СТЕРИЛИЗОВАННОЕ МОЛОКО
При многочисленных исследованиях понятие “стерилизованное молоко” формулировали по-разному, как правило, не совсем точно. Для более точного и полного определения его рассматривали с трех точек зрения: способности достаточно долго сохранять свои качества после стерилизации, отсутствия любых микроорганизмов, способных размножаться после стерилизации, и отсутствия микроорганизмов, вредных для здоровья человека (патогенных и токсиногенных зародышей), а также токсинов.
В результате стерилизации значительно увеличивается срок хранения молока, однако он ограничен по следующим причинам:
В стерилизованном молоке хорошего качества перечисленные изменения протекают очень медленно и только через несколько лет превращают его в негодное к употреблению. С практической точки зрения они не препятствуют выработке стерилизованного молока, однако служат критерием, характеризующим продолжительность его хранения.
Для получения стерильного продукта необходимо уничтожать микроорганизмы, которые могут вызвать порчу молока. Стерильный продукт характеризуется полным отсутствием жизнедеятельных микроорганизмов, однако их наличие не всегда приводит к порче, что объясняется двумя причинами.
Порчу продукта могут вызвать бактерии, присутствующие в достаточном количестве. Жизнедеятельный, но не способный к размножению зародыш, находящийся в большом объеме среды, из-за индивидуального метаболизма не вызывает ее порчи. Чтобы в молоке накопилось достаточное количество микроорганизмов, они должны быть способны к размножению. Определенные зародыши в молоке не могут размножаться в результате действия внутренних факторов, связанных с микроклеткой, и внешних, связанных с химическим или биологическим строением среды. Возможное размножение зародышей не всегда вызывает порчу продукта - даже после инкубации размножение зародышей, переживших тепловой процесс, не всегда вызывает “физико-химические изменения в молоке”.
На основании изложенного можно считать, что стерилизованное молоко должно быть свободно от микроорганизмов, размножающихся путем новообразований, и от зародышей, вызывающих порчу. Следовательно, стерилизованное молоко, предназначенное для реализации, не обязательно должно быть абсолютно стерильным.
Добиться полного уничтожения всех микроорганизмов и осуществить контроль стерильности молока можно при высокой технике стерилизации и контроля. Но если применить самые лучшие методы контроля для обнаружения жизнедеятельного микроорганизма, правильный результат получится только для исследуемого образца, а не для всего стерилизованного молока. Следовательно, определение стерилизованного молока, основанное на абсолютной стерильности, нельзя рекомендовать для практических целей.
На практике следует учитывать не отсутствие микроорганизмов вообще, а микроорганизмов, способных к размножению. Некоторые микроорганизмы, находящиеся в стерилизованном молоке, даже не размножаясь и не вызывая его порчи, могут нанести серьезный вред человеку. К ним относятся споры патогенных микроорганизмов, токсиногенные зародыши и термостойкие токсины.
Исходя из изложенных точек зрения, стерилизованное молоко должно:
ТЕОРИЯ СТЕРИЛИЗАЦИИ
В зависимости от применяемых технических средств стерилизация молока может быть тепловой, химической или ионизированным излучением. В данном случае под термином “стерилизация” понимают тепловую стерилизацию.
Для вывода теоретического обоснования уничтожения бактерий при тепловой стерилизации существует следующий эксперимент.
Из спор хорошо известных видов бактерий готовили однородную микробиологическую суспензию и измеряли первоначальную концентрацию С0 жизнедеятельных клеток в единице объема. Затем суспензию подвергали тепловой обработке при различных комбинациях температуры и продолжительности, причем переменным являлся только один параметр.
При постоянной температуре количество переживших тепловое воздействие спор подсчитывают через равные промежутки времени, т. е. определяют их концентрацию С в конце каждого периода времени. По полученным данным строят график, показывающий постоянное снижение концентрации С как функцию времени t. Построить такой график очень сложно из-за большого разброса данных о концентрации переживших спор, поэтому строят график логарифма С как функции времена действия при постоянной температуре.
