Наука о пищевых продуктах охватывает множество различных научных дисциплин, таких как химия, биология, биохимия и инженерия, и все они направлены на улучшение нашего понимания пищевых продуктов. Ученые-диетологи изучают основной состав и взаимодействие пищевых компонентов и пищевых систем, применяя эти результаты для постоянной разработки инновационных вариантов продуктов питания для потребителей (IFT, 2015). Пищевая химия является основным направлением науки о пищевых продуктах и занимается составом и свойствами пищевых продуктов, а также изменениями, которым подвергаются пищевые продукты во время обработки, обработки и хранения (Дамодаран и др., 2008).
Наука об упаковке — еще одна междисциплинарная область исследований, которая имеет большое влияние на современные продукты питания с добавленной стоимостью. Наука об упаковке, помимо науки о пищевых продуктах, объединяет машиностроение, физику, химическую инженерию, микробиологию, токсикологию и дизайн для создания упаковки, которая будет отвечать потребностям пищевого продукта и потребителя (Hanlon et al., 1998). Упаковка очень важна с точки зрения пищевых продуктов, поскольку примерно половина всей производимой упаковки используется для упаковки пищевых продуктов (Робертсон, 2006).
Безопасность – основное требование к любому пищевому продукту. В целом это означает, что при употреблении пища не должна содержать каких-либо вредных химических или микробных примесей. При термической обработке пищевых продуктов длительного хранения, например продуктов с низким содержанием кислоты, находящихся в консервных банках, это означает соблюдение уровня «коммерческой» стерильности, при котором отсутствуют жизнеспособные споры Clostridium botulinum. Эта потребность может быть дополнительно определена как требования к условиям нагрева для конкретного продукта в конкретной упаковке. Технолог пищевой продукции, специалист по упаковке и инженер-технолог должны постоянно повторять этот процесс, чтобы обеспечить безопасность пищевых продуктов (Дамодаран и др., 2008).
Термическая обработка расфасованных пищевых продуктов является одной из наиболее широко используемых форм консервации пищевых продуктов (Тейшейра и Такер, 1997). . Посетив любой продуктовый магазин в США, вы обнаружите множество различных форматов упакованных продуктов питания, к которым была применена та или иная термическая обработка для продления срока годности этого продукта. Знакомая большинству потребителей, почтенная металлическая банка по-прежнему занимает значительную долю рынка ретортной упаковки. Банки привычны, просты в использовании, а при существующей сегодня в пищевой промышленности инфраструктуре розлива и переработки они зачастую экономически выгодны по сравнению с другими типами упаковки.
Однако сегодня существует множество вариантов альтернативных форм упаковки, таких как ретортные коробки, пакеты и полужесткие лотки, популярность которых на рынке продолжает расти. Недавним примером роста альтернативной упаковки на рынке длительного хранения является новый полужесткий противень, пригодный для использования в микроволновой печи, для бренда SpagettiOs® от компании Campbell Soup Company (Campbell Soup Company, Камден, Нью-Джерси). Этот продукт, вероятно, ориентированный на более молодых пользователей, предлагает преимущества, выходящие за рамки традиционной металлической банки, такие как возможность использования микроволновой печи и отсутствие острых краев после открытия.
Эти типы функций, в зависимости от продукта и целевой аудитории, несомненно, могут быть привлекательными. Ожидания потребителей в отношении обработанных пищевых продуктов с годами выросли, и теперь от производителей продуктов питания ожидается более высокий уровень качества по разумным ценам. Поскольку ученые-пищевики, специалисты по упаковке и инженеры-технологи работают над созданием этих типов продуктов, одной из ключевых проблем является то, как сбалансировать термическую обработку для уничтожения микроорганизмов и связанную с этим потерю питательных веществ.
Например, деградация витаминов — это реакция первого порядка, аналогичная разрушению микроорганизмов, однако при той же температуре витамины часто разлагаются быстрее, чем микроорганизмы (Аль Баали и Фарид, 2006). Если продукт был изготовлен традиционным ретортным способом, питательные вещества могут быть нарушены в процессе уничтожения микроорганизмов. Стремясь еще больше свести к минимуму влияние на качество продуктов, подвергаемых автоклавированию, промышленность термической обработки продолжает разрабатывать реторты и термические процессы для оптимизации времени стерилизации, позволяющего максимально сохранить качество продуктов питания (Ramaswamy and Dwivedi, 2011).
Примером области стремительного развития, наблюдаемой за последние несколько лет, является линейное перемешивание, выполняемое в процессе Shaka Process® (Шака, Лондон, Англия). В Shaka Process® используется линейное перемешивание вместо традиционного ротационного перемешивания для улучшения проникновения тепла в определенные продукты. Еще одним возможным вариантом обеспечения оптимального нагрева продукта может быть творческое использование геометрии упаковки, обеспечивающей теплообмен с оптимальной скоростью продукта. Новая геометрия упаковки может улучшить пищевые и органолептические свойства, которые стимулируют покупательское намерение.
