Стерилизация консервов — это тепловая обработка, обеспечивающая полную гибель нетермостойкой неспорообразующей микрофлоры и умень­шающая число спорообразующих микроорганизмов до определенного задан­ного уровня, достаточного для предотвращения порчи продукта и гаранти­рующая по микробиологическим показателям безопасность употребления консервов в пищу (см. главу 11).

Такие условия выполняются при нагреве выше 100 °С в специально предназначенных для этой цели аппаратах разнообразных конструкций. В настоящее время в промышленности наиболее распространены стерилиза­ционные аппараты периодического действия — автоклавы, представляющие собой стальные цилиндрические сосуды, работающие под избыточным да­влением, в которые загружают банки с консервируемым продуктом, предва­рительно уложенные в емкости (корзины, тележки, клетки).

Мгновенно нагреть консервируемый продукт до требуемой температуры с тем, чтобы выдержать его определенное время для отмирания микроорга­низмов, невозможно. Процесс стерилизации включает несколько операций: загрузку банок, прогрев установки и банки до температуры стерилизации, стерилизацию, снижение температуры и давления, выгрузку банок из аппа­рата.

Режим работы автоклава традиционно записывается в виде так называе­мой «формулы» стерилизации, не отражающей, однако, математической за­висимости между приведенными в ней величинами. Формула имеет следую­щий вид для аппаратов периодического действия:

где А, В и С — продолжительность процесса (в мин) соответственно

подъема температуры греющей среды от начальной до температуры стерилизации; собственно стерилизации; охлаждения консервов;

Т — заданная температура стерилизации, °С;

Р — максимальное избыточное давление (противодавление) в автоклаве, для компенсации давления, возникающего внутри банок, кПа.

Изменения температуры во времени (кривые прогрева или термограм­мы) показаны на рис. 20. 14. Температура в центре консервов отстает от тем­пературы в автоклаве, причем величина отставания зависит в основном от скорости прогрева продукта.

Продолжительность прогрева автоклава зависит от свойств грею­щей среды, температуры стерилиза­ции, размера автоклава. В качестве греющих сред применяют конденси­рующий пар и горячую воду (в ос­новном для стеклянной тары), так как температуру воды можно повы­сить более плавно, чего нельзя по­стигнуть острым паром.

Продолжительность прогрева ба­нок с содержимым зависит от свойств тары и продукта, температу­ры продукта, а также от размеров и формы банок.

Передача теплоты от теплоно­сителя к продукту происходит от пе­риферии банки к геометрическому центру, где продукт начинает стери­лизоваться гораздо позже, чем внеш­ние слои. Влияние химического состава, размеров сырья, соотноше­ния твердой и жидкой фаз на про­греваемость незначительно (10 %). Определяющее значение имеют внешние факторы.

Повышение начальной температуры продукта позволяет уменьшить об­щее время прогрева, особенно для густых по консистенции продуктов. Про­грев компонентов консервов отражается положительно не только на тепло­физической стороне процесса стерилизации, но и на микробиологической, повышая его эффективность. Так как теплота передается продукту через по­верхность тары, то материал и толщина стенок являются факторами прогре­ваемости.

Толщина жестяной тары очень мала, в отличие от стеклянной, которая в 10 раз толще. Теплопроводность жести примерно в 80-90 раз выше, чем стекла.

На продолжительность нагрева влияет и емкость банки: чем она боль­ше, тем больше времени потребуется для ее прогрева, что будет хуже для качества. Влияние формы банки выражается в том, что чем меньше диаметр или высота банки, тем быстрее происходит нагрев.

К фактору, существенно влияющему на продолжительность прогрева продукта, относится состояние покоя или вращение банок во время стерили­зации. Однако ротация банок не оказывает перемешивающего воздействия и соответственно интенсификации прогрева в таких трудно прогреваемых про­дуктах, как паштеты, колбасные фарши, стерилизуемые без заливок.

На скорость прогрева содержимого банок может влиять и неоднород­ность температурного поля в стерилизационном аппарате.