Рис. 1. Полулогарифмическая зависимость изменения количества спор от продолжительности нагрева.
Полученный график (рис. 1) - прямая линия в зоне высокой концентрации при условии использования суспензии из спор с совершенно однородным термическим сопротивлением. Следовательно, полулогарифмическая зависимость термического разрушения спор в функции от продолжительности нагрева является прямой линией. Математическое выражение можно представить равенством
y = b - ax,
где y = log C; b = log C0; x = t мин.
Коэффициент a показывает наклон графика и зависит от выбранной температуры. Равенство можно представить в виде
log C = log C0 - at
или
log C - log C0 = log (C / C0) = - at.
Оно выражает полулогарифмическую зависимость изменения отношения конечной и начальной концентраций от продолжительности нагрева, т. е. показывает часть первоначального количества спор, выдержавших тепловую обработку в течение времени t.
Рис. 2. Полулогарифмическая зависимость изменения C/C0 от продолжительности нагрева.
Графическое выражение (рис. 2) представляет собой семейство прямых линий {1, 2}, проходящих через начало координат. Каждый график соответствует определенной температуре. Значение log(C/C0), очевидно, всегда отрицательно, так как C/C0 всегда меньше 1. Построенные графики не соответствуют действительной форме, показывающей ход бактериологического разрушения, так как они просто представляют собой изменения логарифма количества спор, выдержавших тепловую обработку. Логарифмическую функциональную зависимость выражали как функцию, показывающую изменения, которые соответствуют числам, так как логарифм числа N является степенью, в которую возводится основание В для получения числа N.
Между числом N и его логарифмом существует следующая связь:
N = BlogN.
Чтобы перейти от log(C/C0) к C/C0, можно написать
C/C0 = Blog(C/C0
)но
log (C/C0) = - at,
откуда
C/C0 = B -at.
В начале координат при t = 0, C/C0 = 1, то есть C = C0. Полученное выражение можно представить в виде
C=C0B -at
а это показательная функция y = k x.
Кривая, представляющая эту функцию, состоит из двух ветвей - параболы и гиперболы. Вторая ветвь (рис. 3) асимптотически приближается к оси x(t).
Рис. 3. Зависимость изменения количества спор от продолжительности нагрева.
Однако тепловое разрушение микроорганизмов не всегда выражается графиком логарифмического вида, так как в чистых культурах могут содержаться более термостойкие клеточные семейства. Культура приобретает термостойкость, например, под влиянием старения. В ряде случаев это свойство является врожденным, генетического происхождения, следовательно, передается по наследству. Бактерия способна наследовать характеристики, собранные в генах, содержащихся в хромосомовом комплексе клеток, поэтому истинные генетические изменения могут быть причиной появления передающейся изменчивости.
Чтобы определить, можно ли достигнуть абсолютной стерильности продукта, вводят понятие о скорости теплового разрушения. Скорость теплового разрушения - количество клеток, погибших в единицу времени.
Vn = ( Cn–1 - Cn ) / dt
При тепловой обработке концентрация и скорость разрушения бактерий уменьшаются в зависимости от продолжительности нагрева. Скорость разрушения пропорциональна концентрации. Это понятие идентично понятию мономолекулярной реакции, когда при понижении концентрации понижается скорость. В пределе такой реакции, когда концентрация становится малой, скорость становится также бесконечно малой, а продолжительность реакции - бесконечно большой. Последняя клетка разрушится через бесконечно большой промежуток времени, завершения процесса уничтожения бактерий практически достичь невозможно и, следовательно, не может быть абсолютной стерилизации. Такой вывод подтверждается тем фактом, что график второй части показательной функции заканчивается гиперболой, асимптотически приближающейся к оси времени. Отсюда следует, что понятие "логарифмической смерти" не совместимо с понятием стерильности.
