ПАСТЕРИЗАЦИЯ ЯИЦ В СКОРЛУПЕ
PASTEURISING EGGS IN SHELLS

Изобретение относится к пастеризации яиц в скорлупе. В частности, оно относится к пастеризации яиц в скорлупе и к установке для пастеризации яиц в скорлупе. Применение настоящего изобретения обеспечивает возможность пастеризации яиц в скорлупе, уже упакованных в стандартные контейнеры для хранения яиц, без необходимости использования жидкой среды для теплопередачи (например, горячей воды) при обработке.
Яйца являются очень питательным недорогим пищевым продуктом, принятым большинством культур. Безопасность яиц стала мировой проблемой с появлением болезнетворных микроорганизмов Salmonella enteritidis как основной опасности, связанной с потреблением сырых и полусваренных яиц. К 1993 г.распространенность Salmonella enteritidis достигла эпидемических масштабов во многих странах. В отличие от других 2000 серотипов Salmonella этот микроорганизм инфицирует яйцо до того, как оно снесено, и микроорганизм проникает в яйцеклетку или яичный белок до образования скорлупы яйца.
Только в одной Великобритании в 1991 г.было выявлено 14500 случаев подтвержденных заражений людей пищевыми продуктами, вызванных Salmonella enteritidis. В США потребление яиц в скорлупе в год, по оценкам, составляет около 50-65 миллиардов штук, из которых 1 яйцо из 10000 штук, по оценкам, является инфицированным Salmonella enteritidis, в результате чего <имеет место вероятность> в 1 случае из 50 употребления отдельным человеком зараженного яйца в течение любого года. Хотя наблюдалось сокращение распространенности Salmonella enteritidis с 1993 г. благодаря улучшению процессов выращивания поголовья домашней птицы, микроорганизм не был искоренен в поголовьях домашней птицы, особенно в странах, где контроль со стороны законодательных органов не очень строгий.
Salmonella enteritidis уничтожают тепловой обработкой и соответствующим вывариванием яиц, таким образом, убивают микроорганизм. Однако использование сырых яиц в пищу, а также потребление частично сваренных яиц является реальностью, особенно на предприятиях общественного питания и в домашних условиях. Таким образом, для исключения или сокращения риска заражения Salmonella enteritidis пищевых продуктов яйца следует подвергать пастеризации до доведения их до потребителя. Помимо обеспечения возможности поставки яиц, по существу не вызывающих риска заражения пищевых продуктов Salmonella enteritidis, это также может привести к возможности значительного увеличения срока хранения пастеризованных яиц.
Инфицированность кур-несушек Salmonella enteritidis и в результате этого заражение содержимого яйца привело к заметному увеличению заболеваний людей сальмонеллезом с середины восьмидесятых годов прошлого столетия. Инфекция Salmonella enteritidis передается через яйца, в то же время инфекция другими серотипами передается через скорлупу.
+++
С помощью как механических, так и химических ингибиторов ограничивают развитие Salmonella enteritidis и других заражающих через скорлупу микроорганизмов в белке свежих яиц. Белок свежих яиц очень вязкий и обладает такой организацией, чтобы обеспечивать биологическую структуру содержимого яйца, удерживая восприимчивый желток на удалении от скорлупы и ее мембраны. Белок свежих яиц содержит факторы, губительные для развития микроорганизмов. К этим факторам относятся: лизоцим, являющийся антимикробным средством против грамположительных бактерий, и кональбумин (овотрансферрин), связывающий ионы металлов, делая Fe недоступным для микроорганизмов. К числу дополнительных ингибиторов относятся: овофлавопротеин, связывающий рибофлавин, и антитрипсиновые факторы, например овоингибитор. По мере старения белка он становится менее вязким и менее защищающим. Истощение желточной оболочки вокруг желтка приводит к возможности протечки содержимого желтка в белок, в результате чего запускается процесс быстрого размножения выживших микроорганизмов в белке. Температура хранения яиц является ключевым фактором определения скорости старения белка.
Контроль за Salmonella и микроорганизмами, вызывающими порчу, в целом яйце в скорлупе является многогранной проблемой. Высокий общий уровень скорости инфицирования Salmonella домашней птицы и субклиническое инфицирование яичников кур-несушек приписывали таким факторам, как интенсивное выращивание, практикование усиленной линьки у птиц и использование субпродуктов из зараженных животных в качестве заменителей пищевого белка. Около 30% яиц направляют для переработки в яичные продукты в пищевую промышленность, где яйца разбивают. Применение пастеризации является хорошо утвердившейся практикой при приготовлении этих яичных продуктов, и она направлена на сокращение нагрузки Salmonella до около 5 log. Основным источником Salmonella на яйцах, предназначенных для разбивания, являются свежие фекальные вещества на скорлупе яиц, и их содержание может быть большим в недавно собранных свежих яйцах. Собранные вместе желтки, собранные вместе целые яйца и собранные вместе белки пастеризуют при различных температурах, отражающих различия в теплоустойчивости яичных продуктов.
Пастеризация целых яиц в скорлупе является значительно более проблематичной задачей, чем пастеризация яичных продуктов, и при ее выполнении требуется сбалансировать необходимое сокращение целевых микроорганизмов и сохранение свойств белка.
В Таблице 1 приведена некоторая информация о составе и характеристиках яичного белка, а в Таблице 2 - более подробная информация о характеристиках различных протеинов в яичном белке.
Таблица 1
Описание и характеристики протеинов в яичном белке
Протеин
Содержание протеинов в яичном белке, %
Изоэлектрические точки
Молекулярная масса
Температура денатурации<sup>1</sup>
Характеристики
i. Овальбумин
54
4,5
45000
84,0
Фосфогликопротеин
ii. Овотрансферрин
12
6,1
76000
61,0
Связывает ионы металлов
iii. Овомукоид
11
4,1
28000
79,0
Подавляет трипсин
iv. Овомуцин
3,5
4,5-5,0
5,5-8,3×10<sup>6</sup>
-
Сиалопротеин, вязкий
v. Лизоцим (G1)
3,4
10,7
14300
75,0
Лизирует некоторые бактерии
vi. G2 глобулин
4,0
5,5
3,0-4,5×10<sup>4</sup>
92,5
-
vii. G3A глобулин
4,0
4,8
-
55,0 при рН 9
-
viii. Овоингибитор
1,5
5,1
49000
-
Подавляет сериновые протеазы
ix. Овофлавопротеин
0,8
4,0
32000
-
х. Овомакроглобулин
0,5
4,5
7,69×10<sup>5</sup>
-
Сильный антиген
xi. Цистатин
0,05
5,1
12700
Подавляет тиоловые протеазы
xii. Авидин
0,05
10
68300
Связывает биотин
<sup>1</sup>B воде или буферном растворе
Таблица 2
Описание характеристик протеинов яичного белка
Протеин
Описание
(i) Овальбумин (яичный белок)
Это доминирующий протеин в белке. Он является фосфогликопротеином и единственным протеином в белке, который содержит свободную сульфгидрильную группу. Овальбумин легко денатурируется посредством механического воздействия (например, посредством встряхивания). Этот процесс называют поверхностной денатурацией. Овальбумин является теплостойким. Овальбумин преобразуется в S-альбумин, являющийся более теплостабильным протеином, во время хранения яйца. Преобразование предотвращают смазыванием маслом яиц. Температуры денатурации врожденного овальбумина и S-альбумина, по сообщениям, составляют 84,5-92,5°С.
