В наши дни для консервирования пищевых продуктов, помимо использования консервных банок, стали использовать пакеты-реторты. И то, и другое имеет свои преимущества, и пакет-реторта стал более популярным из-за того, что он дешевле и его легче перерабатывать. Общий метод, обычно используемый для оценки эффективности процесса стерилизации промышленным способом. Показатель летальности был использован для оценки эффективности термического процесса.
Это исследование было направлено на то, чтобы выяснить, влияют ли различные слои материалов мешочка на летальность, и выявить различия в летальности двух типов многослойных реторт-пакетов: ПЭТ/алюминиевая фольга/нейлон/RCPP и ПЭТ/нейлон/модифицированный алюминий/CPP. Результат показал, что различное расположение слоев приводило к разной степени стерилизации (SV). ПЭТ/нейлон/модифицированный алюминий/CPP имели лучшую теплопроводность, что подразумевало более высокую летальность. Летальность ПЭТ/нейлона/модифицированного алюминия/CPP составила 6,24 минуты, в то время как летальность ПЭТ/алюминиевой фольги/нейлона/RCPP составила 3,54 минуты.
Вступление
Стерилизация была одним из методов консервирования для продления срока годности продуктов с низким содержанием кислот, при этом для уничтожения патогенных микроорганизмов и порчи продуктов использовалась высокая температура более 100°C. Доминирующими факторами, влияющими на сохранность пищевого продукта, особенно связанными с ростом и активностью микроорганизмов, были содержание питательных веществ, активность воды и значение рН. В процессе стерилизации продукты, находящиеся в банке, были помещены в автоклав, температура продукта не сразу достигла требуемой температуры процесса, но тепло будет медленно проникать внутрь банки. Скорость проникновения тепла можно было определить с помощью теста на проникновение тепла, который проводился путем помещения наконечника термопары в самую холодную точку [1]. Стерилизация направлена на уничтожение микробов, вызывающих порчу, и патогенов, чтобы продукт был готовым, с желаемой текстурой и вкусом [2],[3].
Стерилизацию необходимо было проводить при температуре, приблизительно равной 121°C, в течение определенного периода времени, когда заданная температура была достаточной для уничтожения болезнетворных бактерий, но не снижала питательные качества и вкусовую ценность консервов. Количество тепла, необходимое для процесса стерилизации, зависит от нескольких факторов, таких как вид упаковки, вид материала, рН, количество микробов, начальная температура продукта и источник тепла [3]. Стерилизация — это один из видов обработки, направленный на уничтожение всех микробов, включая споры. Достаточная степень стерильности может быть достигнута, если для получения тепла достаточно самой холодной точки внутри банки. Поэтому необходимы данные о процессе нагрева, основанные на скорости распространения тепла. Степень стерилизации обычно представлена в виде значения F, которое представляет собой время (в минутах), необходимое для уничтожения микробов при температуре 121°C. Это значение F зависит от температуры процесса и изменения температуры, при которой микробы были уничтожены, в течение 1 логарифмического цикла, или 10n, или значения Z [4],[5].
Значение Z было связано с устойчивостью микробов и их спор к воздействию высокой температуры, которое определялось как время термической гибели (TDT), то есть время, необходимое для уничтожения микробов в определенном количестве при определенных физических условиях. Материал с высоким содержанием белка и жира защищал споры от воздействия высокой температуры. Присутствие трав и специй, таких как горчица, гвоздика, красный лук, перец и чеснок, которые в качестве ароматизаторов могут продлить срок хранения, но лишь немногие из них эффективно снижают устойчивость спор микробов к нагреванию [6-8]. Реторт-пакет как альтернативное решение в упаковке, помимо использования консервов, стал более популярным в качестве готового к употреблению продукта. Для стерилизации реторт-пакетов требуется специальная обработка, которая отличается на консервных заводах. Изделия из реторт-пакетов, как правило, повреждаются из-за их неспособности противостоять внутренним силам, возникающим при расширении газа в свободном пространстве во время термического процесса. Во многих случаях использование автоклава с избыточным давлением, сочетание использования горячей воды в качестве нагревателя среды с использованием перегонного куба [9,10], а также комбинированное использование вакуумного упаковщика и перегонного куба (для продукта с низким содержанием воды) могут снизить риски.
