Термическая стерилизация использовалась для обеспечения длительной сохранности консервированных продуктов при хранении, и в настоящее время она применяется для широкого ассортимента продуктов. Большинство продуктов, сохраняющих срок хранения, подвергаются термической обработке после их расфасовки в готовые контейнеры. Относительно небольшой процент продуктов, пригодных для хранения, перед упаковкой обрабатывается с использованием асептической начинки (Хелдман и Хартел, 1997).
Термическая стерилизация консервированных продуктов была одним из наиболее широко используемых методов консервирования пищевых продуктов в двадцатом веке и внесла значительный вклад в улучшение питания большей части населения мира (Teixeira and Tucker, 1997). Целью термической стерилизации является получение безопасных и высококачественных продуктов питания по цене, которую готов платить потребитель. Это зависит от нескольких факторов, таких как скорость нагрева продукта, коэффициент теплопередачи на поверхности, начальная температура продукта, время приготовления теплоносителя, значение Z для показателя качества и целевое значение Fref (Silva et al., 1992). Процесс стерилизации не только продлевает срок хранения продуктов, но и влияет на их питательные свойства, такие как содержание витаминов.
Оптимальная термическая стерилизация продуктов всегда требует компромисса между благотворным и разрушительным воздействием тепла на продукты. Одной из задач пищевой консервной промышленности является минимизация этих потерь качества при одновременном обеспечении надлежащего технологического процесса для достижения желаемой степени стерильности. Оптимизация такого процесса возможна благодаря сильной зависимости инактивации бактерий от температуры по сравнению со скоростью разрушения качества (Lund, 1977).
По этой причине для достижения оптимальных условий обработки и максимального повышения качества продукта требуется рассчитать скорость теплопередачи. Кроме того, лучшее понимание механизма процесса нагрева приведет к повышению производительности процесса и, возможно, к экономии энергии. Основные принципы определения производительности различных, но взаимосвязанных процессов были представлены Мэй (May, 1997) и Уилбур (Wilbur, 1996).
При термической стерилизации пищевых продуктов температура нагревательной среды (пара или горячей воды) может значительно отличаться от расчетного значения на этапах нагрева. Такие отклонения могут серьезно угрожать общественной безопасности из-за недостаточной обработки пищевых продуктов (недостаточной стерилизации), потери энергии или снижения качества из-за чрезмерной обработки пищевых продуктов (Datta et al., 1986). По этим причинам оперативное управление ретортами при термической стерилизации было хорошо изучено Даттой и др., 1986; Джанони и Хаякавой, 1982; Тейшейрой и Мэнсоном, 1982; и Тейшейрой и Такером, 1997, для обеспечения безопасности, качества и эффективности процесса термической обработки консервированных продуктов.
При проектировании процессов термообработки пищевых продуктов необходимо знать температуру в зоне самого медленного нагрева (SHZ) и в центре термообработки пищевых продуктов во время процесса. Традиционно эта температура измеряется с помощью термопар. Размещение термопар для регистрации температуры в различных положениях контейнера во время нагревания нарушает структуру потока, что приводит к ошибкам в измерениях (Стофорос и Мерсон, 1990). Кроме того, трудно измерить температуру в зоне SHZ, поскольку это нестационарная область, которая продолжает перемещаться в процессе нагрева, как будет показано в анализе, представленном в следующих главах.
По этой причине растет интерес к использованию математических моделей для прогнозирования температуры пищевых продуктов во время термической обработки (Датта и Тейшейра, 1987, 1988; Наве и др., 1983; Николаи и др., 1998; Тейшейра и др., 1969). Математические модели для прогнозирования температуры во время тепловой стерилизации являются бесценным инструментом, помогающим обеспечить более безопасное производство и контроль термически обработанных пищевых продуктов.
С появлением настольных компьютеров эти модели быстро развивались, а возможность решать сложные системы уравнений сделала возможным онлайн-мониторинг процессов (Tucker, 1991). Было проведено несколько исследований по численному моделированию пищевых продуктов, подвергающихся термической обработке. Эти исследования включают
(1) Кратковременную естественную конвекционную теплопередачу в цилиндрическом контейнере (Датта и Тейшейра, 1988).;
(2) Кратковременный естественный конвективный теплообмен (жидкие пищевые продукты с постоянной низкой вязкостью) в контейнере в форме бутылки (Энгельман и Сани, 1983);
(3) Теплообмен в банке (неньютоновские пищевые продукты с вязкостью, зависящей от температуры) (Кумар и Бхаттачарья, 1991; Кумар и др., 1990; Янг и Рао, 1998);
(4) Непрерывная стерилизация (Датта, 1999; Юнг и Фрайер, 1999);
(5) Улучшение управления термическим процессом (Такер, 1991); и
(6) Стерилизация более сложных неоднородных пищевых продуктов (Скотт и др., 1994).
