Термическая обработка в пищевых автоклавах

В автоклавах существует несколько различных типов и режимов нагрева, включая статический, вращательный, колебательный или вибрационный. При статической автоклавной обработке, как это звучит, продукт используется в фиксированном положении, в то время как нагревательная среда вводится вокруг упакованного продукта для получения коммерчески стерильного продукта. Вращательная обработка вращает продукт круговыми движениями, либо в вертикальном направлении, либо в осевом направлении, обеспечивая перемешивание, предназначенное для более быстрого нагрева.

В колеблющихся автоклавах используется аналогичный принцип: движение из стороны в сторону или вперед и назад обеспечивает перемешивание, что способствует более быстрому нагреву. Примером этого процесса является система Allpax Shaka (Allpax, Ковингтон, Луизиана), в которой продукт перемещается вперед и назад или вибрирует по горизонтали, чтобы обеспечить более быстрый нагрев. Этот подход является новым для отрасли и может обеспечить более высокую скорость нагрева некоторых продуктов. Сингх и др. (2015) обнаружили, что модификация статического парового автоклава с включением возвратно-поступательного перемешивания позволила заметно улучшить время нагрева в самой медленной зоне нагрева. Этот подход привел к значительному влиянию на присвоенный индекс ухудшения качества, что указывает на возможность улучшения качества продукции такой системы по сравнению со статическим процессом. Еще одно различие, которое необходимо учитывать при выборе типа автоклава, заключается в том, обрабатывает ли установка непрерывно продукт или продукт загружается, обрабатывается и выгружается «периодическим способом».

Автоклавы непрерывного действия, как следует из названия, используют непрерывный прием и выпуск упакованного продукта, что позволяет производственной линии работать непрерывно без необходимости разгрузки и перезагрузки технологического резервуара. Такой подход к автоклаву приводит к уменьшению колебаний температуры продукта с момента наполнения до поступления в ретортный резервуар. В Соединенных Штатах для автоклавов непрерывного действия традиционно требовалось, чтобы продукт находился в форме, позволяющей легко перемещаться через систему непрерывного действия, а также выдерживать отсутствие избыточного давления в окружающей среде. Двумя основными типами автоклавов непрерывного действия являются барабанные и спиральные автоклавы и гидростатические (Tucker and Featherstone, 2011).

В гидростатических автоклавах как на входе, так и на выходе используются водяные столбы для поддержания паровой камеры под давлением (IFTPS, 2014). Банки переносятся через несущие стержни через секцию водяного столба предварительного нагрева в паровую камеру под давлением, где происходит термический процесс. По истечении определенного времени пребывания в паровой камере, определяемого длиной и скоростью питающей цепи, контейнеры выходят в секцию предварительного охлаждения столба воды. После этого банки проходят через секцию охлаждения, где они дополнительно охлаждаются распылением воды перед выходом из системы. Хотя в автоклаве с гидростатом вращение действительно происходит, его частота меньше, чем в катушечных и спиральных системах, поскольку вращение происходит только при изменении направления, когда конвейер перемещается между камерами (Tucker and Featherstone, 2011).

Катушки и спиральные автоклавы — это еще один тип автоклавной системы непрерывного действия, в которой банки перемещаются через технологический резервуар по спиральной направляющей, которая вращается внутри горизонтальной цилиндрической оболочки. Когда банки спускаются по спирали, происходит перекатывание, что способствует проникновению тепла в самую медленную зону нагрева. Банки обычно остаются неподвижными, пересекая восходящие части спирали. Катушки и спиральные автоклавы обычно используются для продуктов, требующих некоторого перемешивания во время обработки, таких как супы и готовые блюда. Общим свойством этих типов продуктов является то, что продукт может перемещаться внутри упаковки из-за вязкости пищевого продукта. Примерно пятьдесят процентов всей продукции из ретортированных металлических банок перерабатывается в катушечных и спиральных автоклавных системах (Tucker and Featherstone, 2011).