Технологические характеристики автоклавов различаются незначитель­но, а температура порционирования продукта регламентируется на относи­тельно постоянном уровне, поэтому значение А зависит от объема и вида та­ры и для каждого вида банок является величиной постоянной.

Продолжительность периода С определяется необходимостью сделать давление в банке таким же, как атмосферное перед выгрузкой из автоклава.

Консервы перед стерилизацией представляют собой герметично замкну­тую систему, состоящую из консервной тары, продукта и газообразной фа­зы, занимающей в банке незаполненное пространство над продуктом.

С повышением температуры давление в консервной банке, создаваемое воздухом, водяными парами, а также расширением продукта, возрастает. Его величина не оказывает влияния на гибель микроорганизмов, но может при­вести к нарушению герметичности тары.

Обеспечение герметичности консервов во времени стерилизации дости­гается при соблюдении соотношения:

Регулирование давления в банке Рб, достигаемое эксгаустированием, было рассмотрено выше.

Для регулирования величины Р_а в большинстве случаев при стерилиза­ции консервов создают дополнительное давление (противодавление) в авто­клаве. Это достигается чаще всего подачей сжатого воздуха или холодной воды под давлением.

Перепад между внешним и внутренним давлением в банке должен под­держиваться на невысоком уровне, особенно когда Р_{к п} и Р_{к в} имеют низкие значения, что характерно для консервов в стеклянной таре, алюминиевой та­ре, а также банках, изготовленных из тонкой белой жести.

Продолжительность спуска давления пара тем больше, чем больше раз­меры банок и выше температура стерилизации. Давление воды или сжатого воздуха в автоклаве постепенно снижают до атмосферного. Заканчивать ох­лаждение консервов можно вне автоклава. Продолжительность периода С в зависимости от типа, размеров банок и от заданной температуры стерилиза­ции регламентируется инструкциями.

С учетом того, что значения А и С являются заданными, расчет формулы стерилизации сводится к определению величины В, как функции переменной температуры в центре банки в период, когда происходит отмирание спор.

Установление режимов стерилизации. Для каждого вида консер­вов существует оптимальное соотношение между температурой и временем нагревания, при котором продолжительность стерилизации предельно со­кращена и изменения качества продукта минимальны.

Режимы стерилизации утверждаются ГОСТом. Корректировку, оптими­зацию и разработку режимов стерилизации производят при совершенство­вании процесса стерилизации, создании новых видов консервов, внедрении новых типоразмеров тары специальные органы.

Существует несколько методов установления режимов стерилизации по степени инактивации микрофлоры и изменения пищевой ценности про­дукта.

Если стерилизация проводится при постоянной базисной температуре (121,1 °С), то величину продолжительности процесса, обеспечивающую тер­могибель заданного количества тест-микроорганизмов, называют норматив­ной и выражают ее через требуемую летальность процесса F_T^Z уел. мин. (см гл. 11 «Консервирующее действие нагрева»).

В реальных режимах, когда продукт прогревается при перемен­ных значениях температуры, под F_T^Z понимают так называемое «со­вокупное» или «суммарное» время, необходимое для гибели заданного количества тест-микроорганизмов, скорость отмирания которого про­порциональна величине Z.

Численное значение F_T^Z опре­деляют экспериментально или по­лучают расчетным путем, пользу­ясь разработанными для этой цели методами.

Упрощенный метод заключает­ся в приведении реального F_T^Z к тому, который мог быть получен при базисной температуре. При этом должно соблюдаться соотношение между нормативом требуемой летальности F_T^Z , который служит мерой оцен­ки фактической летальности, и фактической летальностью L_T^Z : L-f-² > F_T^Z.

Фактическая летальность представляет собой летальность всего реаль­ного режима стерилизации, протекающего в течение определенного времени при переменном фиксируемом значении температуры в наиболее трудно прогреваемом участке банки. Фактическое термическое воздействие на тест- микроорганизмы реального режима стерилизации можно выразить равно­ценным действием условного процесса стерилизации, который должен про­ходить при постоянной базисной температуре, когда нагрев продукта до нее и охлаждение до температур, не оказывающих летального действия на мик­роорганизмы, происходит мгновенно (рис. 20.15).

