Bài giảng Xử lý nhiệt đồ hộp

Nội dung text: Bài giảng Xử lý nhiệt đồ hộp

1. Cacbohydrates ¡ Sự hiện diện của đường trong huyền phù vi sinh vật làm tăng tính đề kháng nhiệt của chúng. ¡ Corry, 1974 đã thấy sucrose làm tăng tính đề kháng nhiệt của Salmonella Senftenberg 775W hơn 4 loại carbohydrate khác được thử nghiệm. ¡ Thứ tự giảm dần về tính đề kháng nhiệt của vi sinh vật: Sucrose > glucose > sorbitol > fructose > glycerol
2. pH ¡ Các vi sinh vật rất đề kháng với nhiệt ở pH tối thích của chúng, thông thường là khoảng 7,0. ¡ Giá trị pH cao hơn hoặc thấp hơn giá trị này cũng làm tăng tính nhậy cảm với nhiệt
3. Protein và các chất khác ¡ Protein trong sản phẩm được xử lý nhiệt có tác dụng bảo vệ vi sinh vật. ¡ Với cùng một số lượng vi sinh vật, thực phẩm nào có chứa nhiều phân tử chất keo hơn sẽ đề kháng với nhiệt nhiều hơn.
4. Số lượng vi sinh vật ¡ Số lượng vi sinh vật càng nhiều thì tính đề kháng nhiệt của chúng càng cao ¡ Cơ chế về tính đề kháng nhiệt của 1 số lượng lớn vi sinh vật là do sự tiết ra các chất có tác dụng bảo vệ của tế bào. ¡ Tính đề kháng nhiệt của vi sinh vật với số lượng lớn cao hơn số lượng nhỏ vi sinh vật
5. Bảng 3 Aûnh hưởng của số lượng bào tử vi khuẩn Clostridium botulinum đến thời gian tử vong do nhiệt ở 1000C Số lượng bào tử Thời gian tử vong do nhiệt (phút) 72 000 000 000 240 1 640 000 000 125 32 000 000 110 650 000 85 16 400 50 328 40 Nguồn: Carpenter, P.L, 1967. Microbiology, 2nd. Philadelphia: W.B. Saunders
6. Tuổi của vi sinh vật Ø Tế bào vi khuẩn có khuynh hướng đề kháng nhiệt trong phase phát triển (tế bào già) và ít đề kháng nhiệt hơn trong phase log. Ø Bào tử của vi khuẩn già được ghi nhận là đề kháng nhiệt hơn bào tử non.
7. Nhiệt độ phát triển ü Tính đề kháng nhiệt của vi sinh vật có khuynh hướng gia tăng khi nhiệt độ ủ tăng và điều này chỉ đúng với vi sinh vật có hình thành bào tử. ü Samonella Senftenberg phát triển ở 440C có tính đề kháng nhiệt gấp 3 lần so với loài phát triển ở 350C.
8. Các hợp chất ức chế v Tính đề kháng nhiệt của hầu hết các vi sinh vật giảm khi có sự hiện diện của các chất kháng sinh, SO2 và các chất ức chế vi sinh vật khác. v Hiệu quả tiêu diệt vi sinh vật tăng cao khi sử dụng phối hợp
9. Nhiệt độ và thời gian q Thời gian xử lý nhiệt càng dài thì hiệu quả tiêu diệt vi sinh vật bởi nhiệt càng lớn. q Nhiệt độ càng cao thì khả năng tiêu diệt vi sinh vật bởi nhiệt càng lớn. q Khi nhiệt độ tăng thì thời gian cần thiết để tiêu diệt vi sinh vật sao cho vẫn có cùng hiệu quả tiệt trùng sẽ giảm.
10. Bảng 4 Aûnh hưởng của nhiệt độ đến thời gian tử vong do nhiệt của bào tử Nhiệt độ Clostridium Vi sinh vật chịu nhiệt botulinum (150 000 bào tử/ml (60 tỉ huyền phù nước bắp, pH = 6,1) bào tử, pH=7,0) 1000C 260 phút 1 140 phút 1050C 120 phút 1100C 36 phút 180 phút 1150C 12 phút 60 phút 1200C 5 phút 17 phút Nguồn: Carpenter, P.L, 1967.
