Készítette Dr. Rajkó Róbert Rajkó Róbert: Hőkezeléses tartósítás és mechanikus műveletek, elméleti és gyakorlati útmutató a szendvics-jellegű üzemi gyakorlatok kidolgozásához élelmiszertechnológus szakos hallgatók részére, Phare jegyzet, Szeged, 1997. p. 62. Rajkó Róbert: Hőkezeléses tartósítás és mechanikus műveletek, elméleti és gyakorlati útmutató a szendvics-jellegű üzemi gyakorlatok kidolgozásához élelmiszeripari gépész szakos hallgatók részére, Phare jegyzet, Szeged, 1997. p. 62. jegyzetei alapján. A további elmélyülést segítő feldolgozott irodalmak a jegyzetek Felhasznált és ajánlott irodalmak fejezetében találhatók.
Élelmiszertartósítási módszerek Az eltarthatóság szempontjából döntő jellemző az élelmiszerek vízaktivitása, amely zárt térben az élelmiszer fölött kialakuló páratér relatív páratartalma és az ugyanezen hőmérsékleten lévő tiszta víz feletti tér relatív páratartalmának hányadosa (másképpen, de ezzel egyenértékűen megfogalmazva: az élelmiszer feletti tér vízgőztenzió aránya a tiszta víz gőztenziójához):
ϕ élelmiszer aw = ϕ tiszta víz
felett felett
pélelmiszer = ptiszta víz
A tiszta víz vízaktivitása természetszerűleg 1, az élelmiszereké ennél kisebb, az erősen romló élelmiszereké 0,8-nél nagyobb, a jól eltartható élelmiszereké 0,6-nél kisebb.
felett felett
.
Élelmiszerek vízaktivitása aw
Élelmiszer
1,00 - 0,98
friss nyers gyümölcs, zöldség, hús, hal
0,98 - 0,95
főtt húskészítmények, kenyér
0,95 - 0,91
pácolt húskészítmények, sajtok
0,91 - 0,87
szalámi, szörpök
0,87 - 0,80
liszt, rizs, bab, borsó
0,80 - 0,75
dzsemek, ízek
0,75 - 0,65
töltött cukorkák
0,65 - 0,60
aszalt gyümölcsök
0,60 - 0,20
száraz tészták, fűszerek, tejpor
Mikroorganizmusok szaporodásának vízaktivitás-igénye aw 0,86 - 0,99
Mikroorganizmusok baktériumok általában
0,75 - 0,91
halofil baktériumok
0,85 - 0,99
élesztőgombák általában
0,60 - 0,85 0,80 - 0,99
ozmofil élesztőgombák penészgombák általában
0,71 - 0,85
xerotoleráns gombák
0,65 - 0,85
xerofil gombák
A megelőzendő romlás jellege szerint az élelmiszertartósítási módszereket a következőképpen lehet csoportosítani:
I.
Mikrobiológiai eredetű romlás megakadályozása: A.
a mikrobák távoltartása (aszepszis, csomagolás),
B.
a mikrobák eltávolítása (szűrés),
C.
a mikrobák szaporodásának, ill. tevékenységének gátlása
(hőelvonás, vízelvonás, mikrobagátló anyagok adagolása, stb.), D. II.
a mikrobák elpusztítása (hőkezelés, besugárzás). Kémiai eredetű romlás megakadályozása:
A.
a szöveti enzimek hatástalanítása,
B.
autooxidáció teljes vagy időleges gátlása (antioxidánsok
alkalmazása). III. Fizikai eredetű romlás megakadályozása: A.
a
nedvességtartalom
változásának
gátlása
(tárolótér
klimatizálása, csomagolás), B.
az állag megőrzése (emulgeáló, diszpergáló, gélképző szerek
alkalmazása), C.
szállítási károsodás elleni védelem (gyűjtőcsomagolás).
IV. Makrobiológiai eredetű romlás megakadályozása: A.
rágcsálók, madarak, rovarkártevők távoltartása (tárolási
rendszabályok, csomagolás, riasztórendszerek alkalmazása).
