1 Rozdělení metod úchovy potravin

Transkript

1 1 1 Rozdělení metod úchovy potravin Z hlediska možných důsledků pro konzumenta jsou nejvýznamnější změny způsobené rozkladnou činností mikroorganismů, proto přehled metod úchovy potravin je zaměřen a členěn z hlediska jejich účinnosti vzhledem k mikroorganismům. Přičemž jsou současně uvažovány i další faktory ovlivňující změny kvality potravin (procesy fyziologické, biochemické a chemické). četnost mikroorganismů virulence R = odolnost prostředí Všechny metody úchovy potravin (metody konzervace potravin) je možné podle principu zařadit do jedné ze tří skupin konzervačních metod: Vylučování mikroorganismů z prostředí Usmrcování mikroorganismů abiosa Zvyšování odolnosti potraviny (prodlužování lag fáze růstu) anabiosa Jednotlivé postupy se mohou v různých potravinářských produktech prolínat, zejména mezi anabiosou a abiosou nemusí být zcela zřetelná hranice, po vytvoření pro mikroorganismy nevyhovujících podmínek přestávají růst a po určitém čase hynou. Orientace v jednotlivých principech, které ovlivňují uchovatelnost výrobku je důležitá pro stanovení podmínek zacházení se surovinou, polotovarem i produktem, zejména je významná pro předpověď možných nežádoucích změn, nebo pro jejich vysvětlení, pokud nastaly. 1.1 Vylučování mikroorganismů z prostředí potraviny Do této skupiny metod lze zařadit také obecné postupy dodržování hygieny, omezování kontaminace produktu, patří sem také všechny manipulace se surovinami, jako je praní, mytí, odprášení a další operace, při kterých jsou mikroorganismy odstraňovány ze surovin prací vodou, nebo odstraněním frakce surovin s vyšším podílem kontaminace.

2 2 Zatímco tyto postupy lze chápat jako přípravné kroky při výrobě potravin, u kterých se uplatňují ještě další zákroky, konzervačními metodami v užším slova smyslu jsou pouze ultrafiltrace a baktofugace. Ultrafiltrace je způsob konzervace čirých ovocných šťáv a podobných výrobků, při kterém je materiál filtrován přes polopropustnou membránu nepropustnou pro mikroorganismy, aby byl takový výrobek např. jablečná šťáva údržný, musí po ultrafiltraci následovat aseptické plnění, aby nedošlo k sekundární kontaminaci. Ultrafiltraci je možné použít i ke snížení počtu přítomné mikroflóry před dalším zpracováním. Baktofugace je metoda odstranění bakteriálních spor v mléce odstředěním, která je používána spolu s dalšími zákroky zejména pasterací. 1.2 Usmrcování mikroorganismů abiosa Metody úchovy potravin založené na abiose vedou po ošetření potraviny k usmrcení části (optimálně většiny) mikroorganismů přítomných v potravině. V produktu zůstávají po zákroku zbytky mikrobiálních buněk. Postupy zahrnují zejména fyzikální zákroky nebo je možné usmrtit mikroorganismy chemickými látkami. 1.3 Zvyšování odolnosti potraviny anabiosa

3 3 1.2 Usmrcování mikroorganismů abiosa Termosterilace Úvod Záhřev potraviny na teploty způsobující denaturaci bílkovin (záhřev na teplotu vyšší než cca 55 C) vede k inaktivaci usmrcení, devitalizaci mikroorganismů. Tepelná inaktivace může být významným konzervačním krokem technologického postupu (pasterace, sterilace apod.), záhřev může být také součástí kulinární úpravy nebo jiné technologické operace. Podle doby záhřevu a výšky dosažené teploty lze uvažovat redukci počtu přítomné mikroflóry. Vysvětlení pojmů Praktická sterilita Zákrokem je dosaženo takové úrovně mikrobiální kontaminace produktu, která zaručuje jeho zdravotní nezávadnost a stabilitu po dobu očekávané trvanlivosti. Produkt není sterilní, ale přítomné mikroorganismy jsou v takovém počtu, složení, resp. formě, která neohrozí produkt. Většina potravinářských produktů je prakticky sterilních. Absolutní sterilita Zákrokem je dosaženo absolutní sterility produktu. Pro většinu potravin není z důvodů přílišného tepelného namáhání absolutní sterilita běžná, sterilní jsou pomůcky pro mikrobiologická vyšetření, lékařské nástroje apod. Blanšírování Tepelné ošetření potraviny směřující k inaktivaci enzymů, obvykle se provádí parou nebo ponořením ovoce nebo zeleniny do horkého roztoku cukru nebo soli. Blanšírování předchází zmrazování čerstvé zeleniny, může být použito před sušením. Používá se i v případě výroby pasterovaných nebo sterilovaných produktů, kdy je zapotřebí zabránit rozvoji nežádoucích enzymových reakcí ve výrobních fázích předcházejících pasteraci nebo sterilaci. Pasterace Tepelné ošetření potravin záhřevem s nižším inaktivačním účinkem, obvykle při teplotách do 100 C. Používá se k redukci vegetativních forem mikroorganismů, obvykle není dostatečný pro inaktivaci (devitalizaci) bakteriálních spór.

4 4 Sterilace Pojem širšího významu je používán k označení procesu probíhajícího při teplotách vyšších než 100 C a vedoucího k inaktivaci vegetativních forem mikroorganismů a většiny bakteriálních spór. Ve vztahu ke zpracování potravin méně kyselých (o ph vyšším než 4,0) se provádí při teplotách vyšších než 120 C. Obvykle proces sterilace představuje záhřev s inaktivačním účinkem odpovídajícím nejméně 10 minutám při 121,1 C (referenční teplota byla převzata z anglosaských zdrojů, které pracují s teplotou 250 F = 121,1 C). Tyndalace Tepelné opracování zahrnující opakovanou pasteraci, tj. opakované ošetření záhřevem na teplotu do 100 C. Po prvním zákroku jsou inaktivovány vegetativní buňky, přežívající bakteriální spóry po vychlazení vyklíčí a jsou devitalizovány opakovaným záhřevem do 100 C. Historie Žádoucí účinek záhřevu (ohně) na chuť potravin živočišného a rostlinného původu obzvláště semen, hlíz, kořenů byl pravděpodobně náhodně objeven předchůdci člověka při lesních požárech a jiných podobných příležitostech. Současně se zlepšenými senzorickými vlastnostmi takto u nejprve náhodně a později uvědoměle tepelně opracovaných potravin bylo pozorováno zlepšení jejich údržnosti. Potraviny se nekazily tak rychle jako čerstvé produkty. Tepelné opracování bylo lidmi v širokém spektru různých forem používáno stovky a tisíce let, avšak až kolem roku 1810 byl proces používán uvědoměle k prodloužení trvanlivosti. V té době byla Napoleonem vypsána cena franků pro toho, kdo najde způsob, jak zajistit trvanlivé potraviny pro jeho armádu. Nicolas Appert, kuchař z Massy, tehdy města jižně od Paříže, pozoroval, že potraviny zahřáté v uzavřené nádobě se nekazily do jejich znovuotevření. Empiricky objevený postup "skromně" nazval "uměním appertizace". Cenu získal po deseti letech ověřování. Ve stejné době byl proces objeven Durandem v Anglii. Dalších padesát let byl postup používán bez znalosti principu. Vědecké kapacity té doby proces vysvětlovaly magickým účinkem vzduchu uzavřeným spolu s potravinou. První konzervy vezl s sebou na svoji výpravu do severozápadní Indie anglický cestovatel Sir Edward Perry. Některé ze vzorků byly v roce 1938 po 114 letech otevřeny a shledány jako konzumovatelné - netoxické, přičemž ze vzorků byly vyizolovány životaschopné bakteriální spory.

