Стерилизация консервов
Факторы, влияющие на режим стерилизации консервов
Банки с продуктом после закатки должны быть немедленно направлены на стерилизацию. Основной целью стерилизации консервов является уничтожение микроорганизмов, способных вызывать порчу продуктов или образовывать в них токсины, опасные для здоровья человека. Консервы, в которых после термической обработки микроорганизмы не обнаруживаются, являются стерильными. Стерилизация - основа всего процесса консервирования. Она должна обеспечивать максимальное сохранение пищевой ценности консервов, их органолептических показателей и способность консервов выдерживать длительное хранение.
Хорошее качество консервов обеспечивается правильным выбором режима стерилизации - температуры и продолжительности нагрева. При недостаточной стерилизации возможно сохранение жизнеспособности у некоторой части термоустойчивых спор. При хранении таких консервов развитие сохранившихся спор может привести к порче содержимого банок. При слишком же продолжительной стерилизации при высоких температурах пищевые продукты развариваются, претерпевают различные изменения, в результате которых ухудшается их цвет, вкус, консистенция, консервы теряют товарный вид, а в некоторых случаях даже могут стать негодными к употреблению.
Установление правильного режима стерилизации для данного вида консервируемого продукта - важнейшая задача как технологии, так и микробиологии консервирования. Режим стерилизации устанавливается опытным путем, специальными научно-исследовательскими работами с обязательной производственной проверкой. Для каждого вида консервов режим стерилизации устанавливается отдельно. При этом следят, чтобы он не был излишне «жестким», т.е. чтобы продукты не подвергались излишним продолжительным температурным воздействиям и тем не менее были бы после такой обработки стерильными. При разработке режимов стерилизации учитываются следующие факторы:
1) степень обсемененности и характер микрофлоры консервируемого продукта;
2) консистенция и химический состав продукта (наличие в нем жиров, белков, сахара, соли и пр.);
3) кислотность продукта (уровень pH);
4) объем и форма консервной тары, материал тары;
5) начальная температура продуктов, уложенных в банки, и их предварительная тепловая обработка;
6) вращение банок во время нагревания и стерилизации.
Влияние указанных факторов на режим стерилизации весьма подробно изучается в курсе технологии консервирования. Поэтому ниже рассматриваются лишь те факторы, которые непосредственно связаны с микробиологическим контролем.
Скорость отмирания спор и вегетативных клеток микробов при нагревании связана со скоростью коагуляции белков протоплазмы. Альбумин - один из основных белков микроорганизмов - свертывается при нагревании тем быстрее и при тем более низких температурах, чем больше он содержит свободной воды. А так как споры содержат очень мало свободной воды, гораздо меньше, чем вегетативные клетки, то они оказываются более термоустойчивыми. Оболочки спор малогигроскопичны, плохо пропускают влагу, а жировые (липоидные) вещества, содержащиеся в оболочке спор, еще более повышают их устойчивость к нагреванию.
Успех стерилизации в не меньшей мере зависит и от общего количества микробов и их спор в продукте. Чем выше обсемененность продукта перед стерилизацией, тем более жесткий режим нужно применять при стерилизации, так как всегда среди большой массы особей найдутся особенно термоустойчивые, выдерживающие очень высокие температуры нагрева. Но добиваться увеличения процента стерильных банок нужно не путем применения более жестких режимов стерилизации, а улучшением санитарного состояния сырья и условий его переработки, а также ускорением технологического процесса и переводом его на поток. В табл. 7 приведена зависимость между температурой нагревания и временем отмирания для некоторых микроорганизмов (данные А. И. Рогачевой).
Из приведенной таблицы видно, что биологические особенности микроба существенно влияют на его термоустойчивость. Установлено также, что крупные споры, покрытые нежной оболочкой, менее устойчивы к нагреванию, чем мелкие споры с плотной оболочкой.
Термоустойчивость микроорганизмов и их спор сильно зависит от условий, в которых протекает процесс стерилизации. Среди этих условий кислотность среды занимает одно из первых мест. Обычно в высококислотных средах микроорганизмы погибают быстрее, так как при высокой концентрации водородных ионов нарушается нормальный обмен веществ в микробных клетках, клетки слабеют, снижается их термоустойчивость. Однако прямой зависимости между pH среды и снижением термоустойчивости микробов не наблюдается. Кроме уровня pH, большое значение имеет и природа кислоты, продолжительность ее действия, индивидуальные биологические свойства микроба, а также степень и продолжительность нагрева. Повышенная кислотность среды при стерилизации снижает термоустойчивость не только вегетативных клеток микробов, но и их спор.
