Консервирование пищевых продуктов остается одной из важных отраслей пищевой промышленности. В ранних подходах к консервированию пищевых продуктов использовались естественные методы консервирования, такие как сушка на солнце, соление и ферментация, которые использовались для производства продуктов питания в периоды, когда свежие продукты были недоступны.
По мере развития цивилизации спрос на большое количество более качественных продуктов питания также возрастал. Это привело к развитию крупной индустрии консервирования пищевых продуктов, целью которой было обеспечение потребителей высококачественными продуктами питания экономичным способом. Термическая стерилизация пищевых продуктов является наиболее важной частью этой отрасли (Карел и др., 1975).
Другие способы стерилизации, такие как импульсное электрическое поле (Барбоза-Канова и др., 1998; Барбоза-Канова и Чжан, 2000; Цзя и др., 1999; Мартин и др., 1997; Цинь и др., 1994, 1998; Сепульведа-Ахумада и др., 2000; Вега-Меркадо и др., 1997, 1999; Чжан и др., 1995), сверхвысоким гидростатическим давлением (Барбоза-Кановас и др., 1997а; Фурукава и Хаякава, 2000; Палуа и др., 1999; Санчо и др., 1999) и ультрафиолетовой обработкой (Фарид и др., 2000) были широко изучены. Однако, за исключением обработки под высоким давлением, эти технологии еще не достигли стадии коммерциализации.
Основы термической стерилизации
Известны два различных способа традиционной термической обработки: асептическая обработка, при которой пищевой продукт стерилизуется перед упаковкой, и консервирование, при котором продукт упаковывается и затем стерилизуется (Barbosa-Canovas et al., 1997b). После консервирования продукты должны пройти термическую обработку для уничтожения большинства микроорганизмов (например, стерилизацию).
В 1981 году пищевая промышленность только в Соединенных Штатах переработала более 16,3 миллиарда кг пищевых продуктов примерно в 37 миллиардах контейнеров (Kumar et al., 1990). Термическая стерилизация является одним из наиболее эффективных способов сохранения значительной части наших продуктов питания. Цель стерилизации — продлить срок годности пищевых продуктов и сделать их безопасными для употребления в пищу человеком за счет уничтожения вредных микроорганизмов.
Стерилизатор — это устройство, в котором пища нагревается при высокой температуре, а затем выдерживается при этой температуре в течение периода, достаточного для уничтожения опасных микроорганизмов в пищевом продукте. Стерильный продукт — это продукт, в котором отсутствуют жизнеспособные микроорганизмы. Жизнеспособный организм — это тот, который способен к размножению при создании оптимальных для его роста условий.
Температура, немного превышающая максимальную для роста бактерий, приводит к гибели вегетативных бактериальных клеток, в то время как споры бактерий могут выживать при гораздо более высоких температурах. Поскольку споры бактерий гораздо более термостойки, чем вегетативные клетки, они имеют первостепенное значение в большинстве процессов стерилизации. Насыщенный водяной пар является наиболее часто используемой и востребованной теплоносителем для стерилизации консервированных продуктов в промышленных масштабах. Обычное консервирование состоит из следующих операций:
1. Подготовка продукта (очистка, нарезка, сортировка, бланширование и т.д.)
2. Наполнение контейнера
3. Герметизация контейнера
4. Помещаем контейнер в автоклав периодического или непрерывного действия, где он нагревается в течение времени, достаточного для обеспечения стерильности в промышленных условиях
5. Охлаждаем контейнер, для чего обычно используется холодный душ
Перегонный куб является старейшим типом оборудования, используемого для термической обработки. Он до сих пор используется на крупных консервных заводах для производства продуктов в металлической и стеклянной упаковке. Способ стерилизации с использованием перегонного куба заключается в загрузке контейнеров, которые сразу после закатки помещают в корзины, а затем в железный сосуд соответствующей конструкции (автоклав), закрывают сосуд и нагревают контейнеры паром. Температуру регулирует контроллер, а продолжительность нагрева определяется скоростью теплопередачи в контейнеры.
Подачу пара в автоклав следует производить с осторожностью, так как необходимо вытеснить весь воздух из автоклава. Присутствие воздуха во время термической стерилизации может привести к недоочистке, поскольку паровоздушные смеси снижают скорость теплопередачи (Карел и др., 1975). Перегонные кубовые автоклавы обычно располагаются вертикально или горизонтально.
