Консервирование — это общий термин, применяемый к процессу упаковки пищевых продуктов в тару и их термической обработки с целью продления срока годности. Оптимальный термический процесс уничтожает патогенные (болезнетворные) бактерии, уничтожает присутствующие микроорганизмы или контролирует их порчу и оказывает минимальное влияние на питательные и физические свойства продуктов. Хотя мы представляем себе консервирование в стальных или, возможно, алюминиевых банках, правила одинаково хорошо подходят для различных пищевых емкостей, таких как стеклянные банки, пакеты из пластика и ламинированной фольги, полужесткие пластиковые лотки или миски, а также металлические банки любой формы, включая цилиндрические, овальные, продолговатая или прямоугольная. Концепция асептической упаковки (стерилизация пищевых продуктов и контейнера перед наполнением и герметизацией) также основана на тех же принципах.
Основные понятия
В 1810 году Николас Аппер сообщил о первых методах термической обработки пищевых продуктов. Его метод консервирования был в первую очередь направлен на отказ от использования большого количества сахара, соли и уксуса в качестве консервантов, поскольку они ухудшали естественный вкус и качество продуктов. С годами его методы консервирования пищевых продуктов превратились в процедуры, которые не только предотвратили большие экономические потери, связанные с порчей микробов, но и уничтожили переносимые с пищей микроорганизмы, способные вызывать болезни или даже смерть у людей. Термическая обработка в сочетании с герметичной упаковкой используется для сохранения широкого спектра продуктов. Процессы микробиологического контроля при температурах в диапазоне 65-95°С часто называют пастеризацией, а при температуре от 100 до 150°С — стерилизацией. Процессы пастеризации предназначены для уничтожения патогенных микроорганизмов и продления срока годности продукта при хранении в холодильнике; процессы стерилизации обеспечивают неограниченный срок годности продукта при температуре окружающей среды.
В то время как принципы проектирования термического процесса одинаковы для всех условий, в дальнейшем будут применены концепции организации процесса стерилизации пищевых продуктов, известных как консервы с низким содержанием кислоты (LACF), упакованные в герметично закрытые контейнеры. Продукты с низким содержанием кислотности имеют рН более 4,6 и активность воды более 0,85 — сочетание, способное поддерживать рост Clostridium botulinum, спорообразующей бактерии, вырабатывающей экзотоксин, который является одним из самых смертоносных известных нейропаралитических токсинов. C. botulinum широко распространен; он встречается как в возделываемых, так и в лесных почвах, в донных отложениях ручьев, озер и прибрежных водоемов, в кишечнике рыб и млекопитающих, а также в жабрах и внутренностях крабов и других моллюсков. В течение многих лет лаборатории консервной промышленности уделяли большое внимание C. botulinum. В начале 20-го века специалисты по термической обработке разделили продукты с высоким содержанием влаги на кислые (рН менее 4,6) и низкокислотные (рН более 4,6).
Основанием для этого решения послужило то, что при рН менее 4,6 C. botulinum не будет расти и вырабатывать токсин. При рН выше 4,6, в благоприятной среде C. бактерии ботулизма размножаются и вырабатывают токсины. Примерами продуктов с рН более 4,6 являются овощи, свежее мясо и морепродукты. Помидоры обычно имеют рН менее 4,6 и требуют менее строгой термической обработки (пастеризации) для обеспечения сохранности. водный баланс — это показатель количества доступной воды в продукте. Водный баланс свежих фруктов, овощей и мяса обычно превышает 0,85. Сухофрукты, мед и салями содержат недостаточно воды, чтобы поддерживать рост большинства опасных микроорганизмов, и, следовательно, не требуют стерилизации для получения продукта, сохраняющего срок годности.
Налаживание термического процесса
Разработка термического процесса стерилизации консервированных продуктов является результатом успешного взаимодействия микробиологических и физических наук, в частности, термобактериологии и испытаний на проникновение тепла, их валидации и повторения.
