В чем заключается стерилизация молока тепловыми методами?
В зависимости от применяемых технических средств стерилизация молока может быть тепловой , химической или ионизированным излучением. В данном случае под термином “ стерилизация ” понимают тепловую стерилизацию .
Для вывода теоретического обоснования уничтожения бактерий при тепловой стерилизации существует следующий эксперимент.
Из спор хорошо известных видов бактерий готовили однородную микробиологическую суспензию и измеряли первоначальную концентрацию С0 жизнедеятельных клеток в единице объема. Затем суспензию подвергали тепловой обработке при различных комбинациях температуры и продолжительности, причем переменным являлся только один параметр.
При постоянной температуре количество переживших тепловое воздействие спор подсчитывают через равные промежутки времени, т. е. определяют их концентрацию С в конце каждого периода времени. По полученным данным строят график, показывающий постоянное снижение концентрации С как функцию времени t. Построить такой график очень сложно из-за большого разброса данных о концентрации переживших спор, поэтому строят график логарифма С как функции времена действия при постоянной температуре.
При тепловой обработке концентрация и скорость разрушения бактерий уменьшаются в зависимости от продолжительности нагрева. Скорость разрушения пропорциональна концентрации. Это понятие идентично понятию мономолекулярной реакции, когда при понижении концентрации понижается скорость. В пределе такой реакции, когда концентрация становится малой, скорость становится также бесконечно малой, а продолжительность реакции - бесконечно большой. Последняя клетка разрушится через бесконечно большой промежуток времени, завершения процесса уничтожения бактерий практически достичь невозможно и, следовательно, не может быть абсолютной стерилизации . Такой вывод подтверждается тем фактом, что график второй части показательной функции заканчивается гиперболой, асимптотически приближающейся к оси времени. Отсюда следует, что понятие "логарифмической смерти" не совместимо с понятием стерильности.
При нагреве в молоке не только уничтожаются микроорганизмы, но и изменяется цвет и вкус его, биологическая ценность некоторых белков и разрушаются витамины. Степень этих изменений зависит от температуры стерилизации. Скорость уничтожения микроорганизмов при повышении температуры увеличивается быстрее скорости нежелательных химических изменений. Следовательно, если молоко нагревается до высокой температуры за более короткое время, то химические изменения будут меньше при той же степени уничтожения микроорганизмов. Отношение бактерицидного эффекта к одному из химических изменении (побурение молока) изменяется незначительно в пределах температур, применяемых для стерилизации молока в бутылках. При температурах свыше 130oС это отношение увеличивается значительно (рис. 4), что и используют при высокотемпературных режимах. Стерилизованное при таких режимах молоко содержит меньше бактерий. Изменения цвета и вкуса - незначительные. Чем выше температура стерилизации, тем лучше протекает процесс, но максимальная температура ограничивается практическими соображениями.
При температуре 150oС споры бактерий разрушаются за 1 секунду. Высокие температуры при короткой выдержке могут быть получены только в поточных схемах. Молоко нагревают, смешивая его с паром (пароконтактные установки) или непосредственно через стенку из нержавеющей стали паром высокого давления в стерилизационных автоматизированных установках.
В пароконтактных системах молоко до температуры стерилизации нагревается при смешении с паром, который конденсируется и отдает скрытую теплоту. Излишки влаги из молока удаляют выпариванием в вакуум-камере. В это время оно охлаждается. Если вакуум в охлаждающей камере эквивалентен температуре молока перед смешением его с паром, то вся добавленная в виде конденсата вода будет удалена при охлаждении. Детальный анализ показывает, что температура молока после вакуумного охлаждения должна быть выше, чем перед паровым нагревом. Молоко после охлаждения будет иметь концентрацию сухих веществ, равную концентрации сухих веществ в исходном молоке. Высокие требования к качеству пара, контроль и регулирование содержания сухих веществ играют большую роль при выработке стерилизованного питьевого молока.