5 5 Postupně se přišlo na to, že některé potraviny mohou být konzervovány kratším záhřevem při vyšší teplotě. Do teplosměnného média byly přidávány soli. Např. přídavek chloridu vápenatého do ohřívací vody umožnil snížení empiricky zjištěné doby sterilace ze 6 hodin na asi 30 min. V roce 1810 Angličan Peter Durand patentoval v Anglii pro konzervaci potravin skleněné a kovové nádoby. Cínovým nádobám říkali "canisters", termín "can" má údajně původ v tomto označení. Produktivita výroby stoupla, vzrostl také počet zničených obalů v důsledku vysokého tlaku uvnitř konzerv. Další objevy rychle následovaly. V roce 1823 byl vynalezen konzervový obal s otvorem nahoře (podobný dnešním), který se po naplnění uzavřel volným víčkem umožňujícím vyrovnávání tlaku během konzervačního záhřevu. Appert připravil v roce 1824 postupy pro konzervaci padesáti různých potravin. V roce 1852 Chevalier objevil autokláv, který umožnil použití záhřevu nad 100 C a tím velmi zkrátit potřebnou dobu tepelného opracování. Ještě v té době však byly příčiny kažení potravin přisuzovány spontánnímu vzniku života, až v roce 1864 Luis Pasteur popsal příčinu nemocí piva a vína jako důsledek činnosti mikroskopických organismů*. Následně byla poznána úloha mikroorganismů v kažení potravin a jako původců onemocnění z potravin. Byly izolovány a popsány termorezistentní mikroorganismy (a spóry), byly navrženy postupy pro matematické vyjádření procesu termoinaktivace, které umožňují předpovědět účinek inaktivačního záhřevu. *Skleněné čočky byly poznány Baconem již kolem roku 1200, ale ke sledování např. kapky vody je použil až Leewuenhoek po 400 letech, ten sice pozoroval mikroskopické organismy, které popsal jako "animalcules", ale poznání si ponechal jako soukromou kuriozitu a muselo uplynout dalších 200 let, než spolu s dalšími poznatky posloužily k vyvrácení do té doby příjímané teorie o spontánním vzniku života Cíle konzervace záhřevem Hlavním cílem konzervace záhřevem je inaktivace vegetativních buněk a spór mikroorganismů, tj. plísní, kvasinek, bakterií a virů (včetně bakteriofágů). Záhřevem potraviny jsou také inaktivovány nežádoucí enzymy (mikrobiální i přirozené z potraviny), které mohou negativně ovlivnit vlastnosti produktu (termostabilní proteinasy a lipasy produkované některými mikroorganismy, enzymy rostlinných pletiv apod.).

6 6 Záhřevem mohou být také inaktivovány mikrobiální toxiny. Z významných toxinů se jedná zejména o botulotoxin, který se varem rozkládá. Naopak termostabilní toxiny např. enterotoxin produkovaný rodem Staphylococcus aureus snese podle přítomné koncentrace i několikahodinový var. Rovněž udržování hotových pokrmů při teplotě kolem 60 C nemusí vést ke snižování počtu přítomné mikroflóry, ale brání růstu případně přítomných. Tepelné opracování je součástí řady technologických postupů, ve kterých není prvotním záměrem konzervace, ale dosažení určitých vlastností (optimální konzistence, kulinární úprava, předsušení, pečení apod.), podle podmínek může být uvažován vliv takového záhřevu na úroveň mikrobiální kontaminace a proces může být optimalizován. S cílem potlačit přítomnou mikroflóru předchází pasterační záhřev použití ušlechtilých technologických mikroorganismů (startovacích kultur apod.), kterým jsou vytvářeny snazší podmínky pro růst bez přítomnosti konkurentů. Vliv záhřevu na mikroorganismy Obrázek 1: Vliv teploty na projevy mikroorganismů Vliv záhřevu resp. teploty na projevy mikroorganismů je zřejmý z obrázku 1. Se zvyšováním teploty např. od 0 C je dosažena minimální teplota, při které je daný mikroorganismus schopen růst, se zvyšující se teplotou vzrůstá rychlost růstu (množení), dosahuje maxima při optimální teplotě růstu a dalším zvyšováním teploty se rychlost růstu

7 7 mikroorganismů snižuje a při určité teplotě se mikroorganismus přestává množit. Je-li uvažovaný mikroorganismus toxinogenní, je obvykle schopen toxinogeneze od teploty mírně vyšší než je minimální teplota růstu a před přiblížením teploty hraniční teplotě pro růst toxinogeneze ustává. Dalším zvyšováním teploty ještě nedochází k inaktivaci buněk, ale vlivem změn propustnosti buněčných membrán se mikroorganismy stávají citlivými na látky, kterým jsou při optimálních podmínkách rezistentní. Záhřev na nižší než inaktivační teplotu vyvolává subletální poškození buněk, které se mimo popsané změny propustnosti membrán může projevit dalšími důsledky, které snižují životaschopnost buněk. Avšak vystavení mikrobiálních buněk krátkodobému působení teplot v rozmezí 45 až 50 C, které může nastat při pomalých záhřevech velkých objemů potravin během pasteračního nebo sterilačního záhřevu může indukovat produkci stresových proteinů, které zvyšují odolnost buněk vůči záhřevu. K inaktivaci buněk dochází po dosažení inaktivační teploty, tj. teploty která vede k přerušení vitálních funkcí (inaktivaci životně důležitých enzymů buňky, nevratným změnám buněčných membrán apod.). Inaktivační teplota pro devitalizaci spór je vzhledem ke struktuře spór a menší složitosti teplotou ovlivňovaných dějů ještě vyšší. V případě spór nebyla popsána možnost zvýšení rezistence k záhřevu, ale subletální poškození při déletrvajícím záhřevu na teploty nižší než inaktivační může vést k poškození spór, které se projeví destrukcí složek na povrchu spóry, ztrátou schopnosti vázat vodu při klíčení a určitý podíl spór může ztratit schopnost klíčit. Uvedený příklad je velmi zobecněn, velmi významným faktorem je kromě vlastností jednotlivých mikroorganismů složení potraviny. Faktory ovlivňující průběh termosterilace Vlastnosti mikroorganismů Potraviny mohou být kontaminovány širokým spektrem mikroorganismů, které zahrnují plísně, kvasinky, bakterie, viry. Jednotlivé skupiny, jednotlivé rody a jednotlivé formy jsou různě citlivé na účinky záhřevu. Obecně jsou při úvahách o dostatečnosti inaktivace uvažovány hlavní patogenní mikroorganismy, které představují největší riziko v daném typu potraviny. Podle dalšího přístupu jsou posuzovány nejodolnější kazící mikroorganismy.

