Основы низкотемпературных технологий

Облучение ультрафиолетовыми  лучами и ионизирующие излучения

Ультрафиолетовые лучи (УФ-лучи) – невидимая часть световых лучей с длиной волны 60÷400 ммк (миллимикрон) – обладают губительным для многих микроорганизмов действием. Однако проникающая способность ультрафиолетовых лучей не превышает 0,1 мм. Следовательно, под действием УФ-лучей происходит отмирание микроорганизмов лишь в поверхностном слое продукта. УФ-лучи можно использовать для стерилизации рассола и воды в тонком слое, воздуха, т.к. эти среды проницаемы для УФ-лучей. УФ-лучи действуют накопительно: последняя доза усиливает предыдущую. Под влиянием УФ-облучения пищевые продукты приобретают бактериостатический эффект, т.е. микроорганизмы, попадающие на облученную поверхность продуктов, развиваются и растут медленно, со значительным отклонением от нормы. С понижением температуры среды бактериостатический эффект продлевается.

Ионизирующие излучения получают двумя способами: с помощью рентгеновских аппаратов и путем радиоактивного распада изотопов, образующих α,β,γ-лучи. Ионизирующие излучения обладают сильным бактерицидным действием, обеспечивающим при достаточной дозировке полную стерилизацию за несколько секунд. Смертельная доза ионизирующих излучений для бактерий не превышает 0,5 млн рад, для плесеней – 1 млн рад. Наиболее перспективным направлением в использовании ионизирующих излучений при обработке пищевых продуктов является применение доз, не ухудшающих вид, вкус, запах, питательные свойства продуктов в сочетании с низкими температурами. Умеренные дозы облучения (до 0,5 млн рад) дают эффект, аналогичный пастеризации. При этом более длительный срок хранения может быть достигнут за счет понижения температуры, что уменьшает скорость размножения выживших микроорганизмов. Пороговые дозы для различных продуктов разные: для молочных продуктов – 70 крад (килорад); для мяса – от 300 до 2100 крад; для рыба – от 500 до 1800 крад. При таком воздействии, т.к. дозы значительно ниже летальных для микроорганизмов, продолжительность хранения продуктов определяется временем, необходимым для реактивации облученных микроорганизмов. Чем ниже температура хранения пищевого продукта, тем медленнее происходит реактивация выживших микроорганизмов. Так, мясные полуфабрикаты в вакуумной упаковке, облученные при дозе 0,5 Мрад (мегарад), сохранялись при температуре 20^оС в течение недели, а при температуре минус 5^оС – в течение 8 недель.

Осмотическое  давление. Микроорганизмы не имеют специальных органов питания и дыхания. Обмен веществ у них происходит путем осмоса через поверхность их тела. Осмос – это диффузия веществ в растворах через полупроницаемую перепонку. Он возникает под действием разности осмотических давлений в двух соседних слоях раствора по обе стороны полупроницаемой перепонки. Осмотическое давление равно избыточному внешнему давлению, которое нужно приложить со стороны раствора, чтобы прекратить осмос. Чем больше разность осмотических давлений, тем с большей силой будет протекать осмос растворенного вещества со стороны большего осмотического давления в сторону меньшего. Осмотическое давление зависит от концентрации среды. Для него применим закон парциальных давлений: в смеси растворенных веществ общее осмотическое давление равно сумме парциальных. Т.о., каждое растворенное вещество из смеси осмотирует в соответствии с собственным парциальным осмотическим давлением. Поэтому поступление питательных веществ в клетку не прекращается даже при их низкой концентрации во внешней среде. Поступившие в клетку питательные вещества усваиваются клеткой, и парциальное давление внутри клетки будет всегда ниже, чем во внешней среде. В естественных благоприятных условиях микроорганизмы живут в средах с различным осмотическим давлением. Однако многие из них чувствительны к нарушению осмотического давления питательной среды из-за изменения ее концентрации, т.к. при этом нарушается нормальный обмен веществ между клеткой микроорганизма и внешней средой. Так, при увеличении концентрации поваренной соли в среде до 3% развитие многих микроорганизмов тормозится, а при увеличении концентрации до 20÷25% оно почти полностью прекращается.

Влажность среды. В клетках большинства микроорганизмов содержится 75÷90% влаги. Микроорганизмы могут развиваться только при достаточной влажности. С понижением влажности среды развитие микроорганизмов замедляется или прекращается. Минимальная влажность для развития бактерий – 20÷30%, для плесневых грибов – 12÷15%. Т.о., обезвоживанием (сушкой) можно полностью предотвратить микробиальную порчу продуктов. Однако многие микроорганизмы обладают большой выносливостью к сушке. Так, например, молочнокислые бактерии сохраняются в сухом виде месяцами, что позволяет применять их в виде сухих заквасок.

2.2 Химические  факторы, влияющие на активность микроорганизмов и тканевых ферментов

Среди химических факторов особое влияние на активность микроорганизмов оказывают химический состав и реакция среды, окислительно-восстановительные условия среды.

