Большое влияние на смертельное время оказывает количе­ство микроорганизмов. В качестве примера в табл. 18.2 приве­дены данные одного исследования, которые подтверждают: чем больше микроорганизмов находится в определенном объ­еме стерилизуемого продукта перед стерилизацией, тем боль­ше времени требуется на их уничтожение.

Как следует из табл. 18.2, для культуры 26 при уменьшении начального содержания микроорганизмов с 46 000 до 40 спор, т.е. примерно в 1000 раз, смертельное время сокращается при­близительно в 3 раза.

Возможные объяснения:

• при большом количестве микроорганизмов в продукте они распределены неравномерно, образуют скопления (агрега­ты). К микроорганизмам в центре такого скопления тепло про­никает хуже;
• при большом количестве микроорганизмов велика веро­ятность появления термоустойчивых особей (даже в одной ко­лонии термоустойчивость клеток различается).

С физико-химической стороны процессы, вызывающие смерть микробной клетки, представляют собой мономолеку­лярную реакцию коагуляции белков протоплазмы. Скорость уничтожения микробов поддается математическому анализу, справедливому для реакции первого порядка. Скорость уничто­жения микробов dN/dx, представляющую собой производную количества микроорганизмов по времени, можно записать так:

где N - количество микроорганизмов в данный момент стери­лизации; К₀ - коэффициент скорости уничтожения микробов (величина, обратная времени).

Знак «минус» указывает на то, что при нагревании с течени­ем времени количество микроорганизмов уменьшается.

После математических преобразований получаем

где N₀ - количество микроорганизмов к началу процесса стери­лизации; N - количество микроорганизмов в конце процесса стерилизации при определенной температуре; К - константа, учитывающая скорость уничтожения микробов и переход к де­сятичному логарифму, К = К₀/2,303.

Из уравнения (18.2) видно, что скорость уничтожения ми­кроорганизмов подчиняется логарифмическому закону и зави­сит от их начального количества.

Между количеством выживших микроорганизмов и про­должительностью нагревания, проведенного при постоянной температуре, существует зависимость, графическое изображе­ние которой называют кривой выживаемости. Когда все клет­ки, составляющие популяцию, обладают одинаковой термо­стойкостью, зависимость количества выживших микроорга­низмов от продолжительности нагревания носит экспоненци­альный характер. Это означает, что при определенной темпера­туре за единицу времени погибает одинаковая доля микроорга­низмов от их общего количества. Абсолютное число погибших клеток при этом уменьшается со временем. Кривая выживае­мости экспоненциального характера, построенная в полулога­рифмической системе координат, приобретает вид прямой (рис. 18.1).

Экспериментально обна­ружено, что для одних и тех же видов микроорганизмов кривая выживаемости строго экспоненциального характера (рис. 18.2, 4) не является един­ственной формой отражения зависимости между количе­ством выживших клеток или спор и продолжительностью нагревания. Возможны дру­гие зависимости.

Кривые выживаемости 1, 2 (см. рис. 18.2) характерны для случаев, когда имеется увели­чение или постоянство количества микроорганизмов в первые моменты нагревания по срав­нению с их количеством до прогревания. Такое явление связано с возможной термоактивацией спор, находящихся в состоянии покоя до нагрева и выведенных из него тепловой обработкой.

Сигмоидальная и вогнутая кривые выживаемости характерны для случаев, когда в стерилизуемом ма­териале клетки или споры обладают неодинаковой чувстви­тельностью к нагреванию. В случае, когда кривая выживаемо­сти составлена из двух прямых с разным уклоном, предположительно наличие в прогреваемой популя­ции двух форм спор, различающихся по устойчивости к нагре­ванию.

Экспериментально установлена еще одна форма отклоне­ния кривой выживаемости от экспоненциального характера: в ней присутствует часть кривой, отражающей замедленное от­мирание последних клеток, так называемый «хвост» кривой (рис. 18.3). К особенностям «хвостовых» клеток относится их неспособность давать подобное себе термостойкое поколение.

Константа скорости уничтожения конкретного вида микро­организмов К зависит от агрессивного характера среды А, в которой микроорганизмы находятся (например, от активной кислотности, содержания фитонцидов и т.п.), от степени не­устойчивости S данного вида микроорганизмов к температур­ному фактору и от температуры стерилизации Т, т.е.

Обозначим количество микроорганизмов определенного вида к началу стерилизации через В, количество микроорга­низмов данного вида в конце стерилизации - b. Тогда уравне­ние (18.2) примет вид

Допустим, что имеются две банки с одинаковым пищевым продуктом, стерилизуемые в одних и тех же условиях, причем количество микроорганизмов в них в конце стерилизации b бу­дет одинаково мало. Начальное количество микроорганизмов в одной из них В*, в другой - В**. Тогда смертельное время для микроорганизмов в первой банке

Отношение значений смертельного времени составит

Поскольку величина b мала по условию, значением lgb можно пренебречь, и тогда уравнение (18.6) примет вид

Таким образом, смертельное время зависит от начальной обсемененности продукта.