8 8 U pasterovaných málo kyselých potravin, u kterých je konzervační zákrok postaven ještě na dalších konzervačních bariérách, nejčastěji dodržení chladírenského řetězce (masné výrobky, lahůdky, hotové pokrmy, produkty z vajec apod.) je uvažována salmonela, listerie, neproteolytické kmeny klostridií, Stafylococcus aureus, Bacillus cereus a další. V případě málo kyselých sterilovaných výrobků (masové konzervy, sterilovaná zelenina ve slaném nálevu apod.) je vždy uvažován smrtelně nebezpečný rod Clostridium botulinum, z kazící mikroflóry mohou být v určitých případech zohledněny termorezistentní sporulující bakterie (Bacillus stearothermophilus a Clostridium thermosaccharolyticum), které zkazí výrobky při skladování v teplotách vyšších než 35 C (prosluněné výlohy, půdní sklady v letním období apod.). Kyselé potraviny (ovocné kompoty, pomazánky apod.) jsou často kontaminovány termorezistentními plísněmi (např. Byssochlamys fulva), které kromě produkce mykotoxinů potravinu zkazí. V případě kyselých potravin (kečupy, zálivky apod.) hrozí Bacillus coagulans a bakterie mléčného kvašení (laktobacily). Obecně buňky (vegetativní formy) plísní, kvasinek a většiny bakterií (vyjma termotolerantních a termofilních) jsou inaktivovány záhřevem 10 minut při 65 C. Většina termotolerantních a termofilních bakteriálních buněk je inaktivována záhřevy od 5 do 10 minut při teplotách 75 až 80 C. Buňky kvasinek a většiny plísní nepřežijí několikaminutový záhřev při teplotách 65 až 70 C, ale spóry některých plísní snesou záhřev 90 C po dobu několika hodin. Bakteriální spóry jsou obecně odolnější než buňky bakterií, jejich termorezistence je rozdílná. Obecně několikaminutový záhřev na teploty C nevede k inaktivaci bakteriálních spór, většina jsou inaktivovány varem po dobu 30 minut, ale některé druhy nejsou zničeny ani varem po dobu 24 hodin. Na inaktivaci všech druhů spór obvykle stačí 15 minut záhřevu při 121,1 C. Odolnost mikroorganismů a jejich různých forem k záhřevu je také ovlivňována složením potraviny. Uvedené příklady inaktivačních účinků jsou závislé na počátečním počtu přítomných mikroorganismů a vztahují se k obvyklé míře mikrobiální kontaminace. Přesnější údaje pro porovnání odolnosti jednotlivých skupin mikroorganismů k záhřevu jsou uvedeny v tabulkách níže. Vliv potraviny Složení potravin (obsah cukrů, bílkovin, tuků a dalších složek), aktivita vody, ph a obsah složek s antimikrobiálním (přirozeně se vyskytující nebo přidané) ovlivňuje průběh

9 9 termoinaktivace mikroorganismů. Obecně cukry, bílkoviny, tuky a rozpuštěné složky mají spíše ochranný vliv na mikroorganismy proti účinkům tepla. Čím je vyšší koncentrace složek v potravině, tím je ochranný účinek vyšší, odolnost mikroorganismů vůči záhřevu přímo ovlivňují osmoaktivní látky, v prostředích o vyšším obsahu rozpustné sušiny (vyšší refrakci) jsou mikroorganismy více termorezistentní. Mikroorganismy jsou citlivější k záhřevu s klesající koncentrací rozpuštěných látek a vzrůstající aktivitou vody. Kromě složení potraviny je průběh termoinaktivace závislý také na charakteru potraviny ve smyslu podmínek sdílení tepla. Všechny úvahy o účinku inaktivačního záhřevu se vztahují k teplotě a době jejího účinku, avšak při tepelném opracování musí dojít k dosažení teploty a jejímu působení ve všech částech potraviny, tj. i v nejhůře prohřívaném místě produktu. Sdílení tepla přenos tepla s teplonosného media, nejčastěji z vodní lázně probíhá vedením deskou výměníku nebo obalem konzervy. Materiál desky nebo obalu může ovlivnit rychlost sdílení tepla. V potravině se teplo sdílí vedením (tuhé produkty např. masové konzervy, těstoviny apod.), prouděním (kapalina nápoj, homogenní polévka apod.) nebo kombinací vedení a proudění (kousky v kapalině) (viz. obrázek 2). Proces může probíhat ve stacionárním nebo rotačním zařízení, sdílení tepla je závislé na velikosti a tvaru obalů zahřívaných potravin a míře homogenity teplotního pole v zařízení. V každém případě je při posuzování účinku záhřevu nezbytné zabývat se situací v nejhůře ohřívaném místě výrobku. Obrázek 2: Sdílení tepla v konzervě, A vedením, B prouděním

10 10 Vlhkost prostředí V nevodném prostředí (např. v naschlém zbytku ve špatně umyté lahvi, nebo při tepelném pasteraci sypkých suchých směsí apod.) jsou mikroorganismy, nebo jejich spory podstatně odolnější než v prostředí vlhkém. Důvodem jsou jednak špatné podmínky sdílení tepla a také jiný mechanismus inaktivačního účinku. V suchém prostředí mikroorganismy (tím spíše spory) nevykazují žádné životní funkce, buněčné proteiny nemohou být teplem koagulovány. Inaktivace suchým teplem je popisována jako oxidační proces, který je časově náročnější než koagulace, nebo jen prosté zamezení reprodukce nativních buněk teplem. Rizika suchých úkrytů jsou zejména u lahví (mycí roztoky s alkáliemi, smáčedly apod., dostatečná doba máčení), u zeleniny např. okurek v naschlých zbytcích zeminy atd. Použití přehřáté páry také nemusí splňovat požadované parametry - stykem s chladnějšími produkty se pouze ochladí, ale nekondenzuje na jejich povrchu, neodmáčí. "Suché" prostředí vytváří také tuky, vyšší obsah ethanolu, ale v těchto případech nejsou obvykle vytvořeny podmínky pro život buněk. Kyselost prostředí Rozdělení potravin na málo kyselé a kyselé vychází z požadavků na podmínky tepelného opracování. Bakteriální spóry patogenních sporulujících bakterií, nebo kazící sporulující mikroflóry mohou klíčit pouze v málo kyselých potravinách. Nejodolnějším potravinářsky významným sporulujícícm mikroorganismem je Bacilus coagulans, který může v závislosti na počtu a dalších vlastnostech potraviny růst ještě při hodnotě ph blížící se 4,0. Proto je jako hraniční hodnota uvažováno ph 4,0 (některé zdroje uvádějí rozmezí 4,0 až 4,5). Prakticky to znamená, že v případě potraviny s hodnotou ph pod 4,0 není potřeba záhřevem inaktivovat bakteriální spóry, pokud se v potravině vyskytují nemohou v kyselém prostředí klíčit a produkovat toxin. Kyselé potraviny je možné pasterovat, pokud pasterace probíhá v hermeticky uzavřeném obalu je výsledkem konzerva udržná za normální teploty až do otevření. Naopak potraviny málo kyselé musí být sterilovány tak, aby byly inaktivovány i odolné bakteriální spóry, pokud je provedena pouze pasterace, tj. záhřev devitalizující pouze vegetativní formy, je nutné použít ještě další konzervační kroky, nejčastěji kombinaci pasterace s uchováním v chladu, za podmínek při kterých je vyloučeno klíčení a toxinogeneze zejména případně přítomných klostridií.