Длительность условного процесса стерилизации и равного по летально­сти термическому воздействию реального режима выражается в условных минутах, что позволяет сравнить их между собой.

Фактическую летальность процесса стерилизации вычисляют по формуле:

Значение коэффициентов, зависящие от величины L выбранной тест- культуры, определяют как

Коэффициенты пересчета летальности могут быть рассчитаны или най­дены по справочным таблицам, составленным с учетом базисных темпера­тур и различных значений Z.

Коэффициенты пересчета ( коэффициенты летальности) К при расчете Lt^z учитывают тепловое воздействие температур, начиная с 96 °С.

Корректировка режима может осуществляться в сторону уменьшения или увеличения фактической летальности с целью приближения ее к нор­мативу требуемой стерильности с соблюдением условия L/ > F_T^Z. Этапы корректировки режима стерилизации включают графическое изменение ве­личины L_T до требуемого значения и соответственно изменения продолжительности стерилизации; при этом соблюдают фор­мы экспериментальных кривых (рис. 20.16 ).

Кинетика отмирания микроорганизмов при сте­рилизации на два-три по­рядка больше скорости де­струкции питательных веществ консервов.

В связи с этим эффек­тивность режимов стери­лизации необходимо оце­нивать и уровнем потерь пищевых веществ. Суще­ствующие методы количе­ственной оценки степени термического поврежде­ния пищевого компонента в процессе тепловой стерилизации достаточно громоздки и сложны, вследствие чего не введены в нормативную докумен­тацию. Из-за отсутствия установленных объективных методов инструмен­тального и квалиметрического определений факторов качества пользуются данными химического анализа, при котором определяют уровень сохране­ния и потерь отдельных ингредиентов стерилизуемого продукта (белков, ви­таминов и др. веществ)

Применение в стерилизаторах автоматизации и компьютеризации, бла­годаря чему создается возможность точного измерения и регулирования па­раметров режима, приводит к приближению Z^Z_T к F^Z_T и предотвращает из­лишнее и недостаточное термическое воздействие на продукт.

Совершенствование режимов стерилизации. Смягчение режимов сте­рилизации заключается главным образом в сокращении продолжительности периода прогрева содержимого консервов, особенно в зоне температур 30-80 °С, наиболее отрицательно сказывающихся на качестве продукта. Что­бы консервы остались безопасными, необходимо обеспечить установленное значение F^Z_T. Сокращение продолжительности режима компенсируется по­вышением его температуры. Существует несколько способов решения этой задачи, которые способствуют улучшению качества продукции.

При ступенчатой стерилизации ускорение прогрева содержимого дости­гается за счет увеличения разницы температур в автоклаве и продукте. Для этого в период прогрева температура в автоклаве увеличивается против ука­занной в режиме стерилизации примерно на 10 °С, затем, когда достигнут максимальный заданный уровень, температура в аппарате снижается до зна­чений, соответствующих температуре собственно стерилизации.

Ступенчатый режим стерилизации позволяет существенно сократить продолжительность собственно стерилизации за счет ускоренного прогрева­ния, однако он мало используется в промышленности из-за повышенных требований к точности измерительной аппаратуры.

Высокотемпературные режимы стерилизации осуществляют в автокла­вах при температуре 123-130 °С. В отличие от ступенчатого режима темпе­ратура в аппарате значительно выше максимальной температуры продукта и поддерживается постоянной в течение всего периода собственно стерили­зации. Высокотемпературные режимы позволяют сократить процесс стери­лизации на 30-40 %. Однако внедрение высокотемпературных режимов ограничено тем, что их влияние на качество продукции окончательно не вы­яснено. В перспективе высокотемпературная кратковременная стерилизация остается в резерве средств смягчения режимов.