A TARTÓSÍTÓ ELJÁRÁSOK RENDSZERE KÖRMENDY és VUKOV által módosított NYIKITYINSZKIJ-GYÖNÖS rendszer alapján A tartósítás alapelve
Ipari alkalmazás, példa Eubiózis
Halak tárolása élő állapotban
Hamibiózis
Gyümölcs és zöldség tárolása
Termo-anabiózis
Pasztőrözés
Termo-abiózis
Sterilezés
Pszichro-anabiózis
Hűtőházi tárolás +6 ºC alatt, fagypont felett
Krio-anabiózis
Fagyasztva tárolás
Xero-anabiózis
Besűrítés, szárítás
Ozmo-anabiózis
Gyümölcsök ozmózisos víztartalomcsökkentése cukrozással, dzsemfőzés
Halo-anabiózis
Halak tartósítása sózással
Nem ionizáló sugarak
Tej, víz besugárzása UV sugarakkal
Ionizáló sugarak (radio-ana- és abiózis)
Besugárzás γ-sugarakkal
Biózis
Hőkezelés
Hőelvonás
Vízaktivitás csökkentés Fizikai eljárások
Sugarak alkalmazása
Mikrobaszám-csökkentése (anabiózis), vagy az összes mikroba eltávolítása (abiózis) szűréssel Vegyszeres tartósítás
Kemo-anabiózis Kemo-abiózis
Kémiai eljárások
Cönoanabiózisos eljárások
Gyümölcslevek, borok, víz mikrobaszámának csökkentése membránszeparációval Ecetsavval, Na-benzoáttal stb. való tartósítás
Oxigénszegény állapot létesítésével anabiózis
Inert gázban való tárolás
Narko-anabiózis
Gyümölcslé tárolása túlnyomás alatti CO2 gázzal
Tejsavas erjesztés
Savanyúkáposzta készítés
Alkoholos erjesztés
Gyümölcsborok készítése
A tartósítóeljárásokat elsősorban a húsipar, a baromfiipar, a tejipar, az édesipar, a borászat, a hűtőipar és a konzervipar alkalmazza. A felsorolt eljárások sok esetben előnyösen kombinálhatók, mert két eljárás egymást felerősíti (szinergens hatás), pl. az ecetsavval és hőkezeléssel való tartósítás bizonyos termékek esetén.
Hőkezeléses tartósítás A hőmérséklet növelésével és bizonyos ideig a megnövelt hőmérséklet tartásával az élelmiszereket különböző célokból kezeljük: • a növényi és állati szövetek fogyasztására vagy további feldolgozásra alkalmas állomány és kellemes főtt íz kialakítását, továbbá az enzimek bénítását szolgálja az előfőzés. További mellékhatások: szín kialakítása, zsírok eltávolítása, a keményítő melegen oldható frakciójának eltávolítása, oxalátok kioldása, esetleg a mikroorganizmusok számának csökkentése, • a folyékony termékeket, pl. leveket melegíthetjük az enzimes kezelés optimális hőmérsékletére, • a folyékony élelmiszerek bepárlása is általában megnövelt hőmérsékleten folyik,
• a tartósság meghosszabbítása a célja a pasztőrözésnek, mely viszonylag enyhe beavatkozás és az enzimek inaktiválását és a baktériumok
jelentős
arányú
(99 - 99,9%-os)
elpusztítását
célozza. A kezelés elsősorban a spórát nem képző patogén baktériumok
(szalmonellák,
sztreptokokkuszok,
sztafilokokkuszok,
brucellák,
patogén
V.parahaemolyticus
stb.)
elpusztítását célozza. Nagy vízaktivitású élelmiszerek esetén ennek a hőkezelésnek a mértéke a 61,1 ºC-on 3,5 perces hőkezeléstől (folyékony teljes tojás szalmonella mentesítése) a tej legalább 132,2 ºC-on 1 másodpercig végzett ultra nagy hőmérsékletű pasztőrözéséig terjed. Kisebb vízaktivitású vagy nagy zsírtartalmú élelmiszerek esetén erőteljesebb hőkezelés szükséges. A pasztőrözött élelmiszerek biztonságos voltának előfeltétele, hogy a hőkezelést olyan csomagolással egészítsék ki (a pasztőrözést megelőzően, vagy azt követően), ami az újraszennyeződésüket kizárja és a pasztőrözés után a hőkezelést túlélő,
legtöbbnyire
spóraképző
mikroorganizmusok
el-
szaporodásának megelőzése érdekében 10 ºC-nál jóval kisebb hőmérsékleten tárolják őket. • az élelmiszer romlását előidéző minden mikroorganizmus hővel való teljes elpusztítása a sterilezés.
