Principii Conservare Alimente Lungu [PDF]

Zitiervorschau

CORNELIA LUNGU

PRINCIPII GENERALE DE CONSERVARE A PRODUSELOR ALIMENTARE

Cuprins

Cuprins

1. Conservarea produselor alimentare prin pasteurizare şi sterilizare termică ............................................................................................................ 4 1.1. Consideraţii generale ......................................................... 4 1.2. Cinetica distrugerii termice a microorganismelor .............. 4 1.3. Pasteurizarea produselor alimentare ................................. 14 1.4. Sterilizarea produselor alimentare ..................................... 15 1.4.1. Consideraţii generale ........................................... 15 1.4.2. Clasificarea bacteriilor formatoare de spori în funcţie de necesităţile în oxigen ................................................................ 16 1.4.3. Factorii care influenţează regimul de sterilizare ... 19 1.4.4.

Factorii

care

influenţează

distrugerea

termică

a

microorganismelor .................................................................... 28 1.5. Evaluarea procesului de pasteurizare................................ 30 1.6. Evaluarea procesului de sterilizare .................................... 34 1.7. Efectul tratamentului termic asupra calităţii produselor alimentare .................................................................................................. 47 2. Metode moderne de conservare...................................................... 50 2.1. Conservarea cu ajutorul presiunilor înalte ......................... 50 2.2. Conservarea cu ajutorul câmpului magnetic ...................... 53 2.3. Conservarea cu ajutorul radiaţiilor ionizante ...................... 56 2.4. Conservarea cu ajutorul câmpului electric pulsatoriu de înaltă intensitate (pef) ......................................................................... 60 2.5. Conservarea cu impulsuri ultrascurte de lumina ................ 61 2. 6. Folosirea radiaţiilor ultraviolete în industria cărnii pentru sterilizare şi prelungirea duratei de conservare ........................ 62 2. 7. Conservarea prin încălzire cu microunde şi curenţi de înaltă frecvenţă ................................................................................... 63 2. 7. 1. Consideraţii generale ........................................ 63 2.7.2. Deosebirile dintre încălzirea cu microunde şi curenţi de înaltă frecvenţă ......................................................................... 65

Principii generale de conservare a produselor alimentare

Cuprins

2.7.3. Factorii care influenţează încălzirea cu microunde .................................................................................................. 66 2.7.4. Aparatura de tratare cu microunde ...................... 70 2.7.5. Utilizarea microundelor în scop de conservare .... 71 2.7.6. Alte utilizări ale microundelor ............................... 73 2.7.7. Avantajele folosirii microundelor........................... 74 2.8. Conservarea prin încălzire ohmică .................................... 75 2.8.1. Principiul încălzirii ohmice .................................... 75 2.8.2. Calitatea produselor tratate prin încălzire ohmică .................................................................................................. 78 2.8.3. Instalaţii cu funcţionare continuă de procesare ohmică ....................................................................................... 79 2.8.4. Avantajele încălzirii ohmice .................................. 81 2.9. Conservarea prin încălzire cu unde de frecvenţă radio...... 84 2.10. Conservarea prin încălzire indirectă cu efect joule (actijoule) .................................................................................................. 85 2.11. Conservarea cu radiaţii infraroşii ..................................... 86 Bibliografie........................................................................................... 88

Principii generale de conservare a produselor alimentare

Conservarea produselor alimentare prin pasteurizare şi sterilizare termică

1 Conservarea produselor alimentare prin pasteurizare şi sterilizare termică

1.1. Consideraţii generale Pasteurizarea

are

drept

scop

distrugerea

microorganismelor,

forme

vegetative, în special a celor patogene, precum şi inactivarea enzimelor responsabile de modificări biochimice nedorite, pentru a asigura stabilitatea biologică a produsului finit. Sterilizarea are drept scop distrugerea tuturor microorganismelor forme vegetative şi spori, a toxinelor microbiene şi inactivarea enzimelor tisulare şi microbiene dintr-un produs alimentar. i într-un caz şi în altul, produsul alimentar poate fi ambalat de la început într-un recipient ermetic închis sau acesta se ambalează, după pasteurizare sau sterilizare în vrac, în condiţii aseptice. Distrugerea microorganismelor cu ajutorul căldurii este îmbunătăţită în prezenţa unor compuşi antimicrobieni: ioni de hidrogen, alcool etilic, CO2, bacteriene, fitoncide, componentele amare din hamei, uleiuri eterice etc. Operaţiile de pasteurizare şi sterilizare trebuie astfel optimizate încât să nu fie afectate calităţile produsului finit.

1.2. Cinetica distrugerii termice a microorganismelor Atât la pasteurizare cât şi la sterilizare, numărul celulelor vegetative (cazul pasteurizării) sau a celulelor vegetative şi sporilor (cazul sterilizării) se reduce exponenţial, pe măsură ce timpul de expunere, la o anumită temperatură letală, creşte. Distrugerea termică se petrece după o reacţie chimică de ordinul I, a cărei expresie matematică este următoarea:

Principii generale de conservare a produselor alimentare

4

Conservarea produselor alimentare prin pasteurizare şi sterilizare termică

−

dC dC = K ⋅ C sau = K ⋅ dτ dτ C

În care: C – este concentraţia reactantului care se descompune; K – factor de proporţionalitate; -dC/dτ- viteza cu care scade concentraţia. Prin integrarea ecuaţiei în limitele C1 la timpul τ1 şi C2 la timpul τ2 se va obţine: -− ∫

C2

C1

τ2 dC = K ∫ dτ τ 1 C

sau – ln C2 – (-lnC1)=K(τ2 - τ1) iar K=

ln C1 − ln C 2 2.303 C1 = lg τ 2 − τ1 τ 2 − τ1 C2

Ultima ecuaţie poate fi modificată sub forma: K=

2,303

τ

lg

C0 C

sau

τ=

2,303 C0 lg K C

În care: C0 – concentraţia iniţială a reactantului; C – concentraţia reactantului după epuizarea tipului τ.

Curba de supravieţuire Prin analogie cu o reacţie chimică bimoleculară de prim ordin, în practică, efectul duratei de încălzire, la o temperatură dată (suficient de ridicată pentru a exercita un efort letal), s-a constatat prin încălzirea unei suspensii de celule sau spori cu un număr cunoscut de germeni viabili. Numărul de supravieţuitori variază în raport cu durata de încălzire după ecuaţia:

τ=

N 2,303 log 0 KT Nt

Principii generale de conservare a produselor alimentare

5

Conservarea produselor alimentare prin pasteurizare şi sterilizare termică

în care: N0 – este numărul iniţial în celule (spori) comparabil cu C0; Nt – numărul de celule (spori) supravieţuitoare (ori) comparabil cu C, după epuizarea timpului τ. Dacă

2,303 N = DT , atunci ecuaţia devine: τ = DT log 0 sau τ = DT (lg N0 – lg KT Nt

Nt), unde DT este timpul de reducere decimală a populaţiei microbiene, în minute. Ecuaţia τ = DT (lg N0 – lg Nt) transpusă grafic în coordonate semilogaritmice ia forma unei drepte a cărei pantă este 1/DT. În ecuaţiile menţionate, KT şi DT pot fi exprimate în funcţie de KTref şi DTref: − Ea  1 1 KT = KTref exp   −  R  T Tref

  

Unde: Ea – energia de activare j/mol; K – constanta universală a gazelor (8,314 J/mol.K); KTref – constanta de viteză la temperatura de referinţă Tref, 1/s; DTref – valoarea lui D la temperatura de referinţă, min.; Z – numărul de grade Celsius sau Fahrenheit necesare pentru a schimba valoarea lui D cu un factor de 10, °C. Se poate observa că Dτ este timpul necesar pentru ca curba de supravieţuire să parcurgă un ciclul logaritmic, deci timpul necesar ca populaţia microbiană să scadă cu 90% ciclu logaritmic. De o deosebită importanţă este numărul lui D la temperatura de referinţă (60°C, 100°C sau 121,1°C) care se notează de regulă cu Dr sau Dtref. Cu cât este mai mare valoarea lui Dτ respectiv Dr (Dtref) cu atât specia de microorganisme este mai rezistentă la temperatura respectivă. Valorile lui Dτ la 121,1°C, 100°C, 65°C şi 60°C sunt arătate în tabelele 25 şi 26 dar ele pot fi determinate şi pe cale experimentală, folosind în acest scop două procedee: a) Construirea curbei de supravieţuire. Punând în ordonată logaritmul numărului de supravieţuitori sau direct numărul de supravieţuitori, dacă se Principii generale de conservare a produselor alimentare

6

Conservarea produselor alimentare prin pasteurizare şi sterilizare termică

lucrează cu hârtie semilogaritmică şi în abscisă, pe scara rectangulară, timpul de încălzire la temperatură constantă, valoarea lui D poate fi dedusă grafic din curba de supravieţuire, având în vedere că D reprezintă durata de timp pentru ca curba de supravieţuire să parcurgă un ciclu logaritmic. Schema de lucru pentru construcţia curbei de supravieţuire este următoarea: Izolare specie care intereseaza

Pentru pasteurizare, in functie de produs

Pentru sterilizare (ex. Cl. sporogenes sa b. stearothermophilus)

Cultivare pe medii specifice pentru multiplicare

Cultivarea pe medii specifice pentru formare de spori la temperaturi si durate de incubare in functie de microorganisme (Tabelul 27)

Repartizare solutie de celule in eprubete cu tampon fosfat si inchidere la flacara (2 ml solutie cu celule/eprubeta) determinare N0 Incalzire la o a anumita temperatura pentru difeite perioade de timp (de ex. la 65 C sau 60 C sau mai mare) Prelevare probe din timp in timp (de ex. din 5 in 5 minute) Racire continut eprubete la 21 C Insamantare in placi pe mediu nutritiv si termostatare: - 37 C pentru mezofile; - 50 - 55 C pentru termofile. Numarare colonii in placi (determinare Nt )

Recoltare spori cu 3 ml apa sterila de la suprafata mediului, prin razuire Diluare solutie cu spori si numararea acestora pentru a determina numarul de spori / ml; Incalzire solutie diluata de spori la 80C/20 min. pentru distrugere celule vegetative si activare spori Repartizare solutie diluata de spori in eprubete cu tampon fosfat si inchidere la flacara (2ml solutie cu spori/eprubeta) determinare N0 Incalzire la o a anumita temperatura pentru difeite perioade de timp (de ex. la 121,1 C) Prelevare probe din timp in timp (de ex. din 5 in 5 minute) Racire continut eprubete la 21 C Insamantare in placi pe mediu de germinare(transformare in forme vegetative) si termostatare: - 37 C pentru mezofile; - 50 - 55 C pentru termofile. Numarare colonii in placi (determinare Nt )

Principii generale de conservare a produselor alimentare

7

Conservarea produselor alimentare prin pasteurizare şi sterilizare termică

Cunoscând pe N0 şi Nt după fiecare perioadă de încălzire (s-a exemplificat după fiecare 5 min.) se poate trasa curba de supravieţuire pe hârtie semilogaritmică, în ordonată punând numărul de supravieţuitori după fiecare perioadă de încălzire şi în abscisă timpul corespunzător. Din curbă se determină apoi grafic valoarea lui D (Dτ) având în vedere un ciclu logaritmic. În acest caz valoarea lui D (Dτ) rezultă şi din ecuaţia prezentată şi la punctul b. b) Calcularea valorii lui D (Dτ). Valoarea lui D (Dτ) pate fi calculată ţinând seama de numărul iniţial şi final de supravieţuitori (celule sau spori), după fiecare perioadă de încălzire, la o anumită temperatură menţinută constantă. În acest caz, valoarea lui D (Dτ) va fi dat de ecuaţia: τ = DT (lg N0 – lg Nt) de unde DT=

τ lgN 0 − lg N t

în care: Nt – este numărul de supravieţuitori după epuizarea timpului τ; N0 – numărul iniţial de celule sau spori. Din cele menţionate, rezultă că prin încălzirea unui produs alimentar un timp τ la o temperatură T va conduce la realizarea unui anumit factor de inactivare: Factor de inactivare = Nt/N0 = 10 t/D Din analiza curbei de supravieţuire rezultă două lucruri importante:


riscul supravieţuirii într-o populaţie microbiană (celule şi spori) este cu

atât mai mic cu cât populaţia microbiană iniţială este mai puţin numeroasă. Rezultă că un barem de pasteurizare /sterilizare aplicat unui anumit tip de produs poate fi satisfăcător sau nesatisfăcător, în funcţie de încărcătura microbiană iniţială;


teoretic nu este posibil să se atingă sterilitatea absolută deoarece curba

de supravieţuire este logaritmică şi tinde asimptotic către zero. Probabilitatea de a supravieţui a unui geamăn (celulă sau sport) trebuie să fie suficient de redusă pentru a se asigura stabilitatea produsului şi deci, în aceste condiţii, este normal să se vorbească de o pasteurizare/ sterilizare practică

Principii generale de conservare a produselor alimentare

8

Conservarea produselor alimentare prin pasteurizare şi sterilizare termică

(industrială, comercială) în raport cu specia determinată sau în raport cu toate bacteriile şi nu de o pasteurizare / sterilizare absolută. Tabelul 1.1. Valorile lui D pentru diferite grupări de microorganisme (spori şi forme vegetale)

Valoarea lui d (dτ) pentru spori şi forme vegetative minute

Grupul de microorganisme A. Produse cu pH>4,5


D121,1°C

Termofile

 Grupul bacteriilor care produc alterare de tip Flat-sour: Cl stearothermophilus (spori);

4,00 – 5,00

 Grupul bacteriilor de alterare care produc gaze: Cl.thermosaccharolyticum (spori)

3,00 – 4,00

 Grupul bacteriilor proteolitice care produc H2S: Cl.nigrificans (spori);

2,00 – 3,00




Mezofile – anaerobe – putrefactive;

 Cl. botulinum tip A şi B (spori)  Cl.sporogenes, incluzând Cl. Sporogenes suşa PA 3679 (spori)

0,10 – 0,20 0,10 – 0,11

B. Produse cu pH< 4,5 (4,5 – 4,0)


Termofile:

 B.coagulans mezofilic)


(care

poate

fi

facultativ

Mezofile :

 B. polymixa şi B. macerans

0,01 – 0,07 D100oC 0,10 – 0,50 0,10 - 0,50

 Anaerobi butirici (Cl.pasteurianum) C. Produse cu aciditate foarte mare (pH 4,5

 -

Conserve acide:

pH = 4,0 - 4,5

 Conserve cu aciditate foarte mare:

pH < 4,0

Se consideră ca limită între conservele acide şi neacide pH = 4,5, deoarece anumite suşe de Cl. botulium se pot dezvolta şi produce alterare în conservele cu aciditate mică (pH = 4,5 - 5,0).

1.4.2. Clasificarea bacteriilor formatoare de spori în funcţie de necesităţile în oxigen După necesităţile în oxigen, bacteriile formate de spori pot fi:


Obligat aerobe. Care necesită oxigen molecular pentru creştere. Din

punct de vedere al sterilizării, acest grup prezintă o importanţă minoră, deoarece tehnicile moderne de închis a recipienţilor prevăd exhaustarea aerului (deci a oxigenului), iar sporii acestor bacterii au o rezistenţă redusă la căldură. Pentru conservele din carne, sărată în prezenţă de NaNO3, interesează B.subtilis şi B. mycoides.


Facultativ anaerobe. Din punct de vedere al sterilizării, reprezentanţii

acestui grup sunt importanţi pentru că produc spori termorezistenţi. Interesează următoarele microorganisme din acest grup (tabelul 1.6.).

Principii generale de conservare a produselor alimentare

16

Conservarea produselor alimentare prin pasteurizare şi sterilizare termică

Tabelul 1.6. Conserve cu aciditate mică

Conserve cu aciditate mare

(ph > 4,5)

(ph< 4,5)

- Bacillus stearothermophilus (termofil) care produce alterarea plană (flat sour)




- Bacillus coagulans (B. thermoacidurans) care este termofil -

Bacillus macerans (mezofil)

-

Bacillus polymixa (mezofil)

Obligat anaerobe. Acest grup cuprinde atât bacterii formatoare de spori

mezofili cât şi termofili (tabelul 1.7.). Tabelul 1.7.




