме 1). Выбор типа используемого автоклава зависит от различных факторов, включая тип и размер обрабатываемых емкостей, а также количество продукта. В целом, малым и средним предприятиям может потребоваться помощь в обосновании стоимости реторты непрерывного действия, в то время как крупные консервные заводы с более высокими объемами производства могут счесть ее более рентабельной.
Партия
Традиционный метод стерилизации консервов в паровых автоклавах периодического действия в течение последних 75 лет заключался в периодическом процессе (Alonso et al., 1993). Продукт помещают в автоклав и подвергают термической обработке с перерывом между обработками. Реторты периодического действия могут быть неподвижными или перемешиваемыми, а также горизонтальными или вертикальными.
Обычно они оснащены манометром, термометром и системами автоматического контроля. Автоклавы периодического действия можно адаптировать к таким контейнерам, как банки, гибкие пакеты и другие контейнеры, с небольшими изменениями в условиях обработки. Однако у автоклавов периодического действия есть некоторые ограничения, такие как пиковая потребность в энергии и рабочей силе, неполная загрузка мощностей завода и недостаточное использование отдельных реторт (Peesel et al., 2016).
Этап вентиляции потребляет больше всего энергии в первые несколько минут цикла обработки. Крупные производители, использующие автоклавы, могут иметь проблемы с потреблением энергии, поскольку автоклавы должны работать по смещенному графику, чтобы минимизировать пиковое потребление энергии. Чтобы оптимизировать использование энергии и обработку в периодических процессах, исследователи исследовали использование обработки с изменяемой во времени температурной обработкой в автоклаве (TVRT). Согласно исследованиям, сохранение питательных веществ при постоянной температуре в реторте сравнимо с процессом TVRT (Simpson et al., 2006). Однако время обработки значительно сокращается при использовании процесса TVRT.
Ящики, используемые при пакетной обработке, также могут повлиять на процесс. Они удерживают различные автоклавированные продукты и позволяют быстрее наполнять и вынимать их (Teixeira, 2019). Сепараторы между слоями контейнера должны минимизировать сопротивление потоку, поскольку тепло передается за счет сочетания принудительной циркуляции воды и механического движения контейнера (Featherstone, 2015). Сепараторы используются для разделения слоев контейнера, ограничения расширения полужестких и гибких контейнеров, а также обеспечения каналов поддержки и циркуляции в тонких контейнерах (Ллоса Санс, 2017).
Автоклав без ящиков — это реторта периодического действия, в которой на заполнение или опорожнение ящиков не тратится время по сравнению с обычной периодической работой, и процесс управляется автоматически. Первоначально сосуды заполняются горячей водой наполовину, а канистры загружаются сверху. Когда банки загружены, вода в сосудах действует для них как подушка. Между банками термической обработки есть пауза (Kou et al., 2019; Teixeira, 2019). Автоклав наполняется паром и выталкивается через сливную трубу за счет расширения воздуха в оборудовании. После этого устройство работает аналогично традиционной паровоздушной обработке. Существует два метода удаления банок из реторты этого типа. В первом методе уровень воды в канале подушки должен поддерживаться чуть ниже нижней дверцы реторты. Для банок большего размера рекомендуется опорожнять их в погруженном состоянии или в вакууме. При использовании этого метода помните, что уровень воды в подушкообразном канале должен поддерживаться выше нижней дверцы реторты (Berk, 2018b).
Непрерывный процесс
Процесс непрерывной автоклавирования не требует перерывов и предлагает ряд преимуществ по сравнению с периодической обработкой, включая экономию средств, сокращение трудозатрат, энергопотребления и простоев оборудования. Это особенно полезно для производственных линий больших объемов, которые не требуют частой корректировки условий обработки или размеров контейнеров. При традиционном методе консервированные продукты перемещаются по контейнерному конвейеру через автоклав, где подвергаются воздействию различных температур в зависимости от их положения.