Микробиологические исследования
Термобактериология — это наука, которая изучает потенциальные микробиологические загрязнения в пищевых продуктах, взаимосвязь между температурой и временем, необходимыми для их уничтожения, а также влияние самих пищевых продуктов на скорость уничтожения. Существует три микробиологических параметра, которые участвуют во всей работе по созданию технологического процесса, а именно D7; z и F. Эти переменные определяют термическую устойчивость бактерий и указывают на то, какой эффект может оказать конкретный термический процесс. Значение Dy, которое графически определено на рисунке 2а, представляет собой время в минутах при постоянной температуре (T) для инактивации 90% (уменьшение на один логарифм) целевых организмов, присутствующих в пищевом продукте. Значение Dy также известно как «константа смертности» или «десятичное время сокращения».
Тесты на термостойкость, или термическое разрушение (TOTs), которые измеряют Dy, проводятся с использованием небольших образцов пищевых продуктов, содержащих известные уровни микроорганизмов. Образцы, помещенные в специально сконструированные низкопрофильные банки TOT или стеклянные пробирки, нагреваются в камерах, способных быстро нагревать образец до определенной температуры, выдерживать в течение определенного периода времени и быстро охлаждать до сублетальных температур. Обычными нагревательными устройствами являются автоклав TOT и терморезистометр. Чтобы значение DT было значимым, график термического сопротивления (или выживаемости) должен быть приблизительно равен прямой линии на бумаге с полулогарифмической диаграммой (как на рисунке 2а). Каждая суммарная кривая уникальна для данного микроорганизма, пищевой среды и температуры воздействия. Значение DT описывает временное воздействие hear на популяцию микроорганизмов, подвергнутых воздействию при постоянной температуре в течение определенного периода времени, без учета эффекта периода нагревания (всплытия) или охлаждения.
Значение D 121,1oc для C. botulinum обычно принимается равным 0,2 мин. Это основано на исследованиях термостойкости, проведенных в начале 1920-х годов на спорах, выделенных из наиболее известных термостойких штаммов. Эти исследования показали, что путем экстраполяции полулогарифмической кривой выживаемости было необходимо нагревать суспензию спор в фосфатном буфере в течение 2,78 мин при температуре 12 л°С, чтобы снизить выживаемость популяции примерно с 1011 спор на единицу до менее чем одной споры на единицу (снижение на 12 логарифмов). Позже корректировка данных по времени нагрева привела к сокращению времени нагрева до 2,45 мин для достижения того же летального эффекта, следовательно, значение D12t.t «c составило 0,2 мин. Данные о времени и температуре на рисунке 3 (см. Расчеты теплового процесса ниже) являются типичными для способа разогрева консервированных продуктов и показывают, что продукты в контейнерах не нагреваются (и не охлаждаются) мгновенно. Для обеспечения эффективности процесса термической обработки мы должны использовать возможность уничтожения микроорганизмов на каждом этапе термического процесса.
Кривая термического сопротивления, показанная на рисунке 2b, является средством, которое делает это возможным. Для определения влияния различных температур (значений Dy) на термическую устойчивость организма проводится серия тотальных тестов. Путем сопоставления измеренных значений Dr в логарифмической шкале с температурой в линейной шкале (рис. 2b) строится кривая термического сопротивления. Кривая термического сопротивления связывает время выдержки в течение одного цикла с температурой выдержки. Из этого графика можно получить значение z; оно представляет собой обратный наклон кривой и представляет количество градусов температуры, необходимых для прохождения кривой одного логарифмического цикла. Другими словами, значение z обозначает количество градусов температуры, необходимое для 10-кратного изменения времени для достижения того же летального эффекта. Более высокое значение z означает, что для такого же изменения скорости уничтожения микроорганизмов требуется большее изменение температуры процесса. Значение z позволяет количественно оценить степень уничтожения микроорганизмов при температуре продукта, которая всегда сохраняется во время термического процесса.
На протяжении многих лет для C. botulinum измерялся диапазон значений z от 0°C до 12°C. Эти различия связаны с типом спор (штаммом), системой нагрева, тестируемым субстратом и методом расчета. Много усилий было затрачено на определение подходящего значения z для создания процесса LACF. Консенсус привел к выводу, что использование единственного значения z, равного 10°c, которое широко используется более 80 лет, по-прежнему является наилучшей рекомендацией для расчета процессов стерилизации LACF, которые должны быть безопасными с точки зрения общественного здравоохранения. Вполне возможно, что этот выбор был случайным; с другой стороны, он мог быть целенаправленным результатом исследований пионеров консервной промышленности 1920-х и 1930-х годов.
