Практична робота № 54

Тема: Визначення формули стерилізації. Способи розрахунку змін поживної цінності продуктів при стерилізації

Мета: Навчитися розраховувати формулу стерилізації

                                                                                                                                         Визначення формули стерилізації

Консервні банки в спеціальних корзинах або касетах заванта­жують в апарати, призначені для стерилізації консервів. Такі апа­рати називають стерилізаторами.

Після завантаження корзин стерилізатори герметизуються і в них подається пара. Термічне оброблення консервів здійснюють за три фази: підігрівання нагрівального середовища в автоклаві і кон­сервів до температури стерилізації; витримування за температури стерилізації протягом часу, потрібного для відмирання мікрофлори у вмісті в центрі банки; охолодження вмісту банки.

Після охолодження автоклави розгерметизовують і корзини (ка­сети) з консервними банками вивантажують.

Процес стерилізації повторюється з новою партією консервів, тобто процес стерилізації консервів в апаратах періодичної дії здій­снюється циклічно.

Умовний запис процесу стерилізації в автоклавах називають формулою стерилізації. Для автоклавів періодичної дії формула стерилізації має такий вигляд:

                                                                                                                                    

де А — тривалість прогрівання нагрівального середовища в авто­клаві до температури стерилізації, хв; В — тривалість стерилізації, хв; С — тривалість зниження температури нагрівального середо­вища в автоклаві до температури (40±2) °С, хв; Т — температура стерилізації, °С; р — тиск нагрівального середовища в автоклаві під час фази В, МПа.

У технічній літературі формулу стерилізації іноді використову­ють у вигляді      без позначення тиску, враховуючи, що між температурою нагрівального середовища і тиском в автоклаві існує певне співвідношення. Проте для різних видів нагрівального се­редовища (пара, вода, пароповітряна суміш) між значеннями тем­ператури і тиску в автоклаві під час стерилізації існує відмінність.

При складанні формули стерилізації визначають температуру і тривалість витримування консервів за температури стерилізації (летальний час для мікроорганізмів) з виявленням інтегрального ефекту від впливу температури та часу її дії на мікроорганізми, а також час нагрівання і охолодження консервів.

Вибір температури стерилізації залежить від виду сировини та ступеня її обсіменіння мікрофлорою, значення стерилізуючого ефе­кту, допустимих для певного продукту змін його хімічного складу і органолептичних показників.

Формула стерилізації для кожного виду консервів регламенту­ється нормативною документацією: державними стандартами, тех­нічними умовами та технологічними інструкціями для них.

При створенні нових видів консервів, впровадженні нових тех­нологій, типорозмірів консервної тари, при коригуванні та оптимі- зації режимів стерилізації потрібно визначати параметри формули стерилізації.

Визначені режими стерилізації для кожного виду консервів під­лягають лабораторним дослідженням та випробуванням у промис­лових умовах.

Основним завданням технології консервного виробництва є ви­готовлення доброякісної продукції, яка має високі органолептичні властивості та унеможливлює вірогідність харчових отруєнь упро­довж гарантованого терміну зберігання за належних умов. Тому для визначення режимів стерилізації використовують переважно методи визначення режимів стерилізації за значенням стерилізую­чого ефекту та зміною поживної цінності консервів.

Визначення режиму нагрівання консервів. Під час нагрі­вання консервів у автоклавах періодичної дії температура в системі змінюється нерівномірно. Найшвидше прогрівається нагрівальне середовище автоклава (пара або вода). Дещо повільніше прогріва­ється рідка фракція консервів, що зумовлено інтенсивними конвек- тивними токами в рідині. М’ясні консерви мають густу консистен­цію і теплота в них поширюється переважно за рахунок теплопро­відності. Тому температура прогрівання вмісту істотно відстає від темпів прогрівання автоклава. За цих умов загальний термічний опір системи нагрівальне середовище — банка — вміст банки мож­на визначити за формулою

                                   

Якщо порівняти термічний опір тепловіддач  термічний опір стінки банки та термічний опір вмісту консервів  , то

для жерстяних банок це співвідношення має вигляд 100 : 1 : 25 000, а для скляних банок — 100 : 1000 : 25 000. В обох випадках терміч­ний опір продукту набагато перевищує інші термічні опори. І, отже, тривалість прогрівання вмісту в середині банки значно перевищує тривалість прогрівання стінок банки до температури стерилізації. Тривалість прогрівання вмісту до температури стерилізації визна­чають фізичні властивості продукту (теплопровідність вмісту). Роз­раховуючи тривалість прогрівання вмісту консервів у середині ба­нок до температури стерилізації, термічний опір стінок банок не враховують.