Состав среды. Рост, развитие и размножение микроорганизмов требуют большого расхода энергии. Потребность организма в энергии удовлетворяется в процессе дыхания. Большинство микроорганизмов в процессе дыхания используют кислород воздуха. Такие микроорганизмы называются аэробными (аэробы). Окислительные реакции сопровождаются выделением различного количества тепловой или другой энергии, которое частично используется микроорганизмами на их жизненные процессы. Конечными продуктами являются углекислый газ и вода. Например, уксуснокислые бактерии в процессе дыхания окисляют этиловый спирт до уксусной кислоты или полностью до углекислого газа и воды

С₂Н₅ОН + О₂ = СН₃СООН + Н₂О + 116 ккал;

С₂Н₅ОН + 3О₂ = 2СО₂ + 3Н₂О + 326 ккал.

Другая группа микроорганизмов  не нуждается в кислороде воздуха  и получает энергию в результате безкислородного дыхания (брожения). Такие микроорганизмы называются анаэробные (анаэробы). Например, при спиртовом брожении сахар распадается на спирт и углекислый газ с выделением теплоты

С₆Н₁₂О₆ = С₂(Н₅ОН)₂ + 2СО₂ + 27 ккал.

Третья группа микроорганизмов может жить как в присутствии, так и при отсутствии кислорода. Они называется факультативные аэробы или анаэробы.

Основные изменения, развивающиеся  при хранении продуктов, в том  числе и обезвоженных, и приводящие к ухудшению их свойств, также обусловлены действием кислорода воздуха, окисляющего многие составные части продуктов. Для предотвращения этого продукты помещают в герметичную тару, вакуумную упаковку. Вакуумная упаковка – помещение продуктов в газонепроницаемую упаковку и откачивание из нее воздуха. В этом случае окислительные процессы, протекающие обычно под действием воздуха и ухудшающие качество продукта, резко затормаживаются, поверхностный слой не подсыхает, сохраняется цвет и исходные пищевые свойства продукта. Кроме того, помещая продукты в вакуумную упаковку, можно подавить активность аэробной микрофлоры.

Помимо вакуума, для  подавления жизнедеятельности микроорганизмов  используют также смесь воздуха с углекислым газом, азотом, сернистым газом  и пр. Высокие концентрации СО₂ подавляют развитие не только аэробных, но и анаэробных бактерий. Однако содержание СО₂ в атмосфере хранения продуктов не должна превышать 25%. Более высокое содержание СО₂ в воздухе ухудшает качество и вид продуктов. Эффективность действия СО₂ на микроорганизмы возрастает с понижением температуры. Более чувствительны к СО₂ плесени, менее – бактерии. Углекислый газ обладает большой растворимостью в жирах, которая повышается с понижением температуры. СО₂ в жире находится в свободном состоянии и при перенесении продукта в обычную среду начинается его выделение (десорбция). Особенно целесообразно хранение продуктов растительного происхождения в среде с повышенным содержанием СО₂. При этом не только подавляется жизнедеятельность микроорганизмов, но и обеспечивается более медленное созревание плодов за счет снижения интенсивности их дыхания, что увеличивает срок хранения при температурах, близких к 0^оС, в 2÷3 раза. Аналогично влияют на микроорганизмы повышенные концентрации азота и сернистого газа. Так, озонирование камер хранения продуктов (ξ = 25÷40 мг/м³) обеспечивает очистку воздуха от микрофлоры за 48÷72 часа, а ежедневная подача с помощью озонаторов азота в течение 4÷5 часов значительно приостанавливает развитие плесеней и образование спор. Окуривание камер хранения плодово-ягодного сырья сернистым газом (SO₂) задерживает развитие плесеней и гнилостных бактерий. Т.к. поглощенный сернистый газ в процессе хранения улетучивается, то необходимую концентрацию периодически поддерживают готовым, полученным в заводских условиях  SO₂ или сжиганием серы в камерах, либо постоянно, с применением таблеток бисульфита и метабисульфита калия и натрия, которые, разлагаясь, выделяют сернистый газ.

Возможно и непосредственное воздействие на микроорганизмы антибиотиками  и антисептиками, которые безвредны для продуктов, достаточно стойки к воздействию различных факторов внешней среды и обладают способностью инактивирования (разрушения) при технологической кулинарной обработке продуктов. Широкое распространение получило применение ауреомицина, стрептомицина, хлормицетина, террамицина.

В процессе хранения жиросодержащих продуктов происходит ферментативная порча жира. Способствовать торможению процесса окисления жира можно применением  антиокислителей, имеющих более  легкую, по сравнению с жирами, окисляемость. Наиболее распространенные антиокислители  – токоферол, сезамол, госсипол, а также синтетические вещества – бутилокситолуол, бутилоксианизол и др. Антиокислители могут вводить непосредственно в жировую ткань продукта либо добавлять в контактирующую с продуктом среду.

