Практически в каждой культуре и в каждый исторический период использовались те или иные методы консервирования продуктов. Людям необходимо было сохранять пищу для выживания. Поскольку продукты портятся в течение короткого периода времени после того, как они покидают ферму, различные технологии консервирования продуктов позволили использовать сезонные и местные источники продовольствия, что позволило повысить качество жизни.
Однако переработка скоропортящихся продуктов является относительно “новой” технологией. Изобретение консервирования относится к 1809 году, когда Николас Аппер из Франции изобрел этот метод консервирования. Однако Фермерский бюллетень № 359 (Breazeale, 1909), опубликованный в 1909 году Химическим бюро, на самом деле был одним из первых изданий Министерства сельского хозяйства США, в котором содержались конкретные рекомендации по домашнему консервированию. Эпидемия COVID-19 породила новые проблемы, которые затронули все отрасли промышленности в мире.
Строгие меры изоляции и физическая удаленность оказали значительное влияние на цепочку поставок продуктов питания, придав дополнительный акцент методам сохранения продуктов, способным защитить интересы фермеров и переработчиков продуктов питания, а также обеспечить потребителей питательными продуктами. Одной из важнейших задач пищевой промышленности на сегодняшний день является обеспечение биологической безопасности и питательности пищевых продуктов для потребления человеком.
На рынке производства продуктов длительного хранения, не требующих охлаждения, технологии стерилизации, такие как автоклавная обработка, считаются эффективными и желательными. Основные методы консервирования пищевых продуктов включают либо уничтожение порченых 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. Термообработка является основным методом консервирования пищевых продуктов. В этом процессе используется сочетание времени и температуры для уничтожения микроорганизмов и создания стерильных пищевых продуктов.
Терминология и важные понятия термической обработки соответствуют требованиям законодательства США
• Коммерческая стерильность: Коммерческая стерильность означает, что в продукте не должно содержаться жизнеспособных микроорганизмов, имеющих значение для общественного здравоохранения, включая их споры. Кроме того, предполагается, что продукт не содержит микроорганизмов, которые способны размножаться в пищевых продуктах при нормальных, неохлажденных условиях хранения и реализации. Для достижения коммерческой стерильности консервированных продуктов, как правило, продукт необходимо нагревать. Однако можно также использовать тепло для регулирования активности воды.
• Продукты, в которых контролируется активность воды (aw): Активность воды является показателем количества свободной воды в продуктах. Это критический фактор для роста микроорганизмов. Контролируя aw, можно предотвратить рост микроорганизмов. Поэтому пищевые продукты с контролируемой активностью воды требуют более мягкой термической обработки для инактивации микроорганизмов.
• Консервы с низким содержанием кислоты (LACF): согласно нормативной информации, LACF — это пищевые продукты с конечным равновесным значением рН более 4,6 и активностью воды более 0,85, упакованные в герметично закрытую тару. Однако стоит отметить, что томаты и томатопродукты с конечным равновесным значением рН менее 4,7 не относятся к категории LACF. К категории LACF относятся консервированный тунец, консервированные грибы, молоко длительного хранения, расфасованное в пакеты, и т.д.
• Подкисленные продукты: продукты с низким содержанием кислоты, в которые добавляется кислота или подкисляемые пищевые продукты для обеспечения конечного равновесного значения рН 4,6 или менее, при активности воды более 0,85. Обычно в напитки добавляют уксусную и лимонную кислоты или фосфорную кислоту. В качестве примеров можно привести фасоль, огурцы, пудинги, рыбу и т.д.
• Кислые продукты: продукты с естественным рН 4,6 или менее. Например, лимонный сок, синие сливы, гранаты, грейпфруты, ананасы и т.д.
• Герметичные уплотнения: особый тип герметичных крышек, используемых для запечатывания упаковок, которые могут предотвратить проникновение микроорганизмов, грязи и других загрязняющих веществ, способных ухудшить качество продукта и сделать его непригодным к употреблению.