Асептическим консервированием продолжительность стерилизации сокращается до нескольких секунд. Сущность этого метода состоит в том, что продукт стерилизуют до фасования в тару, которую также обрабатыва­ют при температуре стерилизации, а затем в условиях, исключающих попа­дание микроорганизмов извне (асептических), стерильный, предварительно охлажденный продукт подают в стерильные банки, укупоривают стерильны­ми крышками. Температура продукта при асептическом консервировании, благодаря быстрому нагреву и охлаждению, составляет 120-140 °С.

В отличие от молока и соков, консервы из мяса труднопрогреваемы и состоят из твердых крупных частей и жидкости. Асептическое консервиро­вание таких смесей осуществляют путем применения омического нагрева, пропуская ток через продукт. Омический нагрев пригоден как для гомоген­ных продуктов с широким диапазоном вязкости, так и для гетерогенных, не­зависимо от характеристики фаз.

Наиболее эффективным по скорости нагрева является способ тепловой стерилизации с помощью СВЧ-энергии, при воздействии которой темпера­тура содержимого банок повышается по всему объему практически с одина­ковой скоростью.

Щадящие способы стерилизации. Требование снижения температу­ры и жесткости режимов стерилизации, направленное на улучшение каче­ства, реализуется в частных способах стерилизации: пастеризации и тиндализации.

Пастеризация. При пастеризации уничтожаются в основном вегетатив­ные формы микроорганизмов, а споры не погибают.

В связи с этим к сырью при выработке пастеризованных консервов предъявляют ряд дополнительных жестких санитарно-гигиенических и тех­нологических требований.

Оптимальные режимы пастеризации обосновывают наряду с технологи­ческими требованиями к качеству продукта микробиологическими предпо­сылками:

• температурный интервал 25-40 °С является оптимальным для ра­звития микрофлоры, поэтому время выдерживания продукта при эт­их температурах должно быть минимальным;
•  при температуре среды 80 °С происходит интенсивное отмирание ве­гетативных форм микроорганизмов; при этом отсутствуют глубокие постденатурационные и гидролитические изменения мышечных бел­ков продукта.

Нормативную и фактическую летальность режимов пастеризации опре­деляют аналитическим методом по аналогии с процессом стерилизации кон­сервов, основываясь на показателях термостойкости вегетативных клеток микроорганизмов, а не их спор.

В качестве тест-культуры при разработке режимов пастеризации малокислотных консервов из мяса с рН> 4,2 используют относительно бе­зопасные в применении штаммы кокковых микроорганизмов Streptococcus faekalis-775.

Показатели термостойкости тест-культуры в фосфатном буфере (PH 7,0) составляют: D = 3,8 мин, Z = 15 С при базисной температуре 80 °С.

Фактическую летальность режима пастеризации определяют путем сум­мирования летального действия на вегетативные клетки бактерий всех кон­кретных температур в продукте в процессе его тепловой обработки, эквива­лентно переведенного в летальное действие эталонной температуры.

Процесс пастеризации проводят в аппаратах открытого типа, что расши­ряет возможность использования полимерных материалов; теплоносителем служит вода, температура которой может в период прогрева составлять 100 °С, а затем постепенно снижаться до температуры собственно пастери­зации 80 °С.

Ступенчатый режим пастеризации обеспечивает сохранение консистен­ции и сочности, а также исключает появление, несвойственных данному ви­ду продукции, вкуса и аромата, которые могут возникнуть при слишком продолжительных режимах прогрева.

Пастеризованные консервы должны быть охлаждены до 20 °С непосред­ственно в пастеризаторе, а затем до 5 °С в холодильной камере. Допустимая продолжительность хранения пастеризованных консервов при температуре от 0 до 5 °С составляет 6 месяцев со дня изготовления, поэтому их называют полуконсервами.

Пастеризованные консервы по сравнению со стерилизованными облада­ют более высоким качеством, особенно по органолептическим свойствам и биологической ценности.

Тиндализация представляет собой дробную тепловую обработку, когда процессы прогрева, собственно стерилизации и охлаждения осуществляют­ся в два этапа, разграниченные между собой интервалом времени.