Резервуар высокого давления с металлическим корпусом оснащен впускным отверстием для пара (A), впускным отверстием для воды (B), выпускными отверстиями для выпуска воздуха во время подъема автоклава и для слива (D), выпускными отверстиями для выпуска воздуха из автоклава в конце цикла (C), а также предохранительным и напорным клапанами. предохранительный клапан (F).
Сбоку емкости расположен отсек для инструментов, термометра, датчика температуры и манометра давления. Рабочий цикл автоклава этого типа включает в себя нагрев автоклава до температуры около 121°C. Затем через емкость пропускают пар, чтобы удалить весь воздух из автоклава и между банками (выпустить пар через вентиляцию), прежде чем автоклав окончательно нагреется до рабочего давления и температуры обработки (Rahman, 1999).
По истечении времени обработки пар отключают, а в автоклав вводят смесь охлаждающей воды и воздуха для охлаждения банок. Воздух предназначен для поддержания давления в автоклаве после конденсации остаточного пара после первоначального введения охлаждающей воды. Если не поддерживать это давление, контейнеры могут деформироваться из-за разницы давлений внутри и снаружи контейнера. В последнее время особое внимание уделяется тепловой стерилизации пищевых продуктов с целью повышения скорости нагрева, что позволяет увеличить производительность и свести к минимуму ухудшение качества продукции.
Теплопередача
При стерилизации консервированных продуктов механизм теплопередачи через жидкие пищевые продукты в банках классифицируется как конвекционный нагрев, теплопроводящий нагрев или комбинированный механизм конвекции и теплопроводящего нагрева (Herson and Hulland, 1980). Теплопроводность — это движение тепла путем прямой передачи молекулярной энергии внутри твердых тел. Свободная конвекция — это передача тепла в жидкости группами молекул или объемами жидкости, которые перемещаются в результате разницы в плотности жидкости.
В большинстве случаев эти два типа теплопередачи происходят одновременно, но один из них может быть более важным, чем другой. Устойчивый режим теплопередачи имеет место, когда температура не меняется со временем. Однако в большинстве случаев в пищевой промышленности температура продуктов, нагревательной или охлаждающей среды постоянно меняется, и чаще всего наблюдается неустойчивый режим теплопередачи. Расчеты теплопередачи в этих условиях сложны, но их можно упростить, сделав ряд допущений (Fellows, 1996). В этой главе не будет обсуждаться теплопередача с принудительной конвекцией, поскольку она неприменима для решения ряда задач, изложенных в этой книге.
Тема принудительной конвекционной теплопередачи хорошо описана в большинстве учебников по теплопередаче. Кроме того, анализ теплопередачи, представленный в этой главе, не охватывает теплопередачу с фазовым переходом, таким как замораживание или испарение. При автоклавировании на поверхности банок или пакетов происходит конденсация пара. Однако коэффициент теплопередачи при конденсации достаточно велик, чтобы можно было предположить, что температура поверхности совпадает с температурой конденсирующегося пара.
Расчет коэффициентов теплопередачи при испарении и конденсации хорошо описан в большинстве учебников по теплопередаче (Holman, 1992; Инкропера и Девитт, 1996). Теплопередача излучением не играет важной роли в теплопередаче при автоклавировании, поскольку температура нагрева не превышает 121°C, и, следовательно, не будет рассматриваться в анализе, представленном в этой книге. В литературе приведены данные о теплопроводности различных пищевых материалов. Примечательной особенностью пищевых продуктов является их низкая теплопроводность по сравнению с металлами.
В металлах электроны передают большую часть тепловой энергии, тогда как в пищевых продуктах, основным компонентом которых является вода, концентрация свободных электронов невелика, а механизм передачи включает в себя главным образом вибрацию атомов и молекул (Karel et al., 1975). Кроме того, теплопроводность жидких пищевых продуктов близка к теплопроводности воды.
Теплопроводность в нестационарном режиме
В пищевой промышленности существует множество ситуаций, когда температура зависит от времени. Наиболее заметными примерами нестационарного теплообмена являются нагрев и охлаждение сыпучих материалов, например, охлаждение и разогрев продуктов в контейнерах (консервирование). Если нагреваемый или охлаждаемый материал твердый, то тепло будет передаваться только за счет теплопроводности.