11. Sóng Siêu Aâm Tính đề kháng nhiệt của bào tử sẽ giảm khi chiếu sóng siêu âm trước hoặc trong quá trình xử lý nhiệt.
12. 3 Tính đề kháng nhiệt của vi sinh vật Ø Sự đề kháng nhiệt của vi sinh vật có liên quan đến nhiệt độ phát triển tối thích của chúng. Ø Vi khuẩn sinh bào tử đề kháng nhiệt hơn vi khuẩn không sinh bào tử. Ø Vi khuẩn gram dương có khuynh hướng đề kháng nhiệt hơn vi khuẩn gram âm. ØNhìn chung vi khuẩn dạng cầu đề kháng nhiệt hơn so với dạng que.
13. n Nấm men và nấm mốc khá nhậy cảm với nhiệt, nang bào tử nấm men ít đề kháng nhiệt hơn nấm men sinh dưỡng. n Bào tử vô tính của nấm mốc ít đề kháng nhiệt hơn nấm mốc dạng sợi.
14. Bảng 5 Giá trị D của một số vi sinh vật gây hư hỏng thực phẩm acid và acid cao. Tên vi sinh vật Cơ chất 0C D (phút) z Neosartorya fischeri PO4 buffer, pH=7,0 85 35,25 4,0 Neosartorya fischeri PO4 buffer, pH=7,0 87 11,1 4,0 Neosartorya fischeri PO4 buffer, pH=7,0 89 3,90 4,0 Neosartorya fischeri Apple juice 87,8 1,4 5,6 Neosartorya fischeri Blueberry fruit filling 91 <2,0 5,4 – 11 Talaromyces flavus Blueberry fruit filling 91 2,5–5,4 9,7–16,6 Talaromyces flavus Apple juice 90,6 2,2 5,2 Alicyclobacillus Berry juice 91,1 3,8 _ Alicyclobacillus Berry juice 95 1,0 _ Alicyclobacillus Berry juice 87,8 11,0 _ Alicyclobacillus Concord grape juice, 300 85,0 76,0 6,6 Alicyclobacillus Concord grape juice, 300 90 18,0 6,6 Alicyclobacillus Concord grape juice, 300 95 2,3 6,6
15. Sự đề kháng nhiệt của bào tử Các nội bào bào tử (endospores) của vi khuẩn rất đề kháng với nhiệt có ảnh hưởng lớn đến quá trình bảo quản các thực phẩm đã qua xử lý nhiệt. Chưa xác định được chính xác nguyên nhân
16. Sự đề kháng nhiệt của bào tử Sự đề kháng nhiệt của bào tử có liên quan đến việc khử nước của thể nguyên sinh (protoplast), sự khoáng hoá và sự thích nghi với nhiệt. Nội bào tử của các loài vi sinh vật phát triển ở nhiệt độ cao có tính đề kháng nhiệt hơn những loài phát triển ở nhiệt độ thấp hơn.
17. 4. Tỉ lệ vi sinh vật bị tiêu diệt 4.1 Ở nhiệt độ không đổi Khi sản phẩm được xử lý ở 1 nhiệt độ nhất định cho trước thì số lượng vi sinh vật sẽ giảm theo thời gian. N ln = −kt (1) N 0 N là xác suất hư hỏng nếu N<1 và ngược lại, nếu N≥1 có nghiã chắc chắn có hộp bị hư hỏng
18. Phương trình (1) có thể viết ở dạng khác: N 2.303× log( ) = −kt N 0 N − kt è log( ) = N 0 2.303 N Khi = 0 . 1 thì 2.303 N t = 0 k 2.303 2.303 Đặt D = k = (2) k è D
19. • Từ (1) và (2): • N − t log( ) = N 0 D t N − D (3) Hay = 10 N 0
20. Từ phương trình (3), có thể định nghiã: Giá trị D (thời gian giảm thập phân) là khoảng thời gian cần thiết để số lượng vi sinh vật giảm đi 10 lần. D đặc trưng cho tính đề kháng nhiệt của vi sinh vật đang khảo sát ở nhiệt độ xử lý.
