Стандартизация обработки высоким давлением

Как указано ранее (тема 1), много работ было посвящено определению D и Z величин при обработке продуктов высоким давлением. Создание отсутствующей на сегодняшний день базы данных D-и Z-величин для обработки высоким давлением различных микроорганизмов - достаточно трудоемкая задача. Кроме того, эти параметры разработаны для оценки совместного действия температуры и времени, без учета давления. Это означает, что даже зная эти величины для различных микроорганизмов, невозможно предположить точные значения давления, температуры и времени, необходимые для достижения нужной степени стерильности. В этом легко убедиться, построив с помощью разработанной в процессе работы модели зависимости D(Р, Т) и Z (Р, Т).

Основываясь на изученных результатах, можно предложить использовать усредненные термодинамические характеристики микрофлоры In (A), U и ∆V как контрольные параметры при разработке процедуры состояние стандартизации обработки продуктов высоким давлением.

Рекомендации

Рекомендации по выбору оптимальных параметров обработки для обеспечения стерильности обработанного продукта при сохранении его пищевкусовых качеств и минимальных затратах энергии и времени и рекомендации по разработке отсутствующих в данный момент стандартов в технологии обработки продуктов питания сверхвысоким давлением.

1. Для выбора параметров обработки (Р,Т и t), а также для производства новых стандартов можно использовать усредненные термодинамические характеристики микрофлоры А, U и ∆V.

2. Найденные характеристики можно использовать для оценивания действия высокого давления на микроорганизмы в других средах. Для среды с меньшим рН таким образом можно получить оценку сверху, а для среды с большим рН - оценку снизу.

3. Величина сдвига рН среды, связанного с ростом давления и/или температуры, может служить универсальным критерием стерилизации под действием этих факторов.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие термодинамические характеристики микрофлоры можно использовать для выработки новых стандартов обработки пищевых продуктов высоким давлением?

2. Как можно использовать изменения рН образцов, которые наблюдаются под действием высокого давления?

3. Какие вопросы решает биофизика высоких давлений?

Задачи и примеры

1. Пользуясь номограммой по выбору параметров обработки (рис. 11.1), найдите время обработки для таких вариантов обработки: (400 МПа, 60 °С), (600 МПа, 50 °С), (800 МПа, 40 °С).

2. Сравните энергетические затраты для этих вариантов.

Итоги

Анализ литературных данных показал, что использование высокого давления является одним из перспективных направлений развития пищевых технологий. К преимуществам этой обработки следует отнести сохранение натурального вкуса, аромата и питательности пищевых продуктов, возможность создания пищевых продуктов с новыми текстурами и вкусом, низкие энергозатраты и расход воды, совместимость с пищевыми технологиями, в которых используются мягкие и полумягкие упаковочные материалы.

Основные последствия обработки высоким давлением - это инактивация микроорганизмов и ферментов, денатурация белков и полисахаридов. Биофизика этих процессов во многом не ясна. До сих пор нет единой теории, объясняющей все многообразие явлений, которые происходят в биологических и химических материалах под действием высокого давления. Существует еще целый ряд нерешенных вопросов - это, прежде всего, микроскопические механизмы действия давления на различные биообъекты, наблюдаемая на практике разница в стойкости к давлению штаммов одного вида бактерий, а также влияние кислотности среды.

В настоящее время отсутствует единый подход к стандартизации обработки продуктов давлением. Стандартные критерии D и Z, используемые при термообработке, не применимы, поскольку сами зависят от давления. Оптимальные параметры обработки – давление Р, температуру Т и время t - приходится подбирать эмпирически, что требует немалых затрат ресурсов и времени.

Таким образом, необходимость дальнейшего развития баробиологии и фундаментальных основ новой технологии стерилизации высоким давлением определяет выбор направления исследований. Для выявления особенностей общего действия давления, температуры и времени обработки на биосистемы и поиска общих характеристик, описывающих это влияние, необходимо комплексное экспериментальное исследование на различных объектах и модельных средах, в отличие от имеющихся в литературе данных по действию отдельных факторов на конкретные виды микроорганизмов и различные макромолекулы. Разработка физической модели, объединяющей действия давления, температуры и времени выдержки, даст возможность предложить новый физически обоснованный подход к оптимизации и стандартизации процессов обработки пищевых продуктов высоким давлением.

