Способ стерилизации мясного сырья

Изобретение относится к области стерилизации мясокостного сырья и может быть использовано в животноводческой отрасли или перерабатывающих отраслях промышленности.

В настоящее время стерилизация животноводческой и мясной продукции осуществляется в основном в автоклавах при значительном избыточном давлении (патент США №6207215, А23В 4/005, Опубл. 02.27.2001 High temperature / ultra highpressure sterilization of foods). Например, стерилизация мясных консервов проводится в автоклавах при давлении 1,5 атм в течение 2-2,5 ч. Когда температура в центре консервной банки достигает 120°С. В результате наступает так называемая «промышленная стерильность», когда в 1 г консервов обнаруживают не более 10 непатогенных микроорганизмов (Флауменбаум Б.Л. Теоретические основы стерилизации консервов. Киев, 1981. - 196 с. ГОСТ 30425-97 Консервы. Метод определения промышленной стерильности). Стерилизацию отходов убоя скота и трупов павших животных осуществляют в горизонтальных вакуумных котлах типа КВМ-4,6, ГВК-2,6 в течение 4-5 ч при избыточном давлении 3-4 атм (Либерман С.Г., Петровский В.П. Справочник по производству технических фабрикатов на мясокомбинатах. М.: 1969. - 407 с.).

Недостатком способа является его ограниченное применение, поскольку автоклавирование используется только на небольшом числе перерабатывающих предприятий, а к работе на аппаратах с повышенным давлением допускается ограниченный круг специально подготовленных операторов.

В связи с этим в настоящее время ведется поиск альтернативных способов инактивации микроорганизмов в пищевых продуктах или сырье. Поэтому последнее время находят все большее применение в промышленности и быту сверхвысокочастотная (СВЧ) техника и технология (Патент США №4393088, МКИ A23L 3/10; Sterilizing process for foods by applying microwaves thereto // Matsusaka O. - Опубл. 07.12.83). (Патент RU №97122003 «Способ определения технологических характеристик СВЧ-обработки сельскохозяйственных материалов и пищевых продуктов». - Заявл. 26.12.97. - Опубл. 27.08.99). (Патент RU №94016416. «Сушильная бытовая СВЧ-печь». - Заявл. 27.04.94. - Опубл. 02.10.95). (Патент RU №93019796, МПК Н05В 6/64 «СВЧ-печь» Заявл. 04.15.93, опубл. 09.10.95).

К основным особенностям СВЧ-обработки относятся: способность проникать на значительную глубину внутрь продукта, независимость длительности нагрева до заданной температуры от объема и формы изделия, отсутствие его контакта с теплоносителем, высокий КПД преобразования энергии в тепло, выделяемое в нагреваемом объекте. Гибель микроорганизмов в высокоинтенсивном СВЧ-поле обусловлено, как правило, гипертермией, приводящей к необратимой коагуляции белка. Кроме того, в микробной клетке происходит инактивация ферментов и других физиологически важных компонентов.

Известны способы обработки в СВЧ-поле мясной продукции, рыбы и морепродуктов. Имеются научные данные о том, что при СВЧ-нагреве пищевых продуктов в течение 3 мин происходит уничтожение вегетативной микрофлоры (Рогов И.А. Сверхвысокочастотный нагрев пищевых продуктов. М.: 1986. - 351 с.). В монографии В.В.Воробьева «Обработка гидробионтов СВЧ-нагревом и управление качеством продукции», М. 1998, - 345 с. приводятся сведения о гибели вегетативной микрофлоры в рыбе и морепродуктах при различных режимах СВЧ-обработки. По-видимому, при обработке продукции под действием микроволн в микробных клетках частично поражаются ферментные системы, не способные к быстрой адаптации. Одновременно под действием микроволн происходит разрушение оболочки микробных клеток. В результате анализа научно-технической информации и результатам собственных исследований установлено, что СВЧ-поле в основном является губительным для вегетативной формы микроорганизмов и не вызывает, как правило, инактивации спор.

Информация о губительном влиянии СВЧ-поля на споры и спорообразующую микрофлору носит крайне ограниченный характер. В статье Kim SY, Shin SJ, Song CH, Jo EK, Kim HJ, Park JK «Destruction of Bacillus licheniformis spores by microwave irradiation» (J. Appl. Microbiol. 2009) отмечено, что МВ-обработка при мощности 2 кВт и экспозиции 60 с не приводят к полному уничтожению спор Bacillus licheniformis. При этом стоит отметить, что результаты получены на чистой культуре Bacillus licheniformis, не защищенной от СВЧ-излучения, например, белками или липидами.

