Введение в термическую обработку
Термическая обработка обычно относится к стерилизации пищевых продуктов в контейнерах (Awuah et al., 2007). Термическая обработка является наиболее широко используемым методом консервирования пищевых продуктов и увеличения срока их годности. Первый расчет минимальной обработки для получения безопасных продуктов был произведен в 1920 году. С тех пор технологические процессы претерпели значительные изменения, но основная концепция остается прежней: применение высокой температуры в течение достаточно длительного времени позволяет уничтожить микроорганизмы, которые могут представлять опасность для здоровья населения или привести к порче продукта.
Воздухонепроницаемый и микробиологически непроницаемый контейнер предотвращает повторное загрязнение и поддерживает среду, которая уменьшает возможности для роста микроорганизмов с высокой термостойкостью. Согласно теоретическим моделям уничтожения микроорганизмов, достичь полной стерильности невозможно (Awuah et al., 2007). Попытка достичь полной стерильности потребовала бы создания условий, приводящих к получению непригодного продукта. Для практических целей был разработан термин «коммерческая стерильность».
Коммерческая стерильность пищевых продуктов, прошедших термическую обработку, означает состояние, достигаемое путем применения тепла, достаточного, отдельно или в сочетании с другими подходящими видами обработки, для того, чтобы очистить пищевые продукты от микроорганизмов, способных расти в них в обычных неохлажденных условиях, при которых продукты питания, скорее всего, будут храниться во время раздачи и хранения. Разработать хороший термический процесс далеко не просто. Это требует больших знаний о методах обработки, о том, как компоненты пищевого продукта реагируют на термическую обработку и как это влияет на микроорганизмы (Awuah et al., 2007). Результат термического процесса зависит от физических свойств продукта, размера и формы упаковки, вида присутствующих микроорганизмов и их термостойкости.
Обработка пищевых продуктов в автоклавах
Тепловая стерилизация, также известная как приготовление под давлением или обработка в автоклаве, является распространенным методом стерилизации пищевых продуктов в контейнерах. При традиционном способе тепловой стерилизации контейнеры с пищевыми продуктами помещают на подставки, где они хранятся неподвижно при нагревании водой, паром или смесью пара и воздуха (Awuah et al., 2007).
Пакеты для стерилизации относительно уязвимы, что делает необходимым избыточное давление, чтобы избежать повреждений и, как следствие, потери целостности уплотнения. Давление, необходимое в автоклаве, выше атмосферного для стерилизации при температуре 120 °C. Для создания избыточного давления во время технологического цикла подается сжатый воздух или дополнительный водяной пар. Разработка автоклавов была направлена на использование паровоздушной смеси для нагрева вместо воды или насыщенного пара (Толедо, 2007). Считается, что эта система лучше всего подходит для хрупких емкостей, таких как пакеты-реторты. Причина в том, что не требуется никаких дополнительных усилий, что исключает опасность разрыва упаковок при резких перепадах давления.
Крупная тара стерилизуется довольно медленно, так как требуется много времени, чтобы все содержимое достигло нужной температуры. В такой таре максимальная температура составляет 121 °C. Если используется более высокая температура, продукты готовятся у стенки (Potter & Hot chkiss, 1999). Поскольку упаковка практически не перемещается, требуется много времени, чтобы температура остывания достигла температуры стерилизации. При термической обработке пищевых продуктов, которые не перемешиваются, будет наблюдаться температурный градиент от поверхности упаковки к центру продукта (Ryley & Kajda, 1994). Внешняя часть подвергнется суровой обработке, что приведет к потере качества.
Время обработки может быть значительно сокращено за счет перемешивания контейнеров, создания циркуляции внутри них и увеличения скорости теплопередачи (Potter & Hotchkiss, 1998). Контейнеры можно переворачивать из стороны в сторону или вращать вокруг своей длинной оси. Один из методов может быть более эффективным, чем другой, в зависимости от конкретных физических свойств продукта. Перемешивание снижает риск пригорания продуктов к стенке, что позволяет использовать более высокую температуру. Как будет описано ниже, более высокая температура и меньшее время приготовления, как правило, благоприятно сказываются на качестве продукта. Перемешивание наиболее эффективно для жидких или полужидких пищевых продуктов, которые можно легко перемешивать, перемещая упаковки. Для оптимальной оборачиваемости продукта необходимо некоторое свободное пространство внутри упаковок.