Гидростатический автоклав — еще одна конструкция, используемая для непрерывной обработки в реторте. Этот метод предполагает использование давления пара, которое контролируется высотой водяного столба. Эти автоклавы могут быть разных размеров, а иногда ножки можно выносить за пределы ретортной установки. Гидростатическая реторта обычно состоит из четырех камер: секции воды предварительного нагрева, секции стерилизации, секции предварительного охлаждения воды и секции охлаждения. Гидростатические реторты могут работать при различных температурах и давлениях, что делает их универсальными термическими процессорами (Chen et al., 2008).
Методы нагревания и перемешивания
Три основных процесса автоклава: пар, падающая вода и полное погружение в воду. Каждая из этих категорий имеет подкатегории, такие как паровоздушный, паровой, водяной и полупогруженный (Голландия, 2008). В каждом случае для передачи тепловой энергии продукту используется определенная форма воды, иногда в сочетании с воздухом. Во всех автоклавных методах применяется 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.
Тип используемого 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 нагревательной среды существенно влияет на индекс скорости нагрева образцов тихоокеанского лосося. Эти результаты позволяют предположить, что выбор типа нагревательной среды имеет решающее значение для повышения эффективности обработки и снижения производственных затрат при сохранении высокого качества консервов.
Способы отопления. Насыщенный пар
Автоклав с насыщенным паром — это простой тип автоклава, обычно вертикального типа, в котором в качестве нагревательной среды используется пар. Крайне важно удалить воздух на этапе вентиляции с помощью вентиляции (метода впрыска пара), чтобы предотвратить образование холодных зон. Было обнаружено, что использование насыщенного пара при автоклавной обработке является экономически эффективным и энергоэффективным по сравнению с другими методами нагрева. Однако этот тип автоклава создает ряд проблем для переработчиков, таких как колебания давления, которые затрудняют обработку пакетов, полужестких контейнеров и лотков без деформации упаковки или образования холодных пятен.
Водный каскад/спрей
Метод каскадной подачи воды представляет собой тип косвенного парового нагрева, при котором вода распыляется под давлением на верхние лотки 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 недостаточной дисперсии температуры необоснованны, поскольку различия в летальности при обработке в автоклаве незначительны, а во время периода приготовления наблюдаются значительные изменения температуры. Кроме того, распылительные форсунки, расположенные вокруг камеры, можно использовать для улучшения процесса автоклавирования, обеспечивая отличную теплопередачу и быстрый нагрев без необходимости использования вентилятора для циркуляции воздуха.
Погружение в воду
Погружение в воду — это широко используемый процесс в автоклаве (Adepoju et al., 2017), при котором вода сначала нагревается, а затем закачивается в автоклав для обработки. Во время обработки контейнер обычно полностью погружается в воду, при этом избыточное давление создается за счет продувки воздухом или паром для улучшения структуры теплопередачи. Однако в определенных ситуациях, например при полупогружении, упаковки погружаются в воду лишь частично (менее половины). Это может быть выгодно при высоких скоростях вращения, поскольку клетка создает меньшую турбулентность (Featherstone, 2015; Holland, 2008).
Во время процесса нагрева вода циркулирует, чтобы обеспечить равномерное распределение тепла по автоклаву. Исследователи обнаружили, что положение продуктов на лотке и высота лотка могут влиять на коэффициенты теплопередачи (Ramaswamy et al., 1991). Плохая циркуляция может привести к недостаточной теплопередаче.
Контроль перемещения упаковок может оказаться непростой задачей, а пакеты и лотки часто препятствуют этому процессу, увеличивая затраты на производство корзин и снижая адаптируемость. Полупогружение происходит, когда сосуд наполовину заполнен водой, и часть вращения происходит в воде и вне ее. Этот метод выгоден при высоких скоростях вращения, поскольку клетка создает меньшую турбулентность. Эту систему производят такие производители, как Stock Inc., FMC, Lagarde и Lubeck (Голландия, 2008 г.).