Продукт вначале нагревают до 100 °С и ниже, как при пастеризации, а затем выдерживают 24 ч при температуре 20-25 °С. За это время споры, ак­тивированные предшествующим нагревом прорастают. При повторном на­гревании разрушаются вегетативные формы микроорганизмов, проросших из спор. Тиндализация применяется при консервировании готовой продук­ции (сосиски, бекон, ветчина и др.).

Техника стерилизации. Консервы стерилизуют в автоклавах перио­дического и непрерывного действия.

В зависимости от ориентации аппарата относительно поверхности пола различают автоклавы вертикальные и горизонтальные, которые загружают соответственно сверху или с торца. Несмотря на более трудоемкую загруз­ку и выгрузку, несколько большую требуемую площадь для размещения, го­ризонтальные автоклавы по сравнению с вертикальными обладают более высокими технико-технологическими показателями.

В частности, они отличаются однородностью температурного поля и возможностью после снабжения их ротором осуществлять вращение банок, что позволяет сократить длительность стерилизации.

Вертикальный автоклав — цилиндриче­ский стальной котел со сферическим днищем и крышкой (рис. 20.17). Герметически закры­вающаяся крышка снабжена предохранитель­ным и спускным клапанами, термометром и манометром. В верхней части автоклава имеются штуцера для воды, пара, воздуха и спуска верхнего уровня воды. В автоклав консервные банки загружают в перфориро­ванной корзине с помощью тельфера. В зави­симости от высоты в один автоклав загружа­ют от одной до четырех корзин.

Стерилизовать консервы можно паром, водой, паро-воздушной смесью, с противода­влением или без него.

Тип энергоносителя и способ создания противодавления в автоклаве выбирают в за­висимости от формы, размера, вида материа­ла и толщины стенки тары, в которую расфа­сован продукт (мелкая или крупная, изготовленная из жести, стекла, алюминия, многослойных полимерных материалов) (табл. 20.2).

Стерилизация паром без противодавления применяется для консервов в жестяной таре емкостью до 0,5 л. После загрузки сеток с банками авто­клав продувают паром до полного вытеснения воздуха. Затем его гермети­зируют и начинают прогрев до заданной температуры стерилизации. С это­го момента отсчитывают время соответственно формуле стерилизации. По окончании собственно стерилизации постепенно снижают давление до уров­ня, исключающего деформацию банок после того, как откроют автоклав.

Стерилизацию с противодавлением применяют для консервов в круп­ной жестяной таре и стеклянной таре.

Консервы в стеклянной таре стерилизуют только водой, которая явля­ется своего рода буфером, смягчающим резкие температурные перепады. Сетки с банками загружают в автоклав, наполненный нагретой до 40-45 °С водой. Воздух из автоклава не удаляют, так как он создает воздушную по­душку, устраняющую колебания внутри автоклава. В автоклав подают пар и ведут стерилизацию в соответствии с формулой, поддерживая повышенное давление сжатым паром. Охлаждение проводят холодной водой до 40-50 °С с противодавлением в течение 20-30 мин.

Стерилизация горячей водой применяется и для жестяных банок, если температура находится в пределах до 100 °С.

Стерилизацию паром применяют для консервов в жестяной таре. После прогрева автоклава (а — продолжительность процесса прогрева, см. табл. 20.2)по мере прогрева консервов в нем создают противодавление сжатым возду­хом. По окончании собственно стерилизации в автоклав подают холодную воду под давлением несколько большим, чем давление в автоклаве. Во из­бежание резкого падения давления вследствие конденсации пара одновре­менно подают сжатый воздух, постепенно снижая давление. Температура ох­лаждающей воды на выходе из автоклава должна быть не выше 40 °С, температура консервов 70-80 °С.

Режим стерилизации консервов строго соблюдают, а его параметры ре­гистрируют.

При ручном управлении процессом запись параметров проводят в спе­циальном журнале, к которому прилагают термо- и барограммы.

Автоматическим управлением предусматривают регистрацию и регули­рование всех параметров режима стерилизации с помощью программного устройства при фиксации данных на термограмме.

Допустимая погрешность по температуре составляет +1,0 °С, по продолжительности нагрева — +1,0 мин для каждого этапа, по давлению — 0,02 МПа.