Распространенными альтернативами стерилизации в контейнерах являются HTST (кратковременная обработка при высокой температуре) и UHT (ультравысокотемпературная обработка), при которых продукты проходят через теплообменник (Awuah et al., 2007). Его выдерживают в камере до тех пор, пока не будут достигнуты нужные температура и время. Затем продукты упаковываются в стерилизованные упаковочные материалы для выдержки. До сих пор этот метод использовался в основном для жидких продуктов. Власти одобрили использование этого метода для продуктов с мелкими частицами, но он еще не был одобрен для продуктов с крупными частицами. Причина в трудностях с доказательством летальности микроорганизмов, содержащихся в крупных частицах при прохождении через теплообменник.
Теплопроводность и конвекция при стерилизации консервов
Важными механизмами теплопередачи для продуктов тепловой стерилизации являются теплопроводность и конвекция (Potter & Hotchkiss, 1998). При теплопроводности тепло передается от одной частицы к другой по более или менее прямым линиям. Это относится к твердым продуктам и другим ситуациям, когда продукты не перемещаются. Конвекция, с другой стороны, способствует перемещению продуктов. Естественная конвекция возникает, когда нагретые части продукта поднимаются из-за уменьшения плотности, вызывая циркуляцию внутри продукта. Циркуляция ускоряет теплопередачу по всему продукту. Принудительная конвекция возникает, когда механически создается циркуляция, например, путем перемешивания. Молоко нагревается конвективным способом за счет тепла, поступающего через стенки упаковки. С другой стороны, твердые кусочки куриного мяса будут нагреваться только за счет теплопроводности, получаемой из окружающей среды. Конвекционный нагрев происходит намного быстрее, поэтому жидкость нагревается быстрее, чем кусочки.
Зона с самым медленным нагревом
Когда нагрев подается снаружи, как это делается в автоклавах, продукты, находящиеся ближе всего к поверхности, первыми достигают конечной температуры стерилизации (Potter & Hotchkiss, 1998). Точка, в которой продукт в последнюю очередь достигает температуры стерилизации, называется точкой охлаждения или точкой самого медленного нагрева.
Для обеспечения стерильности в промышленных условиях температура стерилизации должна достигать самой низкой температуры нагрева и оставаться такой в течение времени, необходимого для уничтожения наиболее устойчивых бактериальных спор. Расположение точки охлаждения зависит от характеристик продукта и геометрии контейнера (Ричардсон, 2004). В жестяных банках точка остывания всегда находится где-то вдоль вертикальной оси. В продуктах, нагреваемых только за счет теплопроводности, точка остывания будет находиться в геометрическом центре. В продуктах, нагреваемых конвекцией, точка остывания будет смещена вниз на величину, которая зависит от интенсивности движения. Температура в упаковках сложной геометрии, таких как пластиковые лотки или пакеты, будет менее предсказуемой при охлаждении. То же самое относится к продуктам, в состав которых входят жидкие и твердые вещества. Для определения температуры остывания может потребоваться измерение температуры во многих точках упаковки.
Измерения температуры в процессе стерилизации
При разработке процесса нагрева необходимо контролировать температуру в холодной точке. Это можно сделать с помощью термопар или термисторов. Регистраторы данных должны быть установлены на минимально возможный интервал времени, чтобы получить как можно более точные данные о термообработке (Ричардсон, 2004). Для большинства процессов интервал не должен превышать 30 секунд.
В работе Holdsworth & Simpson (2007, стр. 150), посвященной размещению термопары, говорится следующее, что очень важно для продукта в данном исследовании: для смешанных продуктов, которые нагреваются как за счет конвекции, так и за счет теплопроводности одновременно, например картофеля в рассоле, необходимо обеспечить надлежащую обработку центра картофеля. поэтому термопары должны располагаться в центре картофелины с наибольшими размерами. В худшем случае емкости, в которых проводятся измерения температуры, могут быть переполнены, что приведет к замедлению теплопередачи (Ричардсон, 2004). Обычно достаточно переполнения на 10%.
