СПОСОБ ПОВЕРХНОСТНОЙ ТЕПЛОВОЙ ИНАКТИВАЦИИ ШТУЧНЫХ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ СО СРЕДНИМ ИЛИ НИЗКИМ СОДЕРЖАНИЕМ ВОДЫ
METHOD FOR SURFACE HEAT INACTIVATION OF SINGLE-PIECE FOOD PRODUCTS WITH MEDIUM OR LOW WATER CONTENT

Изобретение относится к способу поверхностной пастеризации или поверхностной стерилизации штучных пищевых продуктов, в частности масличных семян, таких как миндаль, лесной орех, орех пекан, грецкий орех, а также земляной орех, отруби, крупы (злаки), кофе, какао и т.п.
По своей природе сельскохозяйственные продукты и пищевые продукты подвержены воздействию безопасных и потенциально патогенных микроорганизмов. В большинстве случаев сельскохозяйственные продукты перерабатываются в свежем виде или их консервируют с помощью соответствующих технологических методов. К промышленным способам консервирования относятся, среди прочего, стерилизация или пастеризация с помощью нагрева, облучения ионизирующими лучами, а также аэрация вредными газами. Прежде всего, последние два способа могут применяться лишь в ограниченных масштабах, т.к. это строго регламентируется законодательством.
В последние годы много раз сообщалось о случаях заражения сырого миндаля сальмонеллой. Чтобы повысить безопасность продуктов, в состав которых входит миндаль, американские органы власти издали постановление о том, что, начиная с осени 2007 года, весь урожай миндаля подлежит пастеризации или в достаточной степени термической обработке. Процесс пастеризации миндаля и прочих масличных семян требует особого подхода к используемым способам обработки. В результате и процессе обработки не должно существенно повышаться содержание воды в миндале, поскольку это негативно отразится на его сохраняемости, а также целостности. Кроме того, семенные оболочки сырого миндаля имеют свойство отслаиваться, что считается значительной потерей качества.
По этой причине здесь предложен способ тепловой инактивации, который предназначен для значительного уменьшения микробного заражения поверхности миндаля, масличных семян и других штучных пищевых продуктов со средним или низким содержанием воды без изменения качественных характеристик продуктов (содержание воды, внешний вид, аромат и вкус, структура). Согласно предписанию органов власти США сырой миндаль можно считать пастеризованным при уменьшении микрофлоры на 5 лог. единиц.
Эффективная тепловая инактивация микроорганизмов достигается в атмосфере с повышенной активностью воды. Наоборот, в результате пастеризации сухим нагреванием микроорганизмы инактивируются только в незначительной степени. Поэтому применение способов стерилизации и пастеризации в промышленных масштабах требует высокого содержания воды в продуктах. В особенности это касается способов стерилизации и пастеризации, которые применяются в консервной промышленности, в производстве напитков или при консервировании молока и молочных продуктов.
Сложности возникают, прежде всего, при пастеризации или стерилизации штучных продуктов, у которых активность воды низкая и составляет менее 0,8, и которые в случае тепловой обработки нельзя подвергать воздействию более высокой влажности. В первую очередь, это относится к миндалю, орехам и прочим масличным семенам, но также и к пряностям (приправам) и другим штучным пищевым продуктам. В частности, очень сложным является процесс обработки сырого, не бланшированного миндаля, т.к. вследствие тепловой обработки во влажной атмосфере происходит, с одной стороны, ускоренное изменение аромата и цвета, с другой стороны, ни в коем случае нельзя допускать отслаивания семенной оболочки, которое происходит, например, вследствие использования воды. Таким образом, пастеризацию сырого миндаля можно рассматривать в качестве примера продукта, предъявляющего к этому процессу высокие требования.
Для тепловой дезактивации сухих пряностей используют, например, способы, при которых пряности помещают в барокамеру, куда в течение непродолжительного времени подают насыщенный или перегретый пар, после чего давление уменьшают (Гизель (Gysel), 1990). Резкое уменьшение давления приводит к отделению микроорганизмов от поверхности и к разрыву бактериальных клеток. Взаимодействие влажного нагрева и такого механического воздействия процесса уменьшения давления приводит к целенаправленной и быстрой инактивации микроорганизмов.