(ii) Кональбумин (овотрансферрин)
Это - гликопротеин, не содержащий фосфора или свободных сульфгидрильных групп. Пятнадцать дисульфидных связей поддерживают четвертичную структуру. Кональбумин является более восприимчивым к теплу, чем овальбумин, но менее восприимчивым к поверхностной денатурации. По сообщениям, он стабилен при 57°С в течение 10 минут при рН 9. Двух- и трехвалентные ионы металлов связываются кональбумином. Два атома Fe<sup>+++</sup>, Al<sup>+++</sup>, Cu<sup>++</sup> и Zn<sup>++</sup> на молекулу протеина образуют стабильные комплексы с кональбумином при рН выше 6. Эти комплексы являются красными, бесцветными, желтыми и бесцветными соответственно. Комплексы кональбумина с ионами металлов стойки к тепловой денатурации и протеолитической атаке. Способность кональбумина связывать ионы, по предположениям, ответственна за его противомикробные свойства.
(iii) Овомукоид
Овомукоид является теплостойким гликопротеином, не содержащим триптофана. Овомукоид является ингибитором трипсина. Овомукоид цыпленка классифицируют как ингибитор с одной головкой, т.е. каждая молекула овомукоида связывается только с одной молекулой трипсина (сериновой протеиназой). Индюшачий овомукоид является двухголовочным, а утиный овомукоид является трехголовочным. Протеин денатурирует при 80°С и при рН 9.
(iv) Овомуцин
Овомуцин является сульфатированным гликопротеином, который может вносить свой вклад в гелеобразную структуру толстого белка в форме эластичных волокон, видимых под электронным микроскопом. Количество овомуцина в толстом белке в четыре раза больше, чем в тонком белке. Овомуцин в растворе стоек к теплу при рН 7,1-9,0 и при 90°С в течение двух часов. Овомуцин и лизоцим в растворе могут взаимодействовать с образованием водонерастворимого комплекса. Большая доля интереса к овомуцину возникла благодаря его возможным ролям в сохранении гелевой структуры толстого белка яйца и в процессе утонения белка яйца. Была выдвинута противоречащая гипотеза механизмов утонения белка яйца.
(v) Лизоцим
Лизоцим является энзимом альбумина, обладающим растворяющим воздействием на стенки клеток бактерий, особенно - грамположительных клеток. Лизоцим гидролизует Бета-(1-4) связи между N-ацетилнейраминовой кислотой и N-ацетилгюкозамином. В яичном белке энзим в 50 раз более восприимчив к теплу, чем фосфатный буфер. В яичном белке, нагретом до 63°С в течение 10 минут, лизоцим инактивируется при повышении значения рН свыше 7. Было выдвинуто предположение о том, что его более важной ролью в яичном белке может быть поддержание гелеобразной структуры, чем антимикробное действие.
(vi) Овоглобулины
Глобулиновая фракция состоит из трех протеинов: G1, G2 и G3. G1 является лизоцимом. G1 и G3 являются гликопротеинами с очень хорошими способностями к пенообразованию. G3 также наиболее восприимчив к теплу из всех протеинов яичного белка, а способность к пенообразованию пастеризованных яиц является важным параметром качества.
(vii) Овоингибитор
Овоингибитор является протеолитическим ингибитором энзимов, способным к подавлению трипсина и химотрипсина, а также различных грибковых и бактериальных протеаз.
(viii) Овогликопротеин
Этот гликопротеин является кислотным гликопротеином, составляющим 1% протеинов яичного белка. Мало известно относительно его функциональности в яичном белке.
(ix) Овофлавопротеин
Весь рибофлавин в яичном белке связан в флавопротеине в соотношении 1:1. Овофлавопротеин иногда называют протеином, связывающим рибофлавин. Основная функция протеина, связывающего рибофлавин, заключается, предположительно, в обеспечении передачи рибофлавина из сыворотки крови в белок.
(x) Овомакроглобулин
Овомакроглобулин является гликопротеином с подавляющим воздействием на иные протеолитические энзимы, например трипсин, папаин и термолизин.
(xi) Цистатин
Цистатин является ингибитором тиоловых протеиназ, например фицина и папаина. Он очень стабилен к денатурации. Со времени выделения цистатина из белка яйца цыпленка он был выделен из тканей млекопитающих, и описана «суперсемья» цистатинов. Было выдвинуто предположение о том, что некоторые цистатины могут играть не только главную роль защиты клеток от неконтролируемого воздействия их собственных протеиназ, но могут оказывать более специфическое действие против вирусных инфекций. Это привело к исследованиям цистатинов, включая яичные цистатины, с позиции возможности использования их в качестве агентов противовирусной химиотерапии.
(xii) Авидин
Авидин является гликопротеином, сочетающимся с биотином с образованием стабильного комплекса, который не может быть поглощен кишечным трактом животных. Помимо его физиологического значения в качестве возможного непитательного вещества из-за его сильного сходства с биотином также было выдвинуто предположение о том, что авидин играет роль противомикробного вещества. Подавление роста микробов может происходить не только из-за недоступности биотина, связанного с авидином, но также из-за способности связывания различных грамотрицательных и грамположительных бактерий
В Таблице 1 приведены только обобщенные данные, так как существует много факторов, оказывающих влияние на скорость и температуру, при которых происходит денатурация конкретных фракций протеина. Одним из наиболее важных факторов является рН среды и ионная сила. Обнаружены существенные различия между опубликованными оценками в основном из-за различных значений рН или ионной силы среды, в которой нагревали фракцию белка. Особое значение имеет тот факт, что глобулин G3A стал значительно более восприимчив к денатурации, чем овотрансферрин при рН больше 9,0. Это существенно, так как овотрансферрин обычно рассматривают как наиболее тепловосприимчивый протеин. Яйца с целой скорлупой, возраст которых составляет один-два дня, обычно обладают рН, составляющим более 9,0, что создает проблему, если овотрансферрин используют в качестве индикатора протеина на повреждение под воздействием тепла. Во время пастеризации жидких яиц рН и ионную силу обычно изменяют добавлением солей или буферных растворов для создания более стабильной окружающей среды для яичных протеинов. Например, известно, что при рН 7 глобулин G3A только начинает денатурировать при 60°С, в то же время как при рН 9 почти 50% глобулина G3A денатурирует, когда содержимое достигло 60°С. Глобулин G3A играет основную роль в помутнении, которое наблюдают первым в начальной стадии тепловой обработки яиц. Яичный белок все еще остается жидким, но появляется «молочный», или мутный, внешний вид, когда глобулин G3A денатурирует, начиная с 55°С. Денатурация глобулина G3A происходит очень быстро при 60°С, причем 50% денатурации происходит после 5 минут воздействия. Так как целевые микроорганизмы Salmonella enteritidis необходимо уничтожить без повреждения яичных протеинов, то становится понятно, что требуется эффективная теплопередача к яйцам, чтобы оказывать максимальное тепловое воздействие на микроорганизмы, но минимальное тепловое воздействие на яичные протеины.
Протеины яичного желтка обычно более теплоустойчивы, чем протеины белка. Однако так как целевые микроорганизмы находятся внутри желтка, то температура желтка должна быть повышена достаточно сильно без повреждения белка. Это является основной проблемой обычных способов обработки, из которых Заявитель знаком со способами с использованием воды или пара в качестве теплоносителя, обеспечиваемого с внешней стороны яиц. Ко времени, когда желток достигает критических температур для уничтожения Salmonella enteritidis, на белок уже было оказано тепловое воздействие в течение продолжительных периодов времени, что привело к появлению очень больших количеств осадков, придающих белку молочную окраску. Так как яичный белок обычно более восприимчив к теплу, чем яичный желток, яичный белок следует использовать в качестве индикаторного протеина для оценки качества яйца после обработки.