11 11 Kyselost prostředí ovlivňuje také odolnost buněk a spór k záhřevu. Bakteriální spóry jsou citlivější k účinku záhřevu v prostředí o nižších hodnotách ph. Vliv výchozí koncentrace mikroorganismů Velmi významným faktorem, který ovlivňuje průběh konzervace záhřevem je výchozí počet přítomných mikroorganismů v potravině před konzervačním zákrokem, případně podmínky zacházení z potravinou ve vztahu k možnému pomnožení přítomné mikroflóry (prodlevy kontaminovaného materiálu při teplotách, za kterých probíhá růst přítomné mikroflóry). Proces inaktivace mikroorganismů spočívá zejména v denaturaci buněčných mikrobiálních enzymů. Proces inaktivace se popisuje chemickou reakcí prvního řádu tj. rychlost inaktivace mikroorganismů (v) závisí na výchozí koncentraci mikroorganismů (C0) a je přímo úměrná koncentraci přežívajících mikroorganismů (C): dc v k C [1] d po separaci proměnných: 1 dc k d [2] C úpravou a řešením diferenciální rovnice [2] dostaneme vztah: C1 C0 1 dc k C 1 0 d resp. C0 C1 1 dc k C 1 0 d [3] po integraci a úpravě vztahu [3] dostaneme: C ln C 0 1 k resp. log 10 1 k 2,303 kde: v je rychlost inaktivace mikroorganismů, C je počet mikroorganismů, C0 je výchozí počet mikroorganismů, C1 je konečný počet mikroorganismů, je čas, k je rychlostní konstanta inaktivace mikroorganismů. Pokud uvažujeme rozdíl časů 1-0 jako dobu zahřívání při konstantní teplotě (t), můžeme vztah [4] zapsat ve tvaru: log 10 C C 0 1 k 2, 303 C C [5] 1 0 [4]

12 12 Množství přežívajících mikroorganismů podle vztahu [5] s časem exponenciálně klesá, z čehož plyne, že teoreticky není možné dosáhnout absolutní sterility, protože křivka přežívání mikroorganismů protne nulu v nekonečnu. Exponenciální pokles počtu přežívajících jedinců s časem se v mikrobiologii tradičně vyjadřuje jako lineární pokles dekadického logaritmu počtu jedinců v čase. Graficky je tato závislost zobrazena na obrázku 3. Rychlost inaktivace se charakterizuje decimální redukční dobou D, což je doba záhřevu při konstantní teplotě, vyjádřená v minutách, potřebná pro redukci počtu přítomných mikroorganismů o jeden řád (na 10 % výchozího počtu mikroorganismů). Obrázek 3: Přímka přežití mikroorganismů a decimálně redukční doba D Decimální redukční doba D závisí na teplotě zahřívání. S rostoucí teplotou decimální redukční doba D klesá (viz obrázek 4). Pokud teplota záhřevu roste, úbytek mikroorganismů se zrychluje a decimálně redukční doba D potřebná na snížení počátečního počtu mikroorganismů o jeden řád se zkracuje. Hodnoty D slouží k posouzení termorezistence jednotlivých mikroorganismů a jsou využívány pro hodnocení inaktivačního účinku pasteračního nebo sterilačního záhřevu. Empiricky zjištěné hodnoty D pro hlavní potravinářsky významné mikroorganismy jsou uvedeny v tabulce I.

13 13 Obrázek 4: Přímka přežití mikroorganismů a decimálně redukční doba D pro různé teploty záhřevu Vliv doby, po kterou teplota působí Vlastním inaktivačním faktorem záhřevu je vystavení mikrobiálních buněk a spor účinku vyšší teploty po určitou dobu. K tomu je nezbytné dodat teplo. Sterilační ohřev se obvykle provádí prostřednictvím teplosměnného média (vody, vodní páry). Obecně se teplo může šířit prouděním (konvekcí), vedením (kondukcí) a sáláním (radiací). Podmínky sterilace umožňují uplatnění prvních dvou uvedených způsobů. Podle druhé věty termodynamiky se tepelná energie šíří od teplejšího tělesa k chladnějšímu. Rychlost přenosu je dána charakterem ohřívaného materiálu, rozdílem teplot atd. Veškeré úvahy o účinku sterilačního záhřevu musí být vedeny pro nejhůře prohřívané místo konzervy, vzhledem k heterogenitě obvykle sterilovaných potravin (kusy v nálevu, plyny v pletivech apod.) je skutečně objektivní hodnocení sterilačního účinku obtížné. V předcházející kapitole byl průběh inaktivace mikroorganismů přirovnán chemické reakci, jako všechny procesy je rychlost reakce ovlivňována teplotu. Obecně je známo, že teplota reakce urychluje, podobně je tomu také v případě inaktivace mikroorganismů. Pro jednotlivé významné mikroorganismy byly empiricky zjištěny závislosti decimálně redukční doby D na teplotě tzv. termoinaktivační křivky (čáry). Termoinaktivační křivky mohou být podle zdroje uváděny buď jako závislost teploty záhřevu na decimálně

14 14 redukční době t = f (D) nebo jako závislost decimálně redukční doby na teplotě záhřevu D = f(t) (anglosaská literatura). Grafické znázornění křivek je uvedeno na obrázku 5 a je na nich vyznačena tzv. teplotní citlivost z ( C). Teplotní citlivost z je definována jako změna teploty, která způsobí, že dekadická redukční doba D se změní desetkrát. Obrázek 5: Termoinaktivační křivky

15 15 Termoinaktivační křivky nejsou obvykle uváděny formou grafů, ale pro jednotlivé mikroorganismy je kromě hodnoty D při určité referenční teplotě uváděna teplotní citlivost inaktivační křivky z (viz tabulka I). Empirické termoinaktivační čáry jsou tabelovány pro vegetativní buňky mikroorganismů, bakteriální spóry a pro inaktivaci enzymů. Podobně jsou popsány také průběhy destrukce složek potravin, dosažení optimální konzistence apod. Termoinaktivační čáry, resp. hodnoty D a teplotní citlivost z, jsou používány při posuzování inaktivačního účinku záhřevu, pracuje se s nimi také při optimalizaci záhřevu, tj. jeho takovém průběhu, který povede k požadované redukci přítomné mikroflory za současného zachování složek potraviny, resp. Jejich minimálních změn. Pro tyto účely jsou tabelovány také hodnoty D a z pro různé termodestrukční reakce, podobně jako v případě mikroorganismů hodnota D znamená dobu v minutách záhřevu, po které dojde ke snížení obsahu látky o jeden řád (o 90 % původního obsahu). Tabulka I: Hodnoty D a z pro vybrané mikroorganismy, enzymy a složky potravin D (min) t ( C) z ( C) Bacillus stearothermophilus 4,0 5,0 121,1 7,8 12,0 Clostridium thermosaccharolyticum 3,0 4,0 121,1 9,0 12,0 Clostridium botulinum A a B 0,1 0,2 121,1 8,0 10,0 Clostridium sporogenes 0,1 1,5 121,1 8,0 10,0 Bacillus coagulans 0,01 0,07 121,1 8,0 10,0 Bacillus subtilis 0,5 0,8 121,1 7,8 12,2 Bacillus polymyxa 0,1 0,5 100,0 7,0 9,0 rod Lactobacillus a Leuconostoc 0,5 1,0 66,0 4,0 6,0 Vegetativní bakterie, kvasinky a plísně 0,5 3,0 65,5 4,4 6,7 Staphylococcus aureus 0,2 2,0 65,5 4,4 6,7 rod Salmonella 0,02 0,25 65,5 4,4 5,5 Peroxidasy 3,0 121,1 37,2 Thiamin ,1 25,0 27,0 Karotenoidy 0,038 60,0 18,9 Chlorofyl a 13,0 34,1 121,1 45,0 51,0 Hodnocení sterilačního záhřevu Obvykle se provádí při optimalizaci sterilačního režimu při nastavení sterilátoru s cílem zajistit spolehlivou sterilaci a zároveň nevystavovat potravinu přílišnému působení tepla (nežádoucí chemické změny), nebo pro posouzení spolehlivosti inaktivačního záhřevu např. vzhledem k úrovni kontaminace před tepelným opracováním.

