Применение уравнения Аррениуса для оценки потерь питательных компонентов при пастеризации молока

УДК 637.1: 577.1

С. А. Александровский

ПРИМЕНЕНИЕ УРАВНЕНИЯ АРРЕНИУСА ДЛЯ ОЦЕНКИ ПОТЕРЬ ПИТАТЕЛЬНЫХ КОМПОНЕНТОВ ПРИ ПАСТЕРИЗАЦИИ МОЛОКА

Ключевые слова: молоко, режимы пастеризации, потери питательных веществ.

Для оценки режимов пастеризации молока использовано уравнение Аррениуса, применяемое при описании процессов стерилизации в биотехнологии как модель термической гибели микроорганизмов и модель деструкции питательных веществ. Для нахождения коэффициента термической гибели микроорганизмов, содержащихся в молоке, использована зависимость Дальберга-Кука. Сопоставление рассчитанных величин потерь и некоторых опытных данных по потерям витаминов и ферментов при пастеризации молока позволяет сделать выводы о возможности применения данной модели для реальной системы.

Key words: milk, pasteurization standards, nutritional substances loss.

For milk pasteurization standards assessment was used Arrhenius' formula, which is usually applied in biotechnology to pasteurization process description as a thermal bacteria destruction and nutritional substances destruction model. For milk thermal bacteria destruction index Dalberg-Kook dependance was used. Correlation of the estimated loss amount and some experimental data of vitamin and ferment loss during milk pasteurization process carry inferences about applicability of this model to the real system.

Тепловая обработка молока - обязательная стадия технологического процесса выработки практически любого молочного продукта. Она может осуществляться при различных температурах. Тепловую обработку молока в интервале температур от 65 до 93 °С называют пастеризацией [1]. Она проводится с целью уничтожения вегетативных клеток микроорганизмов, существующих в данной среде. Процесс «ультрапастеризации» при 125 °С - есть стерилизация среды, поскольку уничтожаются и споровые формы микроорганизмов.

Сущность теплового разрушения микроорганизмов состоит в тепловой денатурации белковых компонентов клеток, при которой происходит развертывание их полипептидных цепей с потерей биологических свойств. Эффективность пастеризации зависит от температуры и продолжительности тепловой выдержки, а также от начальной концентрации микроорганизмов в сыром молоке, и должна быть не менее 99,98 % [1].

Однако тепловая обработка молока имеет и негативные последствия: в ходе ее изменяются составные части молока, в первую очередь разрушаются белки, инактивируются ферменты, частично разрушаются витамины, что сказывается на полезных свойствах молока. Имеет место и некоторое изменение физико-химических свойств, что влияет на протекание технологических процессов. Поэтому, процесс пастеризации стараются осуществлять при температурных условиях, обеспечивающих необходимое воздействие на микроорганизмы и, одновременно, минимальное воздействие на полезные компоненты молока.

Гибель живых клеток в молоке и разрушение витаминов и ферментов от теплового воздействия и длительности выдержки могут быть описаны экспоненциальными зависимостями. В большинстве случаев зависимость времени пастеризации т от температуры 1 представляют уравнением вида:

1пт= ап - рп 1

где ап и рп - коэффициенты, зависящие от вида микроорганизмов и среды, в которой они находятся.

Для описания процесса пастеризации молока предложены [2] три зависимости. Первая характеризует условия подавления микроорганизмов:

1пт = 33,5433 - 0,44431

Вторая - условия сохранения физико-химических свойств молока:

1пт = 40,764 - 0,5431

Третья - характеризует условия одновременного подавления микроорганизмов и сохранения физико-химических свойств (носит название Дальберга-Кука):

1пт = 36,84 - 0,481

В практике молочных производств используются в основном три режима пастеризации молока. Это продолжительная пастеризация при температуре 63-65 °С и выдержке 20-30 минут, кратковременная пастеризация при 72-76 °С и продолжительности 20-40 секунд, и мгновенная (или высокотемпературная) - при 90-93 °С без выдержки [2]. При температуре выше 90 °С расчетное время выдержки меньше 0,01 с, и, по сути, пастеризацию обеспечивают «крылья» процесса выдержки - стадии нагрева и охлаждения, Т. е. пастеризация происходит за время пребывания среды в секциях нагрева и охлаждения пастеризационной установки. В большинстве случаев на производствах применяют режим 74-76 °С при выдержке 15-20 с [1].

Предпочтение в использовании того или иного режима определяется практикой, но сравнение их с зависимостями 1-3 показывает значительно большую их продолжительность против расчетных. Сопоставление указанных режимов по критерию Пастера (Ра = 6/т, где 6 - действительное время нахождения продукта при температуре пастеризации, т - расчетное по зависимости 3) показывает, что во всех случаях Ра значительно больше 1:

Ра=6,4 при 1 = 65 °С и выдержке т = 1800 с; Ра=8,6 при 1 = 75 °С и выдержке т = 20 с; Ра=50 при 1 = 90 °С и выдержке т = 0,1 с.

