Процесс консервирования был внедрен около двух столетий назад, и долгое время он был одним из основных способов сохранения продуктов, наряду с охлаждением и заморозкой. История консервирования пищевых продуктов началась во Франции в конце XVIII века, когда Николас Аппер обнаружил, что нагревание продуктов в герметичной стеклянной таре предотвращает их порчу. Позже Питер Дюран разработал метод запечатывания пищевых продуктов в жестяную тару; эту идею усовершенствовали Брайан Доркин и Джон Холл, которые построили первый коммерческий консервный завод в Англии. Несколько лет спустя Л. Пастер дал разумное объяснение эффективности консервирования, когда продемонстрировал, что микроорганизмы ответственны за порчу продуктов.
Постепенно производство консервов стало механизированным, и разработки, связанные с консервированием продуктов, продолжаются и по сей день. Обычное консервирование — это способ консервирования пищевых продуктов, при котором продукты помещают в герметично закрытые контейнеры и нагревают для уничтожения микроорганизмов. Основной целью применения тепла является уничтожение патогенных микроорганизмов, и в то же время герметичный контейнер предотвращает заражение новыми микроорганизмами. Хотя широко используется металлическая тара, существуют и другие альтернативы, такие как стеклянные банки, пластиковые бидоны и пакеты-реторты.
Уровень нагрева, применяемый к пищевому продукту, зависит от нескольких факторов: кислотности обрабатываемого продукта, плотности, состава, устойчивости продукта к теплопередаче, термостойкости микроорганизмов, находящихся в продукте, начальной загрузки микроорганизмов, контейнера, теплоносителя, оборудования, технологических процессов и т.д. После разогрева консервы охлаждают, а затем хранят при комнатной температуре, сохраняя целостность упаковки и предотвращая повторное загрязнение продукта.
Некоторые принципы, связанные с консервированием
Чтобы оценить необходимое количество тепла для процесса консервирования, необходимо изучить несколько концепций. Среди этих концепций следует выделить следующие:
pH
рН — один из наиболее важных факторов при разработке консервированных продуктов; рН продукта играет ключевую роль в определении степени термической обработки, необходимой для получения безопасного и стабильного конечного продукта. Значение рН пищевого продукта отражает молярную концентрацию ионов водорода (другими словами, уровень кислотности продукта); эта концентрация уменьшается по мере увеличения значения рН пищевого продукта. Таким образом, низкое значение рН означает более высокую концентрацию ионов водорода.
Диапазон значений рН находится в диапазоне от нуля до 14. Значение рН, равное 7, является нейтральным (соответствует чистой воде), в то время как значения ниже 7 являются кислыми, а значения выше 7 — основными или щелочными.
В консервной промышленности низкокислотный пищевой продукт определяется как пищевой продукт с рН выше 4,6, в то время как кислый пищевой продукт определяется как пищевой продукт со значением рН, равным или ниже 4,6. В этой простой классификации пищевых продуктов используется эталонное значение рН, равное 4,6. Это значение основано на Clostridium споры ботулизма.
Споры Clostridium botulinum очень устойчивы к нескольким условиям, включая нагревание; если эти споры выживают, у них есть шанс прорасти и расти. Однако споры Clostridium botulinum не будут расти, если рН пищи составляет 4,6 или меньше. Эти споры в продуктах с низким содержанием кислоты должны быть уничтожены нагреванием в процессе консервирования, а продукты с низким содержанием кислоты должны подвергаться интенсивной термической обработке, поэтому их готовят под давлением при высоких температурах (около 120 °C) в течение длительного времени.
Примерами продуктов с низким содержанием кислотности являются рыба, мясо, птица и большинство овощей и продуктов из них. С другой стороны, кислые продукты обрабатываются при меньшем нагревании, поскольку споры Clostridium botulinum не способны прорастать и расти при рН 4,6 или ниже. При консервировании таких продуктов не требуется приготовление под давлением и используется температура пастеризации (ниже температуры кипения воды). Температура пастеризации подходит для подавления большинства микроорганизмов, включая вегетативные клетки Clostridium botulinum.