Bár a technikában ma pasztőrözésnek minden 100 ºC-nál kisebb hőmérsékleten való mikróbapusztítást értenek, a kezelés gyakran elvileg sterilezés, ha a teljes pusztítást 100 ºC alatti hőmérsékleten érik el. Bizonyos esetekben pedig a sterilezésnek megfelelő technikai eszközökkel tulajdonképpen pasztőrözést végeznek, pl. az ún. fél és háromnegyed konzervek gyártásánál. Az élelmiszeripari gyakorlatban valójában nem a teljes sterilitáson van a hangsúly, hanem azon, hogy a hermetikus csomagolású élelmiszer hűtés nélkül romlásmentesen tárolható és mikrobiológiai egészségártalmat nem okozó legyen. A stabilitás és egészségártalom veszélyét nem hordozó, de életképes mikroorganizmusokat kis számban tartalmazó konzerveket ezért kereskedelmileg
sterilnek
szokták
nevezni.
A
hagyományos
konzerváláshoz a tartósítandó élelmiszert a hermetikusan zárható konzervedénybe
töltik,
hogy
az
újraszennyeződését
megakadályozzák. A legtöbb konzerv mikrobiológiai stabilitása gyakorlatilag korlátlan és legalább 12 hónapig tárolható számottevő egyéb minőségromlás nélkül szobahőmérsékleten is.
Hőkezelési egyenértékek (egyenértékű hőkezelési idők) A mikroorganizmusok hőkezelése során történő pusztulásával századunk
20-as
éveitől
kezdve
behatóan
foglalkoznak.
A
legfontosabb mikroorganizmusok nedves hőre bekövetkező pusztulása első közelítésben a (*) egyenletnek megfelelő negatív exponenciális összefüggéssel írható le (ez elsőrendű reakciónak megfelelő kinetikai leírás, és elfogadhatóságának biológiai oka feltehetőleg az, hogy nedves hő hatására az életfontosságú (vitalis) fehérjék alvadnak meg monomolekuláris reakciónak megfelelően), mely szerint az egymást követő, azonos hőkezelési időtartamok után a mindenkori kezdeti élőcsíraszámnak mindig azonos hányada marad életben.
Nτ = N 0 ⋅ e ahol: N0 Nτ
− k p (τ −τ 0 )
,
= a kezdeti élőcsíraszám τ0 időnél [db], = a τ időpontban megmaradó élőcsíraszám [db],
τ - τ0 = a behatás időtartama [min], kp
= konstans, a pusztulás sebességi állandója [1/min].
(*)
Az 1960-as évektől különböző hőkezelési egyenértékeket vezettek be, a már meglévő
mellé.
A
különböző
egyenértékek
lokális
(helyi)
értékének
meghatározása a következő egyesített formulával végezhető:
F , F0 , P , C , E =
τu
∫τ 10
t (τ ) − tr z
dτ
τ 0 = ( t0 ) ahol: t0
= a
számítás
kezdőhőmérséklete,
vagyis
az
, a
legkisebb
hőmérséklet, amelyiktől az egyenérték számítást elkezdjük [ ºC], tr
= az ún. referencia hőmérséklet, mely egyenértékként más és más lehet [ ºC],
τ
= a hőkezelés ideje [min],
t(τ)
= az anyag hőmérséklete, mint a hőkezelési idő függvénye [ ºC],
τ0
= az az időpont, amikor melegítéskor először éri el az anyag a t0 hőmérsékletet [min],
τu
= az az időpont, amikor hűtéskor ismét t0 hőmérsékletű lesz az anyag [min],
z
= a tizedre csökkenési idő (D) egy nagyságrenddel történő csökkenéséhez tartozó hőmérséklet növekmény [ ºC],
D(t) = a tizedre csökkenési idő, mint a hőmérséklet függvénye [min].
Állandó hőmérsékleten végzett hőkezelés két, különböző időpontjában meghatározott élősejtszám adatok alapján az alábbi egyszerű összefüggéssel számolható:
D=
τ log N1 − log N 2
.