Белок состоит из четырех отдельных слоев: наружного тонкого белка, вязкого, или толстого белка, внутреннего тонкого белка и халазиферийного слоя. Суммарное содержание твердого вещества составляет 11-13%. Протеин является основным компонентом и содержит до 1% карбогидрата. Свободный карбогидрат в виде глюкозы составляет около 0,5%, а остальное количество - в виде гликопротеина (маннозы и галактозы). В Таблице 3 приведена информация, касающаяся слоеной структуры и содержания влаги в белке.
Таблица 3
Слоеная структура и содержание влаги в белке
Слой
Содержание белка, %
Среднее значение
Диапазон
Содержание влаги, %
Наружный тонкий белок
23,2
10-60
88,8
Толстый белок
57,3
30-80
87,6
Внутренний тонкий белок
16,8
1-40
86,4
Халазиферийный слой (включающий халазу)
2,7
84,3
В Таблице 4 приведена некоторая информация, касающаяся состава яичного белка, желтка и всего яйца в целом.
Таблица 4
Состав яичного белка, желтка и всего яйца в целом
Компонент яйца
Содержание протеина, %
Содержание липида, %
Содержание карбогидрата, %
Содержание золы, %
Белок
9,7-10,6
0,03
0,4-0,9
0,5-0,6
Желток
15,7-16,6
31,8-35,5
0,2-1,0
1,1
Яйцо в целом
12,8-13,4
10,5-11,6
0,3-1,0
0,8-1,0
Согласно одному аспекту изобретения создан способ пастеризации яиц в скорлупе, включающий:
- на стадии повышения температуры, повышение температуры белка яйца в скорлупе преимущественно посредством микроволнового излучения до температуры 57-60°С, причем температуру белка повышают со скоростью, которая снижается с течением времени по меньшей мере однажды;
- одновременно, на стадии повышения температуры, повышение температуры наружной поверхности яйца преимущественно посредством наружного излучения и передачи тепла до температуры 57-70°С или, альтернативно или дополнительно, повышение температуры поверхности яйца до температуры 57-70°С, в результате микроволнового излучения путем задерживания потерь тепла из яйца;
- на стадии пастеризации, поддержание упомянутых температур посредством микроволнового излучения и наружного излучения и передачи тепла по меньшей мере в течение некоторого времени.
Упомянутые температуры можно поддерживать посредством микроволнового излучения и/или наружного излучения и передачи тепла в течение периода по меньшей мере 10 минут. Температуры можно поддерживать посредством микроволнового излучения и наружного радиационного нагревания в течение части времени пастеризации и посредством наружного излучения и передачи тепла в течение остального времени пастеризации.
Предотвращение теплопотерь яйца может быть обеспечено посредством содержания яйца в нагретой атмосфере. В одном варианте изобретения температуру наружной поверхности яйца повышают до температуры 57-60°С.
Предпочтительно упомянутые температуры поддерживают в течение периода времени по меньшей мере 15 минут, но менее 25 минут, например 15-20 минут. Во время стадии пастеризации микроволновую энергию сообщают яйцу в течение по меньшей мере части периода пастеризации для предотвращения снижения температуры белка в результате испарения влаги из яйца. Максимальные log снижения колониеобразующих единиц Salmonella enteritidis и минимальное повреждение, вызванное нагревом, были достигнуты в яйце при времени выдерживания, составлявшем 15 минут, при целевых температурах 58-59°С.
Предпочтительно повышение упомянутых температур и поддержание упомянутых температур может быть выполнено в течение около 40 минут, даже более предпочтительно - в течение около 35 минут, а наиболее предпочтительно - в течение около 30 минут, например в течение около 22-25 минут, в то же время обеспечивая log снижение колониеобразующих единиц Salmonella enteritidis no меньшей мере до 3, предпочтительно по меньшей мере до 5.
Когда продукт подвергают воздействию микроволнового излучения, тепло генерируется непосредственно внутри материала, обеспечивая возможность быстрого нагревания продукта. Этот процесс отличается от обычных процессов нагревания, где энергию сообщают продукту от горячего элемента посредством теплопередачи, или конвекции, или излучения, ограничивая скорость нагревания. Другое преимущество микроволнового нагревания заключается в выборочном нагреве: некоторые материалы более восприимчивы к микроволновому нагреву, чем другие, и в результате микроволновая энергия преимущественно поглощается этим материалом. Это означает, что энергия не расходуется на нагрев окружающих материалов. Так как при микроволновом нагреве в системе отсутствуют горячие элементы, которые требовалось бы нагревать или охлаждать, тепловая инерция системы мала - источник тепла (микроволновое поле) можно включать и выключать мгновенно.
Измерения диэлектрической проницаемости желтка и белка яйца для определения диэлектрической постоянной, коэффициента диэлектрических потерь и величины силового заглубления в целых яйцах показали, что и белок, и желток обладают очень высоким коэффициентом диэлектрических потерь, и это означало, что эти материалы являются эффективными поглотителями микроволновой энергии. Величина силового заглубления - это расстояние от поверхности материала, где 50% микроволновой мощности уже поглощено. Величина силового заглубления составляет около 15 мм в яичном белке и около 32 мм в желтке при 2,45 ГГц (частота маломасштабного оборудования). Хотя эти величины силового заглубления находятся на короткой стороне, они все еще остаются достаточно большими для обеспечения возможности генерирования тепла во всем объеме яйца. Было, однако, установлено, что резонансный эффект может иметь место при частоте 2,45 ГГц и можно создавать поле, сфокусированное в центре яйца и, следовательно, вызывать более быстрый нагрев центра, чем это ожидается, образуя так называемый участок перегрева. Резонансные эффекты зависят от формы яйца и могут быть различными для каждого яйца. Может быть предпочтительным использование микроволн различных частот, например 915 МГц, для предотвращения образования участка перегрева или для обеспечения более равномерного нагревания яиц.
Предпочтительно одновременно пастеризуют множество яиц. Яйца могут быть по меньшей мере частично упакованы, например уложены на лотки для яиц. Альтернативно, яйца могут быть расположены на конвейере, например на рольганге. Предпочтительно, чтобы все яйца были упакованы и/или расположены в одинаковой ориентации, например их воздушным мешочком вверх или вниз.
Способ может включать отбор яиц для одновременной пастеризации, основанный на заданном интервале веса яиц. Таким образом, яйца, попадающие в конкретный заданный весовой диапазон, могут быть, таким образом, вместе упакованы по меньшей мере частично, и затем вместе одновременно могут быть нагреты микроволновым излучением и радиационным нагревом или теплопередачей. Диапазон разброса по весу яиц может доходить до около 10 г, или меньше, например до около 5 г, или даже еще меньше, около 3 г.
Температуру белка можно повышать со скоростью, которая уменьшается по аппроксимированной обратной логарифмической кривой, являющейся функцией времени. Это может быть достигнуто посредством использования пазового удлиненного волновода и расположения яйца или яиц в продольном направлении за волноводом.
Способ может включать предварительное кондиционирование яйца или яиц для того, чтобы у них была желаемая начальная температура до повышения температур белка и поверхности. Преимущественно это способствует обеспечению точного управления повышением и поддержанием температур белка и поверхности яйца.
Способ может включать стадию поддержания температуры, во время которой энергию сообщают яйцу или яйцам только посредством излучения и передачи тепла, т.е. без использования микроволнового излучения. На стадии поддержания температуры энергию можно передавать в течение периода времени от около 1 минуты до около 10 минут, например в течение около 5 минут.
Способ может включать стадию охлаждения, на которой яйцо или яйца охлаждают до температуры, меньшей 30°С, предпочтительно - до температуры, меньшей 25°C, более предпочтительно до температуры 20°С или менее.
