Термическая обработка пищевых продуктов, как и приготовление пищи, включает в себя нагревание продуктов. Однако термическая обработка применяется для обеспечения безопасности пищевых продуктов, а не обязательно для приготовления пищи. Термическая обработка как способ сохранения сырых продуктов была изобретена во Франции в 1795 году Николасом Аппером, шеф-поваром, который был полон решимости выиграть приз в размере 12 000 франков, предложенный Наполеоном за способ предотвратить порчу военных запасов продовольствия.
Апперт работал с Питером Дюраном над консервированием мяса и овощей в банках или жестяных баночках под вакуумом и запечатыванием смолой, а к 1804 году открыл свой первый завод по вакуумной упаковке. Эта французская военная тайна вскоре просочилась наружу, но Луи Пастеру потребовалось более 50 лет, чтобы объяснить эффективность метода Аппера, когда он смог продемонстрировать, что рост микроорганизмов является причиной порчи продуктов питания.
Консервирование для хранения путем термической обработки и удаления атмосферы обычно называется консервированием, независимо от того, в какой таре хранятся продукты. Основные принципы консервирования практически не изменились с тех пор, как Аппер и Дюран разработали этот процесс: подвергайте продукты достаточному нагреву для уничтожения или инактивации микроорганизмов, затем упаковывайте их в герметичные контейнеры, в идеале под вакуумом. Срок годности консервированных продуктов при обычных температурах составляет от одного до четырех лет, что делает их удобными, недорогими и простыми в транспортировке.
Теплопередача
Основными механизмами теплопередачи, участвующими в тепловой обработке упакованных пищевых продуктов, являются конвекция и теплопроводность. Передача тепла с помощью конвекции происходит за счет движения и перемешивания потоков. Термин «естественная конвекция» относится к случаю, когда движение и перемешивание потоков вызвано различиями в плотности в разных местах из-за температурных градиентов. Термин «принудительная конвекция» относится к случаю, когда движение и перемешивание потоков вызывается внешней силой, например, вентилятором. Теплопередача за счет теплопроводности происходит, когда атомы и молекулы сталкиваются, передавая кинетическую энергию.
По идее, атомы связаны со своими соседями, и если к одной части твердого тела подводится энергия, атомы будут вибрировать и передавать свою энергию соседним частям и так далее. Основные механизмы теплопередачи, задействованные в термической обработке упакованных пищевых продуктов. Хотя на рисунке изображена цилиндрическая банка (цилиндр конечного диаметра и высоты), аналогичная ситуация может возникнуть при обработке других типов упаковки, таких как стеклянные контейнеры, ретортируемые пакеты, жесткие и полужесткие пластиковые контейнеры. Как правило, независимо от формы, размеры упаковок для пищевых продуктов варьируются от 0,1 до 5 л (Holdsworth and Simpson, 2016).
Основным механизмом передачи тепла от теплоносителя (например, пара или горячей воды) к контейнеру или упаковке является конвекция. Затем тепло передается посредством теплопроводности через стенки контейнера или упаковки. При попадании в контейнер передача тепла через покрывающую жидкость происходит за счет конвекции, а в твердых продуктах — в основном за счет теплопроводности. В случае жидких продуктов основным механизмом является конвекция. Скорость теплопередачи в упакованных пищевых продуктах зависит от технологических факторов, характеристик продукта и типа упаковки. Технологические факторы включают температурный режим реторты, время процесса, теплоноситель и перемешивание в контейнере.
Факторы, влияющие на качество продукта, включают его состав, консистенцию, начальную температуру, начальную концентрацию спор, коэффициент температуропроводности и рН. К факторам, связанным с типом упаковки, относятся материал контейнера, поскольку скорость теплопередачи зависит от теплопроводности и толщины материала, а также форма контейнера, поскольку площадь поверхности на единицу объема влияет на скорость проникновения тепла.
Термостойкость микроорганизмов, вызывающих озабоченность
Основной целью при разработке процесса стерилизации пищевых продуктов является уничтожение микроорганизмов, вызывающих пищевые отравления и порчу. Чтобы разработать безопасный процесс стерилизации, необходимо определить соответствующие рабочие условия (время и температуру), соответствующие заранее установленным критериям стерилизации. Чтобы установить этот критерий, необходимо знать термостойкость микроорганизмов, тепловые свойства пищевых продуктов и упаковки, а также форму и размеры упакованных пищевых продуктов.
Исходя из этого, можно определить температуру реторты и время выдержки (то есть условия для инактивации), сколько времени потребуется для достижения этой температуры (время разогрева) и сколько времени потребуется для охлаждения примерно до 40°C (время охлаждения). (Холдсворт и Симпсон, 2016). Уровень рН пищевых продуктов чрезвычайно важен для выбора параметров процесса стерилизации, то есть температуры в реторте и времени выдержки, поскольку микроорганизмы лучше растут в менее кислой среде.
Вот почему стандартный коммерческий процесс стерилизации основан на использовании наиболее резистентного микроорганизма (Clostridium botulinum) при наихудших условиях (более высокий уровень рН) (Teixeira et al., 2006). Термостойкость микроорганизмов выше в продуктах с низким содержанием кислоты (рН ≥ 4,5-4,6). С другой стороны, продукты со средним и кислым содержанием кислоты требуют гораздо более мягкой термической обработки (более низкой температуры), чтобы соответствовать критерию стерилизации.