Насыщенный пар является наиболее часто используемой теплоносителем для стерилизации упакованных пищевых продуктов в промышленных условиях благодаря ряду преимуществ. Во время нагрева пар конденсируется на поверхности упаковки, что приводит к очень большим значениям коэффициента теплоотдачи поверхности (h). Скорость передачи тепла от нагревающей среды (пара) через стенку упаковки к внешнему слою продукта зависит от тепловых свойств самого продукта (Боумик и Тандон, 1987), а также от формы и размера банки или пакета, в котором он находится. Хотя пар является весьма предпочтительным теплоносителем, в некоторых случаях его применение невозможно.
Термическая стерилизация продуктов в консервной таре
Консервированные продукты имеют долгую историю и, вероятно, останутся популярными в обозримом будущем благодаря своему удобству, длительному сроку хранения и низкой стоимости производства. Этой технологии уделяется все больше внимания со стороны специалистов по термической обработке, что позволяет повысить экономичность и качество некоторых консервированных продуктов (Дюранс, 1997).
Механизм теплопередачи жидких пищевых продуктов в банках классифицируется как конвекционный, теплопроводящий или комбинированный. Этот вопрос будет рассмотрен далее. Как правило, теплопроводность считается единственным способом передачи тепла из-за относительной простоты аналитических и численных решений для этого случая. Этот анализ приемлем для разогрева твердых продуктов, но не для жидких. Если теплопередача контролируется только теплопроводностью, то в процессе нагрева так называемая SHZ будет оставаться в геометрическом центре банки.
При приготовлении продуктов с теплопроводным нагревом скорость нагрева в SHZ определяется сопротивлением теплопередаче внутри продукта, которое зависит от теплофизических свойств продукта, а также от геометрии и размеров контейнера (Silva et al., 1992). При использовании конденсирующегося пара для разогрева пищевых продуктов в металлических контейнерах можно пренебречь внешним и поверхностным тепловым сопротивлением (Tucker and Holdsworth, 1991).
В случае использования паровоздушных смесей в качестве источника тепла или воды во время цикла охлаждения необходимо учитывать конечный коэффициент теплопередачи поверхности. Кроме того, использование стеклянных или пластиковых контейнеров требует учета сопротивления проводимости стенки контейнера (Денистон и др., 1987; Денистон и др., 1991; Хелдман и Сингх, 1981; Рамасвами и др., 1983; Шин и Бхоумик, 1990; Стофорос и Мерсон, 1990; Такер и Кларк, 1990; Танг и др., 1984).
Обычно предполагается, что такие продукты, как консервированный тунец, густые сиропы, пюре и концентраты, нагреваются за счет теплопроводности. Для этих продуктов необходимое время обработки обычно определяется аналитическим или численным решением уравнения теплопроводности (Datta et al., 1986). Например, Динсер и др. (1993) проанализировали кратковременную теплопередачу при стерилизации консервированных продуктов, чтобы определить скорость теплопередачи.
Их модель была основана на решении уравнения теплопроводности с использованием граничного условия первого рода в режиме переходного нагрева, которое выражает простую зависимость между временем и температурой. Лануазель и др. (1986) разработали линейную рекурсивную модель для представления теплопередачи внутри банки во время стерилизации в реторте и предсказали распределение внутренней температуры в консервированных продуктах во время термической обработки. Актериан (1994) разработал численную модель для определения нестационарного температурного поля в консервированных продуктах с теплопроводным нагревом различной формы и граничных условий.
Уравнение теплопроводности решается с использованием конечных разностей. Сильва и др. (1992) изучили оптимальные температуры стерилизации продуктов с теплопроводным нагревом с учетом конечных коэффициентов теплопередачи на поверхности. Были рассмотрены различные одномерные формы теплопередачи, и было обнаружено, что начальная температура и время подачи теплоносителя мало влияют на оптимальную температуру обработки. Банга и др. (1993) также изучали тепловую обработку консервированных продуктов с теплопроводным нагревом.
Численное моделирование было выполнено с использованием метода конечных разностей (FDM) и метода конечных элементов (FEM). Результаты моделирования были подтверждены некоторыми экспериментальными данными, полученными для стерилизации консервированного тунца. Из-за сложного характера теплопередачи при нагреве с естественной конвекцией наблюдение за ЗЗ является сложной задачей и требует детального прогнозирования переходных режимов течения и температурных профилей. Естественная конвекция возникает из-за разницы плотностей внутри жидкости, вызванной температурным градиентом.