Журналы с записями режимов стерилизации как ручного, так и автома­тического управления относят к документам строгой отчетности и длитель­ного хранения.

Ротационные автоклавы периодического действия отличаются тем, что консервные банки в процессе стерилизации вращаются вокруг своей вертикальной оси или переворачиваются с «донышка» на «крышку», что создает условия для вынужденной конвекции их содержимого (рис. 20.18).

Вращение банки позволяет сократить продолжительность процесса и сохранить качество продукта.

В полуавтоматических стерилизаторах роторного типа «Ротомат», «Лю­бека», «Атмос» производства Германии консервы стерилизуют в специаль­ных корзинах, вращающихся или качающихся вокруг гори­зонтальной оси.

Автоклав «Ротомат» состо­ит из двух, горизонтально рас­положенных камер (рис. 20.19).

В нижней камере производится стерилизация консервов. Здесь расположен перфорированный барабан с рельсами для переме­щения сеток с консервами и прижимной плитой для удержи­вания консервов в сетках. Над стерилизатором смонтирован тер­моизолированный бойлер, где ак­кумулируется нужная для стери­лизации и охлаждения вода. При про­ведении цикла стерилизации в него подается пар для создания заданного давления в рабочем объеме аппарата.

Сетки с консервами загружают вручную, фиксируют банки прижим­ной плитой и герметизируют камеру. После окончания цикла стерилиза­ции консервы охлаждают подаваемой из бойлера холодной водой при вра­щении банок по заданному режиму.

Стерилизаторы непрерывного действия не имеют такого широкого применения, как автоклавы, хотя по­ложительные стороны их вполне очевидны. Такие аппараты упроща­ют работу обслуживающего персона­ла, дают возможность создать высокопроизводительные поточные линии с высокой степенью автоматизации, сокращают время стерилизации, позволя­ют уменьшить расход пара и воды.

Однако они, как правило, сложны по конструкции, громоздки, позволя­ют стерилизовать банки только одного вида и размера. Использование этих стерилизаторов целесообразно на крупных предприятиях.

Стерилизаторы непрерывного действия подразделяют на роторные, го­ризонтальные, конвейерные и гидростатические. Наиболее распространен­ными являются гидростатические стерилизаторы, в которых применен принцип уравновешивания давления в камере стерилизации с помощью ги­дравлических шлюзов. Эти аппараты башенного типа имеют значительную высоту, но занимают относительно небольшую площадь производственного помещения. Скорость движения конвейера изменяется в зависимости от длительности собственно стерилизации. Температура стерилизации поддер­живается в результате регулирования положения уровня воды в камере сте­рилизации.

Принципиальная схема устройства гидростатических стерилизаторов показана на рис. 20.20. Бесконечный цепной конвейер с укрепленными на нем носителями банок проходит через башню 1 гидростатического затво­ра — шлюза, наполненную горячей водой. После прогревания банки попада­ют в паровую стерилизационную камеру 2, где нагреваются до 120 °С. Да­лее банки поступают в башню 4 — зону водяного охлаждения консервов до температуры 75-80 °С. Выходящие из гидростатического затвора банки по­ступают в бассейн 3 с холодной водой, где окончательно охлаждаются (до 40-50 °С) и выгружаются из стерилизатора.

При использовании стерилизаторов непре­рывного действия отпадает необходимость предварительно прогревать аппарат, поэтому формула стерилизации в них имеет вид: (В+С) / Т.

Совершенствование конструкций стери­лизаторов. Технологические требования к стерилизаторам сводятся к обеспечению рав­номерности температурного поля, быстрому подъему температуры в аппарате, а также ав­томатическому и компьютерному контролю.

Обновление материалов для изготовления тары, изменение формы и размеров емкостей для консервов диктуют свои требования к кон­струкции стерилизаторов: обеспечение возмож­ности стерилизации консервов в нескольких видах тары или полная универсальность аппа­рата по отношению к таре.

Возможности совершенствования процесса стерилизации полностью не исчерпаны и мо­гут служить резервом оптимизации техноло­гии консервов.