TERMICZNE METODY UTRWALANIA ŻYWNOŚCI – PASTERYZACJA

Wstęp

Współczesna technologia żywności charakteryzuje się kompleksowym podejściem do pojęcia utrwalania żywności nakierowanym na umożliwienie nieograniczonego jej dostępu, przy równoczesnym zapewnieniu bezpieczeństwa żywności, niezależnie od miejsca, pory i sposobu jej dystrybucji. Stosowane procesy utrwalania wykorzystują w zależności od rodzaju żywności metody termiczne takie jak chłodzenie, zamrażanie, pasteryzacja, sterylizacja oraz metody fizyczne czy biochemiczne. Każdy z tych aspektów utrwalania wymaga określonych zabiegów technologicznych. Pasteryzacja i sterylizacja to procesy, podczas których żywność jest poddawana działaniu wysokiej temperatury, przez odpowiednio długi czas w celu jej utrwalenia i osiągnięcia mikrobiologicznej stabilności żywności. Pasteryzacja, która prowadzi do inaktywacji wszystkich organizmów patogennych nieprzetrwalnikujących oraz gatunków powodujących psucie żywności to proces ogrzewania poniżej 100ºC. Sterylizacja natomiast to proces ogrzewania powyżej 100ºC (121,1ºC lub 134ºC). Zastosowanie sterylizacji gwarantuje usunięcie wegetatywnych i przetrwalnikowych form mikroorganizmów, a żywność zachowuje dobrą jakość co najmniej przez 6 miesięcy. Okres przydatności do spożycia produktów pasteryzowanych jest kilkakrotnie krótszy niż sterylizowanych oraz wymagają one dodatkowo zabezpieczenia chłodniczego. Pasteryzacji poddawane jest mleko, piwo, soki owocowe, ogórki konserwowe, a produkty w znacznie większym stopniu zachowują swoje właściwości odżywcze oraz smakowe niż konserwy sterylizowane.

Podstawy teoretyczne

Przy doborze parametrów procesów utrwalania termicznego należy uwzględnić:

• ciepłooporność drobnoustrojów i enzymów,

• wymagany okres trwałości mikrobiologicznej produktu,

• długość trwania procesu w celu ograniczenia niekorzystnych zmian składu i wartości odżywczej,

• zachowanie właściwości reologicznych, cech sensorycznych i stabilności chemicznej produktu

Skuteczność procesu pasteryzacji i sterylizacji zależy od:

• Rodzaju drobnoustroju i formy ich występowania

Termiczna inaktywacja drobnoustrojów następuje po przekroczeniu temp max dla ich wzrostu, czyli po osiągnięciu min. temperatury letalnej. Wśród drobnoustrojów postacie wegetatywne, są mniej ciepłooporne, zaś formy przetrwalnikowe są odporniejsze termicznie. Im starsze przetrwalniki tym większa jest ich ciepłooporność. Bakterie posiadają T_L – da form wegetatywnych 50ºC – 60^oC, a dla form przetrwalnikowych 90-100^o C. Drożdże i pleśnie mają podobną ciepłooporność jak bakterie, z tym że drożdże są nieco wrażliwsze od pleśni, zarodniki drożdży giną w temp 100^oC, (wyjątek stanowią drożdże osmofilne, które wytrzymują temperaturę 100^oC przez 20 min)

• stanu fizjologicznego w jakim znajdują się komórki drobnoustrojów

Komórki w fazie stacjonarnej są mniej wrażliwe na ogrzewanie niż komórki w fazie logarytmicznego wzrostu

• czynników środowiskowych bytowania mikroorganizmów

Spośród wszystkich czynników środowiska stężenie jonów wodorowych (H⁺), wywiera największy wpływ na ciepłooporność drobnoustrojów. Wraz ze wzrostem ich stężenia czyli ze spadkiem pH, następuje gwałtowny spadek ciepłooporności drobnoustrojów. Bakterie wykazują dużą oporność cieplną przy pH w przedziale 6,0-8,0, natomiast zdecydowanie łatwiej jest osiągnąć założony stopień pasteryzacji dla produktów kwaśnych tj. o pH < 4,6.