В продуктах с pH ниже 3,7 могут развиваться только плесени и дрожжи. В продуктах с pH выше 3,7 порча может возникнуть в результате развития не только плесеней и дрожжей, но и бактерий. В продуктах с pH 3,7-4,5 развиваются неспорообразующие молочнокислые и уксуснокислые бактерии и относительно малотермоустойчивые спорообразующие сахаролитические маслянокислые бактерии. Причем в продуктах с pH ниже 4,5, как правило, не развивается наиболее опасный возбудитель пищевого отравления Cl. botulinum. Особенности развития микрофлоры в продуктах с pH ниже 4,5 позволяют стерилизовать их при 100°С или при более низкой температуре. К этому типу консервов относятся консервы из плодов и ягод.
К кислотным относят и ряд консервов из овощей: маринады, соусы, салаты; pH этих консервов ниже 4,5. В мясных, рыбных и некоторых овощных консервах с pH выше 4,5 при определенных условиях может развиваться наиболее опасный для здоровья человека возбудитель пищевого отравления Cl. botulinum.
Кроме pH, при микробиологическом контроле консервов на наличие спор ботулизма приходится учитывать и другие факторы. Затрудняют прорастание спор Cl. botulinum, попавших в консервы, некоторые растворенные вещества - соли олова, отдельные фитонциды (в частности, содержащиеся в томатном соке), непредельные жирные кислоты (олеиновая, линолевая, линоленовая) и пр. К стерилизации малокислотных и некислотных продуктов (с pH выше 4,5) предъявляются самые строгие требования. Их обычно стерилизуют при 115-121 °С.
Растительное масло и животный жир повышают термоустойчивость микроорганизмов и их спор. «Защитное» действие жиров, очевидно, связано с их способностью образовывать на границе раздела фаз тонкие пленки. Гидрофобная пленка жира, обволакивая микробные клетки и споры, препятствует проникновению воды внутрь клетки и тем самым защищает белки цитоплазмы от коагуляции. Создаются условия, близкие к условиям при стерилизации «сухим жаром». Слюсаревский указывает, что споры сенной палочки не были убиты при нагревании их в подсолнечном масле и жире в течение 30 мин при температуре 150 °С. Они погибли только после нагревания в течение часа при той же температуре. А. Козаков, М. Кочергина, В. Чистякова указывают, что споры Cl. sporogenes и Bac. subtilis в подсолнечном и парафиновом масле сохранили свою жизнеспособность не только после кипячения их в течение 30 мин на водяной бане, но и после 20-минутного нагревания в автоклаве при 120°С. Сохраняли свою жизнеспособность и споры картофельной палочки после получасового нагревания их в подсолнечном масле при 120-130 °С.
Сохраняют жизнеспособность при нагревании в масле и вегетативные клетки некоторых неспороносных микробов, например золотистого стафилококка. Это особенно опасно в производстве рыбных консервов в масле, стерилизуемых при 112 °С. В случае высокой обсемененности рыбного сырья золотистым стафилококком при изготовлении консервов в масле он может сохраниться и даже образовать токсин, вызывающий отравление.
Наличие поваренной соли в растворах также повышает термоустойчивость некоторых микроорганизмов и их спор. Наивысший эффект действия поваренной соли на термоустойчивость споровых (Bac. mesentericus ruber и Cl. sporogenes) и бесспоровых (Micrococcus candicans и Lactobacterium) микроорганизмов наблюдался при концентрации соли 5,8%.
Сахароза при небольших концентрациях (от 2 до 18%) заметного влияния на термоустойчивость микробов не оказывает. Более высокие ее концентрации (30%) начинают проявлять защитное действие на дрожжи, а при концентрациях свыше 70% (как указывает А. И. Рогачева) заметно повышается термоустойчивость многих микроорганизмов и особенно осмофильных дрожжей.
Повышение термоустойчивости микроорганизмов в слабых солевых растворах, а также при содержании сахара в продукте в указанных концентрациях объясняется осмотическим отсасыванием влаги из микробных клеток, в результате чего их устойчивость к нагреванию повышается. Если же концентрация соли достигает 10%, то начинает проявляться ее высаливающее действие на белки, что и приводит к снижению термоустойчивости микробов и их спор.
Белковые вещества оказывают некоторое защитное действие по отношению к спорам. Но оно начинает проявляться при содержании белков в среде от 2 до 5%. Более высокие концентрации белковых веществ в консервируемых продуктах, подвергающихся стерилизации (17-18% и более), на термоустойчивость микробов практически не влияют.