Produse cu aciditate mică

Produse cu aciditate mare

(ph>4,5)

(ph 4,5;  speciile neproteolitice, formele vegetative pot fi distruse şi la 82,5°C dacă pH-ul produselor este < 4,5;  Cl. botulinum tip E şi tipurile B şi F neproteolitice se pot dezvolta şi la 3,3°C, deci pot fi considerate psihofile, iar tipul B şi F se pot dezvolta şi la temperaturi de ∼ 10°C, deci la temperaturi care depăşesc cu puţin pe cele de refrigerare. Dezvoltarea lui Cl. botulinum este stânjenită la pH < 4,5, în prezenţa oxigenului, la pozitivizarea potenţialului redox, la activitatea apei < 0,85, la adaus de 120 + 200 mg NaNO2/Kg produs. În tabelul 1.8. se arată condiţiile de dezvoltare şi rezistenţă a sporilor de Cl botulinum.

Tabelul 1.8. Condiţiile de dezvoltare şi rezistenţă a sporilor de Cl. botulinum Tipul

Temperatura, oC T min. T max T opt.

Ph min.

Aw min.

Valoarea lui D

Z, oC

Tip A proteolitic

10,0

50

30÷40

4,7

0,94

Dr= 0,2 min

8,7÷16,3

3,3

45

4,7

0,97

10,3

50

25÷ 37

4,7

0,94

D82,5°C=1,532,3 min

8,7÷16, 3

Dr= 0,2 min

7,3÷21, 1

Tip B  neproteolit ic  proteolitic Tip E neproteolitic

30÷ 40 3,3

45

25÷ 37

4,8

0,97

D82,5°C=0,12,0 min

4,8 ÷9,8

4,6

0,97

5,8 ÷7,5

4,8

0,94

D82,5°C= 0,2 – 0,8 min

Tip F  neproteolit ic  proteolitic

3,3

45

10,0

50

25 ÷37 30 ÷40

Principii generale de conservare a produselor alimentare

Dr= 0,1-0,2 min

10,0÷14 ,1

18

Conservarea produselor alimentare prin pasteurizare şi sterilizare termică

1.4.3. Factorii care influenţează regimul de sterilizare După modul de acţionare asupra regimului de sterilizare, factorii pot fi îndepărtaţi în două grupe: 1) factori care influenţează viteza de termopenetraţie (viteza de pătrundere a căldurii în recipientul cu produs supus sterilizării); 2) factori care acţionează asupra rezistenţei la căldură a microorganismelor. Din prima categorie fac parte: dimensiunile recipientului şi materialul din care este confecţionat; starea produsului supus sterilizării; sistemul de încălzire; agitarea recipientelor în timpul sterilizării; modul de aşezare a alimentelor în recipient.

a) Dimensiunile recipientului şi materialul din care este confecţionat Pentru recipienţii metalici – cilindrici – se deosebesc două cazuri:  când dimensiunile se schimbă odată cu modificarea volumului, în care caz durata sterilizării este în funcţie distanţa din centrul recipientului şi suprafaţa exterioară a acestuia precum şi de raportul dintre suprafaţa exterioară şi volumul recipientului;  când volumul recipientului V = ct. şi înălţimea H a acestuia este variabilă. În acest caz, dacă D < H, tipul de pătrundere a căldurii în centrul recipientului variază proporţional cu pătratul razei (R12/R22 = τ1/τ2 ); dacă D =H, factorul hotărâtor este suprafaţa totală a recipientului, 2/3 din căldură transmiţânduse prin suprafaţa laterală şi 1/3 prin capace; dacă D > H, cea mai mare parte din căldură se transmite prin capace. Materialul din care este confecţionat recipientul intervine în termopenetraţie prin grosimea δ şi conductibilitatea termică λ.

b) Influenţa stării produsului În legătură cu acest factor de influenţă se are în vedere consistenţa produsului determinată de compoziţia acestuia, raportul solid / lichid şi vâscozitatea fazei lichide, conservele pot aparţine la două grupe principale:

Principii generale de conservare a produselor alimentare

19

Conservarea produselor alimentare prin pasteurizare şi sterilizare termică

 conserve cu conţinut compact, omogen, cu particule fine sau mai mari, la care transmiterea căldurii spre centrul termic se face prin conducţie;  conserve cu un anumit raport solid / lichid, la care căldura se transmite prin conducţie/convecţie, raportul dintre acestea fiind determinat de raportul solid/lichid şi de evoluţia fazei lichide în timpul sterilizării (creşterea sau scăderea vâscozităţii acesteia);  conserve cu conţinut lichid, la care transmiterea căldurii se face numai prin convecţie, La sterilizarea produselor cu structură compactă în sterilizatoare cu funcţionare continuă, la care temperatura agentului de încălzire este de la temperatura de sterilizare, curba temperaturii în punctul critic este arătată în fig. 29 a, b, c, d. Pentru aceste produse, durata de încălzire, conform relaţiei lui Baal şi Olson, va fi:

τ = f ⋅ lg

T1 − TA T1 − T

Unde: f- timpul necesar pentru reducerea diferenţei de temperatură T1-T la 1/10 din valoare sau respectiv timpul necesar în minute pentru ca curba de încălzire să parcurgă un ciclu logaritmic; T1 – temperatura agentului termic (temperatura autoclavului), T – temperatura punctului critic (centrul temic); TA – pseudotemperatura iniţială a produsului care este mai mică decât temperatura reală iniţială a produsului, T0. Luând în consideraţie că originea veritabilă nu este reprezentată de T1-TA ci de T1-T0, decalajul reprezintă întârzierea cu care viteza de încălzire capătă alură logaritmică. Dacă T1-TA = j (T1-T0), atunci pentru perioada de încălzire vom avea:

τ i = f h ⋅ lg jh

T1 − T0 T1 − T

Faza de încălzire deci în întregime definită prin T1, T0 şi parametrii fh şi jh [fh – reprezintă durata în minute pentru ca curba de încălzire în centrul termic – punctul critic – să parcurgă un ciclu logaritmic]; jh este un factor de lag care se determine cu relaţia: Principii generale de conservare a produselor alimentare

20

Conservarea produselor alimentare prin pasteurizare şi sterilizare termică

jh =

T1 − TA T1 − T0

Atunci când evaluarea procesului de sterilizare se face după metoda matematică a lui Baal şi Olson. În practică se foloseşte o curbă, în care scara semilogaritmică este răsturnată şi deci în loc de T1 - T0 se ia valoarea lui T. La răcirea produselor se utilizează relaţia:

τ r = f c ⋅ lg jc în care: jc =

Tc − T Tc − Tf

,

Tc − TA1 ; Tc − T

fc – durata în minute pentru ca curba de răcire să parcurgă un ciclu logaritmic; TA1 – pseudotemperatura produsului înainte de începerea răcirii; TC – temperatura mediului de răcire; T – temperatura reală a produsului la începutul răcirii, în punctul critic; Tf – temperatura finală a produsului în punctul critic.


La sterilizarea produselor alimentare cu structura compactă în

sterilizatoare cu funcţionare discontinuă, până la atingerea temperaturii de regim a agentului d încălzire se consumă un timp de ridicare a temperaturii autoclavei (mediului de încălzire) care antrenează o deformare a curbei de termopenetraţie a căldurii şi din acest motiv curba trebuie corijată ţinând seama că numai de 42% din durata fazei de ridicare plecând de la timpul 0. În punctul indicat de valoarea 42% din durata fazei de ridicare a temperaturii (care se ia jur de 10 – 15 min) se ridică o dreaptă paralelă cu ordonata, care va întretăia prelungirea curbei b în punctul TA a cărei valoare este mai mică decât T0, dar mai mare decât pseudotemperatura (TA) ce ar rezulta din intersecţia prelungirii porţiunii drepte a curbei b cu ordonata. Această corijare este necesară pentru calculul lui j real. Pentru nevoi practice, valoarea lui j se ia egală cu 1,5 atunci când se consideră în durata de sterilizare propriu – zisă (faza de menţinere) şi procentul de 42% din faza de ridicare a temperaturii în autoclav până la temperatura de sterilizare. Principii generale de conservare a produselor alimentare

21

Conservarea produselor alimentare prin pasteurizare şi sterilizare termică




La sterilizarea produselor cu structură eterogenă, la care se

deosebesc două faze, solidă şi lichidă, raportul dintre cele două faze determină raportul dintre cele două moduri de transmitere a căldurii: conducţie/convecţie. La aceste produse interesează în special evoluţia, în procesul de sterilizare, a fazei lichide, în sensul dacă creşte vâscozitatea acestora. Creşterea raportului solid/lichid sau a vâscozităţii şi densităţii fazei lichide conduce la mărirea duratei necesare de atingere a temperaturii de sterilizare în centrul termic. La aceste produse, cu raport solid/lichid, curba de încălzire înscrisă în coordonate semilogaritmice este formată din două drepte iar curba de răcire, în aceleaşi coordonate, este asemănătoare cu cea de la produsele la care transmiterea căldurii se face prin conducţie. După metoda lui Baal şi Olson, durata de sterilizare se calculează tot cu relaţia:

τ i = f h ⋅ lg j h

T1 − T0 ; T1 − T

unde T1 – T poate fi mai mare sau mai mic de 0,0555. Duratele de sterilizare se pot calcula şi cu relaţiile propuse de Stumbo, dar acestea vor fi menţionate la evaluarea procesului de sterilizare după metoda matematică a lui Stumbo, care de fapt este metoda lui Baal şi Olson îmbunătăţită de Stumbo şi care utilizează şi alte simboluri.

c) Influenţa temperaturii iniţiale a produsului Temperatura iniţială a produsului exercită o mare influenţă asupra termopenetraţiei, în special la produsele cu consistenţă (vâscozitate) mare, unde transmiterea căldurii se face prin conducţie. Luând în considerare viteza de pătrundere a căldurii exprimată drept dQ d τ

=

AK

∆ t

m

cantitatea de căldură/unitatea de timp transmisă produsului. în care: A - suprafaţa exterioară a recipientului, în m2; K – coeficientul global de transfer termic, în Kcal/m2.h.grad; ∆tm = ta – [( ti + tf)/2] – diferenţa dintre temperatura agentului de încălzire (ta) şi temperatura medie a recipientului, (ti + tf)/2, în °C.

Principii generale de conservare a produselor alimentare

22

Conservarea produselor alimentare prin pasteurizare şi sterilizare termică

Din relaţia menţionată, rezultă că viteza de pătrundere a căldurii în recipient este proporţională cu ∆tm a cărei valoare este cu atât mai mare cu cât ta este mai ridicată şi ti mai mică. Ar rezulta că viteza de pătrundere a căldurii în interiorul recipientului scade la creşterea lui th datorită micşorării diferenţei ∆tm. Cu toate acestea, durata necesară atingerii temperaturii de sterilizare în interiorul recipientului scade la creşterea lui tI, mai ales la produsele care posedă vâscozitate mare sau un raport solid /lichid ridicat. Excepţia acestei aparenţe contradicţii, între scăderea vitezei de termopenetraţie şi reducerea duratei de termopenetraţie, este dată de faptul că odată cu creşterea lui tI scade şi calitatea de căldură necesară ridicării temperaturii recipientului, iar această scădere este mult mai mare faţă de micşorarea vitezei de termopenetraţie.

d) Influenţa sistemului de încălzire Sterilizarea se poate face în abur, în abur/aer, în apă în regim fără circulaţie şi sub presiune, cu apă supraîncălzită prin stropire în regim de circulaţie şi sub presiune.


Încălzirea în abur saturat se practică numai pentru sterilizarea

conservelor în ambalaje metalice. Se obţine o încălzire rapidă a produsului datorită cantităţii mari de căldură, cedată de vapori, la condensarea pe suprafaţa cutiilor (aburul cedează căldura latentă de condensare care este de circa ∼500 Kcal/Kg vapori condensaţi). În cazul acestui sistem de încălzire trebuie eliminat aburul din autoclavă deoarece prezenţa acestuia produce o distribuţie neuniformă a temperaturii prin formarea “pungilor de aer” datorită cărora scade viteza de transmitere a căldurii la recipiente creând condiţii pentru substerilizare. Acest mod de încălzire nu poate fi aplicat ambalajelor din sticlă, flexibile sau semirigide care necesită o contrapresiune de aer pentru a păstra integritatea ambalajului şi a închiderii, având în vedere creşterea presiunii interioare în ambalaj în timpul ridicării temperaturii, menţinerii acesteia şi la începutul răcirii. Pentru a verifica dacă există sau nu aer în autoclavă, trebuie urmărită temperatura la termometrul de buzunar cât şi presiunea monometrului de pe Principii generale de conservare a produselor alimentare

23

Conservarea produselor alimentare prin pasteurizare şi sterilizare termică

autoclav, datele respective trebuind să fie în perfectă concordanţă. Dacă aceste date nu concordă între ele, presiunea la manometru fiind mai ridicată, înseamnă că aerul nu a fost complet eliminat din autoclavă. De asemenea, este necesar ca, în tot timpul sterilizării, ventilul de aerisire să fie uşor întredeschis, pentru a se asigura eliminarea continuă a aerului care, eventual a rămas în ambalaje, sau care este introdus în autoclavă împreună cu aburul.


Sterilizarea în abur /aer se poate aplica la toate tipurile de ambalaje, în

care caz căldura este cedată ambalajelor tot prin condensare, care poate fi condensare în picături microscopice sau sub forma unui film lichid continuu. Prin folosirea amestecului abur /aer transferul de căldură la recipiente se reduce. Factorii care influenţează transferul termic de la amestecul abur /aer la suprafaţa ambalajelor (exceptând transferul termic prin condensarea aburului) se referă la: - coeficientul de transfer termic prin convenţie; temperatura amestecului abur /aer; temperatura suprafeţei ambalajelor şi orientarea lor în coşul din autoclav; - vâscozitatea amestecului abur /aer; vâscozitatea filmului de apă de la suprafaţa ambalajelor şi grosimea acestuia; grosimea stratului de aer de la suprafaţa filmului de apă. Pentru o anumită temperatură şi presiune în autoclav, fracţiunea de abur din amestecul abur/aer se calculează cu relaţia: Fracţiunea abur = ps/(pat + pr) În care: ps – este presiunea aburului saturat (absolută); pat – presiunea atmosferică (absolută); pr – presiune din autoclavă. În cazul folosirii sterilizării în amestec abur/aer, autoclava trebuie să fie prevăzută cu un ventilator pentru a se realiza o circulaţie forţată a amestecului respectiv şi deci o îmbunătăţire a transferului termic prin convecţie (de la amestec abur/ aer la ambalaj).


Sterilizarea în apă în regim fără circulaţie, se aplică atât la sterilizarea

produselor în ambalaje metalice cât şi din sticlă, datorită faptului că se poate lucra cu contrapresiune de aer. În acest caz nu mai este necesară aerisirea autoclavei. Principii generale de conservare a produselor alimentare

24

Conservarea produselor alimentare prin pasteurizare şi sterilizare termică

Sterilizarea în apă reprezintă avantajul unei distribuiri mai uniforme a temperaturii în autoclavă, iar viteza de încălzire a produselor este aproximativ aceeaşi ca şi la sterilizarea în abur saturat, deoarece numărul moleculelor de apă ce transferă energia calorică ambalajelor cu produs este foarte mare în comparaţie cu numărul moleculelor de apă care formează aburul (aburul prezintă avantajul unei entalpii ridicate). Este necesar (mai ales atunci când se lucrează cu contrapresiune de aer) ca nivelul apei din autoclavă să depăşească cu ∼10 cm înălţimea ultimului strat de ambalaje din coş, deoarece, în caz contrar, în spaţiul amestecului de vapori/aer, din cauza formării “pungilor de aer”, transmiterea căldurii este mult diminuată, existând posibilitatea substerilizării la ambalajele neacoperite de apă. Contrapresiunea de aer (din exterior) este obligatorie pentru ambalajele din sticlă. La cele metalice, cu umplere cât mai mare (fără spaţiu liber sub capac), contrapresiunea este realizată de amestecul abur/aer ce se formează deasupra nivelului de apă ce acoperă ambalajele.