21. N Đặt n = log( 0 ) N N t Ta có: log( ) = −n = − N 0 D è t = n.D (4) n: số đơn vị logarit thập phân cần phải giảm (độ giảm thập phân)
22. Ở nhiệt độ không đổi, giá trị n và giá trị F có thể chuyển đổi với nhau trong phương trình (4), với giá trị F thay thế cho giá trị t. Ta có: F n = T DT Trong đó: FT: giá trị tiệt trùng ở nhiệt độ T DT: thời gian giảm thập phân ở nhiệt độ T. Thông thường giá trị F được biểu diễn ở nhiệt độ chuẩn (121.10C cho quá trình tiệt trùng và 82.20C cho quá trình quá trình thanh trùng).
23. 4.2 Xác định giá trị logarit thập phân cần giảm (n) ü Đồ hộp thực phẩm được xử lý để đạt được giá trị tiệt trùng thương mại. ü Giá trị tiệt trùng thương mại là phải đảm bảo tiêu diệt các vi sinh vật đến mức thấp nhất sao cho không gây nguy hại đến sức khoẻ của người tiêu dùng. ü Sự hư hỏng do vi sinh vật gây ra ảnh hưởng đến sức khoẻ của người tiêu dùng được gọi là hư hỏng thương mại.
24. • Bảng 6 Giá trị N và N0 thường được sử dụng trong quá trình tính toán giá trị tiệt trùng thương mại của đồ hộp thực phẩm. Yếu tố N N0 Sức khoẻ cộng đồng 10-9 Các sản phẩm nói chung:10 Thịt các loại: 102 Nấm rơm: 104 Đồ hộp: 105 Hư hỏng do vi sinh vật 10-6 Các sản phẩm nói chung:10 ưa ấm Thịt các loại: 103 Hư hỏng do vi sinh vật 10-2 Các sản phẩm nói chung:10 chịu nhiệt Nguồn: Pflug, I.V., J Food Protect.
25. BÀI TẬP Bài tập 1: Giá trị tiệt trùng F ở 121.10C để tiêu diệt 99.999% vi khuẩn Clostridium botulinum là 1.2 phút. Tính giá trị D0 của vi khuẩn này? Bài tập 2: Tính giá trị F0 dựa vào khái niệm 12D, sử dụng giá trị D0 của vi khuẩn Clostridium botulinum trong bài tập 1 và số lượng bào tử ban đầu của sản phẩm là 100.
26. Bài tập 3: Giá trị tiệt trùng của 1 quá trình xử lý nhiệt F0 là 2.88 phút. Nếu mỗi hộp chứa 10 bào tử và có D0=1.5 phút thì xác suất hư hỏng từ vi sinh vật này là bao nhiêu? Biết rằng trong quá trình tính toán giá trị F0 đã sử dụng giá trị z của vi khuẩn này. Bài tập 4: Số lượng bào tử trong đồ hộp thực phẩm là 100 và giá trị D0=1.5 phút. Tính giá trị tiệt trùng cần phải đạt F0 cho 1 quá trình xử lý sao cho xác suất hư hỏng là 1 trong 100 000 hộp. Nếu cùng một điều kiện như nhau, vi khuẩn C. botulinum type B có giá trị D là 0.2 phút thì giá trị F0 cần phải đạt là bao nhiêu để thoả mãn với quá trình xử lý 12D cho vi khuẩn này?. Biết rằng số lượng bào tử vi khuẩn C. botulinum ban đầu là 1/ hộp.
27. 4.3 Đường thẳng số lượng vi sinh vật sống sót và giá trị D Ø Theo Stumbo và Ctv, 1950 và Schmidt, 1950 có thể xác định giá trị D nếu có các số liệu vi sinh vật còn sống sót ở hai thời gian xử lý nhiệt. Ø Về mặt hình học, giá trị D là thời gian mà đường thẳng vi sinh vật sống sót đi qua 1 chu kì log và nghịch đảo giá trị này là độ dốc của đường thẳng.