Это означает определенные потери питательной ценности молока при всех режимах пастеризации, но оценка по данному критерию не позволяет установить величину этих потерь.

В работах [3,4] поднимается вопрос определения выбора режима пастеризации с наименьшими потерями питательной ценности. Критерием оценки в [3] является изменение ферментной каталазной активности при различных режимах пастеризации. Выбранные режимы пастеризации несколько отличались от общепринятых, но также характеризуются высоким значением Ра и излишним временем выдержки. Установлены следующие потери ферментной активности (по отношению к исходному коровьему молоку от разных доноров) [3]: при 65 °С и 30 минутах выдержки - 50-56 % потерь; при 76 °С и 5 минутах выдержки - 17-34 % потерь; при 90 °С и 20 секундах выдержки -38-46 % потерь; при 95 °С и 5 минутах выдержки - 71-88 % потерь.

Отмечено преимуществах режима пастеризации 76 °С, против 65 °С при 30 минутах и 95 °С при 5 минутах, что ожидаемо и без эксперимента. Но вызывает сомнение результат для при 90 °С, где значение потерь должно быть на порядок меньше, чем при 95 °С и 300 с.

Потери витамина С при различных режимах пастеризации по результатам [4] (для коровьего и козьего молока) отличаются от данных [5] (табл.2), но это обусловлено разной продолжительностью выдержки. Авторы [4,5,6] отмечают рост потерь витамина С с повышением температуры пастеризации, но объясняют это не только температурным фактором, но и особенностями химических реакций протекающих в молоке при нагревании, изменением окислительно-восстановительных условий в молоке.

Потери витаминов при различных режимах пастеризации молока согласно [5] находятся в пределах 10-30% при кратковременной (1=74 °С, т=20 с) и мгновенной (1>85 °С, т =0) пастеризации. Для этих режимов указано примерное равенство потерь и меньшие значения потерь для витаминов группы В при мгновенной пастеризации. Последнее вполне соответствуют логике закона термической гибели. Поэтому представляет интерес сопоставить результаты экспериментальных исследований при пастеризации молока и модели термической гибели микроорганизмов, используемой при описании процессов стерилизации в биотехнологии.

В качестве модели термической гибели микроорганизмов используется [7] уравнение Арре-ниуса. Оно представляет связь константы скорости гибели клеток с температурой стерилизации:

Кт = А ехр

где Е - энергия инактивации микроорганизмов;

Р - газовая постоянная, Р =8,3144 Бж/(моль-К);

Т - абсолютная температура, °К;

А - константа.

Считается, что по этому же закону происходит разрушение питательных веществ:

Кх = А exp

где Ех - энергия деструкции питательных компонентов, Бж/моль.

При определении констант уравнений (4) и (5) используют координаты InK — (1/Т), где опытные данные представляют отрезком прямой, которая пересекает ось ординат в точке InA, а тангенс угла наклона равен Е/R или Ex/R.

В качестве «опытных данных» используем зависимость Дальберга-Кука. Значения Кт для различных температур определим из соотношения

Кт = V/T,

где V - заданный уровень стерильности (критерий Дейндорфера-Хэмфри), стандартное значение V=In(N0/N)= 36,84;

т - время стерилизации, рассчитанное по уравнению (3);

N0 и N - начальное и конечное число микроорганизмов в среде.

Зависимость (3) в координатах InK - (1/Т) в целом носит нелинейный характер, но можно допустить ее линейность в небольшом интервале температур (65-85 °С). Для указанного интервала значение тангенса наклона прямой, рассчитанной по зависимости (3), E/R=55504, что незначительно превышает ожидаемое (для большинства микроорганизмов Е/R = 30000-50000). Высокий темп отмирания следует отнести на то, что при пастеризации рассматривается гибель только вегетативных клеток. Для питательных компонентов, например витаминов группы В, величина Ex/R = 10000-12000.

Также следует учитывать, что скорости инактивации контаминантов в реальных средах значительно отличаются от таковых в тестовых условиях, и что уравнение (4) это некая модель, в достаточной мере соответствующая эксперименту. Даже данные [7] для тестовой культуры Bacillus stearothermophilus st. 1518, широко используемые при расчетах режимов термической стерилизации, не совершенно линейны в указанных координатах.

Энергия разложения ферментов и витаминов Ех в 3-5 раз меньше энергии инактивации микроорганизмов Е [8], из чего следует пропорционально меньший угол наклона прямой и меньшее значение константы А. Отношение Кх/К уменьшается с ростом температуры, т.е. при увеличении температуры пастеризации сохранится больше полезных компонентов в среде при соответствующем сокращении длительности выдержки (при постоянном значении V).

Сохраняющаяся концентрация полезного компонента рассчитывается по уравнению

= ехр(-К т) = ехр(- ln N°) Х0 х К N

В таблице 1 приведены рассчитанные значения (Х/Х0) для различных режимов пастеризации при различной выдержке.