Az F-fel jelölt hőkezelési egyenérték a legrégebben használt egyenérték. F0 ugyanaz, mint F, de megállapodás szerint z=10 °C-nál. A P-vel jelölt pasztőrözési számot 100 °C alatti hőkezelésnél használják. A főzési számnak is nevezett C-értéknél bonyolulttá teszi a helyzetet, hogy a legkülönfélébb
tulajdonságokkal
kapcsolatban
hozzák
szóba,
pl.
vitamintartalom, darabos anyagok mechanikai tulajdonsága, szín, érzékszervi bírálattal megállapított minősítő szám, stb.
E-vel az enzim-inaktivizálási számot jelöljük.
Klasszikus példa a sterilezés hőterhelésének számítása a hőpusztulási görbe alapján, amit BIGELOW és munkatársai javasoltak 1928-ban. A hőpusztulási görbén a hőpusztuláshoz szükséges idő logaritmusát ábrázoljuk a hőmérséklet függvényében.
4
3
lg τ
lg D
lg τ1 3
2
τ1/τ2=10 lg τ2
2
1
z
lg F
lg Dr
1
0
tr = 121.1oC 0 70
80
90
100
110
-1 130
120 t
(**) Mikroorganizmusok hőpusztulási görbéje (t - hőmérséklet, τ - hőpusztulási idő, D - tizedelési idő, F - hőkezelési egyenérték, tr - referencia hőmérséklet)
Az ábra vizuálisan értelmezi a z hőmérsékletkülönbséget, mely a hőpusztulási időt a tizedére csökkenti. A z-érték tehát nem más, mint a hőpusztulási görbe iránytangensének negatív reciproka. A hőpusztulási görbével párhuzamos görbét szerkeszthetünk a tizedelési időkkel is. Mivel a tizedelési idő a mikroorganizmus hőrezisztenciájának mértéke, ezt a görbét hőrezisztencia görbének nevezzük.
Az iránytangens, valamint az egyenes egy pontjának ismeretében a hőpusztulási
görbe
egyenlete
felírható.
Kitüntetett
pontként,
nemzetközi megállapodás szerint a 121,1 °C-on (250 Fahrenheit) mért pusztulási időt választották, amit F-értéknek neveznek. A tizedelési időkkel felvett hőrezisztencia görbéről a 121,1 °C-hoz (referenciahőmérséklet, tr) tartozó D-érték jelölése Dr. A z- és az F-érték ismeretében, ha a többségi pusztulási idő valamely t °C hőmérsékleten τ min, a hőpusztulási görbe egyenlete:
F
1 lg F − lgτ = lg = (t − 121,1) τ z A hőpusztulási görbe segítségével számítjuk ki a sterilezéshez alkalmazott fürdő (pasztőrkád, autokláv) megkívánt hőmérsékletét és a kezelés időtartamát - ipari nyelven a steril képletet, ha ismerjük a termék leglassabban felmelegedő pontjában a hőmérséklet időbeli változását, ipari nyelven a hőpenetrációs görbét. A tartósítanó termék hidegpontja hőmérsékletének a hőkezelési idő függvényében való ábrázolása az ún. hőbehatolási görbe. Ennek első része a felmelegedés időszaka, második része az ún. hőntartási szakasz, harmadik fázisa pedig a befejezett hőkezelést követő lehűtés időszakában végbemenő hőmérséklet-változás.
A hőkezelés-szükséglet meghatározásához természetesen ismerni kell a tartósítási eljárás eredményességét megszabó mikroorganizmus kívánt mértékű pusztulása előidézéséhez szükséges τ időket a szóba jövő t hőmérsékleten, azaz a (**) ábrához hasonlatos hőpusztulási görbét. Az F és a z értékek ismeretében kiszámíthatjuk a különböző t hőmérsékletekhez tartozó relatív pusztulási sebességeket, az F/τ értékeket a 121,1 ºC-nál tapasztaltra, mint egységre vonatkoztatva:
F
τ
= 10
t −121,1 z
A hőkezelési szükséglet megállapításához szolgál az ún. sterilezési görbék felvétele. Ezek elkészítése a hőbehatolási görbe és a mikroorganizmus hőpusztulási görbéje z-értékének ismeretében lehetséges. Egy ilyen sterilezési görbét mutat az ábra. Ezen azt a hőbehatolási görbét is feltüntettük, melynek segítségével a sterilezési görbe pontjait meghatároztuk (z=10 ºC-ot alapul véve). A sterilezési görbét úgy kapjuk, hogy a hőkezelési idő függvényében nem a hőmérséklet értékeket, hanem az ezekhez tartozó relatív pusztulási sebességeket (F/τ) tüntetjük fel. A sterilezési görbe alatti, F-egységekben kifejezett területet a hőkezelési folyamat ún. sterilezési egyenértéke (F0 értéke), ami integrálszámítással állapítható meg.
