Определение формулы стерилизации по величине стерилизующего эффекта.

Используя в качестве критерия эффективности стерилизации степень инактивации

микроорганизмов, формулу стерилизации определяют практическим, аналитическим и графическим методами.

В соответствии с практическим методом (методом заражения} в консервируемое сырье вводят определенное ко­личество наиболее распространенного, термоустойчивого вида бактерий и при постоянных значениях А, С и Т, изменяя про­должительность В в широком диапазоне, определяют опытным путем (по степени инактивации микрофлоры) необходимый ре­жим стерилизации. Данный метод трудоемок, дает большую ошибку.

При использовании аналитического и графического мето­дов перед расчетом задаются следующими теоретическими предпосылками:

споры микроорганизмов начинают отмирать в консерве при достижении температуры (в центре банки) в 100°С, причем их инактивация происходит в течение всего периода воздействия повышенных температур;

скорость отмираний спор зависит от температуры нагрева;

общий эффект отмирания представляет собой сумму отдель­ных, достигаемых в каждой точке термограммы (при темпера­турах выше 100°С) стерилизующих эффектов;

Сущность аналитического метода заключается в установлении зависимости между температурами в автоклаве и в центре банки, на основе чего коррелируют режимы рабо­ты автоклава и условия отмирании микроорганизмов в консер­ве. Использование аналитического метода возможно лишь при условии прогрева консервов путем теплопередачи, когда зави­симость между логарифмом разности температур в автоклаве и временем нагрева выражается прямой линией. Практическое применение аналитического метода требует определении зна­чений некоторых величин, входящих в расчетную формулу, экспериментальным путем.

Наиболее распространен и точен графический метод расчета формулы стерилизации, основанный на построении термограммы стерилизации консерва (по центральной зоне), определении полученного общего эффекта инактивации спор (F_эффект) и сопоставлении последнего с нормативным расчет­ным эффектом (Fo). Понятие стерилизующего эффекта было введено в консервное производство для приведении разных режимов к единому сравнимому показателю, представляющему интегральный эффект от действия температуры и продолжи­тельности стерилизации. Стерилизующий эффект (F_эффект) - это показатель надежности режима стерилизации консервов, выраженный в минутах, при определенной (условной) темпе­ратуре. В качестве условной принята температура 121_,1°С (250°F). Таким образом, под F_эффект данного режима понимают про­должительность абстрактного равноценного режима стерилиза­ции, проводимого при условии, что содержимое банки мгновенно прогревается от исходной температуры до 121,1°С и выдерживается при этой температуре в течение данного времени, после чего температура немедленно снижается.

В соответствии с изложенными принципами расчет произ­водят следующим образом.

На первом этане задаются постоянными значениями А, С и Т экспериментальной (предполагаемой) формулы стерилизации, вместимостью и формой банки, видом продукта, типом преобладающей в сырье микрофлоры, ее начальной и конечной (допустимой для готового консерва) концентрацией. Величину В устанавливают произвольно. В центральную зону продукта вводят термопару и, осуществляя работу автоклава по исследуемой формуле стерилизации, через определенные интервалы времени (обычно 5 мин) регистрируют изменение температуры в консерве и строят термограмму. При этом каждому участку термограммы (лежащей выше 100 °С), характеризуемому зна­чениями температуры и продолжительности, будет соответствовать определенный стерилизующий эффект.

Общий эффект стерилизации спор (F_эффект) для экспери­ментальной формулыстерилизации представляет собой сумму элементарных стерилизующих эффектов, достигаемых в каждой точке кривой нагрева и охлаждения консервов (участок abсd). Графически величина F_эффект на термограмме выражена площадью, ограниченной кривой abсd в зонах температур выше 100°С и состоящей из элементарных площадей-трапеций. Рассчитав площадь каждой трапеции и определив их сумму, можно найти величину F_эффект. Допуская некоторую погрешность и используя формулу приближенного интегрирования по методу прямоугольников, находят значение эффекта стерилизации

 

Где К_{F -} - высота прямоугольников, - основание прямоугольника, равное интервалу времени замера температур (= 5 мин), - продолжительность действия на микроорганизмы данной температуры, мин.

Определение величины площади F_эффект еще не дает возможности оценить степень стерилизующего действия каждого участка термограммы (различающихся но значениям температуры) и режима в целом, а нуждается в аналитическом пе­рерасчете реальных времени и температуры к времени действия эталонной температуры. В качестве эталонной температуры микробиологи всех стан мира принимают температуру 121_,1°С, что соответствует 250°F. Следовательно, перерасчет заключается в установлении F-отрезка 121,1°-ного времени, эквивалентного по действию на микроорганизмы отрезку времени при любой данной температуре. Перерасчет осуществляется с помощью коэффициента приведения °С_. Значение коэффициента приведения фактического времени отмирания спор в каждой точке термограммы (при температурах обычной стерилизации в интервале от 100 до 120-125 °С) к времени стерилизации при эталонной температуре (121_,1°С) определяют по формуле

 

Где t – температура в момент измерения, °С, - параметр, характеризующий устойчивость выбранной тест культуры к нагреву, °С.

Экспериментально установлено, что составляет для Cl. botulinum 10°С, Cl. sporogenes – 9,5 °С, термофильных бактерий -10°С.

Принимая во внимание, что в формуле расчета значений переводных коэффициентов К_F для данного вида микроорганизмов величина остается постоянной, при определениях К_F можно пользоваться справочными таблицами.