Критерий стерилизации пищевых продуктов и его расчет
Стерилизация означает полное уничтожение или инактивацию микроорганизмов. Научное и инженерное сообщество в области пищевых продуктов одобрило использование кинетики первого порядка для инактивации Clostridium botulinum. Опять же, этот патоген является микроорганизмом-мишенью в процессах, в которых для стерилизации пищевых продуктов используется тепло. Теоретически, время, необходимое для полной инактивации Clostridium botulinum, бесконечно. Это уравнение показывает, что конечная концентрация Clostridium botulinum (Nf) стремится к нулю, когда время (t) стремится к бесконечности; следовательно, невозможно достичь конечной концентрации, равной нулю для целевого микроорганизма.
Таким образом, необходимо определить критерий стерилизации (или коммерческий критерий стерилизации), чтобы разработать процесс, гарантирующий получение безопасного продукта в течение ограниченного времени. Уровень микробной инактивации, определяемый величиной микробной летальности или совокупной летальностью, является способом количественной оценки процесса стерилизации. В частности, значение стерилизации, обозначаемое как F0, представляет собой время, необходимое при температуре 121,1°C для достижения 12-десятичных сокращений (12D). Другими словами, F0 — это время, необходимое для снижения начальной концентрации микроорганизмов с N0 до N0/1012 при температуре процесса 121,1°C.
Критерий стерилизации 12D — это экстремальный процесс (т.е. чрезмерное количество), предназначенный для того, чтобы гарантировать отсутствие клеток C. botulinum в продуктах питания и, следовательно, предотвратить заболевание или смерть. Согласно FDA (1972), минимальная термическая обработка пищевых продуктов с низким содержанием кислоты должна составлять не менее 3 мин (что больше, чем 12D; D для C. botulinum при температуре 121,1°C составляет 0,21 мин, тогда 12 × 0,21 = 2,52 мин, что меньше, чем 3 мин). Таким образом, термический процесс коммерческой стерилизации пищевого продукта должен иметь значение F0, превышающее 3 минуты.
Процесс коммерческой стерилизации
Общая, упрощенная технологическая схема типичного промышленного консервного завода представлена на рисунке.
Этап 1: Выбор и приготовление продуктов питания максимально чисто, быстро и точно, насколько это возможно. К продуктам, которые сохраняют свой желаемый цвет, аромат и текстуру благодаря коммерческой стерилизации, относятся брокколи, кукуруза, шпинат, горох, зеленая фасоль, персики, вишня, ягоды, соусы, пюре, джемы и желе, фруктовые и овощные соки, а также некоторые виды мяса (Featherstone, 2015).
Приготовление должно проводиться с особой тщательностью и с наименьшими повреждениями и потерями, чтобы свести к минимуму финансовые затраты на операцию. При неправильном обращении с продуктами эффективность стерилизации снижается.
Этап 2: Упаковка продукта в герметично закрывающуюся тару (банки, бидоны или пакеты) и герметизация под вакуумом для удаления остаточного воздуха. Менее распространенным подходом является сначала стерилизация пищевых продуктов, а затем их асептическая упаковка (асептическая обработка и фасовка пищевых продуктов).
Этап 3: Стабилизация продукта путем стерилизации с помощью тщательной термической обработки (т.е. высокой температуры для достижения нужной степени стерилизации или целевого уничтожения микроорганизмов, присутствующих в продукте) с последующим охлаждением продукта до низкой температуры (около 40°C), при которой ферментативные и химические реакции реакции начинают замедляться.
Этап 4: Хранение при температуре ниже 35°C, при которой микроорганизмы, вызывающие порчу пищевых продуктов, не могут размножаться.
Этап 5: Маркировка, вторичная упаковка, распространение, маркетинг и потребление. Хотя этот этап и не является частью термического процесса как такового, он посвящен этапам, необходимым для коммерциализации обработанных пищевых продуктов. В этой главе основное внимание уделяется этапу 3, термической обработке.
Целью термического процесса является инактивация под воздействием тепла спор и микроорганизмов, присутствующих в необработанном продукте. Термический процесс проводится в сосудах, известных как реторты или автоклавы, для достижения требуемых высоких температур (обычно выше 100°C).
Как показано, типичный процесс стерилизации состоит из трех основных этапов: время приготовления, время работы оператора и охлаждение.
Первый этап — определение времени выдержки (CUT) — это время, необходимое для достижения заданной температуры реторты (TRT), т.е. заданной температуры в реторте.
Второй этап — это время выдержки (Pt), также называемое временем обработки оператором, которое представляет собой период времени, в течение которого необходимо поддерживать температуру в реторте для обеспечения желаемой степени летальности. Это зависит от целевого микроорганизма или ожидаемого микробиологического загрязнения.
Завершающим этапом является охлаждение, при котором температуру продукта снижают путем подачи в емкость холодной воды.
Цель охлаждения продуктов — свести к минимуму их чрезмерную (тепловую) обработку и избежать риска развития термофильных микроорганизмов. Во время цикла охлаждения может возникнуть необходимость в подаче стерильного воздуха в упаковку для пищевых продуктов, чтобы избежать резких перепадов внутреннего давления и деформации упаковки с возрастом.
Концепции, описанные в этой главе, описывают ключевые принципы применения термической обработки упакованных пищевых продуктов для достижения требуемой летальности для обеспечения безопасности пищевых продуктов. Эти концепции могут быть использованы для разработки термической обработки, которая обеспечит достаточное время обработки и безопасность пищевых продуктов, избегая при этом чрезмерной обработки упакованных пищевых продуктов. Это должно обеспечить безопасность, вкус и питательность упакованных продуктов.