Споры бактерий могут пережить эти процессы, однако при низком pH они не будут расти, и пища будет оставаться стабильной при комнатной температуре (коммерчески стерильной). Примерами кислых продуктов являются большинство фруктов и изделий из них. В дополнение к низкокислотным и кислокислородным продуктам используется еще одна категория продуктов: подкисленные продукты. Подкисленные продукты содержат значительное количество (более 10%) натуральных ингредиентов с низким содержанием кислот. pH ингредиентов с низким содержанием кислоты снижается за счет добавления кислоты в готовую пищу.
Эта кислота может быть добавлена непосредственно или с использованием натуральных кислотных ингредиентов. Независимо от способа подкисления, все компоненты с низким содержанием кислоты должны содержать достаточное количество кислоты, чтобы их рН снизился ниже 4,6 в течение 24 часов. Подкисленные продукты подвергаются термической обработке при умеренных температурах, аналогичных температурам кислых продуктов.
Коммерческая стерильность и микроорганизмы
Состояние коммерческой стерильности достигается тогда, когда продукт, прошедший обработку, не представляет опасности для здоровья потребителя и не портится. В случае традиционных консервированных продуктов с низким содержанием кислоты технологические процессы направлены на уничтожение спор Clostridium botulinum и снижение шансов на выживание спор микроорганизмов, вызывающих порчу. Споры бактерий более устойчивы к нагреванию, чем растительные клетки.
Концепция коммерческой стерильности подразумевает очистку пищевых продуктов от микроорганизмов, способных размножаться в продукте, при комнатной температуре, при которой предполагается хранить готовый продукт во время хранения, распределения и торговли. Термическое уничтожение микроорганизмов, как правило, подчиняется кинетике реакций первого порядка. То есть скорость уничтожения микроорганизмов зависит от концентрации микроорганизмов.
Clostridium botulinum был выбран в качестве эталонного микроорганизма в консервной промышленности, поскольку он обладает рядом полезных свойств, которые делают его подходящим для этой задачи. Это палочковидная анаэробная бактерия, образующая очень устойчивые споры; она может расти в пищевых продуктах со значением рН более 4,6. Этот микроорганизм ответственен за ботулизм — смертельное заболевание, вызываемое попаданием в организм нейротоксина, вырабатываемого вегетативной формой Clostridium botulinum. Этот нейротоксин является одним из самых сильных ядов в природе.
Вегетативная форма C. botulinum не обладает устойчивостью; однако его споры обладают высокой устойчивостью к нагреванию. Эти споры можно найти в нескольких сырых продуктах; при определенных условиях они могут прорастать, расти и выделять токсин. К числу подходящих условий для прорастания спор относятся рН выше 4,6, анаэробная среда и комнатная температура. Потенциально эти условия могут быть созданы в консервированных продуктах с низким содержанием кислоты. Поэтому для этих продуктов требуется разрушение при нагревании. Хотя в продуктах, используемых для приготовления консервированных продуктов, могут присутствовать и другие микроорганизмы, они менее важны, чем C. ботулинические, потому что они обладают меньшей термостойкостью или не представляют опасности для здоровья потребителя.
С другой стороны, Clostridium sporogenes (PA 3679) значительно более устойчив к нагреванию, чем C. botulinum; это нетоксичный облигатный анаэробный мезофильный микроорганизм, образующий споры, и он используется для определения безопасных термических процессов при приготовлении продуктов с низким содержанием кислот. Для приготовления кислых продуктов термический процесс основан на использовании факультативных анаэробов, таких как Bacillus coagulans, Bacillus macerans и Bacillus polymyxa; эти микроорганизмы более чувствительны к нагреванию.
Подготовка продуктов к консервированию
Чтобы получить полезные консервы, необходимо соблюдать надлежащие производственные нормы при хранении, обработке и приготовлении сырых продуктов и ингредиентов. Некоторые проблемы могут возникнуть из-за неправильной обработки продуктов перед термической обработкой. Важно свести к минимуму микробиологическое загрязнение пищевых продуктов при каждой операции перед термической обработкой; в противном случае микробная популяция увеличивается, и разработанный тепловой процесс может оказаться недостаточным для достижения термической стерильности.