При оценке летальности всегда важно убедиться в том, что термический процесс проходит в достаточном объеме. Термическая адекватность обычно выражается в виде десятичной доли микробной популяции. Время процесса нагрева при определенной температуре T, необходимое для достижения определенного значения стерилизации, называется значением FT, в то время как, в частности, когда термическая обработка проводилась при температуре 121,11°C или 250F, называется значением F0. Логарифмический цикл или значение стерилизации (SV) может быть получено путем умножения значения FT (время процесса стерилизации при температуре T) на эталонное значение D [2]. Как известно, наиболее токсичным микроорганизмом был Clostridium botulinum. Время, необходимое для того, чтобы помешать этому микробу прорасти, сократить один логарифмический цикл их популяции (D-значение), составило 0,21 минуты [11]. Это исследование было направлено на то, чтобы определить, влияет ли различная спецификация слоев мешка для стерилизации на летальный исход (F0) процесса стерилизации. Для расчета летального исхода использовался общий метод.
Подготовка сырья
Ингредиенты для мясного ренданга были куплены на рынке. Свежее мясо нарезали ломтиками, налили в форму кокосовое молоко и разогрели на маленьком огне, постоянно помешивая. Лист куркумы, лавровый лист, веточку лемонграсса, красный лук, чеснок, галангал, куркуму, имбирь, большой красный перец чили, красный острый перец чили, кайенский перец, кандилат, кориандр, тмин, мускатный орех, мелкую соль, кардамон, анис, перец, корицу, гвоздику, яванский перец чили, листья лайма измельчить в пюре. Эти молотые специи разделили на две части: одну часть добавили в подогретое кокосовое молоко, а другую подогрели вместе с нарезанным мясом. Затем нарезанное мясо, подогретое с добавлением этих специй, опустили в подогретое кокосовое молоко и готовили, непрерывно помешивая, до тех пор, пока оно не подсохнет.
Подготовка к нагреванию
Пустые пакеты для тестирования были помечены для размещения термопар, затем в них были проделаны отверстия и установлены термопары. Для испытания на проникновение тепла одну термопару поместили внутрь пакета, точно в точку самого медленного нагрева в центре. Провода термопары были вставлены в регистратор данных, отсортированы по номерам каналов, затем они были пропущены через регистратор данных. Автоклав заполнили дистиллированной водой до предельной высоты сосуда.
Подготовка к упаковке
Были приготовлены мясо и заправка для ренданга. По 60 г мяса и 60 г заправки разложили в пакетики, которые были прикреплены термопарой внутри. Затем наполненный пакетик высушили в течение 10 минут, а затем запечатали вакуумным упаковщиком.
Испытание на проникновение тепла
Наполненные пакеты помещали в автоклав. Температуру и время стерилизации устанавливали на 121°С и 25 минут соответственно. Максимальное давление поддерживали на уровне 0,8 кПа. После этого сосуд переворачивали, а также регистратор данных. Затем результат был напечатан на термобумаге регистратора данных
Оценка термической обработки
Для испытания на проникновение тепла в этом разделе использовался автоклав с избыточным давлением. Вакуумный упаковщик марки VAC STAR 2000CSI, 0,75 кВт*ч, 50 Гц, 1,9 А, В 3×380; Цифровые весы Camry; Также использовались аналитические весы. В качестве регистратора данных использовался Ellab CTF 9004 со спецификацией входного напряжения постоянного тока 1,2 А, 12 В, максимальной температурой 350°C с точностью 0,1°C, T ref = 121,1°C и значением Z, равным 10°C. Расчет и оценка летальности (F0) проводились с использованием программного обеспечения Microsoft Excel.
Результаты
Во время процесса стерилизации необходимо отслеживать изменение температурного режима пищевых продуктов и уровень гибели микробов, чтобы обеспечить оптимальную подготовку продукта для получения качественного продукта [2,5,12]. Показатель летальности при стерилизации использовался для определения эффективности термического процесса. В ходе этого исследования мы обнаружили, что на летальность продукта также влияет разный тип многослойной упаковки. Эффективность стерилизации определялась путем определения времени процесса при температуре T, которое было рассчитано на основе температурного профиля при тестировании на проникновение тепла. Расчет термической адекватности был проведен с использованием общего метода путем вычисления площади трапеции под кривой.