Между тем, способы, работающие по этому принципу, не подходят для поверхностной пастеризации миндаля и других масличных семян. С одной стороны, содержание воды существенно увеличивается за счет применения насыщенного или перегретого пара при давлении >1 бара (температуры выше 100°C) вследствие возникновения конденсации. Столь значительное поглощение воды, свойственное такому роду обработке, требует последующей сушки и приводит к снижению качества и сохраняемости продуктов. С другой стороны, во время уменьшения давления нарушается целостность продуктов, в частности, вследствие поглощения значительной доли воды с поверхности и появления механических сил. А именно у сырого миндаля или других, небланшированных масличных семян, отслаивается семенная оболочка, что ухудшает их качество.
На сайте www.nutpasteurization.net представлено описание системы для пастеризации CFP Power Pasteurization System фирмы «Ventilex» (Вест-Честер, Огайо), которая была разработана специально для пастеризации миндаля. Для этого способа используется постоянно действующая камера с псевдоожиженным слоем, в которую закладывают миндаль и обрабатывают его перегретым паром под избыточным давлением. Далее, в еще одной, тоже постоянно действующей, камере, орехи сушат теплым воздухом, а затем охлаждают. В процессе обработки способом, по которому работает система фирмы «Ventilex», содержание воды в миндале повышается в значительной степени примерно с 5% до 10% в результате чрезмерной конденсации, что существенно снижает качество пастеризованного миндаля и ведет к отслаиванию частиц оболочки в процессе последующей сушки горячим воздухом. Кроме того, высокие температуры в процессе обработки ведут к нежелательным изменениям цвета и аромата миндаля.
В системе поверхностной пастеризации JSP-I Jet Stream Almond Surface Pasteurization System фирмы «FMC Technologies» (Сандаски, Огайо) миндаль нагревается паром до заданной температуры; после этого его пастеризуют во влажном воздухе. Пастеризация происходит в камере непрерывного действия во влажном воздухе, причем температура “точки росы” воздуха значительно превышает температуру заложенного миндаля. Влажный воздух скапливается в виде конденсата на поверхности миндаля, что вкупе с тепловым воздействием приводит к желаемой инактивации микроорганизмов (US, 2006040029, A1).
Вследствие применения этого способа также образуется значительное количество водяного конденсата, поэтому сразу после пастеризации воду необходимо удалить горячим воздухом. В результате того, что во время нагревания паром и пастеризации во влажном воздухе поглощается большое количество воды, а также из-за последующей сушки качество миндаля существенно ухудшается.
J-P.Кларк (Clark, 2007) описал дальнейшие модификации способа обработки паром. Способ Safesteril фирмы ETIA, Компьен, Франция (Антонини (Antonini), 1993) представляет собой непрерывный способ обработки паром штучных продуктов и порошков. При этом поток продуктов по нагреваемому винтовому транспортеру проходит через закрытую камеру, где продукты насыщаются паром. Поскольку такая обработка происходит при нормальном давлении, пар будет конденсироваться до тех пор, пока температура продукта не достигнет 100°C. При этом нагревание продукта от транспортера должно препятствовать чрезмерной конденсации пара на продукте, что, в конечном счете, зависит от поступления тепла через нагреваемый транспортер. В силу механического воздействия от перемещения по транспортеру, но, прежде всего по причине характерного выделения влаги, этот способ не подходит для тепловой обработки сырого миндаля и масличных семян.
В других способах применяется атмосфера насыщенного пара под вакуумом.
М.Коцемпель и др. (Kozempel et al., 2003) описывают способ «вакуум-пар-вакуум» для пастеризации поверхности пищевых продуктов. При этом штучное изделие попеременно помещают в вакуум и насыщают паром. Чередующееся применение вакуума и пара должно обеспечивать проникновение конденсата во все поры и углубления на поверхности продукта.
Производный от этого способ представляет фирма «Steam Lab Systems». В способе продукт подвергается циклическому воздействию вакуумом и пропариванием (вытеснением воздуха паром) в соответствии с приведенным выше описанием. Подача водяного пара после этапа вакуума осуществляется до тех пор, пока не будет достигнуто атмосферное давление (WO, 03/037109, A1).
Ввиду изменяющихся условий давления необходимо исходить из того, что водяной пар конденсируется до тех пор, пока не установятся условия нормального (атмосферного) давления, что, в свою очередь, приводит к существенному поглощению воды. Кроме того, температурные условия, преобладающие во время протекания процесса на поверхности, установлены в недостаточной степени, что так же снижает безопасность процесса.