Sterilizarea cu apă supraîncălzită prin stropire, în regim de circulaţie

şi contrapresiune, poate fi aplicată la toate tipurile de ambalaje, necesarul de apă supraîncălzită fiind de ∼100l/coş, iar debitul de apă supraîncălzită, în circulaţie de 38 m3/m3 coş. Apa poate fi supraîncălzită la 145oC. Stropirea “în ploaie” se realizează printr-un sistem de ţevi cu duze, ţevi montate la partea superioară a incintei autoclavei (care este orizontală). Aceeaşi apă se foloseşte atât pentru încălzire cât şi pentru răcire, deci se lucrează în circuit închis. Închiderea / răcirea apei în circulaţie se face prin intermediul unor schimbătoare de căldură. Indiferent de metoda utilizată pentru încălzire este necesar să se realizeze o distribuţie cât mai uniformă a temperaturii apei cât mai uniformă a temperaturii apei în autoclavă. În această direcţie, factorii de influenţă pot fi clasificaţi în două categorii: Factori de influenţă comuni tuturor metodelor: geometria şi tipul de ambalaj şi modul de aşezare în coş (în vrac sau ordonat în straturi, în care caz cu cât straturile sunt mai numeroase, cu atât se măresc rezistenţele la “curgerea” mediului de încălzire); tipul de coş care trebuie să asigure Principii generale de conservare a produselor alimentare

25

Conservarea produselor alimentare prin pasteurizare şi sterilizare termică

circulaţia mediului de încălzire prin ambalaje (se folosesc coşuri cu perforaţii pe suprafaţa laterală şi fund (inclusiv capac la sterilizatoare de tip rotomat) şi se aşează distanţiere între rândurile de ambalaje); numărul de coşuri din autoclav (cu cât numărul coşurilor este mai mare şi respectiv diferenţele de temperatură din autoclavă mai mari); designul autoclavei. Factori de influenţă specifici unui anumit tip de autoclavă, printre care amintim: temperatura iniţială a produsului din ambalaj (la temperaturi scăzute ale produsului se măreşte timpul de ridicare a temperaturii apei până la temperatura de sterilizare şi se înrăutăţeşte uniformizarea şi stabilizarea temperaturii – cazul sterilizării în apă); temperatura apei din economizor (cazul sterilizării în apă folosind rotomatul) care trebuie să fie cu 8 – 11°C mai mare decât în corpul autoclavei (dacă este mai mare se pot deteriora ambalajele flexibile şi semirigide iar gradienţii de temperatură dintre coşurile poziţionate spre extremitate şi cele de la mijloc vor fi excesiv de mari); aerisirea autoclavei pentru prea mult timp conduce la o pierdere de energie din sistem şi prelungeşte durata de ridicare a temperaturii până la temperatura de sterilizare, făcând necesară o injecţie de abur mai mare în autoclavă pentru ridicarea temperaturii de sterilizare, făcând necesară o injecţie de abur mai mare în autoclavă pentru ridicarea temperaturii (cazul sterilizării în abur); la aerisirea pentru un timp prea scurt, umplerea economizorului şi autoclavei nu se face adecvat, cauzându-se şi probleme în controlul presiunii din autoclavă (cazul sterilizării în apă folosind rotomatul); viteza d rotaţie (dacă viteza de rotaţie creşte, timpul de ridicare a apei din autoclavă până la o temperatură de sterilizare scade şi se îmbunătăţeşte uniformizarea temperaturii şi stabilitatea acesteia).

e) Influenţa agitării recipientelor Accelerarea pătrunderii căldurii în recipient, acolo unde căldura este transmisă prin convecţie (sau şi prin convecţie) se realizează şi prin agitarea recipientelor în timpul sterilizării. Agitarea produce o intensificare a curenţilor de convecţie ca viteză şi direcţie (curgere tulburentă). Agitarea se realizează după două procedee:


procedeul rotirii cutiilor în jurul axului utilajului de sterilizare,

(rotomat), respectiv în jurul axului utilajului dar şi în raport cu axul lor (cazul Principii generale de conservare a produselor alimentare

26

Conservarea produselor alimentare prin pasteurizare şi sterilizare termică

instalaţiei de sterilizare continuă cu rotor IMC/FMC ).Acest procedeu se aplică în special la produsele cu viteză mică de penetraţie în care intră o mare parte din conservele mixte (care au raport solid /lichid). Este necesară o rotaţie de 30 – 40 rot. /min. a cutiilor sau a coşurilor cu cutii:


procedeul rotirii cutiilor peste cap, asigură cea mai mare viteză de

termopenetraţie şi constă în rostogolirea cutiilor în jurul unei axe perpendiculare pe axele cutiilor situată în exteriorul acestora. Creşterea vitezei de termopenetraţie în acest caz este determinată de traversarea produsului de către spaţiul liber din cutii, la rostogolirea acestora. În funcţie de viteza de rotaţie, volumul de aer din spaţiul liber al cutiei trece prin masa produsului în diferite poziţii, în funcţie de raportul dintre forţa centrifugă care ia naştere şi masa produsului. Viteza cea mai mare de termopenetraţie se obţine atunci când forţa centrifugă este aproximativ egală cu masa produsului, în care caz spaţiul liber (aerul) trece prin produs în mijlocul cutiei. Acest procedeu se aplică la produsele care au raport solid /lichid ce permite o intensificare a curenţilor, mărimea spaţiului liber de sub capac influenţând pozitiv transmiterea căldurii în regim de rostogolire peste cap. Pentru conservele la care căldura se transmite prin conducţie, agitarea recipientelor este inutilă. Deci sterilizarea se face fără agitare. f) Influenţa modului de aşezare a alimentelor în recipiente Acest factor de influenţă se referă numai la conservele cu un anumit raport solid /lichid, la care curenţii de convecţie, când recipientele sunt neagitate, au o direcţie de mişcare verticală (ascensională). Când întâlnesc particulele solide curenţii sunt nevoiţi să le ocolească, pierzând din viteza de înaintare. Din această cauză, se recomandă o anumită aşezare a produsului în recipient, care este impusă şi de aspectul comercial (cazul conservelor de fasole păstăi sau al unor sortimente de peşte la care produsele (păstăile şi trunchiurile de peşte) se aşează în poziţie verticală în recipient). În cazul conservelor de carne mixte nu se poate realiza această stratificare, bucăţile de carne fiind de regulă relativ mari (> 20 mm).

Principii generale de conservare a produselor alimentare

27

Conservarea produselor alimentare prin pasteurizare şi sterilizare termică

1.4.4. Factorii care influenţează distrugerea termică a microorganismelor Din cea de a doua categorie de factori interesează: temperatura de sterilizare; pH-ul produsului; gradul de infectare iniţială a produsului; prezenţa substanţelor proteice şi grăsimilor; prezenţa aerului; conţinutul de NaCl şi zahăr; alţi factori. a) Influenţa temperaturii de sterilizare. În general, este în avantajul calităţii produsului finit să se lucreze la temperaturi

ridicate de sterilizare cu

reducerea corespunzătoare a timpului. O ridicare a temperaturii de sterilizare în progresie aritmetică creează posibilitatea reducerii timpului în progresie geometrică, obţinându-se acelaşi efect de sterilizare. Totuşi, la folosirea temperaturii înalte de sterilizare, la produsele cu vâscozitate mare (pateuri, haşeuri, carne mărunţită) se poate influenţa negativ calitatea, datorită expunerii

îndelungate

a

structurilor

periferice

la

temperaturi

înalte

(caramelizări). b) Influenţa pH-ului. Diferitele produse alimentare, prelucrate în aceeaşi condiţii, necesită regimul de sterilizare, în funcţie de valoarea pH-ului. Microorganismele au un maxim de rezistenţă la pH 6 –7, rezistenţa termică a acestora scăzând odată cu micşorarea pH-ului. Produsele cu pH mai ridicat (pH> 4,5) trebuie sterilizate la temperaturi >110°C. Se întâlnesc cazuri când produse care au iniţial acelaşi pH necesită regimuri de sterilizare diferite, acest fapt fiind pus pe seama modificării pH-ului, în timpul sterilizării, datorită decarboxilării şi desulfurizării lor cu formare de CO2, H2S, iar pe de altă parte ca urmare a precipitării (coagulării) unor substanţe cu proprietăţi tampon (proteine, fosfaţi). c) Influenţa gradului de infectare iniţială a produsului. Între concentraţia în

microorganisme

a

produsului

(celule

sau

spori)

şi

durata

de

pasteurizare/sterilizare există o dependenţă manifestată prin mărirea timpului de pasteurizare/sterilizare la creşterea concentraţiei microorganismelor. La aceasta se ajunge dacă examinăm relaţia: τ

Nt= N 0 ⋅ 10 D în care:

Nt – numărul de supravieţuitori la timpul τ; N0 – numărul iniţial de microorganisme viabile;

Principii generale de conservare a produselor alimentare

28

Conservarea produselor alimentare prin pasteurizare şi sterilizare termică

- timpul, minute; D – timpul de reducere decimală, minute. Din ecuaţie se poate constata că pentru aceeaşi valoare a lui τ şi D, concentraţia în celule sau sporit, Nt variază proporţional cu N0. Acest fenomen se pune pe seama variabilităţii rezistenţei termice a celulelor sau sporilor individuali, ceea ce face să crească posibilitatea de a găsi şi celule sau spori mai rezistenţi la căldură atunci când creşte concentraţia lor în produsul iniţial (N0). Gradul de infectare al produsului înainte de aplicarea tratamentului termic este determinat în principal de: gradul de infectare a materiilor prime şi auxiliare, ambalajelor precum şi condiţiile şi durata depozitării; respectarea procesului tehnologic (curăţire, spălare, opărire etc., a materiilor prime); gradul de igienizare ambalaje; viteza operaţiilor de prelucrare (evitarea întreruperilor procesului tehnologic); starea sanitară a secţiilor de prelucrare; igiena individuală a personalului. d) Influenţa substanţelor proteice şi a grăsimilor. Substanţele proteice şi grăsimile pot juca rol protector în jurul microorganismelor, mărind astfel rezistenţa acestora la căldură. Fenomenul de protecţie a microorganismelor de către grăsimi (în special ulei) se exercită atunci când bacteriile, respectiv sporii, se găsesc în faza grasă (ulei) în cazul în care acesta reprezintă faza unică lichidă sau faza din sistemul ulei/apă. Microorganismele (sporii) care au rămas în faza ulei după sterilizare

nu

conduc la alterarea produsului la depozitarea acestuia. Dacă ele migrează în faza apoasă, în urma manipulărilor brutale ale conservelor, revifierea şi proliferarea lor sub formă vegetativă devine posibilă. e) Influenţa aerului. Aerul rămas în recipient după închidere sau ţesuturi, pe lângă efectele nefavorabile pe care le provoacă în timpul sterilizării (presiune mare în recipient, intensificarea coroziunii cutiilor din tablă de oţel cositorită şi nevernisată, pierderile de vitamina C, modificări de culoare, gust, miros) mai poate juca şi rol protector al microorganismelor prin formarea unui strat izolator în jurul lor, ceea ce poate duce uneori la accidente de substerilizare (alterarea produsului). f) Influenţa NaCl şi zahărului. In general. NaCl la concentraţii de până la 5% măreşte rezistenţa termică a microorganismelor. Zaharurile măresc Principii generale de conservare a produselor alimentare

29

Conservarea produselor alimentare prin pasteurizare şi sterilizare termică

rezistenţa la căldură a microorganismelor cu atât mai mult cu cât concentraţia zaharurilor este mai mare. g) Alţi factori. Aceştia se referă la prezenţa unor substanţe fitoncide în produsele de origine vegetală sau a pigmenţilor antocianici care micşorează rezistenţa termică a microorganismelor. Fitoncidele se găsesc în roşii, morcovi, hrean, pătrunjel (frunze şi rădăcini), ceapă, mărar, coriandru, muştar, usturoi.

1.5. Evaluarea procesului de pasteurizare a) Cazul produselor din carne, peşte Pentru evaluarea procesului de pasteurizare (determinarea duratei de pasteurizare ţinând cont de profilul temperaturii în produs în funcţie de temperatura mediului de încălzire) se impune să cunoaştem valoarea de 10 pasteurizare care, pentru semiconservele de carne, trebuie să fie P71 ≥ 25 10 pentru perioada de ridicare a temperaturii şi de menţinere, respectiv P71 ≥ 60

pentru perioada de ridicare, menţinere a temperaturii şi răcire (se are în vedere pasteurizarea în aparate cu funcţionare discontinuă). Timpul corespunzător pentru atingerea valorii de pasteurizare preconizată care se determină prin însumarea ratelor letale la diferite temperaturi atinse de centrul termic al produsului ( măsurători din minut în minut) reprezintă durata de pasteurizare, respectiv durata de pasteurizare şi răcire. Ratele letale se calculează cu relaţia: LT = 10

T -71 Z

însă se găsesc şi tabele (tabelul 1.9.). Tabelul 1.9. Ratele letale folosite la determinarea valorii de pasteurizare la semiconservele de carne

Temperatura centrului termic °C

Rata letală

Temperatura centrului termic °C

Rata letală

55,0

0,025

67,5

0,447

55,5

0,028

68,0

0,501

Principii generale de conservare a produselor alimentare

30

Conservarea produselor alimentare prin pasteurizare şi sterilizare termică

Temperatura centrului termic °C

Rata letală

Temperatura centrului termic °C

Rata letală

56,0

0,032

68,5

0,562

56,5

0,036

69,0

0,631

57,0

0,040

69,5

0,709

57,5

0,045

70,0

0,794

58,0

0,050

70,5

0,891

58,5

0,056

71,0

1,000

59,0

0,063

71,5

1,122

59,5

0,071

72,0

1,260

60,0

0,079

72,5

1,412

60,5

0,089

73,0

1,586

61,0

0,097

74,0

1,778

61,5

0,112

74,5

1,996

62,0

0,126

75,0

2,239

62,5

0,141

75,5

2,512

63,0

0,158

76,0

2,816

63,5

0,178

76,5

3,173

64,0

0,199

77,0

3,548

64,5

0,224

77,5

3,982

65,0

0,251

78,0

4,467

65,5

0,282

78,5

5,012

66,0

0,316

79,0

6,310

66,5

0,355

79,5

7,090

67,0

0,398

80,0

7,944

b) Cazul produselor lichide În cazul produselor lichide, conservabilitatea se asigură dacă se realizează valori de pasteurizare arătate în tabelul 34. Pentru determinarea duratei de pasteurizare se are în vedere şi tipul de pasteurizator (tunel sau pasteurizator cu plăci).

Principii generale de conservare a produselor alimentare

31

Conservarea produselor alimentare prin pasteurizare şi sterilizare termică

Tabelul 1.10. Valorile de pasteurizare pentru unele produse lichide

Valoarea de pasteurizare

Produsul

În

Minimă

Maximă

Bere Pilsner şi alte tipuri de bere blondă

15

25

Bere cu conţinut redus în alcool

40

60

Bere fără alcool

80

120

Limonade

300

500

Sucuri de fructe

3000

5000

ambele

cazuri,

timpul corespunzător pentru

atingerea

valorii

d

pasteurizare, care se determină prin însumarea ratelor letale atinse de produs (măsurători din minut în minut pentru pasteurizatorul tunel şi din secundă în secundă pentru pasteurizatorul cu plăci), reprezintă durata de pasteurizare, în minute pentru pasteurizatorul tunel şi în secunde pentru pasteurizatorul cu plăci. Ratele letale în cazul produselor lichide se pot calcula cu relaţia: LT = 10

T -60 Z

Pentru Z = 6,94 °C exponentul devine 0,144 (T =60), iar o formulă simplificată a ratei letale este dată de relaţia: LT = 1,393T – 60 Ratele letale calculate cu relaţia simplificată în intervalul 50°C şi 79,9°C sunt prezentate în tabelul 1.11. Pentru a verifica dacă un regim de pasteurizare realizează valoarea de pasteurizare dorită (preconizate) se poate aplica relaţia: τ

τ

PT = ∑ L T ⋅ ∆ τT = ∫ 1,393 T -60 ⋅ dτ 0

0

Dacă se foloseşte temperatura la intervale de un minut, relaţia devine: τ

PT = ∑ 1,393 T -60 0

Principii generale de conservare a produselor alimentare

32

Conservarea produselor alimentare prin pasteurizare şi sterilizare termică

La pasteurizatorul cu plăci PT se calculează prin însumarea valorilor de pasteurizare pe fiecare etapă. Tabelul 1.11. Ratele letale (LT) calculate cu relaţia LT=1,393T-60