Влияние нагрева на качество консервируемого продукта
В дополнение к влиянию на выживаемость микроорганизмов, необходимо также учитывать влияние на вкусовые качества, пищевую ценность и другие факторы качества. Высокие температуры и время, необходимые для обеспечения сохранности продукта при хранении, могут вызвать реакции, влияющие на качество. Последствия этого носят как качественный, так и количественный характер. Изменения внешнего вида, вкуса и текстуры являются примерами качественных потерь (Awuah et al., 2007). Ухудшение питательных свойств, с другой стороны, является примером количественных потерь, которые могут произойти.
Приемлемый термический процесс должен обеспечивать инактивацию микроорганизмов и в то же время сводить к минимуму сопутствующие нежелательные химические реакции (Толедо, 2007). Данные о влиянии повышенных температур на химические реакции важны для определения изменений качества, возникающих в результате термического процесса.
Ученые-пищевики используют параметр, называемый z-значением, для описания температурной зависимости химических реакций (Brennan, 2006). Он определяется как изменение температуры, которое приводит к десятикратному изменению времени восстановления после запятой, которое является временем, необходимым для 90%-ного восстановления исследуемого вещества. Чем ниже значение z, тем более чувствительной к температуре является реакция.
Значение z для большинства химических реакций, связанных с потерей качества пищевых продуктов, по меньшей мере в два раза превышает значения z для инактивации микроорганизмов, которые обычно имеют значения z около 10 °C (Толедо, 2007). Как можно понять, такие свойства, как вкус, цвет, текстура и питательная ценность, как правило, более чувствительны к длительному хранению, чем к высоким температурам. По этой причине в пищевой промышленности принято повышать температуру, чтобы сократить время приготовления, тем самым замедляя реакции, снижающие качество, но не снижая инактивацию микроорганизмов (Толедо, 2007).
Выбор промышленного автоклава
Для достижения наилучшего результата вместо стационарного автоклава следует использовать автоклав, позволяющий перемешивать пакеты, так как это сокращает время обработки. Снайдер и Хендерсон (Snyder & Henderson, 2007) показали, что перемешивание является важным фактором, влияющим на продолжительность обработки продуктов, содержащих твердые частицы, в жидкой среде. Кроме того, перемешивание позволяет использовать более высокую температуру обработки, что еще больше сокращает время обработки.
Выводы и рекомендации
Результаты измерений температуры и микробиологических тестов показывают, что продукт после термической обработки является коммерчески стерильным. К сожалению, вкусовые качества продуктов недостаточны. Расчет кулинарной ценности подтверждает вывод о том, что продукт подвергается слишком длительной термической обработке. Однако результаты литературных исследований показывают, что можно готовить пищевые продукты, состоящие из крупных кусков, в жидкой среде в мешочках-ретортах, сохраняя приемлемое качество в течение длительного времени хранения при температуре окружающей среды.
Основной проблемой этого исследования был автоклав. Он нагревался слишком медленно, не позволял вручную регулировать избыточное давление и не имел системы подачи охлаждающей воды. Дальнейшие испытания необходимо проводить в автоклаве, обеспечивающей очень быстрый нагрев с использованием пара и очень быстрое охлаждение с использованием охлаждающей воды. Автоклав должен обеспечивать поддержание высокого давления в течение всего процесса, включая фазу охлаждения, чтобы избежать разрыва емкостей. Рекомендуется проводить дальнейшие испытания и при дальнейшем крупномасштабном производстве с использованием автоклава, позволяющего перемешивать контейнеры. Перемешивание ускоряет теплопередачу, сокращает время обработки и повышает качество продукта.
Многие результаты практических испытаний в рамках данного исследования следует рассматривать как ориентировочные значения, поскольку в ходе этого первого раунда испытаний было проанализировано относительно небольшое количество образцов. Когда процесс, ведущий к улучшению вкусовых качеств, налажен, следует провести более обширные сенсорные тесты с большим количеством потребителей для тщательной оценки их приемлемости.
Более точные оценки пищевой ценности также следует проводить путем анализа большего количества упаковок. Чтобы определить, как долго продукт сохраняет приемлемые вкусовые качества, необходимо провести исследование срока годности. Микробиологический статус следует оценивать в течение всего срока годности, поскольку восстановление спор, поврежденных при нагревании, может происходить медленно.