Коммерческая стерильность
Коммерческая стерильность пищевых продуктов означает состояние, достигаемое при нагревании, которое делает такие пищевые продукты свободными от жизнеспособных форм микроорганизмов, имеющих значение для общественного здравоохранения, а также любых микроорганизмов, не имеющих значения для здравоохранения, способных размножаться в пищевых продуктах при нормальных условиях хранения и реализации без охлаждения. При принятии решения о расчете F0 для обеспечения коммерческой стерильности учитывается несколько дополнительных факторов, которые могут быть на целых 20 единиц выше, чем минимальная термическая обработка C. botulinum для общественного здравоохранения.
Согласно принятому в Северной Америке правилу, коэффициент теплопередачи, используемый при расчете теплового процесса, включает коэффициент теплопередачи технологического оборудования, а также требования по уничтожению микробиологических загрязнений. Эти факторы включают: исходный уровень бактериализации пищевого продукта, физические параметры самого пищевого продукта (вкус, консистенция, размер частиц, соотношение жидкости и твердого вещества и т.д.); контейнер для пищевых продуктов; систему обработки (перегонный куб, гидростатические емкости, автоклавы с непрерывным перемешиванием и т.д.); условия хранения и распространение: натуральные или с добавлением ингредиентов, предотвращающих порчу; экономика и общий опыт работы с кухонным комбайном.
Например, пищевым продуктам, которые будут поставляться в географическую зону с высокой температурой, может потребоваться выдержка в течение 15-20 минут, чтобы обеспечить такую же защиту от экономических потерь из-за порчи, какую обеспечил бы F0, равный 5-7, для зоны с умеренной температурой. Для продуктов, разогретых с принудительным перемешиванием, рекомендуется использовать Fo от 8 до 12 г/л.
Исходный уровень бактериализации продукта напрямую влияет на результат конкретного процесса; один и тот же тепловой режим (F0) не гарантирует одинаковую конечную точку процесса. Значение F0 является показателем условий обработки, необходимых для воздействия на конкретные технологические условия, например, на уровень спор C. botulinum, путем определенного количества сокращений логарифма, например, на 12 значений D121 .l»c. Чем выше начальная концентрация спор, тем выше концентрация спор после обработки для достижения того же значения Fo. Существует потенциальная опасность в выражении требований к процессу как «12D», поскольку указано только сокращение количества спор. Уменьшение количества спор на 12 приведет к тому, что вероятность выживания спор составит 10-9 (одна спора на 109 контейнеров) только при начальном уровне загрязнения спорами 103. • Чтобы обеспечить всем потребителям консервов равную защиту, независимо от начального количества спор C. botulinum, термический процесс должен быть максимально эффективным. Значение F0 всегда должно удовлетворять постоянному, согласованному конечному значению вероятности выживания споры.
Испытание на проникновение тепла
Целью теста на проникновение тепла (HP) является точное определение температуры в зоне самого медленного нагрева в контейнере для пищевых продуктов во время термической обработки. Результаты теста HP представляют собой экспериментально определенные соотношения времени и температуры, определяющие нагрев и охлаждение продукта. Эти данные получены в результате испытаний, которые с высокой степенью надежности дублируют коммерческие процессы. Данные о HP обычно собираются в лаборатории из-за трудностей с выполнением точных измерений и тщательным контролем температуры оборудования.
Это особенно верно для продуктов, которые нагреваются за счет естественной или принудительной конвекции за счет теплопроводности (т.е. продукт не перемещается). Тест HP позволяет получить информацию о температуре продукта во время процесса, которая в сочетании с информацией о термической стойкости исследуемого организма (требуемое значение F0) позволяет нам рассчитать продолжительность (время процесса) термического процесса при заданной температуре обработки. Факторы, влияющие на результаты HP, многочисленны и, как правило, становятся более сложными по мере усложнения пищевых продуктов, упаковки и систем обработки (реторт или автоклавов). При проведении теста HP специалист HP должен учитывать следующие факторы, поскольку они могут повлиять на результирующие температурные профили нагрева и охлаждения:
• Температура обработки (автоклава);
• Время обработки;
• Рабочая среда (пар, вода и т.д.).