На тривалість прогрівання консервів до температури стериліза­ції крім фізичних властивостей вмісту (теплопровідність, теплоєм­ність) впливають також конструктивні особливості та габаритні розміри автоклавів, розмір банок (відношення висоти банок до їх діаметра), матеріал банки, температура нагрівального середовища в автоклаві та температура вмісту банок до стерилізації.

У м’ясній промисловості консерви виготовляють переважно в ба­нках місткістю до 1 кг.

Найпоширенішим типом автоклавів в Україні є вертикальні ав­токлави. При їх використанні значення А для жерстяних банок бе­руть 20 — 25 хв, для скляних банок місткістю до 0,5 кг — 25 хв, міст­кістю 1 кг — 30 хв.

За підвищення температури під час нагрівання тиск у банці внаслідок розширення вмісту і повітря збільшується. Тиск у банці під час стерилізації визначають за формулами (13.2) і (13.4).

Рівень перепаду тисків у банках і в стерилізаторі не повинен пе­ревищувати певних критичних значень. Для жерстяних банок з діаметром банки 72,8 мм значення критичного тиску ркр = 138 кПа, для діаметра 153,1 мм ркр = 30 кПа. З метою запобігання деформу­ванню і розгерметизації жерстяних банок більших типорозмірів і скляних банок, кришки яких мають незначний прогин, а саме скло крихке, перепад тисків під час стерилізації має становити близько 0.

Для зменшення перепадів тиску в банках і автоклавах під час нагрівання і стерилізації в автоклавах підтримують відповідний тиск, подаючи пару і воду під тиском. Пара і вода мають високий коефіцієнт тепловіддачі й одночасно виконують роль нагрівального або охолоджувального (вода) середовища. За цих умов тиск є третім необхідним параметром процесу стерилізації.

Визначення режимів охолодження. З початку процесу охо­лодження припиняється подавання в автоклав пари і подається холодна вода. Проте вміст банок зберігає температуру стерилізації і перебуває відповідно в розширеному стані, тобто під тиском. Щоб запобігти пошкодженням банок, в автоклав одночасно з припинен­ням подавання пари подають стиснене повітря. Протитиск створю-

ють також поступовим подаванням холодної води під тиском, який встановився наприкінці процесу стерилізації.

Під час охолодження консервів внутрішній тиск вмісту зменшуєть­ся і, отже, потрібно зменшувати протитиск в автоклаві. Підтримання сталим значення протитиску може призвести, внаслідок перепаду ти­сків в автоклаві та в банці, до незворотної деформації циліндричного корпусу жерстяних банок або розгерметизації скляних банок через деформування кришок і, отже, до послаблення сил зчеплення в систе­мі метал — ущільнення — паста (гума). Особливо небезпечними є пе­репади тисків при стерилізації консервів у скляних банках, закупоре­них методом «Єврокап», «Євротвіст», «Неофенікс».

Щоб зменшити деформаційні зміни, на циліндричній частині корпусів жерстяних банок роблять одне або кілька поперечних кі­лець жорсткості (за допомогою зигових машин), а на кришках (денцях) при штампуванні — рельєфи, конфігурація яких є зворотною конфігурації бомбажних кілець.

Тривалість охолодження зумовлюється збереженням герметич­ності та форми тари вирівнюванням тиску в прогрітій банці з атмо­сферним перед вивантаженням з автоклава. З цією метою консерви у жерстяних банках охолоджують перед вивантаженням із авто­клава до температури 40 — 45 °С.

Нехтування режимами охолодження (С) призводить до незворот­ної деформації або порушення герметичності жерстяних банок, тер­мічного бою або зривання кришок із скляних банок.