Таким образом, общим для всех известных и перечисленных способов пастеризации миндаля или других штучных продуктов является то,
- что обработка осуществляется во влажной атмосфере в условиях нормального либо избыточного давления или, в случае вакуумного способа, до установления условий нормального давления; при этом можно считать, что при окончательном установлении равновесия температура поверхности продукта составляет 100°C или более; в этом случае реакции, оказывающие негативное влияние на продукты, протекают очень быстро;
- что они в силу намеренного введения тепла в результате конденсации приводят к значительному увеличению содержания воды на более чем 2%; (временное) повышение содержания воды в указанном объеме существенно ухудшает качество пастеризуемых продуктов, т.к. начинают выделяться характерные для продукта ароматы, а целостность структуры поверхности, например оболочки миндаля, нарушается и разрушается;
- что ввиду высокой степени поглощения влаги появляется необходимость в сушке горячим воздухом; во время сушки горячим воздухом при высоких температурах протекают процессы дегенерации, например реакции потемнения, в результате чего существенно ухудшается качество, аутентичность продуктов терпит значительные потери;
- что условия пастеризации не могут быть в достаточной степени воспроизведены, т.к. лишь по достижении равновесной температуры (в условиях нормального атмосферного давления равна 100°C) температура поверхности будет постоянной; отсутствие постоянных условий давления приводит к недостаточно точно определенным условиям пастеризации на поверхности продукта.
Вследствие этого задачей изобретения является создание способа, при котором поглощение воды и качественные изменения пищевых продуктов сведены к минимуму, а условия пастеризации или стерилизации оптимизированы.
В изобретении это достигается тем, что пищевые продукты предварительно нагреваются, при этом выбирается температура на несколько градусов ниже температуры испарения системы пастеризации или стерилизации, так, что температура предварительного подогрева пищевых продуктов выбирается ниже температуры насыщенного пара, желательно - на несколько градусов ниже температуры насыщенного пара при заданном значении давления; обработка осуществляется во влажной, без доступа воздуха атмосфере, при этом пастеризация производится при температурах между 55°C и 99°C и низком давлении пастеризации, а стерилизация - при температурах между 100°C и 140°C и высоком давлении стерилизации; термическая обработка длится от 1 до 30 мин; конденсат устраняется с поверхности пищевых продуктов путем последующей вакуумной сушки при сниженном давлении.
Новый способ включает три этапа:
- предварительный нагрев пищевых продуктов;
- пастеризацию или стерилизацию в чистой паровой атмосфере; причем температура поверхности соответствует температуре испарения при заданном давлении в системе, и
- сушку конденсата с поверхности в вакууме.
Чтобы обеспечить оптимальную пастеризацию или стерилизацию всех прочих штучных пищевых продуктов, таких как орехи, масличные семена, зерна, пряности и т.п., необходимо соблюдать следующие основные принципы:
1. С целью снижения потерь качества продукта температура поверхностной пастеризации или стерилизации должна быть оптимально выбрана и задана. Путем приведения в соответствие давления в системе температура испарения и, следовательно, температура конденсации может быть целенаправленно задана и воспроизведена. Давление в системе может поддерживаться на постоянном уровне в диапазоне от 0,15 бар до 4,0 бар, благодаря чему могут быть реализованы температуры пастеризации, соответствующие значениям от 55°C до 99°C, и стерилизации, соответствующие значениям от 100°C до 140°C.
2. Поскольку поглощение воды и последующая сушка существенно ухудшают качество пищевых продуктов, нецелесообразное либо чрезмерное поглощение воды не допускается. Это достигается путем целенаправленного предварительного подогрева пищевых продуктов до температуры на 0-8°C ниже температуры испарения. Таким образом, необходимое для подогрева поглощение влаги может быть ограничено значением менее 0,5%, благодаря чему последующая сушка горячим воздухом становится ненужной.
3. Небольшой остаток воды на поверхности может быть быстро устранен путем снижения давления в системе. К тому же благодаря испарению воды с поверхности пищевые продукты сразу охлаждаются, так что тепловое воздействие может быть немедленно прекращено.
Соблюдение этих принципов возможно на основе признаков, подробно изложенных в зависимых пунктах формулы, при этом они учитываются на всех трех этапах способа.