28. Hình 1 Đồ thị đường cong sống sót của vi sinh vật
29. Về mặt toán học, ta có: t − t D = 2 1 (6) log(N1 ) − log(N 2 ) Trong đó, N1 và N2 lần lượt là sống lượng vi sinh vật còn sống sót sau thời gian xử lý nhiệt t1 và t2. Giá trị D càng nhỏ thì tốc độ tiêu diệt vi sinh vật càng nhanh.
30. • Ví dụ: các đồ hộp thực phẩm chứa 800 bào tử/ml được xử lý nhiệt ở nhiệt độ 2450C ở các khoảng thời gian khác nhau. Số lượng bào tử sống sót/ml được trình bày qua bảng và đồ thị dưới đây. Thời gian (phút) Bào tử/ml 0 800 10 190 20 27 30 6 40 1 50 0.2
31. Hình 2 Đồ thị semilog về sự sống sót của vi sinh vật
32. Dựa vào đồ thị nhận thấy giá trị D=14 vì qua 1 chu kì log có sự giảm 10 lần số lượng bào tử. Độ dốc của đường thẳng là: 1/14 = 0.0714 Phương trình đường thẳng là: log(N) = log(800) – 0.0714t Chuyển sang dạng mũ có dạng: N = 800(10)-0.0714t
33. Bảng 7 Mối liên hệ về các tính chất nhiệt giữa các thành phần cảm quan và dinh dưỡng của thực phẩm và tính đề kháng nhiệt của vi sinh vật và enzyme Thành phần Nguồn pH z (0C) D Khoảng (phút) nhiệt độ (0C) Thiamin Purée càrốt 5,9 25 158 109-149 Thiamin Purée đậu hà lan tn 27 247 121-138 Thiamin Thiït cừu nghiền 6,2 25 120 109-149 Lysine Bột đậu nành _ 21 786 100-127 Chlorophyll a Rau bina 6,5 51 13,0 127-149 Chlorophyll a Rau bina tn 45 34,1 100-130 Chlorophyll b Rau bina 5,5 79 14,7 127-149 Chlorophyll b Rau bina tn 59 48 100-130 Anthocyanin Nước nho tn 23,2 17,8* 20-121 Betanin Nước củ cải đường 5,0 58,9 46,6* 50-100 Carotenoids Ớt bột tn 18,9 0,038* 52-65 Peroxydase Đậu hà lan tn 37,2 3,0 110-138 Peroxydase Các loại _ 28-44 _ _ Bào tử Clostridium Các loại >4,5 5,5-10 0,1-0,3 104 botulinum type A vàB Bacillus Các loại >4,5 7-10 4,0-5,0 110+ stearothermophyluss
34. 4.4 Aûnh hưởng của nhiệt độ xử lý và giá trị z n Giá trị z là khoảng nhiệt độ sao cho giá trị D tăng hoặc giảm 10 lần hoặc trên đồ thị semilog giá trị z là khoảng nhiệt độ sao cho đường cong giá trị D đi qua 1 chu kì log.
35. 103 102 101 z 100 225 235 245 255 265 275 Hình 3 đường thẳng về tính đề kháng nhiệt của vi sinh vật
36. • Về mặt toán học: • T −T z = 2 1 (7) log(D1 ) − log(D2 ) Trong đó giá trị D1 và D2 là các giá trị ở nhiệt độ T1 và T2.