Паровоздушный процесс
Использование пара и воздуха является еще одной популярной средой для термической обработки. Компания Lagarde Autoclaves запатентовала этот процесс в 1972 году, и он очень эффективен. Этот процесс существенно отличается от парового автоклава: горизонтальный резервуар имеет быстро открывающиеся дверцы для облегчения загрузки и выгрузки корзин, принудительную циркуляцию пара и, что наиболее важно, независимый контроль температуры и давления (Голландия, 2008). В реторту непрерывно подаются пар и воздух для создания гомогенной смеси. Когда вода и пар объединяются, в автоклаве создается давление, что приводит к избыточному давлению, вызывающему постоянную вентиляцию. Этот непрерывный поток нагретого пара мимо контейнеров предотвращает образование холодных пятен (Adepoju et al., 2017). Первоначально этот метод был разработан для гибких и полужестких контейнеров, таких как военные пайки в упаковках из алюминиевой фольги, но с тех пор он был адаптирован для пакетов и готовых к употреблению продуктов питания (Голландия, 2008).
Ранние исследования паровоздушной рабочей среды выявили возможность образования неоднородной смеси пара (Ramaswamy et al., 1991). Европа и Япония использовали этот метод для коммерциализации задолго до того, как его переняли в Северной Америке. Более поздние исследования показали, что схема теплопередачи будет адекватной при достаточном перемешивании (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 ретортах Лагарда, которые предназначены для горизонтальных автоклавов. Исследование, сравнивающее эти два стиля, показало, что общий средний индекс скорости нагрева для положительного потока был лишь немного выше, чем у реторты Лагарда (Ramaswamy & Tung, 1988).
Распыление паровой воды
В 1983 году компания Surdry из Испании запатентовала метод распыления пара и воды, который является относительно новой технологией периодической автоклавирования. В этом методе используется распыленный воздух для обеспечения превосходной теплопередачи к жестким контейнерам, при этом для циркуляции воздуха не используется вентилятор. Вместо этого вода забирается из насоса и объединяется с конденсатом из центра автоклава и рециркулирующим конденсатом, а затем подается непосредственно в камеру через распылительные форсунки, расположенные вокруг нее. Хотя распылительные форсунки обеспечивают быстрый нагрев, они имеют тенденцию препятствовать потоку воды во время охлаждения, что приводит к увеличению времени обработки по сравнению с каскадными водными, погружными или распылительными автоклавами (Голландия, 2008).
Методы агитации
Автоклавы первого типа, используемые для консервирования, известные как статические или неподвижные автоклавы, обычно используются для жидких пищевых продуктов и не вызывают перемешивания в контейнерах. Однако этот подход имеет некоторые ограничения, такие как медленное проникновение тепла, создающее разные температурные зоны внутри упаковки, что может привести к перевариванию, неравномерной текстуре и вкусу.
Альтернативой преодолению этой проблемы является агитация. Перемешивание может помочь уменьшить тепловые повреждения и ускорить проникновение тепла, что приводит к улучшению теплопередачи и уменьшению количества холодных пятен, что в конечном итоге приводит к более эффективной термической обработке. Различные методы перемешивания (как показано на блок-схеме 2) включают в себя сквозное, фиксированное осевое, двухосное и возвратно-поступательное перемешивание. При перемешивании контейнера вокруг него движутся пузырьки воздуха, что приводит к более равномерному распределению тепла.