T,

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

50

0,036

0,038

0,039

0,040

0,042

0,043

0,044

0,046

0,047

0,049

51

0,051

0,052

0,054

0,056

0,058

0,060

0,062

0,064

0,066

0,068

52

0,071

0,073

0,075

0,078

0,081

0,083

0,086

0,089

0,092

0,095

53

0,098

0,102

0,105

0,109

0,112

0,116

0,120

0,124

0,128

0,132

54

0,137

0,141

0,146

0,151

0,156

0,162

0,167

0,173

0,178

0,184

55

0,191

0,197

0,204

0,211

0,218

0,218

0,233

0,240

0,249

0,257

56

0,266

0,275

0,284

0,293

0,303

0,313

0,324

0,335

0,346

0,358

57

0,370

0,382

0,395

0,409

0,422

0,437

0,451

0,467

0,482

0,499

58

0,515

0,533

0,551

0,569

0,588

0,608

0,629

0,650

0,672

0,694

59

0,718

0,742

0,767

0,793

0,820

0,847

0,876

0,905

0,936

0,967

60

1,000

1,034

1,069

1,105

1,142

1,180

1,220

1,261

1,304

1,348

61

1,393

1,440

1,488

1,539

1,590

1,644

1,700

1,751

1,816

1,877

62

1,940

2,006

2,073

2,143

2,216

2,290

2,367

2,441

2,530

2,615

63

2,703

2,794

2,888

2,986

3,086

3,190

3,298

3,409

3,524

3,643

64

3,765

3,892

4,023

4,159

4,299

4,444

4,594

4,749

4,909

5,074

65

5,245

5,422

5,605

5,793

5,989

6,191

6,399

6,615

6,838

7,068

66

7,306

7,553

7,807

8,070

8,342

8,623

8,914

9,215

9,525

9,846

67

10,18

10,52

10,88

11,24

11,62

12,01

12,42

12,84

13,27

13,72

68

14,18

14,66

15,15

15,66

16,19

16,73

17,30

17,88

18,48

19,11

69

19,75

20,42

21,10

21,81

22,55

23,31

24,10

24,91

25,75

26,61

70

27,51

28,44

29,40

30,39

31,41

32,47

33,56

34,70

35,87

37,07

71

38,32

39,61

40,95

42,33

43,76

45,23

46,76

48,33

49,96

51,64

72

53,38

55,18

57,04

58,97

60,95

63,01

65,13

67,33

69,59

71,94

°C

Principii generale de conservare a produselor alimentare

33

Conservarea produselor alimentare prin pasteurizare şi sterilizare termică T,

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

73

74,36

76,87

79,46

82,14

84,91

87,77

90,73

93,78

96,94

100,2

74

103,6

107,1

110,7

114,4

118,3

122,3

126,4

130,6

135,0

139,6

75

144,3

149,2

154,2

159,4

164,8

170,3

176,1

182,0

188,1

194,5

76

201,0

207,8

214,8

222,0

229,5

237,2

245,2

253,5

262,0

270,9

77

280,0

289,4

299,2

309,3

319,7

330,5

341,6

353,1

365,0

377,3

78

390,0

403,2

416,8

430,8

445,3

460,4

475,9

491,9

508,5

525,6

79

543,3

561,7

580,6

600,1

620,4

641,3

662,9

685,2

708,3

732,2

°C

De exemplu, considerând prima fază de încălzire de la 3 la 65°C, faza a doua de la 65°C la 71°C, faza de menţinere la 71°C şi faza de răcire de la 71°C la 8°C şi presupunând că la fiecare din cele patru faze relaţia dintre timp şi temperatură este liniară, T = f(τ), în acest caz f(τ) se substituie pentru T în ecuaţia care dă P: τ2

∫τ

1

10

T - 60 Z

⋅ dτ →

τ2

∫τ

1

10

( aτ + b )

⋅ dτ =

10b 10 aτ 2 − 10 aτ 1 a ln 10

(

)

Ţinând cont de profilul temperaturii în funcţie de timp pentru prima fază de încălzire, durata este de 40 s (2/3 min.). În acest caz: 3 T = (65-3) τ + 3 = 93τ + 3 2

Rezultă: 2 3 0

∫

10

T - 60 Z

⋅ dτ =

2 3 0

∫

(93⋅τ − 57 )6 , 94

10

⋅ dτ = 0,170

În mod asemănător se calculează P pentru următoarele faze şi se cumulează pentru a se obţine PT (valoarea de pasteurizare totală).

1.6. Evaluarea procesului de sterilizare Pentru evaluarea procesului de sterilizare (determinarea duratei de sterilizare propriu-zisă sau perioada de menţinere) se pot folosi următoarele metode: Principii generale de conservare a produselor alimentare

34

Conservarea produselor alimentare prin pasteurizare şi sterilizare termică

1.

Metoda generală a lui Bigelow;

2.

Metoda matematică de calcul a lui Baal şi Olson;

3.

Metoda matematică a lui Stumbo.

1. Metoda generală a lui Bigelow. Metoda implică cunoaşterea valorii F0 (Fs) care reprezintă valoarea letală integrată (valoarea de sterilizare) primită de toate punctele dintr-un recipient în timpul sterilizării, fiind o măsură a tratamentului termic de a distruge sporii unui microorganism dat, într-un recipient. Valoarea F0(Fs)se ia în funcţie de pH-ul produsului şi de climatul unde se depozitează produsul sterilizat (tabelul 1.12.). Mai este necesar să se cunoască valoarea lui Z pentru tipul de microorganisme în raport de care se face sterilizarea şi ratele letale în funcţie de evoluţia temperaturii în centrul termic şi de Z (acestea se iau din anexa I). Tabelul 1.12 Valorile F0(Fs) pentru diferite grupe de produse conservate prin sterilizare

Produsul

Ce trebuie să realizeze tratamentul termic

Distrugerea formelor vegetative şi a sporilor bacteriilor mezofile de tip Produse Bacillus: pe ¾  Bacillus subtilis conservate  Bacillus meghaterium  Bacillus polymixa  Bacillus macerans Distrugerea formelor vegetative şi a sporilor bacteriilor mezofile de tip Clostridium patogene şi de alterare: Conserve  Cl. botulinum depozitate  Cl. sporogenes în climat Probabilitatea sporilor de Cl. temperat botulinum viabili = 109 /recipient, Probabilitatea sporilor de Cl. sporogenes viabili = 106 /recipient. Conserve Distrugerea formelor depozitate vegetative şi a sporilor

Condiţii de păstrare

Valoarea de sterilizare f0(fs)

T °C

Durata

0,6-0,8

+15

6-12 luni

5-6 până la 8-14 în funcţie de aciditatea produsului

≤25

2-3 ani

~14 şi chiar 15-21

≤40

1-2 ani

Principii generale de conservare a produselor alimentare

35

Conservarea produselor alimentare prin pasteurizare şi sterilizare termică

Produsul

în climat tropical

Ce trebuie să realizeze tratamentul termic

Valoarea de sterilizare f0(fs)

Condiţii de păstrare T °C

Durata

bacteriilor mezofile dar şi termofile de tipul Bacillus şi Clostridium cum ar fi:  Cl. steaothermophilus  Cl. thermosaccharolyticum  Cl. nigrificans Probabilitatea sporilor termofili viabili= 102 /recipient

Practic metoda lui Bigelow presupune următoarele:  stabilirea temperaturii de regim la care trebuie să se facă sterilizarea;  pregătirea aparaturii pentru măsurătorile de termopenetraţie în sensul că se fixează termocuplul în cutie (recipient) şi în autoclav şi se racordează la aparatul de măsurat;  se urmăreşte evoluţia temperaturii centrului termic şi a mediului de încălzire din autoclav, înregistrarea făcându-se după anumite intervale de timp şi pentru o durată care să asigure o valoare de sterilizare egală cu cea preconizată pentru un anumit tip de conservă. Se trasează curba letalităţii. Valoarea F0 (Fs) se poate calcula grafic în care caz se planimetrează suprafaţa de sub curba letală, suprafaţă care se înmulţeşte cu unitatea de letalitate. Unitatea de letalitate este produsul dintre unitatea de timp (5 min. în cazul măsurătorilor din 5 în 5 min.) care corespunde la 1 cm de pe abscisă şi valoarea ratei letale care corespunde la 1 cm de pe ordonată. Valoarea F0 (Fs) se poate calcula şi prin însumarea ratelor letale parţiale înregistrate după fiecare minut, corespunzătoare temperaturilor înregistrate în centrul termic al produsului.


Timpul corespunzător valorii F0 (Fs) realizate (egală cu cea preconizată)

pentru perioada de menţinere se ia din grafic în cazul când măsurătorile s-au făcut la intervale mai mari (de exemplu din 5 în 5 minute) sau din tabel în cazul măsurătorilor de termopenetraţie s-au făcut din minut în minut. Principii generale de conservare a produselor alimentare

36

Conservarea produselor alimentare prin pasteurizare şi sterilizare termică

2. Metoda matematică a lui Baal şi Olson. Această metodă se aplică la toate tipurile de conserve (cu diferite moduri de transmitere a căldurii în recipient) şi implică cunoaşterea următoarelor:  curba de termopenetraţie, în perioada de încălzire ( în faza de ridicare a temperaturii şi menţinerii temperaturii agentului din autoclavă, în centru termic al produsului);  curba de termopenetraţie în centrul termic în timpul răcirii produsului. Ambele curbe se trasează în coordonate semilogaritmice şi din aceste curbe se determină: TA-care este pseudotemperatura iniţială a produsului; fh-care

caracterizează

curba

de

termopenetraţie

în

coordonate

semilogaritmice, în punctul critic, atunci când acesta parcurge un ciclu logaritmic, în min.; fc-care caracterizează curba de răcire în coordonate semilogaritmice, în punctul critic, atunci când acesta parcurge un ciclu logaritmic, în min. Mai este necesar să se cunoască: Z – valoarea care caracterizează curba TDT (se ia din tabele sau curba TDT); T0 – temperatura iniţială, reală, a produsului; T1 – temperatura mediului de încălzire (se stabileşte temperatura le care trebuie făcută sterilizarea); Tc – Temperatura agentului d răcire; T - temperatura produsului în punctul critic la sfârşitul perioadei de încălzire sau începutul fazei de răcire; jh şi jc – care se determină cu relaţia: jh=

T1 − TA Tc − TA1 ; jc= T1 − T0 Tc − T

W – factor care este în funcţie de T1 – T şi Z şi care serveşte la calculul baremului de sterilizare la care temperatura centrului termic este funcţie logaritmică de tip (produse la care transmiterea căldurii se face prin

Principii generale de conservare a produselor alimentare

37

Conservarea produselor alimentare prin pasteurizare şi sterilizare termică

conducţie). Se ia din tabelele în funcţie de T1 – T şi Z (anexa II) sau se calculează din relaţia care dă valoarea lui F0; P – factorul care este în funcţie de T1 – T şi Z şi care serveşte la calculul valorii de sterilizare în perioada de încălzire. Se ia din tabele în funcţie de T1 – T şi Z (anexa III). Pentru produsele la care transmiterea căldurii are loc prin conducţie, T1 –T ≥ 0,0555. La produsele cu transmiterea căldurii prin convecţie, T1 – T poate fi mai mare sau mai mic de 0,0555. Rezultă că în cazul produselor cu transmiterea căldurii prin conducţie, temperatura punctului critic nu poate atinge temperatura agentului de sterilizare, însă este foarte apropiată. În acest caz, valoarea de sterilizare, F0, dacă nu se găseşte în tabele, se poate calcula cu relaţia: T1 −121.1

f ⋅ 10 Z F0= W unde 10

T1 −121.1 Z

;

reprezintă rata letală ce se ia din tabele în funcţie de T şi Z, iar

f are semnificaţia lui fh sau fc. Dacă fh = fc, atunci F0 reprezintă valoarea de sterilizare F0 totală (încălzire, răcire). Pentru a calcula F0 numai pentru încălzire se aplică relaţia: F0=ρF0 F0 total (încălzire, răcire) este dată de relaţia: F0 = ρF0h+ (1-ρ)F0c Durata de încălzire se calculează cu relaţia:

τ i = f h lg j h

T1 − T0 T1 − T

Durata de răcire se calculează cu relaţia:

τ r = f c lg jc

Tc − T Tc − Tf

De regulă, din valoarea lui τI se scade 42% din timpul de ridicare a temperaturii agentului de sterilizare de la temperatura iniţială la temperatura de sterilizare. Acest timp se stabileşte de regulă între 10-15 minute. Valoarea Principii generale de conservare a produselor alimentare

38

Conservarea produselor alimentare prin pasteurizare şi sterilizare termică

de sterilizare F0 , poate fi utilizată şi pentru verificarea baremului de sterilizare ales în ceea ce priveşte durata totală de încălzire, respectiv numai durata de menţinere la temperatura de sterilizare. 3. Metoda matematică a lui Stumbo este de fapt o îmbunătăţire a metodei lui Baal şi Olson şi se poate aplica la toate tipurile de conserve ( cu transmiterea căldurii prin conducţie, convecţie sau mixt). Pentru aplicarea acestei metode este necesar să se cunoască următoarele simboluri, definiţii şi relaţii de calcul (tabelul 1.13.). Tabelul 1.13 Simboluri, definiţii, ecuaţii folosite în metoda Sumbo Simbol a

b

β

D

Dr

F

Fc

Definiţie Numărul de spori sau celule vegetative din produsul iniţial/unitatea de volum Numărul de spori sau celule vegetative după aplicarea tratamentului termic /unitatea de volum Durata procesului termic (timp de ridicare şi menţinere a temperaturii) la temperatura de sterilizare aleasă Timpul necesar, la oricare temperatură letală, pentru a distruge 90% din sporii sau celulele vegetative ale unui microorganism dat. Numeric D este egal cu numărul de minute necesar pentru ca curba de supravieţuire să parcurgă un ciclu logaritmic. Timpul necesar la 121,1ºC pentru distrugerea a 90% din sporii sau celulele vegetative ale unui microorganism dat Echivalentul în minute, la 121,1ºC pantru ca căldura să distrugă sporii sau formele vegetative ale unui microorganism dat. Valoarea lui F pentru căldura letală primită din centrul geometric al recipientului în timpul procesului de sterilizare.

Relaţii calcul Se determină experimental

Se determină experimental B=fh(lg jchlh – lg gc) B=fh lg jch lh + (f2 – fh) lg gbh – f2 lg gh2

Se ia din tabele sau din curba de supravieţuire sau se poate calcula cu relaţia: D=

τ lg a − lg b

Idem ca la D

Fc=

Uc Fi

Fc=

Principii generale de conservare a produselor alimentare

fh

 fh    Fi  U h2  39

Conservarea produselor alimentare prin pasteurizare şi sterilizare termică

Simbol

Definiţie

Relaţii calcul Fc=

Fλ

Fs (F0)

Fi

f

fh

f2 fc g

Valoarea lui F pentru căldura letală primită de oricare punct din recipient, altul decât centru geometric Valoarea integrală a căldurii letale primită de toate punctele dintr-un recipient în timpul sterilizării pentru a reduce numărul de spori sau celule vegetative din recipient Timpul în minute, la oricare temperatură, echivalent cu 1 minut la 121,1ºC Timpul în minute, necesar ca pentru porţiunea dreaptă a curbei semilogaritmice de încălzire sau răcire să parcurgă un ciclu logaritmic Valoarea lui f pentru curba de încălzire atât de la produsele cu transmisia căldurii prin convecţie cât şi de la cele cu transmisia căldurii prin conducţie/convecţie (în cel deal doilea caz fh se ia pentru prima curbă) Valoarea lui f pentru cea de a doua porţiune de linie dreaptă în cazul produselor cu transmiterea căldurii prin conducţie/convecţie Valoarea lui f pentru curba semilogaritmică de răcire Diferenţa dintre temperatura autoclavei şi temperatura maximă atinsă de produs într-un punct

Fλ=

f2

 fh    F2  U h2 

−

r( f 2 − f h )

 fh   U bh

  Fi 

Uλ Fi

Fs=Dr (lg a – lg b) Fs= Fc + Dr ( 1,084 + F + Fc lg λ Dr 250 − Tr Z Se poate lua din anexa IV

FI= lg-1

Se ia din curba semilogaritmică de încălzire sau răcire

Se ia din curba respectivă

Se ia din a doua curbă de încălzire Se ia din curba de răcire Se poate lua din Anexa V [fh/U] : g gc = Tr - Tic

gc

gλ

gbh

Valoarea lui g atunci când punctul este considerat centrul geometric al recipientului

t ) fh Se poate lua şi din Anexa V [fh/U] : g

gc = jch lh lg-1 (-

Valoarea lui g pentru oricare punctdin recipient în afară de centrul gλ = 0,5 gc geometric Diferenţa dintre temperatura autoclavului şi temperatura Se poate lua din Anexa V produsului atunci când curba de [fh/U] : g încălzire îşi schimbă direcţie (se frânge)

Principii generale de conservare a produselor alimentare

40

Conservarea produselor alimentare prin pasteurizare şi sterilizare termică

Simbol gh2

Ih

Ic j

jch

jcc

jλh

jλc

Definiţie Valoarea lui g la sfârşitul încălzirii atunci când curba de încălzire se frânge Diferenţa dintre temperatura autoclavei şi temperatura produsului în momentul în care începe încălzirea Diferenţa dintre temperatura apei de răcire şi temperatura produsului în momentul în care începe răcirea Factor de lag Valoarea lui j pentru curba de încălzire, în centrul geometric. Acest j atunci când este multiplicat cu lh va localiza intersecţia dintre prelungirea liniei drepte a curbei de încălzire semilogaritmică şi o linie verticală care reprezintă începutul încălzirii Valoarea lui j pentru curba de răcire, în centrul geometric. Acest j atunci când este multiplicat cu lc va localiza intersecţia dintre prelungirea porţiunii de linie dreaptă a curbei de răcire şi o linie verticală care reprezintă începutul răcirii Valoarea lui j a curbei de încălzire, pentru o izoregiune j care include 0,19 din volumul recipientului Valoarea lui j a curbei de răcire, pentru o izoregiune j care include 0,19 din volumul recipientului