• Теплоноситель: Тепло передается продуктам и упаковке с помощью теплоносителя, также известного как “технологическая среда”. Наиболее часто используемой теплоносителем для систем термической обработки является пар. Пар также используется для нагрева воды, если последняя используется в качестве теплоносителя. Обычные теплоносители, используемые для обработки емкостей в автоклавах, включают пар, воду или паровоздушную смесь.
• Запланированный процесс: параметры процесса наряду с критическими факторами, установленными для получения коммерчески стерильного продукта путем контролируемого применения тепла, называются запланированным процессом или, альтернативно, технологическим расписанием.
• Специалист по переработке: лицо или организация, обладающие экспертными знаниями о требованиях к термической обработке пищевых продуктов, упакованных в герметичные контейнеры, и располагающие достаточным оборудованием для определения технологического процесса. Согласно нормативным актам, организация, ответственная за переработку, должна разработать плановый технологический процесс.
Изложение проблемы и предлагаемое решение
а) Недостаточная обработка консервированных продуктов с низким содержанием кислоты и/или протечка упаковки могут привести к размножению патогенных микроорганизмов пищевого происхождения и, в некоторых случаях, к образованию токсинов, таких как смертельно опасный ботулинический токсин Clostridium, в упаковке. Недостаточная термическая обработка может привести к инактивации вегетативных клеток, но может не привести к уничтожению более термостойких спор бактерии. Заболевание, вызываемое попаданием в организм ботулинического токсина C. botulinum, известно как ботулизм; даже очень малые дозы могут вызвать паралич и смерть. Таким образом, термическая обработка должна быть направлена в первую очередь на уничтожение спор C. botulinum. ботулинический, чтобы предотвратить выработку ботулинического токсина.
b) Золотистый стафилококк — это еще один патогенный микроорганизм, который может продуцировать термостойкие токсины в консервированных продуктах с низким содержанием кислоты (LACF) и может переносить неадекватную термическую обработку. Заражение этими микроорганизмами может произойти во время дозирования пищевых продуктов перед термической обработкой. Таким образом, перед термической обработкой необходимо осуществлять контроль времени и температуры.
в) Бактерии, как правило, представляют собой тип микроорганизмов, вызывающих наибольшую озабоченность у предприятий пищевой промышленности. С точки зрения переработки, бактерии можно разделить на патогенные или вредные, в зависимости от того, могут ли они вызывать заболевания. Кроме того, некоторые виды бактерий, спорообразователи, при воздействии неблагоприятных условий окружающей среды могут переходить в спящее состояние, образуя споры, в то время как некоторые другие виды не могут образовывать споры даже при неблагоприятных условиях, существуя только в виде вегетативных клеток. Что касается термостойкости, то вегетативные клетки легче разрушаются при нагревании, в то время как споры, как правило, более термостойки. Некоторые непатогенные бактерии могут выделять ферменты, что приводит к порче продуктов. Надлежащая умеренная термическая обработка может привести к разрушению клеток, не образующих спор, в продуктах с низким содержанием кислоты, включая вегетативные клетки C. botulinum.
г) Плесневые грибки — это еще один тип микроорганизмов, которые могут вызывать порчу пищевых продуктов. Плесневые грибки — это многоклеточные организмы, которые намного крупнее бактерий и дрожжей. Поэтому их часто можно увидеть в продуктах, которые они выращивают. В некоторых формах образуются термостойкие споры, поэтому для борьбы с ними необходимо соответствующим образом разработать термический процесс. Некоторые плесневые грибки вызывают беспокойство при термической обработке подкисленных продуктов, поскольку они могут поглощать кислоты, содержащиеся в продуктах, на которых они растут, тем самым повышая рН продуктов. Есть несколько примеров при производстве подкисленных пищевых продуктов, когда рост плесени устранял кислотные условия, необходимые для подавления роста бактерий, и создавал благоприятные условия для роста C. botulinum.
д) Дрожжи — это третий тип микроорганизмов, которые могут присутствовать в консервированных продуктах из-за недостаточной обработки или загрязнения после обработки. Дрожжи относятся к группе продуктов, подверженных порче, и способны адаптироваться к неблагоприятным условиям, таким как кислотность и обезвоживание. Однако они очень чувствительны к термической обработке, и большинство из них легко разрушаются при нагревании до 170°F. Вирусы — это еще один тип биологических загрязнителей. Хотя вирусы не могут размножаться в пищевых продуктах и нуждаются в хозяине для размножения, вирусные вспышки могут возникать из–за заражения пищевых продуктов инфицированными лицами или из одного источника — например, из-за загрязненной оросительной 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 производства консервов с низким содержанием кислоты.
