Теоретические основы консервирования: понижение активности воды и тепловая стерилизация

Консервирование — это придание способности храниться без порчи в течение гарантийного срока при регламентируемых условиях. Процессы, приводящие к порче пищевых продуктов, и их проявление приведены в табл. 1.3.

Причины порчи молочных консервов.

Таблица 13

Процессы консервирования увеличивают сроки хранения пищевых продуктов, снижая содержание микроорганизмов, инактивируя ферменты или изменяя состояние продукта таким образом, чтобы остановить развитие микроорганизмов либо полностью уничтожить их.

Методы сохранения молока основаны на биологических принципах — анабиозе и абиозе. Анабиоз — это замедление, подавление жизнедеятельности микроорганизмов и физико-химических процессов. Лбиоз — полное прекращение всех жизненных процессов в сырье и микроорганизмах.

Анабиоз. Подавление жизнедеятельности микроорганизмов и физикохимических процессов происходит путем удаления или связывания свободной влаги.

Вода важнейший компонент пищевых продуктов. Именно вода является дисперсной средой для химических реакций и метаболизма микроорганизмов в пищевых продуктах. Однако общая влажность продукта не характеризует причастность воды к химическим и биологическим изменениям.

Устойчивость пищевых продуктов к химическим и микробиологическим процессам определяется величиной активности воды.

где a_w — активность воды; Р — парциальное давление паров воды над раствором; Р₀ — парциальное давление паров воды над растворителем при той же температуре, что и Р.

В соответствии с первым законом Рауля относительное понижение парциального давления пара растворителя над раствором равно мольной доле растворенного вещества. Опустив преобразования, включающие давления паров воды над раствором и растворителем и мольные доли растворителя и растворенного вещества, получим.

где N — мольная доля растворителя, в нашем случае — воды.

Отсюда следует: активность воды равна общему содержанию воды в среде за вычетом влаги, связанной с различными компонентами — белками, углеводами, липидами — посредством химических и физических связей.

Термин «активность воды» впервые ввел австралийский микробиолог В. Дж. Скотт в 1952 г. Он доказал, что существует взаимосвязь между активностью воды в продукте и ростом микроорганизмов в нем.

Значения активности воды находятся в диапазоне от 0,00 (абсолютная сухость) до 1,00 (чистая вода).

Высокая активность воды, оптимальная для микроорганизмов, благоприятствует их размножению и метаболической активности, включая продуцирование токсинов. Если микроорганизмы находятся в сухой среде или в присутствии водосвязывающих веществ, происходит сжатие бактериальных клеток и прекращение их жизнедеятельности, т. е. обеспечиваются условия анабиоза.

Активность воды понижается при удалении влаги сгущением, сушкой, при концентрировании осмотически активных составных частей молока — лактозы, минеральных солей, при добавлении в молоко осмотически активного вещества — сахарозы.

На рис. 1.4 показан уровень понижения активности воды молока и молочных продуктов при использовании различных вышеназванных приемов.

Для каждого вида микроорганизмов существует порог активности воды, ниже которого они не развиваются. Большинство существующих в природе микроорганизмов хорошо размножается при активности воды в пределах от 0,9 до 0,99. Таков же показатель активности воды в свежем молоке.

По минимальному для роста значению активности воды микроорганизмы резко отличаются друг от друга, хотя в пределах вида минимальная активность воды стабильна у всех штаммов.

Рис. 1.4. Активность воды в молоке и концентратах:

ГН — молоко; И — обезжиренное молоко; Ц— сгущенное в вакуум-выпарном аппарате обезжиренное молоко с массовой долей сухих веществ 30%; ^ — сгущенное в вакуум-выпарном аппарате обезжиренное молоко с массовой долей сухих веществ 50%; 0 — сгущенное молоко с сахаром;? — сухое обезжиренное молоко Как следует из табл. 1.4, наиболее чувствительны к величине активности воды бактерии, более устойчивы дрожжи и плесневые грибы. Микроорганизмы, способные развиваться при низкой активности воды, называют осмофильпыми, из бактерий таковыми являются Staphyloccus aureus, способные к росту с минимальной скоростью при активности воды до 0,86.

Таблица 1.4

Величина активности воды, ниже которой прекращается рост микроорганизмов в пищевых продуктах¹

На рис. 1.5 показано, как влияет активность воды на скорость микробиологических, физических и химических процессов, происходящих в пищевых продуктах.

