Понятие о формуле стерилизации

Условная запись теплового режима стерилизаторов периодического действия называется формулой стерилизации:

, где

А – продолжительность прогрева автоклава и банки от начальной температуры до температуры стерилизации, мин;

В – продолжительность собственно стерилизации, мин;

С – продолжительность снижения температуры до уровня, позволяющего производить разгрузку аппарата, мин;

Т – заданная температура стерилизации, мин.

Изменение температуры во времени процесса стерилизации показано на термограмме (рис. 1).

Рис. 1

Температура в центре консервов отстает от температуры в автоклаве. Кроме того, консервы по объему прогреваются неравномерно: быстрее в периферийной части и медленнее с центре. Следовательно, формула стерилизации должна предусматривать такие условия теплового режима, чтобы обеспечить достаточный прогрев центральной части консервов, хотя это и приводило бы к перегреву периферийных слоев. Учитывая, что споры отмирают только при температуре выше 100 °С, общий эффект режима стерилизации может быть выражен на термограмме площадью, ограниченной отрезком abcd.

Анализ величин, входящих в формулу стерилизации, показывает, что значения А и С зависят в основном от конструктивной особенности и размеров автоклава, типоразмера тары, начальной и конечной (до стерилизации и после охлаждения) температуры консервов.

Технические характеристики вертикальных автоклавов различаются незначительно, а температура порционирования продукта регламентируется на относительно постоянном уровне, поэтому значение величины А будет зависеть в основном от объема и вида тары. В связи с этим при работе на вертикальных автоклавах пользуются постоянными значениями А: для жестяных банок вместимостью до 1кг – 20-25 мин, для банок большей вместимости – 30 мин, для стеклянных банок по 0,5 кг – 25 мин, вместимость 1 кг – 30 кг.

Продолжительность периода С обусловлена необходимостью выравнивания давления в стерилизованной банке с атмосферным (и соответственно проведением охлаждения) перед выгрузкой из автоклава. Пренебрежение этапом С приводит к необратимой деформации жестяных банок или к срыву крышек со стеклянной тары. Значение величины С колеблется в диапазоне от 20 до 60 мин в зависимости от объема тары.

Таким образом, основная роль в обеспечении требуемого стерилизующего эффекта при использовании формулы стерилизации принадлежит величине В, а точнее, интегральному эффекту от воздействия В и Т на микроорганизмы.

Выбор величины Т, как указывалось ранее, зависит от вида консервов и устанавливается на уровне, вызывающем наименьшее изменение качественных показателей продукта. Следовательно, при расчете формулы стерилизации для новых консервов основная задача сводится к определению величины В.

В условиях организации непрерывно-поточного производства важное значение приобретает необходимость сокращение продолжительности процесса стерилизации. Одним из путей решения этой проблемы является использование стерилизаторов непрерывного действия, в которых отпадает необходимость предварительного прогрева аппарата и две величины – А+В образуют одну – В '. тогда формула стерилизации приобретает вид:

Формулы стерилизации для каждого вида консервов утверждаются ГОСТом, и несоблюдение стандарта преследуется по закону. Корректировку, оптимизацию, расчет новых формул стерилизации, их утверждение выполняют специальные органы в следующих случаях:

при создании новых видов консервов;

усовершенствование технологии консервирования;

совершенствовании и модернизации существующего стерилизационного оборудования;

внедрении новых типоразмеров тары;

переходе на новые температурные уровни процесса;

пересмотре действующих режимов стерилизации консервов.

Предлагаемые режимы стерилизации проходят лабораторную и производственную проверку, результаты которой рассматривают союзные (республиканские), ведомственные или по их указанию отраслевые научно-исследовательские институты (лаборатории).

Выбор оптимального режима стерилизации консервов

Принцип расчета режима стерилизации консервов.

Формула стерилизации (1) не дает представления об эффективности уничтожения микрофлоры в продукте. Используемые для разных видов консервов режимов стерилизации даже при одинаковых значениях А и С отличаются продолжительностью В и температурой Т, что затрудняет сопоставление их стерилизующего действия.

Значение микробиологических, биохимических и теплофизических основ тепловой стерилизации позволяет оценить влияние отдельных факторов и условий среды на степень выживаемости микроорганизмов, но не дает возможности точно установить значение В и эффективность режима стерилизации.

Существует несколько методов установления режимов стерилизации по степени инактивности микрофлоры и изменения пщевой ценности продукта. При этом значение а и С принимают как величины постоянные (для данного типа автоклава и вида консервов), а величину В устанавливают произвольно, впоследствие повышают и уточняют.

С целью гарантирования микробиологической стабильности консервов при хранении при установлении формулы стерилизации ориентируются на создание условий отмирания для флоры в центральной зоне банки.

Определение формулы стерилизации по величине стерилизующего эффекта.

Критерием эффективности стерилизации является степень инактивации микроорганизмов. Формулу стерилизации определяют практически, аналитическим и графическим путем.

Наиболее распространен и точен графический метод расчета. Он основан на построении термограммы стерилизации консервов (по центральной зоне), определении полученного общего эффекта инактивации спор (F_эффект) и сопоставлении последнего с нормальным расчетным эффектом (F₀).

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.