В зависимости от характеристик пищевых продуктов, для их обработки используются различные методы подготовки. Фрукты и овощи обычно очищают от кожуры, косточек и семян. Некоторые листовые овощи (например, шпинат) перед консервированием подвергают нагреванию (бланшированию), чтобы удалить воздух и облегчить упаковку листьев в контейнеры; в других случаях нагревание инактивирует ферменты, предотвращая некоторые изменения в продукте, или может повысить начальную температуру продукта. Фрукты или овощи с высоким содержанием кислот могут быть подвергнуты термической обработке перед помещением в контейнеры.
Обычно мясо перед термической обработкой предварительно готовят, обваливают в сухарях и прессуют. Что касается морепродуктов, то перед упаковкой большинство видов рыбы и моллюсков очищают от костей; однако некоторые виды мелкой рыбы, например сардельки, упаковывают вместе с костями, поскольку они размягчаются при термической обработке.
Термический процесс стерилизации
По сути, в консервной промышленности существует две категории термических процессов. Один из них основан на использовании автоклавов: обычное консервирование, а другой — на асептической обработке пищевых продуктов. В процессах, использующих автоклавы, контейнеры заполняют пищевыми продуктами, затем их герметизируют, а затем нагревают с помощью пара под давлением до тех пор, пока контейнер и пищевые продукты не будут стерилизованы вместе.
При асептической обработке жидкие пищевые продукты стерилизуются вне контейнера с помощью теплообменников, а затем охлаждаются в том же оборудовании. Затем охлажденные стерильные пищевые продукты разливают и запечатывают в предварительно простерилизованный контейнер; эти операции проводятся в стерильных условиях при комнатной температуре. Подводя итог, можно сказать, что автоклавная обработка — это стерилизация «в контейнере», которая может применяться для всех видов пищевых продуктов, в то время как асептическая обработка — это стерилизация «вне контейнера», используемая для жидких пищевых продуктов.
Кроме того, можно рассмотреть третью категорию термических процессов; это атмосферная обработка или пастеризация, применяемая к кислым и подкисленным пищевым продуктам, которые требуют лишь умеренной термической обработки. Термический процесс должен быть специфичным для каждого продукта, типа и размера тары, а также типа стерилизационного оборудования. Термический процесс получается путем объединения информации о термической деструкции микроорганизмов и данных о нагреве продукта в предлагаемом стерилизационном оборудовании. Количество тепла, необходимое для уничтожения ожидаемого количества микроорганизмов, может быть определено в соответствии с информацией о термостойкости интересующих микроорганизмов в продукте и уровне микробиологического уничтожения, запланированного с помощью термического процесса.
С другой стороны, данные о нагреве продукта обычно получают в результате испытаний на проникновение тепла, которые измеряют температурно-временной профиль в контейнерах во время термического процесса. Хорошей практикой является получение данных о проникновении тепла в «наихудших» условиях, которые могут возникнуть во время термического процесса, чтобы быть уверенным в том, что процесс будет выполнен надлежащим образом. Именно по этой причине испытания проводятся с помощью датчиков температуры, расположенных в точке самого медленного нагрева внутри контейнера. В некоторых случаях использование упаковок с микроорганизмами, обладающими известной термостойкостью, может быть полезным при разработке термического процесса. На данные о нагреве продукта влияют внутренние (характеристики продукта) и внешние (связанные с нагревательным оборудованием) факторы. Было разработано несколько математических методов, позволяющих использовать вышеупомянутую информацию для проектирования или анализа теплового процесса.
Оборудование для стерилизации консервов. Автоклавы
Для обычного консервирования используются стерилизаторы различных типов. Доступны как периодические, так и непрерывные системы. В автоклавах периодического действия банки загружаются в ящики и помещаются в автоклав; они подвергаются термической обработке, а затем выгружаются. Примерами автоклавов периодического действия являются вертикальные и горизонтальные перегонные автоклавы с паром (или водой); в этом оборудовании ящики с контейнерами загружают в автоклав, закрывают емкость и нагревают контейнеры; затем осуществляют охлаждение путем отключения подачи пара и добавления холодной воды.