37. Đường thẳng về tính đề kháng nhiệt của VSV có phương trình: 1 log(D) = log(D ) − (T −T ) 0 z 0 D T0 −T Hay = 10 z (8) D0 0 Trong đó T0 là nhiệt độ chuẩn (T0 =121,1 C ) D0 là giá trị D ở nhiệt độ T0
38. 4.5 Ở nhiệt độ thay đổi • Dựa vào mối quan hệ giữa thời gian và nhiệt độ và đặt LT là giá trị diệt khuẩn sinh học, là khả năng tiêu diệt vi sinh vật trong 1 phút ở nhiệt độ T, ta có phương trình: T!T0 1 1 z LT = = =10 t T0 !T (9) 10 z Như vậy, thời gian cần thiết để tiêu diệt vi sinh vật sẽ là: FT = LT.t
39. Đối với các quá trình xử lý nhiệt đồ hộp với nhiệt độ thay đổi, giá trị tiệt trùng F bằng tổng các giá trị diệt khuẩn sinh học ở các khoảng thời gian khác nhau và nhiệt độ trung bình ở các khoảng thời gian đó: F = ∆LT. ∆ t (10)
40. 4.6 Giá trị tiệt trùng cần phải đạt F0 • Để so sánh 2 chế độ xử lý nhiệt có nhiệt độ và thời gian khác nhau, người ta qui chúng về cùng 1 nhiệt độ giống nhau là 121,10C 0 (250 F), ta có khái niệm F0 và được biểu diễn qua phương trình như sau: T − 250 log(F0 ) = log(FT ) + z (11) T −121,1 Hay log(F ) = log(F ) + 0 T z
41. 5. Tính quá trình xử lý nhiệt đồ hộp thực phẩm Có rất nhiều phương pháp để tính giá trị tiệt trùng cho quá trình xử lý nhiệt đồ hộp. Phương pháp cổ điển, phương pháp cải tiến từ phương pháp cổ điển, phương pháp công thức Stumbo, phương pháp Pham, phương pháp công thức Ball, phương pháp đếm diện tích, phương pháp cắt và cân khôí lượng v.v
42. Kiểm tra sự thâm nhập nhiệt và tính chế độ xử lý nhiệt bằng phương pháp công thức Ball • Cần khảo sát các yếu tố sau: Ø Hiệu quả tiệt trùng của sản phẩm Ø Hiệu quả kinh tế Ø Chất lượng của sản phẩm Ø Tính đồng đều của sản phẩm
43. 5.1 Đánh giá một quá trình xử lý nhiệt dựa vào 2 thông số như sau: 1. Xác định động học tiêu diệt vi sinh vật Giá trị D: Giá trị z: Tỉ lệ tử vong, L: thời gian xử lý nhiệt thực tế ở nhiệt độ cho trước được biến đổi thành thời gian của xử lý ở nhiệt độ 121.10C sao cho đạt cùng hiệu quả tiêu diệt vi khuẩn C. botulinum. Giá trị tiệt trùng, F0 :
44. 5.2. Các thông số mô tả quá trình truyền nhiệt Ø Nhiệt độ tương ứng với thông số fh và fc: các thông số này cho biết tỉ lệ truyền nhiệt vào trong hộp và các cấu phần trong suốt quá trình xử lý nhiệt và làm lạnh. Ø Yếu tố trễ pha, jh và jc: các thông số này cho biết thời gian trễ trước khi tỉ lệ truyền nhiệt đạt fh và fc.
45. Hiệu quả tử vong là hàm số của thời gian, nhiệt độ và số lượng vi khuẩn ban đầu. Để thiết kế hoặc đánh giá một quá trình xử lý nhiệt, phải xác định: Ø Khoảng truyền nhiệt chậm nhất của hộp, gọi là vùng lạnh. Ø Số lượng vi sinh vật nhắm tới tồn tại và tính đề kháng nhiệt của chúng.
46. 5.3 Sự truyền nhiệt • Để kiểm tra sự truyền nhiệt vào trong tâm của hộp, thường sử dụng nhiệt kế (thermocouple) đặt vào bên trong hộp để đo nhiệt độ tại vùng truyền nhiệt chậm nhất
47. Sự khác nhau giữa nhiệt độ tâm của sản phẩm và nhiệt độ nồi cho biết hiệu quả truyền nhiệt của sản phẩm. Hay nói cách khác, khi nhiệt độ của sản phẩm đạt đến nhiệt độ của nồi thì tỉ lệ nhiệt giảm theo hàm số mũ, được trình bày qua bảng 8.