W zależności od pH żywność dzielimy na:

• żywność niekwaśna i mało kwaśna o pH > 4,6, do której zaliczamy mięso, drób, ryby, groszek, fasola, szpinak, buraki itp.; w celu jej ochrony przed Clostridium botulinum, powinna być poddana sterylizacji.

• żywność kwaśna o pH 4,0-4,6, do której zaliczamy gruszki, morele, pomidory, czerwona kapusta itp., poddaje się procesowi pasteryzacji (temp do 100^oC),

• żywność bardzo kwaśna – o pH < 4,0, do której zaliczamy kwaszoną kapustę, kwaszone ogórki, a do jej utrwalenia wymagana jest temperatura powyżej 100^oC

• składu produktu

Duża zawartość tłuszczy, cukrów oraz białek działa ochronnie na komórki bakterii, zwiększając tym samym ich ciepłooporność.

Największą rolę odgrywają tłuszcze, które tworzą otoczki wokół drobnoustrojów. Otoczki te posiadają inne właściwości hydrofobowe i mniejszą przewodność cieplną, dlatego też np.: bakterie ogrzewane w mleku giną wolniej niż ogrzewane w wodzie w tej samej temperaturze. Białka i węglowodany również powodują wzrost ciepłooporności drobnoustrojów, ale w mniejszym stopniu niż tłuszcze, i wśród białek; białka natywne lepiej chronią drobnoustroje, niż białka zdenaturowane. Węglowodany lepiej chronią przed wysoką temperaturą drobnoustroje osmofilne. Również produkty metabolizmu obniżają lub zwiększają ciepłooporność drobnoustrojów np.: antybiotyki obniżają ciepłooporność drobnoustrojów.

Ilość oraz rodzaj dodawanej soli (NaCl) może zwiększyć lub zmniejszyć tolerancję bakterii na działanie temperatury. Dodatek soli do produktów żywnościowych w ilości 0,5-3% przyczynia się do ochrony bakterii przed działaniem wysokich temperatur, wyższe stężenia działają odwrotnie. Roztwory jednowartościowych kationów zmniejszają tolerancję, a dwuwartościowych ją zwiększają.

• ciśnienia osmotycznego

Podwyższone ciśnienie osmotyczne działa ochronie na drobnoustroje w czasie procesu ogrzewania.

• zawartości wody w produkcie (aktywności wodnej)

Drobnoustroje wykazują największą odporność termiczną przy niskich wartościach aktywności wodnej, znacznie gorzej znoszą one działanie wysokich temperatur w atmosferze wilgotnej. Przy niskiej zawartości wody trudniej jest go utrwalić, przez co konieczne jest zastosowanie wyższych temperatur oraz dłuższego czasu. Stąd też proces sterylizacji prowadzi się przy wysokiej temperaturze i wysokiej aktywności cząsteczek wody.

• obecności tlenu

Wysokie stężenie tlenu w znaczący sposób zmniejsza tolerancję bakterii na działanie wysokich temperatur.

• rodzaju oraz ilości bakterii w surowcu

Najważniejsza jest ilość drobnoustrojów krytycznych, które są charakterystyczne dla danej grupy surowców spożywczych. Drobnoustroje te charakteryzują się największą ciepłoopornością. Działanie temperatury 80ºC przez 10 min ma charakter letalny w stosunku do komórek wegetatywnych, oporne są tylko przetrwalniki bakterii z rodzajów Bacillus i Clostridium.

Oporność bakterii względem temperatury przedstawia się w formie krzywej śmierci cieplnej (TDT- thermal death time). Krzywa ta jest odzwierciedleniem zależności logarytmu wartości D do zastosowanej temperatury ogrzewania. Wartość D jest to czas dziesięciokrotnej redukcji w danej temperaturze letalnej, czyli ilości czasu potrzebnego do zniszczenia 90% bakterii w surowcu. Wartość D jest zależna od zastosowanej temperatury, co oznacza, że przy zastosowaniu większej temperatury można skrócić czas procesu. Z krzywej TDT można zatem odczytać optymalne warunki czasu i temperatury niezbędne do uzyskania bezpieczeństwa mikrobiologicznego produktu. Im mniejsza jest wartość D, tym większa jest szybkość reakcji niszczenia mikroorganizmów i tym niższa jest ich ciepłooporność.