Кроме того, также доступны автоклавы для периодического перемешивания. С другой стороны, в автоклавах непрерывного действия заполненные герметичные контейнеры автоматически и непрерывно перемещаются из атмосферных условий в паровую среду под давлением, выдерживаются в течение всего процесса, а затем снова перемещаются в атмосферные условия для дальнейшей обработки.
Примерами автоклавов непрерывного действия являются ротационная варочная панель непрерывного действия и гидростатический стерилизатор. В качестве теплоносителя обычно используется пар или горячая вода или, реже, смесь пара и воздуха. Контейнеры для пищевых продуктов можно держать неподвижно или поворачивать.
Большинство асептических систем состоят из нагревателей, удерживающей трубки и охладителей. Оборудование, используемое для нагрева при асептической обработке пищевых продуктов, включает в себя несколько типов теплообменников; среди них пластинчатые и трубчатые теплообменники; это непрямые теплообменники, поскольку нагревательная среда не смешивается с пищевыми продуктами. Кроме того, существует оборудование, использующее непосредственную подачу пара в пищевые продукты.
Пастеризацию обычно проводят при температуре ниже 100°C, и для этого могут использоваться ванны с горячей водой. В конце термического процесса для охлаждения используется холодная вода. На этапе охлаждения металлических и стеклянных емкостей рекомендуется извлекать их при температуре около 38°C, чтобы вода с поверхности испарялась, предотвращая коррозию.
Пастеризацию сыпучих жидкостей можно проводить в теплообменниках, в которых в качестве теплоносителя используется пар или горячая вода. Каждый тип и размер нагревательного оборудования (стерилизатора) имеет свои особые характеристики, и их необходимо знать для организации конкретного термического процесса. С помощью этой информации можно определить пределы точности определения времени и температуры, заданных для контейнера с пищевыми продуктами.
Обработка консервов после стерилизации
Обеспечение и поддержание целостности тары имеет важное значение для микробиологической безопасности и минимизации порчи. Важно принимать надлежащие меры для предотвращения утечки содержимого. К числу факторов, влияющих на контроль протечек контейнеров, относятся проверка образования швов, осторожность при нарушении целостности швов во время перемещения контейнеров по погрузочно-разгрузочному оборудованию, дезинфекция воды, используемой для охлаждения контейнеров, недопущение мокрого обращения с контейнерами и т.д.
С другой стороны, консервированные продукты обычно предназначены для длительного хранения при комнатной температуре, поэтому контейнеры должны быть сухими.
Обеспечение и поддержание целостности тары имеет важное значение для микробиологической безопасности и минимизации порчи. Важно принимать надлежащие меры для предотвращения утечки содержимого. К числу факторов, влияющих на контроль протечек контейнеров, относятся проверка образования швов, осторожность при нарушении целостности швов во время перемещения контейнеров по погрузочно-разгрузочному оборудованию, дезинфекция воды, используемой для охлаждения контейнеров, недопущение мокрого обращения с контейнерами и т.д.
С другой стороны, консервированные продукты обычно предназначены для длительного хранения при комнатной температуре, поэтому контейнеры должны быть сухими. Кроме того, во время раздачи консервов в магазине может возникнуть проблема с использованием острых ножей для вскрытия термоусадочной упаковки и картонных коробок.
Пищевые свойства консервированных продуктов и их польза для здоровья
Основной целью термической обработки консервированных продуктов является достижение условий коммерческой стерильности. Однако в результате термической обработки могут подвергаться воздействию некоторые компоненты продукта, что приводит к изменению его характеристик, в том числе вкусовых и питательных свойств. Таким образом, основной целью термической обработки консервированных продуктов является достижение условий коммерческой стерильности. Однако в результате термической обработки могут подвергаться воздействию некоторые компоненты продукта, что приводит к изменению его характеристик, в том числе вкусовых и питательных свойств. Таким образом, термические процессы должны быть оптимизированы, чтобы гарантировать получение стабильных и безопасных продуктов, а также то, что это качественные пищевые продукты с надлежащим сохранением сенсорных и питательных свойств.