48. Hình 4: Diễn tiến của nhiệt độ của nồi nấu và tâm sản phẩm trong quá trình xử lý nhiệt
49. Bảng 8: Các số liệu được ghi nhận từ đầu dò nhiệt độ Thời gian Nhiệt độ nồi Nhiệt độ của sản Sự khác (phút) nấu TR phẩm T nhau t TR-T 0 71 70=T0 170 5 152 75 165 10 240=TR 94 146 15 240 154 86 20 240 194 46 25 240 215 25 30 240 229 11 35 240 234 6 40 240 237=TB 3 45 158 195 50 70 145 55 68=T2 118 60 68 100
50. Sự khác nhau của phần bị chắn thực tế và phần bị chắn biểu kiến là: Sự khác nhau=log(TR –TA) – log(TR –T0) Hình 5: đường cong truyền nhiệt
51. Đường thẳng có phương trình t log(TR − T) = log(TR − TA ) − (12) f h t: thời gian xử lý (phút) T: nhiệt độ tâm của sản phẩm tại thời gian t TR : nhiệt độ của nồi tiệt trùng T0: nhiệt độ ban đầu biểu kiến của đường thẳng fh: thời gian cần thiết để đường thẳng đi qua 1 chu kì log
52. Nếu gọi sự khác nhau này là log(jh) thì phương trình (*) trở thành: log(jh)= log(TR –TA) – log(TR –T0) log(TR –TA )= log(jh)+ log(TR –T0) Thế vào phương trình (12) ta có: t log(T − T) = log[ j (T − T )]− (13) R h R o f h Dựa vào phương trình này có thể dự đoán nhiệt độ của sản phẩm tại bất kì thời gian nào.
53. • Cách xác định phần bị chắn: • Cách 1: T −T j = R A h T −T R o • Cách 2: Sự khác nhau này có thể tính trực tiếp từ đồ thị semilog. Chúng ta xác định fh và jh cho các cấu phần thực phẩm và hộp chứa từ các số liệu thực tế, sau đó sử dụng chúng để dự đoán tỉ lệ nhiệt cho các sản phẩm và hộp chứa tương tự với các giá trị T0 và TR khác nhau.
54. Đường cong làm lạnh
55. 6. Phương pháp công thức Ball Sử dụng các thông số của quá trình thâm nhập nhiệt. Thiết kế quá trình xử lý nhiệt là việc xác định thời gian cần thiết để đạt được giá trị tiệt trùng nhất định, F0. Đánh giá quá trình xử lý nhiệt là việc xác định sự đạt được giá trị tiệt trùng (hiệu quả tiệt trùng) qua quá trình xử lý.
56. v Ball đưa ra công thức tính giá trị tiệt trùng cho các tình huống mới bằng cách sử dụng các giá trị f và j được lấy từ thí nghiệm thực tế của các sản phẩm khác nhau. v Trong suốt thời gian nâng nhiệt tc, tỉ lệ tử vong luôn luôn thay đổi. Ball đề nghị thay thế điều này với một đường cong duy trì tại nhiệt độ bắt đầu của thời gian nâng nhiệt là 58%.
57. Hình 6: thời gian nâng nhiệt và thời gian bắt đầu quá trình xử lý
58. Các thuật ngữ: tc là thời gian nâng nhiệt: là thời gian cần thiết để nhiệt độ của nồi tiệt trùng đạt đến nhiệt độ chế biến. tp là thời gian giữ nhiệt: là toàn bộ thời gian mà nhiệt độ chế biến của nồi nấu được duy trì. th: là tổng thời gian xử lý nhiệt=tc+tp. tB= thời gian xử lý Ball=0.42tc+tp.
59. Hình 7: Diễn tiến của quá trình xử lý nhiệt theo phương pháp Ball
60. Nếu chúng ta sử dụng thời gian xử lý Ball, phương trình đường cong xử lý nhiệt trở thành: tB log(TR −TB ) = log[ jh (TR −To )]− (14) f h Đặt g=TR – TB là sự khác nhau giữa nhiệt độ tối đa của sản phẩm và nhiệt độ mội trường xử lý nhiệt thì phương trình (14): tB log(g) = log[ jh (TR −To )]− (15) f h
61. • Vậy thời gian xử lý nhiệt Ball cần thiết: j (T − T ) t = f log[ h 1 0 ] B h g
62. Vinters,1975 đã đưa ra phương pháp tính giá trị g theo R (fh/U) hoặc ngược lại theo phương trình như sau: Ø Tính R (fh/U): Đặt x=log g Nếu x ≤ -0.9542 thì: fh/U = 1/(0.71 – x) 5 Nếu x > -0.9542 thì: log (fh/U) = 0.072468.x + 0.06064.x4 + 0.071368.x3 + 0.23426.x2 + 0.51548.x + 0.12384