Определение термоустойчивости микробов
Наиболее простой и в то же время достаточно точный метод определения термоустойчивости микробов (по В. Л. Омелянскому) состоит в том, что небольшое количество суспензии изучаемого микроорганизма в водном или солевом растворе подвергают действию желаемой температуры в запаянном капилляре короткой пипетки Пастера (рис. 72). Пипетки Пастера предварительно закрывают длинными (двойными) ватными пробками и стерилизуют сухим жаром. После стерилизации конец запаянного капилляра оттягивают на пламени горелки в тончайший волосок, конец которого обламывают стерильным пинцетом. Тотчас же засасывают в капилляр пипетки суспензию изучаемого микроба и капилляр вновь запаивают. Приготовив таким образом необходимое количество пипеток с исследуемым материалом, помещают их в отверстия асбестового картона, которым накрыта водяная баня, установленная на определенную температуру. Каждая пипетка выдерживается в водяной бане при заданной температуре назначенное время (5; 10; 15 мин и т.д.), по истечении которого последовательно вынимают каждую пипетку (лучше брать по две для проведения параллельного опыта), охлаждают капилляр в холодной воде и стерилизуют его конец. Стерилизовать капилляр можно погружением его в стакан со спиртом и эфиром. Простерилизовав капилляр, быстро подсушивают его над пламенем горелки, затем конец обламывают стерильным пинцетом и выдувают содержимое пипетки в стерильную чашку Петри. Посев заливают необходимой для изучаемого микроба питательной средой и выращивают в термостате при оптимальных температурах роста 24-48 ч. Наличие роста микробной культуры в чашке Петри будет свидетельствовать о степени термоустойчивости данного микроба.
В последние годы во ВНИИКОПе были разработаны усовершенствованные методы определения термоустойчивости микробов и их спор, более соответствующие условиям консервного производства.
Стерильный продукт (консервы) заражали специально приготовленной суспензией спор изучаемого микроба в воде или буферном растворе из расчета 10-100 тыс. спор на 1 г консервированного продукта. Зараженную (инокулированную) массу тщательным образом перемешивали и асептически с помощью шприца разливали в стерильные ампулы емкостью 1-2 мл. Ампулы запаивали и в специальных мешочках помещали в глицериновую баню при разных температурах (в °С) - 110; 115; 117; 125 - на определенные промежутки времени - на 1; 2; 3; 5 мин и т.д. После прогревания ампулы немедленно охлаждали в холодной воде и термостатировали 14 дней при 37°С. Если в ампулах наблюдался рост микробов (газообразование, помутнение среды, появление гнилостного запаха и пр.), то это свидетельствовало о стойкости микробных спор к данному температурному воздействию и его продолжительности. Из ампул, где роста не наблюдалось, содержимое переносили в пробирки со средой Китта-Тароцци и посев выращивали при 37 °С еще 48 ч. Отсутствие роста свидетельствовало о том, что время и температура нагревания являются летальными для спор изучаемого микроба.
В последнее время вместо ампул предложено использовать для определения термоустойчивости микробов капилляры из тонкостенных стеклянных трубок (толщина стенки 0,1 мм) длиной 7,5 см. В капилляр вводится суспензия изучаемого микроба и медь-константановая термопара. Прогрев исследуемой суспензии микробов в капиллярах осуществляется в термостатах ТС-24, заполненных специальным маслом или глицерином (жидкостями с точкой кипения выше 130°С). Новая методика дает возможность получить более четкие данные при исследовании закономерностей отмирания микробов при нагревании, так как исключает явление активации спор и «теплового шока» у микробной суспензии при достижении заданной температуры. С помощью этой методики можно изучать термоустойчивость микробов и их спор в температурном диапазоне 120-160°С.
При изучении термоустойчивости микробов и их спор в настоящее время определяют: 1) время, необходимое для полной гибели всех микробов и их спор; 2) время, необходимое для гибели 90% клеток; 3) температурный уровень (в °С), при котором число выживших клеток уменьшается в 10 раз. Эти данные необходимы при разработке режимов стерилизации.
Контроль режима стерилизации консервов
Как основной процесс консервирования, предопределяющий качество и сохранность консервируемого продукта, стерилизация требует соответствующего контроля. В настоящее время для контроля за температурой и давлением внутри автоклава в процессе стерилизации пользуются измерительными приборами - термометрами и манометрами; в автоклавных отделениях монтируют терморегистрирующие приборы - термографы, записывающие температуру внутри автоклава при: стерилизации консервов. Неудобство термографов заключается в том, что> они только фиксируют, но не регулируют температуру в автоклаве.