Другой объект изобретения касается установки для пастеризации яиц в скорлупе, содержащей:
- участок повышения температуры, содержащий микроволновую полость или часть микроволновой полости, в которую можно излучать микроволны;
- участок пастеризации, содержащий микроволновую полость или часть микроволновой полости, в которую можно излучать микроволны;
- нагревательные средства для обеспечения радиационного нагревания или нагревания теплопередачей яйца в скорлупе, расположенного на участке повышения температуры, и яйца в скорлупе, расположенного на участке пастеризации; и
- средства перемещения яйца в скорлупе относительно микроволновых полостей или частей микроволновых полостей.
Микроволновые полости могут быть непосредственно соединены, так чтобы при использовании яйцо в скорлупе можно было перемещать непосредственно из микроволновой полости участка повышения температуры в микроволновую полость участка пастеризации. Вместо этого одна микроволновая полость может представлять упомянутые части микроволновых полостей. Вместо этого микроволновые полости могут быть разнесены. Если микроволновые полости разнесены, установка может содержать стабилизационный участок между микроволновыми полостями. Стабилизационный участок можно нагревать; например, он может содержать средства генерирования или получения горячего воздуха, таким образом можно способствовать стабилизации температуры яйца в скорлупе.
Обычно конец для подачи яиц в микроволновую полость участка повышения температуры и конец для выпуска яиц из микроволновой полости участка пастеризации снабжают заслонками для предотвращения или препятствования выходу микроволн из микроволновых полостей через эти концы.
Установка может содержать средства определения температуры поверхности скорлупы яйца в скорлупе.
Средства определения температуры могут содержать инфракрасный (ИК) датчик температуры.
Установка может содержать участок выдерживания после стадии пастеризации, в которой яйцо в скорлупе можно выдерживать в нагретой окружающей среде в течение некоторого времени.
Установка может содержать участок охлаждения, содержащий охлаждающие средства для охлаждения яйца в скорлупе, расположенного на участке охлаждения. Охлаждающие средства могут содержать охлаждающую камеру для обеспечения охлажденного воздуха для участка охлаждения.
Средства перемещения могут содержать конвейер, пропускаемый через обе микроволновые полости. Предпочтительно, чтобы конвейер продолжался через все участки. Конвейер может быть конвейером с изменяемой скоростью.
Установка может содержать микроволновый генератор. Обычно используют постоянно излучающий микроволновый генератор для генерирования микроволн для обеих микроволновых полостей при постоянной выходной микроволновый мощности. Установка может, таким образом, также содержать разветвитель для деления генерируемых микроволн на две части, обычно неодинаковые части, из которых большую часть направляют в микроволновую полость участка повышения температуры, а меньшую часть направляют в микроволновую полость участка пастеризации. Обычно один или большее количество волноводов используют для передачи генерируемых микроволновым генератором микроволн к разветвителю и от разветвителя к микроволновым полостям.
Микроволновая полость участка повышения температуры и/или микроволновая полость участка пастеризации могут быть удлинены и могут содержать удлиненную, продольно продолжающуюся антенну волновода. Предпочтительно антенна волновода содержит множество продольно разнесенных пазов, через которые можно излучать микроволны, обеспечивая при использовании по существу равномерное микроволновое излучение, направленное на яйцо в скорлупе, транспортируемое через микроволновую полость участка пастеризации.
Антенна волновода микроволновой полости участка повышения температуры может быть выполнена так, чтобы посредством ее можно было сообщать относительно большую дозу микроволнового излучения яйцам, вводимым в микроволновую полость участка повышения температуры, чтобы, таким образом, сначала резко повысить внутреннюю температуру белка и желтка яйца. Антенна волновода микроволновой полости участка повышения температуры может быть выполнена так, чтобы посредством ее можно было подвергать яйца, транспортируемые через микроволновую полость участка повышения температуры, постепенно уменьшающемуся микроволновому облучению, причем получаемое микроволновое излучение уменьшается по аппроксимированной обратной логарифмической кривой, обеспечивая условия, при которых температуры белка и желтка повышаются по аппроксимированной логарифмической кривой.
Серии экспериментов, испытаний и тестов были проведены для установления эффективности способа и устройств по изобретению и определения экспериментальных методов. Они обсуждаются более подробно ниже в связи с полученными результатами со ссылкой, где применимо, на сопровождающие чертежи, на которых
Фиг.1 показывает кривую размножения Salmonella enteritidis (РТ4) в яичном желтке;
Фиг.2 и 3 показывают кривые размножения Salmonella enteritidis (PT4) в собранных вместе белках и собранных вместе яичных желтках при различных температурах;
Фиг.4 и 5 показывают кривые размножения Pseudomonas aeruginosa в собранных вместе белках и собранных вместе яичных желтках при различных температурах;
Фиг.6, 7 и 8 показывают внутреннюю температуру яиц, пастеризованных в соответствии с изобретением с использованием ПИД-регулятора температуры при различных целевых температурах и при различном времени выдерживания;
Фиг.9-12 показывают внутреннюю температуру яиц, пастеризованных в соответствии с изобретением без использования ПИД-регулятора при различных переменных и результаты пастеризации;
Фиг.13 - диаграммы средних значений log снижений в яйцах с прививкой Salmonella enteritidis и пастеризованных согласно изобретению без использования ПИД-регулятора;
Фиг.14 - схематический вид одного из вариантов установки для пастеризации яиц в скорлупе согласно изобретению.
Измерение функциональных качеств яиц
Функциональные качества яиц в основном определяют по качеству различных типов протеина. Таким образом, изменения в третичной структуре протеинов, ведущие к денатурации, вызывают изменения в функциональных качествах яиц. Так как глобулин G3A является наиболее восприимчивым к теплу протеином, он был выбран в качестве индикатора протеинов для определения изменений качества яиц. Глобулин G3A оказывает влияние на способность к пенообразованию яичного белка. Обрабатывали несоответствующие яйца для проведения тестов на стабильность пены, но так как глобулин G3A указывает на развитие помутнения из-за денатурации, что указывает на снижение способности к пенообразованию, то помутнение яичного белка после обработки было хорошим признаком повреждения. Помутнение может быть измерено путем использования ряда доступных спектрометрических тестов или анализов изображений. Анализ изображения был выбран в качестве начального отбраковочного теста для оценки влияния обработки на яичный белок. Вязкость яиц также измеряли везде на предприятиях по упаковке яиц, рассматривая ее как указатель продолжительности хранения яиц. Эту процедуру выполняли путем определения вязкости в единицах Haugh, позволяющих определять устойчивость различных слоев белка. Яйца, хранившиеся более продолжительное время, становились более «текучими», что при разбивании сырых яиц вызывало более широкое растекание по плоской поверхности с меньшей высотой слоя. Так как единицы Haugh являются основным промышленным стандартом, то они были выбраны в качестве второго измерения влияния пастеризации на яйца.
Выбор микроорганизмов для проведения тестов
Изобретение сфокусировано на контроле патогенного варианта Salmonella enterica var. enteritidis в яйцах в скорлупе. Из штаммов Salmonella enteritidis, связанных с яйцами, бактериофаг типа 4 (РТ4) является наиболее распространенным и наиболее изученным штаммом. Этот штамм использовали во всех экспериментах и тестах, хотя некоторая информация о влиянии способа согласно изобретению была получена с использованием штаммов РТ16 и РТ19. Микроорганизмы обрабатывали, когда они находились в фазе задержки роста, т.е. в фазе наибольшей теплостойкости. Это создавало наихудший сценарий при выборе теплостойкого штамма (который использовали во всех испытаниях) и консистентной инъекции микроорганизмов внутрь желтка яиц (так как белок обладал подавляющим действием).