Мы можем видеть, что температура продукта может достигать температуры стерилизации (T автоклава) примерно за 50-60 минут. Время, достигаемое пакетом для автоклава из ПЭТ/алюминиевой фольги/нейлона/RCPP, составило 3,54 минуты. Это значение было достаточным, исходя из минимального процесса в 12 дней. По данным Лунда Д.Б. (1975), время, необходимое Clostridium botulinum для уменьшения популяции микробов за один логарифмический цикл (указанное как значение D), составило 0,21 минуты [11]. Тогда можно было бы рассчитать, что 12-дневный процесс заражения Clostridium botulinum должен длиться, по крайней мере, около 2,52 минут. Видно, что значение F0, достигаемое слоистым мешочком второго типа из ПЭТ/нейлона/модифицированного алюминия/реторты CPP, составляет 6,25 минут. На этом рисунке температура продукта достигает температуры стерилизации примерно за 40-60 минут. Для получения такого же значения F0 при таком расположении слоев пакета потребовалось меньше времени по сравнению с первым расположением слоев пакета, которое началось на 40-й минуте, тогда как первый многослойный пакет начался на 50-й минуте. Тепло проникает быстрее при расположении второго слоя пакета для автоклава, чем при расположении первого слоя. Различия в температуре стерилизации обоих продуктов были вызваны различиями в слоях компонентов реторт-пакетов.
Автоклав T показывал температуру в камере автоклава ZonGhon, в то время как автоклав T product показывала зарегистрированную температуру продукта. Однако, из обоих графиков следует, что для достижения требуемой температуры продуктов требуется время. Необходимая температура для процесса стерилизации была установлена на уровне 121°C. Снижение температуры в камере автоклава связано с процессом охлаждения, что влияет на снижение температуры продукта.
Значение F0 представляет собой время (минуты), необходимое для уничтожения микробов до определенного уровня при определенной температуре. Продолжительность процесса нагрева составила 6,25 минут. Это означает, что процесс нагрева пакета Rendang от начала и до конца был равен нагреву при постоянной температуре 121 °C в течение 6,25 минут. Однако необходимо было подробнее изучить разницу в проникновении тепла, основанную на расположении слоев мешочка. Согласно [5], споры некоторых определенных микробов, таких как Clostridium botulinum, выдерживали высокую температуру нагрева.
Фрайер и Роббинс (Fryer and Robbins, 2005) [14] сообщили, что расчетное значение F для уничтожения Clostridium botulinum в продуктах с высоким содержанием кислоты внутри банки при эталонной температуре 121,1°C составляет 3 минуты. Это значение указано как F03 или botulinum cook [14]. Стерилизация направлена на уничтожение порчи и болезнетворных микробов, чтобы продукт стал достаточно прожаренным, с желаемой текстурой и вкусом. Следовательно, процесс стерилизации проводился при высокой температуре и стал переваренным [2], [11], [3]. Помимо того, что это влияло на пищевую и сенсорную ценность, нагревание в процессе стерилизации также могло привести к повреждению слоев упаковки.
На скорость повреждения слоя влияли время, температура и технологическое давление [15]. Эффект стерилизации продукта или упаковки может сохраняться до тех пор, пока происходит процесс стерилизации из-за высокой температуры и давления. Некоторыми факторами, влияющими на процесс стерилизации, были вид микробов, начальная температура, кислотность продукта, размер и тип упаковки, рабочая температура и давление, процедура удаления воздуха, способ охлаждения, а также скорость теплопередачи внутри материала [16]. Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США установило стандарт коммерческой стерильности продукта, если вероятность размножения спор Clostridium botulinum составляла 10-9 (1 на 1 миллиард продуктов). В этом исследовании содержание микробов в исходном продукте составляло 10-2, что означает, что необходимое время стерилизации составляло не менее 11 дней (11 логарифмических циклов).
Видно, что летальность продукта, упакованного в пакет для упаковки из ПЭТ/нейлона/модифицированного алюминия/CPP, была выше, чем в пакет для упаковки из ПЭТ/алюминиевой фольги/нейлона/RCPP. На рисунке 3 показано сравнение значений стерилизации (SV) между двумя типами слоев реторт-пакетов. Значения SV были рассчитаны путем деления суммарной летальности на значение DT (время термической гибели) Clostridium botulinum [12]. Значение SV для реторт-пакета из ПЭТ/алюминиевой фольги/нейлона/RCPP и пакета из ПЭТ/нейлона/модифицированного алюминия/CPP составило 16D и 29D соответственно (значение DT = 0,21). Эти значения превышали 11 дней (11 логарифмических циклов) процесса, поэтому можно сделать вывод, что оба продукта были коммерчески стерильными, но с разной температурой, что, возможно, связано с различным расположением слоев. Нейлон, нанесенный первым, а не алюминиевая фольга, имеет более высокую степень проникновения тепла. Для защиты упаковки можно было сделать несколько действий, таких как: 1) создать свободное пространство, 2) поддерживать температуру на высоком исходном уровне, 3) выпустить воздух перед закрытием упаковки и 4) установить температуру и время нагрева [17].
