Обработка пищевых продуктов в автоклаве — надежный и проверенный метод создания стерильных продуктов длительного хранения. Формула продукта и размер упаковки определяют время обработки. Ротационные автоклавы были изобретены для перемешивания банок с целью сокращения времени обработки и обеспечения равномерного нагрева внутри банки. В последнее время горизонтальное возвратно-поступательное перемешивание стало особенностью автоклавов, называемых Gentle Motion® и Shaka®. Колебательное перемешивание — еще более новый вариант автоклава. Этот исследовательский эксперимент был разработан для того, чтобы (1) определить влияние непрерывного колебания и времени выдержки колебаний на скорость проникновения тепла в пакет по сравнению со статическим движением и (2) определить влияние различной вязкости имитатора пищевого продукта внутри пакетов на скорость проникновения тепла при различных движениях автоклава, а также (3) определить влияние трех различных количеств остаточного воздуха внутри пакетов на скорость проникновения тепла при различных движениях автоклава. В эксперименте использовалось семь различных движений автоклава: статическое (S), непрерывное колебание со скоростью 10,5 оборотов в минуту (об/мин) с углом 15° (О), 10,5 об/мин с временем пребывания 15 секунд (ОН), 6 об/мин с время выдержки 5 секунд (A), 6 об/мин с временем выдержки 20 секунд (B), 12 об/мин с временем выдержки 5 секунд (C) и 12 об/мин с временем выдержки 20 секунд (D). Результаты исследования показали, что могут быть оптимальные соотношения между движением, вязкостью и остаточным воздухом при попытке увеличить скорость проникновения тепла в пакет.
Введение
Наука о пищевых продуктах — это междисциплинарная область, которая включает в себя множество различных научных исследований, направленных на создание безопасных, питательных и доступных продуктов питания. Химия, биология, биохимия, наука об упаковке, материаловедение и инженерия — все это дисциплины, связанные с наукой о пищевых продуктах, которые объединяются для разработки и улучшения коммерческих пищевых продуктов для потребителей (Институт пищевых технологов, 2018). Хотя каждый из этих аспектов пищевой науки можно изучать индивидуально, важно понимать, как и почему все эти дисциплины влияют на развитие пищевой промышленности. Продукты питания — это биологический товар, который подвергается физическим и химическим реакциям в течение срока годности, независимо от того, являются ли продукты свежими или обработанными. Большинство химических реакций, происходящих в пищевых продуктах, приводят к ухудшению качества продукта или, в конечном итоге, к его порче.
Упаковка и материаловедение, как аспекты пищевой науки, объединяют машиностроение, химическую инженерию, микробиологию, токсикологию и дизайн для создания безопасной упаковки пищевых продуктов, отвечающей потребностям пищевого продукта и потребителя (Хэнлон, Дж. Ф., Келси, Р. Дж., и Форчинио, HE, 1998). Упаковка имеет решающее значение с точки зрения пищевых продуктов, поскольку примерно половина всей упаковки, производимой в мире, используется для упаковки пищевых продуктов (Робертсон, 2006). Ученые в области пищевых продуктов и упаковки должны иметь тесные связи и базовое понимание областей деятельности друг друга, чтобы производить безопасные продукты питания. Упаковка пищевых продуктов защищает их от загрязнения, порчи и фальсификации. Упаковочные материалы не должны взаимодействовать с пищевыми продуктами и вызывать какие-либо неблагоприятные химические реакции.
В 2017 году объем продаж гибкой упаковки в США составил около 31 миллиарда долларов (Pierce, 2018). Быстрый рост и постоянное использование гибкой упаковки в последние два десятилетия обусловлены быстро меняющимися потребностями потребителей. Потребители ищут продукты, которые можно эффективно потреблять и утилизировать, они имеют привлекательный внешний вид, могут использоваться в дороге и являются экономически выгодными. Из-за более занятого образа жизни потребители обращаются к гибкой упаковке, которая может удовлетворить эти потребности, особенно для пищевых продуктов.