16 16 Při hodnocení sterilačního záhřevu přepočítáváme inaktivační účinek jednotlivých úseků sterilačního záhřevu při různých teplotách na celkový inaktivační účinek Fs při konstantní teplotě působící na vybraný mikroorganismus. Poté se porovná skutečná hodnota F s inaktivačním účinkem požadovaným Fs. Písmeno F pochází ze stupňů Fahrenheita. Někdy se o 1F hovoří jako o jednotce inaktivačního účinku, který odpovídá účinku jedné minuty záhřevu na referenční teplotu 121,1 C (250 F). Při záhřevu není možné dosáhnout okamžitě konstantní teploty v celém objemu potraviny, různé části se ohřívají různě rychle v závislosti na složení, tvaru a dalších faktorech zmíněných výše. Obvykle je pro posouzení inaktivačního účinku záhřevu potřebný průběh teploty v nejhůře prohřívaném místě potraviny. Postup výpočtu inaktivačního účinku záhřevu Nejčastějším případem je situace, kdy je zapotřebí posoudit inaktivační účinek konkrétního záhřevu. Postup výpočtu obvykle zahrnuje: 1) Výběr mikroorganismu nebo mikroorganismů, podle kterých se účinek záhřevu hodnotí. V případě sterilace málo kyselých potravin se nejčastěji uvažují spóry nebezpečného rodu Clostridium botulinum, v konkrétních případech to mohou být i spóry sporulujících termofilních bakterií (Cl. Thersmosaccharolyticum a Bacilus stearothermophilus). Pokud je vyhodnocován účinek pasteračního záhřevu na málo kyselé potraviny je často uvažována Salmonella, Listeria monocytogenes, neproteolytické kmeny Cl. botulinum, indikátory používané pro salmonelu a další patogeny jako jsou např. Enterococcus faecium a další. U potravin kyselých je obvykle uvažovány běžná mikroflóra kyselých potravin, v případech, kde je to aktuální se pracuje s termorezistentními plísněmi např. Byssochlamys fulva, Neosartoria fischeri a dalšími. Posuzování inaktivačního účinku může být také zaměřeno na inaktivaci enzymů nebo na posuzování tepelného namáhání ve vztahu k destrukci významných složek potraviny. Je-li vybrán mikroorganismus, enzym nebo změna nějaké složky potraviny, dalšími potřebnými údaji jsou hodnota D při referenční teplotě a hodnota z (teplotní citlivost). 2) Výpočet požadovaného účinku Fs = Dt. (log C 0 - log C 1 ) V případě posuzování, zda má záhřev požadovaný inaktivační účinek se vypočte Fs - potřebná doba záhřevu v minutách při konstantní (referenční) teplotě tr, která povede k požadovanému

17 17 snížení počtu přítomných mikroorganismů (požadovaný počet řádů krát doba pro inaktivaci jednoho řádu). Míra snížení se volí podle výsledků mikrobiologických rozborů, podle odhadu míry pomnožení před záhřevem, podle stupně jistoty, jaký chce výrobce dosáhnout apod. V případě výpočtu na Clostridium botulinum se vždy pracuje se snížením o 12 řádů. 3) Obvykle je k dispozici záznam průběhu záhřevu, který bohužel nemá charakter doby v minutách při konstantní teplotě. Výpočet zahrnuje přepočítání numerickou integraci záhřevu s kolísající teplotou na dobu při konstantní teplotě. Odvození vztahu je nad rámec této příručky, pro výpočet inaktivačního účinku konkrétního záhřevu, tj. vyjádření inaktivačního účinku v minutách záhřevu při referenční teplotě t se použije vztah: F ttr z d Vypočtená hodnota F je porovnána s požadovanou hodnotou Fs požadovanou hodnotou F. nebo s legislativně Letální podíl Příklad i obecný postup hodnocení inaktivačního účinku záhřevu je jedním z několika možných postupů. Metoda se v literatuře nazývá Obecná (grafická) metoda hodnocení inaktivačního účinku záhřevu. Postup je založen na skutečnosti, že různé kombinace teploty a doby záhřevu mají stejný inaktivační účinek. Inaktivační účinek záhřevu s různou teplotou může být vypočten jako integrál (suma) jednotlivých dílčích inaktivačních účinků tzv. letálních podílů (lethal rate). Letální podíl (L) je bezrozměrné číslo, které je obrácenou hodnotou inaktivačního účinku (obvykle označovaného F, vyjadřovaného v minutách záhřevu při referenční teplotě tr). Letální podíl je příspěvek určitého zlomku sterilačního záhřevu doby záhřevu při jiné teplotě než referenční, vypočte se ze vztahu: L 10 ttr z kde: t je teplota záhřevu, tr je referenční teplota záhřevu. Inaktivační účinek doby záhřevu na teplotu t je možné vyjádřit jako zlomek inaktivačního záhřevu při referenční teplotě tr.

18 18 Příklad: Mikroorganismus o teplotní citlivosti z = 6,9 C se má sterilovat při teplotě t = 133 C místo při referenční teplotě t ref = 121,1 C. Letalita nové teploty je L = 10 (( ,1)/6,9) = 10 1,725 = 53, tzn., že každá minuta při nové sterilační teplotě "vydá" za 53 minut při teplotě referenční. Příklad: Mikroorganismus o teplotní citlivosti z = 10 C se má sterilovat při teplotě t = 115 C místo při referenční teplotě t ref = 121,1 C. Letalita nové teploty je L = 10 (( ,1)/10) = 10-0,61 = 0,25, tzn., že každá minuta při nové sterilační teplotě "vydá" za 0,25 minut při teplotě referenční. Příklad výpočtu Potravina, která se zahřívá prouděním (např. homogenní polévka s velmi malými kousky) je sterilována při 115 C, požadovaný inaktivační účinek záhřevu Fs je 10 minut. Záznam průběhu teplot snímaných termočlánkem v nejhůře prohřívaném místě konzervy je v tabulce, zatím proces trvá 60 minut, po 60 minutách začíná chlazení: Řešení: Doba (min) Teplota ( C) Doba (min) Teplota ( C) , , , , , , , , , , Ze zadání je zřejmé, že se jedná o málo kyselou potravinu, tj. uvažovaným mikroorganismem je Clostridium botulinum, teplotní citlivost z = 10 C. Požadovaný inaktivační účinek je dán v zadání (Fs = 10 minut). Pro výpočet bude záhřev rozdělen do časových úseků s konstantní teplotou, pro jednotlivé intervaly bude vypočten letální podíl a bude provedena numerická integrace. Řešení je možné provést také graficky, obvyklejší je výpočet např. s využitím tabulkového procesoru. Výpočet je lze provést přesněji s menším krokem při numerické integraci, v tomto případě je krok 5 minut, jednotlivé hodnoty jsou středy pětimitových intervalů.