Воздействие на микроорганизмы некоторых химических веществ (консервантов) приводит к инактивации определенных ферментов, в частности дегидрогеназ, что вызывает остановку окислительных процессов и сопряженных с ними процессов синтеза, т.е. к прекращению жизнедеятельности микробной клетки. Кроме того, химические консерванты могут изменять состав питательного субстрата для усвоения его микроорганизмами и соответственно к бактериостатическому эффекту.

Например, в отношении спорообразующих бактерий рода Bacillus установлено разрушение клеточной стенки микробов в результате действия консервантов (P.Setlow. Spores of Bacillus subtilis: their resistance to and killing by radiation, heat and chemicals. Department of Molecular, Microbial and Structural Biology). При применении консервантов устойчивая многослойная белково-жировая оболочка споры, кортекс, пептидогликаны разрушаются.

Однако, как установлено, в результате анализа научно-технической информации и собственными исследованиями химические консерванты оказывают губительное действие в основном на вегетативную микрофлору и не способны, как правило, инактивировать споры и спорообразующую микрофлору. Так, в наших исследованиях на СВЧ-печи фирмы «Electrolux» мощностью 800 Вт после обработки мясокостного фарша, зараженного спорами Bac.sereus в концентрации 10⁶ КОЕ/г, только пропионовой кислотой концентрацией 1% в течение 2 мин и после соответствующей термостации был отмечен рост колоний Bac.sereus (табл.1).

Для доказательства эффективности комбинированного метода стерилизации мясокостного сырья были проведены опыты на мясокостном фарше, искусственно зараженном спорами Bac.sereus в концентрации 10⁶ КОЕ/г. Дальнейшими микробиологическими исследованиями, выполненными в СибНИИП, установлено, что обработка обсемененного спорами Bac.sereus мясокостного фарша только в СВЧ-поле мощностью 800 Вт в течение 2-3 мин не вызывает бактерицидного эффекта (табл.2).

В дальнейших опытах обсемененный фарш сначала обрабатывался пропионовой кислотой концентрации 1% в течение 2 мин, затем он подвергался действию СВЧ-поля в течение 2-3 мин. В итоге была достигнута стерилизация исследованного мясокостного фарша.

Процессы сушки и инактивации микроорганизмов мясокостного фарша являются по существу различными физическими процессами. Действительно, сушка требует передачи содержащейся в фарше воде электромагнитной энергии, необходимой для испарения требуемого количества, Δm_в, воды в соответствии с теплотой ее парообразования, q=2256 кДж/кг и преодоления сопротивления выходу паров воды из материала. Инактивация же микроорганизмов требует воздействия непосредственно на них энергии определенного уровня мощности.

Например, в начальный момент сушки, когда в материале содержится большое количество воды, имеющей высокую диэлектрическую проницаемость, ε=80, именно вода поглощает основную часть энергии, вследствие чего основная часть энергии расходуется на испарение воды. Поэтому в этот период процесса температура фарша остается низкой (50-60°С), а инактивации микроорганизмов, практически, не происходит. По мере испарения содержащейся в фарше воды, то есть уменьшения его влажности, в связи с уменьшением объемной части воды, возрастает поглощение электромагнитной энергии собственно фаршем (его температура к окончанию процесса сушки, то есть при достижении влажности фарша W_к=10%) повышается до 100-110°С и одновременно повышается количество энергии, поглощаемое микроорганизмами.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа стерилизации спор и спорообразующей аэробной микрофлоры (типа Bac.sereus, Bac.subtilis), содержащейся в мясокостном сырье, с помощью комбинированного двухэтапного физико-химического метода.

При обработке мясокостного фарша в СВЧ-поле были определены необходимые параметры (мощность, время обработки, толщина слоя). В процессе работы на СВЧ-установке f=915 МГц была выполнена серия экспериментов по определению оптимальной мощности СВЧ-влияния. Мясокостный фарш был обработан при мощности 5, 10 и 20 кВт. Эксперименты показали, что затраты энергии на сушку одинакового количества материала практически не зависят от мощности, поглощенной мясокостным фаршем. Во всех экспериментах результаты сушки оставались постоянными при одинаковой энергии воздействия СВЧ: Q_пад=Р_падΔt (т.е. при Р_пад=5 кВт и Δt=2 мин, Р_пад=10 кВт и Δt=1 мин, Р_пад=20 кВт и Δt=30 с энергия воздействия была одинакова). Но бактерицидный эффект был получен только при Р_пад=20 кВт и Δt=30 с, тогда температура фарша достигала 110-120°С.

Верхний предел воздействующей энергии Q_пад был установлен по конечной влажности фарша и его органолептической характеристике. Так при воздействии на фарш мощности Р_пад=20 кВт в течение 60 с была получена минимальная влажность - 10% и температура фарша превысила 120°С. Однако по органолептическим показателям (фарш частично обугливался) этот режим СВЧ-сушки был признан неприемлемым. В дальнейших исследованиях было установлено, что стабильные биохимические показатели и гарантированная бактерицидность фарша были получены при Р_пад=20 кВт и Δt=30-40 с.