Продукты детского питания упаковываются индивидуально в упаковки нового дизайна со времен Lunchables®, но теперь на рынке можно увидеть детское пюре в стоячих пакетах с насадками, пакеты с йогуртом или яблочным соусом, а также упакованные ломтики яблок или морковные палочки. Эта тенденция теперь также предлагается взрослым для дозаправки на ходу. Учитывая рост электронной коммерции, который, по оценкам, к 2022 году достигнет 100 миллиардов долларов, в цепочке поставок потребуются более эффективные гибкие упаковочные решения.
Устойчивость к неправильному обращению, целостность упаковки и продление срока годности продукта — это факторы, которые будут постоянно улучшаться для продвижения на рынок более гибкой упаковки. Гибкие пакеты называются «безопасной упаковкой», они защищены от несанкционированного вскрытия и могут сократить количество вторичной и третичной упаковки при транспортировке продукции (Pierce, 2018).
Ретортный пакет увеличивает площадь поверхности контейнера по сравнению с банкой или полужестким контейнером, что увеличивает скорость передачи тепла продукту внутри и сокращает общее время обработки (Hoddinott, 1975). Более короткое время приготовления приводит к улучшению вкуса, повышению пищевой ценности и меньшей потере влаги (Газдзиак, 2005).
Ретортные пакеты для учреждений являются широко используемой заменой металлических банок номер 10 из-за их простоты использования и снижения затрат на распространение (Brooks, 2010). Пакеты занимают меньше места и весят меньше по сравнению с обычными банками или полужесткими контейнерами. Такая разница в объеме между пакетами и обычными контейнерами позволяет компаниям более эффективно использовать складские площади и экономить деньги, отправляя больше пустых пакетов, чем банок или полужестких контейнеров (Микитюк, 2002).
При термической обработке ретортного пакета избыточное давление используется во время подъема, стерилизации и охлаждения для поддержания общей целостности контейнера, предотвращая взрыв контейнера из-за повышения внутреннего давления. Давление внутри упаковки повышается при автоклавировании при высоких температурах. В случае жестких упаковок сама упаковка способна выдержать такое повышение давления. Однако при обработке полужестких или гибких контейнеров контейнеры недостаточно прочны, чтобы выдерживать возникающее давление внутри упаковки, и им требуется дополнительное давление в автоклаве, чтобы сохранить их целостность и предотвратить разрыв (Featherstone, 2015).
Можно обрабатывать гибкие упаковки насыщенным паром без использования избыточного давления во время циклов нагрева и выдержки, если контролировать изменения давления и минимизировать свободное пространство в контейнере. Однако во время цикла охлаждения обычно требуется избыточное давление, поскольку в начале охлаждения возникает наиболее критический перепад давления в контейнере (Featherstone, 2015).
Перемешивание также можно использовать в автоклавах, в которых к упаковке применяется движение, которое увеличивает скорость проникновения тепла в упаковку и улучшает условия обработки. Дополнительное движение сокращает время обработки, пригорание и переваривание, а также может улучшить текстуру продукта, а также увеличить сохранение питательных веществ в продукте.
Улучшение качества пищевых продуктов и потенциальное сокращение времени и затрат являются главными целями пищевой промышленности. Переход от жесткой упаковки к гибкой может помочь сократить время обработки и улучшить сохранение питательных веществ. Применение автоклава к гибкому пакету позволяет сэкономить время и повысить качество продукта, оптимизируя его для конкретной вязкости и типа продукта.
Продукты длительного хранения
Потребители требуют большего удобства своих продуктов питания для того, чтобы вести все более «мобильный» образ жизни. Переход от свежих необработанных продуктов питания к обработанным полуфабрикатам привел к увеличению количества продуктов длительного хранения на рынке. Пищевые продукты длительного хранения определяются как любой продукт, который можно хранить в закрытом виде при комнатной температуре без риска порчи продукта или заболевания после его употребления в пищу (Служба безопасности и инспекции пищевых продуктов Министерства сельского хозяйства США, 2014). Продукты длительного хранения также можно назвать «нескоропортящимися продуктами» и включают такие примеры, как консервированные овощи, супы, вяленое мясо, рис, макароны, мука, сахар, специи, масла и тунец.