ПОДТВЕРЖДЕНИЕ РАЗМНОЖЕНИЯ SALMONELLA ENTERITIDIS PT4 И МИКРООРГАНИЗМОВ, ВЫЗЫВАЮЩИХ ПОРЧУ, В ЯЙЦЕ
Размножение Salmonella enteritidis в целом яйце в скорлупе
6
3
Культуру PT4 выращивали до утра и промывали (трехкратно), собирали осадок в пробирке после центрифугирования. Осадок вновь суспендировали и регулировали состав, доводя до стандартной плотности по McFarland 0,5 (150×10 cfu) (cfu - колониеобразующая ед.) и сериями разбавляли приблизительно до 10 cfu. Вводили 0,1 мл в желток свежих яиц, и яйца выдерживали в инкубаторе при 25°С. Группы по три яйца извлекали с интервалами и определяли количество микроорганизмов посевом на чашках Петри. Строили кривую размножения (см. Фиг.1).
8
9
Штаммы РТ16 и РТ19 вводили в желтки свежих яиц и наблюдали увеличение количества клеток до около 10-10 на 1 г яйца (стационарная фаза) в течение одинаковых периодов времени, что и при введении РТ4, что указывало на жизнеспособность в яйце.
РАЗМНОЖЕНИЕ SALMONELLA ENTERITIDIS PT4
В СОБРАННЫХ ВМЕСТЕ БЕЛКАХ И СОБРАННЫХ ВМЕСТЕ ЯИЧНЫХ ЖЕЛТКАХ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ
Брали шесть яиц и отделяли их желтки от белков. Белок гомогенизировали на магнитной мешалке в течение 1 часа при скорости, достаточной для смешивания белка, не вызывающего механической денатурации протеина. Желток гомогенизировали в течение 15 минут. В белок и желток вводили промытую суспензию PT4 и уровни содержания PT4 оценивали через 2,5 дня при температуре 25°С. Эксперимент повторяли при 15°С и при 6°С. Результаты представлены на диаграммах на Фиг.2 и 3. Штамм PT4 размножался хорошо в собранных вместе яичных желтках и представлялся психротрофным, размножаясь при температуре ниже 10°С. Не наблюдали существенного размножения микроорганизмов при какой-либо из трех температур инкубации в собранных вместе белках в течение периода испытаний.
Размножение микроорганизма Pseudomonas aeruginosa в отделенных собранных вместе белках и желтках
+++
Большая часть микроорганизмов, вызывающих порчу, целых яиц является некишечными, грамотрицательными бактериями, образующими окрашенную гниль. Обычно на микроорганизмы, вызывающие порчу, воздействуют пигментированными Pseudomonas штаммами. Образование пигмента связано с выработкой пиовердина, который дехелатирует связь Feи делает его доступным для микробного размножения. Флуоресцентный штамм Pseudomonas, вырабатывающий ярко-зеленый пигмент, был выбран для эксперимента. Собранные вместе яичные белки и яичные желтки прививали и выдерживали в инкубаторе при 5°С, 15°С и 25°С с Pseudomonas штаммом. Результаты представлены на диаграммах на Фиг.4 и 5. Штамм Pseudomonas размножался хорошо и в собранных вместе белках, и в собранных вместе желтках при 25°С в течение периода проведения исследований. Микроорганизм не размножался при 15°С в белке, но размножался в желтке при 15°С. Микроорганизм не размножался при 5°С в течение периода проведения исследований ни в белке, ни в желтке. Выбранный штамм Pseudomonas aeruginosa (ATCC 27853), по мнению заявителей, был подходящим для испытаний микроорганизмом для подтверждения действенности способа против микроорганизмов, вызывающих порчу.
МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ПРИВИВОК ЯИЦ В СКОРЛУПЕ, ИЛИ ЦЕЛЫХ ЯИЦ
Выполнение прививки яичного желтка, по мнению заявителей, было практически более целесообразным, чем прививка белка неоплодотворенных свежих яиц. При просвечивании свежих неоплодотворенных яиц не обеспечивается возможность распознавания структурных компонентов яйца, что делает прививку в белок сложной по выполнению и сложной для подтверждения. Известно, что размножение Salmonella и микроорганизмов, вызывающих порчу, происходит быстрее в желтке, чем в белке, что подтверждено экспериментально. Липопротеины желтка обеспечивают теплостойкость клеток бактерий, из-за чего снижение их количества, достигаемое в желтке, возможно, предлагает более мрачные, наименее эффективные сценарии влияния способа согласно изобретению на целое яйцо в скорлупе, так как местом инфицирования в естественно инфицированных яйцах преимущественно является белок.
Методика выполнения прививки соответствует методике Grijspeerdt (Grijspeerdt, К, Herman, L, Inactivation of SE during boiling of eggs /Инактивация Salmonella enteritidis во время кипячения яиц/. Int. J. Food Micro. 82, 13-24). До утра культуры микроорганизмов для тестов выращивали в триптоновом соевом бульоне. Культуру собирали путем промывки (трехкратной) в соляном растворе, получая промытый осадок в пробирке после центрифугирования, после чего промытый осадок снова суспендировали в соляном растворе и разбавляли до стандартной плотности по McFarland 0,5. Промытую суспензию (0,2 мл) вводили в желтки свежих взвешенных яиц (с диапазоном отклонений по весу 1 г) и серии выдерживали в инкубаторе до утра. В начале каждого микроволнового испытания шесть яиц из серий извлекали и определяли количество в стационарной фазе на 1 грамм содержимого собранных вместе яиц. Определяли среднее log количество (log). Остальные яйца в сериях подвергали микроволновым испытаниям. После нагревания микроволновым излучением яйца разбивали и оценивали состояние белка. Содержимое гомогенизировали в соляном растворе в течение 30 секунд и определяли количество микроорганизмов в содержимом посевом на чашках Петри. Вычисляли log снижение в количестве клеток по среднему значению чисел в необработанных сериях.
МИКРОВОЛНОВАЯ УСТАНОВКА
Грубо говоря, кубическая микроволновая полость была подключена к регулируемому источнику питания мощностью 2 кВт для питания микроволнового устройства, или печи. Алюминиевая мешалка была установлена в микроволновой полости перед микроволновым волноводом на входе резонатора. Посредством мешалки вызывали отклонение микроволн и получали в результате равномерное распределенное микроволновое поле. Яйцо помещали острым концом вниз в бумажной чашке, и место внутри резонатора помечали водостойким маркером. Каждое яйцо обрабатывали точно в том же месте для исключения вариаций, которые могли бы иметь место в результате изменения положения. В каждое яйцо вводили оптоволоконный датчик температуры, присоединенный к системе сбора данных. Просверливали отверстие маленького диаметра в верхнем конце каждого яйца для введения зонда. Цель заключалась в введении каждый раз зонда в середину яйца так, чтобы он находился на одинаковом расстоянии от верха. Температуру внутри яйца затем измеряли и регистрировали, используя программное обеспечение, поставленное компанией FISO Technologies (Канада), введенное в компьютер. Целью регистрации температур было создание условий, необходимых для обработки яиц без перегрева, но в то же время достаточных для уничтожения целевых микроорганизмов (Salmonella enteritidis). Яйца охлаждали после обработки, оставляя их на лабораторном столе. На описанной выше установке за один раз можно было обработать только одно яйцо.