Относительно новая горизонтальная система непрерывного действия от ACB Hydrolock (Hydrolock, Ле Биньон, Франция) недавно привлекла внимание промышленности в США. Коммерческие подразделения присутствуют в Европе и других частях мира. Hydrolock уникален, поскольку он позволяет создавать избыточное давление для чувствительных упаковок, таких как полужесткие чаши, лотки и гибкие ретортные пакеты, сохраняя при этом непрерывное движение. Предлагая непрерывную обработку, эта установка преодолевает серьезный ограничивающий фактор современных автоматизированных систем периодического автоклава (Hydrolock, 2015).

В настоящее время большинство компаний, производящих продукцию, требующую избыточного давления, группируют несколько реторт партий вместе и управляют графиком процесса, чтобы минимизировать время простоя операций выше и ниже по потоку. Это в некоторой степени ограничивает влияние запуска/остановки систем периодического действия, но с Hydrolock эти контрмеры не потребуются. Hydrolock использует транспортеры, на которые пакеты загружаются, а затем обрабатываются горизонтально, перемещаясь по технологическому судну путем перекатывания. После этапа охлаждения пакеты выгружаются из носителя и переходят к отделочным операциям. Эта технология еще не коммерциализирована в США, однако, скорее всего, ее внедрение американскими производителями продуктов питания — лишь вопрос времени. Коммерциализация может быть достигнута путем преобразования существующей автоматизированной линии пакетирования или инвестиций в новую линию, чтобы извлечь выгоду из повышенной гибкости, которую предлагает Hydrolock.

Автоклавы периодического действия, в отличие от реторт непрерывного действия, работают с ограниченной партией или размером партии, при этом контейнеры загружаются в систему, обрабатываются, а затем удаляются. Не существует непрерывного ввода и вывода через технологический резервуар. В автоклавах периодического действия можно использовать различные нагревательные среды, включая пар, пар и воздух, водяное распыление, водный каскад и погружение в воду. Кроме того, автоклавы периодического действия с избыточным давлением позволяют использовать более высокое внутреннее давление, превышающее давление насыщенного пара, чтобы предотвратить деформацию менее прочных упаковок (Montville et al., 2012). Ящики или корзины внутри автоклавов периодического действия можно вращать, чтобы обеспечить перемешивание и перемешивание внутри упаковок. Эта модификация процесса увеличивает скорость теплопередачи в зоне самого медленного нагрева (Tucker and Featherstone, 2011).

Конденсационные паровые автоклавы исторически были предпочтительным методом обработки для предприятий пищевой промышленности, использующих металлические банки. Эти устройства вентилируются в начале процесса, чтобы уменьшить/устранить воздушные карманы в резервуаре, которые могут вызвать неравномерный нагрев. Многие конденсационные паровые автоклавные установки были заменены новыми системами, обеспечивающими избыточное давление, тем самым увеличивая гибкость типов упаковки (Tucker and Featherstone, 2011).

В водопогружных автоклавах для нагрева технологического резервуара используется предварительно нагретая вода, хранящаяся в отдельном резервуаре. Благодаря предварительному нагреву и хранению воды отдельно от технологического резервуара время, необходимое резервуару для достижения температуры обработки (время достижения температуры), значительно сокращается. После заполнения вода дополнительно нагревается до температуры обработки через паровой теплообменник. Избыточное давление в технологическом резервуаре может быть достигнуто добавлением пара или сжатого воздуха. По достижении желаемого времени процесса или летальности в технологический резервуар впрыскивают охлаждающую воду, чтобы начать фазу охлаждения. Погружение в воду обеспечивает плавучесть упаковок, что позволяет стеклянным упаковкам обрабатываться с более высокими скоростями вращения (IFTPS, 2014; Tucker and Featherstone, 2011).