Представленные в данном руководстве методы широко используются в микробиологических исследованиях. Они хорошо изучены и апробированы, что обусловливает достоверность получаемых с их помощью результатов. Накопление статистики данных микробиологического анализа связано с большими временными и материальными затратами. По этой причине некоторые результаты работы (с яблочного пюре) носят предварительный характер.

Задача комплексного экспериментального исследования совместного действия факторов давления, температуры и времени обработки решен полностью на примере вишневого сока. Показано, что давление порядка 500 МПа есть граничным для инактивации микроорганизмов и плесени. Увеличение температуры и времени обработки сдвигает порог полной стерилизации в сторону меньших давлений. Сохранность витамина С при стерилизации вишневого сока высоким давлением значительно выше, чем при тепловой стерилизации.

Модельные эксперименты на чистых растворах позволяют выделить влияние высокого давления на отдельные компоненты пищевых продуктов, составной химический состав которых затрудняет подобное определение. Подтверждено влияние кислотности пищевых продуктов на инактивацию микроорганизмов и сохранность витаминов при обработке продуктов высоким давлением.

Действие таких факторов, как давление, температура и время обработки, можно интерпретировать в рамках химической реакции первого порядка. Полученные результаты свидетельствуют в пользу возможности применения линейной кинетики для описания деградации биосистем под действием высокого давления. Многофазность кинетики, наблюдаемой, связана с охлаждением образца, нагретого при сжатии.

Теоретическая интерпретация проведенных измерений дает возможность оптимизировать процесс обработки продуктов питания сверхвысоким давлением и поэтому открывает новые возможности совершенствования этого процесса. Денатурирующее действие высокого давления обусловлена, очевидно, сопутствующей изменением рН среды, инактивация клетки может считаться вторичным эфектом, связанным с изменением рН при повышении давления. Проведенный анализ найденных параметров инактивации A, U, и ∆V разных микроорганизмов подтверждает связь инактивации с денатурации белков. Микроскопический механизм влияния давления на микроорганизмы определяется конкуренцией вкладов в свободную энергию инактивации от развертывания полярных и неполярных групп внутренней части белковой глобулы. Образование активированного состояния связано с открытием доступа воды к внутренним полостей белка.

Имеющиеся экспериментальные и теоретические исследования влияния сверхвысокого давления, температуры и времени обработки на концентрацию витамина С и микроорганизмов показывают, что, с одной стороны, обработка сверхвысоким давлением дает полную стерилизацию при определенном выборе этих параметров. с другой стороны, результаты обработки зависят от этих параметров неоднозначно. Одинаковый эффект может быть достигнут при различных сочетаниях давления, температуры и времени обработки. При этом наблюдается большой разбег между результатами, полученными для витамина С, МАФАМ и плесени.

В рамках кинетической модели нам удалось объединить действие таких факторов, как давление, температура и время обработки. В результате получается общая картина изменений, стимулировались давлением в различных объектах, а также становится понятной общность процессов, происходящих при тепловой стерилизации и при обработке продуктов высоким давлением. Таким образом, впервые предложена и апробирована простая интерполяционная формула (6.5) для оптимизации параметров стерилизации пищевых продуктов высоким давлением и температурой.

Физическая модель сводится к использованию формулы экспоненциального распада, параметры которой (5.14) определяются из эксперимента через систему уравнений (6.5). Далее, с помощью этой же формулы, описываются те же эксперименты. С одной стороны, эту процедуру можно рассматривать как некую интерполяции экспериментальных точек. с другой - при этом получается удивительный результат - формула с тремя параметрами в состоянии описать целое семейство экспериментальных кривых, соответствующих различным экспериментальным условиям. В частности, кривые правильно передают линейный спад концентрации в зависимости от давления для витамина С (рис. 7.1), резкая пороговая поведение концентрации для МАФАМ (рис. 7.2) и плесени (рис. 7.3), а также правильно отражают тенденции изменения этих зависимостей при изменении температуры и времени обработки [1, 2, 4].