Яйца одинакового веса значительно отличались по форме, и это приводило к осложнениям, связанным с расположением участка перегрева внутри яиц, который образовывался во время микроволнового облучения яиц. Если каждый раз использовали зонд одной и той же длины, то кончик зонда, в котором находился датчик, оказывался в различном положении от низа яйца в разных яйцах. Это приводило к получению двух существенно отличавшихся определенных (путем измерений) температурных кривых. Если бы зонд был расположен около участка перегрева яйца, то внутреннюю температуру яйца можно было бы адекватно контролировать для получения обработанного яйца без повреждения белка. Однако когда зонд проходил мимо участка перегрева, получали яйца со скоагулировавшими местами внутри их, так как температура в участке перегрева увеличивалась по кривой более быстрого нагревания, в то время как посредством ПИД-регулятора можно было только определять температуру по кривой медленного нагревания. Было чрезвычайно важно определить во время первых нескольких секунд при каждой обработке яйца, действительно ли зонд находится в участке перегрева или нет. Было, однако, показано, что яйца можно обрабатывать соответствующим образом при точных измерениях участка перегрева. На основании основных тенденций полученных данных были сделаны общие выводы, заключавшиеся в том, что скорость нагревания в участке перегрева яйца одинакова для каждого яйца и положение участка перегрева не оказывает влияния на эту скорость нагревания.
Испытания по пастеризации
Мгновенная пастеризация без использования оболочки горячего воздуха
Пастеризацию яиц проводили посредством облучения яиц микроволнами до достижения целевой внутренней температуры. Целевые температуры варьировали от 58 до 60°С. Микроволновую обработку прекращали при достижении этих температур.
Пастеризация с использованием и без использования ПИД-регулятора в оболочке горячего воздуха
Было установлено, что при мгновенной обработке при пастеризации не достигается достаточный уровень уничтожения микроорганизмов, и это объясняли низкой температурой скорлупы яйца после обработки. Для обеспечения более контролируемого нагревания к микроволновому устройству был присоединен воздушный нагреватель. Температуру воздуха доводили до 56-64°С и обработку яиц повторяли, используя одновременно сочетание микроволнового излучения и оболочки горячего воздуха. Горячий воздух в основном использовали для предотвращения теплопотерь с поверхности яиц, и не было существенной отдельной функции нагревания, так как передача тепла от горячего воздуха к внутренности яиц была медленной в сравнении со скоростью микроволнового нагревания.
С использованием ПИД-регулятора
Пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) регулятор температуры был присоединен к оптоволоконному датчику температуры, введенному в яйцо. ПИД-регулятор можно было настроить так, чтобы обеспечивать конкретную целевую температуру, и ПИД-регулятор был присоединен непосредственно к регулятору мощности источника питания микроволнового устройства. При использовании ПИД-регулятора температуру участка перегрева внутри яйца можно было регулировать в пределах 1°С и обеспечивать регулируемый процесс нагревания. Задача состояла в постепенном нагреве яйца путем предотвращения перегрева участка перегрева, но путем обеспечения возможности постепенной передачи тепла от участка перегрева к остальной части яйца без предоставления возможности потери тепла с поверхности яйца (предотвращаемой за счет горячего воздуха вокруг яйца). Поверхность яйца можно было нагревать до температуры более 58°С в течение 15 минут без перегрева участка перегрева яйца.
Полный набор кривых температур пастеризованных яиц, полученных с использованием ПИД-регулятора, представлен на Фиг.6, 7 и 8. На Фиг.6 представлена температурная кривая яйца, нагретого до внутренней температуры 59°С и выдержанного в течение 15 минут; на Фиг.7 представлена температурная кривая яйца, нагретого до внутренней температуры 57°С и выдержанного в течение 30 минут; на Фиг.8 представлена температурная кривая яйца, нагретого до внутренней температуры 57°С и выдержанного в течение 35 минут. На каждой фигуре представлены: внутренняя зарегистрированная температура в участке перегрева яйца, окончательная температура поверхности яйца, определенная с использованием инфракрасного (ИК) датчика температуры и log снижение известных количеств Salmonella enteritidis. В яйцах не было обнаружено видимой облачности или помутнения из-за денатурации глобулина G3A.
Испытания начинали с установки целевой температуры яйца и температуры выдерживания 57°С после обнадеживающих результатов с инокулированными яйцами, помещенными в водяную баню. Было установлено, однако, что даже после 35 минут обработки можно было получить максимальное log снижение Salmonella enteritidis, составлявшее только 3,7. Дальнейшее увеличение продолжительности времени выдерживания яиц при этих температурах до 40 минут приводило к образованию осадка, и яйца обладали мутным внешним видом. Затем было принято решение, заключавшееся в том, чтобы дальнейшие эксперименты проводить при повышенных целевых температурах. При целевой температуре 59°С максимальное log снижение, составившее 3,24, было достигнуто лишь после 15 минут выдерживания без повреждения яичного белка. Температуры поверхности яиц, измеренные с помощью ИК датчика температуры, далее называемые ИК-температурами, варьировали и, как представляется заявителям, ИК-температуры, составляющие по меньшей мере 58°С, требуются для достижения достаточных log снижений. ИК-температуру измеряли после окончания времени обработки, и она указывала температуру поверхности скорлупы яйца в конце процесса. На ИК-температуру оказывала существенное влияние температура горячего воздуха вокруг яйца, так как посредством его способствовали предотвращению теплопотерь с поверхности яйца.
Пастеризация без использования зонда
На основании различных испытаний, выполненных с использованием оптоволоконного зонда, вводимого в яйцо, был разработан способ, в котором яйца можно было нагревать без необходимости введения зонда. Это было необходимо для повторения обработок, которые соответствовали бы производственным условиям, т.е. условиям, при которых яйца обрабатывали бы без использования зондов. Способ, представленный ниже, был разработан для оборудования лабораторного масштаба, и на нем можно управлять нагревом яиц без понуждения к образованию мутных белых областей внутри яиц. Для обеспечения успешности способа было показано, что следующие критерии представляются важными:
- для конкретной партии яиц отклонение по весу яиц должно быть в пределах 1 г;
- яйца должны быть с одинаковой начальной температурой (яйца выдерживали в инкубаторе до утра при 30°С);
- регулируемый источник питания СВЧ-установки должен быть оснащен достаточными уровнями управления;
- установка для подачи горячего воздуха должна быть оснащена достаточными уровнями управления;
- в лаборатории необходимо поддерживать постоянную температуру, если микроволновая полость не теплоизолирована соответствующим образом.
Разработанный способ содержал следующие стадии, и при его осуществлении использовали ИК датчик температуры:
- инкубирование инокулированных яиц в инкубаторе до утра при 30°С;
- укладывание яиц в размеченном положении внутри микроволновой полости, закрывание крышки;
- выдерживание яиц для уравновешивания в горячем воздухе в течение 2 минут.
* Первый цикл нагревания: нагрев в течение 2 минут при режиме мощности, приблизительно соответствующем 18. На дисплее силовой установки показания колеблются, но они не должны превышать 44 Вт. Показания мощности должны быть средними 35-37 Вт.
* Выключение на 2 минуты.
* Второй цикл нагревания: нагрев в течение 90 секунд при режиме мощности, приблизительно соответствующем 18, как и в первом цикле нагревания.
* Выключение на 2 минуты.
* Третий цикл нагревания: нагрев в течение 8 минут при режиме мощности, приблизительно соответствующем 4 (на дисплее показания не должны превышать 17 Вт; они должны быть средними 12-14 Вт) для нагревания до температуры пастеризации.
* Выключение на 1 минуту.
* Пастеризация. Нагрев в течение 1 минуты при режиме мощности, достигнутом в третьем цикле нагревания. Регистрация времени (начало «времени выдерживания»). Выключение на 3 минуты. Продолжение путем нагревания в течение 1 минуты, после чего выстой в течение 3 минут до окончания «времени выдерживания» 20 минут, (т.е. пять циклов включения/выключения).