Реакция среды. Изменение реакции среды влияет на электрический заряд поверхности клетки, в связи с чем изменяется ее проницаемость для отдельных ионов. Для большинства плесеней и дрожжей наиболее благоприятна слабокислая среда (рН=3,0÷6,0), для бактерий – нейтральная или слабощелочная (рН=6,5÷8,0). В зависимости от условий среды и физиологических особенностей самих микроорганизмов эти значения могут колебаться. Некоторые микроорганизмы способны сами изменять реакцию среды, выделяя какую-либо органическую кислоту в числе продуктов обмена. Некоторые микроорганизмы при изменении реакции среды погибают, а некоторые способны регулировать реакцию среды, образуя вещества, подкисляющие или подщелачивающие среду. Так, дрожжи в кислой среде вырабатывают нейтральный продукт – этиловый спирт. В нейтральной среде они сначала образуют уксусную кислоту, а затем начинается выработка этилового спирта.

2.3 Биологические  факторы, влияющие на активность  микроорганизмов и тканевых ферментов

На жизнедеятельность микроорганизмов оказывают влияние другие организмы, живущие в тех же условиях, т.е. развитие микроорганизмов зависит от биологического состава среды. Взаимоотношения между  микроорганизмами могут быть различными.

Симбиоз – сожительство,  приносящее взаимную пользу. Например, дрожжи и молочнокислые бактерии стимулируют жизнедеятельность друг друга.

Метабиоз – жизнедеятельность одних микроорганизмов способствует развитию других. Например, одни микроорганизмы, расщепляя натуральные белки, создают условия для развития микроорганизмов, способных усваивать только продукты распада белка.

Антагонизм – неблагоприятное влияние одних микроорганизмов на другие. Например, молочнокислые бактерии тормозят развитие гнилостных бактерий.

Паразитизм – развитие одних микроорганизмов за счет других. Паразиты – возбудители различных болезней человека, растений, животных.

Т.о., деятельность микроорганизмов и тканевых ферментов проявляется лишь при благоприятных внешних условиях: физических, химических и биологических. Изменяя эти условия, можно ослабить или полностью прекратить деятельность микроорганизмов и тканевых ферментов и, следовательно, предотвратить порчу продуктов. В этом и заключается сущность консервирования.

2.4 Принципы консервирования  пищевых продуктов

Существует много способов консервирования продуктов, основанных на воздействии перечисленных выше физических, химических и биологических факторов, влияющих на активность микроорганизмов и тканевых ферментов: сушка, соление, вяление, квашение, копчение, пастеризация, стерилизация, обработка холодом и др. Все существующие способы консервирования классифицированы одним из основоположников товароведения профессором Я.Я.Никитинским по четырем принципам: биозу, анабиозу, ценоанабиозу, абиозу.

Биоз (жизнь) – поддержание жизненных процессов сохраняемых продуктов и использование для этой цели их иммунитета. Например, хранение плодов и овощей в естественном состоянии, хранение и перевозка живой рыбы в воде.

Анабиоз (торможение жизни) – замедление, подавление жизнедеятельности микроорганизмов и активности тканевых ферментов. На таком принципе основаны многочисленные способы консервирования: сушение, вяление, посол, маринование, спиртование, холодильная обработка и др.

Ценоанабиоз (новое или вторичное торможение жизни) – подавление вредной микрофлоры за счет создания условий для развития полезной микрофлоры, способствующей сохранению продукта. Например, квашение, производство кисломолочных продуктов. При производстве кефира, простокваши в молоко вносят специальные молочнокислые микроорганизмы и создают благоприятные условия для их жизни, в результате чего образуется кислая среда, которая губительно действует на вредную микрофлору.

Абиоз (отрицание жизни) – полное прекращение жизнедеятельности микроорганизмов и деятельности тканевых ферментов. На принципе абиоза основаны методы консервирования, в основе которых лежит действие высоких температур, антибиотиков, применение переменного тока высокой и сверхвысокой частоты и других факторов.

Лучшим способом консервирования  является тот, при котором возможно более длительное хранение продукта с наименьшими потерями пищевой ценности и массы. Этим требованиям в наибольшей степени отвечает применение искусственного холода, чем, собственно, и занимается холодильная технология пищевых продуктов.

3 Основные  понятия холодильной технологии

На пищевых предприятиях холод  используется при промышленном производстве многих пищевых продуктов и при их хранении. Воздействие холодом на пищевые продукты может быть различным, в зависимости от цели. В связи с этим, выделяют два основных понятия холодильной технологии пищевых продуктов: холодильная обработка и холодильное хранение.

Холодильная обработка включает процессы охлаждения, подмораживания, замораживания, домораживания, а также отепления и размораживания. Цель холодильной обработки – изменение температуры продукта как главного параметра холодильной технологии.

Охлаждение – процесс отвода теплоты от продукта с понижением его температуры в толще не ниже криоскопической. Криоскопической называют температуру начала замерзания тканевого сока. Срок хранения охлажденных продуктов не превышает нескольких дней.

Подмораживание – процесс отвода теплоты от продукта с понижением его температуры несколько ниже криоскопической, сопровождающийся частичной  кристаллизацией влаги в поверхностном слое. Продолжительность хранения подмороженных продуктов увеличивается в 2÷2,5 раза по сравнению с охлажденными.