• Исходная температура и распределение температур внутри контейнера
• Размер и форма контейнера
• Ориентация контейнера и его распределение в автоклаве
• Перемешивание контейнеров в процессе обработки
• Заполнение контейнера и объем верхней части»
• Рецептура продукта и процедуры его приготовления»
• Соотношение твердых веществ и жидкости
• Размер, форма, расположение и состав контейнеров для пищевых продуктов
• Консистенция продукта
• Масса продукта, высушенного после обработки
• Тип контейнера (пластиковый или металлический; жесткий, полужесткий или гибкий)
• Вакуум или воздух, остающийся в контейнере;
• Распределение (однородность) температуры в технологическом сосуде;
• Условия эксплуатации во время обработки (время приготовления, последовательность событий, функция контроллера, скорость вращения и т.д.);
• Расположение и тип датчика температуры в контейнере;
• Возможность дублирования тестовой колбы. коммерческие условия»
Изделия, отмеченные звездочкой, особенно важны при обработке с перемешиванием. В каждом термическом процессе есть факторы, которые имеют решающее значение для получения проектного результата. Например, критические факторы автоклавных систем, предназначенных для перемешивания содержимого контейнера во время обработки с целью увеличения скорости проникновения тепла, будут отличаться от критических факторов автоклавной системы для того же продукта. Специалист, устанавливающий термический процесс, обязан понимать все факторы, которые могут повлиять на то, как нагревается и охлаждается продукт.
Неоднократно отмечалось, что программа тестирования HP должна продолжаться до тех пор, пока все параметры не будут полностью поняты. Только точные и применимые коэффициенты HP имеют значение для определения термического процесса. Традиционно для измерения температуры пищевых продуктов во время тестирования HP предпочтительным прибором была термопара (TC) с регистрирующим потенциометром. Обычно к контейнеру крепятся не выступающие разъемы типа TC, а к потенциометру подключается провод. Датчики температуры устанавливаются для измерения температуры в зоне· самого медленного нагрева внутри. контейнер; это определяется априори с помощью дополнительного тестирования.
Поскольку целью тестирования HP являются точные данные о времени и температуре, необходимо проявлять осторожность при выборе и использовании TC. Для продуктов со значительной естественной или искусственной конвекцией, таких как кукуруза с цельными зернами в рассоле, используется ТС небольшого диаметра, чтобы не мешать перемещению продукта. Для продуктов с теплопроводным нагревом, которые остаются неподвижными во время обработки, таких как вязкое тушеное мясо, материал подложки TC выбирается таким образом, чтобы он обладал тепловыми свойствами, аналогичными пищевым продуктам, чтобы свести к минимуму передачу тепла к месту соединения TC или от него. Если TC и/или контейнер не заземлены надлежащим образом, особенно при работе с водой, случайные напряжения могут привести к большим перепадам температуры.
Используемые сегодня системы измерения температуры обычно используют персональные компьютеры в качестве устройства вывода и включают в себя терморегуляторы сопротивления (RTD) и миниатюрные системы телеметрии или регистрации данных. Эти системы позволили HP проводить испытания в системах, которые ранее были невозможны, поскольку они устранили необходимость прямого подключения к контейнеру. Точность измерительного прибора чрезвычайно важна. Разница в температуре термического процесса на 0,5 градуса по Цельсию приводит к более чем 10%-ной разнице в F0. Для продуктов с минимальной обработкой это может привести к серьезной недоработке и выживанию многочисленных патогенных микроорганизмов или порче.
Расчеты термического процесса стерилизации в автоклаве
Методы расчета величины стерилизации (F0) на основе данных HP и IDT могут быть классифицированы как общие или формульные. Эти два метода основаны на схожих принципах, но процедуры значительно отличаются. Общий метод, по сути, представляет собой графическое или численное интегрирование уравнения 2 с использованием временных данных о температуре, полученных во время испытания HP. Это наиболее точный и простой метод определения F0, обеспечиваемого термическим процессом. Недостатком этого метода является то, что он практически не позволяет, во-первых, изменять время процесса, параметры взбивания или начальную температуру продукта и прогнозировать их влияние на F0, или, во-вторых, использовать F0 в качестве входных данных для прогнозирования требуемого времени процесса.