Компьютерное моделирование показало, что витамин B1 можно лучше сохранить при использовании банок разной геометрии (Teixeira et al, 1975). Дальнейшие исследования показали значительно более короткое время обработки лосося, упакованного в полужесткие пластиковые контейнеры, по сравнению с тем же продуктом, упакованным в металлические банки (Ramaswamy and Grabowski, 1999). Кроме того, другие исследования показывают, что при переходе от банок к ретортным пакетам сокращается время обработки, что приводит к меньшему потемнению таких продуктов, как тыквенное пюре (Synder & Hernderson, 1989).
Лучше преуменьшая геометрию упаковки как важный элемент термической обработки, ученые-диетологи получат еще один способ удовлетворить повышенные ожидания потребителей в отношении пищевых продуктов длительного хранения. Более того, рассмотрение конструкции упаковки, пищевого продукта и реторты как единой системы позволит производителю оптимизировать каждую независимую переменную для производства продукта высочайшего качества.
Упаковка продуктов питания
Готовые продукты с добавленной стоимостью стали основой для потребителей, которые ищут полезные и недорогие средства для самостоятельного питания. Чтобы удовлетворить эту потребность, объем знаний в области пищевой науки продолжает расширяться, стимулируя инновации для удовлетворения постоянно растущих потребностей в полезности и удобстве по доступной цене. Затем пищевая упаковка используется для хранения, сохранения, распределения и продажи пищевых продуктов потребителям (Hanolin et al, 1998).
Эти функции, часто обсуждаемые отдельно, на самом деле взаимосвязаны и должны оцениваться и учитываться комплексно в процессе разработки упаковки (Робертсон, 2006). Любой сбой в функциональности упаковки может негативно повлиять на качество обслуживания потребителей и свести на нет все, чего пытался добиться производитель продуктов питания. Упаковка принципиально должна защищать от физических повреждений, химического взаимодействия и загрязнения (химического, микробиологического или физического). Факторы окружающей среды могут иметь важное значение для конкретного пищевого продукта, и в этом случае упаковка может нуждаться в сохранении определенной газовой смеси в свободном пространстве и предотвращении или задержке проникновения кислорода. Влага может быть еще одной проблемой, и если это так, то конструкция упаковки может повлиять на проникновение водяного пара внутрь упаковки или из нее. Упаковка также может помочь потребителю в использовании продукта, о чем свидетельствуют ее функции открытия, выдачи и повторного закрытия (Поттер и Норман, 1998).
Продукты длительного хранения
Когда потребитель заходит в супермаркет, у него или нее есть несколько вариантов выбора, включая свежие, охлажденные, замороженные продукты или продукты длительного хранения. Продукты длительного хранения — это продукты, которые хранятся при комнатной температуре и не требуют охлаждения для обеспечения безопасности в течение срока годности продукта. Чтобы создать продукты длительного хранения, скоропортящиеся продукты подвергаются такому процессу, как термическая обработка, чтобы продлить срок хранения. Примеры нескоропортящихся продуктов включают консервы, сухие макароны и продукты, прошедшие асепическую обработку, такие как стаканчики для пудинга на одну порцию (USDA, 2015).
Кислотность (pH) и активность воды (aw) продукта используются для разграничения продуктов длительного хранения и того, какие процессы консервации необходимы для консервации. Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) таким образом регулирует пищевые продукты длительного хранения (FDA, 1997). Активность воды определяется как отношение давления водяного пара пищи к давлению пара чистой воды при той же температуре. Это важный признак, поскольку микроорганизмам для роста необходима вода, поэтому, контролируя количество воды, доступной для роста микроорганизмов, можно ограничить количество микробиологической порчи (Tucker and Featherstone, 2011). Активность воды также является важным фактором скорости реакций в пищевой системе и, как было показано, существенно влияет на скорость неферментативного потемнения, реакций, катализируемых ферментами, и окисления липидов (Damodaran et al., 2008).
Кроме того, кислотность, измеряемая по pH, является еще одним способом контроля микробиологического роста. Определение pH является мерой концентрации ионов водорода в растворе и определяется как отрицательный логарифм концентрации ионов водорода в молях на литр (Tucker and Featherstone, 2011). Кислотность (pH) варьируется от 0 до 14, при этом значение ниже 7 считается кислым, а значение выше 7 — основным. Уровень pH 7 считается нейтральным и соответствует уровню pH чистой воды. Подобно активности воды, pH также может влиять на скорость многих химических и ферментативных реакций (Дамодаран и др., 2008).
Продукты длительного хранения с активностью воды более 0,85 делятся на три категории: низкокислотные, подкисленные и естественно кислые продукты (Wedding и др., 2007). FDA в 21 Кодексе федеральных правил (CFR), часть 113, определяет продукты с низким содержанием кислоты как продукты с конечным равновесным pH более 4,6 и активностью воды более 0,85. CFR требует, чтобы эти продукты обрабатывались в соответствии с запланированным процессом, разработанным опытным экспертом по термической обработке, для достижения коммерческой стерильности.
Кроме того, коммерческая стерильность определяется в 21 CFR, часть 113.3, как «состояние, достигаемое либо 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 размножаться в пищевых продуктах при нормальных условиях хранения и распределения без охлаждения» (21 CFR 113.3).