19 19 Výpočet: Doba (min) Teplota Letální Krok L * krok F kumulativní ( C) podíl L (min) (min) (min) ,00 5 0,01 0, ,01 5 0,05 0, ,5 0,06 5 0,28 0, ,5 0,11 5 0,56 0, ,16 5 0,80 1, ,5 0,28 5 1,40 3, ,5 0,28 5 1,40 4, ,5 0,28 5 1,40 5, ,5 0,28 5 1,40 7, ,5 0,28 5 1,40 8, ,6 0,29 5 1,45 10, ,6 0,29 5 1,45 11, ,6 0,29 5 1,45 13, ,01 5 0,05 13,11 Pro jednotlivé kroky byl vypočten letální podíl (letální podíl byl vyjádřen v minutách záhřevu při 121,1 C vynásobením letálního podílu délkou kroku). V posledním sloupci je provedena numerická integrace součet jednotlivých příspěvků hodnot L. Z hodnot F je zřejmé, že požadovaný inaktivační účinek záhřevu je dosažen v 50 minutě procesu, sterilační proces může být optimalizován, tj. záhřev může být ukončen v 50 minutě a může následovat chlazení.

20 Konzervace odporovým ohřevem Úvod Odporový ohřev, nazývaný také ohmický ohřev je založen na ohřevu potraviny průchodem střídavého elektrického proudu. Elektrický odpor potraviny způsobuje, že elektrická energie je transformována na teplo. Protože samotná potravina je součástí odporového ohřívače je zřejmé, že její elektrické vlastnosti její odpor přímo ovlivňují ohřev. Podstata přímého ohřevu není nová, ale komerčně využitelné procesy se vyvinuly až v posledních patnácti letech díky společnosti APV Baker. Její patentovaná technologie EA Technology může být použita pro UHT sterilaci potravin, obzvláště takových, které obsahují větší částice až do velikosti 2,5 cm, které je obtížné sterilovat jinými postupy. Zařízení jsou komerčně využívána v Evropě, USA a Japonsku pro: aseptické zpracování hotových pokrmů s vyšší přidanou hodnotu, které mohou být skladovány při normální teplotě pasteraci potravin obsahující částice pro horký rozliv předehřívání potravin před plněním do konzervových obalů určených pro následující sterilaci pasteraci chlazených hotových pokrmů Odporový ohřev je účinnější než mikrovlnný ohřev, protože téměř všechna energie, která vstupuje do potraviny, v potravině zůstává. Další významný rozdíl od mikrovlnného a dielektrickému ohřevu spočívá ve skutečnosti, že zatímco uvedené typy záhřevu mají omezení v pronikavosti energie do potraviny, odporový ohřev taková omezení nemá. Mikrovlnný ohřev však nevyžaduje kontakt s potravinou, odporový ohřev naopak vyžaduje, aby elektrody byly v co nejlepším kontaktu s ohřívanou potravinou. V praxi to znamená, že pro použití odporového ohřevu je nezbytné, aby potravina byla dostatečně tekutá, nebo aby ohřívané částice potraviny byly v dostatečném množství kapaliny tak, aby byl zajištěn dostatečný kontakt a bylo možné produkt čerpat zařízením.

21 21 Výhody odporového ohřevu Výhody odporového ohřevu jsou: potraviny jsou zahřívány rychle (1 C/s) stejnou rychlostí v celém objemu bez teplotních gradientů dokonce i v případě ohřívání tuhých částic i kapalin jejichž odpor je rozdílný koeficienty přestupu tepla neomezují rychlost záhřevu může být dosaženo dostatečných teplot pro UHT sterilaci při ohřevu neexistují horké povrchy jako u klasického ohřevu, tím není žádné riziko přehřívání nebo připalování a je snížena frekvence čištění zařízení nehrozí lokální přehřívání, potraviny citlivé na záhřev nebo termolabilní složky nejsou destruovány v zařízeních mohou být zahřívány také kapaliny obsahující částice, částice nejsou mechanicky deformovány tak, jako je tomu u stíraných výměníků odporový ohřev je použitelný také pro záhřev viskózních kapalin bez rizika nehomogenního ohřevu v důsledku špatného proudění, jako je tomu při klasickém ohřevu podobných materiálů účinnost přeměny energie je velmi vysoká, dosahuje více než 90 % náklady na zpracování jsou nižší než u mikrovlnného ohřevu technologie je vhodná pro kontinuální zpracování Teorie Potraviny obsahující vodu a ionty solí jsou schopné vést elektrický proud, ale také mají odpor, který umožňuje vytvářet teplo průchodem proudu. Elektrický odpor potravin je nejdůležitějším faktorem, který ovlivňuje rychlost ohřevu. Při optimalizaci podmínek odporového ohřevu potravin musí být proměřena vodivost potravin. Elektrická vodivost potravin je zjišťována multimetrem připojeným k vodivostní cele. Vodivost se vypočte z měřeného odporu podle vzorce: = (1/R)(L/A), kde: je vodivost potraviny (Sm -1 ), R je naměřený odpor (), L (m) je délka cely, A je plocha cely (m 2 )

22 22 Tabulka II: Elektrická vodivost některých potravin Elektrická vodivost Potravina (Sm -1 ) Brambory 0,037 Mrkev 0,041 Hrášek 0,17 Hovězí maso 0,42 Roztok škrobu 5,5% obsahující a) 0,2 % NaCl b) 0,55 % NaCl c) 2 % NaCl 0,34 1,3 4,3 V případě složených potravin je vodivost pevných částic vypočtena z rozdílu vodivostí (vodivost produktu minus vodivost kapaliny). Údaje o vodivosti potravin jsou relativně vzácné (viz tabulka II), vodivost potravin má mnohem větší rozsah než hodnoty teplotní vodivosti potravin, může kolísat v rozmezí od 10 8 Sm -1 (to odpovídá vodivosti mědi) po 10-8 Sm -1 (vodivost nevodivých látek např. dřeva). Elektrická vodivost je také vyjadřována ve formě obrácené hodnoty, jako specifický odpor. Na rozdíl od kovů, u kterých odpor vzrůstá s teplotou, elektrický odpor potravin s teplotou klesá přibližně dvakrát až třikrát při teplotách nad 120 C. Odpor může také kolísat v závislosti na směru (např. souběžně nebo napříč buněčnou strukturou) a může se měnit se změnou struktury potraviny (např. při želatinizaci škrobu, porušení buněk nebo únikem vzduchu po blanšírování). Z tabulky II je zřejmé, že vodivost zeleniny je nižší než vodivost svalové tkáně, vodivost masa je zase významně nižší než vodivost omáčky. Obvyklý obsah soli v omáčce se pohybuje v rozmezí 0,6 1 %, z údajů v tabulce je zřejmé, že vodivost hovězího masa je asi třikrát nižší než vodivost omáčky. To je významný závěr pro UHT sterilaci omáčky obsahující částice (např. maso), pokud je takový produkt obsahující dvě složky - tuhé částice a kapalinu - zahříván odporovým ohřevem a částice mají nižší vodivost, znamená to, že jsou rychleji ohřívány než okolní kapalina. Z popsané úvahy vyplývá rozdíl od konvenčního ohřevu podobného materiálu, kde teplo nejpomaleji proniká do středu částic v důsledku nižší teplotní vodivosti částic. Odporový ohřev může být právě proto užitečný při UHT sterilaci potravin obsahující částice, protože umožní účinný ohřev částic bez rizika teplotního poškození omáčky nebo přehřátí vnějších vrstev částic. Kromě uvedeného materiál nemusí být míchán, tím je významně sníženo riziko mechanického poškození částic, mohou být zpracovávány směsi s částicemi větších rozměrů (až 2,5 cm), které by při obvyklém způsobu záhřevu byly poškozeny.