Но, бесконечно малая концентрация, которая потребовала бы бесконечной продолжительности разрушения последней клетки, характерна для бесконечно большого объема. В ограниченном объеме концентрация микроорганизмов может не быть бесконечно малой с соответствующей бесконечно большой продолжительностью разрушения и для разрушения последней клетки не потребуется бесконечно большой продолжительности нагрева. Следовательно, достигнуть стерильности в данном объеме теоретически можно. Кроме того, на показательном графике величина C или C/C0 не стремится к нулю, а величина C стремится к единице (последний зародыш). Этой ординате на оси времени соответствует величина, располагающаяся на определенном расстоянии от начала координат, но не в бесконечности.
Такая аргументация подкрепляется в том случае, если бактериальная смерть не соответствует логарифмическому закону в области малых концентраций, то есть полулогарифмическая кривая в зоне не соответствует прямой линии. Следовательно, кривая изменения C в определяемой области не является показательной функцией и не имеет форму гиперболы.
На основании изложенного выше можно сделать следующие выводы:
ДОСТИЖЕНИЕ СТЕРИЛЬНОСТИ НА ПРАКТИКЕ
В чистых культурах бактерий, а также в смесях встречаются спорообразуюшие виды различной термостойкости. На приобретаемую термостойкость влияют внешние факторы: агглютинация, селективная абсорбция некоторых элементов среды на самих организмах, изменение строения среды и др. Следовательно, в комплексной бактериологической среде, такой как молоко, находятся клетки с различной термостойкостью.
Термостойких клеток в молоке в обычных условиях немного, поэтому вероятность обнаружения зародышей с исключительной термостойкостью повышается с увеличением количества организмов, загрязняющих среду. Чтобы достигнуть стерильности, продукт подвергают термической обработке (при определенной комбинации температуры и продолжительности нагрева), при которой разрушаются наиболее стойкие организмы. Чем больше организмов содержится в среде, тем более строгими должны быть условия обработки, поэтому стерилизация очень загрязненной среды вызывает большие трудности. В среде могут оказаться клетки с ультравысокой термостойкостью, количество которых зависит от загрязненности среды.
Для надежной стерилизации десятков тонн молока, которое является мутной и почти нейтральной средой, требуются высокотемпературные тепловые режимы. Однако при таких режимах изменяются органолептические свойства молока (и большинства пищевых продуктов), поэтому практически невозможно достигнуть стерильности молока по причинам, не относящимся к бактериологии. Следовательно, невозможно стерилизовать большие объемы молока до действительной стерильности без изменения его свойств.
Например, при стерилизации 50 м3 молока для уничтожения самых последних спор весь объем необходимо подвергнуть очень жесткой тепловой обработке. Если 50 м3 разделить на 50000 емкостей по 1 л, то термостойкие споры будут находиться не во всех емкостях, а только в некоторых. Следовательно, допускаются менее жесткие условия тепловой обработки с сохранением органолептических свойств продукта. В результате может получиться, что емкости, в которых находились наиболее термостойкие споры, не разрушившиеся при выбранных условиях, содержат нестерильный продукт, а емкости, в которых не было этих спор или имелись менее стойкие формы, - стерильный.
Следовательно, в емкостях, где микроорганизмы разрушились при менее жестком режиме стерилизации, была достигнута абсолютная стерильность. На практике необходимо снизить до определенного процентного соотношения количество емкостей этих видов. Процентное соотношение количества емкостей, содержащих стерильный и нестерильный продукт, зависит:
Стерильность, полученная распределением молока в емкостях, - это результат статистической (количественной) вероятности. Она отвечает приведенной формулировке стерилизованного молока. Емкости могут содержать микроорганизмы, способные развиваться в молоке (продукт не соответствует определению стерилизованного молока), и микроорганизмы, не развивающиеся в молоке (продукт соответствует определению стерилизованного молока).
