ОРИГІНАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ

УДК 614.8+664.8.036.3/2

ММТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ЗАГИБЕЛІ МІКРООРГАНІЗМІВ ЯК МЕТОД РОЗРОБКИ ПАРАМЕТРІВ РЕЖИМУ ПАСТЕРИЗАЦІЇ/СТЕРИЛІЗАЦІЇ КОНСЕРВОВАНИХ ПРОДУКТІВ

Г.І. Архіпова*, О.О. Вовк*, В.А. Гроза*, Н.В. Гордієнко**

*Національний авіаційний університет, м. Київ, Україна
**Інститут екогігієни і токсикології ім. Л.І. Медведя, м. Київ, Україна


РЕЗЮМЕ. Сегодня в Украине сложилась ситуация, когда производство консервированной продукции вышло на качественно новый технический и технологический уровни, а разработка режимов стерилизации и контроль их эффективности законодательно и методически не урегулированы.
Перед производителями встала острая проблема разработки режимов пастеризации/стерилизации консервов без использования микроорганизмов, которая бы базировалась на передовых заграничных научных разработках и определенном практическом опыте производственных предприятий и разработчиков/поставщиков современного оборудования для производства консервированной продукции.
Авторами впервые предлагается модель полной гибели микроорганизмов, на основе которой выведены зависимости определения параметров технологического процесса пастеризации или стерилизации.

SUMMARY. Today there is a situation in Ukraine, when production of canned foodstuffs get up on new high-quality technical and technological levels, but development of the modes of sterilization and control of their efficiency is not legislatively and methodically well-regulated.
Therefore the sharp canned problem of development of the modes of pasteurization/sterilization of canned foods without the use of microorganisms, which would be based on front-rank oversea scientific developments and certain practical experience of production enterprises and developers/suppliers of modern equipment for production of canned foodstuffs.
The model of complete death of microorganisms is offered and dependences of determination of parameters of technological processes of pasteurization/sterilization is shown by the authors.


Метою розробки режимів пастеризації та стерилізації консервів є отримання промисловостерильного продукту, — такого продукту, у якому забезпечена відсутність мікробіальних токсинів, мікроорганізмів, небезпечних для здоров'я споживача, та мікроорганізмів, які здатні викликати псування консервованого продукту.

Сьогодні в Україні склалася ситуація, коли виробництво консервованої продукції вийшло на якісно нові технічний і технологічний рівні, а розробка режимів стерилізації і контроль їх ефективності законодавчо і методично не врегульовані.

До чинних законодавчих документів, що регламентують розробку, перевірку та санітарно-епідеміологічну експертизу режимів стерилізації/пастеризації консервів, слід віднести 2 документи:
— Методичні вказівки з розробки режимів стерилізації та пастеризації консервів і консервованих напівфабрикатів, які виробляються підприємствами України, 1998 р.
— Інструкція про порядок санітарно-технічного контролю консервів на виробничих підприємствах, оптових базах, в роздрібній торгівлі та на підприємствах громадського харчування 1 4.4.4.077—2001.

Ці документи призначені, в основному, для розробки та контролю режимів стерилізації не на апаратах безперервної дії і не враховують істотні зміни за останні роки у виробництві консервів.

Цими документами передбачається лабораторна перевірка режиму стерилізації, тобто інфікування консервів відповідними тест-мікроорганізмами, наступну стерилізацію згідно з розробленим режимом і мікробіологічне дослідження виготовлених консервів щодо вмісту в них тест-мікроорганізмів.

Сучасне технологічне обладнання промислових ліній та санітарно-гігієнічні вимоги до виробництва не дозволяють на виробничих підприємствах харчової промисловості використовувати будь-які мікроорганізми (насамперед патогенні) під час розробки чи перевірки режимів пастеризації/стерилізації нового продукту. В Україні взагалі відсутня експериментальна база, яка дозволяла б в проектних чи пілотних умовах розробляти та відтворювати розроблені параметри режимів стерилізації консервів та технологічного процесу (тип стерилізатора; температура — базова, стерилізації та охолодження; тривалість; рН; в'язкість продукту; швидкість потоку тощо), тобто на практиці достовірно оцінити правильність теоретичних розрахунків цих параметрів. Часткове ж відтворення параметрів процесу стерилізації в умовах експерименту або відтворення не в повних умовах виробництва розцінюється як некоректне та неідентичне режиму стерилізації, що фактично був проведений на підприємстві під час виробництва дослідно-промислової партії консервів.

В економічно розвинутих країнах розробка, перевірка чи експертиза режимів пастеризації/стерилізації консервованої продукції є професійною діяльністю спеціально підготовлених фахівців чи співробітників підприємства або залучених до виконання таких робіт інших, в т.ч. наукових, спеціалістів. Така інформація є суто комерційною.

Тому перед виробниками постала гостра проблема розробки режимів пастеризації/стерилізації консервів без використання мікроорганізмів, яка б базувалась на передових закордонних наукових розробках і певному практичному досвіді виробничих підприємств та розробників чи постачальників сучасного обладнання для виробництва консервованої продукції.

Авторами вперше пропонується модель повної загибелі мікроорганізмів, на основі якої виведені залежності визначення параметрів технологічного процесу пастеризації чи стерилізації.