K

Difuzivitatea termică

l

Timpul în minute necesar pentru a aduce temperatura autoclavei la temperatura de sterilizare

L

Rata letală, respectiv reciproca timpului de distrugere termică (1/τ) la oricare temperatură letală sau 1/Fi

Pt

Durata de menţinere a temperaturii autoclavei la temperatura de sterilizare

Relaţii calcul Se poate lua din Anexa V [fh/U] : g Ih = Tr - Tih

Ic = Tic - Tw

jch =

jcc =

Tr − T pih Tr − Tih

Tw − T pic Tw − Tic

jλh=0,5 jch

jλc=0,5 jcc Pentru recipient cilindric: 0.398 K=  1 0.427   2 + 2 ⋅ f b  a l = 10…15 minute T − 250 Z Se ia din tabele în funcţie de temperatura centrului termic şi Z Pt = B – 0,4l Se poate determina din curba evoluţiei temperaturii autoclavei în funcţie de timp sau se poate lua din formula de sterilizare

L=lg-1

Principii generale de conservare a produselor alimentare

41

Conservarea produselor alimentare prin pasteurizare şi sterilizare termică

Simbol

r

t(τ) T Tλ Tih Tic

Definiţie Raza interioară a recipientului, dar în cazul ecuaţiilor pentru curbele la produsele cu raport solid/lichid r reprezintă un factor de proporţionalitate Timp Temperatură Temperatura oricărei izoregiuni j Temperatura iniţială a produsului în momentul în care începe încălzirea Temperatura iniţială a produsului în momentul în care începe răcirea

Tpih

Pseudotemperatura iniţială a produsului atunci când începe încălzirea

Tpic

Pseudotemperatura iniţială a produsului atunci când începe răcirea

Tr

TS

Tch Tcc Tw U

Uc Uλ

Relaţii calcul Se poate lua din grafic atunci când r reprezintă factor de proporţionalitate t(τ) =D(lg a – lg b)

Temperatura aceasta se găseşte la intersecţia dintre prelungirea porţiunii drepte a curbei de încălzire cu o dreaptă verticală care reprezintă începutul încălzirii Temperatura aceasta se găseşte la intersecţia dintre prelungirea porţiunii drepte a curbei de răcire cu o dreaptă verticală care reprezintă începutul răcirii

Temperatura autoclavei în timpul fazei de menţinere

Temperatura medie a produsului la un anumit moment în timpul încălzirii sau răcirii

La încălzire Tsh = Tr + 0,27(Tc – Tr) La răcire Tsc = Tw + 0,27(Tc – Tw) sau Tsh = Tr + 0,27(Tch – Tr) Tsc = Tw + 0,27(Tcc – Tw)

Temperatura în centrul geometric al recipientului la un moment dat în timpul încălzirii Temperatura în centrul geometric al recipientului la un moment dat în timpul răcirii Temperatura apei de răcire Echivalentul în minute la temperatura autoclavei, al căldurii primite la un anumit punct din recipient, în timpul sterilizării Valoarea lui U pentru centrul geometric al recipientului Valoarea lui U pentru oricare punct din recipient în afară de centrul geometric

Principii generale de conservare a produselor alimentare

Uc=Fc x Fi Uλ= Fλ x Fi 42

Conservarea produselor alimentare prin pasteurizare şi sterilizare termică

Simbol Ubh Uh2

yc

Definiţie

Relaţii calcul

Valoarea lui U din fh/Ubh corespunzătoare lui gbh Valoarea lui U din fh/Uh2 corespunzătoare lui gh2 Diferenţa dintre temperatura centrului geometric al produsului şi temperatura apei de răcire, după un anumit timp de răcire

 t  yc = jcc lc lg-1  −   fc 

31) Aplicaţiile metodei Stumbo 31.1.) Produse încălzite prin conducţie în sterilizatoare cu funcţionare continuă (temperatura autoclavei este deja la temperatura de sterilizare când se introduce produsul). Pentru aceste produse se aplică următoarele relaţii de calcul:  durata de menţinere la temperatura de sterilizare:  B = f h (lg j ch l h − lg g c )  valoarea de sterilizare pentru centrul termic: F0 = Fs = Fc =

Uc fh = Fi  f h    Fi U 

Se folosesc curbele de termopenetraţie în coordonate semilogaritmice, tabelele pentru ratele letale, pentru valorile FI şi tabele fh/U:g. Dacă sterilizarea se face în utilaje cu funcţionare discontinuă, atunci durata de menţinere a produsului la temperatura de sterilizare (Pt) rezultă din ecuaţia: B = Pt + 0,4l Pt = B – 0,4l în care: l – timpul de ridicare a temperaturii autoclavei de la temperatura iniţială la temperatura de sterilizare (l = 10…15 min). Pentru produsele la care transmiterea căldurii se face prin conducţie se poate folosi şi următoarea relaţie pentru determinarea lui Fs (F0) care nu va mai fi egală cu F0 deoarece reprezintă o valoare sterilizatoare medie:

Principii generale de conservare a produselor alimentare

43

Conservarea produselor alimentare prin pasteurizare şi sterilizare termică

 F − Fc Fs (F0) = Fcb + DTref 1,084 + lg λ  DTref 

   

În relaţia menţionată Fc se calculează cu relaţia:

Fc = Fc1 +

Fc 2 − Fc1 (Fs − Fs1 ) Fs 2 − Fs1

Fc este, de regulă, cu cel puţin o unitate DTref (Dr) mai mică decât Fs. De regulă Fc1 este mai mic cu 2 unităţi Dr decât Fs iar Fc2 cu o unitate Dr la care se adaugă 1. În aceste condiţii:

F − Fc1    Fs1 = Fc1 + Dr 1,084 + lg λ 1 Dr   F − Fc 2    Fs2 = Fc2 + Dr 1,084 + lg λ 2 Dr   i în acest caz se folosesc curbele de termopenetraţie în coordonate semilogaritmice, tabele pentru ratele letale, pentru valorile FI şi tabelele fh/U:g. 31.2 Estimarea temperaturii medii a produselor la care transmiterea căldurii se face prin conducţie. Aceste produse, dacă nu sunt răcite corespunzător după sterilizare pot suferi modificări în timpul depozitării şi transportului, şi anume:  modificări de culoare;  dezvoltarea termofililor supravieţuitori care pot produce alterarea. În acelaşi timp este necesar să păstreze suficientă căldură pentru ca apa de răcire rămasă la suprafaţa recipientului să se evapore rapid şi deci să se evite o manoperă de ştergere şi ruginire a cutiilor. Deci răcirea în apă trebuie să se facă până la 32 –43ºC. La stabilirea temperaturii medii în timpul încălzirii sau răcirii se au în vedere următoarele considerente:  transferul de căldură are loc în mod uniform prin întreaga suprafaţă a recipientului;

Principii generale de conservare a produselor alimentare

44

Conservarea produselor alimentare prin pasteurizare şi sterilizare termică

 răcirea începe după o perioadă de lag de 5…10 minute, timpul exact depinzând de distribuţia temperaturii în recipient în momentul în care începe răcirea. Temperatura medie în timpul încălzirii se poate calcula cu relaţia: Tsh = Tr + 0,27(Tch – Tr) Temperatura medie în timpul răcirii se poate calcula cu relaţia: Tsc = Tw + 0,27(Tcc – Tw) Ecuaţiile menţionate sunt valabile pentru cutiile cilindrice indiferent de dimensiunile acestora. Temperatura medie se mai poate calcula şi cu următoarele relaţii: -

pentru perioada de încălzire: gc = jch lh lg-1 (-

t ) fh

Aplicând relaţia Tch = Tr – gc se poate calcula temperatura centrului termic în perioada încălzirii (Tch) şi în aceste condiţii, cunoscând pe Tch şi Tr, se poate calcula Tsh. -

pentru perioada de răcire:

 t  yc = jcc lc lg-1  −   fc  Aplicând relaţia Tcc = Tw – yc se poate calcula temperatura centrului termic (geometric) în perioada răcirii (Tcc) şi în aceste condiţii, cunoscând pe Tcc şi Tw, se poate calcula Tsc la răcire. Tot pentru aceste produse se poate face şi echivalenţa dintre valorile Fs(F0) pentru două recipiente cu dimensiuni diferite, dar conţinând acelaşi produs. Relaţia folosită este următoarea: Fsb = Fsa + Dr lg

Vb Va

În care: Va şi Vb sunt volumele a două recipiente cu capacitate diferită. Fsa şi Fsb sunt valorile echivalente pentru Fs (F0) în cazul celor două recipiente cu dimensiuni diferite.

Principii generale de conservare a produselor alimentare

45

Conservarea produselor alimentare prin pasteurizare şi sterilizare termică

31.3 Produse la care transmiterea căldurii se face prin convecţie. Pentru aceste produse durata de încălzire (ridicare şi menţinere a temperaturii) se calculează cu relaţia: B=fh (lg jch lh – lg gc) Dacă valoarea fh/U este sub 0,5 iar valoarea g30T. condensatorul de 8 – 16 KJ poate genera OMF de 5 – 50 T în electromagnetul din circuit, frecvenţa câmpului magnetic fiind determinată de capacitanţa

condensatorului,

de

rezistenţa

şi

inductanţa

înfăşurării

magnetului. Avantajele folosirii câmpul magnetic sunt următoarele: Principii generale de conservare a produselor alimentare

55

Metode moderne de conservare


se păstrează calitatea senzorială şi nutriţională a produselor deoarece temperatura acestuia creşte doar cu 2-5ºC;
produsul alimentar poate fi tratat în ambalaje plastice flexibile (suple);
aplicarea câmpului magnetic nu este periculoasă pentru operator, câmpul magnetic de intensitate mare existând numai în interiorul electromagnetului şi imediat în jurul acestuia. Astfel, dacă intensitatea câmpului magnetic în interiorul magnetului este de ~7 T, la 2 m distanţă de ieşire, intensitatea scade la 7 ·10-5 T, intensitate comparabilă cu cea a câmpului magnetic;
necesarul de energie este relativ redus.

2.3. Conservarea cu ajutorul radiaţiilor ionizante În categoria radiaţiilor ionizante, cu folosire în industria alimentară intră radiaţiile γ şi X, care sunt de natură electromagnetică (fotoni), caracterizate prin energia E = hν, în care E este energia fotonilor (eV), h – constanta lui Plank (ergi), ν - frecvenţa ( vibraţii/s), acestea din urmă fiind raportul dintre c/λ, unde c – viteza luminii ( c=3x1010 cm/s) iar λ este lungimea de undă (λ distanţa parcursă de undă pe parcursul unui ciclu). Radiaţiile ionizante au λ ≈ 0,01 µm. Sursele de radiaţii ionizante sunt: 

acceleratoarele de electroni care pot atinge puteri de până la 30 KW şi

care produc electroni acceleraţi din electroni de joasă energie, emişi de un catod. Energia fasciculului de electroni acceleraţi nu trebuie să de păşească 10 MeV. Electronii acceleraţi pot fi folosiţi ca atare sau pot fi convertiţi în radiaţii X prin interacţiune cu o ţintă, energia fotonilor X trebuind să fie de maximum 5MeV; 

radioozotopi artificiali: Co60, Cs137 care emit radiaţii γ al căror nivel de

energie este de 1,17 şi 1,33 MeV pentru Co60 şi 0,60 MeV pentru Cs137. Radiaţiile ionizante ( în principal γ) sunt utilizate pentru conservarea produselor alimentare (inclusiv carne şi produse din carne) şi anume în scop de :
eliminarea microorganismelor patogene (radicaţie), dozele folosite fiind de 1 –4 kGy; Principii generale de conservare a produselor alimentare

56

Metode moderne de conservare


eliminarea microorganismelor de alterare – forme vegetative (radurizaţie, respectiv radiopasteurizare), dozele folosite fiind de 1 – 6 kGy;
eliminarea microorganismelor – forme vegetative şi spori respectiv radapertizare sau radiosterilizare, dozele folosite fiind de 15 – 60 kGy. Distrugerea

microorganismelor

cu

ajutorul

radiaţiilor

ionizante

este

consecinţa rupturilor ce survin în molecula de acid dezoxiribonucleic, acţiunii deteriorative a proteinelor şi lipidelor din structura membranei şi citoplasmei precum şi a enzimelor din membrane, citoplasmă, organite celulare. La aceste acţiuni participă şi produşii de radioliză ai apei conţinută în celula microbiană. Cu titlu de informaţie, menţionăm că radiaţiile ionizante mai pot fi folosite pentru: •

inhibarea germinării la cartofi, ceapă, usturoi cu doze de 0,05 – 0,15 kGy;

•

dezinsectizarea la cereale şi leguminoase uscate, fructe proaspete şi

uscate, făinuri proteice cu doze de 0,15 – 0,50 kGy şi chiar 1kGy; •

deparazitare cărnuri de vită, porc, oaie cu doze de 1-3 kGy;

•

realizarea unui proces fiziologic (întârzierea maturării la banane, mango,

papaya) cu doze de 0,5 – 1 kGy; •

decontaminarea

unor

aditivi

alimentari

şi

ingrediente

alimentare

(preparate enzimatice, condimente, gume naturale, gelatină, ouă, făină de sânge, carne, peşte, legume deshidratate, amidon, pudră cacao, fructe uscate) cu doze de 10 – 50 kGy; •

ameliorarea proprietăţilor foliilor de polietilenă care după iradiere capătă o

stabilitate

mai

mare

termică,

creşte

termoretractibilitatea,

rezistenţa

mecanică şi rezistenţa la solvenţi organici. Iradierea se face cu doze de ≥ 50kGy; •

aseptizarea ambalajelor folosite la condiţionarea aseptică a produselor

alimentare cu doze

ca cele utilizate pentru radiopasteurizare sau

radiosterilizare. Acţiunea electronilor acceleraţi şi radiaţiilor γ se manifestă la nivel de atomi şi la nivel de molecule.