Питательные вещества
В консервированных продуктах степень сохранения питательных веществ варьируется в зависимости от технологичесервированных продуктах степень сохранения питательных веществ варьируется в зависимости от технологического процесса, продукта и питательных веществ, а также от других условий. Долгое время существовали консервированные продукты, в которых при нагревании терялось значительное количество витаминов, но другие питательные вещества, такие как белок и кальций, сохранялись в большом количестве. При хранении потери питательных веществ были менее заметны. В соответствии с новыми тенденциями в области термической обработки,
Опасности
Большинство операций в процессе консервирования направлены на обеспечение безопасности консервированных продуктов. Для достижения этой цели в консервной промышленности часто используются принципы системы, называемой «анализ рисков и критические контрольные точки» (HACCP). Среди прочего, HACCP определяет контрольные точки (операции) во время обработки пищевых продуктов, чтобы предотвратить риски для здоровья, связанные с консервированными продуктами. Ниже приведены некоторые замечания по поводу проблем со здоровьем, связанных с консервированными продуктами: В случае проблем микробного происхождения важно учитывать, что продукты с естественной кислотностью и подкисленные продукты не будут способствовать росту патогенных микроорганизмов, поэтому достаточно мягкой термической обработки (например, пастеризации), чтобы уничтожить микроорганизмы в продукте. еда.
Производители продуктов питания больше всего заботятся о продуктах с низким содержанием кислот, таких как мясо, рыба, грибы и овощи; в этих продуктах Clostridium botulinum, вызывающий ботулизм, должен быть уничтожен термическими процессами, которые также уничтожают другие микроорганизмы, которые могут отравить или испортить пищу. В дополнение к термической обработке, важно обеспечить надлежащую санитарную обработку пищевых продуктов до и после разогрева, чтобы предотвратить производство небезопасных пищевых продуктов.
Имеются сообщения о других микроорганизмах, отличных от C. botulinum, которые могли размножаться до термической обработки или повторно загрязнять нагретый продукт, образуя опасный продукт. Вот почему такие системы, как HACCP, полезны для получения безопасных продуктов. Еще одна проблема, связанная со здоровьем, связана с потенциально опасными или токсичными веществами, содержащимися в материалах контейнеров, которые могут попадать в пищевые продукты внутри контейнера.
Одним из примеров таких веществ является свинец, который использовался для пайки металлических частей консервных банок. В банках, состоящих из трех частей, боковой шов, запаянный свинцом, заменен сварным боковым швом. В процессе сварки используются электроды, которые прикладывают давление и пропускают электрический ток для формирования бокового шва. Благодаря сварному шву исключается проблема попадания свинца в консервы.
В настоящее время банки, запаянные свинцом, практически не используются. Еще одним примером опасного вещества, содержащегося в материалах для упаковки, является бисфенол А (BPA). Это вещество используется в качестве ингредиента при изготовлении внутренних покрытий для банок, которые предотвращают или замедляют взаимодействие между металлическими банками и содержащимися в них пищевыми продуктами. В настоящее время существуют спорные заявления, которые указывают на потенциальный риск, связанный с воздействием бисфенола А; некоторые химические компании начали разрабатывать заменители бисфенола, но, с другой стороны, требуется больше информации о влиянии бисфенола на здоровье потребителей.
Контейнеры для консервированных продуктов
Исторически сложилось так, что в первых процессах консервирования использовалась стеклянная тара, которая была громоздкой, хрупкой и дорогой. Однако по-прежнему широко используется стеклянная тара различных размеров и форм, поскольку она обладает рядом желаемых свойств (стекло инертно, прозрачно, устойчиво и т.д.).