Из уравнения (18.3) можно определить время т, необходи­мое для уничтожения в данных условиях определенного коли­чества микроорганизмов:

Выражение (18.10) тождественно выражению, связывающе­му температуру и время стерилизации, и, следовательно, ему должен отвечать аналогичный график в полулогарифмических координатах - график зависимости количества микроорганизмов от времени стерилизации при постоянной температуре. На гори­зонтальной оси откладывается смертельное время в линейных отрезках, на вертикальной - логарифмические значения количе­ства микроорганизмов. На таком графике зависимость «количе­ство микроорганизмов - смертельное время» характеризуется прямой линией (рис. 18.4). При этом В - количество микроорга­низмов к началу стерилизации; b - количество микроорганизмов после стерилизации в течение т мин; т - время, необходимое для уничтожения микроорганизмов от В до b при заданной постоян­ной температуре стерилизации; D - смертельное время, требую­щееся для снижения количе­ства микроорганизмов в 10 раз при заданной температуре. Иными словами, D (decimal re­duction time) - время обработ­ки, при котором погибает 90 % микроорганизмов, т.е. показа­тель, характеризующий тепло­вую устойчивость разных ми­кроорганизмов при соответ­ствующей температуре.

Приведенный на рис. 18.4 график отражает кинетику гибе­ли микроорганизмов при постоянной температуре. Наклон прямой на рисунке характеризует термоустойчивость микро­организмов в условиях такого прогревания, следовательно, со­ответствующей константой является тангенс угла наклона этой прямой, т.е. отношение вертикального катета АО к горизон­тальному ОС.

Вертикальный катет на логарифмической шкале, означаю­щий десятикратное снижение количества микроорганизмов, равен единице. Таким образом, l/D = tg a = соnst.

Но поскольку в этом отношении числитель (единица) на ло­гарифмической шкале - тоже константа, следовательно, кон­стантой является и величина D, характеризующая устойчи­вость микроорганизмов к нагреванию в постоянном темпера­турном поле (при постоянной температуре).

Чем больше значение константы термоустойчивости D, тем более устойчивыми являются микроорганизмы к температур­ному фактору. Константа термоустойчивости D характеризует, при прочих равных условиях, биологические особенности дан­ного микроорганизма (табл. 18.3). Кроме того, Z-показатель, характеризующий температурную чувствительность микроор­ганизмов, можно представить как температурный диапазон, в котором происходит десятикратное изменение значения D.

Константа D находится в обратной зависимости от агрес­сивного характера среды А, например от активной кислотно­сти. Чем выше рН пищевого продукта, тем больше значение D. Пример изменения значения D для В. stearothermophilus в за­висимости от рН приведен в табл. 18.4.

Для В. stearothermophilus установлена и эмпирическая за­висимость между D и рН среды:

Термоустойчивость C1. sporogenes в низкокислотных про­дуктах определяют как

Константа D растет с понижением температуры стерилиза­ции. Так, например, для С1. botulinum в «Икре из кабачков» (рН 4,8) она имеет следующие значения (в мин): при 121,1 °С - 0,044; при 118 °С - 0,086; при 115 °С - 0,216.

Выражение (18.10) в удобном для расчетов виде можно за­писать следующим образом:

Отсюда можно получить выражение для определения коли­чества микроорганизмов в конце стерилизации:

Дробное (меньше единицы) количество микроорганизмов после стерилизации означает, что споры будут обнаруживаться не в каждой банке, а для данного случая - в одной из 10 000 банок.

Из сказанного вытекает, что, учитывая логарифмический характер гибели микроорганизмов при нагревании, теоретиче­ски полностью уничтожить их при стерилизации невозможно. Можно уменьшать количество спор при нагревании, доводя их до одной на 1000, на 1 млн банок и т.д., но не уничтожая на 100 %. Следовательно, можно говорить не об абсолютной стерильно­сти, а только о степени стерильности.

Точно так же нельзя говорить о смертельном времени как о времени полного уничтожения микроорганизмов. Смертель­ным временем следует называть время, необходимое для до­стижения заданной степени стерильности, т.е. для доведения первоначального количества микроорганизмов до заранее установленного низкого уровня.

Из уравнения (18.6) видно, что при данных условиях стери­лизации (т.е. для данного продукта при определенной темпера­туре и времени стерилизации) количество выживших к концу процесса микроорганизмов b прямо пропорционально их на­чальному содержанию В. Таким образом, чем меньше микро­организмов в пищевом продукте к началу стерилизации, тем меньше их в консервах к концу процесса. Это очень важный в практическом отношении вывод, говорящий о необходимости поддержания высокого санитарно-гигиенического уровня на консервных заводах.