Пример расчета Fo с использованием общего метода приведен в таблице 2. В этом примере уравнение 3 численно интегрировано с использованием типичных данных о температуре инея с интервалом в 2 минуты, полученных в ходе теста HP. Результирующее значение F0 для 30-минутной комбинированной фазы нагрева и охлаждения (таблица 2) составляет 9,8 мин при температуре 121,1 oc. В общем методе повышение точности может быть достигнуто за счет сокращения временного интервала измерения данных HP. Различные формульные методы в основном являются повторениями и усовершенствованиями формульного метода, впервые предложенного К.О. Боллом в 1923 году. Сначала данные HP выводятся на графическую бумагу scmilogarithmic в виде простых или ломаных кривых нагрева, как показано на рисунке 3.
Формы соответствующих кривых нагрева определяются параметрами, обычно называемыми коэффициентами HP: коэффициентом задержки нагрева (j), параметром температурного отклика, который зависит от наклона кривой нагрева ((h), а также вторым наклоном и временем наступления точки разрыва ({2 и Xbh), когда кривая слуха имеет измененный наклон и может быть лучше представлена двумя прямолинейными сегментами. Простая (одиночная, прямолинейная) кривая нагрева обычно используется для нагрева пищевых продуктов за счет теплопроводности или принудительной конвекции, вызванной механическим перемешиванием контейнера.
Прерывистые кривые нагрева обычно наблюдаются при нагреве продукта за счет естественной конвекции в перегонных кубах, а также для продуктов, теплофизические свойства которых изменяются в процессе обработки (например, при быстром увеличении вязкости с повышением температуры). В формульных методах температура продукта в процессе приготовления описывается уравнениями, в которых используются коэффициенты HP для нагревания, охлаждения и переходных этапов технологического цикла. Если подставить эти выражения в уравнение 2, можно рассчитать эквивалентное количество минут при температуре нагревательной среды в процессе.
Значения F0 рассчитываются либо численными методами, использующими высокоскоростное вычислительное оборудование, либо классическими методами «кулинарной книги» с использованием дополнительных табличных данных. Универсальность рецептурного метода позволяет варьировать время нагрева, температуру процесса, конструктивные особенности и даже размер банки, используя одни и те же данные HP, и определять влияние каждого из этих факторов на термический процесс, обеспечиваемый продуктом. Сообщается, что значения стерилизации, рассчитанные с использованием метода оригинальной шариковой формулы, являются консервативными. Многочисленные исследователи предложили модификации, которые улучшили метод, в результате чего значения Fo приблизились к значениям, рассчитанным по общепринятому методу.
Валидация процесса
Полученное значение F0 в процессе создания технологического процесса — это значение, рассчитанное с использованием экспериментальных данных, которое может быть связано с уменьшением количества микроорганизмов, возникающим при использовании технологического процесса для коммерческого производства консервированных продуктов. Заключительным этапом в процессе создания технологического процесса является валидация или подтверждение процесса проектирования, чтобы обеспечить уверенность в том, что проект F0 будет применен к продукту в условиях коммерческой переработки (рис. 1). Невозможно измерить расчетный уровень процессов стерилизации (вероятность выживания микроорганизмов составляет около 10-1 споры для c. botulinum или 10-6 для непатогенных организмов), используя организм, для уничтожения которого предназначен данный процесс.
Валидация процесса обычно проводится с использованием микробиологических методов, включающих внесение в банки откалиброванных бактериальных спор перед запечатыванием и обработкой. После термической обработки банки подвергаются инкубации. По истечении 2-4 недель инкубации все банки осматривают и определяют количество банок, в которых имеются признаки роста микроорганизмов. Бактерии, используемые для биовалидации, обладают более высокой термостойкостью, чем C. botulinum, и обычно являются спорообразующими, гнилостными мезофилами или термофилами-термофилами. Широко используемым организмом является PA3679, который нетоксичен и, следовательно, безопасен для использования на предприятиях пищевой промышленности и не представляет опасности для микробиологов, проводящих валидационные тесты. Опыт промышленной переработки показывает, что степень уничтожения микроорганизмов, измеряемая биологическими методами, не всегда согласуется с измерениями физических параметров (HP и TDT). Вот почему каждый процесс должен быть подтвержден биологическими методами.