Естественная конвекция заставляет SHZ перемещаться ко дну банки. Скорость в уравнениях импульса связана с температурой в уравнении энергии, поскольку движение жидкости происходит исключительно за счет выталкивающей силы. Из-за этой связи уравнение энергии необходимо решать одновременно с уравнениями импульса, что требует использования соответствующего программного обеспечения, которое будет рассмотрено в последующих главах.
Основные принципы теплопередачи, необходимые для определения методов термической обработки, были представлены в нескольких книгах. В литературе был опубликован ряд численных исследований теплопередачи, направленных на моделирование процессов стерилизации и определение распределения температуры и расхода в банках. Экспериментально установлено, что при нагревании жидкость поднимается по стенкам банки и опускается в центре банки (Хиддинк, 1975).
Также было установлено как экспериментально (Никерсон и Сински, 1972), так и теоретически (Датта и Тейшейра, 1988), что СВЗ в продуктах, нагреваемых конвекцией, в цилиндрической банке представляет собой торроид, который постоянно меняет свое местоположение. Большинство этих исследований было проведено для жидких пищевых продуктов, похожих на воду, при условии их постоянной вязкости (Кумар и Бхаттачарья, 1991). Численные предсказания переходных температурных и скоростных профилей при естественном конвекционном нагреве воды в цилиндрической емкости были хорошо изучены Даттой и др. (1987, 1988).
Было обнаружено, что жидкие пищевые продукты расслаиваются внутри контейнера по мере повышения температуры кверху. Датта и др. предсказал отчетливую внутреннюю циркуляцию на дне банки и показал, что SHZ представляет собой область в форме пончика, расположенную близко ко дну банки примерно на одной десятой высоты банки. Влияние естественного конвекционного нагрева в процессе стерилизации натрийкарбоксилметилцеллюлозы (КМЦ) в качестве модельного жидкого пищевого продукта было подробно изучено Кумаром и др. (1990) и Кумаром и Бхаттачарьей (1991).
Кумар и Бхаттачарья провели моделирование стерилизации вязких жидких пищевых продуктов в металлической банке, установленной вертикально и нагреваемой через боковую стенку в перегонной реторте. Уравнения сохранения массы, импульса и энергии с использованием цилиндрической системы координат были решены с помощью МКЭ для моделирования процесса нагрева неньютоновских жидких пищевых продуктов в банках. Были представлены графики температуры, скорости и линий тока для процесса нагрева естественной конвекцией.
Предполагалось, что жидкость имеет вязкость, зависящую от температуры, но постоянную удельную теплоемкость и теплопроводность. Они также представили моделирование для той же банки, когда ее нижняя и верхняя поверхности были изолированы (Kumar и др., 1990). Результаты показали, что естественная конвекция имеет тенденцию перемещать SHZ (самую холодную область) на дно банки. Янг и Рао (1998) решили уравнения, определяющие энергию, массу и импульс для неподвижной вертикальной банки, наполненной 3,5%-ным содержанием дисперсии кукурузного крахмала по массе, в процессе термической обработки.
Они обнаружили, что увеличение вязкости во время желатинизации крахмала уменьшает поток, обусловленный плавучестью, и, следовательно, снижает скорость теплопередачи. Пластиковые банки, состоящие из нескольких тонких слоев полимерных материалов, используются во многих отраслях пищевой промышленности для производства продуктов, сохраняющих срок годности. Боумик и Шин (1991) и Лу и др. (1991) изучали термическую обработку продуктов с теплопроводным нагревом в пластиковых цилиндрических банках. Боумик и Шин разработали математическую модель для оценки термической обработки продуктов в пластиковых цилиндрических банках.
Модель включала коэффициенты внешней конвективной теплопередачи для нагрева и охлаждения, и температуры, рассчитанные с помощью модели в самой холодной точке банки, полностью совпадали с определенными. Было обнаружено, что коэффициент температуропроводности стенки банки и коэффициенты теплопередачи нагревающей и охлаждающей среды существенно влияют на показатели стерилизации обработанных пищевых продуктов. Лу и др. провели сравнение стерилизации металлических банок и пластиковых контейнеров, пригодных для повторного использования.
В ходе исследования было проведено математическое определение коэффициента теплоотдачи, который, как выяснилось, зависит от материала контейнера и ориентации крышки пластиковых контейнеров. Результаты показали, что при проектировании тепловых процессов в пластиковых контейнерах необходимо учитывать несимметричный внешний теплообмен из-за наличия металлической крышки. Во всех моделях предполагалось, что распределение температуры в банках в конце процесса нагревания является важным показателем стерильности пищевых продуктов. Однако необходимо выдерживать продукты в таких условиях в течение определенного периода времени, чтобы обеспечить эффективное уничтожение микроорганизмов. На самом деле ожидается, что гибель микроорганизмов начнется на ранних стадиях нагревания, особенно в местах у стенки, где температура очень быстро приближается к температуре реторты (121°C).