Процесс стерилизации был важным этапом термического процесса производства стерильных пищевых продуктов. В таблице 1 показано соотношение между температурой и давлением. Однако разница между давлением и температурой была незначительной, поскольку давление в автоклаве поддерживалось. Согласно предыдущим исследованиям, диапазон давлений в процессе стерилизации составлял 0,5 – 0,8 кгс/см2. Низкой плотностью частиц, которая вызывала взаимодействие между частицами в системе идеального газа, можно было пренебречь. На самом деле идеального состояния газа не существовало. Насыщенный водяной пар в зонгонном автоклаве взаимодействует друг с другом из-за достаточно высокой плотности. Разница между давлением и температурой в зонгонном автоклаве может быть объяснена уравнением Ван-дер-Ваальса [18]. Силовое взаимодействие частиц в реальном газовом состоянии действует по всему направлению. Однако вблизи стенки автоклава (поверхности) не было ни одной частицы, воздействующей извне системы, так что сила действовала полностью внутри зонгонного автоклава.
Сила, действующая на поверхность автоклава, равна плотности и общему количеству частиц внутри системы. Давление в реальном газовом режиме, которое система подает на стенку (поверхность) автоклава, ниже, чем в режиме идеального газа (PV = nRT) [19]. Давление в автоклаве Зонгона с избыточным давлением было выше, чем давление в паровой среде. Паровая среда подавалась из котла в подсобном помещении. Кроме того, процесс стерилизации в присутствии пара был более эффективным, поскольку для этого требовалось меньше времени и температур [20]. Реторт-пакет имел ограниченную внутреннюю прочность (внутреннее давление).
Избыточное давление в автоклаве Зонгона было необходимо для выравнивания рабочего давления и внутреннего давления. Целью этого процесса было минимизировать повреждение реторт-пакета после стерилизации. В процессе стерилизации внутреннее давление в реторт-пакете будет увеличиваться из-за повышения температуры и сохранения его объема неизменным. Из-за увеличения объема камеры в реторт-пакете внутреннее давление стало выше давления в автоклаве.
Процесс стерилизации проводился в автоклаве с избыточным давлением для поддержания внутреннего давления в упаковке из реторт-пакетов. Процесс стерилизации можно разделить на три этапа. Используя теплоноситель (пар), температуру продуктов повышали по сравнению с температурой окружающей среды до требуемой температуры для стерилизации. Эта температура поддерживалась в течение определенного времени — 20 минут. В процессе охлаждения температура в автоклаве снижалась путем подачи холодной воды в автоклав Зонгона.
Время процесса продувки для выпуска воздуха из зонгонского автоклава составило 3 минуты. Процесс продувки был необходим из-за того, что эффективность использования воздуха в зонгонском автоклаве в качестве теплоносителя была ниже, чем в паровой среде. Кроме того, наличие воздуха вокруг мешка автоклава в качестве изолятора задерживает проникновение тепла. За 6 минут до готовности температура достигла 121 °C. Процесс охлаждения был начат на 57-й минуте, а давление упало до нуля на 60-й минуте. На заключительном этапе процесса стерилизации — процессе охлаждения — продукты должны быть охлаждены как можно быстрее. В процессе охлаждения давление поддерживалось и медленно снижалось, чтобы избежать повреждения корпусов автоклавов. Эта операция проводилась в автоклаве ZonGon путем подачи холодной воды. Контакт холодной воды с паром приводит к конденсации пара, что приводит к быстрому падению давления в автоклаве ZonGon.