Значення тривалості охолодження регламентується технологіч­ними інструкціями і для жерстяних банок становить 20 — 30 хв, для скляних — 30 — 40 хв. Відхилення в бік скорочення тривалості охо­лодження і різке зменшення протитиску в автоклавах спричинює утворення дефектів жерстяних банок («птички», «хлопавки» та ін.), термічний бій або розгерметизацію скляних банок.

Отже, крім температури і тривалості стерилізації у багатьох ви­падках тиск є обов’язковим третім параметром режиму стерилізації, який також впливає на якість консервів. Тому в сучасних стерилі­заторах використовують регулювальні прилади, які за заданою програмою підтримують темп нагрівання (охолодження), трива­лість стерилізації та тиск у середині автоклава.

При визначенні формули стерилізації тривалість нагрівання і охолодження вважають постійною. Тривалість нагрівання (охоло­дження) визначається масою вмісту в банках, видом матеріалу ба­нок і типорозміром автоклава і впливає переважно на фізичний стан банок і їх герметизацію.

Згідно з Методичними вказівками з розроблення режимів сте­рилізації та пастеризації консервів режими стерилізації для кожно­го виду консервів визначають у такій послідовності:

1. Вибір тест-мікроорганізмів і визначення показників їх термо­стійкості 

2. Визначення потрібної летальності 

3. Вибір режимів стерилізації (пастеризації), який забезпечить досягнення потрібного ступеня летальності мікроорганізмів.

4. Перевірка підібраних режимів у лабораторних умовах.

5. Перевірка режимів у виробничих умовах.

6. Підготовка документації і затвердження режимів стерилізації на певний вид продукції.

Вибір тест-мікроорганізмів. Штами тест-мікроорганізмів ви­бирають залежно від хімічного складу вмісту та його кислотності рН, які зумовлюють можливість їх розвитку у продукті, що дослі­джується.

У м’ясних і м’ясо-рослинних консервах, що мають значення рН понад 4,2, можуть розвиватися Cl. botulinum, які утворюють ток­син — збудник ботулізму, та мікроорганізми, які спричинюють спе­цифічне псування консервів.

При розробленні режимів стерилізації (пастеризації) м’ясних і м’ясо-рослинних консервів використовують показники термостійко­сті Cl. botulinum і Cl. sporogenes.

Для консервів, призначених для дитячого та дієтичного харчу­вання, режими розраховують з урахуванням можливості розвитку Cl. botulinum, B. stearothermophilus та Cl. thermosaccharolyticum.

Значення Z°c і Dt°c визначають експериментально. При визна­ченні показників Z і D для кожного виду тест-мікроорганізмів істот­не значення має активна кислотність (рН) середовища. Для експе­риментального визначення показників Z і D тест-мікроорганізмів використовують продукт з активною кислотністю рН 7,0, при якій Cl. botulinum і Cl. sporogenesмають найбільшу термостійкість.

Показники термостійкості тест-мікроорганізмів у розчині нейт­рального фосфатного буферу визначають також фасуванням шпри­цом по 0,1 см3 у скляні капіляри. Капіляри герметизують з обох бо­ків і по одному вміщують у точку, що найменше прогрівається («хо­лодну точку»), банки з продуктом. При виготовленні різних консер­вів капіляри фіксують за допомогою спеціального тримача. У про­дуктах, що мають густу консистенцію (шматки м’яса, паштети та ін.), і в процесі нагрівання унеможливлене зміщення капілярів, їх фіксують у шматки продукту.

За кожним режимом і видом вмісту банок нагрівають не менше ніж 30 банок з капілярами на тому апараті, для якого підбирають режим. Вміст капілярів висівають безпосередньо після прогрівання і визначають кількість спор, які вижили (пробіт-метод визначення показників термостійкості). Показник D визначають за формулою (13.15).