Если бактериальные споры были надлежащим образом откалиброваны, они дают представление о фактической убойной силе термического процесса, обеспечиваемого промышленным технологическим оборудованием. Общепринятым биологически обоснованным методом является изготовление инокулированной упаковки, в которую перед обработкой добавляют 10000 устойчивых спор PA3679 (d2J.l»c от 1,0 до 1,5 в фосфатном буфере) в каждый контейнер с продуктом. После обработки инокулированные контейнеры инкубируют. Приемлемый процесс должен привести к снижению показателя PA3679 более чем на 5%. Тест должен проводиться с использованием надлежащей техники и надлежащих средств контроля. Если результаты валидационных тестов не согласуются с проектом физического процесса, это указывает на то, что критические параметры обработки не были правильно поняты, и различия должны быть устранены, как правило, с использованием итеративного процесса, показанного на рисунке 1.
Консервные банки
Банки для пищевых продуктов и напитков могут изготавливаться из жести, нержавеющей стали или алюминия. В зависимости от используемого металла и типа банки для изготовления банок могут применяться различные методы производства. Ниже описаны характеристики металлов и операции по изготовлению и укупорке банок. Кроме того, приведена информация о полимерных покрытиях, используемых для предотвращения нежелательного взаимодействия продукта с металлической поверхностью.
Типы банок для пищевых продуктов и напитков
Металлические банки для пищевых продуктов и напитков обычно подразделяются на трехкомпонентные и двухкомпонентные. Компоненты банки и термины, обычно используемые для обозначения различных частей банки, показаны на рис. 1. Банки первой группы состоят из сварного корпуса и двух закругленных концов и обычно изготавливаются из белой жести. У банок, состоящих из двух частей, корпус и дно выполнены в виде единого целого, а верхняя часть закручена. Они изготавливаются из белой жести, алюминия или стали, не содержащей олова, и изготавливаются методом вытягивания-перерисовки (DRD) или методом вытягивания-выглаживания стен (DWI).
Технология DRD используется для производства неглубоких банок с низкой высотой! соотношение диаметров, в то время как технология DWI обычно используется для производства банок для напитков, как правило, с большим соотношением высоты и диаметра. У этих банок очень тонкие стенки, поэтому они не обладают достаточной механической прочностью. Они используются для газированных напитков, где высокое давление продукта (очень часто около 4 атм) обеспечивает необходимую стойкость. В негазированных напитках применение жидкого азота в свободном пространстве создает высокое внутреннее давление. Корпус банки Рис. 1. Терминология банок. Доступны банки самых разнообразных форм: круглые, прямоугольные, овальные, трапециевидные и т.д. Круглая банка является самой популярной формой, поскольку ее легче всего сшивать и при заданном объеме используется наименьшая площадь металлического листа.
Для рыбных консервов обычно используется прямоугольная форма, поскольку такой формат лучше подходит для представления продукта потребителю, когда он открывает банку. При заданной вместимости круглых банок площадь поверхности металла, необходимая для изготовления круглых банок, минимальна, если диаметр банки равен ее высоте. Размеры банок рассчитаны с учетом этого соотношения диаметра и высоты, чтобы максимально эффективно использовать металл. Однако проще и дешевле перенастроить производственную линию для изготовления банок другой высоты, чем менять их диаметр, и поэтому была разработана система стандартных диаметров банок (в таблице 1 приведены стандартные диаметры круглых банок как в имперских, так и в метрических единицах). Поэтому для банок определенной вместимости обычно используются определенные размеры банок. Номинальный размер круглых банок указан как диаметр х высота.
Размеры прямоугольных банок представлены в виде трех наборов цифр: первые два набора — это размеры основания, а третий — размер по высоте. В качестве метрических единиц обычно используются миллиметры; имперские размеры представлены тремя цифрами: первая цифра выражена в целых дюймах, а две вторые цифры обозначают 16-ю долю дюйма. Например, банка размером 307 х 403 мм имеет диаметр 3-7/16 дюйма и высоту 4-3 /16 дюйма. В таблице 2 приведены некоторые из наиболее широко используемых банок для пищевых продуктов.