Распыление воды, в автоклавах периодического действия используется технологическая вода, распределяемая через распылительные форсунки высокого давления (расположенные вдоль верхней и боковых сторон резервуара), чтобы обеспечить покрытие корзины или стеллажей автоклава. Технологическую воду можно нагревать различными методами, включая теплообменники или прямое впрыскивание пара. Каскадирование воды сравнимо с распылением воды, за исключением того, что технологическая вода подается сверху резервуара, откуда она затем стекает вниз на стойки внутри автоклава (IFTPS, 2014).

Тепловые расчеты и сбор данных

Общий метод или эталонный метод расчета был разработан Бигелоу и др. (1920) и позволяет установить значение процесса (значение F) на основе данных, собранных во время исследования проникновения тепла. Исследование теплопроницаемости используется для определения характеристик нагрева и охлаждения конкретной комбинации продукта и упаковки в конкретной автоклавной системе. При каждом испытании на проникновение тепла необходимо учитывать все критические факторы, связанные с упакованным продуктом, чтобы обеспечить безопасный термический процесс (IFTPS, 2004). У общего метода есть некоторые недостатки, такие как полученные значения F применимы только к условиям испытания на теплопроницаемость, используемым при расчете, и не могут быть перенесены в другой набор условий. Изменения критических переменных или отклонения от первоначального графика процесса не могут быть учтены и требуют дальнейших испытаний в конкретных условиях для определения ценности процесса (Tucker and Featherstone, 2011).

Из-за этих ограничений в пищевой промышленности специалисты по термической обработке часто используют другие методы определения процесса для установления запланированного процесса. В этих расчетах учитываются коэффициенты нагрева (fh) и коэффициенты задержки (j), которые предоставляют конкретную информацию о том, как нагревается упакованный продукт. Доктор К. Оуэн Болл первоначально опубликовал эти концепции (1923, 1927) как коэффициенты в уравнении для расчета времени процесса консервированных пищевых продуктов. Метод Болла, как называется его подход, использует эти нагревательные факторы; рассчитывается на основе данных о проникновении тепла с учетом желаемого значения Fo, температуры автоклава и начальной температуры продукта для расчета общего времени обработки (TechniCAL, 2012).

Метод Болла также делает некоторые основные допущения при расчете запланированного процесса. Во-первых, этот метод предполагает, что скорость нагрева (fh) равна скорости охлаждения (fc). Во-вторых, предполагается, что коэффициент задержки охлаждения является статическим и равен 1,41, и что после начала процесса охлаждения продукт не нагревается, а используемый метод автоклава имеет постоянную температуру во время цикла приготовления. Наконец, при расчете коэффициента задержки нагрева (jh) имеется поправка на 42 % (TechniCAL, 2012). В настоящее время пищевая промышленность использует автоматизированное программное обеспечение, такое как CALsoft™ (TechniCAL, Metairie, LA), для расчета и моделирования термической обработки на основе метода формулы Болла.

Используя коэффициенты нагрева, собранные во время испытания на проникновение тепла, данные о температуре и времени отображаются на инвертированном полулогарифмическом графике, что позволяет вывести коэффициенты нагрева для технологических контейнеров, которые затем используются в качестве входных данных для формулы Болла. Как отмечалось выше, в этом процессе используются некоторые допущения, которые обеспечивают некоторую гибкость в отношении применения, но во многих случаях также приводят к очень консервативным расчетам (TechniCAL, 2012). Существуют дополнительные методы и программное обеспечение для моделирования термической обработки, которые помогают органу термического процесса установить запланированный процесс. Альтернативным программным обеспечением CALSoft™ является NumeriCAL® (JBT FoodTech, Чикаго, Иллинойс), в котором используются передовые математические модели, относящиеся к физике теплопередачи. Это позволяет модели работать с переменными профилями реторты, определять профили подъема и охлаждения, а также отклонения процесса, вызванные колебаниями температуры, для разработки лучшего графика (Tucker and Featherstone, 2011).