Некоторые из этих продуктов могут оставаться стабильными при хранении после открытия, но на других продуктах имеется маркировка «Хранить в холодильнике после открытия», чтобы обеспечить безопасность и качество продукта. Чтобы обеспечить стабильность при хранении, скоропортящиеся продукты должны пройти обработку, чтобы уничтожить микроорганизмы пищевого происхождения, которые могут вызвать заболевания или порчу. Безопасность является фундаментальным требованием ко всем коммерческим пищевым продуктам, независимо от их стабильности при хранении. Продукты длительного хранения можно классифицировать по активности воды и pH. Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) регулирует продукты длительного хранения по этим категориям (21 CFR 113, 2018 г.).
Водная деятельность
Активность воды определяется как наличие воды в пищевом продукте для микробной, ферментативной или химической активности (Featherstone, 2015). Активность воды является важным атрибутом пищи, поскольку микроорганизмам для роста требуется вода. Контролируя количество воды, доступной для роста микробов, можно контролировать количество микробной порчи (Featherstone, 2015). Активность воды также является важным фактором скорости многих химических реакций в продуктах питания. Было показано, что активность воды влияет на скорость ферментативных реакций, неферментативного потемнения и окисления липидов (Fennema, Tannenbaum & Fennema, 1996).
Пищевыми продуктами с низкой активностью воды считаются продукты с активностью воды 0,85 или ниже. Продукты с низкой активностью воды не способствуют росту микроорганизмов, дрожжей или плесени в обычных условиях без охлаждения. Продукты длительного хранения с активностью воды выше 0,85 считаются продуктами с высокой активностью воды и могут быть разделены на три категории в зависимости от их pH: низкокислотные, подкисленные и естественно кислые продукты (Fellows, 2009a). Показано разделение продуктов длительного хранения в зависимости от их водной активности и pH.
Естественно кислые и подкисленные продукты
Подобно активности воды, pH пищевых продуктов важен, поскольку он может влиять на скорость химических и ферментативных реакций (Fennema et al., 1996). Определение pH является мерой концентрации ионов водорода в растворе и представляет собой отрицательный логарифм концентрации ионов водорода в молях на литр (Featherstone, 2015). Любой продукт с pH менее 7 считается кислым, а любой продукт с pH выше 7 считается основным. При рассмотрении значения pH для пищевого продукта длительного хранения в качестве порогового значения выбрано значение 4,6, поскольку ниже этого уровня подавляется рост Clostridium botulinum (Fellows, 2009c).
Clostridium botulinum играет важную роль в термической обработке, поскольку это бактерия, вызывающая серьезную общественную озабоченность. C. botulinum представляет собой грамположительную палочковидную анаэробную спорообразующую бактерию. Споры C. botulinum в природе встречаются в большинстве сред, однако только когда споры прорастают в вегетативные клетки, организм вырабатывает нейротоксин. Благоприятные условия для прорастания включают pH выше 4,6, анаэробную среду и активность воды более 0,85. Уровень pH 4,8 или ниже подавляет прорастание и рост C. botulinum в пищевых продуктах, поэтому pH 4,6 был выбран в качестве разделительной линии между кислыми и слабокислыми продуктами. Для продуктов с низким содержанием кислоты и pH выше 4,6 споры C. botulinum должны быть уничтожены термическим воздействием в процессе автоклавирования. Однако споры термостойки, поэтому для уничтожения спор в процессе автоклавирования необходимо применять высокие температуры, например 250°F. Однако токсин не является термостойким и может быть легко инактивирован при температуре 212°F (Fellows, 2009c).
Продукты с pH выше 4,6 классифицируются как продукты с низкой кислотностью, тогда как кислые пищевые продукты имеют pH менее 4,6 (21 CFR 114, 2018). Подкисленные продукты — это продукты с высоким содержанием кислоты, содержащие значительный процент (обычно 10 процентов и более) ингредиентов с низкой кислотностью по своей природе (21 CFR 114, 2018). Независимо от того, как достигается подкисление, все низкокислотные компоненты пищи должны достичь равновесного pH 4,6 или ниже в течение 24 часов (Алвес, Эстевес и Квинтас, 2015).