¹ Пищевые продукты с промежуточной влажностью / под ред. Р. Дэвиса, Г. Берча, К. Паркера. М.: Пищевая промышленность, 1980.

Рис. 1.5. Влияние активности воды на кинетику процессов порчи пищевых.

продуктов¹, где:

• —изотерма поглощения влаги;…— неферментативное потемнение;
• —гидролитические процессы;——ферментативная активность;

…— рост плесеней;…— рост дрожжей;—рост бактерий Таким образом, ни один из видов микроорганизмов не может размножаться при активности воды ниже 0,6. При активности воды выше 0.6 усиливается ферментативная активность и активируется неферментативное потемнение (реакция Майяра).

Активность воды нормируется и определяется в молочных консервах в некоторых зарубежных странах.

Показатель активности воды позволяет прогнозировать процесс длительного хранения продукта: химические изменения, ферментную деятельность, увеличение микробных популяций. По величине активности воды можно определить стратегию защиты продукта: герметичность упаковки, температурно-влажностные режимы хранения, контроль и нормирование отдельных видов микроорганизмов.

Прогноз вероятных изменений сырья и консервов в зависимости от величины активности воды дан в табл. 1.5.

Как следует из табл. 1.5, в сгущенных продуктах с сахаром в целях консервирования необходимо исключить присутствие дрожжей, плесневых грибов, неинактивированных ферментов и условий для реакции Майара, таких как повышенная температура, повышенная кислотность, наличие редуцирующих сахаров, образующихся при гидролизе сахарозы.

Активность воды сухих молочных продуктов, близкая к 0,3, свидетельствует о том, что микробиологических проблем в ходе хранения возникать.

¹ Срок годности пищевых продуктов. Расчет и испытание / под ред. Р. Стеле; пер. с англ. В. Широкова; под общ. ред. Ю. Г. Базарновой. СПб.: Профессия, 2006.

нс должно, однако несоблюдение условий хранения сухого молока (температура, относительная влажность воздуха) и негерметичность упаковки могут привести к тому, что в продукте будет создаваться градиент активности воды с высоким значением на поверхности и первоначальным значением внутри продукта.

Таблица 1.5

Прогнозирование стойкости сырья и продуктов.

Тонкий слой продукта с высоким значением активности воды становится «плодородным» для роста микроорганизмов, будь то бактерии, дрожжи или плесени, поэтому условие сохранения качества сухих молочных продуктов — отсутствие их увлажнения.

Итак, понижение активности воды — наиболее распространенный способ консервирования. На нем основаны технологии сгущенных продуктов с сахаром, концентратов сыворотки, обезжиренного молока, пахты, сухих продуктов переработки молока. Степень понижения активности воды один из основных факторов, влияющих на хранимоустойчивость продуктов. Показатель «осмотическое давление» для данной цели не вполне пригоден, хотя эти параметры взаимосвязаны. Активность воды отражает внутреннее состояние продукта, осмотическое давление характеризует взаимодействие продукта с внешней средой.

Абиоз. Это полное прекращение всех жизненных процессов в сырье и микроорганизмах, обеспечиваемое тепловой стерилизацией при температуре 116— 118 °C в течение 15—18 мин герметически укупоренных сгущенных нормализованных молочных смесей.

При такой обработке происходят необратимые изменения в протоплазме, белки которой коагулируют, что ведет к разрыву цитоплазменной оболочки и гибели микробной клетки, например, в сгущенном стерилизованном молоке. Стерилизованный продукт сохраняется, пока не нарушена герметичность упаковки.

Выводы

Хранимоустойчивость консервов — продуктов переработки молока определяют:

• • показатель активности воды или режим тепловой стерилизации;
• • герметичность упаковки;
• • уровень содержания снорообразующей микрофлоры, спор и осмофильиой микрофлоры вторичного обсеменения;
• • отсутствие неинактивированных ферментов;
• • соблюдение гарантийных условий хранения — температуры, продолжительности и относительной влажности воздуха.

Контрольные вопросы и задания

• 1. Что такое консервирование?
• 2. Назовите основные виды порчи пищевых продуктов.
• 3. Что такое активность воды?
• 4. Почему активность воды в продукте определяет возможности роста и развития микроорганизмов в нем?
• 5. Как можно понизить активность воды?
• 6. Какие виды микроорганизмов выдерживают низкую активность воды и какие практические выводы следуют из этого?