* Регистрация показания температуры на дисплее ИК датчика температуры по окончании по меньшей мере трехминутного периода выстоя (окончание 20-минутного цикла) и извлечение яйца.
Используя базу данных, полученную при испытаниях, в которых использовали ПИД-регулятор, усовершенствовали описанную выше методику, на основании данных о входной микроволновой мощности, времени и измерений ИК-температур поверхности яйца. Внутренние температуры яиц регистрировали, используя оптоволоконный зонд, но зонд был отсоединен от ПИД-регулятора. Результирующие кривые температур, ИК измерений и log снижений Salmonella enteritidis представлены на Фиг.9-13. На Фиг.9 показана базовая кривая температуры процесса. Эта кривая остается одинаковой при всех обработках, за исключением периодов сокращения или удлинения продолжительности выдерживания. Зоны обработки на Фиг.7 следующие: А=быстрый нагрев при мощности 44 Вт; В=отключение; С=медленный нагрев при мощности 12-14 Вт, по показаниям ИК датчика; D=отключение (короткий выстой); Е=медленный нагрев (12-14 Вт); F=отключение (продолжительный выстой); G=охлаждение. На Фиг.10 показано, что разница по весу яиц не оказывает существенного влияния, как это представляется заявителям, на температуру определенных участков перегрева в диапазоне, при котором проводили испытания в этих условиях. На Фиг.11 показано, что появление осадка или «облачности» относится к внутренним температурам яйца, и было решено сфокусировать внимание на более коротких периодах обработки при более высоких температурах (время выдерживания 15 минут при 58-59°С) для достижения лучшего качества яичного белка после процесса пастеризации. На Фиг.12 представлены кривые температур успешно пастеризованных яиц. Было достигнуто log снижение на яйцо, составлявшее свыше 6, однако интерес представляло появление log снижений ниже 3. Эксперимент повторяли несколько раз для создания log снижений, представленных на Фиг.13. Одна из проблем, с которой столкнулись в ходе испытаний, заключалась в вариативности прививок, вводившихся в яйца. Контрольные образцы состояли из шести яиц, в которые были введены те же составы прививок, что и в яйца, подвергнутые обработке. Проблема заключалась в том, что восстановленное и контрольное числа выживших микроорганизмов не могут быть получены на одном и том же яйце. Количество введенных при инъекции микроорганизмов может колебаться в пределах двух логарифмических значений в группе из шести яиц. Этим можно частично объяснить колебания в окончательных измерениях выживших микроорганизмов (см. Фиг.13). На Фиг.13, log снижения вычисляли по средним числам из контрольных, а также из наибольших и наименьших значений, составлявших контрольную группу. Методика вычислений, сама по себе, включала ошибку эксперимента, составлявшую 2 log и, принимая во внимание другие переменные, относящиеся к данной проблеме, например управление температурой воздуха, ведущее к колебаниям температуры поверхности яиц, большие колебания log снижений могут быть частично объяснены. Было бы, однако, интересно отметить, что увеличение с 15 до 20 минут времени выдерживания, по предположению заявителей, не приводило к более эффективному сокращению количества микроорганизмов. Эту тенденцию наблюдали также в других экспериментах. Log снижения, составлявшие более 5, достигали много раз спустя 15 минут обработки (результаты, проиллюстрированные на Фиг.12, не собраны также на Фиг.13, и значительно большие группы данных были получены, указывающие на эту тенденцию). На Фиг.13 представлены только сводные результаты четырех групп данных. Все обработанные яйца, результаты исследования которых приведены на Фиг.13, были описаны как «совершенно сырые», т.е. в них отсутствовали осадок/облачность/молочная окраска/помутнение.
Первые стадии нагревания (зоны А, В и С на Фиг.9) не создавали проблем, а только, если случайно имел место очень сильный перегрев, появлялись какие-либо видимые изменения в яичном белке. Изменения в белке наблюдали только после добавления в процесс периодов выдерживания различной продолжительности. Совершенно ясно, что периоды выдерживания продолжительностью 15 минут вызывали небольшие помутнения в большинстве яиц. Помутнение оказывало влияние на приемлемость пастеризации яиц с точки зрения потребителя, а также его потенциальное влияние на способность белка к пенообразованию.
Исследовали также влияние локализованного перегрева на внешний вид яичного белка. Яйца нагревали при 110 Вт в течение 2,5 минут для создания локализованной коагуляции. Несколько яиц, подвергнутых обработке согласно «медленной кривой», были аккуратно вскрыты с нижнего (острого) конца после обработки. Было установлено, что белок скоагулировал в форме торнадо, начиная с снования желтка. Однако начальная коагуляция не начиналась с одной и той же точки каждый раз. Коагуляция, по предположению заявителей, начинается в различных местах в нижней половине желтка. Желток не был скоагулированным, а только были присоединены части белка. По предположению заявителей, участок перегрева как будто находится в этом месте, т.е. между низом желтка и низом яйца, и он начинается с нижних частей желтка в различных местах. Было сложно обнаружить участок перегрева с помощью введенного зонда, так как зонд вводили в середину яйца. Однако условия обработки были приняты согласно восприимчивости к температуре участка перегрева, и заявители гипотетически предположили, что скорость нагревания на участке перегрева была одинаковой, независимо от положения. Если бы обработки можно было повторить при контролируемых условиях без необходимости вводить температурный зонд, то, по предположению заявителей, эта гипотеза была бы верной, и ее можно было бы использовать в качестве базы для создания полномасштабной установки. Было подтверждено посредством введения зонда в желток и белок соответственно (путем удаления верхней части яйца и возврата ее на место в виде отдельной крышечки из скорлупы), что скорости нагревания между желтком и белком на расстоянии от участка перегрева одинаковы. Образование участка перегрева, возможно, происходит благодаря резонансному эффекту микроволн внутри яйца и, хотя можно было получить только качественные оценки, по предположениям заявителей, в яйцах с резко заостренным нижним концом легче создаются эти участки перегрева, так как они могут образовываться быстрее и более консистентно, чем в яйцах со скругленным низом. В общих словах, сторона яйца, расположенная против воздушного мешочка, является низом, а воздушный мешочек расположен вверху. Было установлено, что одни яйца обладают очень неравномерной формой, в то время как у других вверх и вниз имеют сходную форму (т.е. невозможно было обнаружить разницы между верхом и низом). Таким образом, представлялось заявителям, что форма яиц также оказывала влияние на процесс обработки, а не только их вес.
Заявители на начальной стадии предполагали, что яйца можно было бы нагревать только микроволнами без необходимости выдерживания яиц в нагретой окружающей среде. Хотя яйца с приемлемым внешним видом и без повреждения белка обрабатывали, используя только микроволновое излучение, log снижения целевых микроорганизмов Salmonella enteritidis были неожиданно неадекватными (log снижение 1 или менее). Одновременно использование микроволн и горячего воздуха для предотвращения теплопотерь с поверхности яйца, в противоположность этому, неожиданно оказалось эффективным. В действительности, температура поверхности яйца после обработки, очевидно, оказывает влияние на эффективность способа пастеризации согласно изобретению. Другой неожиданный результат заключается в том, что яйца нельзя только выдерживать в окружающей среде горячего воздуха в течение целевого времени выдерживания (15-20 минут), даже если яйца с конкретной внутренней температурой расположены в горячем воздухе при той же температуре. Внутренние температуры яиц снижались, и было установлено, что надлежит также постоянно добавлять микроволновую энергию низкой интенсивности яйцу во время выдерживания. Это понижение температуры во время выдерживания может быть приписано испарению влаги с поверхности яйца (например, температура яиц при 58°С, расположенных в окружающей среде горячего воздуха с температурой 58°С, снижалась на 2°С за каждые три минуты из-за испарения влаги из скорлупы). Было установлено, что яйца теряют до 0,3 г влаги во время каждой обработки. Добавление минерального масла на поверхность яиц ведет к снижению этого влияния, но не исключает его полностью, оставляя необходимость в объединенной установке, содержащей микроволновую часть с низкой энергией и часть для выдерживания в горячем воздухе. Таким образом, невозможно пастеризовать яйца только микроволнами до тех пор, пока скорлупа яйца (наружная поверхность) не достигнет температуры 58°С. Даже после выдерживания в течение одного часа при температуре воздуха 20-25°С во время только микроволновой обработки температура поверхности яйца достигала только 52°С.