В части 114 CFR 21 подкисленные продукты определяются как любые продукты с низким содержанием кислоты, к которым были добавлены кислоты или кислые продукты. Подкисленные продукты имеют активность воды более 0,85 и конечный равновесный pH менее 4,6. Соленые огурцы и маринованные продукты классифицируются как подкисленные пищевые продукты в соответствии с Частью 114 раздела 21 CFR. Несколько процедур подкисления, включая бланширование подкисленными водными растворами и погружение в кислотные растворы, также рассматриваются в Части 114.
Требуется запланированный процесс, который должен установить знающий человек, имеющий опыт в подкислении и переработке подкисленных пищевых продуктов (Wedding et al, 2007). К естественным кислым продуктам относятся продукты с pH 4,6 или ниже согласно 21 CFR 114.3. По этой причине переработчикам продуктов с высоким содержанием кислоты, таких как яблоки, майонез или кетчуп, не требуется подавать заявку в FDA, как это было бы необходимо для продуктов с низким содержанием кислоты или подкисленных продуктов (Wedding et al., 2007). На Рисунке 2.3 дополнительно описаны требования к pH пищевых продуктов, обработке и CFR (Barron, 2000).
Акцент, уделяемый pH 4,6, чрезвычайно важен при термической обработке, поскольку он отражает способность к росту Clostridium botulinum, бактерии, вызывающей серьезную обеспокоенность общественности в связи с термической обработкой. C. botulinum представляет собой грамположительную палочковидную анаэробную спорообразующую бактерию (Montville et al, 2012). Споры C. botulinum встречаются повсюду в окружающей среде, 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 (Wedding et al., 2007). Основным принципом термической обработки пищевых продуктов длительного хранения является передача тепла от нагревательной среды упакованному продукту. Ретортные продукты, в зависимости от их состава, нагреваются с помощью различных механизмов, описываемых как проводимость, конвенция и сочетание проводимости и конвекции, называемое нарушенным нагревом (Rattan and Ramaswamy, 2014).
Передача тепла посредством конвекционного нагрева больше наблюдается 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. С другой стороны, кондукционный нагрев можно описать как перемещение тепла путем прямой передачи энергии на молекулярном уровне (Аль-Баали и Фарид, 2006). В то время как кондуктивный нагрев больше наблюдается в твердых продуктах, таких как бобы, продукты, которые содержат как жидкие, так и твердые части, такие как супы и некоторые соусы, нагреваются посредством комбинации обоих режимов нагрева (Rattan and Ramaswamy, 2014).
Эту комбинацию часто называют прерывистым нагревом, при котором продукты сначала нагреваются быстро, а затем скорость нагрева снижается (Wedding et al, 2007). Ретортная обработка использует временное и температурное взаимодействие для уничтожения микроорганизмов. Это разрушение происходит логарифмически, при этом воздействие тепла вызывает денатурацию белков, что влияет на активность ферментов и обмен веществ в организме. Эта скорость разрушения, представленная на полулогарифмическом графике, показывает линейное уменьшение численности популяции со временем при заданной температуре, создавая так называемую кривую выживания.
Время, необходимое для уменьшения конкретной популяции микроорганизмов на 90 процентов или на 1 логарифм, называется десятичным временем сокращения или значением D. Значение D используется экспертами по термической обработке для определения влияния температуры на микробные популяции и зависит от организма. Чем больше значение D, тем более термоустойчив организм. Построение графика значения D как функции температуры в полулогарифмическом масштабе позволяет создать кривую времени термической смерти (TDT) (Аль-Баали и Фарид, 2006). Кривая TDT дает больше информации с точки зрения термической обработки, поскольку наклон кривой указывает на изменение температуры, необходимое для достижения одного логарифмического изменения значения D; которое называется значением z (Jay et al., 2005).
Значение z полезно для понимания того, как изменение температуры повлияет на время обработки. Еще одним значением, используемым при термической обработке, является значение Fo, которое представляет собой эквивалентное время в минутах при базовой температуре 250°F и значении z, равном 18°F, для уничтожения всех спор или вегетативных клеток конкретного организма. Значения Fo специфичны для продуктов из-за различий в их составе, что влияет на скорость разрушения жизнеспособных клеток и спор в пищевой матрице (Аль-Баали и Фарид, 2006). Концепция 12D при автоклавировании — это давно используемое требование, призванное обеспечить минимальный общественный риск. Он предполагает наихудший сценарий, когда в продукте содержится 1012 спор C. botulinum, и предписывает минимальный тепловой процесс, необходимый для уменьшения количества наиболее устойчивых спор C. botulinum до 10–12. Типичное значение D для C. botulinum составляет примерно 0,2 минуты при температуре 250°F. Уменьшение количества спор C. botulinum на 12D займет около 2,4 минуты (12 x (D=0,2)), что обычно округляется до 3 минут, чтобы обеспечить запас безопасности. Процесс 12D, являющийся минимальным термическим процессом, необходимым для пищевых продуктов с низким содержанием кислоты, привел к выдающимся показателям безопасности этих продуктов (Монтвилл и др., 2012).