Конец-над-концом/осевой
Вращение упаковки «конец-за-концом» (EOE) или в осевом режиме — популярный метод, который приобрел популярность в последние годы, когда упаковки вращаются в корзинах или ящиках с ограниченным вращением. Этот периодический метод обеспечивает большую технологическую адаптируемость и не ограничивается цилиндрическими металлическими банками (Zhu et al., 2022). Коммерческие ротационные автоклавы, такие как Sterilmatic, Steristar и Rotomat, работают на вращении EOE. Однако эта технология имеет ряд недостатков. Исследователи обнаружили, что частицы накапливаются у края контейнера после достижения определенной скорости, что мешает движению пузырьков внутри банки из-за равных центробежных и гравитационных сил внутри банки. Техника вращения EOE предполагает вращение банок по кругу, что требует 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 клетки, что устраняет центробежные проблемы, возникающие при вращении EOE, и улучшает передачу тепла (Dwivedi & Ramaswamy, 2010; Singh et al., 2015). Использование горизонтального осевого вращения для перемешивания восходит к 1920-м годам, когда банки катали для перемешивания. В 1950-х годах вертикальное вращение было предложено как средство улучшения теплопередачи в консервированных продуктах.
Прерывистый
Прерывистое перемешивание предполагает периодическую остановку перемешивания во время непрерывной обработки. Этот метод коммерчески используется в компании FMC Sterilmatic, которая обрабатывает банки с использованием прерывистого осевого вращения (Tattiyakul et al., 2002). Этот метод подходит для продуктов, которым может быть нанесен вред срезывающая сила, возникающая при постоянном перемешивании. Например, при нагревании крахмальных гранул они расширяются и образуют загустевшую дисперсию. Растворение компонентов гранул в матрице может быть вызвано нагреванием и сдвигом крахмальных гранул в матрице (Таттиякул и др., 2002). Это приводит к разрыву водородных связей, деполимеризации и снижению вязкости.
Возвратно-поступательное движение
Возвратно-поступательное перемешивание, которое предполагает быстрое движение контейнеров вперед и назад, является многообещающим типом перемешивания. Уолден изобрел первую пароварку с возвратно-поступательным движением в 1999 году, а Гербер изобрел ее в 1938 году. Популярность возвратно-поступательного перемешивания возросла с момента изобретения автоклавов Shaka и Gentle Motion. Оптимальная скорость встряхивания для системы стерилизации с возвратно-поступательным перемешиванием определяется такими факторами, как пищевой продукт, размер и форма контейнера, а также желаемый уровень микробной инактивации.
Процесс Шака используется только для жидких продуктов с высокой скоростью перемешивания более 1 Гц, тогда как метод Gentle Motion используется для жидких твердых частиц с более медленной скоростью перемешивания. Было проведено множество недавних исследований по этому методу, включая исследования интенсивности, амплитуды, частоты, расположения контейнеров, свободного пространства и размера частиц. Согласно одному исследованию, наиболее существенное влияние на теплопередачу оказала скорость возвратно-поступательного движения, за которой следовали амплитуда и частота. Другое исследование показало, что термическая обработка консервированных креветок с попеременным перемешиванием приводит к превосходному качеству продукции, улучшению параметров процесса и потенциальной экономии энергии. При всех скоростях перемешивания технология возвратно-поступательного перемешивания позволила сократить время процесса по сравнению со статическими автоклавами, что позволило достичь целевого значения F0 и улучшить качество продукта. Это происходит из-за сочетания силы тяжести и горизонтального ускорения при обработке (Walden & Emanuel, 2010).
Колеблющийся
Согласно исследованию, проведенному McNaughton в 2018 году, использование колебательного движения при термической обработке позволяет значительно сократить среднее расчетное время процесса на 10–27% по сравнению со статическим режимом при тех же параметрах термического процесса. В исследовании использовался автоклав для распыления воды с двумя корзинами, а время процесса рассчитывалось с использованием метода формулы Болла. В колебательном методе использовалась скорость 10,5 об/мин с углом колебания 15°. В ходе исследования также было обнаружено, что в зависимости от количества остаточного воздуха в пакете существует значительная разница в среднем значении наклона кривых нагрева при статическом движении, при колебательном движении, а также между статическим и колебательным движениями (блок-схема). 2) (Голландия, 2008 г.; Сингх и Рамасвами, 2015 г.).