23 23 Nejdůležitějším rysem odporového ohřevu je rychlost tvorby tepla, která kromě elektrického odporu potraviny závisí také na měrném teplu jednotlivých složek a na rychlosti průtoku zařízením. Pokud ve dvousložkové směsi mají obě komponenty podobný odpor, dochází u složky s nižším obsahem vody (pevné částice) k rychlejšímu ohřevu v důsledku nižšího měrného tepla než je tomu u kapaliny. Výpočet prostupu tepla je však velmi složitý, zahrnuje současné řešení rovnic pro elektrické, teplotní a fluidní pole a je nad rámec tohoto textu. Zařízení a aplikace Jak je popsáno v předcházejícím textu návrh zařízení musí zahrnovat elektrické vlastnosti potraviny, která má být ohřívána, protože potravina je jeho elektrickou součástí. Větší míra přizpůsobení zařízení jeho účelu je obvyklá i u zařízení pro mikrovlnný a dielektrický ohřev, všechna uvedená zařízení vyžadují více zohlednění vlastnosti potravin než je tomu u klasických tepelných výměníků. Odporové ohřívače proto musí navrhovány spíše pro přesnější okruh použití, při návrhu musí být uvažováno: typ produktu (jeho elektrický odpor a změny odporu v očekávané rozmezí teplot) průtok rychlost ohřevu (podle toho se určí příkon) požadované množství tepla doba výdrže Aby byly odporové ohřívače komerčně úspěšné, musí umožňovat účinné řízení ohřevu a průtoku být nenáročné na náklady umožňovat aseptické plnění být navrženy tak, aby byla vyloučena elektrolýza produktu nebo jeho spálení Původní zařízení využívala stejnosměrné napětí, způsobovala elektrolýzu (korozi elektrod a kontaminaci produktu) a také vyžadovala drahé elektrody. Použití střídavého napětí o frekvenci 50 Hz ze sítě snížilo riziko elektrolýzy zjednodušilo zařízení a snížilo cenu. Další snížení rizika elektrolýzy je možné dosáhnout použitím vyšších frekvencí (100 Hz) nebo

24 24 uhlíkových elektrod. Zatím jediným dostupným komerčním zařízením je APV Baker Ohmic Heating System. Předúprava tuhých částic Předzpracování tuhých částic před odporovým ohřevem zahrnuje: předehřátí v kapalině, vyrovnání odporů příprava těstovin pro zlepšení absorpce vody záhřev omáčky pro zmazovatění škrobu záhřev k rozpuštění tuků stabilizace omáček homogenizací, obzvláště mléčných omáček a dalších, které obsahují tuky a tepelně labilní proteiny blanšírování zeleniny za účelem deaerace (odstranění vzduchu) a inaktivace enzymů enzymová marinace pro tenderizaci (změkčení) a zlepšení vůně a chuti masa nasátí kyselin a solí do částic, aby se zlepšila jejich elektrická vodivost orestování částic masa pro zlepšení jejich vzhledu Odporový ohřev byl použit pro zpracování různých kombinací masa, zeleniny, těstovin nebo ovoce s vhodnou nosnou kapalinou. Rovněž bylo popsáno zpracování rozličných tvarů zahrnujících kostky, plátky, kuličky, tyčinky, spirálky. Při procesu je obvykle většina nosné kapaliny (omáčky, polévky apod.) zahřívána zvlášť v klasickém trubkovém tepelném výměníku, poté je nastřikována do proudu částic před opuštěním výdržníku. Uvedené řešení umožňuje snížit náklady, protože částice jsou zahřívány pouze s minimálním podílem kapaliny, který je dostatečný pro ohřev a posun ohřívaného materiálu zařízením. Náklady na odporový ohřev jsou porovnatelné se zmrazováním a se sterilací nekyselých potravin. Potraviny jsou čerpány vertikální trubkou, která obsahuje sérii elektrod, ve trubce je potravina zahřívána na požadovanou teplotu. Nerezové elektrody pokryté PTFE jsou umístěny kolmo na trubici. Střídavý proud z trojfázového zdroje prochází mezi elektrodami a potravinou, která se pohybuje trubicí. Jednotlivé sekce trubice jsou z nerezu, vyložené izolací z plastů jako polyvinylidenfluorid (PVDF), polyetheretherketon (PEEK) nebo ze skla. Systém je navržen tak, aby udržel stejnou impedanci ve všech sekcích trubice mezi elektrodami, trubice mají postupně delší délku směrem k výstupu, protože se zahříváním se zvyšuje

25 25 vodivost potravin. Obecně trubice o průměru 0,3 cm a délce 30 cm by mohla sloužit k ohřevu několika set litrů za minutu, zatímco trubice o průměrů 2,5 cm a délce 2 metry pro ohřev několika tisíc litrů za hodinu. Komerční zařízení má výkon 75 a 300 kw, což odpovídá přibližně 750 a 3000 kg h -1. Proces je automaticky řízen, je sledována teplota na vstupu, průtok produktu a jeho měrné teplo, podle naměřených dat je regulován příkon zařízení. Při odporovém ohřevu prakticky nedochází k napalování potravin na elektrodách nebo uvnitř trubice, proto po ukončení zpracování jednoho produktu stačí výplach nosnou kapalinou a může být zpracováván další produkt. Teprve po ukončení procesu je provedeno čistění. V případě konvečního ohřevu je žádoucí turbulentní proudění, aby bylo zajištěno promíchávání produktu, byl udržen maximální teplotní gradient a nejvyšší koeficienty přestupu tepla. V případě odporového ohřevu prochází elektrický proud produktem rychlostí světla, v produktu není žádný teplotní gradient, protože teplota je konstantní v průřezu potraviny v kolmém směru na procházející proud. Rychlost průtoku potraviny je zanedbatelná ve srovnání s rychlostí elektrického proudu, ale pokud není průtok potraviny stejný napříč procházejícím proudem, pomaleji pohybující se části mohou být významně teplejší než ty, které se pohybují rychleji. Proto je důležité zajistit, aby se potravina pohybovala ohřívačem jako píst. V případě ohřevu potraviny na teploty nad 100 C, např. v UHT zařízeních, které dosahují až 140 C, musí být v ohřívači zajištěn přetlak, aby nedocházelo k varu vody, z ohřívače produkt přechází do výdržníku, chladiče a je asepticky plněn. Proces je použitelný pro potraviny s obsahem částic do 60 %. Oproti konvenčnímu UHT zpracování nehomogenních potravin, kde je kapalný podíl významný jako teplonosné medium, je u odporového ohřevu je naopak zapotřebí vyšší podíl tuhých částic. Důvody jsou dva, vyšší podíl části urychluje záhřev z důvodu nižší vodivosti částic a zároveň je zajištěn pístový pohyb produktu trubicí a zajištěn homogenní ohřev v celém průřezu. Vysoký podíl částic může být zahříván v případě, že částice jsou měkké a malé, nebo jejich tvar je rozdílný, takže je zajištěn co nejmenší prostor mezi částicemi. Nižší koncentrace tuhých částic vyžaduje vyšší viskozitu nosné kapaliny, aby byly částice drženy v suspenzi. Rovněž hustota částic by měla být blízká hustotě nosné kapaliny, pokud je hustota částic příliš vysoká nebo kapalina není dostatečně viskózní, dochází k usazování částic v systému a k jejich přehřívání. Naopak pokud jsou částice příliš lehké, plavou v nosné kapalině, důsledkem je rozdílné složení ohřívaného produktu a hrozí nedostatečné tepelné opracování. Pro řízení procesu je v těchto případech prakticky nemožné určit čas výdrže a zajistit požadovaný ohřev všech částic. Ze