Изобретение проиллюстрировано ниже со ссылками на Фиг.14, на которой схематически представлена установка малой мощности для пастеризации яиц в скорлупе, выполненная согласно изобретению.
На Фиг.14 изображена установка малой мощности для пастеризации яиц в скорлупе, обозначенная в общем позицией 10. Установка 10 содержит средства перемещения, выполненные в форме конвейерной ленты 12, которую пропускают через загрузочный участок 14, участок повышения температуры 16, стабилизационный участок 18, участок пастеризации 20, участок выдерживания 22, участок охлаждения 24 и участок выгрузки 26. Конвейерная лента 12 является силиконовой лентой. Преимущественно силиконовая лента совместима с микроволновым воздействием и пищевыми продуктами, и ее легко чистить. Конвейерную ленту 12 приводят электродвигателем с изменяемой частотой, снабженным редуктором (не показаны), посредством которых обеспечивают движение конвейерной ленты 12 с минимальной скоростью 0,15 м/мин и максимальной скоростью 0,3 м/мин, с точностью±0,004 м/мин. Этим обеспечивают производительность пастеризации, составляющую от около 3 яиц/мин до около 6 яиц/мин. Длина конвейерной ленты 12 от участка загрузки 14 до участка выгрузки 26 составляет около 6,1 м.
Установка 10 содержит микроволновый генератор (не показан) и разветвитель на 10 дБ (не показан) для деления генерируемых микроволн на две части. Микроволновый генератор обладает максимальной выходной мощностью 2000 Вт и минимальной выходной мощностью около 50 Вт и работает на частотах 2,45 ГГц. Разветвитель соединен с волноводом 28 и волноводом 30 для направления генерируемых микроволн от микроволнового генератора к участку повышения температуры 16 и к участку пастеризации 20.
Участки и повышения температуры 16, и пастеризации 20, каждый, содержат свою собственную микроволновую полость 32, в которую генерируемые микроволны излучают при использовании. Участок пастеризации 20 содержит удлиненную, продольно продолжающуюся антенну 34 волновода с множеством продольно разнесенных пазов, через которые могут излучаться микроволны. Аналогичным образом участок повышения температуры 16 содержит удлиненную, продольно продолжающуюся антенну 35 с множеством продольно разнесенных пазов.
Микроволновая заслонка 36 расположена на впускном конце участка повышения температуры 16, и микроволновая заслонка 38 расположена на выпускном конце участка пастеризации 20.
3
Участки повышения температуры 16 и пастеризации 20, каждый, содержат свой воздухонагреватель (не показаны). Каждый воздухонагреватель содержит ограничитель потока, вентилятор и нагревательную камеру, и им управляют посредством ПИД-регулятора. Датчик РТ100 (не показан) используют для измерения и регулирования температуры воздуха. Эти датчики температуры расположены в местах, где нагретый воздух подают на участок повышения температуры 16 и на участок пастеризации 20 соответственно. Воздухонагреватели (каждый) обладают производительностью 7 м/ч и диапазоном температур от комнатной до 70°С с точностью ±0,5°C.
Участок охлаждения 24 содержит отдельную камеру охлаждения (не показана), включающую холодильник, испаритель и вентилятор. Камера охлаждения обладает производительностью 2 кВт и способна производить охлажденный воздух с температурой 5°С.
При использовании шесть лотков для яиц располагают на конвейерной ленте 12 на участке загрузки 14. Яйца пропускают через заслонку 36 в микроволновую полость 32 участка повышения температуры 16, где их постоянно облучают микроволнами для обеспечения нагревания в соответствии с выбранной кривой нагревания. Окончательная температура целевого участка перегрева яиц составляет 59,5°С и, как можно понять, она определяется скоростью конвейерной ленты и интенсивностью микроволн. При скорости конвейерной ленты 0,15 м/мин требуется продолжительность воздействия 600 секунд при выходной микроволновой мощности 900 Вт. При перемещении яиц в продольном направлении через участок повышения температуры 16 микроволновая мощность, поглощаемая яйцами, падает по обратной логарифмической кривой, тогда как температуры яичного белка и желтка повышаются по логарифмической кривой. Одновременно температуры наружных поверхностей яиц повышаются в результате микроволнового излучения и воздействия горячего воздуха, подаваемого в участок повышения температуры 16, таким образом, что температуры поверхностей яиц находятся в диапазоне 57-60°С. После выпуска яиц с участка повышения температуры 16 их пропускают через участок стабилизации 18 в течение около 1 минуты, обеспечивая возможность стабилизации внутренней и поверхностной температур яиц.
После выпуска яиц из участка стабилизации 18 их вводят в участок пастеризации 20, где их облучают микроволнами в течение около 10 минут. На участке пастеризации 20 внутренние и наружные температуры яиц поддерживают путем использования и микроволн, и горячего воздуха. Яйца на участке пастеризации 20 равномерно облучают микроволновым излучением вдоль длины участка пастеризации 20 посредством пазовой антенны 34.
На выпуске из участка пастеризации 20 яйца пропускают через микроволновую заслонку 38, а затем - через участок выдерживания 22. Время выдерживания яиц на участке выдерживания 22 составляет около 5 минут. Так как участок выдерживания 22 также снабжают горячим воздухом, то яйцам на участке выдерживания 22 сообщают энергию посредством горячего воздуха, хотя их не облучают микроволнами на участке выдерживания 22.
После вывода яиц с участка выдерживания 22 их пропускают через участок охлаждения 24, причем время выдерживания на участке охлаждения 24 составляет около 5 минут. На участке охлаждения 24 яйца охлаждают посредством воздействия охлажденным воздухом до окончательной температуры поверхности около 20°С до того, как лоток с яйцами снимают с конвейерной ленты 12 на участке выгрузки 26.
Преимуществом изобретения, как это представлено, является то, что яйца можно пастеризовать уже в упакованном виде и что яйца можно пастеризовать, используя совершенно сухой процесс. Яйца успешно пастеризовали в статичном положении, подобном положению внутри контейнера с упакованными яйцами. Таким образом, можно обрабатывать полностью упакованные яйца без необходимости поворачивания или перемещения по отдельности каждого яйца, помимо транспортирования яиц в их упаковках на конвейере через различные зоны установки для пастеризации. Пастеризацию производят одновременно, используя микроволновую энергию и горячий воздух, что обеспечивает возможность значительного сокращения времени обработки с последующим улучшением качества белка в сравнении с обычными способами, в которых используют горячую водяную баню.
Заявители надеются, что способ согласно изобретению позволит сделать осуществимой пастеризацию больших количеств уже упакованных яиц, основанную на параметрах процесса, определенных путем задания скорости нагревания участка перегрева яйца, который, как это установлено, находится не в желтке, как это считали ранее, а как раз ниже желтка. Точное контролирование этого участка перегрева обеспечивает возможность обработки яиц с менее поврежденным белком.