В последнее время широкое применение получают терморегуляторы: конструкции Бабенкова, дающие возможность управлять процессом стерилизации консервов в автоклавах без регулируемого противодавления. В тех случаях, когда контроль режима стерилизации осуществляется с помощью термографов, проверку термограмм (бумажный круг или лента, на которой записана температура) ведет старший микробиолог. Он ежедневно просматривает термограммы и в случае нарушения режима стерилизации принимает меры к ликвидации нарушений.
При разработке новых режимов стерилизации, когда нужно измерить температуру в центре банки или определить скорость прогревания ее содержимого, пользуются термопарами (рис. 73). Термоэлектрический метод измерения температуры в центре банки является наиболее совершенным. Термопара - это две спаянные металлические пластинки из разных металлов, например из меди и константана, из нихрома и никелина и т.д. К концам каждой пластинки припаивают провода, которые подсоединяются к гальванометру. Пластинки и нижние концы проводов помещаются в автоклав. Для изоляции от греющей среды и предохранения от механических повреждений их предварительно укладывают в защитный кожух, например, в толстую резиновую трубку. Термопара может и не иметь пластинок, а непосредственно используются два спаянных на одном конце провода из меди и константана.
При нагревании места спая двух разных металлов возникает разность потенциалов, пропорциональная величине нагрева. При измерении температуры в центре банки при стерилизации спаянный конец термопары помещают в центр банки, а свободные концы проводов, выведенные из банки, подключают к гальванометру. Шкала гальванометра, регистрирующего возникающую при нагреве разность потенциалов, может быть градуирована непосредственно в градусах температуры. Наблюдая за перемещением стрелки гальванометра во время стерилизации и фиксируя температурный уровень во времени, строят кривые проникновения тепла в центр банки. По оси абсцисс откладывается время стерилизации, по оси ординат - температура.
Разработка режимов стерилизации консервов
При разработке режимов стерилизации нужно учитывать следующие факторы: термоустойчивость микроорганизмов и их спор, обсеменяющих продукт, физико-химическую природу содержимого банки, скорость проникновения тепла к центру содержимого банки. Известно, что между термоустойчивостью спороносных сапрофитных бактерий и их географическим происхождением имеется определенная взаимосвязь. Южные расы микробов, имея повышенный максимум температуры роста, образуют споры, обладающие более высокой термоустойчивостью по сравнению с северными расами этого же вида микроба, поэтому при разработке режимов стерилизации учитывают и географическую зону.
Приведем пример разработки режима стерилизации для цельноконсервированных томатов в зоне Краснодарского края. Среди остаточной микрофлоры данного вида консервов были обнаружены следующие микроорганизмы: Bac. mesentericus ruber, Bac. mesentericus fuscus, Bac. cereus, Bac. subtilis, Bac. albolactis. Бомбаж консервов вызывал микроб Bac. albolactis. Это грамположительная палочка с центрально расположенными спорами. Она хорошо развивается на искусственных и естественных средах при температурах 37-55 °С.
Это факультативный анаэроб, возбуждающий брожение с образованием газов. Термоустойчивость Bac. albolactis при нагревании в различных средах оказалась неодинаковой. В томатном соке бацилла погибает значительно быстрее, чем в солевом растворе. В томатном соке при температуре 85 °С она погибла за 15 мин, при 90 °С - за 10 мин и при 95 °С - за 5 мин, в солевом растворе - при температуре 100 °С в течение 20 мин. В мясопептонном бульоне нагревание при 100°С в течение 30 мин не повлияло на ее жизнедеятельность.
При изготовлении консервов одним из важнейших факторов, от которых зависит уничтожение микроорганизмов, является продолжительность пребывания продукта при высокой температуре. Распространение тепла в стерилизуемом продукте зависит от способа теплопередачи. В консервах, имеющих жидкую консистенцию (например, во фруктовых соках), уже при незначительной разности температур образуются конвекционные токи. Практически в таких продуктах все тепло передается конвекцией, поэтому температура при стерилизации быстро становится почти одинаковой во всех частях банки. При неоднородной или густой консистенции продукта конвекция при стерилизации затруднена и тепло в основном распространяется благодаря теплопроводности содержимого банок, поэтому температура в разных точках продукта неодинакова. В периферийных зонах она гораздо выше, чем в центре банки. Срок пребывания продукта при максимальной температуре стерилизации определяется по кривой прогрева. Кривая прогрева продукта зависит от рода продукта, способа и плотности укладки, размера и вида тары, начальной температуры продукта, температуры в автоклаве и т.д.