Избыточное давление, возникающее во время термического процесса в камере автоклава, сохраняется в течение определенного периода времени. На этом этапе давление в зоне было низким, но внутреннее давление все еще оставалось высоким из-за высоких температур [20]. Индустрия упаковки пищевых продуктов добилась значительных успехов, что связано с мировыми тенденциями и, прежде всего, с предпочтениями потребителей. В настоящее время пакеты-реторты завоевали большую популярность на потребительском рынке, поскольку они более эффективны и гибки, чем упаковка в банки. Использование полимеров в качестве упаковочных материалов для пищевых продуктов расширилось благодаря их доступности в больших количествах, низкой стоимости, небольшому весу, благоприятной функциональности и хорошим барьерным свойствам, включая химические и механические свойства. Двумя наиболее часто используемыми полимерами для упаковки пищевых продуктов были промышленный ПЭТ (полиэстер) и ПП (полипропилен) [21].
Пакеты-реторты изготавливались из полимерных слоев. Однако банки изготавливались из комбинаций металлов, таких как олово (Sn), цинк (Zn), железо (Fe) и свинец (Pb). Эмаль была неметаллическим материалом, который обычно использовался для упаковки банок. Эмаль была изготовлена из смеси живицы и оксида цинка (ZnO). Цинк (Zn) был нетоксичным, не вызывающим коррозии и блестящим материалом. Материалы ретортных мешочков регулируют некоторые параметры, включая пропускание света, водяного пара и кислорода, теплоизоляцию, загрязнение микробами [22], окисление жира, изменение содержания воды и потерю цвета и витаминов.
Материалом, из которого изготовлены пакеты-реторты, являются (1) ПЭТ (полиэстер), твердый материал, блестящий и пригодный для печати, (2) Нейлон (биориентированный полимид), износостойкий материал, (3) Алюминий, газостойкий материал и (4) CPP (литой полипропилен), защитный слой. Технические требования к упаковкам-ретортам, которые используются для приготовления MRE (готового к употреблению блюда), должны иметь температуру плавления выше, чем температура процесса стерилизации. Упаковка в пакеты–реторты обрабатывалась при высокой температуре (минимум 250°F или 121°C) и давлении 274-308 кПа, чтобы избежать повреждения упаковки.
Полиэфир обладает термопластичными свойствами и деформируется после нагревания. Водородные связи между OH и COOH в полиэфире обуславливают его гидрофобные свойства и сложность связывания с красящими веществами. Некоторые физические свойства полиэфира обусловлены механической прочностью и тепловым воздействием. Полиэстер был устойчив к воздействию высоких температур, максимум 220 °C. Если температура была выше 220 °C, это могло повлиять на прочность и цвет упаковок. Полиэстер становится пластичным при температуре 230-240 °C и плавится при температуре 260 °C.
Полиэфир деформируется, и на изменение структуры влияют температуры и период нагревания. Водородные связи приобретают новую форму и остаются стабильными при нормальной температуре. В процессе нагревания полиэфира происходит переориентация аморфной структуры на кристаллическую из-за температуры. На участке полиэфира, где происходил процесс нагревания, будет видна складка. Алюминиевый материал для упаковки пищевых продуктов обладает рядом характеристик: (1) небольшой массой, (2) низкой коррозионной активностью, (3) эластичностью, (4) отсутствием неприятного запаха и токсичности, (5) газостойкостью. Алюминий смешивали с воздухом для получения оксида алюминия, стойкого к коррозии в атмосферных условиях.
Проницаемость алюминия для водяного пара была нулевой, если его толщина превышала 0,0375 мм. В коммерческой промышленности алюминий комбинировали с другими металлами для снижения стоимости и повышения стойкости к коррозии. Алюминий использовался для упаковки фруктов, овощей, мяса, рыбы, молока и напитков. Упаковка для мясопереработки с использованием алюминия не вызывает изменения цвета продукта. CPP (литой полипропилен) имеет температуру плавления 160°C.
Металлизированная пленка CPP в сочетании с алюминием позволила увеличить защиту от водяного пара и кислорода. Кроме того, упаковка продукции стала более привлекательной. Литой полипропилен был изготовлен на основе полипропилена и обладает прозрачностью и внешним блеском. CPP широко использовался для упаковки закусок, а также в качестве герметизирующей пленки для автоклавирования благодаря своим превосходным свойствам термосваривания и стабилизации размеров упакованного содержимого. CPP был разработан для использования в ретортной упаковке и обладал рядом характеристик, включая высокую ударопрочность, прочность термосваривания и возможность автоклавирования при температуре 120 °C.
Заключение
Из этого исследования можно сделать вывод, что различные слои упаковки для автоклавов влияют на летальность продукта. Чем выше степень летальности, тем большей степени стерилизации можно было достичь, что также означало лучшую теплопроводность такого материала, как реторт-пакет.