Следовательно, необходимо решить дифференциальное уравнение в частных производных (PDE), определяющее концентрацию бактерий, в сочетании с уравнениями непрерывности, импульса и энергии. Датта (Datta, 1991) использовал этот подход для изучения стерилизации жидких пищевых продуктов в неповрежденной цилиндрической камере, нагреваемой со всех сторон, и описал вычислительную процедуру для получения полного спектра биохимических изменений во время обработки без явного учета компонентов жидкости.
Исследование Datta показало, что наименьшая степень стерилизации, достигаемая любой порцией жидкости в системе, значительно превышает уровень стерилизации, обычно рассчитываемый с использованием температуры SHZ. При теплопроводном нагреве достаточно знать переходную температуру в различных фиксированных точках, чтобы рассчитать распределение концентрации бактерий. Однако для жидкости, находящейся в постоянном движении, ситуация довольно сложная. В этом случае очень важно следить за распределением температуры во времени. Химические и биохимические реакции, происходящие в жидкой пище при нагревании, зависят от температуры. Такие реакции уничтожают не только микроорганизмы, но и некоторые ценные питательные вещества, такие как витамины.
Разрушение витаминов происходит в результате реакции первого порядка, аналогичной разрушению микроорганизмами. В целом, время, необходимое для уничтожения 90% видов витаминов, значительно выше, чем у микроорганизмов и ферментов. В результате, питательные свойства могут быть хорошо сохранены при использовании более высоких температур и более короткого времени тепловой обработки (Fellows, 1996). Поскольку все эти процессы деструкции зависят от температуры, изменение температуры приводит к неизбежному пространственному распределению продуктов реакции. Это распределение может быть легко определено количественно в случае кондуктивного нагрева твердых материалов.
Однако ситуация становится довольно сложной, когда жидкость находится в движении. В этом случае на профили температуры и концентрации сильно влияет естественная конвекция жидких пищевых продуктов. Влияние процесса термической стерилизации на качество и сохранность питательных веществ в продуктах питания было главной проблемой для предприятий пищевой промышленности с тех пор, как Николас Апперт впервые открыл технологию консервирования пищевых продуктов в 1809 году. Позже это беспокойство привело к проведению нескольких экспериментальных исследований и компьютерного моделирования для изучения влияния термической стерилизации на витамины. Тейшейра и др. (1969) разработали численную компьютерную модель для моделирования термической обработки консервированных продуктов.
Модель одновременно предсказала летальный эффект термического процесса на разрушение тиамина в гороховом пюре, которое обычно богато тиамином. Экспериментальные данные подтверждают точность и достоверность математического метода и компьютерной модели Teixeira и соавторов. (1969) для оценки термического процесса в отношении удержания тиамина, что впоследствии было показано Тейшейрой и др. (1975a).
Поскольку ожидалось, что размер банки будет существенным фактором, который ограничит реакцию внутренней температуры на любое изменяющееся воздействие на поверхность, Teixeira и др. (1975b) также изучили влияние различной геометрии контейнеров одинакового объема на уровень удержания тиамина как на постоянной, так и на изменяющейся во времени поверхности. температура. Сагуи и Карел (1979) исследовали и разработали метод расчета оптимального температурного режима для протекания реакции в реторте в зависимости от времени, необходимого для достижения заданного уровня стерилизации с максимальным сохранением питательных веществ. Сагуи и Карел использовали вычислительную схему для определения оптимального температурного режима для сохранения тиамина в консервах в процессе стерилизации.
Термическая обработка жидких пищевых продуктов всегда приводит к биохимическим изменениям, зависящим от времени стерилизации и температуры. К таким изменениям относится изменение цвета пищевых продуктов, связанное с термической обработкой. Сохранение цвета пищевых продуктов после термической обработки может быть использовано для прогнозирования степени ухудшения качества пищевых продуктов в результате воздействия тепла. Шин и Боумик (1995) изучали термическую кинетику изменения цвета горохового пюре.
В этой работе образцы пюре из зеленого горошка подвергались термической обработке в течение различного времени при различных температурах, чтобы определить степень термического разрушения цвета. Баррейро и др. (1997) также изучали кинетику изменения цвета томатной пасты двойной концентрации при термической обработке. Был определен порядок протекания реакции и константы Ea (энергия активации) и kT (постоянная скорости реакции) уравнения Аррениуса. Было обнаружено, что все изменения цвета происходили в соответствии с очевидной кинетикой первого порядка.