Кислые продукты определяются как продукты с естественным pH ниже 4,6. Как кислые, так и подкисленные продукты имеют pH 4,6 или ниже, однако подкисленные продукты регулируются более строго, чем естественно кислые продукты. Это связано с тем, что любая ошибка при производстве подкисленных пищевых продуктов, которая изменяет соотношение кислых ингредиентов к ингредиентам с низкой кислотностью, может привести к тому, что ингредиенты будут недостаточно подкисленными (Alves et al., 2015). Если некоторые порции пищи имеют pH выше 4,6, результатом может стать ботулизм. Производители подкисленных пищевых продуктов должны зарегистрировать этапы обработки и рецептуру продуктов в FDA (21 CFR 114, 2018 г.).
Консервы с низкой кислотностью
FDA определяет консервы с низкой кислотностью (LACF) как любой пищевой продукт с конечным равновесным pH более 4,6 и активностью воды более 0,85ъ. Большинство овощей, супов, бульонов, мяса и птицы относятся к продуктам с низкой кислотностью. Существует ряд подробных правил производства LACF, обеспечивающих безопасность пищевых продуктов. CFR требует, чтобы продукты LACF производились в соответствии с запланированным процессом, разработанным технологическим органом для достижения коммерческой стерильности.
Коммерческая стерильность определяется как «состояние, достигаемое путем применения тепла, которое делает пищевой продукт свободным от микроорганизмов, способных к размножению в пищевых продуктах при нормальных условиях хранения и распределения без охлаждения, а также от жизнеспособных микроорганизмов (включая споры), имеющие значение для общественного здравоохранения, или путем контроля активности воды и применения тепла, которое освобождает пищевые продукты от микроорганизмов, способных к размножению в пищевых продуктах при нормальных условиях хранения и распределения без охлаждения».
Наиболее опасным патогеном, который может присутствовать в LACF, является термостойкий спорообразующий микроорганизм C. botulinum. Этот патоген может расти в анаэробных условиях внутри герметичного контейнера и производить смертельный нейротоксин, смертельный для человека (Fellows, 2009c). Для достижения коммерческой стерильности в LACF продукт необходимо готовить при высоких температурах (>212°F) в течение длительного периода времени. Обычно используются температуры 240°F или выше, а время процесса может варьироваться от 15 минут до 15 минут. несколько часов (Fellows, 2009c).
Термическая обработка
Термический процесс – это заданная комбинация времени и температуры, определенная для конкретного пищевого продукта с определенным равновесным pH и активностью воды. Термическая обработка может варьироваться от легкой до тяжелой. Сочетание времени и температуры термического процесса влияет на безопасность и качество пищевого продукта. Бланширование и пастеризация являются примерами мягкой термической обработки, тогда как стерилизация является более жесткой. Эффективность и обоснованность каждого термического процесса зависят от рецептуры пищевого продукта, вязкости, скорости нагрева, формы и толщины обрабатываемого контейнера, а также устойчивости присутствующих микроорганизмов (BERRY & KOHNHORST, 1983). Физические свойства пищи сильно влияют на скорость нагревания (Anese, Falcone, Fogliano, Nicoli & Massini, 2002; BERRY & KOHNHORST, 1983).
Чтобы определить количество тепла, необходимое для уничтожения целевого микроорганизма в продукте, можно провести тест времени термической гибели (TDT). Тест TDT проводится с использованием известного количества микроорганизмов в буферном растворе или пище и нагревании его до нескольких выбранных температур и в течение установленных интервалов времени при каждой выбранной температуре (Циммерманн, Миорелли, Шаффнер и Арагао, 2013). Результаты тестов TDT используются для расчета значений D и z (Zimmermann et al., 2013). Значение D, или десятичное время сокращения, определяется как время в минутах при определенной температуре, необходимое для уменьшения известного количества микроорганизмов на один логарифм, или 90% (Fellows, 2009c).