Сразу же появились жестяные банки. Несмотря на то, что металлические банки используются уже почти два столетия, инновации в их изготовлении продолжаются и по сей день. Например, в настоящее время металлические банки изготавливаются из металлов, пригодных для вторичной переработки (стали и алюминия).; кроме того, внутренняя поверхность банок покрыта лаком, предотвращающим взаимодействие металла с пищевыми компонентами. Обычно используются банки, состоящие из трех частей, но количество банок, состоящих из двух частей, постоянно растет, и это оправдано, поскольку производство банок, состоящих из двух частей, более эффективно и экономично по сравнению с традиционный производственный метод заключается в сварке банок из трех частей.
Кроме того, благодаря постоянному сокращению размеров металлических банок достигается экономия. Другими инновациями в производстве металлических банок являются использование кольцевых защелок для открывания банок и система легко открывающихся крышек. С другой стороны, концепция консервной банки («контейнера, который может хранить и защищать пищевые продукты в течение длительного времени при комнатной температуре») нуждается в пересмотре, поскольку эта концепция привела к ряду интересных и важных разработок в области других материалов и форматов. Ниже приведены некоторые примеры:
(1) Асептическая упаковка, подобная той, которую Tetra Pak использует для упаковки молока и других жидких пищевых продуктов, подвергается асептической обработке. Эта специальная упаковка изготовлена из нескольких ламинированных материалов, включая пластик, алюминиевую фольгу и картон.
(2) Картонные бутылки, изготовленные из переработанной бумаги и полиэтилена низкой плотности, которые были предложены для упаковки молока.
(3) Картонные банки, в которых сочетаются картон и пластик.
(4) Пакеты из алюминиевой фольги, которые обладают некоторыми преимуществами по сравнению с традиционными металлическими банками.
(5) Барьерные пластики в сочетании со структурными полиолефинами в виде банок или форм, похожих на банки, представляют собой тип тары, которая может обеспечить все необходимые свойства для защиты пищевых продуктов. В дополнение к традиционной цилиндрической форме банок, используются и другие формы, такие как подносы, чашки, пакетики, мисочки и кубики.
Будущие тенденции
Традиционно анализ и проектирование термических процессов для достижения коммерческой стерильности основаны на математических моделях, которые предполагают, что инактивация бактериальных спор и вегетативных клеток, включая клетки Clostridium botulinum, протекает в соответствии с кинетикой первого порядка; на основе этой информации оцениваются параметры термического сопротивления (D и z). Такой подход привел к тому, что термические процессы, оцениваемые с помощью этих средств, позволяют получать безопасные с микробиологической точки зрения пищевые продукты; однако эти продукты, вероятно, подвергаются чрезмерной обработке.
В настоящее время имеются доказательства того, что инактивация микроорганизмов под воздействием тепла протекает по-другому. Кроме того, сегодня доступны более совершенные математические и вычислительные ресурсы для анализа и оценки тепловых процессов и создания усовершенствованных математических моделей, которые были экспериментально подтверждены для конкретных популяций микроорганизмов.
Согласно этой информации, теории термической обработки должны быть пересмотрены, чтобы гарантировать не только безопасность пищевых продуктов, но и их качество. Что касается последнего пункта, то производители продуктов питания озабочены оптимизацией тепловых процессов, стремясь не только к получению безопасных и стойких пищевых продуктов, но и к снижению затрат и энергозатрат при их производстве. С другой стороны, потребители предъявляют высокие требования к пищевой ценности, химической безопасности, сенсорным характеристикам и, в целом, к общему качеству своей продукции.
Для достижения этих целей процессы консервирования должны быть пересмотрены и оптимизированы с учетом наличия новых материалов, оборудования и инструментов для анализа процессов. Еще одним интересным моментом является доступность новых технологий стерилизации. При консервировании стерилизация осуществляется с помощью тепла, а в некоторых случаях — с помощью комбинации тепла и кислоты. Однако в настоящее время доступны альтернативные способы, такие как микроволновый нагрев, или нетепловые способы, такие как сверхвысокое давление или ультрафиолетовое излучение.
Эти последние способы использовались в сочетании с нагревом для производства консервированных продуктов. Сообщается, что пищевые продукты, обработанные с использованием этих альтернативных технологий, имеют минимальные потери качества и питательных веществ по сравнению с продуктами, полученными обычными методами термической обработки.