Pasteryzacja jest procesem termicznego utrwalenia produktu w temperaturach nie przekraczających 100ºC (najczęściej 65-85ºC tzw. łagodna obróbka termiczna). Wydłużając czas procesu do 30 minut, przeprowadzamy pasteryzację niską w przedziale temperatur od 63 do 65ºC. Pasteryzacja definiowana jest jako proces termicznego utrwalania żywności mający na celu eliminację form wegetatywnych drobnoustrojów (co najmniej 99%) do poziomu gwarantującego jej bezpieczeństwo. Większość form wegetatywnych mikroorganizmów niszczona jest przy łagodnej pasteryzacji (72ºC).

Pasteryzację stosuje się do utrwalania żywności wrażliwej na wysoką temperaturę (piwo, mleko). Podstawowym kryterium doboru odpowiedniej metody termicznego utrwalania żywności jest jej pH. Produkty żywnościowe o pH, poniżej 4,6 utrwalane są na drodze pasteryzacji. Zaliczamy do nich: kompoty owocowe, warzywa kwaszone, koncentraty i konserwy pomidorowe oraz marynaty owocowe i warzywne. W żywności niekwaśnej i mało kwaśnej (pH powyżej 4,6) oporność cieplna niektórych drobnoustrojów utrzymuje się na zbyt wysokim poziomie, aby mogły ulec inaktywacji, a proces pasteryzacji nie gwarantuje usunięcia mikroorganizmów i tym samym nie jest wystarczający do zapewnienia bezpieczeństwa takiej żywności. Podczas stosowania pasteryzacji wprowadza się zasadę użycia wysokiej temperatury w możliwie jak najkrótszym czasie celem zminimalizowania zmian w strukturze oraz wartości odżywczej żywności. Na skutek pasteryzacji dochodzi do niekorzystnych zmian takich jak obniżenie stabilności układów koloidalnych, strata witamin, denaturacja białek, utlenianie tłuszczy oraz brunatnienie nieenzymatyczne wpływające na obniżenie walorów smakowo-zapachowych żywności pasteryzowanej. Przy doborze parametrów pasteryzacji należy również zwrócić uwagę na obecność w produkcie enzymów ciepłoopornych. Enzymy te są ważne z technologicznego punktu widzenia. Brak ich dezaktywacji skutkować będzie pogorszeniem wartości sensorycznej (np. polifenolooksydaza w owocach czy lipaza w mleku) lub żywieniowych (oksydaza askorbinowa w owocach). Często temperatura potrzebna do ich inaktywacji jest wyższa od tej potrzebnej do usunięcia wszystkich bakterii nieprzetrwalnikujacych.

Wyróżnia się kilka typów pasteryzacji:

• Pasteryzacja LTLT (Low Temperature Long Time) - 63 ºC przez 30 minut

• Pasteryzacja HTST (High Temperature Short Time) - 72 ºC przez 15 sekund

• Pasteryzacja HHST (Higher Heat Shorter Time) - 89 ºC, 1 s; 90 ºC, 0.5s; 94 ºC, 0.1s; 96 ºC, 0.05s; 100 ºC, 0.01s

• Pasteryzacja UP (Ultra Pasteurization) - 138 º przez 2 sekundy

Stosuje się również zmodyfikowaną metodę pasteryzacji, która nazywa się tyndalizacja. Metoda ta polega na wielokrotnym podgrzewaniu produktu do temperatury nie wyższej niż 100 ºC w odstępach dobowych.. Pomiędzy jedną o drugą pasteryzacją konserwy powinny być przechowywane w warunkach sprzyjających rozwojowi mikroflory zawartej w konserwie, co umożliwia przechodzenia przetrwalników w postać wegetatywną, które łatwiej zniszczyć podczas drugiej pasteryzacji. Zaletą tyndalizacji jest osiągniecie wysokiej jałowości produktu, pomimo że stosuje się temperatury niższe niż podczas sterylizacji.

