СПОСОБ СТЕРИЛИЗАЦИИ МЯСНОГО СЫРЬЯ Российский патент 2011 года по МПК A23B4/12 A23B4/01 

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).

Таблица 1 Эффективность обеззараживания мясокостной пасты после обработки пропионовой кислотой и комбинированным способом Образец МАФАнМ Bacillus Мясокостная паста (1% к-та, 2 мин) Сплошной рост Сплошной рост Мясокостная паста (1% к-та, 3 мин) Сплошной рост Сплошной рост Мясокостная паста (1% к-та, 2 мин, СВЧ 2 мин) Нет роста Нет роста Мясокостная паста (1% к-та, 3 мин, СВЧ 2 мин) Нет роста Нет роста

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.

Таблица 2 Эффективность СВЧ-обеззараживания Bac.sereus на мясопептонном бульоне Время обработки, мин Непрогретая суспензия микробных клеток (вегетативная форма) Прогретая суспензия микробных клеток (споровая форма) 1 - + 3 - + 5 - + - отсутствие роста микробов; + наличие роста микробов

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.

Таблица 3 Эффективность обеззараживания мясокостной пасты после СВЧ-обработки на экспериментальной установке при частоте 915 МГц Образец МАФАнМ БГКП Salmonella Мясокостная паста (контроль) 7,9×10⁷ Обнаружено Не обнаружено Мясокостная паста (20 кВт, 40 с) Нет роста Не обнаружено Не обнаружено Мясокостная паста (20 кВт, 40 с) 1) нет роста Не обнаружено Не обнаружено 2) нет роста Не обнаружено Не обнаружено 3) 27* Не обнаружено Не обнаружено 4) 59* Не обнаружено Не обнаружено Примечание: В результате СВЧ-обработки мясокостного фарша произошло снижение величины МАФАнМ на 6 порядков * согласно СанПиН 2.3.2.1078-01 (1.1.4.4-1.1.4.10) для вареных колбасных изделий допускается величина КМАФАнМ, КОЕ/г не более 1000.

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

Изобретение предназначено для использования в мясной промышленности для стерилизации мясного сырья. Стерилизацию проводят комбинированным двухэтапным физико-химическим способом. На первом этапе измельченное мясное сырье обрабатывается 1%-ной пропионовой кислотой в течение 2 мин в кислотоупорной емкости. На втором этапе сырье в виде слоя толщиной 30-40 мм, помещенное в специальные формы из радиопрозрачного материала, стерилизуется в СВЧ-установке непрерывного действия колебательной мощностью 20 кВт при частоте 915 МГц в течение 30-40 с. Способ обеспечивает обеззараживание мясокостного фарша от споровой микрофлоры. 3 табл.

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.