Возможные причины разногласий между теорией и экспериментом такие. Во-первых, много важных химических реакций в биосистемах протекают с участием ферментов. Такие реакции имеют общие константы скорости, которые охватывают константы скоростей нескольких промежуточных реакций [127], так что общая скорость реакции не обязательно описывается уравнениям (5.12). Во-вторых, соблюсти и точно проконтролировать постоянность внешних условий при проведении измерений не всегда возможно. Все эти факторы вносят погрешность к результатам измерений, и они также не учитывались в проведенных расчетах.

Теоретический анализ частично проясняет механизм действия высокого давления и температуры на микроорганизмы.

С одной стороны, наблюдается явная корреляция между действием этих внешних факторов на белки и микроорганизмы. С другой - инактивирующих действие давления и температуры сопровождается одинаковыми сдвигами кислотности среды. Таким образом, механизм инактивации высоким давлением может быть обусловлен денатурацией белков в результате выхода за пределы кислотного оптимума. Разработанная математическая модель позволяет предложить параметры стандартизации для действия давления, строить номограммы для выбора оптимальных параметров и т.п., основываясь на описании кинетики инактивации под давлением, как химические реакции первого порядка.

Новейшие исследования приводят к выводу, что микроскопический механизм действия давления на микроорганизмы через денатурацию белков определяется конкуренции взносов в свободную энергию инактивации от развертывания полярных и неполярных групп внутренней части белковой глобулы. Эти результаты расширяют представления о механизме действия высокого давления и температуры на биологические системы. их практическое внедрение дает возможность планировать эксперименты по обработке продуктов высоким давлением, оптимизировать параметры и разрабатывать стандарты обработки.

Основные закономерности совместного действия факторов высокого давления, температуры и времени выдержки на микроорганизмы и витамин С воспроизводятся в рамках линейной кинетики. При выборе параметров обработки (давления, температуры и времени их действия), а также при выработке новых стандартов целесообразно использовать усредненные термодинамические характеристики микрофлоры - предэкспотенциальный множитель А, величину активационного барьера реакции U и изменение объема∆V.

Высокое давление порядка 500 МПа является пороговым для инактивации выявленных микроорганизмов, тогда как содержание витамина С при этом не очень меняется – от 10% при T = 25 °С и t = 10 мин до 50% при T = 45 °С и t = 20 мин, что значительно меньше, чем потери витамина С в результате тепловой стерилизации, составляющие 80% при Т = 100 °С и продолжительности обработки 10 мин.

Отклонение кинетики инактивации микроорганизмов от зависимости, характерно для химической реакции первого порядка, объясняется неравномерностью охлаждения образца, нагретого при сжатии. Эти отклонения растут с ростом давления обработки и скорости его нагнетания. Зависимость времени охлаждения от геометрии камеры сжатия объясняет разбег данных из различных лабораторий.

Рост кислотности среды, сопутствующее повышению давления, ускоряет инактивацию. Одинаковые для многих микроорганизмов значения давления ∽500 МПа (при 25 °С) или температуры ∽60 °С (при нулевом давлении), критические для стерилизации, вызывают одинаковое снижение рН и соответствуют выхода биосистемы за пределы кислотного оптимума.

Совпадение полученных значений активационного барьера U для всех исследованных микроорганизмов доказывает, что инактивация определяется процессом, который не связан с их размером, массой или формой. Близость значений изменения удельного объема ∆V к характерным значений ∆V для белков подтверждает обусловленность инактивации микроорганизмов деградацией белков.

Механизм влияния давления на микроорганизмы определяется конкуренцией взносов в свободную энергию денатурации от развертывания полярных и неполярных групп внутренней части белковой глобулы. Образование активированного состояния связано с открытием доступа воды во внутренние полости белка.