Полужесткие полимерные автоклавные лотки

Пластиковые полужесткие автоклавные лотки широко распространены среди потребителей, покупающих готовые блюда длительного хранения в США, причем такие производители, как ConAgra Foods, Inc., Campbell Soup Co. и Hormel Foods, LLC, используют различные формы этой упаковки для продуктов. такие как Chef Boyardee®, SpagettiOs® и Compleats®. Эти лотки предлагают потребителям существенные преимущества в стоимости, возможности использования в микроволновой печи, сроке хранения и простоте использования. Многие полужесткие автоклавные лотки, представленные сегодня на рынке, изготовлены из полипропилена с барьерным слоем, используемым для защиты продукта от кислорода. Полипропилен (ПП) был впервые обнаружен компанией Phillips Petroleum (Бартлсвилл, Оклахома) в 1951 году во время исследований по поиску способов создания компонентов бензина (Стинсон, 1987). Полипропилен представляет собой термопласт, доступный в виде гомополимера полипропилена или сополимера полипропилена. ПП имеет более низкую плотность и более высокую температуру плавления, чем другие полимеры, такие как полиэтилен низкой или высокой плотности (Hernandez et al., 2000). Высокая термостойкость делает его идеальным для использования в автоклавах. Плотность полипропилена очень низкая, что делает его одним из самых легких из всех полимеров. Кроме того, полипропилен может производиться с высоким выходом на фунт сырья, что создает экономическое преимущество и делает его очень выгодным для упаковочной промышленности. Ударную вязкость полипропилена можно повысить за счет использования таких добавок, как сополимеры с высоким содержанием этилена (Эрнандес и др., 2000).

Этиленвиниловый спирт (EVOH) представляет собой полимер, созданный путем контролируемого гидролиза сополимера этилена и винилацетата, и был представлен на рынке в 1970 году. Высокополярные группы -OH делают полимер более совместимым с водой, что означает, что полимер является гидрофильным. С точки зрения упаковки, EVOH используется из-за его чрезвычайно хороших барьерных свойств для кислорода, что делает его привлекательным вариантом упаковки пищевых продуктов. Поскольку EVOH гидрофильен, он естественным образом притягивает воду, что резко снижает барьерные свойства (Hernandez et al., 2000).

По этой причине EVOH обычно используется в многослойных структурах, где он скрыт внутри других полимерных слоев для защиты барьерных свойств. Это не всегда полностью предотвращает влияние воды на свойства EVOH, как это можно видеть на ретортных упаковках со структурами PP/EVOH/PP. В этом случае ПП не полностью блокирует миграцию воды в EVOH, который страдает от снижения барьерных свойств по кислороду в течение определенного периода времени после автоклавирования. Этот эффект называется автоклавным шоком и часто встречается в пищевой промышленности. Чтобы предотвратить это явление, было использовано несколько подходов, в том числе добавление влагопоглотителей в связующие слои, которые связывают ПП с EVOH, и альтернативные барьерные материалы, которые не имеют такого же гидрофильного взаимодействия с водой, как EVOH.

Термоформование — это процесс формирования пластиковой детали из листа пластика с использованием тепла и формовочной формы. Существует несколько методов термоформования, включая плоское, ротационное и формование из расплава. Внутри этих типов есть три основных этапа: нагрев материала, формование из материала детали и обрезка детали (Hernandez et al., 2000). Нагрев может осуществляться различными способами, однако наиболее распространенным является лучистый нагрев в духовке. В случае термоформования из расплава в форму экструдер обеспечивает тепло во время плавления, а затем лист экструдируется через матрицу на колесо, содержащее формовочные формы. При формовании деталей обычно используется вакуум, который помогает втягивать материал в форму для формования, но также можно использовать механические пробки, которые помогают проталкивать материал в форму для формования. Обрезка может происходить либо на той же станции, что и формовка, в операциях обрезки на месте, либо после формовки в случае более крупных ротационных производственных линий, где лист, содержащий формованные детали, подается на обрезной пресс. Избыточный материал обычно измельчается и возвращается в процесс в процентном соотношении.