1. Предварительный нагрев.
Предварительный нагрев пищевых продуктов происходит преимущественно на оборудовании, на котором они быстро нагреваются до требуемой температуры с целью предотвращения преждевременного удаления воды. Например, предварительный нагрев может быть осуществлен горячим воздухом или микроволнами в барабане непрерывного действия с инфракрасным нагревателем. Способ не исключает и предварительный нагрев с другими возможностями передачи энергии. Этап предварительного нагрева служит для кондиционирования пищевых продуктов и если и вызывает инактивацию микроорганизмов на поверхности продуктов, то весьма несущественную. Температура предварительного нагрева выбирается таким образом, чтобы при последующей обработке паром температура испарения была на 0-8°C выше температуры предварительного нагрева. Таким образом, можно избежать избыточной конденсации водяного пара на поверхности продуктов и чрезмерного поглощения влаги пищевыми продуктами в процессе последующей обработки паром. Это значит, что температура предварительного нагрева может быть в пределах от 50°C до 144°C. Диапазон от 55°C до 99°C следует выбирать для пастеризации, а диапазон от 100°C до 140°C - для стерилизации. Для миндаля желательной температурой предварительного нагрева является температура между 70°C и 80°C.
2. Пастеризация в паровой атмосфере.
Тепловая инактивация (пастеризация или стерилизация) происходит при температурах в диапазоне между 50°C и 140°C. В результате обработки при температурах ниже 100°C обычно достигается только пастеризация, в то время как для стерилизации (полной инактивации, в т.ч. и термостабильных эндоспор) необходима температура до 144°C. При этом температура обработки устанавливается благодаря существующему или заданному в системе давлению пара. При температурах обработки ниже 100°C давление в системе становится ниже атмосферного давления, при температурах обработки выше 100°C - выше атмосферного давления.
Давление в системе ниже атмосферного достигается путем снижения давления в камере обработки при помощи вакуумного насоса. Как только заданное давление в системе снижается, открывается клапан подвода пара, и начинается подача пара. Подвод пара осуществляется по регулировочному клапану, который поддерживает постоянное давление в системе в камере обработки. Например, обработка миндаля производится при абсолютном давлении, равном 0,1-0,95 бар, желательно - 0,2-0,8 бар.
После загрузки температура продуктов ниже температуры испарения в системе на 0-8°C. Благодаря конденсации незначительного количества воды температура продуктов быстро повышается до температуры испарения. После этого вода уже не может конденсироваться на поверхности продукта; система находится в равновесии. В зависимости от температуры насыщенного пара необходимо таким образом выбрать длительность (от 1 до 30 мин) теплового воздействия, чтобы достичь достаточной степени инактивации микроорганизмов.
3. Удаление воды с поверхности.
По окончании процесса обработки подача пара прекращается, в то время как вакуумный насос продолжает работать. Посредством дальнейшего снижения давления в системе до 0,15-0,01 бар (абсолютное давление) поглощенная путем нивелирования температур влага снова может быть удалена в течение короткого промежутка времени 2-20 мин, так что в пастеризованных (стерилизованных) пищевых продуктов не обнаруживается увеличения содержания воды.
Далее изобретение подробнее поясняется на примере его осуществления.
На чертежах представлено:
Фиг.1 - устройство для поверхностной пастеризации штучных продуктов питания по способу ССР согласно изобретению.
Фиг.2 - график выживаемости и уменьшение количества Enterococcus faecium в лог. ед. на миндале, пастеризованном способом ССР при 81,4°C (давление в системе 0,5 бар).