Переважна більшість вмісту м’ясних та м’ясо-рослинних консер­вів мають густу консистенцію, яку можна розглядати як тверде ті­ло, що нагрівається за рахунок теплопровідності. Для таких середо­вищ залежність термостійкості мікрофлори від температури стерилізації описується простою експонентою, а у напівлогарифмічній системі координат вона має вигляд прямої лінії (див. рис. 13.20). У сучасній теорії консервування константу Zвизначають не як число градусів, на яке потрібно підвищити температуру стерилізації, щоб смертельний час зменшився в 10 разів, а як підвищення темпера­тури, при якому Dзменшується у 10 разів.

Для визначення показника термостійкості Z у напівлогариф­мічній системі координат будують криву термостійкості. На осі абс­цис х відкладають температуру прогрівання Т, °С, а на осі ординат у — логарифм показників термостійкості Dт°c.

Значення показника термостійкості Z графічно визначають за кривою термостійкості (див. рис. 13.20). Можна використовувати зна­чення термостійкості за довідковими даними для консервів, вміст яких має аналогічне значення рН та подібний хімічний склад.

Показники термостійкості тест-мікроорганізмів у фосфатному буферному розчині наведено в табл. 13.16.

 

                                                                                                                            

 

Визначення летального часу процесу стерилізації. При розрахунках формули стерилізації основним завданням є визна­чення значення В — летального часу стерилізації як функції змін­ної температури в центрі банки, що забезпечує загибель мікроорга­нізмів до ступеня промислової стерильності.

У світовій практиці використовують кілька способів визначен­ня режимів стерилізації, основою яких є досягнення необхідного ступеня інактивації мікрофлори і максимальне значення пожив­ної цінності продуктів та їхніх органолептичних властивостей. Найпоширеніші з них — це практичний, аналітичний та графіч­ний способи.

У науково-дослідному та проектно-конструкторському інституті «Консервпромкомплекс» розроблено автоматизовану систему роз­роблення і аналізу режимів стерилізації і пастеризації консервів на основі комп’ютерної техніки.

Практичний метод полягає в тому, що до вмісту банок додаєть­ся певна кількість спор термофільної мікрофлори з відомою тер­мостійкістю. За сталих значень А, С і Т змінюють у широкому діа­пазоні тривалість стерилізації В і через певний час визначають ступінь інактивації спор. При досягненні потрібного ступеня про­мислової стерильності консервів визначають значення В. Цей ме­тод використовують для визначення ступеня стерилізації лише для певного продукту, який міститься в тарі певного виду і містко­сті. Практичний метод трудомісткий і дає велику похибку при ви­значенні режимів стерилізації.

Найпоширенішими є аналітичний та графічний методи.

Аналітичний метод визначення режимів стерилізації запропо­нував Ч. Болл. На відміну від практичного методу, аналітичний метод не потребує проведення експерименту, наявності спеціаль­ного обладнання, витрат сировини, приладів для вимірювання температури. Сутність цього методу полягає у використанні мате­матичної залежності між температурою нагрівального середовища і температурою вмісту в центрі банки та закономірності, згідно з якою при нагріванні кожній температурі відповідає певний сту­пінь летальності мікроорганізмів із термостійкістю Е. Використо­вувати аналітичний метод можна лише за умов нагрівання кон­сервів переважно за рахунок теплопередачі.

Практичне використання аналітичного методу потребує експе­риментального визначення фізичних характеристик вмісту, сте­рилізуючого ефекту або летальності кожного режиму стерилізації.

Режими стерилізації, визначені аналітичним методом, перевіря­ють також у лабораторних умовах та на виробництві.

Згідно з Методичними вказівками з розроблення режимів сте­рилізації та пастеризації консервів потребує експериментального визначення констант термостійкості та швидкості відмирання тест-мікроорганізмів, які небезпечні для здоров’я людей та (або) спричинюють специфічне псування консервів.

Графічний метод, на відміну від практичного та аналітичного, має наочний характер. Він здійснюється за три етапи: побудова термограми процесу стерилізації, визначення загального ефекту інактивації спор і порівняння його з нормативними або розрахун­ковими значеннями стерилізуючого ефекту.