Principii generale de conservare a produselor alimentare

57

Metode moderne de conservare

La nivel de atomi, felul interacţiunii este în funcţie de nivelul energetic al electronilor acceleraţi şi radiaţiilor γ şi X. dacă energia electronilor acceleraţi este mai mare de 10 – 13 MeV, aceştia acţionează nu numai asupra electronilor din straturile periferice ale atomilor dar şi asupra nucleului, inducând radioactivitate în produsul iradiat. La folosirea electronilor acceleraţi ca energie < 10 MeV, electronii incidenţi pot fi capturaţi de învelişukl electronic al atomului din materialul ţintă, devenind ioni negativi. În ceea ce priveşte radiaţiile γ (fotoni), aceştia pot acţiona cu atomii ţintă prin trei efecte: efectul fotoelectric, efectul Compton şi efectul formării de perechi. Efectul fotoelectric apare la întâlnirea fotonului incident (radiaţia γ şi X) cu un electron care se găseşte pe una din orbitele atomului. În aceste condiţii, electronul ciocnit primeşte întreaga energie a fotonului şi este expulzat din atom cu o energie cinetică Ec egală cu diferenţa dintre energia Eγ a fotonului incident şi energia de legătură Ee a electronului pe orbita respectivă. În urma expulzării electronului din atom, locul rămas liber pe orbită este ocupat de un alt electron, procesul putându-se repeta de mai multe ori. Aceste tranzaţii de electroni sunt însoţite de apariţia de radiaţii X caracteristice. Efectul fotoelectric apare deci atunci când Eγ >Ee. Efectul Compton are loc atunci când fotonul incident γ se întâlneşte cu un electron liber sau uşor legat. În acest caz, fotonul incident cedează electronului ciocnit o parte din energia sa şi deviază de la direcţia sa. Electronul ciocnit, denumit şi electron de recul sau electron Compton, este expulzat din atom. Fotonii împrăştiaţi, care au energie mai scăzută interacţionează din nou până la epuizarea întregii lor energii. Electronii ejectaţi pot ioniza atomii cu care interacţionează (devin ioni negativi). Efectul formării de perechi are loc atunci când energia fotonilor incidenţi este

ai mare de 1,3 MeV, în care caz el poate fi absorbit de câmpul

coulumbian al nucleului, consecinţa fiind apariţia perechii de particule electron – pozitron. Acestea din urmă are o viaţă scurtă şi prin întâlnire cu un electron se anihilează cu formare de doi fotoni de 0,5 MeV (radiaţii γ de anihilare). Electronii din perechea respectivă îşi pierd energia prin ionizarea şi excitarea atomilor întâlniţi. Dacă fotonii incidenţi au energie mare ei pot ejecta un proton sau neutron din nucleu şi în acest caz în materialul iradiat se induce radioactivitate. Principii generale de conservare a produselor alimentare

58

Metode moderne de conservare

La nivel de molecule, radiaţiile ionizante la doze de radapertizare pot afecta glucidele, proteinele, lipidele, apa, vitaminele şi enzimele, după cum urmează: 

poliglucidele pot fi depolimerizate iar cele simple pot fi degradate la acizi

organici şi produşi de oxidare; 

proteinele pot suferi transformări fizice şi chimice cum ar fi scăderea

solubilităţii,

denaturare,

scindare,

polimerizare,

modificarea

activităţii

enzimatice, reducerea conţinutului de aminoacizi (triptofan, metionină, cisteină). În mediu apos, sensibilitatea proteinelor la acţiunea radiaţiilor ionizante este mai mare decât atunci când acestea se află într-un mediu complex (cazul proteinelor din produsele alimentare), lipidele exercitând un rol protector. Prin iradierea aminoacizilor liberi din produsele alimentare se formează produşi carbonilici şi peroxidici; 

lipidele pot suferi o multitudine de degradări sub acţiunea directă a

radiaţiilor ionizante, degradările fiind influenţate de prezenţa sau absenţa oxigenului, prezenţa sau absenţa antioxidanţilor. Produsele care rezultă din acţiunea directă a radiaţiilor ionizante asupra lipidelor reprezintă 1% din masa acestora; 

apa din produsele alimentare suferă o radioliză cu formare de trei produşi

reactivi intermediari: electronul hidratic (eaq), radicali hidroxil (OH) şi radicali de hidrogen (H). Aceşti radicali favorizează acţiunea radiaţiilor ionizante asupra componenţilor nutritivi din produsele alimentare; 

vitaminele sunt parţial distruse sub influenţa radiaţiilor ionizante, cea mai

sensibilă fiind vitamina C, după care urmează vitaminele B1, B6, B12, PP şi apoi vitaminele A, E, K. distrugerea vitaminelor este mai mare în prezenţa aerului şi se continuă şi în timpul depozitării produselor alimentare iradiate. La doze de radapertizare (15 – 50 kGy) pierderile de vitamine sunt comparabile cu cele înregistrate la sterilizarea termică; 

enzimele rezistă chiar la doze de 50 kGy, fapt ce impune tratamentul

termic prealabil al produselor ce se supun iradierii (opărire, blanşare). Ca efect al radiaţiilor ionizante asupra componentelor alimentelor se pot modifica gustul, mirosul, culoarea şi textura produselor alimentare, gradul de modificare fiind dependent de doza utilizată. La doze mici, modificările senzoriale sunt imperceptibile, ele devenind evidente la doze de sterilizare. Principii generale de conservare a produselor alimentare

59

Metode moderne de conservare

Modificările senzoriale au fost bine studiate la iradierea cărnii. Astfel, până la doze de 20 kGy textura rămâne nemodificată, iar la doze de 40 kGy este afectată sensibil. Modificarea culorii este evidentă la doze mai mari de 9 kGy, în prezenţa O2 formându-se sulfmioglobina, iar în prezenţa azotului gazos, se regenerează oximioglobina din metmioglobină. La iradiere sub 40 kGy mirosul cărnii este asemănător cu cel al cerealelor umede, iar la doze mai mari de 100 kGy mirosul este asemănător cu cel al părului umed de câine. Mai poate apare şi miros de bulion sau legume răsfirete (varza). Datorită iradierii apar substanţe cu prag de percepţie ridicat (H2S, mercaptani, amine, aldehide). Radiaţiile ionizante pot influenţa şi ambalajele, după cum urmează:
ambalajele plastice sunt în general sensibile la acţiunea radiaţiilor ionizante. La doze mai mari de 10 kGy, din ambalaj poate migra în produs aditivii folosiţi la confecţionarea materialului plastic respectiv (citrat de sodiu, sulfat de lauril şi sodiu, clorura de polivinil, amidele acidului erucic, linoleic, palmitic, stearic, stearatul de aluminiu, calciu, magneziu, potasiu, sodiu, propionat de calciu şi sodiu, BHA, BHT, trietilenglicol);
ambalajele de sticlă nu au prezintă modificări fizice şi chimice la dozele folosite pentru radiosterilizare;
ambalajele metalice. La nivelurile dozelor utilizate, radiaţiile ionizante nu afectează nucleul atomic şi deci nu induc radioactivitate. Răşinile epoxifenolice folosite la vernisare îşi păstrează adezivitatea şi supleţea iar materialele termocolante îşi menţin proprietăţile fizice;
materialele celulozice la doze < 10kGy nu sunt modificate sensibil. La doze mai mari scade rezistenţa la tracţiune datorită ruperii legăturilor covalente în cazul celulozei, acetatului de celuloză, celofanului.

2.4. Conservarea cu ajutorul câmpului electric pulsatoriu de înaltă intensitate (pef) Câmpul electric pulsatoriu de înaltă intensitate se utilizează pentru pasteurizarea/sterilizarea produselor alimentare în stare lichidă (sucuri de fructe, lapte degresat, melanj de ouă, supe concentrate de legume, sosuri). Se consideră că distrugerea microorganismelor cu ajutorul câmpului electric Principii generale de conservare a produselor alimentare

60

Metode moderne de conservare

pulsatoriu de înaltă intensitate (PEF) se datorează unei modificări ireversibile a membranei celulare prin formarea de pori în membrană şi liza acestuia atunci când potenţialul de transmembrană celulară depăşeşte valoarea critică de 1 volt în membrana celulară. Efectul letal este funcţie de intensitatea câmpului, durata tratamentului (durata unui impuls x numărul de impulsuri). Procedeul ca atare nu are efecte negative asupra valorii nutritive şi proprietăţilor senzoriale ale produselor tratate. Se folosesc câmpuri electrice pulsatorii cu intensitate de 16 kV/cm – 75 kV/cm, durata unui impuls de 2 µsecunde, iar numărul de impulsuri între 10 – 342 în funcţie de produs. Creşterea temperaturii produsului este de max. 0,3ºC pentru fiecare impuls. În cazul sporilor, distrugerea s-ar datora produşilor de electroliză formaţi la tratamentul cu PEF (efect indirect bactericid). Instalaţia PEF este formată în principal din generatorul de impulsuri de înaltă tensiune (capacitor cu descărcare modulată), camera de tratare propriuzisă unde impulsurile de înaltă tensiune sunt transformat în PEF de înaltă intensitate, cameră dotată cu doi electrozi a căror temperatură este controlată prin intermediul unui sistem de răcire care recirculă apă printre electrozi, serpentină de răcire a produsului, pompă pentru lichidul de trata, recipient pentru produsul de tratat şi pentru produsul finit, traductoare de temperatură, sistem de monitorizare (computer şi osciloscop digital). Tratamentul PEF poate fi combinat cu un regim termic moderat (45 – 55ºC).

2.5. Conservarea cu impulsuri ultrascurte de lumina Impulsurile ultrascurte de lumină produse de generatori tip laser sau generatori tip lămpi flash (lămpi cu străpungere în gaz în regim de impuls) pot provoca distrugerea microorganismelor de la suprafaţa produselor alimentare şi suprafaţa interioară a ambalajelor, astfel că prin ambalarea aseptică a produselor tratate se poate prelungi durata de conservare mai ales dacă depozitarea ulterioară a produselor se face în condiţii de refrigerare sau congelare. Impulsurile ultrascurte de lumină au fost utilizate şi pentru deshidratarea unor vegetale (cartofi, morcovi) la un regim termic de aproximativ 30ºC. în acest Principii generale de conservare a produselor alimentare

61

Metode moderne de conservare

caz, straturile exterioare ale produsului absorb energia radiată care este transformată în căldură, ce determină o vaporizare a apei, vaporii de apă fiind preluaţi de un curent de aer. După o pauză (~20 s), necesară migrării apei din interior spre suprafaţă, se aplică un nou impuls, ciclul repetându-se.

2. 6. Folosirea radiaţiilor ultraviolete în industria cărnii pentru sterilizare şi prelungirea duratei de conservare Radiaţiile ultraviolete sunt de natură electromagnetică şi au lungimi de undă cuprinse între 0,2 (200 nm) şi 0,4µ (400 nm) putându-se clasifica în: radiaţii UV-A cu λ= 400 – 315 nm; radiaţii UV-B cu λ= 315 – 280 nm; radiaţii UV-C cu λ= 280 – 210 nm. În industria alimentară (şi deci în industria cărnii) se folosesc radiaţii UV-C, în special cele cu λ= 240 nm, deoarece au o puternică acţiune bactericidă şi germicidă. Efectul letal este dependent de doza de iradiere, unitatea de doză de iradiere fiind produsul dintre intensitatea de iradiere (µW/cm2) şi durata de iradiere (secunde). Acţiunea sterilizantă se poate exprima prin aşa numita unitate U care reprezintă acţiunea unei doze de 10 µW/cm2 timp de 60 secunde Acţiunea letală a radiaţiilor UV-C este explicată prin: inhibarea, inactivarea unor enzime care conţin grupări SH- active, acţiunii unor produşi de radioliză ai apei (anion superoxidic, oxigen singlet, radical hidroxil, radical hidrogen, anion hidroxil, peroxid de hidrogen), dezorganizării structurii proteinelor, mai ales prin scindarea legăturilor –SS- şi chiar ruperea legăturilor peptidice, formarea dimerilor de timină care determină distorsionarea macromoleculei de ADN la nivelul timinelor intercaternare, ce se apropie şi se leagă ciclobutanic, având drept rezultat slăbirea legăturilor de hidrogen, prin care se leagă de adeninele complementare. Având în vedere că radiaţiile UV au o putere penetrantă redusă, ele se folosesc

pentru

sterilizarea

de

suprafaţă

a

cărnii,

nemodificând

componentele chimice sensibile la acţiunea nemijlocită a radiaţiilor UV. În straturile interioare ( cele de 0,1 mm de suprafaţă) acţiunea radiaţiilor UV este nulă. Având în vedere cele menţionate, radiaţiile UV se folosesc la prelungirea duratei de păstrare a cărnii în semicarcase sau sferturi în Principii generale de conservare a produselor alimentare

62

Metode moderne de conservare

combinaţie cu frigul. Având în vedere că sub acţiunea radiaţiilor UV are loc o sterilizare a aerului din depozitele frigorifice, se poate mări umezeala relativă a aerului din depozite, ceea ce contribuie la micşorarea pierderilor în greutate ale cărnii în carcase, semicarcase, sferturi, neambalate. În condiţiile folosirii radiaţiilor UV se poate accelera şi procesul de maturare al cărnii prin menţinerea acesteia în prima etapă la temperatura de ~ 16ºC şi ϕ = 85 – 90%, timp e 24 – 48 ore, lămpile UV fiind montate deasupra liniilor aeriene din depozite, pe care sunt suspendate carcasele, semicarcasele, sferturile. Iradierea se face intermitent, la intervale de 10 – 12 ore, intensitatea de iradiere fiind 150 µW/cm2. După terminarea maturării, cărnurile se refrigerează rapid şi se păstrează la temperatura aerului de ~2ºC. Având în vedere penetrarea redusă a radiaţiilor UV, acestea sunt folosite şi pentru sterilizarea saramurilor de injectare şi acoperire, în strat subţire la suprafaţa a două răcitoare – panouri ondulate, între care se montează două rânduri de lămpi tip TUV30W (şase lămpi/rând). Radiaţiile UV sunt folosite şi pentru sterilizarea aerului din depozitele de maturare a salamurilor crude, pentru a se evita pătrunderea de mucegaiuri banale sau toxicogene, care s-ar dezvolta în dauna celor nobile ( dorite) cu care se însămânţează suprafaţa batoanelor (sub formă de spori). În acest sens, lămpile UV sunt montate în canale de aducţiune a aerului în scopul ventilării artificiale a depozitelor de salamuri crude.

2. 7. Conservarea prin încălzire cu microunde şi curenţi de înaltă frecvenţă 2. 7. 1. Consideraţii generale Microundele sau undele de frecvenţă superînaltă (SHF) şi curenţii de înaltă frecvenţă (UHF) sunt formate din două câmpuri ( electric şi magnetic) şi se caracterizează prin frecvenţă (Hz), viteză (c = 300.000 km/s)şi lungimea de undă (λ). În practică se utilizează microunde cu frecvenţa de 915 ± 25 MHz şi 2450 ± 50 MHz, lungimile de undă fiind 32,8 cm şi respectiv 12 cm. Principii generale de conservare a produselor alimentare

63

Metode moderne de conservare

În cazul curenţilor de înaltă frecvenţă se utilizează în mod obişnuit următoarele frecvenţe: 13,5 MHz şi λ = 3.000 cm, 27 MHz şi λ = 1.700 cm, 40 MHz şi λ = 1.200 cm. Microundele se caracterizează prin următoarele proprietăţi: traversează aerul, materialele plastice, porţelanul şi sticla; sunt reflectate de suprafeţele metalice; sunt absorbite de apă, alimente. Absorbţia micrundeleor de către produsele alimentare se manifestă prin transformarea energiei lor în căldură prin următoarele mecanisme:


conducţie ionică;




rotaţia dipolului;




electrostricţiune;




piezoelectricitate;




rezonanţă fero - şi ferimagnetică.

Cele mai importante mecanisme sunt conducţia ionică şi rotaţia dipolului. Conducţia ionică se datorează faptului că în orice produs alimentar se găsesc şi substanţe cu sarcini electrice libere, capabile să se deplaseze sub influenţa câmpului magnetic şi să întâlnească în calea lor substanţe cu sarcina electrică nulă. În funcţie de numărul şi frecvenţa şocurilor de “întâlnire”, energia microundelor se transformă într-o multitudine de energii cinetice slabe – dezordonate care, însumate formează energia termică, mare parte din aceasta fiind acumulată în produs în funcţie de capacitatea termică masică, iar cealaltă parte, mai mică, este difuzată mediului înconjurător. Substanţele din alimente care au sarcini electrice legate sunt organizate în dipoli (în principal apa din produsul alimentar dar şi proteinele şi glucidele), sub influenţa undelor electromagnetice de înaltă frecvenţă intră în rotaţie, cu revenire la starea iniţială la schimbarea de frecvenţă. Rotaţia produce frecare iar aceasta din urmă generează energie termică, care va fi cu atât mai mare cu cât frecvenţa undelor electromagnetice este mai mare. Rezultă că în produsul alimentar au loc polarizări sub influenţa undelor electromagnetice, cele mai importante fiind: 

polarizarea electronică (Pe) care duce la apariţia momentului dipol;

Principii generale de conservare a produselor alimentare

64

Metode moderne de conservare



polarizare atomică (Pa) caracterizată prin orientarea ionilor în reţeaua

cristalină; 

polarizare

dipol

(Pd)

care

rezultă

în

urma

acţiunii

câmpului

electromagnetic asupra moleculelor polare care prezintă momentul dipol propriu (în principal apa); 

polarizare microstructurală (Pm) care apare ca rezultat al orientării

electronilor şi ionilor; 

polarizare electrolitică (Pel).

Cele mai importante polarizări sunt Pd şi P, efectul total de polarizare fiind dependent de mărimea moleculelor, frecvenţa undelor electromagnetice, starea mediului (lichidă, semisolidă, solidă).

2.7.2. Deosebirile dintre încălzirea cu microunde şi curenţi de înaltă frecvenţă Atât în cazul microundelor, cât şi al curenţilor de înaltă frecvenţă, încălzirea este de volum şi se bazează pe proprietăţile dielectrice ale produselor alimentare. Deosebirea între microunde şi curenţii de înaltă frecvenţă (exceptând diferenţele de lungime de undă şi frecvenţă) sunt următoarele: 

Modul de cedare a energiei către produs. În cazul curenţilor de înaltă

frecvenţă, produsul alimentar trebuie să facă parte integrantă din circuitul electric, în sensul că se plasează între doi electrozi – plăci, acţionând deci ca un condensator. Acesta impune anumite recsticţii privind grosimea produsului. În cazul microundelor, energia este condusă de la generator la incinta în care se află produsul, prin canale de ghidare, variaţiile de greutate, grosime şi conţinutul de umiditate al produsului (dielectricului) având efect minim asupra generatorului de microunde, dar influenţează viteza procesului; 

Intensitatea câmpului electromagnetic într-o cameră de încălzire cu

curenţi de înaltă frecvenţă trebuie să fie mai mare decât într-o cameră de încălzire cu microunde, în vederea obţinerii aceluiaşi efect de încălzire; 

La încălzirea cu curenţi de înaltă frecvenţă, spaţiul dintre electrozii – plăci,

este redus, fiind o fracţiune din λ în timp ce la încălzirea cu microunde,

Principii generale de conservare a produselor alimentare

65

Metode moderne de conservare

dimensiunile camerei sunt mai mari decât λ0, aceasta reflectându-se în dimensiunile produselor ce se pot trata.

