Тот или иной метод консервирования пищевых продуктов использовался практически во всех культурах и исторических периодах. Людям необходимо было сохранять еду для выживания. Поскольку продукты портятся в течение короткого периода времени после выхода с фермы, различные методы консервирования продуктов позволяют использовать сезонные и местные источники продуктов питания, тем самым повышая качество жизни. Однако переработка скоропортящихся продуктов является относительно «новой».
Изобретение консервирования относится к 1809 году, когда Николас Апперт из Франции изобрел метод консервирования. Однако «Фермерский бюллетень 359» (Breazeale, 1909), опубликованный в 1909 году Химическим бюро, на самом деле был одной из первых публикаций Министерства сельского хозяйства США, содержащих конкретные указания по домашнему консервированию.
Эпидемия COVID-19 создала новый комплекс проблем, которые затронули все отрасли мира. Строгие карантины и физическое дистанцирование оказали значительное влияние на цепочку поставок продуктов питания, уделив дополнительное внимание и усилив методы сохранения продуктов питания, способные защитить интересы фермеров и предприятий пищевой промышленности, а также обеспечить потребителей питательными продуктами.
Одной из наиболее важных задач пищевой промышленности сегодня является обеспечение биобезопасности и питательности продуктов питания для потребления человеком. На рынке производства продуктов длительного хранения, не требующих охлаждения, технологии стерилизации, такие как обработка в автоклаве, считаются эффективными и желательными.
Основные методы консервации пищевых продуктов включают либо уничтожение порчи и болезнетворных микроорганизмов, либо подавление их роста. Несмотря на то, что микробы присутствуют почти во всех сырых пищевых ингредиентах, они не могут выжить в неблагоприятных или неподходящих условиях, которые либо инактивируют, либо подавляют их рост. Тепло — основной метод сохранения консервированных продуктов. В этом процессе используется сочетание времени и температуры для уничтожения микроорганизмов и создания коммерчески стерильных продуктов.
Терминология термической обработки и важные понятия
• Коммерческая стерильность. Коммерческая стерильность означает, что продукт, как ожидается, не содержит жизнеспособных микроорганизмы, имеющие общественное значение, включая их споры. Ожидается также, что продукт не будет содержать микроорганизмов, способных размножаться в пищевых продуктах при нормальных условиях хранения и распространения без охлаждения. Для достижения коммерческой стерильности консервированных продуктов, как правило, продукт необходимо нагревать. Однако можно также применять тепло при регулировании активности воды.
• Продукты питания, в которых активность воды (aw) контролируется: Активность воды является мерой количества свободной воды в пищевых продуктах. Это критический фактор для роста микроорганизмов. Контролируя aw, можно предотвратить рост микроорганизмов. Следовательно, продукты с контролируемой активностью воды потребуют более мягкой термической обработки для инактивации микроорганизмов.
• Низкокислотные консервы (LACF). Согласно нормативной информации, LACF – это пищевой продукт, имеющий конечный равновесный pH более 4,6 и активность воды более 0,85, упакованный в герметично закрывающийся контейнер. Однако стоит отметить, что томаты и томатные продукты, имеющие конечный равновесный pH менее 4,7, не классифицируются как LACF. LACF включает консервированный тунец, консервированные грибы, молоко длительного хранения, упакованное в пакеты и т. д.
• Подкисленные продукты: продукты с низкой кислотностью, в которые добавляются кислые или кислые продукты для обеспечения конечного равновесного pH 4,6 или ниже, с более высокой активностью воды. чем 0,85. Типичными добавляемыми кислотами в напитки являются уксусная кислота и лимонная кислота или фосфорная кислота. Примерами могут служить фасоль, огурцы, пудинги, рыба и т. д.
• Кислые продукты: продукты с естественным pH 4,6 или меньше. Примеры включают лимонный сок, голубые сливы, гранаты, грейпфруты, ананасы и т. д.