По мере повышения температуры процесса значение D уменьшается, поскольку для уничтожения микроорганизмов при более высокой температуре требуется меньше времени (Fellows, 2009c). Чем больше значение D, тем более термоустойчив организм. Построение графика значения D как функции температуры в полулогарифмическом масштабе создает кривую TDT (Fennema et al., 1996). Значение z определяется как изменение в градусах, необходимое для изменения значения D на один логарифм. Значение z полезно для понимания того, как изменение температуры повлияет на время обработки. На рисунке 2.3 показаны кривая термической выживаемости и кривая TDT, показывающая значения D и z. Когда количество выживших при определенной температуре отображается на графике в зависимости от времени, результатом является D-значение.
Значение Fo — еще одна переменная, используемая при термической обработке. Это время в минутах (при базовой температуре 250°F и Z-значении 18°F) для уничтожения всех спор или вегетативных клеток конкретного организма (Fennema et al., 1996). Значения Fo специфичны для продуктов и микроорганизмов из-за различий в составе пищевых продуктов и устойчивости к нагреванию (Fellows, 2009c). Считается, что уничтожение микроорганизмов посредством термической обработки приводит к логарифмическому уменьшению их численности при высоких температурах в зависимости от времени (Fennema et al., 1996). Теоретически это означает, что полностью стерильный продукт не может быть произведен независимо от того, как долго применяется термический процесс; количество присутствующих микроорганизмов никогда не может быть равно нулю, поскольку вероятность выживания невелика (Fennema et al., 1996). Сокращение количества микроорганизмов необходимо снизить до приемлемого уровня в зависимости от целевого организма для данного процесса.
Органы, ответственные за процесс, называют сочетание времени и температуры, необходимое для инактивации C. botulinum, «минимальными процессами здоровья», поскольку именно это необходимо для защиты здоровья потребителя (Fellows, 2009c). Процесс 12D для спор C. botulinum используется для обеспечения общественного здравоохранения LACF. Процесс 12D основан на исторических данных, показывающих, что большое количество спор C. botulinum в консервированном пищевом продукте составит 1012 спор; следовательно, сокращение на 12D обеспечит шанс один на миллиард, что спора выживет в консервах (Fellows, 2009c). Процесс 12D является очень консервативным процессом, поскольку маловероятно, что нагрузка спор C. botulinum приблизится к этим уровням в большинстве LACF. Значение D для спор C. botulinum во многих продуктах питания составляет примерно 0,2 минуты при температуре 250°F. Процесс 12D займет примерно 2,4 минуты при температуре 250°F. Однако обычно используется значение 3 минуты, чтобы обеспечить повышенный запас безопасности во время обработки.
В основе определения времени теплового процесса лежит передача тепла от греющей среды к пищевому продукту. Тепло может передаваться прямо или косвенно пищевым продуктам, когда они находятся в конечном контейнере или нет. В зависимости от состава пищи существуют разные режимы нагрева: кондуктивный, конвенциональный и прерывистый нагрев, представляющий собой комбинацию проводимости и конвекции (Rattan & Ramaswamy, 2014).
Передача тепла за счет конвекции чаще встречается в пищевых продуктах на жидкой основе, где конвекционные потоки создаются из-за изменений плотности продукта, в результате чего более горячий и менее плотный продукт поднимается, а более плотный и холодный продукт падает. Кондуктивный нагрев описывается как перемещение тепла путем прямой передачи энергии на молекулярном уровне (Мохамед, 2007). Кондуктивный нагрев чаще наблюдается в твердых продуктах, таких как бобы, рис, консервированные овощи и пюре. Продукты питания, содержащие как жидкости, так и твердые вещества, такие как супы и соусы, нагреваются за счет сочетания конвекции и проводимости, что называется нарушенным нагревом (Rattan & Ramaswamy, 2014). При нарушенном нагреве продукты часто сначала нагреваются быстро, а затем скорость нагрева замедляется (Mohamed, 2007).