Микробиологические основы тепловой стерилизации

Микроорганизмы в герметичной таре при стерилизации консервов погибают не мгновенно. Для того, чтобы уничтожить микробы при данной температуре стерилизации, необходимо определенное время. Это время называют смертельным, или летальным.Понятие о смертельном времени является условным, т.к. полностью уничтожить все споры м.о. при тепловой обработке во влажной среде невозможно. Это понятие используют для удобства обсуждения представлений о процессе гибели микроорганизмов.

На смертельное время влияют следующие факторы:

1. температура стерилизации;

2. химический состав пищевых продуктов;

3. количество микроорганизмов и их виды;

4. кислотность;

5. физические свойства продукта (консистенция, плотность, теплопроводность, наличие жидкой фазы);

6. размеры тары;

7. состояние консервной банки (покой или движение банки).

Зависимость между смертельным временем и температурой обратная, т.е. с повышением температуры стерилизации смертельное время снижается. При этом оказывается, что с повышением температуры смертельное время не просто снижается, а снижается в сильнейшей мере. Так, по данным Эсти и Мейера, отмирание спор С.botulinum характеризуется следующими параметрами:

Температура, 0С
Время, мин

Из приведенных данных видно, что относительно небольшое повышение температуры стерилизации приводит к резкому сокращению смертельного времени. Или, в математической форме, повышение температуры стерилизации в арифметической прогрессии приводит к сокращению смертельного времени в геометрической прогрессии.

Кривая зависимости «время-температура» приведена на рис1.

Если кривую смертельного времени построить в полулогарифмических координатах, отложив на оси абсцисс температуру в линейных отрезках, а на оси ординат – логарифмы значений смертельного времени, то кривая эта выпрямляется (рис.2 ), эта способность выпрямляться дает возможность характеризовать кривую ее простым аналитическим выражением. Данная зависимость лежит в основе расчета смертельного времени при любой температуре, если известно смертельное время для данного вида м.о. при какой-то конкретной температуре.

Если смертельное время при данной температуре обозначить через у, а смертельное время при эталонной температуре через t, то оказывается, что

х – разность температур между какой-то заранее обусловленной эталонной температурой Т_э и любой другой температурой стерилизации Т_д, ⁰С (Т_э - Т_д);

z- константа термоустойчивости м.о. (⁰С). Определяется экспериментальным путем и представляет собой число градусов, на которое необходимо повысить температуру стерилизации, чтобы смертельное время снизилось в 10 раз, ⁰С.

Значения t для разных м.о. являются справочными величинами и находят в соответствующей литературе

Уравнение удобно преобразовать так, чтобы сразу определить у

С помощью этой формулы можно определить летальное время для любых м.о., если известно смертельное время при эталонной температуре. Такой температурой в технологии консервирования пищевых продуктов для консервов с низкой кислотностью является 121,1⁰С (рН<4,2). В первую очередь, эта температура предназначена для уничтожения возбудителей ботулизма. А выбор такого нецелого числа градусов объясняется тем, что во время первых исследований в отрасли консервирования эта температура была самой высокой с точки зрения техники. А так как первые исследования проводились за границей (температуру измеряли в фаренгейтах), то перерасчет велся: Т⁰С = 5/9 (Т_ф – 32).

Как указывалось ранее консервированные пищевые продукты не являются абсолютно стерильными, т.е в них могут остаться споровые формы м.о., которые не вызывают порчу продукта.

Все м.о., содержащиеся в пищевых продуктах под влиянием температурного поля, постепенно отмирают, сначала вегетативные клетки, а потом споровые формы. Причем споры начинают гибнуть при температуре около 95⁰С.

При определенной температуре все микробиологические клетки гибнут не одновременно, а соответственно уравнениям, описывающим реакции первого порядка.

Исследованиями установлено, что кинетика отмирания м.о. очень удачно описывается следующим выражением

у = Д (lgN₀ – lgN_к)

у – время, необходимое для снижения числа м.о. от N₀ до N_к;

N_{0 ,} N_к – число м.о. вначале и в конце стерилизации;

Д – константа термоустойчивости м.о., характеризующая время стерилизации, требуемое для снижения числа м.о. при данной температуре в 10 раз, мин (является справочной величиной).

При производстве консервов ориентируются на уничтожение возбудителей ботулизма при определении необходимой летальности любого режима стерилизации. Исходят из допущения, что начальное число возбудителей ботулизма составляет по одной клетке в каждой банке перед стерилизацией, а конечное их число составляет одну спору на партию консервов 10¹². А так как ни в одной стране мира подобное количество консервов не выпускается, то этим самым даются 100 %-ные гарантии, что при соблюдении технологии и режима стерилизации в консервированных пищевых продуктах возбудители ботулизма практически отсутствуют.

Учитывая логарифмический характер гибели м.о. при нагревании, полностью уничтожить их при стерилизации невозможно. Можно только всячески уменьшить количество спор при нагревании, доводя их до одной на 1000, на 10 тыс., на 1 млн. банок и т.д., но не уничтожая на 100%. Следовательно, можно говорить не об абсолютной стерильности, а только о какой-то степени стерильности n, определяемой логарифмом отношения:

В отношении возбудителей ботулизма для гарантии безопасности каждый вид обработки должен обеспечивать n=12. Исходя из этого положения можно подсчитать необходимую летальность режима стерилизации при определенной температуре в перерасчете на эталонную. Она приблизательно равна 3 условным минутам.

На смертельное время м.о. влияет химический состав консервов. Наибольшее влияние оказывают кислоты и антибиотические вещества растительного происхождения – фитонциды, которые снижают летальное время. Жиры – повышают термоустойчивость м.о. Сахара и сахарные сиропы оказывают защитное влияние на микробы при нагревании среды. Небольшие концентрации соли в пищевых продуктах влияют на м.о. при нагревании защитным образом, в то время как повышенное содержание соли способствует быстрейшему уничтожению микроорганизмов.

Вид микроорганизмов и их число. Способность переносить высокие температуры у разных микроорганизмов неодинакова, а вегетативные клетки бактерий погибают гораздо быстрее, чем споры. Это объясняется тем, что споры бактерий содержат мало свободной воды (большая часть влаги в споре находится в связанном состоянии), а в таких условиях затрудняется процесс коагуляции белков, вызывающий смерть бактериальной клетки при нагревании. Кроме того, устойчивость спор к нагреванию объясняется наличием у них плотной водонепроницаемой оболочки, не пропускающей окружающую влагу внутрь споры.

Чем меньше м.о. в пищевом продукте к началу стерилизации, тем меньше их в консервах к концу процесса.