• Герметичные затворы: специальный тип воздухонепроницаемых затворов, используемый для запечатывания упаковок, которые могут предотвратить проникновение микроорганизмов, грязи и других загрязнений, которые могут ухудшить качество продукта. продукт и сделать его непригодным для потребления.
• Нагревательная среда: тепло передается продуктам и упаковке через нагревательную среду, также известную как «технологическая среда». Наиболее часто используемым теплоносителем в системах термической обработки является пар. Пар также используется для нагрева воды, если последняя используется в качестве теплоносителя. Обычные нагревательные среды, используемые для обработки емкостей в автоклавах, включают пар, воду или смесь пара и воздуха.
• Плановый процесс: Параметры процесса вместе с критическими факторами, установленными для производства коммерчески стерильного продукта путем контролируемого применения тепла, называются запланированным процессом или, альтернативно, графиком процесса.
• Перерабатывающий орган: Лицо или организация, обладающие экспертными знаниями о требованиях к термической обработке пищевых продуктов, упакованных в герметично закрытые контейнеры, и имеющие достаточные возможности для принятия решений по технологическому процессу. Согласно правилам, запланированный процесс должен быть установлен обрабатывающим органом.
Постановка проблемы и предлагаемое решение
а) Недостаточная обработка консервированных пищевых продуктов с низким содержанием кислоты и/или утечка из контейнера может привести к росту микробов пищевых патогенов и, в некоторых случаях, к выработке в контейнере токсинов, таких как смертельный токсин Clostridium botulinum. Неадекватная термическая обработка может инактивировать вегетативные клетки, но не способна убить более термостойкие споры бактерий. Заболевание, вызванное попаданием в организм токсина C. botulinum, известно как ботулизм; даже очень небольшие количества могут вызвать паралич и смерть. Таким образом, термическая обработка должна быть направлена в первую очередь на уничтожение спор C. botulinum, чтобы предотвратить выработку ботулотоксина.
б) Staphylococcus aureus – еще один патогенный микроорганизм, который может продуцировать термостабильные токсины в низкокислотных консервах (LACF) и выдерживать неадекватные термические процессы. Заражение этим микроорганизмом может произойти во время дозирования пищевых продуктов перед термической обработкой. Таким образом, перед термической обработкой необходимо осуществить контроль времени и температуры.
в) Бактерии, как правило, представляют собой тот тип микроорганизмов, который вызывает наибольшую озабоченность у предприятий пищевой промышленности. С точки зрения обработки бактерии можно разделить на патогенные или на группы, вызывающие порчу, в зависимости от того, могут ли они вызывать заболевания. Кроме того, некоторые виды бактерий-спорообразующих при воздействии неблагоприятных условий среды могут переходить в состояние покоя, образуя споры, тогда как некоторые другие виды не могут образовывать споры даже в неблагоприятных условиях, существуя только в виде вегетативных клеток. Что касается термостойкости, вегетативные клетки легче разрушить под действием тепла, тогда как споры, как правило, более термоустойчивы. Некоторые непатогенные бактерии могут выделять ферменты и вызывать порчу пищевых продуктов. Применение адекватной мягкой термической обработки может уничтожить клетки, не образующие спор, в низкокислотных и кислых продуктах, включая вегетативные клетки C. botulinum.
г) Плесень — еще один тип микроорганизмов, который может вызывать порчу пищевых продуктов. Плесень представляет собой многоклеточный организм и намного крупнее бактерий и дрожжей. Поэтому их часто можно увидеть в продуктах, которые они выращивают. Некоторые плесени производят термостойкие споры, поэтому для борьбы с ними необходимо разработать соответствующий термический процесс. Некоторые виды плесени вызывают беспокойство при термической обработке подкисленных продуктов, поскольку они могут поглощать кислоты из продуктов, в которых они растут, тем самым повышая pH продуктов. Есть несколько примеров при переработке подкисленных пищевых продуктов, когда рост плесени устранял кислую среду, необходимую для подавления роста бактерий, и создавал благоприятные условия для роста C. botulinum.