26 26 stejného důvodu musí být sledována také viskozita nosné kapaliny, změny viskozity nosné kapaliny během zpracování jsou omezeny použitím předupravených roztoků hydrokoloidů. Optimalizace procesu Pokud má být odporový ohřev použit pro UHT zpracování potravin obsahujících částice, je nutné zajistit, aby bylo dosaženo dostatečného inaktivačního účinku v nejpomaleji se ohřívajících místech částic. Sledování průběhu teploty v částicích během procesu ohřívání je obtížné, jednodušší je vyhodnocení inaktivačního účinku v nosné kapalině. Proto je nezbytné proces řídit takovým způsobem, aby bylo zajištěno intenzivnějšího prohřívání pevných částic v potravině než nosné kapaliny. Uvedený cíl je dosažen optimalizací elektrických vlastností produktu např. přídavky soli apod. Určitým problémem je stále nedostatek dat zejména pro nehomogenní částice, jako jsou kousky masa s obsahem tuku, elektrické vlastnosti mohou být dále komplikovány difůzí soli a dalších iontů do částice. Kromě toho přítomnost tuků a dalších teplo nevodivých materiálů v částicích způsobuje, že v případě většího uplatnění sdílení tepla vedením, mohou v částicích při odporovém ohřevu vznikat chladnější místa. Optimalizace procesu ohřívání je komplikovaný proces, obecně musí být uvažovány faktory: velikost a tvar částic obsah vlhkosti v částicích poměr tuhého a kapalného podílu viskozita kapalného podílu množství a charakter elektrolytů ph měrné teplo složek tepelná vodivost složek Jak bylo uvedeno v předcházejícím textu, kromě popsaných faktorů je nutné uvažovat také změny vlastností během procesu zpracování.

27 Konzervace dielektrickým a infračerveným ohřevem Dielektrická energie (mikrovlny a radiové frekvence) a infračervená energie jsou dvě formy elektromagnetické energie. Obě jsou vyzařovány jako vlnění, které proniká do potraviny, je absorbováno v potravině a transformováno na teplo. Žádná z uvedených forem významně neovlivňuje mikroorganismy přímo, ale prostřednictvím vytvořeného tepla záhřevu, tj. účinek je analogický s dalšími metodami konzervace záhřevem Dielektrický ohřev Teorie Většina potravin obsahuje významná množství vody. Molekula vody se skládá z negativně nabitého kyslíku a pozitivně nabitých vodíků a vytváří elektrický dipól. Jakmile je potravina vystavena elektromagnetickému vlnění o frekvenci mikrovln nebo radiových vln, molekuly vody a další složky s podobnou strukturou, které vytváří dipóly např. soli, se snaží orientovat podle elektrického pole (podobně jako kompas v magnetickém poli). Rychle oscilující elektrické pole se mění z pozitivního na negativní a zpět více než milionkrát za sekundu, dipóly se snaží sledovat změny pole a tím dochází ke tření a ke tvorbě tepla. Zvýšení teploty vody vyvolává postupný ohřev dalších obklopujících složek potraviny vedením nebo prouděním. Mikrovlnný ohřev je někdy v populárních příručkách označován jako ohřev potraviny zevnitř, ve skutečnosti je v závislosti na složení potravin absorbována stejná energie na povrchu i uvnitř potraviny, avšak ztráty tepla z povrchu do okolního prostředí jsou větší než uvnitř potraviny. Hlavní vliv na rychlost na množství absorbované energie má obsah vody a solí v potravině (rychlost zahřívání je ovlivněna také tvarem potraviny a dalšími faktory). Pro rychlost ohřevu, rychlost dosažení určité teploty v potravině je významné také měrné teplo potraviny, resp. hlavních složek potraviny. Voda absorbuje velké množství energie, ale díky vysoké hodnotě měrného tepla vody je třeba pro záhřev potravin s velkým obsahem vody více tepla než je tomu v případě potravin s nižším obsahem vody. Faktory ovlivňující absorpci energie Hloubka průniku jak mikrovln, tak radiových vln je dána dielektrickou konstantou a ztrátovým faktorem potraviny (viz tabulka III). Tyto vlastnosti pro různé potraviny jsou tabelovány, výběr hodnot pro různé materiály je uveden v tabulce. Hodnoty kolísají podle obsahu vody v potravině, teplotou a frekvencí pole. Obecně platí, čím nižší je ztrátový faktor

28 28 (tj. vyšší prostupnost pro mikrovlny) a nižší frekvence, tím vyšší hloubka průniku. Je možné vybrat frekvenci z povolených rozsahů vlnových délek a vhodnou sílu elektrického pole pro dosažení daného ztrátového faktoru. Většina potravin má vysoký obsah vody, tím vysoký ztrátový faktor, velmi snadno absorbují mikrovlnnou energii a energii radiových vln a nehrozí přehřátí nebo vzplanutí. Avšak v případě sušení produktů s nízkým obsahem je toto nebezpečí reálné a musí tomu být přizpůsobeny podmínky ohřevu. Radiové vlny jsou většinou využívány k zahřívání nebo odpařování vody z výrobků, zatímco mikrovlny o vyšších frekvencích jsou používány k rozmrazování a sušení za nízkého tlaku. Led jen velmi málo absorbuje energii mikrovln, jejich pronikavost však dramaticky klesá se změnou skupenství z pevného na kapalné, dosahuje minima při teplotě kolem 20 C a pak s dalším ohříváním vody pronikavost vln vzrůstá, čím je voda teplejší, tím méně energie absorbuje. Vysokou pronikavost mikrovln do ledu lze vysvětlit menší možností pohybu molekul ve struktuře ledu, podobně v teplé vodě jsou již molekuly rozkmitány a další energie již není absorbována. Převedeno na fyzikální parametry, led má nižší ztrátový faktor než voda a tento faktor je velmi významný zejména při použití mikrovln k rozmrazování a ohřevu mražených potravin. Sklo, papír a některé polymerní folie mají velmi nízký ztrátový faktor a nejsou v mikrovlnném poli prakticky zahřívány. Kovy mikrovlny odrážejí a také nejsou zahřívány, k ohřevu však může docházet vedením z ohřívaných potravin. V každém případě skutečnost, že při aplikaci mikrovln nedochází k jejich absorpci kovovými součástmi, zařízení přispívá k celkové vysoké účinnosti procesu. Tabulka III: Dielektrické vlastnosti vybraných materiálů při C a 2450 MHz Dielektrická Ztrátový faktor Materiál konstanta (Fm -1 ) Hloubka průniku (cm) Banán (syrový) ,93 Hovězí maso (syrové) ,87 Chléb 4 0, Nálev (5 %) ,25 Máslo 3 0,1 30,5 Mrkev (vařená) ,93 Stolní olej 2,6 0,2 19,5 Destilovaná voda 77 9,2 1,7 rybí maso (vařené) 46,5 12 1,1 sklo 6 0,1 40 šunka ,3 led 3,2 0, papír 4 0,1 50 polyesterová miska 4 0, brambory (syrové) 62 16,7 0,93