ж) Термическая обработка может привести к некоторым непредвиденным последствиям, таким как потеря питательных веществ, образование токсичных веществ (акриламида, фурана или акролеина) или к образованию веществ, оказывающих незначительное негативное воздействие на восприятие вкуса, текстуру или цвет. Таким образом, оптимизация термической обработки пищевых продуктов необходима для достижения положительного эффекта и эффективного смягчения негативных последствий.
Как достичь этих целей:
а) Для продуктов с низким pH используется умеренная термическая обработка. Поскольку условия обработки требуют использования температур ниже 212 ° F, рекомендуется использовать атмосферное давление. Умеренная термическая обработка может применяться в 1) атмосферных варочных панелях или 2) в процессе горячей заливки и выдержки.
b) Процессы с высокой температурой и давлением: Поскольку эти процессы требуют использования температур, превышающих 212 ° F, для достижения температуры процесса в системах должно быть повышенное давление.
Эти процессы могут применяться при 1) Обычном консервировании с использованием автоклавов или 2) Асептической обработке и упаковке.
Особое примечание:
1) Консервированные продукты с низким содержанием кислоты (LACF) нельзя подвергать умеренной термической обработке при температуре 212°F или ниже, поскольку этот процесс не уничтожает бактериальные споры патогенных организмов, таких как C. botulinum (что представляет опасность для здоровья населения), а также споры порченых организмов. По этим причинам все продукты LACF требуют обработки под давлением при температуре выше 212° F, как при обычном консервировании в автоклавах, или асептического процесса и упаковки для достижения коммерческой стерильности.
2) Для кислых и подкисленных пищевых продуктов может быть достаточно умеренной термической обработки (при температуре 212°F или ниже), поскольку низкий рН продукта препятствует прорастанию спор бактерий, которые могли бы выжить при термической обработке. Однако в некоторых случаях к этим продуктам можно применять обработку давлением при умеренных температурах.
Традиционное консервирование в автоклавах
Автоклав — это закрытая емкость под давлением, используемая для разогрева пищевых продуктов, которые были герметично упакованы в контейнеры перед термической обработкой. Стерильные пищевые продукты, упакованные в герметичные контейнеры, могут быть изготовлены с использованием различных условий эксплуатации автоклава. Преимущество автоклавной обработки заключается в том, что продукт достигает коммерческой стерильности “в контейнере”. Традиционное консервирование в автоклавах имеет несколько общих особенностей, независимо от типа используемого автоклава:
а) Перед загрузкой в автоклав продукт помещается в контейнер и герметично закрывается.
b) Продукты с любым диапазоном pH могут быть обработаны в автоклавах. Однако автоклавный метод может быть слишком жестким и ухудшить качество продуктов с низким pH.
c) Процесс проводится под давлением для достижения температуры выше 212°F. Например, операции часто проводятся при температуре 250°F в течение времени, необходимого как минимум для 12-кратного уменьшения количества C. botulinum.
d) В зависимости от конструкции автоклава могут проводиться периодические или непрерывные процессы.
e) В зависимости от конструкции автоклава и типа продукта контейнеры могут быть неподвижными или перемешиваемыми во время процесса.
f) В зависимости от конструкции автоклава в качестве нагревательной среды обычно используются вода, пар или паровоздушные смеси.
g) Продукт, упаковка и укупорочное средство стерилизуются одновременно за счет внешнего тепла, исходящего от нагревательной среды.
h) Обработка под избыточным давлением: Для сохранения целостности некоторых упаковочных контейнеров для пищевых продуктов, таких как гибкие упаковки и полужесткие пластиковые контейнеры, которые обладают ограниченной устойчивостью к внутреннему давлению, может потребоваться избыточное давление воздуха или дополнительного пара во время обработки.
i) Специалисты, ответственные за производство, проводят испытания на распределение температуры, распределение тепла и исследование проникновения тепла, чтобы установить надлежащие рабочие процедуры для всех типов автоклавов.