2.7.3. Factorii care influenţează încălzirea cu microunde Aceşti factori pot fi grupaţi în trei categorii: 1. Factori care ţin de proprietăţile alimentului supus încălzirii care la rândul lor pot fi: a) Factori legaţi de proprietăţile dielectrice ale alimentului; b) Factori care ţin de proprietăţile fizice şi termofizice ale alimentului. 2. Factori legaţi de proprietăţile sursei de microunde şi curenţi de înaltă frecvenţă; 3. Factori legaţi de proprietăţile ambalajului utilizat. Proprietăţile dielectrice ale alimentelor se referă la:
conductivitatea dielectrică, care este dată de relaţia: τ = ω ε’’

iar ω = 2π f

în care: ε’’ –

partea

imaginară

a

constantei

dielectrice

complexe

şi

caracterizează frecvenţa intramoleculară; f – frecvenţa undelor electromagnetice.
constanta dielectrică complexă, care este dată de relaţia: ε* = ε’ - jε” în care: ε’ – constanta dielectrică absolută sau partea reală a constantei dielectrice complexe; j – coeficientul părţii imaginare a unui număr complex.
tangenta de pierdere, care este dată de relaţia: tgδ =

ε" ε'

în care:

Principii generale de conservare a produselor alimentare

66

Metode moderne de conservare

δ - unghiul de pierdere, respectiv unghiul format de direcţie dreptei ε* şi dreptei ε’ care este perpendiculară pe dreapta ε”.
constanta dielectrică relativă ε r' , care este dată de relaţia:

ε r' =

ε' 10 −9 unde ε 0 = ( constanta dielectrică a aerului) ε0 36

Proprietăţile dielectrice ale alimentelor sunt dependente de temperatura şi de frecvenţa undelor electromagnetice şi depind în principal de conţinutul de apă din produs. Atunci când undele electromagnetice vin în contact cu produsul alimentar (dielectricul) o parte din energie poate fi reflectată, iar cealaltă parte pătrunde în produs unde se va atenua treptat transformându-se în căldură. Atenuarea este exponenţială, iar valorile câmpului şi puterii vor fi de forma: E = E0 e-αx şi P = P0 e-2αx în care: E – energia neabsorbită la o distanţă x faţă de suprafaţa produsului; α - coeficient de atenuare; E0 – energia microundelor în momentul impactului cu produsul; P – puterea neabsorbită la o distanţă x faţă de suprafaţa produsului; P0 – puterea microundelor în momentul impactului cu produsul. Distanţa până la care penetrează undele electromagnetice (microundele) este determinată în principal de proprietăţile dielectrice ale alimentelor şi de lungimea de undă λ0 a undelor în spaţiul de încălzire. D(cm)=

λ0 2π εr '

iar dacă λ0 = 12,2 cm, D(cm)=

1,94

εr ' ⋅ tgδ

Proprietăţile fizice şi termice ale alimentelor se referă la: 

forma produsului, care trebuie să fie cât mai regulată pentru ca

încălzirea să fie uniformă. Trebuie evitate formele cu margini şi colţuri, Principii generale de conservare a produselor alimentare

67

Metode moderne de conservare

deoarece acestea

se

vor supraîncălzi datorită faptului că

câmpul

electromagnetic se concentrează în locurile menţionate (aceleaşi consideraţii sunt valabile şi pentru forma tăvilor în care se ambalează produsul). Aceste supraîncălziri se manifestând se lucrează în sistem de “operaţie bloc”. Aceste neajunsuri sunt depăşite atunci când se lucrează în sistem de “ operaţie impuls” în care caz, temperatura produsului ambalat este mai mare în partea centrală a acestuia. Există posibilitatea ca fiecare tip de produs aşezat separat într-un compartiment al tăviţei de ambalare să primească cantităţi diferite de energie electromagnetică de la sursă: compartimentul cu carne primeşte 100% energia sursei, cel cu vegetale primeşte 60% din energia sursei iar ce cu paste (tăiţei) primeşte 40% din energia sursei. 

aria suprafeţei produsului trebuie să fie cât mai mare pentru ca

încălzirea să fie cât mai bună. Produsele cu suprafaţă/volum mare se încălzesc mai repede; 

densitatea produsului influenţează constanta dielectrică a acestuia,

aerul din produs contribuind la reducerea acestei constante. Constanta dielectrică creşte liniar cu densitatea produsului. Produsele “ aerate”, deci cu porozitate mare permit penetrarea pe o adâncime mai mare a microundelor, ceea ce conduce la scurtarea duratei de tratare; 

mărimea produsului (grosimea) nu trebuie să depăşească λ microunde,

în caz contrar încălzirea fiind neuniformă. Dacă grosimea produsului este ≈ λ produsul se încălzeşte mai puternic în centrul său. Dacă grosimea produsului depăşeşte λ microunde este necesar să se lucreze la frecvenţe de 915 MHz; 

masa produsului determină tipul de instalaţie ce trebuie folosită.

Produsele cu masă mică se tratează în cuptoare cu microunde iar cele cu masă mare în instalaţii cu funcţionare continuă; 

conţinutul în umiditate al produsului influenţează factorul de pierdere

(factorul de pierdere va fi mai mare la produsele cu umiditate mare) şi deci durata încălzirii; 

temperatura iniţială a produsului interesează pentru a regla puterea

sursei în vederea realizării unei temperaturi finale dorite. Temperatura iniţială a produsului interesează în special la decongelare, deoarece factorul de pierdere şi constanta dielectrică cresc pe măsură ce temperatura produsului variază de la –5 la 0ºC. În acest caz, apare apă lichidă la suprafaţa Principii generale de conservare a produselor alimentare

68

Metode moderne de conservare

produsului care absoarbe preferenţial microundele şi se constituie ca un “ecran” care împiedică penetrarea acestora spre centrul termic. Din motivele arătate decongelarea cu microunde are loc foarte bine până la –5ºC în centrul termic al produsului; 

conductivitatea termică a produsului are importanţă la încălzirea de

durată sau în cazul tratării produselor cu grosimi mai mari decât adâncimea de penetrare a microundelor; 

capacitatea termică masică este importantă la tratarea produselor cu

conţinut redus de umiditate sau fără umiditate (uleiuri, grăsimi). Proprietăţile sursei de microunde se referă la:
frecvenţă, care influenţează adâncimea de penetrare a microundelor. Pentru produse cu grosimi mai mari se utilizează microunde de 915 MHz iar pentru cele cu grosimi mai mici cele cu frecvenţe de 2450 MHz;
puterea sursei de microunde depinde de felul acesteia şi determină viteza de încălzire deci durata precum şi puterea disipată din produs. Această putere disipată pe unitatea de volum de produs va fi: P P = τE 2 sau = 2π ⋅ fε ' ⋅ tgδE 2 V V

pentru că:

τ = ωε " iar ω = 2π ⋅ f si ε " = ε ' tgδ Dacă avem în vedere şi constanta dielectrică relativă:

ε r' =

10 −9 ε si ε 0 = 36 ε0

atunci P = 0,556 ⋅ 10 −12 ⋅ f ⋅ ε r' ⋅ tgδE 2 V

Creşterea de temperatură în unitatea de timp la încălzirea cu microunde este dată de relaţia:

8 ⋅ 10 -12 E 2ε r' tgδ ⋅ f [ºC/min] ∆T = c⋅ρ în care: Principii generale de conservare a produselor alimentare

69

Metode moderne de conservare

c – capacitatea termică masică a produsului; ρ - densitatea produsului.

Proprietăţile ambalajului utilizat se referă la: 

materialul din care este confecţionat ambalajul care trebuie să fie

transparent pentru microunde. Se preferă ambalaje din material plastic şi anume:
pentru produse “ready to eat” (preparate culinare, respectiv mâncăruri gata preparate) care necesită doar reîncălzirea pentru a fi consumate, se utilizează caserole termoformate din PP/EVOH/PP, iar folia de acoperire din PET/Alu/PP. Acelaşi tip de ambalaj este recomandat şi pentru produsele “ready to heat” (semipreparate culinare” care sunt supuse fie pasteurizării fie sterilizării cu microunde;
pentru carne şi legume sterilizate se utilizează un ambalaj de contact direct cu produsul format din PA/PP sau PP/EVOH/PA/PP iar folia de acoperire din OPA/PP sau PP/PP sau OPA/PP/EVOH sau PET/SiOx/PP. Pentru comercializare se foloseşte şi un supraambalaj, având corpuşl format din PVC/PE iar folia de acoperire din PET/PE. Legumele sunt ambalate sub vid în primul ambalaj şi sterilizate cu microunde. După răcire se face supraambalarea în ambalajul de comercializare, în atmosferă de aer sau N2; 

forma şi dimensiunile ambalajului trebuie să permită o bună penetrare

a microundelor, fără supraîncălziri în colţuri, muchii. Deci sunt preferate ambalajele eliptice ci înălţime mică.

2.7.4. Aparatura de tratare cu microunde În principiu, aparatura de tratare cu microunde este formată din: •

generatorul de microunde care transformă energia electrică în energia

microundelor; •

sistemul de ghidare microunde,

•

incinta de tratare cu microunde.

Generatorul de microunde poate fi: Principii generale de conservare a produselor alimentare

70

Metode moderne de conservare

1. magnetron care emite puteri până la 25KW; 2. klistroane care emite puteri de 25 – 100 KW; 3. amplitroane care emit puteri >100 KW. Cele mai des folosite sunt magnetroanele, care se comercializează în module de 1, 5, 25 sau 30 KW, tensiunea de alimentare putând să fie de 2000 – 7000 V. randamentul de transformare a energiei electrice în energie a microundelor este de 50 – 60% iar durata de funcţionare de ~4000 ore. Sistemul de ghidare dirijează microundele la incinta cu produs şi poate fi un cablu coaxial sau un tub de aluminiu cu secţiune dreptunghiulară. Lungimea tubului de ghidare influenţează eficienţa folosirii microundelor, permiţând şi amplasarea magnetronului în afara incintei ceea ce este favorabil curăţirii acestuia. Incinta de tratare poate fi de tip cuptor sau tunel, ultimul fiind cu funcţionare continuă (unele putând să lucreze şi sub vid). De regulă, suprafaţa interioară a incintei este confecţionată din oţel inox sau aluminiu cu capacitate ridicată de reflectare a microundelor şi uşor de igienizat.

2.7.5. Utilizarea microundelor în scop de conservare Microundele pot fi utilizate fie pentru pasteurizarea diferitelor produse alimentare în prealabil ambalate, fie pentru sterilizare, în care caz produsele sunt ambalate în ambalaje ermetic închise. Pasteurizarea se execută la presiune atmosferică în timp ce sterilizarea se execută cu contrapresiune de aer. Distrugerea microorganismelor – forme vegetative şi spori – este realizată prin efect termic şi nu prin efectul direct al microundelor, deoarece acestea nu posedă suficientă energie (cuanta de energie pentru microunde cu frecvenţa de 2450 MHz este de 0,000012 eV) pentru a produce modificări în structura celulelor microbiene sau să scindeze diferitele legături chimice ale proteinelor din citoplasmă. Pentru pasteurizare poate fi utilizat orice tip de instalaţie cu condiţia ca energia emisă de magnetron să fie suficientă pentru a asigura încălzirea produselor în centrul termic până la cel puţin 70ºC.

Principii generale de conservare a produselor alimentare

71

Metode moderne de conservare

Pentru sterilizare se foloseşte de regulă o instalaţie cu funcţionare continuă care lucrează la o suprapresiune de aer de aproximativ 2,5 bar. O asemenea instalaţie îndeplineşte şase funcţiuni: 1. comprimare; 2. încălzire; 3. echilibrare; 4. menţinere; 5. răcire; 6. decompresie. Tunelul de tratare cu microunde este cilindric şi este împărţit pe lungime, la mijloc, astfel că în jumătatea de sus, care este izolată de cea de jos, se execută încălzirea, iar în cea de jos se execută răcirea. Produsele ambalate sunt încărcate pe cărucioare şi introduse în zona de comprimare care funcţionează pe principiul ecluzei pneumatice. În această zonă se introduce suprapresiunea de aer de 2,5 bar. Din zona de comprimare (compensare) cărucioarele ajung în zona de tratare cu microunde echipate cu magnetroane de 19 KW şi 2450 MHz. Magnetroanele sunt astfel plasate încât produsele să primească energia microundelor atât din partea superioară cât şi di cea inferioară. Fiecare magnetron este controlat individual şi i se poate varia puterea. În această zonă se introduce şi aer cald pentru a ajuta transferul de căldură şi prin convecţie. În continuare, cărucioarele ajung în zona de echilibrare unde se aduce aer cald şi de aici în zona de menţinere la temperatura de sterilizare (~127ºC). coborârea cărucioarelor în zona de menţinere se face cu un elevator. Timpul de menţinere în această zonă este în funcţie de tipul de produs şi deci de valoarea F0 ce trebuie realizată. În zona următoare se face răcirea produselor, cărucioarele parcurgând un drum invers. Răcirea se face cu aer rece, timpul de răcire fiind egal cu cel de încălzire şi echilibrare, la sfârşitul răcirii produsul fiind de 49 – 65ºC. în continuare, cărucioarele cu produse ajung în zona de decomprimare care lucrează simultan cu cea de comprimare. Durata ciclului este:
faza de încălzire 8 – 12 minute; Principii generale de conservare a produselor alimentare

72

Metode moderne de conservare


faza de echilibrare 2– 3 minute;
faza de menţinere (în funcţie de F0 dorit) 5 – 8 minute;
faza de răcire 8 – 12 minute. Produsele astfel tratate au caracteristici senzoriale (gust, culoare, textură, aspect general) superioare celor sterilizate prin metode clasice. Având în vedere temperatura ridicată a produselor la ieşire din instalaţie este necesară o răcire suplimentară până la temperatura de depozitare (~18 – 20ºC).

2.7.6. Alte utilizări ale microundelor Microundele mai pot fi utilizate pentru: 

decongelare cărnii, peştelui, fructelor şi legumelor;



prăjirea nucilor, boabelor de cafea şi boabelor de cacao;



coacerea pâinii, gogoşilor, prăjiturilor;



uscarea pastelor, cartofilor prăjiţi, morcovilor, cepii, etc.;



liofilizarea cărnurilor, peştelui, fructelor, vegetalelor, sucurilor, etc.;



aseptizarea produselor biologice în sensul dezinsectizării cerealelor,

făinurilor şi în sensul controlului florei microbiene cum este cazul orezului polisat în care caz se îmbunătăţeşte şi fierberea şi expansiunea; 

termoliza materialelor biologice respectiv plasmoliza microorganismelor în

vederea extracţiei componenţilor celulari; 

detoxifierea,

respectiv

distrugerea

factorilor

antinutriţionali

şi

a

micotoxinelor, în special aflatoxine: 

omogenizarea laptelui, cremelor, maionezelor, sosurilor şi sucurilor de

fructe concentrate, brânzeturi, produselor lactate acide, muştarului; 

stabilizarea sucurilor de fructe obţinute rin presare (cu pulpă) pentru ca

pulpa să rămână în suspensie; 

obţinerea de emulsii de tipul A/U pentru ungerea tăvilor la coacerea pâinii,

checurilor, cozonacilor; 

topirea grăsimilor animale şi vegetale solide, a blocurilor de ciocolată şi a

brânzeturilor; Principii generale de conservare a produselor alimentare

73

Metode moderne de conservare



coagularea compoziţiilor din carne pentru prospături;



determinări analitice şi controlul nivelului lichidelor în recipiente opace.

Curenţii de înaltă frecvenţă au utilizări mai restrânse şi anume, sunt folosiţi pentru deshidratare, decongelare (cel mai frcevent), coacerea drobului (pâine de carne) în forme metalice, obţinerea de peliculă coagulată în vederea fabricării cremvurştilor fără membrană (aceasta este cea mai interesantă utilizare şi s-a materializat în realizarea de instalaţii de tip Auto – Frank.