Sterilezési görbe szerkesztése a hőbehatolási görbe alapján (ábrázoltuk a hevítőtér hőmérsékletét, hidegpont hőmérsékletét, és a pusztulási sebességgörbét a hőkezelési idő függvényében)
Az F0 érték azt fejezi ki, hogy az adott hőkezelés során a tárgy hidegpontján mérhető változó hőmérsékletek a 10 ºC-os z-értékű mikroorganizmusra olyan pusztító hatást fejtene ki, amely F0 percnyi 121,1 ºC-on tartással egyenértékű. Az F0 érték alapján a különböző hőkezelések hatékonysága összehasonlítható. Amennyiben a z=10 ºC-t mutató mikroorganizmus hőpusztulási sebességét 121,1 ºC-on egységnyinek tekintjük, akkor pl. 100 ºC-on a relatív pusztulási sebesség csak 0,0077625, azaz 100 ºC-on 1/0,0077625=128,8-szor hosszabb idő alatt következik be azonos mérvű pusztulás, mint 121,1 ºC-on. Ha a z-érték nagyobb, mint 10 ºC, akkor az F/τ-érték a hőmérséklet növelésével kisebb mértékben nő és megfordítva. A Clostridium botulinum spórák különböző közegekben meghatározott hőpusztulási görbéinek z-értéke 14,7 - 16,3 ºF között, a nemzetközileg összehasonlítási alapul ugyancsak elfogadott Clostridium sporogenes P.A. 3679 jelű rothasztó anaerob baktériumtörzs spórái pedig z=16,6 és 20,5 ºF értékek között mozog. Ezért szokás átlagértékként z=18 ºF=10 ºC-kal számolni. A Clostridium botulinum spóráknál észlelt legnagyobb D-érték 0,21 perc volt 121,1 ºC-on. Világszerte elfogadott eljárás, hogy a 4,5-nél nagyobb pH-jú élelmiszerek hőkezeléses sterilezésénél egészségügyi szempontból minimálisan olyan hőkezelést követelnek meg, amely Clostridium botulinum spórák 12 nagyságrendnyi pusztulását idézi elő. Ez az ún. 12D elv. Ehhez 12*D percnyi, azaz 121,1 ºC-on 12*0,21=2,52 perces hőkezelési idő szükséges (a Clostridium botulinum spórák F-értéke tehát 2,52 perc). Más hőkezelési hőmérsékletek esetére szükséges hőkezelési időket az előbbiek alapján a z=10 ºC érték figyelembe vételével lehet kiszámítani. Az élelmiszerekben azonban a Clostridium botulinum spórákénál nagyobb hőtűrésű baktériumspórák is előfordulhatnak - főleg a nagy optimális szaporodási hőmérsékletű, termofil baktériumoké, amelyek a konzerv nagyobb hőmérsékletű tárolása esetén jelentenének különösen súlyos romlási veszélyt. Ezért a termék összetételét, mikroflóráját és tárolási körülményeit is figyelembe véve kell megállapítani, hogy az adott konzerv gyártásánál az alkalmazandó hőkezelés hányszorosa legyen az egészségügyi minimumnak. A pH 4,5-nél savasabb termékekben a Clostridium botulinum elszaporodásával nem kell számolni és a 12 D-elvet sem kell alkalmazni. A savas közeg jelentősen csökkenti a spórák hőellenállását, és az ilyen termékek tartósítására gyakran a 100 ºC alatti hőkezelés is elegendő, amelynek F0 -egyenértéke csak néhány század-ezred perc.