Таблица 1 - Сравнение режимов пастеризации при ЕХ/ЕТ =0,25

t = 65 °С t = 75 °С t = 85 °С

Кх/КТ 0,0050242 0,0001459 0,0000051

Время x по зависи- 281,463 2,316 0,019

мости (3), с

Х/Хо 0,8310 0,9946 0,9998

Время 1200 20 0,5

пастеризации 6, с

Х/Хо 0,4542 0,9581 0,9967

Приведенных расчетные значения показывают связь сохранности (Х/Х0) питательного компонента со временем выдержки и температурой: связь со временем - очевидна, а при более высокой температуре - меньшие потери, т.е. предпочтителен высокотемпературный режим.

В таблице 2 приведено сравнение расчетных значений потерь для различных режимов пастеризации и экспериментальных данных [3,4,5].

Таблица 2 - Сравнение расчетных и опытных данных

Потери ферментной каталазной активности, % [3]

Температура 65 °С 75 °С 90 °С 95 °С

пастеризации

Время 1800 300 20 300

пастеризации, с

Потери средние, % 53 25 42 77

Расчет по модели 52,72 26,36 6,88 79,57

при ЕХ/ЕТ =0,19

Потери витамина С в коровьем молоке, % [4]

Потери средние, % 60,5 70,5 до 100 до 100

Разброс потерь, % 41-80 59-82 нет данных

Потери витамина С в козьем молоке, % [4]

Потери средние, % 53 64 66 76

Разброс потерь, % 40-66 36-92 33-100 52-100

Расчет по модели 77,41 60,52 32,44 99,99

при ЕХ/ЕТ =0,28

при ЕХ/ЕТ =0,25 72,56 52,32 24,18 99,92

Потери витамина С молоке, % [5]

Температура - 74 °С 90°С 125 °С

Время 1200 20 0,2 0,2

пастеризации, с

Разброс потерь, % - 9-12 11-28 10-34

Расчет по модели 62,91 6,00 0,39 15,57

при ЕХ/ЕТ =0,28

Рассчитанные значения при ЕХ/ЕТ =0,19 отличаются от опытных данных [3] только в режиме

малой выдержки при 90 °С, что можно объяснить значимым влиянием на процесс с малой выдержкой стадий нагрева и охлаждения, которые исследователи не контролировали и не оценивали.

Расхождения модели и опытных данных [4] по деструкции витамина С могут быть объяснены только влиянием иных факторов. Организация эксперимента в опытах [4] и разброс результатов (потери в при одном режиме по коровьему молоку 41-80%, или по козьему 36-92 %) не позволяют проводить корректное сопоставление

Сопоставление расчетных величин с данными [5] также показывает их меньшие значения по сравнению с опытными. Отчасти это может быть объяснено недостатками организации эксперимента: никоим образом не учитывается вклад стадий нагрева и охлаждения в общий эффект V, отчасти возможным влиянием иных механизмов разрушения питательных веществ, возникающих при нагреве.

Перебор величин Е/R и Ex/R в указанных выше диапазонах реальных значений показал качественную неизменность картины потерь по модели, из чего следует теоретическая предпочтительность режима мгновенной пастеризации для уменьшения потерь питательных компонентов молока. Однако модель не учитывает особенности реальных сред и возможность влияния иных факторов, помимо теплового. Поэтому, для реальных сред ее следует использовать только как оценочную, и при этом учитывать возможное протекание в средах химических реакций, инициированных нагревом.

Литература

1. Л.И. Степанова, Справочник технолога молочного производства, Т. 1, Цельномолочные продукты. ГИОРД, Санкт-Петербург, 2000. 384 с.

2. Г.А. Кук, Процессы и аппараты молочной промышленности. Пищевая промышленность, Москва, 1973. 768 с.

3. Ю.В. Щербакова, Д.Д. Зиганшин, A.C. Пашина, Ф.Ю. Ахмадуллина, Вестник Казанского технологического университета, 17, 16, 173-174 (2014).

4. Л.З. Шарипова, Ю.В. Щербакова, Ф.Ю. Ахмадуллина, Вестник Казанского технологического университета, 16, 20, 213-215 (2013).

5. К.К. Горбатова, Биохимия молока и молочных продуктов: учебник для вузов. ГИОРД, Санкт-Петербург, 2003. 320 с.

6. В.В. Ефремова, Изменение содержания некоторых витаминов при тепловой обработке молока и его хранении. Молочная промышленность, Москва, 1971. 56 с.

7. F.H. Deindoerfer, A.E. Humphrey, App. Microbiol., 7, 4, 256-264 (1959).

8. Дж. Бейли, Д. Оллис, Основы биохимической инженерии, Ч. 2. Мир, Москва, 1989. 590 с.

© Александровский С. А. - канд. техн. наук, доц. каф. промышленной биотехнологии, КНИТУ, alex-androvsky @rambler.ru.

© Alexandrovskiy S. A. - cand. of technical science, associate professor of industrial biotechnology department, KNRTU, alex-androvsky@rambler.ru.