В стерилизаторах с поверхностным нагревом молоко нагревается через стенку из нержавеющей стали. Стенка может представлять собой волнистую пластину (пластинчатый нагреватель), с одной стороны которой проходит молоко, а с другой - греющий пар (в конечной стадии нагрева), трубу в паровой камере или теплообменник. Молоко нагревается до конечной температуры 130 - 140oС. Чтобы предотвратить кипение молока, создается обратное давление приблизительно на 1 атм выше давления, соответствующего максимальной температуре, при которой стерилизуется молоко. Пластинчатые нагреватели дороже чем трубчатые. Имеют низкие эксплуатационные характеристики (короче срок службы при непрерывном процессе производства, требуется большое время на промыв, высокие трудозатраты на ремонт и техническое обслуживание).
Назначение тепловой обработки молока заключается в следующем: получение молока и молочных продуктов, безопасных для потребления, т. е. уничтожения патогенных микроорганизмов; резкое снижение содержания микроорганизмов и инактивация ферментов, которые уменьшают стойкость питьевого молока и вызывают пороки молочных продуктов; изменение физико-химических свойств молока с целью получения готовых продуктов с необходимыми свойствами. Поэтому в зависимости от поставленных целей при производстве молочных продуктов используют разные режимы тепловой обработки молока.
Наиболее распространенными способами тепловой обработки молока являются пастеризация и стерилизация.
Пастеризация молока. В молочной промышленности применяют следующие режимы пастеризации: длительная пастеризация при низкой температуре (63—65°С с выдержкой 30 мин); кратковременная пастеризация при 72—75°С с выдержкой 15—20 с; моментальная пастеризация при 85—90°С без выдержки или с кратковременной выдержкой; высокотемпературная пастеризация при 90— 95°С с выдержкой 30 мин (для приготовления заквасок).
Эффективность пастеризации зависит от температуры и продолжительности ее воздействия, а также от механической загрязненности и бактериальной обсемененности сырого молока.
Установлено, что при 75°С микрококки погибают через 3—5 с, кишечные палочки — через 2—3 с, а при 70°С микрококки погибают только через 10—20 с.
Наиболее стойкими из патогенных неспорообразующих микроорганизмов являются микобактерии туберкулеза, поэтому основным критерием надежности режимов пастеризации служит гибель этих бактерий.
В промышленности эффективность пастеризации контролируют, применяя реакцию на фосфатазу. Условно считают, что если в пастеризованном молоке реакция на фосфатазу отрицательная, то в нем погибли все неспоро-образующие патогенные бактерии.
Чем больше в молоке механических частичек, слизи, клеток эпителия и микроорганизмов, тем ниже эффективность пастеризации.
Эффективность пастеризации зависит и от качественного состава микрофлоры сырого молока. В молоке, охлажденном сразу после доения и хранившемся при низких температурах до момента тепловой обработки, преобладают психротрофные бактерии. Эффективность пастеризации такого молока бывает достаточно высокой.
Эффективность пастеризации значительно снижается, если молоко после доения было охлаждено недостаточно (до температуры 10°С и выше), так как в нем при хранении и транспортировке развиваются молочнокислые бактерии, в том числе энтерококки (Str. faecalis. Str. liquefaciens, Str. durans), характеризующиеся высокой термоустойчивостью (погибают при нагревании молока до 85°С).
Остаточная микрофлора пастеризованного молока зависит от эффективности пастеризации молока и оценивается по двум микробиологическим показателям: по процентному соотношению количества бактерий, оставшихся после пастеризации, к количеству бактерий, содержавшихся в сыром молоке; отсутствию кишечной палочки при посеве 10 мл пастеризованного молока в среду Кесслер.
При кратковременной пастеризации (75°С) преобладающей остаточной микрофлорой являются термофильные молочнокислые стрептококки и палочки, энтерококки, микрококки, споры бацилл. Остаточная микрофлора молока при моментальной пастеризации (85—90°С) или с кратковременной выдержкой состоит из термоустойчивых молочнокислых палочек и спор бацилл. А при нагревании молока до 90—95°С с выдержкой 10—30 мин в нем остаются только споры бацилл, причем активность их прорастания резко снижается