д) Дрожжи — это третий тип микроорганизмов, который может присутствовать в консервированных продуктах из-за недостаточной обработки или загрязнения после обработки. Дрожжи относятся к группе порчи и способны адаптироваться к неблагоприятным условиям, таким как кислотность и обезвоживание. Однако они очень восприимчивы к термической обработке и большинство из них легко разрушаются при нагревании до 170°F.
е) Вирусы — еще один тип биологического загрязнения. Хотя вирусы не могут размножаться в пищевых продуктах и для размножения им необходим хозяин, вирусные вспышки могут возникать из-за заражения пищевых продуктов инфицированными работниками или из одного источника – например, из загрязненной поливной воды. В США вспышки норовируса происходят наиболее часто. Однако термическая обработка может уничтожить вирусы. Вирусы денатурируются при температуре 212° F в течение 10 минут. Этот метод используется в большинстве термических процессов для консервов с низкой кислотностью.
ж) Термическая обработка может привести к некоторым непредвиденным, нежелательным последствиям, таким как потеря питательных веществ, образование токсичных веществ (акриламид, фуран или акролеин) или образование веществ с легким негативным воздействием на восприятие вкуса, текстуру или цвет. Следовательно, оптимизация термической обработки пищевых продуктов необходима для стимулирования положительного эффекта и эффективного смягчения негативных последствий.
Особое примечание
1) Низкокислотные консервы (LACF) нельзя обрабатывать мягким термическим процессом при температуре 212° F или ниже, поскольку этот процесс не уничтожает бактериальные споры патогенных организмов, таких как C. botulinum (что создает угрозу риск для здоровья населения), а также споры организмов, вызывающих порчу. По этим причинам все продукты LACF требуют процессов под давлением, проводимых при температуре выше 212° F, как при обычном консервировании в автоклавах, или асептическом процессе и упаковке для достижения коммерческой стерильности.
2) Для кислых и подкисленных пищевых продуктов может быть адекватной мягкая термическая обработка при температуре 212°F или ниже, поскольку низкий уровень pH продукта подавляет прорастание бактериальных спор, которые выдерживают термическую обработку. Однако в некоторых случаях к этим продуктам можно применять процессы под давлением при умеренных температурах.
Традиционное консервирование в автоклавах
Автоклав представляет собой закрытый контейнер под давлением, используемый для нагрева пищевых продуктов, которые были герметично закрыты в контейнерах перед термической обработкой. Коммерчески стерильные пищевые продукты, упакованные в герметично закрытые контейнеры, можно производить с использованием различных условий эксплуатации реторты. Преимущество ретортной обработки состоит в том, что продукт достигает коммерческой стерильности «в таре». Традиционное консервирование в ретортах имеет несколько общих черт.
Атрибуты стерилизации, независимо от типа используемого автоклава:
а) Перед подачей в автоклав продукт помещают в тару и герметично укупоривают.
б) Продукты во всех диапазонах pH можно обрабатывать в автоклавах. Однако автоклавный метод может оказаться слишком жестким и ухудшить качество продуктов с низким pH.
в) Процесс проводится под давлением для достижения температуры выше 212° F. Например, операции часто проводятся при температуре 250° F в течение времени, необходимого для достижения как минимум 12-кратного логарифмического снижения C. botulinum.
г) В зависимости от конструкции автоклава могут осуществляться периодические или непрерывные процессы.
д) В зависимости от конструкции автоклава и типа продукта контейнеры могут находиться в стационарном или перемешиваемом состоянии во время процесса.
е) В качестве теплоносителя обычно используют воду, пар или паровоздушные смеси, в зависимости от конструкции автоклава.
ж) Продукт, упаковка и укупорочное средство стерилизуются одновременно внешним теплом нагревательной среды.
з) Обработка под избыточным давлением. Во время обработки может потребоваться избыточное давление воздуха или дополнительного пара для поддержания целостности некоторых упаковочных контейнеров для пищевых продуктов, таких как гибкие упаковки и полужесткие пластиковые контейнеры, которые имеют ограниченное сопротивление внутреннему давлению.