W zależności od rodzaju surowca poddawanego pasteryzacji stosuje się różne rodzaje pasteryzatorów. Produkty żywnościowe wymagające pasteryzacji w pojemnikach hermetycznie zamkniętych ze względu na swoją konsystencję (dżemy, sałatki, marynaty) pasteryzuje się w tunelach pasteryzacyjnych o działaniu ciągłym lub w wannach o działaniu okresowym. Proces trwa średnio około 30 minut do momentu osiągnięcia w środku geometrycznym temperatury przekraczającej 80ºC. Temperaturę utrzymuje się prze kilka sekund w zależności od rodzaju produktu. Czynnikami decydującymi o jakości przeprowadzonej pasteryzacji są: wysokość zastosowanej temperatury, szczelność opakowania oraz odpowiednie jego odpowietrzenie. Szczelne opakowania zapobiegają wtórnemu zakażeniu konserwowanej żywności natomiast odpowietrzenie zapobiega niekorzystnym zmianom jakie wywołuje tlen w przechowywanej żywności. Nieodpowiednio odpowietrzone opakowanie skutkuje pogorszeniem barwy, smaku i zapachu pasteryzowanych produktów. Dodatkowo powietrze będąc słabym przewodnikiem ciepła, niweluje wpływ wysokiej temperatury na komórki bakterii i może odpowiadać za niedostateczne inaktywację mikroorganizmów. W celu uniknięcia zapowietrzania opakowań stosuje się różne techniki takie jak: zastąpienie powietrza parą wodną, zamykanie opakowań pod obniżonym ciśnieniem lub zanurzanie wcześniej ogrzanej do temperatury 80-95 ºC konserwy pod wodą przez kilka minut. W przypadku pasteryzacji dużych cząstek owoców lub warzyw stosuje się uprzednio blanszowanie.

Pasteryzację produktów płynnych lub półpłynnych (piwa, wody, śmietanki, mleka) prowadzi się w wymiennikach ciepła o budowie rurowej lub płytowej. W przemyśle spożywczym ze względu na wysoką wydajność, krótki czas osiągania odpowiedniej temperatury, oszczędność energii oraz łatwość czyszczenia najczęściej stosowane są pasteryzatory płytowe. Konstrukcyjnie wymienniki te zbudowane są ze ściśle przylegających do siebie nierdzewnych blach stalowych odpornych na działanie wysokich temperatur i korozję. Produkt poddany pasteryzacji ogrzewany jest na zasadzie wymiany ciepła z czynnikiem grzejnym (najczęściej gorąca woda lub para wodna), następnie przetrzymywany jest przez kilka minut w temperaturze pasteryzacji i ochładzany czynnikiem chłodzącym (zimna woda). Płyty stosowane w wymiennikach mogą mieć różną powierzchnię wymiany ciepła od 0,04 do 0,80 m² oraz różne odległości miedzy płytami. Różnią się również stopniem podatności na ogrzewanie oraz stopniem porowatości. Często stosuje się polerowanie płyt aby nie osiadały na nich zanieczyszczenia i bakterie. Wymienniki te można sterować zarówno ręcznie jak i automatycznie. W nowych modelach zastosowano czujniki temperatur, pozwalające na kontrolę temperatury produktu po pasteryzacji. Jeżeli jest niższa od zamierzonej to surowiec jest zawracany do ponownej pasteryzacji.

Pasteryzatory rurowe zbudowane są na zasadzie rura w rurze. W zewnętrznej róże płynie produkt poddawany pasteryzacji natomiast w środkowej czynnik grzejny. Dzięki takiej konstrukcji charakteryzują się dużą wydajnością, zwartością w budowie (zajmują stosunkowo małą powierzchnię) oraz łatwo jest kontrolować temperaturę pasteryzacji. Stosuje się je do pasteryzacji i sterylizacji płynów o różnych lepkościach (wina, piwa, soki, oleje, koncentraty). Temperatury ogrzewania w tych wymiennikach to najczęściej 90-140 ºC a wydajność sięga 350- 36 000 l/h.

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zdobycie wiedzy praktycznej dotyczącej operacji jednostkowych w pasteryzacji produktów spożywczych, umiejętności rozwiązywania problemów technologicznych oraz wiedzy dotyczącej wpływu tego procesu na wybrane parametry fizykochemiczne i sensoryczne żywności.

Literatura:

Juszka H., Tomasik M., 2005. Wizualizacja procesu przepływowej pasteryzacji mleka. Acta Sci. Pol. Technica Agraria, 4(1), 77-83.

Pijanowski E., Dłużewski M., Dłużewska A., Jarczyk A. 2004. Ogólna technologia żywności. WNT, Warszawa