На першому етапі будують будь-яку віртуальну термограму (рис. 13.22). Аналізуючи термограму, можна дійти висновків, що мають істотне значення при визначенні режимів стерилізації:

♦ температура вмісту консервів під час прогрівання змінюється в часі, при цьому вміст прогрівається по об’єму нерівномірно;

♦ температура в центральній частині банки змінюється в часі інакше, ніж в автоклаві;

♦ значення А, В, С і Ту формулі стерилізації характеризують лише режим роботи автоклава і не відображають ступінь ефектив­ності дії режимів термооброблення на продукт, який консервують; 

                                                                  

♦ чим вища температура вмісту консервів на початку стерилі­зації, тим менше часу А потрібно для прогрівання його до темпе­ратури стерилізації;

♦ значення А і С для певного виду банок (місткість до 1 кг) вважають сталими.

Проте за постійних умов стерилізації (однаковий тип стерилі­затора; вид, розмір і форма банок; хімічний склад і теплофізичні властивості вмісту; одне нагрівальне середовище) рівень темпера­тури в центрі банки є функцією температури в автоклаві.

Зміни температури під час стерилізації ускладнюють оціню­вання ефективності конкретного режиму стерилізації, оскільки потрібно враховувати летальний час для кожного значення тем­ператури. Хоча визначати загальний летальний час мікроорганіз­мів як суму елементарних значень летального часу за кожної тем­ператури не можна. Потрібно час дії певної температури на мікро­організми перевести в еквівалентний час дії на мікроорганізми еталонної температури. За еталонну температуру в консервній промисловості беруть температуру 121,1 °С. Такі перерахунки мож­на здійснювати, якщо рівняння (13.5) подати у вигляді

де Те — еталонна температура, 121,1 °С; Т — температура стери­лізації, °С; Z — константа термостійкості мікроорганізмів, °С.

Значення перевідних коефіцієнтів для значення константи термостійкості Z = 10 °С у діапазоні температур від 90 до 130 °С наведено в табл. 13.17.

                                                                 

 

Аналізуючи дані табл. 13.17, можна дійти висновку, що зміни температури (навіть на 1 °С) помітно впливають на темп відми­рання мікрофлори. Так, температура 112 °С у 10 разів сильніше діє на відмирання спор порівняно з температурою 102 °С (1 хв при 112 °С спричинює таку саму летальну дію, як 10 хв при 102 °С).

З метою визначення значення В на термограмі (рис. 13.23) прямою 1 — 1 на рівні 96 °С для режимів стерилізації або на рівні 60 °С для пастеризації визначають проміжок часу а - 6процесу стерилізації (пастеризації), протягом якого знищуються спори, включаючи нагрівання, витримування за сталої температури та охолодження. Проміжок часу а - 6 на кривій прогрівання (термо­грами) поділяють для спрощення розрахунків на однакові інтер­вали часу Ц по 1 або 5 хв (чим менший інтервал Пі, тим точніші розрахунки).

                                                                    

У процесі нагрівання (охолодження) значення температури на кожному інтервалі Пі термограми в проміжку часу від а до 6 (див. рис. 13.23) постійно змінюється. Тому для зручності проведення розрахунків умовно приймають температуру для кожного відрізка часу иі сталою. Значення цієї температури дорівнює середньо­арифметичному значенню температур на граничних точках кож­ного інтервалу Uі.

У практиці виробництва консервів поширений метод високо­температурної ступеневої стерилізації консервів, за якого вміст спочатку прогрівають до температури 125 — 130 °С з метою створення температурного напору, а потім температуру знижують до 112 — 120 °С, як за звичайних режимів стерилізації. Консерви ви­тримують за цієї температури до досягнення -Реф. Ступеневий ви­сокотемпературний режим нагрівання менше впливає на якість продукту порівняно з одноступеневим режимом стерилізації за більш низьких температур з однаковим стерилізуючим ефектом.

Для консервів з високим вмістом рідини і незначною кількістю білка можна використовувати високотемпературні режими стери­лізації (126 — 138 °С) при значному скороченні нагрівання. Однією з умов високотемпературної стерилізації є швидке охолодження вмісту.

 

                                                                                        Питання для самоконтролю

1. Від чого залежить температура стерилізації?
2. Від чого залежить тривалість стерилізації?
3. Чи відрізняється температура стерилізації натуральних консервів від м'ясо-рослинних?