2.7.7. Avantajele folosirii microundelor Larga răspândire a echipamentelor cu microunde se datorează următoarelor avantaje pe care le oferă procesarea cu microunde şi anume:
energia microundelor este disponibilă instantaneu, ea fiind trimisă la distanţă în incinta de tratare a produselor aflate în atmosfera variată: sub vid, sub presiune, în atmosferă rece, caldă sau ventilată;
încălzirea cu microunde este economică, în sensul că nu sunt pierderi substanţiale de energie;
încălzirea cu microunde nu este poluantă, în sensul că nu ridică temperatura mediului ambiant;
tratamentul produselor este de scurtă durată deoarece transferul de energie al microundelor la produs este rapid;
temperaturile ridicate în produs se ating fără o încălzire prealabilă prin alte metode şi fără supraîncălziri locale;
selectivitatea microundelor permite o acţiune specifică asupra produselor prin alegerea dozelor de intensitate şi a duratei de aplicare;
instalaţiile sunt uşor de realizat în funcţie de produs şi calităţile ce urmează a fi tratate;
includerea tratamentului cu microunde într-un lanţ tehnologic este simplă, datorită faptului că tratamentul este de scurtă durată;
produsele pot fi tratate în starea lor iniţială;
instalaţiile pot fi complet automatizate şi computerizate.
spaţiul ocupat este redus. Principii generale de conservare a produselor alimentare

74

Metode moderne de conservare

2.8. Conservarea prin încălzire ohmică Încălzirea ohmică este utilizată pentru pasteurizarea sau sterilizarea unor produse alimentare lichide mai mult sau mai puţin vâscoase, produse cu un anumit raport solid/lichid (mâncăruri gata preparate), compoziţii pentru cremvurşti, parizer, polonez, francfurter, etc.

2.8.1. Principiul încălzirii ohmice Încălzirea ohmică (I2R) are loc atunci când curentul electric alternativ de 50 – 60 Hz, trece printr-un produs alimentar de rezistenţă R. curentul electric alimentează doi electrozi speciali şi având în vedere câmpul electric de ordinul a câţiva KV/m se elimină posibilitatea de a apare efectul de electroliză a produsului. La încălzirea ohmică, gradientul de temperatură în interiorul produsului nu este mare şi atât faza lichidă cât şi cea solidă (particule) ale unui produs alimentar sunt încălzite aproape simultan, neexistând pericolul supraîncălzirii fazei lichide. În plus, nu se pun probleme de formare a crustelor la suprafaţa schimbătorului de căldură şi deci este exclusă posibilitatea de transfer a particulelor arse de pe pereţi în produsul ce se tratează. Totodată, în schimbătorul ohmic, este posibil să alegem şi un regim de curgere laminar pentru a păstra integritatea particulelor fragile în textură. Ţinând cont de durata mică de încălzire, lungimea tubului care-l parcurge produsul este redusă şi acest lucru permite limitarea influenţei duratei de staţionare a particulelor în aparat şi o mai bună omogenitate a tratamentului termic asupra produsului în ansamblul său. Aplicabilitatea încălzirii ohmice este deci dependentă de conductivitatea electrică a produsului care conţine o anumită cantitate de apă în care sunt dizolvate săruri minerale. Viteza de generare a energiei termice în produsul alimentar supus încălzirii ohmice este dată de relaţia: u = ∇V2⋅σ în care: u – viteza de generare a energiei termice pe unitatea de volum, W/m3; ∇V – gradient de tensiune, volt/m; Principii generale de conservare a produselor alimentare

75

Metode moderne de conservare

σ - conductivitatea electrică, S/m.

Neglijând transferul de căldură prin convecţie şi conducţie, viteza de generare a energiei termice (deci de încălzire a produsului) cu masă volumică ρ (kg/m3) şi capacitatea masică cp (J/kg K) poate fi calculată şi cu relaţia:

σ ⋅ V2 u= ρ ⋅ cp Într-un element de produs, de lungime ∆z (m), de suprafaţă A (m2), cu conductivitate electrică σ (S/m) plasat într-un câmp electric V (volt/m) pentru un timp t (secunde) energia termică generată se calculează cu relaţia: ∆Q = σ V2 A ∆z t

Din ecuaţia vitezei de generare a energiei termice se observă că σ este factorul determinant, acesta variind cu temperatura până la 60ºC ca rezultat al ruperii membranelor celulare şi trecerea în faza lichidă a electroliţilor. La încălzirea ohmică a produselor solide, relaţia σ/temperatura este liniară dacă intensitatea câmpului electric creşte, probabil datorită efectelor electroosmice care sunt responsabile de creşterea conductivităţii electrice. Interdependenţa σ - T este dată de relaţia: σT = σref [1 + m(T – Tref)]

în care: σT – conductivitatea electrică la temperatura T, în S/m; σref - conductivitatea electrică la temperatura de referinţă (Tref), în S/m;

m – coeficient de temperatură. Valorile lui σref şi m pentru unele produse vegetale şi animale sunt prezentate în tabelul 2.2. Tabelul 2.2. Valorile lui σref şi m pentru unele produse alimentare Produsul Cartofi

σ25 (s/m)

M (ºC)-1

0,32

0,035

Principii generale de conservare a produselor alimentare

76

Metode moderne de conservare

σ25 (s/m)

M (ºC)-1

Morcovi

0,13

0,107

Carne pui

0,37

0,019

Carne vită

0,44

0,016

Produsul

La produsele solide se poate creşte conductivitatea electrică prin injectare de saramură (ceea ce se face în mod curent la cărnurile sărate prin injectare). În cazul încălzirii ohmice a lichidelor cu pulpă (suc de tomate, citrice), conductivitatea electrică scade odată cu creşterea conţinutului de pulpă ca rezultat al prezenţei constituenţilor nepolari în pulpă. Relaţia dintre σ şi T este însă liniară indiferent de conţinutul de pulpă. Pentru produsele menţionate σT se calculează cu relaţia: σT = σref [1 + K1(T – Tref)] – K2S

în care: S – conţinutul în particule solide K1, K2 – constante. În acest caz, valorile lui σref, K1şi K2 sunt arătate în tabelul 2.3.: Tabelul 2.3. Valorile lui σref, K1şi K2 pentru sucurile de tomate σ25 (S/M)

K1 (ºC)-1

K2 (ºC)-1

Suc de tomate

0,863

0,174

0,101

Suc de portocale

0,567

0,242

0,036

Produsul

La încălzirea ohmică a produselor cu raport solid/lichid, coeficienţii de temperatura (m) variază diferenţiat pentru faza lichidă şi cea solidă. Astfel, la temperatura camerei, conductivitatea electrică a fazei solide poate fi mai scăzută decât cea a fazei lichide. La temperaturi mai ridicate, faza solidă devine mai conductivă, ceea ce are implicaţii asupra vitezei de încălzire. Principii generale de conservare a produselor alimentare

77

Metode moderne de conservare

Cercetările efectuate la încălzirea ohmică a unui produs cu raport solid/lichid, într-un încălzitor ohmic static, au condus la următoarele concluzii:
o particulă solidă cu conductivitate electrică mare are tendinţa de întârzia instalarea regimului termic datorită densităţii mari de curent. Totuşi, dacă particula are o anumită mărime şi orientare care să împiedice trecerea curentului electric, particula se poate încălzi mai repede decât lichidul;
dacă se măreşte concentraţia particulelor cu conductivitate electrică mai mică decât a lichidului, viteza de încălzire a particulelor poate să crească şi chiar să depăşească pe cea a lichidului, deşi viteza de încălzire a mixturii însăşi poate fi mai mică din cauza creşterii rezistenţei în general;
viteza de încălzire la tensiune constantă creşte odată cu timpul, ca rezultat al creşterii conductivităţii electrice; Studiile efectuate pe un încălzitor ohmic continuu au condus la următoarele concluzii: •

într-o mixtură cu un număr redus de particule solide faza solidă se va

încălzi cu o viteză mai redusă decât lichidul; •

atunci când conductivităţile electrice ale celor două faze sunt egale, iar

faza solidă este în concentraţie mare, temperatura punctelor reci ale particulelor (colţurile cuburilor) depăşeşte uşor temperatura lichidului, în timp ce temperatura în centrul particulelor solide este mult mai ridicată decât cea a lichidului; •

dacă faza solidă are conductivitate electrică scăzută, curba de încălzire

este asemănătoare ca evoluţie, dar creşterea temperaturii mixturii este numai cu câteva grade mai mare. Particulele solide se încălzesc mai repede decât lichidul, dar viteza de încălzire a mixturii este mai scăzută.

2.8.2. Calitatea produselor tratate prin încălzire ohmică Încălzirea ohmică, în funcţie de temperatura atinsă de produs poate realiza pasteurizarea, respectiv sterilizarea termică. La sterilizarea unui produs ca raport solid/lichid, valoarea de sterilizare (F0) pentru faza lichidă necesară pentru ca şi particulele să atingă o valoare F0 =

Principii generale de conservare a produselor alimentare

78

Metode moderne de conservare

5 min este în funcţie de diametrul particulelor şi temperatura de încălzire a mixturii. Duratele de încălzire la diferite temperaturi pentru a atinge F0 = 5 min sunt în funcţie de diametrul particulelor. Sterilizarea ohmică conduce la obţinerea de produse cu valoare nutritivă mare, fapt evidenţiat în fig 51, din care rezultă că pentru aceeaşi valoare F0, cooking value (C0) este cu atât mai mică cu cât temperatura de sterilizare este mai mare.

2.8.3. Instalaţii cu funcţionare continuă de procesare ohmică Unitatea de bază într-o instalaţie continuă de procesare ohmică este schimbătorul ohmic de tip coloană şi este format din electrozi montaţi în carcase confecţionate din blocuri solide de politetrafluoroetilen (PTFE). Carcasele sunt acoperite cu tablă din oţel inox şi sunt conectate între ele prin coloane din oţel inox, coloane izolate cu material plastic. Coloana este astfel construită încât fiecare secţiune de încălzire are aceeaşi impedanţă electrică; prin urmare lungimea coloanelor (tuburilor) se măreşte sper capătul de ieşire a produsului, deoarece conductivitatea electrică a produselor alimentare creşte odată cu creşterea temperaturii acestora. Electrozii de la extremităţile coloanei de încălzire sunt legaţi împreună la pământ şi de asemenea legaţi la o fază a transformatorului de tensiune, în timp ce electrozii interiori (intermediari) sunt conectaţi fiecare la o altă fază a transformatorului care este alimentat la rândul său de la reţeaua electrică publică. 

Pentru produsele alimentare mai mult sau mai puţin vâscoase se

utilizează o instalaţie de tipul cele prezentate în fig.

În care încălzitorul

ohmic are 7 electrozi. Instalaţia mai este prevăzută şi cu o serpentină pentru menţinerea temperaturii, un răcitor tubular şi rezervor aseptic de primire a produsului. 

Iniţial instalaţia este sterilizată cu o soluţie de spălare care este reciclată

după ce este răcită într-un schimbător de căldură cu plăci, putând fi colectată sau deversată la canal. După sterilizarea instalaţiei, se admite produsul fluid prin pompare care se poate pasteuriza la 90 – 95ºC sub presiunea de 2 bar Principii generale de conservare a produselor alimentare

79

Metode moderne de conservare

sau se poate steriliza la 120 – 140ºC şi presiunea de 4bar. Pentru a menţine presiunea în instalaţie se utilizează un vas de presiune cu aer sau azot steril. Acest vas serveşte şi pentru colectarea electrolitului de la interfaţa cu produsul. După colectarea acestei faze, produsul este trimis în vasul aseptic şi de aici la ambalarea aseptică care poate fi în sistem Tetrapack, Combibloc/PKL sau ERCA (Neutral Aseptic System). 

Pentru produsele cu un anumit raport solid/lichid se aplică un procedeu

combinat. Astfel partea lichidă este pasteurizată/sterilizată şi răcită într-un schimbător cu plăci sau tubular şi apoi este injectată în faza solidă care poate avea o concentraţie de ~ 80% şi care a fost pasteurizată/sterilizată în schimbătorul ohmic. Amestecul respectiv, care poate avea ~ 40% fază solidă, este răcit într-un schimbător de căldură tubular şi este trimis la ambalare aseptică. Avantajul cestui sistem combinat conduce la micşorarea costurilor de investiţie şi exploatare. Igienizarea instalaţiilor menţionate se face prin spălare cu apă, apoi cu soluţie de NaCl 2% care se recirculă la temperatura de 80ºC timp de 30 minute şi în final se face clătirea cu apă. La proiectarea procesării cu încălzire ohmică trebuie să se aibă în vedere:
la procesarea ohmică, conductivităţile electrice ale fazelor şi coeficienţii de temperatură sunt deosebit de importante. Este de dorit ca conductivităţile electrice ale celor două faze să fie cât mai apropiate, ceea ce este dificil de realizat în practică. O fază solidă cu coeficient de temperatură ridicat este indicată pentru procesare, deoarece conductivitatea sa electrică poate excede pe cea a fazei lichide, în timpul procesării ohmice;
dacă faza solidă are o conductivitate electrică mai redusă în comparaţie cu cea a fazei lichide, concentraţia fazei solide joacă un rol crucial în determinarea fazei care se încălzeşte mai rapid. Concentraţiile mai mari ale fazei solide determină o încălzire mai rapidă a fazei solide, dar încălzirea generală a amestecului este mai lentă;
orientarea particulelor este deosebit de importantă dacă raportul dintre dimensiuni este departe de a fi unitar. În condiţiile în care conductivitatea electrică a fazei solide este mai mică decât a fazei lichide, particulele orientate parale cu câmpul electric se vor încălzi mai lent, în timp ce

Principii generale de conservare a produselor alimentare

80

Metode moderne de conservare

particulele orientate perpendicular pe câmpul electric vor determina termic lichidul. Pentru particulele sferice sau cubice efectele orientării sunt slabe;
dacă particulele au o conductivitate electrică mică iar concentraţia acestora este mare, amestecul se încălzeşte lent şi problema care se pune este aceea de a avea o tensiune suficientă pentru a asigura încălzirea. Dacă în sistem intră o particulă cu conductivitate electrică foarte mică, aceasta va fi încălzită insuficient;
la încălzirea ohmică, dimensiunile particulelor afectează puţin vitezele de încălzire. Coeficienţii parţiali de transfer termic fluid – particule prezintă importanţă dar în măsură mai mică decât la prelucrarea termică convenţională;
particulele care conţin lipide trebuie încălzite ohmic cu multă atenţie, deoarece lipidele se pot separa şi formează a treia fază în amestec care complică prelucrarea termică.

2.8.4. Avantajele încălzirii ohmice Aceste avantaje sunt următoarele: •

Încălzirea ohmică este rapidă atât pentru faza lichidă cât şi pentru cea

solidă, viteza de încălzire variind între 0,3 – 5°C/min., ceea ce face ca valorile de sterilizare (F0) pentru cele două faze să fie aproape identice. Este deci posibil să încălzim la 135 - 140°C particulele (în centrul termic) fără riscul ca faza lichidă să se supraîncălzească, fapt confirmat de rezultatele prezentate în tabelul 2.4. Tabelul 2.4. Valorile F0 la încălzirea ohmică la temperatura de 140°C Valoarea sterilizatoare (min.) Tipul bucăţilor

Faza lichidă

Particule întregi

Centrul particulelor

cubice cu latura de

(3 mm în jurul

19 mm

centrului)

Carne vită

32

32,5

37,0

Morcovi

32

32,6

37,1

Principii generale de conservare a produselor alimentare

81

Metode moderne de conservare



În limitele de pompabilitate ale produsului alimentar atât fracţiunea

masică de particule cât şi vâscozitatea fazei lichide nu sunt parametri importanţi la încălzirea ohmică. 

Prelucrarea termică este continuă şi nu necesită suprafeţe de schimb

de căldură. 

Prelucrarea termică este rapidă fără degradarea calităţii produsului.



Prelucrarea termică este ideală pentru produsele cu textură moale,

fragilă, din cauza curgerii laminare şi a vitezei scăzute de curgere. 

Substanţele nutritive sunt reţinute la un grad înalt (Cooking value

scăzută). 

Se obţin produse cu calităţi senzoriale superioare.



Procesul se desfăşoară fără poluare sonică.



Puterea electrică necesară este proporţională cu debitul de produs ce

se tratează şi ajunge la 0,1kW/Kg şi h. 

Randamentul conversiei energiei electrice în energie termică este

foarte bun, nefiind afectat de pierderile datorate izolării imperfecte a instalaţiilor de încălzire clasice (tabelul2.5.). Tabelul 2.5. Randamentul conversiei energiei electrice în energie termică pentru diferite moduri de încălzire

Procedeul

Randamentul conversiei, %

Putere instalata, kw

Microunde (2450 MHz)

60-70

0,6-6

Microunde (915 MHz)

80-90

5,0-60

50-60