Вопрос № 5. Пастеризация и стерилизация

Пастеризация — тепловая обработка продукта с целью уничто­жения болезнетворных микроорганизмов, в частности неспорообразующих патогенных бактерий, или снижения общего их количе­ства.

Стерилизация — тепловая обработка, предназначенная для уничтожения всех микроорганизмов и их спор. В пищевой про­мышленности стерилизацией называют уничтожение микроорга­низмов, способных развиваться в продуктах.

Зависимость скорости развития микроорганизмов dN/dτ от температуры Т показана на рисунке 5.

Как видно из рисунка 5, микроорганизмы начинают разви­ваться при достижении температуры начала активации, их разви­тие замедляется при достижении температуры начала инактива­ции, перестают развиваться при достижении максимальной тем­пературы роста, или летальной температуры, и гибнут в области, температура в которой выше летальной.

На жизнеспособность бактерий влияет кислотность среды. В кислой среде (при рН < 4) практически никакие бактерии не разви­ваются. Такая среда соответствует кислым продуктам: лимонам — рН 2,3...2,6; уксусу — рН 2,4...2,8; вину — рН 2,8...3,2; яблокам — рН 3,0...3,3; полуконсервам в маринаде — рН 3,0...3,3; клубнике — рН 3,3...3,4; вишне — рН 3,4...4,0; квашеной капусте —рН 3,5...4,0.

При достижении летальной температуры Т_Л скорость разруше­ния микроорганизмов dN/dτ пропорциональна концентрации микроорганизмов N:

(10)

Где N ₀ – концентрация микроорганизмов при τ = 0.

Рис. 5. Зависимость скорости разви­тия микроорганизмов от температуры:

Т_а — температура начала активации; Т _и — температура начала инактивации; Т _л — ле­тальная температура

В полученном выражении константа к — характеристика ско­рости стерилизации, скорости гибели бактерий после достижения летальной температуры. Она имеет физический смысл. Величина 1т10/к = D – время, в течение которого количество микроорганизмов в среде уменьшается в 10 раз. В справочной литературе обыч­но приводят значение D для различных микроорганизмов при t = 121,1 °С. В частности, при кислотности среды рН 7 для бакте­рий Clostridium botulinum D ≈ 6...12 с, Clostridium sporogenes D ≈ 100 с, для Stearothermophilus D ≈ 250 с.

Эту же характеристику для неспорообразующих бактерий, дрожжей и плесеней относят обычно к 65 °С. Для них значения D не превышают 30 с, хотя для некоторых бактерий, например для термофильных, температура 65 °С не является летальной. Присут­ствие жира в среде значительно увеличивает значения D. Ввод не­которых специй, наоборот, сильно уменьшает D.

Влияние температуры на значение D существенно. С повыше­нием температуры на 10 °С в диапазоне 90... 130 °С время D умень­шается примерно в 10 раз. Допустив, что стерилизацию можно считать завершенной при уменьшении обсемененности бактерия­ми в 10¹⁰ раз, определим необходимое время стерилизации τ = 10D при соответствующей температуре.

Оценивая эквивалентное значение энергии активации реакции стерилизации спор при 100 °С, получают большие ее значения (257107 Дж/кмоль), что соответствует медленному протеканию этой реакции.

Одновременно со стерилизацией продуктов происходит их раз­рушение. Поэтому температуру и время стерилизации необходимо выбирать с учетом обоих этих факторов. На рисунке 6 даны со­вмещенные зависимости потери тиамина в продукте и уменьше­ния числа микроорганизмов культуры Clostridium при изменении температуры и времени выдержки.

Рис. 6. Совмещенные зависимости потери тиамина и уменьшения числа микроорганиз­мов в продукте от температуры и времени стерилизации:

1 — стерилизация на 90%; 2— стерилизация на 10%; 3 — потеря тиамина на 10%; 4 — потеря тиамина на 90 %.

Как видно из рисунка 6, в частности, при температуре выше 120 °С происходит быстрая стерилизация при небольшом разру­шении самого продукта; понижение температуры стерилизации до 90 °С меняет картину на противоположную. При кратковремен ной стерилизации при высокой температуре лучше сохраняются биологически ценные компоненты продукта, чем при длительной при малой температуре. Однако необходимо учитывать трудности быстрого прогрева продукта, упакованного в банки, что приводит к большему разрушению продукта вблизи стенок банки и мень­шей эффективности стерилизации в их центре. Для выбора режи­мов нагревания и охлаждения с учетом этих факторов используют решения нестационарных уравнений теплопроводности для банки с продуктом, которые подробно рассмотрены нами выше.

Общую продолжительность стерилизации определяют как часть продолжительности нагревания и охлаждения продукции, в течение которой температура превышала летальное значение. На ее значение положительно влияет, в частности, встряхивание ба­нок.

При переменной температуре изменение обсемененности про­дукта бактериями за время τ можно определить интегрированием:

(11)

Характеристика D зависит от температуры Т, которая опреде­ляется указанным выше способом. Из-за сложности данный рас­чет можно выполнить только численно. При постоянной темпера­туре, равной 121 °С, время стерилизации τ ₁₂₁ можно определить из выражения

(12)

где N₀/N— степень стерилизации.

Для бактерий Clostridium botulinum D = 12 с при N₀/N = 10^-12, τ₁₂₁ = 144с; для Stearothermophilus D = 250 с, N₀/N = 10^-4, τ₁₂₁ = 1000 с.

Изменение температуры в центре банки /_к в процессе ее нагре­ва при постоянной температуре в автоклаве t_а можно определить по таблице 1.

(13)

Предложен ряд аппроксимирующих моделей нагрева сосуда с продуктом и гибели бактерий в нем, учитывающих нестационар­ность и протяженность процесса путем интегрирования по этим переменным. В этих моделях используют эмпирические данные о допустимом (для сохранения качества продукта) времени нагрева.

Дата добавления: 2014-01-04