Кривые теплопроникновения для нашего примера представлены:
Во всех трех случаях продукт расфасован в банки № 83-2. Из сравнения кривых теплопроникновения (см. рис. 74, 75 и 76) можно сделать следующее заключение.
1. Максимальная температура в центре банки имеет различное значение. Для томатов, консервируемых без кожицы (кривая 3), она на 2-3°С ниже, чем у томатов, консервируемых с кожицей (кривая 2). Следовательно, процесс передачи тепла при стерилизации консервов из томатов без кожицы протекает несколько медленнее, чем у плодов с кожицей. Тем не менее при такой незначительной разнице в максимальной температуре и времени теплопроникновения нет необходимости устанавливать различные режимы стерилизации консервов в зависимости от способа подготовки плодов.
2. При стерилизации по режиму ((25 - 30 - 25) / 105 °С) * 1,8 ат (см. рис. 75) максимальная температура, достигнутая в центре банки для томатов, залитых раствором соли, 103 °С. Эта температура заведомо смертельна для остаточной микрофлоры данного вида консервов. Для томатов, залитых томатным соком, максимальной оказалась лишь температура 78°С, тогда как смертельная температура для микробов - возбудителей порчи в указанном продукте равна 85 °С. То же самое наблюдается и при стерилизации по режиму ((20 - 50 - 20) / 100 °С) * 1,4 ат (см. рис. 74). Для томатов, залитых томатным соком, максимальная температура в центре банки не превышала 74-76 °С.
Такая разница в скорости теплопередачи объясняется физико-химическими свойствами продукта. Томатный сок представляет собой неоднородную массу, состоящую из раствора сахаров, пектина, кислот, солей и других растворимых веществ со взвешенными в нем частицами плодовой ткани, которые снижают скорость конвекционных токов и затрудняют теплопередачу.
Согласно сделанному анализу, приходим к выводу, что режимы стерилизации ((20 - 50 - 20) / 100 °С) * 1,4 ат и ((25 - 30 - 25) / 105 °С) * 1,8 ат являются недостаточными для цельноконсервированных томатов, залитых томатным соком. Для томатов, залитых раствором соли, наиболее подходящим будет режим ((25 - 30 - 25) / 105 °С) * 1,8 ат, так как он позволяет поддерживать температуру в центре банки 100-103 °С в течение 20 мин, что вполне достаточно для уничтожения микроорганизмов, способных вызывать порчу данного вида консервов. Режим стерилизации ((20 - 50 - 20) / 100 °С) * 1,4 ат для томатов, залитых раствором соли, недостаточен, так как не сможет обеспечить стерильности продукта. Максимальная температура, достигаемая в центре банки по этому режиму, 98 °С не является летальной для микробов при нагревании их в растворе соли. Наконец, режим стерилизации ((20 - 40 - 45) / 105 °С) * 1,6 ат является наиболее пригодным для томатов, залитых томатным соком, так как в центре банки в течение 15-18 мин держится температура 85-86°С, летальная для микробов при нагревании их в томатном соке.
Итак, режимы стерилизации следует установить:
Опытные работы по установлению режимов стерилизации для указанных видов консервов были проведены в Краснодарском НИИППе.
Измерение температуры в центре банки при разработке режимов стерилизации может осуществляться еще и с помощью максимальных термометров. Максимальные термометры имеют размеры, позволяющие закладывать их в консервные банки. Принцип устройства их аналогичен устройству медицинских термометров. Максимальный термометр укладывают, по возможности, в центр банки с продуктом перед ее закаткой (в центре банки должен находиться шарик с ртутью). Банку закатывают, ставят на ней метку, чтобы она не затерялась среди других банок и помещают в автоклав на стерилизацию вместе со всей партией консервов. После стерилизации банку вскрывают и по термометру устанавливают максимальную температуру, которая была достигнута в центре банки. По результатам нескольких опытов при разной продолжительности нагревания приблизительно судят о скорости проникновения тепла в центр банки.
Однако наряду с достоинствами (простотой и дешевизной) использование максимальных термометров имеет и ряд существенных недостатков: точность определения недостаточная, трудно закрепить максимальный термометр в центре банки в жидких продуктах, слишком много требуется экспериментов для установления времени теплопроникновения к центру банки, и т.д. Определение температуры в центре банки при стерилизации осуществляется старшим микробиологом.
Актуальной проблемой в консервной промышленности в настоящее время является интенсификация процесса стерилизации и переход от стерилизации в автоклавах периодического действия к стерилизации в аппаратах непрерывного действия.