Описанный способ осуществляется, например, при помощи устройства, представленного на фиг.1. Предварительно нагретый соответствующим способом до заданной температуры пищевой продукт закладывают в приемный бункер 1. Задвижку 4 открывают и засыпают пищевой продукт в барокамеру 2. Барокамера 2 снабжена двойным корпусом, при помощи пара поддерживается предварительно выбранная и соответствующая избранным условиям температура корпуса. После того как барокамера будет герметично закрыта, с помощью вакуумного насоса 7 снижают давление. По достижении предварительно выбранного давления открывают паровой клапан 6. Подачу пара регулируют при помощи регулировочного клапана таким образом, чтобы давление в камере оставалось на постоянном уровне и соответствовало заданному значению. Пастеризация (стерилизация) длится в зависимости от выбранного давления или выбранной температуры в соответствии с видом продукта от 1 до 30 мин. По окончании обработки пастеризацией (стерилизацией) паровой клапан 6 закрывают и давление в барокамере снижают до 0,15-0,01 бар. Спустя еще 2-20 мин вакуумную сушку завершают. Давление в барокамере снова приводят в соответствие с атмосферным при помощи уравнительного клапана. После этого открывают выпускное отверстие 5 и пищевой продукт выгружают. В случае необходимости для ускорения выгрузки пищевого продукта можно подключить смесительной шнек 3. Применимые для настоящего способа параметры миндаля, орехов и масличных семян представлены в таблице 1.
При надлежащих условиях этот способ позволяет достичь минимального поглощения воды на поверхности, которое в зависимости от избранных условий пастеризации (стерилизации) может составлять менее 0,5%. Несмотря на это в процессе обработки в граничном слое вокруг пищевых продуктов образуется влажная атмосфера. Это позволяет обеспечить обработку в достаточно влажной атмосфере с активностью воды, близкой значению 1,0, так что на поверхности продукта происходит достаточная инактивация вегетативных форм микроорганизмов и эндоспор (фиг.2). В результате применения этого способа сохраняется природное качество пищевых продуктов. Изменения аромата или цвета не происходит, при оптимальных параметрах (см. таблицу 1) не наблюдается отслаивание семенных оболочек миндаля.
Описанный способ пастеризации и стерилизации подходит и для термической обработки других масличных семян, таких как лесной орех, орех пекан, грецкий орех, а также земляной орех, отруби, крупы, кофе, какао и т.п. Этот способ подходит также для обработки порошкообразных продуктов, поскольку незначительное увлажнение и поглощение влаги не приводит к комкованию компонентов порошка.
Таблица 1
Параметры, применимые для способа поверхностной пастеризации сырого миндаля, инокулированного Enterococcus faecium NRRL-B2354. Исходная контаминация Е. faecium составила 2×10<sup>7</sup> КОЕ/г.
Температура предварительного нагрева
Абсолютное давление при пастеризации
Температура испарения/Температура конденсации
Время воздействия
Вакуумная сушка
Достигнутое уменьшение, лог. ед.
°C
бар
°C
мин
мин
80
0.5
81.5
2
5
5.5
80
0.5
81.5
5
5
7.4
80
0.5
81.5
10
5
6.6
90
0.5
81.5
2
5
5.3
70
0.5
81.5
10
5
7.9
Библиография
1. G.Antonini, О.Lepez, P.Sajet, D.LaPlace, 1993, “Method and device for reducing or eliminating the microbial flora in an agri-foodstuff in the divided solid state”, FR 2680637 (Антонини, Лепез, Сайе, Ла Плас, 1993, «Способ и устройство для уменьшения или устранения бактериальной флоры в сельскохозяйственных штучных продуктах питания в твердом состоянии»).
2. J.Blaha, 2003, „Verfahren zur Entkeimung von Produkten”, WO 03/037109 A1, 8.5.2003 (Блаха, 2003, «Способ стерилизации продуктов»).
J.-P.Clark, 2007, “Thermal Processing of Foods”, Food Technology 61 (04), 79-82 (Кларк, 2007, «Термическая обработка продуктов питания»).
3. R.М.Gunawardena, Z.Weng, 2006, “Dry food pasteurization apparatus and method”, US 2006 040029 (Гунавардена, Венг, 2006, «Устройство и способ пастеризации сухих продуктов»).
4. М.М.Gysel, 1990, „Die Entkeimung von pflanzlichen Trockenprodukten mit Sattdampf”, Dissertation ETH Nr. 9203, Eidgenössische Technische Hochschule ETH, Zürich (Гизель, 1990, «Стерилизация насыщенным паром сухих продуктов растительного происхождения», диссертация №9203, Швейцарская высшая техническая школа Цюриха).
5. М.Kozempel, N.Goldberg and J.C.Craig, 2003, “The vacuum/steam/vacuum process”, Food Technology 57 (12), 30-33 (Коцемпель, Гольдберг и Крэг, 2003, «Метод “вакуум-пар-вакуум”», журнал «Технология пищевых продуктов» №57 (12), 30-33).