По приведенным коэффициентов К_F рассчитывают стерилизующий эффект на термограмме

 

 

Обычно соответствует величине интервала регистрации температуры в центре банки (5 мин).

Определив величины переводных коэффициентов К_F для каждого участка термограммы abсd, суммируют их значения и, умножив сумму на равновеликий отрезок времени, получают значение стерилизующего эффекта данного режима (в условных минутах)

 

 

Рассчитанная величина F_эффект показывает продолжительность некоторого абстрактного стационарного режима тепловой обработки при котором содержимое банки с самого начала процесса нагревается до температуры 121,1°С и выдерживается при этой температуре в течение расчетного времени, после чего немедленно охлаждается. Для определения степени избыточности или недостаточности стерилизующего эффекта экспериментального режима (формулы стерилизации) необходимо сопоставить значение полученного F_эффект с теоретически необходимым при этой же эталонной температуре.

В связи с этим на втором этапе расчета, пользуясь данными опыта, определяют величину требуемого нормативного стерилизующего эффекта Fo. В основе расчета лежат следующие теоретические положения.

При постоянной температуре стерилизации скорость отмирания спор какой-либо определенной культуры является функцией их концентраций и может быть описана выражением, которое после интегрирования принимает вид

 

 

Где В – начальная концентрация спор в 1 г сырья; К – коэффициент скорости отмирания спор, зависящий от характеристики среды, степени неустойчивости данной культуры к температурному фактору, выбранной температуре собственно стерилизации, мин^-1;

b- конечная концентрация спор в 1 г продукта, - продолжительность воздействия температуры, мин.

Обозначив фактор скорости 1/К через коэффициент D, можно записать уравнение как

 

 

Коэффициент D является величиной постоянной для каждого вида микроорганизмов и соответствует интервалу времени, необходимого для снижения концентрации спор в продукте на один порядок (т.е.в 10 раз) под воздействием какой-либо определенной температуры.

 

Экспериментально найдено, что величина D при эталонной температуре 121,1°С составляет для

 

 

Cl. botulinum 0,24 мин

Cl. sporogenes 1,0-1,7 мин (в говядине)

Cl. sporogenes 1,83 мин (в свинине)

Термофилов 2,0-4,0 мин

При этом чем выше рН среды и температура стерилизации тем большее абсолютное значение D.

Зная уровни начальной и конечной (требуемой) микробиологической обсемененности продукта, а также значение D для выбранной тест-культуры при данной температуре, можно установить продолжительность термообработки, необходимую для снижения числа спор до желательного уровня, т.е. нормативный (расчетный) стерилизующий эффект, по формуле:

 

Величина Fo показывает необходимую продолжительность процесса стерилизации продукта при постоянном воздействии температуры 121,1°С. При этом остаточная концентрация микроорганизмов в консерве будет составлять заданный уровень b. Принимая во внимание возможность ошибки при определении исходной обсемененности В, а также колебания в значениях рН, содержания жира и других технологических факторах, и с целью обеспечения минимального уровня конечной микрофлоры, в расчетной формуле предусматривается вероятность отклонения в начальной концентрации спор на два порядка (в 100 раз):

 

 

Как было установлено, для мясных консервов наиболее надежным режимами стерилизации считаются те, которые могут обеспечить стерилизующий эффект F_эффект в пределах 12-15 условных минут (тропические консервы).

На третьем этапе расчета сопоставляют величины эффективного (фактического) и нормативного (расчетного) стерилизующих эффектов, приведенных к единой температуре 121,1°С и корректируют экспериментальный режим стерилизации.

В случае F_эффект Fo продолжительность стерилизации в изучаемой формуле чрезмерна и избыточный стерилизующий эффект составляет:

 

 

При условии F_эффект Fo время нагрева недостаточно для обеспечения необходимого уровня стерильности на величину:

 

 

Избыточное (или недостаточное) время собственно стерилизации находят по формуле:

 

 

Где - избыточный (или недостаточный) по сравнению с нормативным стерилизующий эффект, мин; Т – температура собственно стерилизации исследуемого режима нагрева, °С; - параметр, характеризующий устойчивость тест-культуры к нагреву, °С.

На заключительном этапе уточняют продолжительность периода собственно стерилизации в выбранной формуле. При этом в случае F_эффект Fo формула стерилизации будет иметь вид:

 

 

а при F_эффект Fo уточненная формула стерилизации превратиться в:

 

 

Таким образом, научно-обоснованной формулой стерилизации является такая, фактическая летальность которой несколько выше требуемой.

Пользуясь понятием F_эффект и соответствующими методами расчета, можно количественно судить об эффективности различных режимов стерилизации консервов и оценить целесообразность использования ряда традиционно установленных формул стерилизации, что создает предпосылки к повышению качества консервированных мясопродуктов и снижению энергоемкости производства. Знание величины F_эффект позволяет прогнозировать степень стабильности готовой продукции при хранении.

Существует математическая зависимость между фактической летальностью режимов стерилизации и процентом биологического брака консервов. Величину ожидаемого биологического брака (в %) определяют по формуле:

 

Где В – начальная концентрация спор в банке; F_эффект – фактическая летальность режима стерилизации, усл. мин; D₁₂₁ – константа термоустойчивости выбранной культуры, усл. мин.

Оптимальной значение Р составляет 0,01%.