Расчеты нестационарного процесса теплопередачи обычно сложны и требуют решения уравнения Фурье, записанного в виде уравнения в частных производных в трех измерениях (Карел и др., 1975). При нестационарном режиме теплопередачи температура внутри продукта в процессе обработки зависит от времени и положения. На изменение температуры влияют
1. начальная температура нагреваемого изделия
2. температура теплоносителя
3. коэффициент теплопередачи на поверхности (коэффициент теплопередачи на всех поверхностях раздела, а также при использовании конвекции)
4. теплопроводность, удельная теплоемкость и плотность продукта и их изменение в зависимости от температуры и состава
5. толщина нагреваемого продукта
Граничные условия конвекции
В большинстве практических ситуаций проблема временной теплопроводности связана с граничными условиями конвекции на поверхности твердого тела. Естественно, граничные условия для дифференциального уравнения должны быть изменены, чтобы учесть конвективный перенос тепла на поверхности (Holman and White, 1992). Наиболее важными примерами являются пластины, толщина которых меньше их других размеров, цилиндры, диаметр которых меньше их длины, и сферы. Результаты для этих геометрических форм были представлены в графической форме, известной как диаграммы Хейслера (Heisler, 1947; Holman, 1992).
Во всех случаях температура конвекции обозначается как T∞, а температура в центре пластины (x = 0) или цилиндра и сферы (r = 0) — как T0. Предполагается, что в нулевой момент времени каждое твердое тело имеет одинаковую температуру Ti. Температуры твердых тел приведены на диаграммах Хейслера в зависимости от времени и пространственного положения. Расчеты для диаграмм Хейслера выполняются путем сокращения бесконечных рядов решений задач на несколько членов. Это ограничивает применимость диаграмм к значениям числа Фурье (Fo), превышающим 0,2. Диаграммы Гейслера могут быть использованы для получения распределения температуры в бесконечной пластине, длинном цилиндре или сфере.
При обнаружении стенки, высота и глубина которой невелики по сравнению с толщиной, или цилиндра, длина которого невелика по сравнению с его диаметром, для определения температуры необходимы дополнительные пространственные координаты, и приведенные выше диаграммы больше не применяются. В этом случае мы должны искать другое решение (Holman and White, 1992). К счастью, можно очень простым способом объединить решение для одномерной системы, чтобы получить решения для многомерных задач. Существует множество других практических задач, представляющих интерес для отопления и охлаждения.
Решения для большого числа случаев представлены в графической форме Шнайдером (Schneider, 1955). Приведенные выше графики очень полезны для расчета температур в некоторых твердых телах правильной формы в условиях нестационарного теплового потока. К сожалению, многие геометрические фигуры, представляющие практический интерес, не подпадают под эти категории, и мы также часто сталкиваемся с задачами, в которых граничные условия меняются со временем. Эти переходные граничные условия, а также геометрическая форма тела не допускают аналитических решений. В таких случаях проблемы лучше всего решаются с помощью численных методов, подобных тем, которые используются и подробно представлены в этой книге для термической стерилизации в банках и пакетах.
Свободная конвекция
Когда температура жидкости изменяется, возникающие в результате изменения плотности создают естественные конвекционные потоки, которые возникают в результате перемещения объема жидкости, например, при перемещении жидкости внутри банки во время стерилизации. Очевидно, что теплопередача за счет теплопроводности происходит одновременно, но, как правило, она незначительна по сравнению с конвекционной передачей тепла (Карл и др., 1975).
Скорость конвекционной передачи тепла определяется законом охлаждения Ньютона. В литературе имеется большое количество эмпирических корреляций, описывающих взаимосвязь между Nu, Gr и Pr для многих случаев (Holman, 1992; Инкропера и Девитт, 1996; Миллс, 1995). К таким случаям относятся жидкости, нагреваемые или охлаждаемые вертикальными и горизонтальными твердотельными цилиндрами, наклонными поверхностями и т.д.
Эти соотношения являются приблизительными и чисто эмпирическими и могут использоваться только для тех геометрических форм, для которых они были разработаны. Такие эмпирические корреляции отсутствуют в литературе для жидкости, нагреваемой в баллонах или пакетах. Единственный оставшийся подход к объяснению свободной конвекции жидкости в этих геометриях заключается в решении уравнений Навье–Стокса о неразрывности, сохранении импульса и энергии в пространстве цилиндра и пакета, как описано в следующих статьях.