Модель динаміки популяції мікроорганізмів під час нагрівання при сталій температурі описується диференційним рівнянням

   (1)

з початковими умовами

,   (2)

де N0 — початкова кількість клітин, N=Nt — кількість клітин, що вижили до часу t, K — константа швидкості загибелі, що залежить від спадкових властивостей, фізіологічного стану мікроорганізмів, умов і температури нагрівання. Параметр може бути визначений рівнянням Арреніуса:

   (3)

де A — сталий коефіцієнт, Eaxm — енергія активації, R — газова стала, T — термодинамічна температура.

Розв'язком рівнянь (1) і (2) є функція

   (4)

графік якої називають кривою виживання. В координатах {t, Nt} крива виживання має вигляд: (рис. 1).

В координатах {t, lg Nt} крива виживання представлена прямою лінією (рис. 2).

Рівняння цієї прямої має вигляд:

   (5)

За кривою виживання визначається головний параметр термостійкості DT — час нагрівання при сталій температурі T, на протязі якого кількість життєздатних клітин або спор зменшується в 10 разів (див. рис. 2):

   (6)

Розрахунковий час термічної загибелі FT(AT) певної кількості життєздатних клітин тест-штаму мікроорганізму при сталій температурі T виводимо із співвідношення (5):

   (7)

Величина FT розраховується для температур вище 100°С, величина AT розраховується для температур нижче 100°С.

Замінивши константу K в (7) виразом (3), одержуємо залежність від температури T:

   (8)

В системі координат {T, lgFT(AT)} залежність між FT(AT) та T обернено пропорційна, тобто крива термостійкості повинна бути представлена гіперболічною кривою. Але в вузькому діапазоні температур, що використовується під час стерилізації та пастеризації консервів, крива в системі координат {T, lgFT(AT)}, як правило, може бути апроксимована прямою (див. рис. 3):

Для розрахунку режимів стерилізації на кривих термостійкості (рис. 3) визначають температурний параметр z термостійкості тест-штаму мікроорганізму. Величина z дорівнює числу градусів, необхідних для зміни величини FT(AT) в 10 разів. Величина z може бути розрахована за формулою:

   (9)

В практичній роботі величину z визначають графічно із спрямленої кривої термостійкості (рис. 3), рівняння якої має вигляд:

Процес нагрівання характеризується показником швидкості нагрівання fh і коефіцієнтом затримки (лаг-фактором) jch. Розподіл температур в речовині відповідно до рівняння теплопровідності має вигляд:

   (10)

де Tr — температура ємності, Tih — початкова температура продукту на початку нагрівання, T — температура продукту в кінці процесу, що визначається повною летальністю, t — час процесу.

Крива нагрівання визначається дослідним шляхом і в напівлогарифмічній системі координат має вигляд: (рис. 4).

Відрізок графіка АВ включає період досягнення ємкістю необхідної температури, а також період виходу процесу на стадію конвективного нагрівання (відрізок ВС), де розподіл температур відбувається за законом

   (11)

Для визначення коефіцієнта затримки jih продовжуємо пряму ВС до перетину лінії, що відповідає початку процесу нагрівання, і одержуємо точку D, якій відповідає значення Tpih. Тоді

Показник fh визначається як котангенс кута нахилу відрізка ВС або як час, необхідний для проходження через один логарифмічний цикл.

Співвідношення (10) і криві нагрівання використовуються для розрахунків технологічного процесу (метод Болла).

Якщо позначити Tr–T через g, а lg(Tr–T) через x, то із (10) одержимо гіперболічну залежність між відношенням fh/t та x:

Для криволінійних відрізків кривих нагрівання приймається апроксимація багаточленом п'ятого порядку:

яка розглядається при x>–0,9452.

Таким чином, в залежності від виду виробництва та виду продукції, можна використати відповідну модель для розрахунків режимів пастеризації/стерилізації без використання патогенних штамів мікроорганізмів. На практиці було підтверджено правильність запропонованих залежностей показників.

Література
1. Методичні вказівки з розробки режимів стерилізації та пастеризації консервів і консервованих напівфабрикатів, які виробляються підприємствами України, 1998 р.
2. Інструкція про порядок санітарно-технічного контролю консервів на виробничих підприємствах, оптових базах, в роздрібній торгівлі та на підприємствах громадського харчування 1 4.4.4.077—2001 р.
3. Флауменбаум Б.Л. Интенсификация режимов стерилизации консервов и их научное обоснование. Консервная и овощесушильная промышленность. —М. —Пищепромиздат. —1965. —С. 10–47.
4. Бабарин В.П. и др. Справочник по стерилизации консервов. —М., 1996. —С. 71–94.
5. Мазохина-Поршнякова Н.Н. Подавление возбудителей ботулизма в пищевых продуктах. —М., 1989. —С. 68–79, 85–96.
6. Щеглов Н.Г. Технология консервирования плодов и овощей. —М.: "Палеотип". —2002. —С. 10–23, 45–57.
7. Кеннет Дж., Валентас Энрике Ротштейн и др. Пищевая инженерия. —С-Петербург: "Профессия". —2004. —С. 17–48.
8. Подрушняк А.Е., Гордиенко Н.В., Архипова Г.И. и др. Ботулотоксин как возможный токсикант консервированной продукции. Современные проблемы государственного контроля производства консервов в Украине // Проблеми харчування. —2006. —№4(13). —С. 52–54.


| Зміст |