и) Органы технологического процесса проводят испытания распределения температуры, исследования распределения тепла и проникновения тепла, чтобы установить надлежащие рабочие процедуры для всех типов автоклавов.
Определение порядка работы автоклава
Конструкция и эксплуатация автоклава должны обеспечивать коммерческую стерильность готовой продукции. В обязанности технологического органа или производителя оригинального оборудования (OEM) входит разработка рабочих процедур, обеспечивающих постоянство температуры внутри автоклава для каждой отдельной операции. Обычно исследования распределения температуры проводятся при монтаже и вводе в эксплуатацию автоклавов. В ходе этих испытаний несколько термопар размещаются в разных местах внутри автоклава с последующим контролем температуры. Температуру внутри автоклава контролируют по двум основным причинам:
1) для определения зоны самого медленного нагрева и
2) для обеспечения того, чтобы устройство контроля температуры автоклава точно отображало общую температуру автоклава во время процесса.
Конкретные этапы работы каждой автоклавной системы зависят от типа используемого теплоносителя, например, пара, горячей воды или паровоздушной смеси. Отсчет времени процесса не начинается до тех пор, пока на устройстве индикации температуры не будет указана необходимая температура и не будет достигнуто равномерное распределение температуры внутри автоклава. FDA и USDA-FSIS требуют, чтобы переработчики сохраняли копии рабочих процедур автоклава и исследований распределения температуры. Такая документация, а также записи о термической обработке должны предоставляться регулирующим органам по запросу.
Правила также требуют, чтобы производство продукции LACF осуществлялось под контролем персонала, сертифицированного Школой лучшего управления процессами (BPCS). Как упоминалось ранее, конкретные шаги, которые необходимо выполнить и записать при эксплуатации автоклава, будут определяться перерабатывающим органом и зависеть от характеристик продукта, упаковочного материала для пищевых продуктов и типа используемого процесса автоклава. В пищевой промышленности могут использоваться различные типы автоклавов. Эти типы обычно можно классифицировать по следующим общим категориям:
1) неподвижные паровые автоклавы,
2) автоклавы без решеток,
3) автоклавы с полным погружением в воду,
4) автоклавы с непрерывным перемешиванием,
5) автоклавы с прерывистым перемешиванием,
6) паровые/воздушные автоклавы,
7) водораспылительные/каскадные автоклавы и
8) гидростатические автоклавы.
Важность записей и практики ведения документации
1) Записи служат свидетельством контроля критических факторов и корректирующих действий, предпринятых в случае возникновения отклонений критических факторов.
2) Записи термического процесса являются «записями в реальном времени», т. е. они подготавливаются оператором системы обработки, инспектором по закрытию контейнеров или любым другим назначенным и обученным оператором только во время проведения конкретной операции или процедуры тестирования. Предварительная запись информации, основанная на ожидании заранее известных значений в реальном времени, или последующая запись не разрешены.
3) Регистрация критических факторов процесса, таких как: а) измерения pH, активности воды или других измерений продукта; б) время и температура процесса; в) требования к закрытию контейнера; г) другие критические факторы, ранее определенные руководителем процесса, должны выполняться лицами, прошедшими обучение в процессе.
4) Согласно правилам, копии необходимых записей должны храниться для каждой партии переработанной продукции на перерабатывающем предприятии в течение одного года с даты производства и еще в течение двух лет в разумно доступных местах.
5) Переработчики, производящие подкисленные и слабокислые продукты длительного хранения, упакованные в герметично закрытые контейнеры, обязаны зарегистрировать перерабатывающее предприятие в FDA. Они также обязаны предоставлять определенные процедуры, а также процедурные документы и записи для проверки и копирования по требованию уполномоченного персонала FDA или USDA-FSIS. Ссылки внизу обзорной статьи содержат информацию о правилах.