Определение рабочих процедур для автоклавов
Конструкция и эксплуатация автоклава должны обеспечивать коммерческую стерильность готовой продукции. Ответственность за разработку рабочих процедур, обеспечивающих единообразие температуры внутри автоклава при каждой отдельной операции, лежит на органе, осуществляющем обработку, или производителе оригинального оборудования (OEM). Обычно исследования распределения температуры проводятся во время установки и ввода в эксплуатацию автоклавов. В ходе этих испытаний несколько термопар устанавливаются в различных местах внутри автоклава с последующим контролем температуры.
Температура внутри автоклава контролируется по двум основным причинам: 1) для определения зоны самого медленного нагрева и 2) для обеспечения соответствия.
Готовится банка № 10 для исследования термопроницаемости с использованием термопары для контроля температуры фасоли в рассоле внутри банки. устройство контроля температуры в автоклаве точно отображает общую температуру в автоклаве во время процесса. Конкретные рабочие этапы для каждой автоклавной системы зависят от типа используемого теплоносителя, такого как пар, горячая вода или паровоздушная смесь.
Отсчет времени процесса не начинается до тех пор, пока на индикаторе температуры не будет указана требуемая температура и не будет достигнуто равномерное распределение температуры внутри автоклава. FDA и USDA-FSIS требуют, чтобы переработчики сохраняли копии инструкций по эксплуатации автоклава и результатов исследований распределения температуры. Такая документация, а также записи о термической обработке должны предоставляться регулирующим органам по запросу.
Правила также требуют, чтобы производство продуктов LACF осуществлялось под наблюдением персонала, прошедшего сертификацию Better Process Control School (BPCS). Как упоминалось ранее, конкретные шаги, которые необходимо выполнить и зафиксировать при работе с автоклавом, будут определены органом, осуществляющим переработку, и будут зависеть от характеристик продукта, материала упаковки пищевых продуктов и типа используемого процесса автоклавирования.
В пищевой промышленности могут использоваться различные типы автоклавов. Эти типы обычно можно разделить на следующие общие категории:
1) автоклавы с неподвижным паром,
2) автоклавы без ящиков,
3) автоклавы с полным погружением в воду,
4) автоклавы с непрерывным перемешиванием,
5) автоклавы с прерывистым перемешиванием,
6) паровые/воздушные автоклавы,
7) автоклавы с водяным распылением /каскадные автоклавы и
8) гидростатические автоклавы.
Важность учета и практики ведения документации
1) Записи служат доказательством контроля критических факторов и корректирующих действий, предпринятых в случае возникновения отклонений от критических факторов.
2) Записи термического процесса являются “записями в режиме реального времени”, т.е. они подготавливаются оператором системы обработки, инспектором по закрытию контейнеров или любым другим назначенным и обученным оператором только во время выполнения конкретной операции или процедуры тестирования. Предварительная запись информации, основанная на прогнозировании заранее известных значений в реальном времени, или последующая запись не допускаются.
3) Регистрация критических технологических факторов, таких как:
- а) pH, активность воды или другие измерения продукта;
- б) время и температура процесса;
- в) требования к закрытию контейнера;
- г) другие критические факторы, которые ранее были определены технологическим органом, должны выполняться лицами, прошедшими обучение в этом процессе.
4) Согласно нормативным актам, копии необходимых документов должны храниться на каждой партии переработанного продукта на перерабатывающем предприятии в течение одного года с даты производства и еще в течение двух лет в разумно доступных местах.
5) Переработчики, производящие стабильные при хранении подкисленные и слабокислотные пищевые продукты, упакованные в герметичные контейнеры, должны зарегистрировать перерабатывающее предприятие в FDA. Они также обязаны предоставлять специальные процедуры, а также процедурные документы и записи для проверки и копирования по требованию уполномоченных сотрудников FDA или USDA-FSIS. Ссылки внизу этой обзорной статьи содержат информацию о правилах.