На практике хорошие результаты по тепловой обработке молока можно получить двумя методами:
ДЕЙСТВИЕ ТЕПЛОВОЙ СТЕРИЛИЗАЦИИ НА ПИТАТЕЛЬНУЮ ЦЕННОСТЬ МОЛОКА
При нагревании пищевых продуктов частично разрушаются их питательные компоненты, меняется их химическая структура и возможна потеря определенного физиологического действия. Тепловая стабильность различных составляющих (аминокислот, углеводов, жирных кислот, солей, витаминов) различна. Степень их разрушения зависит не только от продолжительности и температуры тепловой обработки, но и от рН, присутствия кислорода, катализаторов и т. д.
При стерилизации молока, которое содержит питательные вещества, потери некоторых из них неизбежны:
Рост детей несколько замедлен при кормлении стерилизованным молоком (по сравнению с пастеризованным), однако разница настолько мала, что это молоко можно применять для питания детей (необходимо дополнительно давать витамин С);
Для питания взрослых стерилизованное молоко вполне пригодно, потому что оно содержит все необходимые белки и минеральные соли.
СТЕРИЛИЗАЦИЯ ПРИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОМ РЕЖИМЕ
При нагреве в молоке не только уничтожаются микроорганизмы, но и изменяется цвет и вкус его, биологическая ценность некоторых белков и разрушаются витамины. Степень этих изменений зависит от температуры стерилизации. Скорость уничтожения микроорганизмов при повышении температуры увеличивается быстрее скорости нежелательных химических изменений. Следовательно, если молоко нагревается до высокой температуры за более короткое время, то химические изменения будут меньше при той же степени уничтожения микроорганизмов. Отношение бактерицидного эффекта к одному из химических изменении (побурение молока) изменяется незначительно в пределах температур, применяемых для стерилизации молока в бутылках. При температурах свыше 130oС это отношение увеличивается значительно (рис. 4), что и используют при высокотемпературных режимах. Стерилизованное при таких режимах молоко содержит меньше бактерий. Изменения цвета и вкуса - незначительные. Чем выше температура стерилизации, тем лучше протекает процесс, но максимальная температура ограничивается практическими соображениями.
Рис. 4. Зависимость отношения бактериального эффекта к эффекту побурения от температуры нагрева.
При температуре 150oС споры бактерий разрушаются за 1 секунду. Высокие температуры при короткой выдержке могут быть получены только в поточных схемах. Молоко нагревают, смешивая его с паром (пароконтактные установки) или непосредственно через стенку из нержавеющей стали паром высокого давления в стерилизационных автоматизированных установках.
В пароконтактных системах молоко до температуры стерилизации нагревается при смешении с паром, который конденсируется и отдает скрытую теплоту. Излишки влаги из молока удаляют выпариванием в вакуум-камере. В это время оно охлаждается. Если вакуум в охлаждающей камере эквивалентен температуре молока перед смешением его с паром, то вся добавленная в виде конденсата вода будет удалена при охлаждении. Детальный анализ показывает, что температура молока после вакуумного охлаждения должна быть выше, чем перед паровым нагревом. Молоко после охлаждения будет иметь концентрацию сухих веществ, равную концентрации сухих веществ в исходном молоке. Высокие требования к качеству пара, контроль и регулирование содержания сухих веществ играют большую роль при выработке стерилизованного питьевого молока.
В стерилизаторах с поверхностным нагревом молоко нагревается через стенку из нержавеющей стали. Стенка может представлять собой волнистую пластину (пластинчатый нагреватель), с одной стороны которой проходит молоко, а с другой - греющий пар (в конечной стадии нагрева), трубу в паровой камере или теплообменник. Молоко нагревается до конечной температуры 130 - 140oС. Чтобы предотвратить кипение молока, создается обратное давление приблизительно на 1 атм выше давления, соответствующего максимальной температуре, при которой стерилизуется молоко. Пластинчатые нагреватели дороже чем трубчатые. Имеют низкие эксплуатационные характеристики (короче срок службы при непрерывном процессе производства, требуется большое время на промыв, высокие трудозатраты на ремонт и техническое обслуживание).