Для расчета задаются постоянными значениями А, С и Т экспериментальной формулы стерилизации, вместимостью и формой банки, видом продукта, типом преобладающей в сырье микрофлоры, ее начальной и конечной концентрацией. Величину В устанавливают произвольно. В центральную зону продукта вводят термопару и через определенные интервалы времени (обычно 5 мин) регистрируют изменение температуры в консерве и строят термограмму. 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 формулы стерилизации равен сумме элементарных стерилизующих эффектов в каждой точке нагрева и охлаждения консервов (рис. 1 участков abcd). Графически величина F_эффект на термограмме выражена площадью, ограниченной кривой abcd в зонах температур выше 100 °С и состоящей из элементарных площадей-трапеций.

Используя формулу приближенного интегрирования по методу прямоугольников, находим F_эффект:

где

k₁ – высота прямоугольника;

d_τ – основание прямоугольника, равное интервалу времени замера температур (y=5мин);

y – продолжительность действия на микроорганизмы данной температуры, мин.

В качестве эталонной температуры микробиологи всех стран принимают температуру 121,1 °С (250 °F). Следовательно перерасчет заключается в установлении F – отрезка 121,1°-ного времени, эквивалентному по действию на микрооранизмы отрезку времени при любой данной температуре.

Перерасчет осуществляется с помощью коэффициента K_F.

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 (3)

t – температура в момент измерения, °С;

Z – параметр, характеризующий устойчивость выбранной тест-культуры к нагреау, °С.

Экспериментально установлено, что величина Z составляет для Cl. botulinum 10 °С, Cl.sporogenes – 9,5 °C, термофильных бактерий – 10 °С. учитывая, что в формуле расчета значений переводных коэффициентов К_F для данного вида микроорганизмов величина Z остается постоянной. При определениях К_F можно пользоваться справочными таблицами. Перечень значений К_F для параметра Z=10 °C в диапазоне температур от 95 до 125 °С представлен в табл. 1.

Таблица 1

По приведенным коэффициентам К_F рассчитывают стерилизующий эффект по термограмме:

(4)

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

В процессе нагрева значение температуры на каждом отдельном (пятиминутном) участке термограммы постоянно изменяется, поэтому для удобства проведение расчета условно принимают температуру каждого участка постоянной и равной величине, среднеарифметической граничным точкам отрезка.

По данным опыта для термограммы экспериментальной формулы стерилизации можно составить таблицу 2.

Таблица 2

Продолжительность нагрева, мин y=5 мин	Температура в центре банки. °С	Средняя температура в центре банки за период y, °C	КF
	93
			0.0049
			0,0246
			0.0775
		И т.д.

По данным опыта для термограммы экспериментальной формулы стерилизации сожно составить таблицу (табл.55).

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

при постоянной температуре стерилизации скорость отмирания спор какой-либо определенной культуры является функцией их концентрации и может быть описана выражением (…/dτ)=KB, которое после интегрирования принимает вид:

обозначив фактор скорости 1/К через коэффициент D, можно записать уравнение так:

(5)

Установлено, что в полулогарифмических координатах коэффициент D соответствует 1/tgα (где α – угол наклона прямой выдерживаемости спор при данной температуре и условиях среды) и является величиной постоянной для каждого вида микроорганизмов. Коэффициент соответствует интервалу времени. Необходимого для снижения концентрации спор в продукте на один порядок (т.е. в 10 раз) под воздействием какого-либо определенной температуры.

Экспериментально найдено, что величина D при эталонной температуре 121,1 °С (250 °F) составляет для

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

Зная уровни начальной и конечной (требуемой) микробиологической обсемененнойсти 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:

(6)

величина F₀ показывает необходимую продолжительность процесса стерилизации продукта при постоянном воздействии 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 b, а также колебания в значениях рН, содержании жира и других технологических факторах, и с целью обеспечения минимальногго уровня конечной микрофлоры, в расчетной формуле предусматривается вероятность отклонения от начальной концентрации спор на два порядка (в 100 раз)

(7)

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

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

В случае F_эффект>F₀ продолжительность стерилизации в изучаемой формуле чрезмерна и избыточный стерилизующий эффект составляет

(8)

При условии F_эффект<F₀ время нагрева недостаточно для обеспечения необходимого уровня стерильности на величину

(9)

Избытоное или недостаточное время собственно стерилизации находят по формуле

(10)

где F_x – избыточный или недостаточный по сравнению с нормативным стерилизующий эффект, мин; Т – температура собственно стерилизации исследуемого режима нагрева, °С; z – 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>F₀ формула стерилизации будет иметь вид

[A+(B-y_x)+c]/T.

а при F₀<F_эффект уточненная формула стерилизации превращается в

[A+(B+y_x)+C]/T.

Т.о. научно обоснованной формулой стерилизации является такая, фактическая летальность которой равна или несколько вышек 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 дает предпосылки к повышению качества консервируемых мясопродуктов и снижению энергоемкости производства. Знание величины F_эффект позволяет спрогнозировать степень стабильности готовой продукции при хранении.

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

P=B*10^2-(F_эффект^/D_121,1⁾,

Где В – начальная концентрация спор в банке; F_эффект – фактическая летальность режима стерилизации, усл.мин; D_121,1 – константа термоустойчивость, усл.мин.

Оптимальное значение Р составляет 0,01%