Эксперименты по определению оптимальной толщины слоя фарша были проведены в диапазоне 30-50 мм. Результаты этих экспериментов с точностью до ±5% показали, что при сушке мясокостного фарша КПД процесса практически не зависел от толщины потока в исследуемом диапазоне и составил 0,75±0,05, что связано с проникновением СВЧ-поля на всю толщину фарша.

Способ осуществляется следующим образом. На первом этапе сырье обрабатывают 1%-ным раствором пропионовой кислоты в течение 2 мин в кислотоупорной емкости. Пропионовая кислота в значительной степени угнетает развитие гнилостных и масляно-кислых бактерий. Понижение величины рН среды приводит к разрыхлению поверхностных амфотерных структур клетки и вследствие этого - к нарушению физиологического состояния микробной клетки.

На втором этапе мясокостное сырье в виде слоя толщиной 30-40 мм в зависимости от вида сырья обрабатывается в течение 30-40 с в СВЧ-установке непрерывного действия колебательной мощностью 20 кВт при частоте 915 МГц.

СВЧ-энергия вводится в зону взаимодействия через волновод, обеспечивающий возбуждение в рабочей камере волны Н₁₀. Продукт вводится в рабочую СВЧ-камеру в виде слоя толщиной 30-40 мм на конвейере, плоскость которого расположена под углом ≈30° к оси волновода. Фарш, размещенный в формах, вводится в камеру через короб, жестко соединенный с волноводом камеры и через щель в волноводе, расположенную симметрично относительно его оси, входит в камеру. Ширина щели 70 мм. В верхней части короба расположен поглощающий материал, в качестве которого используется карбонильное железо. Он предназначен для поглощения поражающих излучений из волноводных щелей входа и выхода материала для обеспечения безопасности персонала.

Волновод камеры имеет внутреннее сечение 124×248 мм, обеспечивающее распространение в нем на частоте 915 МГц волны основного типа Н₁₀, создающей в сечении прохода фарша максимум электромагнитного поля.

К камере с любой стороны подключается СВЧ-генератор, а с другой стороны она может быть подключена к любому волноводному устройству (к аналогичной камере или к нагрузке).

Фарш через камеру проходит в формах, изготовленных из радиопрозрачного материала (фторопласт, кварцевое стекло и др.). В конструкции формы не должно содержаться ни одного металлического элемента.

Угол 30° встречи падающей электромагнитной волны с поверхностью продукта обеспечивает хорошее согласование камеры, а получаемая при этом большая протяженность зоны нагрева позволяет получить высокий коэффициент использования СВЧ-энергии. Оставшаяся часть непоглощенной энергии поглощается в водяной нагрузке, расположенной за плоскостью конвейера. Как показали исследования, выбранная конструкция создает благоприятные условия для сохранения в рабочей камере бегущей волны типа Н₁₀. Обрабатываемое сырье перемещается по цепи диэлектрического контейнера, выполненного из полипропилена. Ширина потока составляет 300 мм. Скорость движения конвейера составляет 1 м/мин.

Поскольку на первом этапе прочная оболочка споры была частично разрушена пропионовой кислотой, то соответственно происходит более глубокое проникновение СВЧ-поля в обрабатываемое сырье и в результате достигается стерилизация сырья (см. табл.1).

После определения оптимальных параметров СВЧ-обработки мясокостного фарша была определена эффективность его обеззараживания по следующим микробиологическим показателям: КМАФАМ, БГКП, сальмонеллы. Установлено, что после облучения образцов мясокостного фарша, содержащего 10⁷ КОЕ/г при частоте 915 МГц, мощности 20 кВт в течение 30-40 с остаточное количество микрофлоры не превышало 59 КОЕ/г. В испытанных образцах после обработки не были обнаружены бактерии группы кишечной палочки (БГКП) также, как и сальмонеллы. Полученные результаты представлены в табл.3.

Информации по влиянию представленного комбинированного физико-химического способа на споры и спорообразующую аэробную микрофлору, содержащуюся в мясокостном сырье в научно-технической литературе не обнаружено.

Способ стерилизации мясного сырья, отличающийся тем, что на первом этапе сырье обрабатывают 1%-ным раствором пропионовой кислоты в течение 2 мин в кислотоупорной емкости, на втором этапе предварительно обработанное кислотой сырье направляется для обеззараживания в СВЧ-установку непрерывного действия колебательной мощностью 20 кВт при частоте 915 МГц в течение 30-40 с и толщиной слоя 30-40 мм.